（材料加工工程专业论文）lspsf法流变重力成形的试验研究.pdf

摘要 摘要 本研究采用自主开发的l s p s f 半固态流变成形工艺制备a 3 5 6 铝合金大体 积半固态浆料、半固态类轮毂和6 0 6 3 铝合金半固态铸棒坯料。分析了不同工艺 参数对浆料和铸件宏微观质量的影响规律，并进行了力学性能测试，针对不同 缺陷提出了改进措施。研究成果如下： 采用l s p s f 工艺成功制各了a 3 5 6 铝合金大体积半固态浆料，从浇注量、 输送管转速、温度、冷却速度和静置时间等方面分析了浆料的微观组织变化规 律。试验及分析结果表明：大体积半固态浆料质量高且稳定，初生a a 1 相平均 等效直径为3 7 8 1 x t n ，形状因子为o 8 5 。另外，验证了l s p s f 半固态流变成形工 艺能满足在线快速生产的要求，试验中冷却时间在6 0 s 内的浆料微观组织分析显 示，初生相晶粒平均等效直径为3 2 1 l x m ，形状因子为0 8 5 ，浆料质量良好。 应用l s p s f 半固态流变成形工艺，制备了a 3 5 6 铝合金半固态类轮毂和6 0 6 3 铝合金半固态铸棒坯料，从外观、内部组织和力学性能方面分析了类轮毂和铸 棒坯料的质量与性能。试验及分析结果表明：轮毂表面平整，无明显缺陷，内 部切口平整，晶粒细小，但有少量气孔存在：浆料及类轮毂微观组织中晶粒尺 寸均匀细小，形状圆整。半固态类轮毂的抗拉强度为1 5 0 m p a ，屈服强度为 8 5 m p a ，延伸率为2 0 。铸棒坯料表面光滑无明显缺陷，巾1 1 0 m m 半固态坯料 晶粒等效直径为6 7 5 v r n ，形状因子为0 8 0 , 巾1 3 0 m m 半固态坯料晶粒等效直径 为7 5 9 岬，形状因子为0 8 3 ；铸棒坯料的抗拉强度分别为1 4 7 4 2m p a 和1 5 3 9 6 m p a 。与普通工艺相比，l s p s f 工艺能提高生产效率、促进晶粒细化及形状圆整， 对坯料力学性能的影响规律，还亟待研究。 l s p s f 半固态流变成形工艺简单、高效，浆料质量优良，具有良好的应用 前景。 关键词：半固态；铝合金；l s p s f ；流变成形 a b s t r a c t a b s t r a c t s e m i - s o l i ds l u r r yo fa 35 6a l u m i n u ma l l o yw i t hb u l kv o l u m e ，s e m i s o l i dh u ba n d s t o c ko f6 0 6 3a l u m i n u ma l l o yw e r ep r o d u c e d b yl o w s u p e r h e a tp o u r i n g 、) l ，i 廿la s h e a r f i e l d ( l s p s f ) t e c h n o l o g y , w h i c hw a ss e l f - d e s i g n e da n db u i l t t h ee f f e c t so fd i f f e r e n t p a r a m e t e r s o ns l u r r ya n dc a s t i n g sm a c r o m i c r o q u a l i t y w e r ea n a l y s e d ，t h o s e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r et e s t e d ，a n dc o r r e c t i v em e a s u r e sf o rd i f f e r e n td e f e c t sw e r e p r o p o s e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： s e m i - s o l i ds l u r r yo fa 3 5 6a l u m i n u ma l l o y 、析t 1 1b u l kv o l u m ew a sp r e p a r e d s u c c e s s f u l l yb yl s p s fp r o c e s s t h ee v o l v f i o nr e g u l a ro fp o u r i n gw e i g h t ，r o t a t i n g s p e e do ft h ed u e t ，t e m p r e t u r e ，c o o l i n gr a t e ，a n dh o l d i n gt i m eo np r i m a r yp h a s e m i c r o s t u r c t u r ew e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e m i s o l i ds l u r r yq u a l i t yw a s l l i g ha n ds t e a d y , t h em e a