（材料加工工程专业论文）az91d镁合金轮毂半固态触变成形过程数值模拟的研究.pdf

北京有色金属研究总院博士后研究报告 摘要 摘要 镁合金由于具有较高的比强度 比刚度 减震性 导热性 可切削加工性和可回收性 被誉为二十一世纪的 绿色 工程材 料 已经越来越多的应用于汽车 家电 通讯等部门 半固态金属加工技术 s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s s i n g 简称s s m 是近年来金属加工技术研究的热点 半固态加工技术克服了金属 液体成形时存在的湍流 喷溅 加工温度高 凝固收缩量大等缺 点 成形的零件在质量上和力学性能接近于锻件 同时 半固态 成形的零件在尺寸和精度能达到或接近净终成形 n e a r n e t s h a p e 因此 半固态加工技术一经提出便迅速发展 并在一些先进 国家获得工业化应用 采用半固态方法生产的镁及镁合金零部件 可以大大降低或消除通常压铸方法产生的气孔或疏松 目前半固 态加工成形的镁合金薄壁零件在日本和台湾的电子产业中已有应 用 本报告通过采用g l e e b l e l5 0 0 热模拟机 对半固态a z 9 1 d 镁合金进行大量 系统的单向压缩试验 以此研究a z 9 l d 镁合 金在半固态温度区间的变形力学行为 讨论和分析变形温度 应 变速率 应变以及不同非枝晶坯料制备方法对真应力一应变曲线的 影响 按照以下模型函数对试验数据进行回归处理 dt e 盯 a 占b t ef 建立非枝晶镁合金半固态下压缩变 形的本构关系方程 为下一步触变成形过程的模拟打下基础 在 此基础上采用d e f o r m 3 d 1 m 商用软件模拟镁合金轮毂触变成 形过程 得到触变成形过程中金属流动的速度场 等效应力 等 效应变 等效应变速率场等 预测触变成形过程中模具内的金属 流动规律 分析坯料充填速度 坯料充填温度等工艺因素对触变 成形过程和最终产品质量的影响 帮助研究人员及生产者更好的 了解触变成形过程本身 为今后触变成形镁合金轮毂工艺参数及 模具的优化 触变成形过程的最优控制提供有益的参考 关键词半固态 a z 9 1 d 合金 触变成形 本构关系 数值模拟 t 苎主至垦全墨竺垄查堕量主墨竺查 堕竺 坠 a b s t r a c t m a g n e s i u ma n dm a g n e s i u ma l l o y b e c o m em o r ea n dm o r e a t t r a c t i v eb e c a u s eo ft h e i rl o wd e n s i t y h i g hs t r e n g t h s t i f f n e s st o w e i g h tr a t i oa n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c es h i e l d i n gc a p a b i l i t i e s g o o dd a m p i n gc a p a c i t y e t c m a g n e s i u ma n dm a g n e s i u ma l l o y a r e r e g a r d e da s g r e e n m a t e r i a l sa n da t eb e i n gi n c r e a s i n g l y u s e da s f u n c t i o n a la n ds t r u c t u r a l c o m p o n e n t s i nt h ea u t o m o b i l ea n d e l e c t r o n i ci n d u s t r i e s s e m i s o l i d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i st h e a d v a n c e dt e c h n o l o g yo ft h em e t a lp r o c e s s i n gi nt h e21 c e n t u r y i t p o s s e s s e sas e r i e so fa d v a n t a g e s s u c ha st h eo u t s t a n d i n gt h i x o t r o p i c p r o p e r t y a n d s u p e r i o ro r g a n i z a t i o n a l s t r u c t u r e t h e q u a l i t y a n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h es h a p e dp a r t sa p p r o x i m a t e st ot h a to f w r o u g h tp r o d u c t s a n dt h es i z e a n dp r e c i s i o no ft h ea c c e s s o r i e s a t t a i n so rn e a r st h ec r i t e r i o no fn e a r n e t s h a p e h e n c es e m i s o l i d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sr a p i d l yd e v e l o p i n gi n r e c e n ty e a r s a n di t h a sb e e n a p p l i e d t o i n d u s t r y i ns o m ea d v a n c e dc o u n t r i e s i ti s d e s i r a b l et ou s es e m i s o l i d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t o p r o d u c e c o m p o n e n t sf r e eo fg a sh o l ea n dp o r o s i t yw h i c ha r eu s u a l l yf o u n di n t h o s e p r o d u c e db y t h em e t h o do fd i e c a s t i n g t h e t h i nw a l l m a g n e s i u ma l l o yc o m p o n e n t sp r o d u c e db yt h es e m i s o l i dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yh a v eb e e np r a c t i c a lu s e di nj a p a na n dt a i w a np r o v i n c eo f o u rc o u n t r y i nt h i s p a p e r t h eu n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t s a r ec a r r i e do u t s y s t e m a t i c a l l y o nt h eg l e e b l e m a c h i n ei no r d e rt o s t u d y t h e m a g n e s i u ma l l o y a ts e m i s o l i d 15 0 0m a t e r i a lt h e r m o s i m u l a t i o n d e f c l r m a t i o nb e h a v i o ro fa z 9 l d s t a t ea n do b t a i nt h ec o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i pn e c e s s a r yf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h et e m p e r a t u r e 7 s r a n g e o ft e s ti s5 1 0 5 7 0 ca n ds t r a i nr a t e sr a n g ei s0 1 2 0 s b a s e do nt h e t h b r y o f r i g i d v i s c o p l a s t i c f i n i t ee l e m e n ta n d e x p e r i m e n t a ld a t a t h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o n 盯 爿s 占 e l l 北京有色金属研究总院博士后研究报告 a b s t r a c t h a sb e e ne s t a b l i s h e db yr e g r e s s i o nm e t h o d t h ec o m m e r c i a ls o f t w a r e d e f o r m 3 d 7 mi se m p l o y e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so ft h i x o f o r m i n g ap r a c t i c a la u t o m o b i l ew h e e lo fm i n i m i z e ds i z e t h u st h ef l o wa n d s t r e s s s t r a i nf i e l do ft h i x o f o r m i n gp r o c e s sh a v eb e e ns e tu pa n dt h e r e l a t i o n s h i pa m o n gs t r e s s s t r a i nr a t ea n dt e m p e r a t u r eh a sb e e na l s o a n a l y z e d t h ea b o v ew o r k sw i l ll a y af o u n d a t i o nf o rm a g n e s i u m c o m p o n e n t st oi m p r o v eq u a l i t ya n df u r t h e rp r a c t i c a lu s e di nf u t u r e i n d u s t r y k e yw o r d s s e m i s o l i d a z 91dm a g n e s i u ma l l o y t h i x o f o r m i n g f i n i t ee l e m e n tm e t h o d n u m e r i c a s j m u l a t i o n 北京有色金属研究总院博士后研究报告 第一章绪论 第一章绪论 1 1 镁及其