ne q u i v a l e n td i a m e t e ra n ds h a p ef a c t o ro ft h ep r i m a r yp h a s e w a s3 7 8 p ma n do 8 5 o t h e r w i s e ，t h er e q u i r e m e n to fp r e p a r es e m i s o l i ds l u r r yo n p r o d u c t i o nl i n er a p i d l yw a ss a t i s f i e d t h em i c r o s t u r c t u r eo fc o o l i n gt i m ei n6 0 s e c o n d ss h o w e dt h a tt h es l u r r y sq u a l i t yw a sf m e ，a n dm e a ne q u i v a l e n td i a m e t e ra n d s h a p ef a c t o ro f p r i m a r yp h a s ew a s3 2 1g ma n d0 8 5 s e m i s o l i dh u bo fa 3 5 6a n ds t o c ko f6 0 6 3a l u m i n u ma l l o yw e r ep r e p a r e db y l s p s ft e c h n o l o g y t h o s eq u a l i t ya n dp r o p e r t yw e r ea n a l y z e df r o me x t e r i o r , i n t e m a l s t r u c t u r ea n dm a c h a n i c a lp r o p e r t y t h ee x p e r i m e n t sa n dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh u b s s u r f a c eg l a z i n g ，o b v i o u r sd e f e c t sw e r en o tf o u n d ，i n t e r n a lc u tn e a t ，a n dg a sp o r o s i t i e s w e r ed i s c o v e r e d t h ec r y s t a lg r a i no fs e m i s o l i ds l u r r ya n dh u b w a ss m a l la n d u n i f o r m i t y , i t ss h a p er o u n d i n g t h es e m i s o l i dh u b st e n s i l es t r e n g t hw a s15 0 m p a , y i e l ds t r e s sw a s8 5 m p a , e l o n g a t i o ns t r a i nw a s2 o s e m i - s o l i ds t o c k s u r f a c eh a sn o t o b v i o u sd e f e c t s ，i t sq u a l i t yw a sh i g h t h es t o c ko f110 m ma n d13 0 m md i a m e t e r s m e a ne q u i v a l e n td i a m e t e rw a s6 7 5 9 r na n d7 5 9 岬r e s p e c t i v e l y , i t ss h a p ef a c t o rw a s 0 8 0a n d0 8 3 t e n s i l e s t r e n g t h o ft h es t o c kw a s1 4 7 4 2 m p aa n d1 5 3 9 6 m p a s e p a r a t e l y c o n t r a s t 谢t l lt r a d i t i o n a lp r o c e s s ，l s p s fc o u l di n c r e a s ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c y , a c c e l e r a t ec r y s t a lg r a i nt e s s e l l a t ea n ds h a p er o u n d i n g ，t h ee f f e c to f m e c h a n i c a lp r o p e r t i yh a sn o tf o u n d i i i a b s t r a c t l s p s ft e e t m o l o g y sp r o c e s si ss i m p l e ，e f f i c i e n t ，a n d i t ss e m i s o l i ds l u r r y s q u a l i t ) ，g o o d ，i th a sg r e a tp r o s p e c t k e yw o r d s ：s e m i - s o l i d ；a l u m m u ma l l o y ；l s p s f ；r h e o f o r m i n g i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 在某种程度上，人类文明发展的历史，就是不断制造和使用新材料的历史。 以至于人类历史的发展阶段可以按材料的特点来划分：石器时代、铁器时代、 青铜器时代、钢铁时代和新材料时代等。从这些名称中，我们可以看出，材料 的作用多么重要。 铝是地壳中分布最广、储量最多的金属元素之一。铝工业的整个发展历史 不过2 0 0 年，但由于铝及其合金具有一系列优异特性，铝及铝加工业正处于高 速发展期。二十一世纪初期，铝材应用领域和消费量迅速扩大，每年将保持百 分之五左右的增长率，在各种材料的激烈竞争中处于优势地位，已广泛应用于 交通运输、包装容器、建筑装饰、航空航天、机械电气、电子通讯、石油化工、 能源动力、文体卫生等行业，成为发展国民经济与提高人民物质生活和文化生 活水平的重要基础材料，而传统的钢铁产品则将以年均百分之三到百分之五的 速度缩减。 为了满足国民经济各部门和人民生活各方面的需求，世界原铝及再生铝产 量的百分之八十五以上都被a n ：i ：成了板材、棒材、管材坯料，及各种铸件。目 前铝及铝合金材料的加工方法主要有铸造法、塑性成型法和深加工法等。 半固态金属加工技术是二十一世纪前沿性金属n i 技术。半固态金属加工 与液态模锻和压力铸造一起构成了一个各有所长、互相补充的加工体系。半固 态金属( s e m i s o l i dm e t a l s ) 加工技术其原理是在金属凝固过程中，对其进行强 力搅拌，或通过控制凝固条件改变金属的热状态，或加入晶粒细化剂，来抑制 树枝晶的生成，或使枝晶破碎，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着具有等 轴、均匀、细小的初生相组分的固液混合浆料，即使固相率达到百分之六十仍 具有很好的流动性。利用这种固液混合浆料可直接进行加工成形，称为流变成 形；或先将固一液混合浆料完全凝固成坯料，再根据需要将坯料切分，重新加热 至固液区间，利用这种半固态坯料再进行成形加工，称之为触变成形。 从二十世纪九十年代开始，半固态金属成形技术逐步在发达国家得到了商 业化应用，主要生产高质量的铝、镁合金汽车零件，也正在逐步生产通信、电 第l 章绪论 器、航空航天和医疗器械等零件。半固态金属成形技术正在不断扩大其应用范 围和生产规模，将会取得越来越重要的地位，半固态金属成形技术将成为二十 一世纪最有前途的金属材料成形加工技术之一。 1 2 铝合金材料的应用与开发 铝是地壳中分布最广、储量最多的金属元素，纯铝的性能在大多数场合下 不能满足使用要求，因此，人们在纯铝中添加各种合金元素，使其具有更高的 强度，改善材料的组织和其他各种性能，以生产出满足各种性能和用途的铝合 金。 铝合金可加工成板、带、管、棒和锻件等加工材，也可加工成铸件等铸造 材。变形铝合金按合金中所含主要元素的成分可分为1 x x x - - - , 9 x x x 系，铸造铝 合金在国际上尚无统一标准，但目前基本的合金有以下几类：a 1 c u 合金； a 1 c u - s i 合金；a 1 s i 合金；a 1 - m g 合金；a 1 - z n - m g 合金。 变形铝合金的各个系列都有自己独特的性能与用途，如2 x x x 系合金的强 度可与钢相抗衡，但耐蚀性较差，若要置于容易腐蚀的场合，须另做防蚀处理。 在飞机材料上，该类材料会与纯铝压延在一起达到防蚀的目的。6 x x x 系合金强 度与耐蚀性都好，是结构用材的常用材料，但是在焊接时，会有热应力产生， 所以若需要接合，大多使用铆接或螺栓接合。 铸造铝合金具有与变形铝合金相同的强化机理，主要差别在于铸造铝合金 中合金化元素s i 的最大含量超过多数变形铝合金中的s i 含量。原因在于铸造铝 合金除含有强化元素之外，还必须有足够量的共晶型元素，通常是s i ，以使合 金有相当的流动性，易于填充铸造时铸件的收缩缝。铸造铝合金不仅能保持纯 铝的基本性能，而且可通过合金化及热处理，使铝合金具有良好的综合性能。 目前已被大量用于军事、工业、农业和交通运输等领域，也广泛用作建筑结构 材料、家庭生活用具和体育用品等，在工业上占有重要的地位。 铝具有一系列比其他有色金属、钢铁、塑料和木材等更优良的特性，根据 其基本特性，在各个领域如：交通运输、航空航天、包装、容器、电子、电气、 机械制造等得到了广泛的应用。如铝质量轻，可用于飞机制造、车辆、船舶、 高层建筑等；强度好，可用于制造桥梁，特别是吊桥、可动桥等；加工容易， 可制造受力结构部件框架、光学仪器及其他形状复杂的精密零件等；耐蚀性好， 2 第1 章绪论 可制造外部覆盖材料、厨房器具、化学装置及药品包装等；导热、导电性好， 可制造电线、锅、汽车散热器、电子元件等；无毒，可制造食具、食品包装、 医疗机器等。 作为朝阳工业的铝材由于自身的优越条件和经济社会发展的推动，正以势 不可挡的趋势迅猛发展，主要有新材料和新加工技术的发展。铝合金新材料的 发展包括超高强度铝合金的研究与发展、耐热铝合金的研究与发展、铝基复合 材料的研究与发展等。铝合金加工技术的发展方向是节能、环保、高效和低成 本，包括铝合金型材挤压新技术、铝合金轧制新技术和铝合金液态模锻新技术 等。发展特点为：工艺装备更新换代快；工艺技术不断创新，广谱交叉发展； 产品结构大调整，新型高科技产品不断涌现；十分重视科技进步和技术创新； 科学管理，全面实现自动化和现代化，以适应社会发展和市场变化。 1 3 半固态成形技术 1 3 1 半固态成形技术概述 半固态成形( s e m i s o l i df o r n i n g ) 是1 9 7 1 年由美国麻省理工学院( m i t ) 的 d a v i ds p e n c e t 博士研究生首次提出的。并在f l e n i n g s 教授的领导下，对半固态 合金球状晶的形成机制、浆料的力学和成形性进行了深入研究，创立了金属半 固态成形的概念、理论和技术【】。 半固态成形或半固态力1 t _ ( s e m i s o l i df o r m i n g p r o c e s s i n go fm e t a l s ) 就是在 金属凝固过程中，对其进行强力搅拌，或通过控制凝固条件改变金属的热状态， 或加入晶粒细化剂，来抑制树枝晶的生成，或使枝晶破碎，得到一种液态金属 母液中均匀地悬浮着具有等轴、均匀、细小的初生相组分的固液混合浆料，利 用此浆料继续加工的方法。半固态加工的第一步是如何高效、方便的获得半固 态浆料。近年来，出现了许多制备半固态浆料的新工艺和新技术，如 m i t ( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 新工艺、冷却斜槽法、双螺旋半固态金 属流变注射成形法、l s p s f ( l o ws u p e r h e a tp o u r i n gw i t has h e a rf i e l d ) i 艺、剪切冷却 车l 制法、n r c ( n e wr h e o c a s t i n gp r o c e s s i n g ) 工艺、近液相线铸造法等。半固态加 工技术在全世界得到了广泛的应用，许多国家都已开始了对半固态技术的开发 和应用，目前美国、意大利、法国、德国、日本等处于领先地位。 半固态成形按工艺方法分触变成形和流变成形两大类。触变成形是制备出 3 第1 章绪论 半固态浆料后，将浆料凝固成锭或坯料，并切分，再将切分后的固态锭或坯料 重新加热至半固态区间，铸造成形或锻造成形。流变成形是直接对半固态浆料 进行保温，再送到成形设备进行铸造或锻造。两者的主要区别在于，前者把制 坯和成形结合在一起，而后者把制浆和成形结合在一起，工艺流程如图1 2 。 触变匝 亟 伍! m 至堕旧 溅匝銎羽 图1 2 触变与流变工艺流程 显然，从工艺流程图中可看出，触变成形工艺流程长，但却可以组织专业 化生产，质量便于控制，已成为半固态成形应用工艺。而流变成形工艺流程短， 有显著的节能效益，亦成为当前研究的热点。 半固态成形技术具有一半左右的非枝晶初生固相，又有一半左右的液相， 与液态金属和固态金属相比，具有一系列的优势：【4 ，5 】 ( 1 ) 半固态金属成形的生产效率高，重熔加热后的半固态坯料粘度高，便 于搬运，在高速剪切作用下，粘度又可迅速降低，方便成形。 ( 2 ) 在充型的过程中，不会轻易发生喷溅，可有效地减轻浇注过程中的氧 化和裹气，提高铸件的致密性。另外，也可以用热处理的方法来提高铸件的力 学性能。 ( 3 ) 半固态工艺制备出的浆料和坯料不存在宏观偏析，因而后序工艺加工 出来的铸件也不存在宏观偏析，性能均匀。 ( 4 ) 半固态浆料的固相率可以调整，借此改变表观粘度，能适应不同铸件 的成形要求。 ( 5 ) 半固态成形的充型温度低，可减轻模具的热冲击，提高模具的寿命。 ( 6 ) 半固态成形铸件内的应力显著降低，因此可以成形复杂的零件毛坯， 从而降低成本，而零件和毛坯的性能却与固态金属锻件相当。 ( 7 ) 半固态成形工艺可节约能源2 5 3 0 ，且工艺操作安全，工作环境优 良。 半固态成形的应用将以a i 、m g 轻合金和少许轻合金基的复合材料，潜在利 益空间很大，应予以开拓，推动其在金属加工领域的应用。应用的研究方向包 4 第1 章绪论 括：浆料或坯料的制备方法( 如流变组织结构形成机制的确切描述) 、成形过程 的数学描述、合金的设计( 使其在半固态温度区间，温度变动不影响其工艺性 和力学性能) 等。 1 3 2 半固态成形技术 半固态成形工艺路线主要有流变成形和触变成形两种，从成形观点看，主 要关注注入模具内浆料或坏料质量( 如固相率) 和注入模具后的成形条件，实 质区别不大。 1 、半固态流变成形 半固态金属的流变压铸是最早进行研究的半固态金属成形工艺，但由于浆 料的积存和输送很不方便，进展很缓慢。但是流变成形最大的优势就是工艺流 程短，生产成本低，因此，近年来流变成形越来越受到重视，一些新的流变成 形方法也正在取得突破性进展。半固态金属流变成形的技术进展简要论述如下： ( 1 ) 传统机械搅拌式流变成形 美国m i t 的f l e m i n g s 等通过机械搅拌方法制备了a 3 8 0 铝合金和9 0 5 铜合 金半固态浆料，浆料中初生相粗大，但分布均匀，并流变压铸出了较为致密且 表面质量良好的压铸件【4 棚。但是由于浆料保存比较麻烦，浆料的输送也不方便， 使这种机械搅拌流变成形技术一直无法进入实际应用。 ( 2 ) 压射室制备浆料式流变成形 为了避免浆料的存储和输送，日本s h i b a t a 等人提出了一种在压射室制备半 固态浆料，再直接压射成形的技术方案，并成功用a 1 s i 7 m 9 0 7 铝合金做了验证 实验【7 1 。从1 9 9 9 年开始，该技术已经用于汽车零件的生产。但是半固态浆料的 制备效率较低，半固态浆料的组织不均匀，这也可能影响流变成形件的力学性 能，在技术上仍需完善。 ( 3 ) 单螺旋机械搅拌式流变成形 美国康乃尔大学运用单螺旋搅拌流变成形工艺制造了立式流变射铸原型 机。该技术使用过热的液态合金，浇注入搅拌桶和螺旋杆的缝隙中，待合金浆 料到达一定的固相分数，将其压入模具型腔【8 】。单螺旋流变射铸工艺最大的优点 是：工艺流程短，生产成本低，废品和铸件余料回收方便，流变射铸气孔率低。 目前此工艺正处于完善和生产工艺优化阶段。 ( 4 ) 双螺旋机械搅拌式流变成形 5 第1 章绪论 在单螺旋机的研究开发过程中，英国的f a n 和b e v i s 于1 9 9 9 年提出了双螺 旋机械搅拌流变射铸工艺【9 l 。其最大的优点是可以获得很高的剪切速率和高强度 的紊流。并经过s n p b l 5 和m g z n 3 0 合金搅拌试验，获得了初生相尺寸非常细小、 圆整且分布均匀的组织。 ( 5 ) 低过热度倾斜板浇注式流变成形 日本u b e 公司申请了非机械或非电磁搅拌的低过热度倾斜板浇注式流变成 形技术( n e wr h e o c a s t i n g ) ，简称n r c 1 0 l 。其工艺流程为：将低过热度的合金 熔液浇注到个倾斜板上，再注入坩埚适当冷却凝固，得到初生相为球状，均 匀分布的合金半固态浆料。调整温度，待得到设计的固相率时，就可以将半固 态浆料进行压铸、挤压或射注等。 ( 6 ) 低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变成形 北京科技大学的毛卫民等提出了一种新的流变成形技术：将低过热度的合 金液浇注到坩埚中，利用电磁搅拌对合金液进行短时间弱搅拌，然后再冷却到 预定温度，便得到了具有球状初生晶的半固态浆料【1 1 , 1 2 。这种制各方式简单、便 于控制、不会污染合金，随后的流变成形工艺流程短，成本低，应用前景光明。 目前尚处于进一步的工艺和设备开发中。 ( 7 ) 低温剪切浇注式半固态流变成形 南昌大学的杨湘杰等提出了一种低温剪切浇注式半固态流变成形工艺( l o w s u p e r h e a tp o u t i n gw i t has h e a rf i e l d ) ，简称l s p s f 工艺【1 3 - 。其工艺流程为：将 低过热度的合金液通过导流装置浇入l s p s f 试验机中，通过旋转的输送管流入 浆料蓄积器，通过保温装置控制冷却速度，等浆料到达预定温度，再转入下一 工序进行流变成形。这种工艺简单灵活、高效、浆料质量优良，适用合金范围 广泛，具有较好的发展前途和工业应用潜力。目前正处于工业化的前期探索阶 段，相应的设备与工艺也正在开发中。 ( 8 ) 流变, l , t j 成形 f l e m i n g s 教授等在二十世纪八十年代就进行了半固态轧制研究【1 7 1 。流变轧 制就是将半固态金属浆料直接进行轧制成形，连续制备金属薄带。九十年代末， 日本的o s a k ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 研制了双轮牵引式半固态铝合金薄板坯连铸 机和带轮牵引式半固态铝合金薄板连铸机【l 引。连铸机上装配有倾斜板，以低过 热度浇注方式制备半固态浆料，从而实现铝合金薄板坯的高速连铸。北京科技 大学研制了半固态钢铁浆料电磁搅拌制备和直接* l n 装置，并对1 c r l 8 n i 9 t i 不 6 第1 章绪论 锈钢和6 0 s i 2 m n 弹簧钢材料进行了试验研究【1 9 测。 2 、半固态触变成形 从半固态金属坯料最后成形的工艺及设备看，触变成形可分为：触变压铸、 触变锻造、触变射铸、触变轧制和触变挤压。前三种已经成熟，进入实际应用 阶段，后两种工艺还远不成熟，尚在研究开发之中【2 1 1 。下面对触变压铸、触变 锻造和触变射铸做简单介绍。 ( 1 ) 半固态金属的触变压铸成形 压铸是在高压作用下，使液态金属以较高的速度充填铸型，并在压力下凝 固而获得铸件的一种方法。半固态触变压铸是在此基础上发展起来的新型工艺， 可以获得组织非常致密而且可进行热处理强化的压铸件，克服了传统方法下液 态压铸的最大缺点。主要包括三个工艺流程：半固态金属原始坯料的制备、原 始金属坯料的半固态重熔加热和半固态坯料的触变成形【3 】。在金属半固态触变压 铸工艺中，压铸机是成形的核心设备，将直接影响生产的正常进行，因此，压 铸机应该具备以下功能：具有较高的压射压力和增压压力、具有时时数字化控 制压射压力和压射速度的能力、具有放置半固态坯料的特殊压射型2 2 1 。另外， 压铸过程中工艺参数的设制及调控，对压铸过程的稳定性和压铸件的内、外在 质量也有着非常重要的作用。 ( 2 ) 半固态金属的触变锻造成形 半固态金属的触变锻造成形也是一种新型锻造工艺，在较低的压力下，半 固态触变锻造可以成形非常复杂的锻件。其工艺包含三个主要工艺流程：半固 态金属原始坯料的制备、原始金属坯料的半固态重熔加热和半固态坯料的触变 锻造成形【2 3 】。前两个工艺流程和半固态触变压铸相同，只是最后将坯料送入锻 造机的锻模腔内，进行锻压成形。锻造设备与压铸设备相类似，只需将压铸机 改换为压力机。铝合金的半固态触变锻造是目前研究和应用较多的工艺，对于 高熔点的合金也进行过研究探索但是由于这类合金的熔点高，模具寿命很短， 使这类合金的触变成形进展缓慢，近年来，对高熔点合金的半固态触变锻造有 了一定的进展。 ( 3 ) 半固态镁合金的触变射铸成形 美国d o w 公司在塑料注射的基础上，发明了一种镁合金触变射铸技术( 即 t h i x o m o l d i n g ) 。触变射铸设备主要由六大部分组成：高速射压系统、螺旋剪切 系统、半固态镁合金浆料收集系统、螺旋驱动系统、射铸模具和镁合金屑给料 7 第1 章绪论 系统。最近，镁合金触变射铸又取得了重要进展：利用低频感应加热技术取代 板带电阻丝系统；即时设计和生产不同成分的合金制品；利用热浇道技术进上 步降低触变射铸的返回炉料。c z e r w i n s k i 等人还进行了快速凝固a z 9 1 d 镁合金 粉末的触变射铸研究。表明：快速凝固形成的细枝晶组织容易转变为具有触变 性的球状组织形貌，a z 9 1 d 镁合金粉末触变射铸试样的强度与镁合金屑触变射 铸试样的强度相当阱】。 1 3 3 半固态成形的发展趋势 随着世界上加强环境保护和节约能源的呼声越来越高，轻量化已经成为了 主要发展方向，以减轻对环境的污染和降低燃油的消耗。而半固态金属成形技 术非常适合制造高质量的轻合金零件，还有许多机械零件也可采用半固态成形 技术来生产，半固态成形技术的产业化应用前景非常光明。我国正处于调整发 展阶段，应提高我国的产品在国际市场的竞争能力，积极推动半固态成形技术 在汽车、电子信息等行业的应用，利用半固态成形技术生产出高质量的零件和 产品，因此，半固态成形技术在我国的应用前景也一片大好。 价格因素或性价比是决定半固态合金成形技术应用的关键，为了更好的促 使半固态成形技术的推广和应用，应从以下方面继续研究发展： ( 1 ) 探索半固态合金球状晶的形成机理，从根本上加深对半固态成形的认 识； ( 2 ) 降低半固态技术制备浆料和坯料的成本，才能从根本上降低成形件的 生产成本，扩大其应用领域； ( 3 ) 开发和扩展适合半固态成形的合金的各类，提高成形件的性价比： ( 4 ) 缩短半固态成形技术的工艺流程，可以大幅降低成本，促进半固态成 形技术的产业化应用； ( 5 ) 建立准确的数学模型，以更科学地掌握和模拟半固态成形的过程； 在半固态成形技术研究和应用的几十年里，已经举办了多次有关半固态技 术的国际会议，标志着半固态成形技术已经引起了世界工业界的广泛关注，也 标志着半固态成形技术取得了重要的进展。因此，半固态技术将会取得越来越 重要的地位。 8 第1 章绪论 1 4 本论文研究的意义和内容 1 4 1 本论文的研究意义 轻量化技术无论对传统燃油汽车还是新能源汽车，都是一项共性的基础技 术，是一项涉及车辆产品设计、安全、材料、制造、回收再利用等领域的复杂 系统工程。大力发展新材料、新技术、新工艺，突破轻量化的技术瓶颈已成为 发展趋势。零部件轻量化技术主要包括材料选择、结构设计和新工艺技术等三 个方面。然而，由于轻质材料正在越来越多的应用在车辆零部件制造，所以使 得先进轻质材料成形技术得到不断发展与进步。 半固态成形技术被认为是二十一世纪最有前途的轻合金近净成形技术之 一。目前，在半固态浆料制备工艺、组织结构的研究中，电磁搅拌技术占有重 要位置，但由于电磁力的强度和方向不同，电磁场分布不均影响微观组织的径 向分布的均匀性，适合制备质量约1 5 蚝以下的半固态浆料，并且成本高，设备 复杂。为了降低成本，突破传统机械搅拌和电磁搅拌的限制，国内外开发了许 多低成本工艺，如双螺旋机械搅拌、s s r 、c r p 等。上述工艺均可获得半固态浆 料，但浆料的制备量有限，约1 5 k g 。而在实际生产中，质量在1 0 埏以上的铸 件比比皆是，因此，高效低成本处理大体积合金熔体，是未来发展的方向和研 究开发重点。 大体积半固态浆料制备技术的产业化开发，是铸造、挤压急需的配套关键 技术。利用大体积半固态浆料，可以生产大体积、轻量化、低成本、高安全性、 高致密性的结构件。既具有锻件强度高的特点，又可以生产锻造技术无法制造 的复杂结构零件，在许多领域都有广泛的应用。以汽车为例，铝汽车轮毂是汽 车中的关键零部件，对提升整车性能起着关键性的作用。目前国内铝汽车轮毂 主要是低压铸造和重力铸造，成型的轮毂力学性能相对较低，难以实现减重， 无法达到大直径、高强度、轻量化的要求。因此，大体积半固态浆料制备技术 的开发，对提升我国关键零部件的制造技术有着重要的意义，市场应用前景广 泛。 1 4 2 本论文的研究内容 主要研究内容如下： ( 1 ) 研究物理场对铝合金大体积半固态浆料的影响规律。以a 3 5 6 铝合金 9 第1 章绪论 为重点研究对象，通过设定、调整l s p s f 工艺条件和工艺参数，制各出质量高 且稳定的大体积半固态浆料。 ( 2 ) 利用l s p s f 工艺制备a 3 5 6 铝合金半固态轮毂，分析大体积半固态浆 料的微观组织，轮毂成形后的微观组织及宏观缺陷，并提出改进措施。 ( 3 ) 利用l s p s f 工艺制备6 0 6 3 铝合金半固态铸棒，分析铸棒宏微观形貌， 揭示其形成机理及主要调控因素，验证l s p s f 工艺重力成形的可行性。 1 0 第2 章金属凝固组织成形机理 第2 章金属凝固组织成形机理 凝固是材料制备、成形、加工、研制的重要基础和知识源泉，凝固成形的 基本过程是充填和凝固，但大多数情况下，凝固过程显得更为重要。这是由于 材料从液态一旦凝固成固体后，在以后的其他加工中几乎无法对其品质有本质 上的改变。 凝固成形不仅可以直接实现零件形状、尺寸及内部性能的控制，更是包括 塑性成形、焊接与机械加工等工序所需坯料的主要来源。金属零部件内部组织 和性能在很大程度上受到凝固过程的制约。因此，凝固成形是实现金属零件高 性能的基础。 由于凝固在成形中的重要作用，因此了解和认识液态向固态的转变机制并 控制凝固过程，对获得内部组织合格的零构件是很关键的。 2 1 传统枝晶凝固组织与成形机理1 2 5 2 6 l 1 、凝固的热力学条件 晶体的凝固通常是在常压下进行的，按热力学第二定律可知， 下，过程自发进行的方向是体系自由能降低的方向，自由能g 为： g = h 一嬲 在等温等压 ( 2 1 ) 式中：h 是焓； t 是绝对温度； s 是熵。 自由能随温度变化规律如图2 1 所示，t m 为熔点。在温度为t m 处，金属既 不能完全凝固，也不能完全熔化，要发生凝固则温度必须低于t m ，而发生熔化 则必须高于t m 。 在一定温度下，从一相转变为另一相的自由能变化为 a g ：h t 笛= m m a t ( 2 - 2 ) ? k 式中：如，为熔化热焓； 第2 章金属凝同组织成形机理 a t 为过冷度。 q 避 电 锄 磁魇下 图2 1 自由能随温度变化示意图 由凝固热力学条件表明，实际凝固温度低于熔点t m ，即需要有过冷度。金 属凝固的驱动力，主要取决于过冷度，过冷度越大，凝固的驱动力越大。金属 不可能在心时凝固。 2 、形核 形核方式可分为两类：均匀形核和非均匀( 异质) 形核。 一般情况下，均匀形核较困难。假定均匀形核的晶胚为球形，半径为r ，当 过冷液中出现一个晶胚时，总的自由能变化为： g = 昙万r 3 a g v + 4 ；r r 奄 ( 2 3 ) j 式中：a g 。为形成单位体积固相的自由能的变化量； o 为比表面能，可用表面张力表示。 由式中可看w a g 是r 的函数，并在r 时达到最大值。r 称为临界半径，其 表达式为： ，：兰! ：堡( 2 - 4 ) ，= 一 h 肘a t 当r 小于r 时，晶胚的长大将导致体系自由能的增加，因此，这种晶胚不稳 定，难以长大。当r 大于等于，时，晶胚的长大使体系自由能降低，故这些晶核 可成为稳定的晶核。临界半径与过冷度有关，熔体中的过冷度越大，均匀形核 1 2 第2 章金属凝固组织成形机理 的临界半径r 越小，也就是相应的形核几率增大，晶核数目增多。 形成临界晶核所需的形核功为： 幻= 盖芬 它与丁2 成反比，过冷度越大，所需的形核功越小。 当温度低于t m 时，单位体积液体内，在单位时间形成的晶核数， n 受形核功因子和原子扩散几率因子控制，其表达式为： = k e x p ( - 纠a g ) e x p 曙) 式中：k 为比例常数； a g 为形核功； ( 2 5 ) 即形核率 ( 2 6 ) q 为原子越过液、固相界面的扩散激活能； k 为玻尔兹曼常数； t 为绝对温度。 对于易流动的液体来说，形核率随温度下降到某值t 时突然增大，此温度 t 可视为均匀形核的有效形核温度。多项实验研究表明，均匀形核在相对过冷度 t 以m 为o 1 5 1 2 5 之间，或者说有效形核过冷度t 约为o 2 t m 。 除非在特殊的试验条件下，均匀形核的情况很少见，多数情况下，金属或 合金的形核依赖于已有的固相质点表面及各种界面发生非均匀形核。 非均匀形核时的临界晶核半径为： r ：一笪堕( 2 一- 7 一) 2 一 l， g v 式中：g a l 为比表面能。 非均匀形核的形核功为： g 乙= g k ( 生型掣) ：g o ( 秒) ( 2 8 ) 。 q 式中：0 为晶核和基底的接触角。 当。在0 - 1 8 0 。时，g 乙= a g h o ，基底对形核不起作用；当0 = 0 。时，则 g 乙= o ，非均匀形核不需要作形核功，即为完全湿润。在普通条件下，e 为小 1 3 第2 章金属凝固组织成形机理 于一百八十度的某值，故f ( 0 ) 必然小于1 ，则 g 乙 r c 后，在一定的过冷度条件下，晶核将伴随系统自由能的减小而自发地不断长大。 金属或合金的最终晶体形貌不仅取决于晶体的长大方式，还取决于固液界面前 沿的温度梯度、溶质浓度梯度、热流的方向及散热强度等。如果固液界面前沿 第3 章l s p s f 工艺对a 3 5 6 大体积半固态组织的影响 的温度梯度为正，且有成分过冷时，晶体将以柱状树枝晶形式长大；如果固液 界面前沿温度梯度为负，传热没有方向性，晶体一般将生长成等轴晶【4 2 1 。 j m m m o l e n a a r 等【4 5 】人的研究成果指出，搅拌可抑制激冷型壁处的固相生 长。l s p s f 工艺中，熔体流经输送管时，输送管的转动与熔体本身自重的双重 影响恰恰提供了强烈的搅拌作用，可抑制熔体在输送管壁处的固相生长。 自由晶对于等轴晶和非枝晶半固态组织的形成具有重要作用。金属或合金 熔体在凝固过程中，对其施加强烈的搅拌作用，传统的树枝晶粒最终会转变为 球状、椭球状或花瓣状。这种初生晶粒在搅拌过程中的转变机制是一个十分重 要的基础理论问题，目前主要有以下几中假设：正常熟化引起的枝晶根部熔断 假说、枝晶臂机械折断假说、枝晶臂塑性弯曲和晶界浸润熔断假说、电磁搅拌 下的枝晶臂根部熔断机制、高剪切速率下的球状晶形成机制和重结晶机制等 4 6 , 4 7 。郭洪民1 等根据a o h n o 提出的晶粒游离机理认为，在l s p s f 工艺中， 低过热浇注+ 凝固初期的激冷和搅拌混合可有效地激发形核，促进晶粒游离，提 高游离晶粒的存活率，是半固态组织细化的本质所在。晶粒游离机理认为熔体 的凝固初期会在较低温度的型壁上形成颈缩形晶粒，并在搅拌作用下脱离型壁 产生游离进入熔体内部h 引，如图3 1 2 。l s p s f 工艺，利用转动输送管提供的激 冷和搅拌混合作用，再配以适当低过热的浇注温度，增加了熔体以输送管为基 底的非均质形核，增强了晶核的脱离与游离，使其进入熔体内部形成自由晶， 图3 1 3 。 要使得输送管壁上的晶粒游离，必须晶核上的外力大于晶核与型壁的附着 力。郭洪民推导了输送管内壁晶粒游离的条件：m 1 2 4 6 8 31 y 型= 查! 1( 3 1 3 ) 、玉 式中：t 1 为粘度； v 。为液态金属的流速； z 为长度； 6 i 为平衡厚度； d r 为颈缩部位直径。 并以铝合金为例，经计算得出在l s p s f 工艺条件下完全可以使晶核脱离型 壁发生游离。 3 5 第3 章l s p s f 工艺对a 3 5 6 大体积半固态组织的影响 m o l 姗a h o y f 鼬掘鲥l o 船f ir e dr l a o t i o l l 。p n 。、v 。r 图3 1 2 晶粒游离示意图t 4 s l图3 1 3 输送管壁晶粒游离理论示意图【4 9 】 在l s p s f 工艺条件下，转运的输送管带动晶粒同管壁一起转动，而此晶粒 周围的液态金属由于转动不同步和粘度的存在，必然阻止其运动，对晶粒产生 类似剪切的作用；浇注的过程给熔体的初速度和重力的作用使得熔体在流经输 送管时有较高的流动速度；晶粒由于溶质偏析会形成颈缩，不易与其邻近的晶 粒连接成凝固壳：熔体随着输送管转运而产生的搅拌作用也可抑制管壁处晶粒 的生长。这些都是l s p s f 工艺有利于晶粒发生游离，形成自由晶的条件。 晶体生长过程是一个相当复杂的动力学过程，既存在溶质扩散的传输过程， 又存在许多生长和环境因素的干扰，因此实际生长过程中的界面除了保持几何 上的相似外，还必须具备稳定性，即晶体在生长过程中，界面上一旦出现了微 小的干扰，这种干扰可随着时间的增加而逐渐消失 5 0 】。界面稳定性是晶体生长 和金属凝固形成复杂花样的起点，对凝固界面形态演化和选择具有重要的影响。 人们关注晶体生长过程中的界面稳定与否，不仅是因为它涉及到晶体最终形态 的理论研究，而且还涉及晶体的生长过程是否能够人为控制，以及晶体长大后 溶质的分布情况。研究证明，只有在界面稳定的条件下，晶体的生长速率才是 可控的，也只有平坦而稳定的界面才能长出最合格的晶体【5 。 关于界面稳定性较早进行系统理论分析的是成分过冷理论m 1 , 5 2 】，而更为全面 且大多数学者广泛应用的则是m u l l i n s 和s e k e r k a 发展的m s 理论【5 3 蚓。基于 l s p s f 工艺条件下形成的球形、近球形晶粒，郭洪民从界面稳定性角度，研究了 初生晶在熔体流经输送管过程和半固态浆料流入浆料蓄积器后在静止状态下两 个阶段中的晶粒形态演变，总结出了l s p s f 工艺初生晶球化的机理。 郭认为即】，熔体流经输送管过程中在旋转与重力混合作用下，在熔体中发 生了形核和自由晶游离，且实验表明，游离的晶粒为细小的球晶，而非树枝晶。 第3 章l s p s f 工艺对a 3 5 6 大体积半固态组织的影响 并根据m s 界面稳定性理论，得出球晶的稳定性存在两个判据：绝对稳定性和相 对稳定性。如果球面推动了绝对稳定性但仍具有相对稳定性，晶粒也可以大体 保持球形继续生长。j m m m o l e n a a r 等揭示了强迫对流下的晶粒，在长大的过 程中具有自旋行为，使晶粒周围不断变换温度场与浓度场，晶粒也可以在各个 方向相对均匀的生长。搅拌混合作用使晶粒边界的温度梯度和浓度梯度降低， 增强了界面稳定性，提高球晶保持界面稳定的临界半径。经理论与试验比较， 流经输送管过程中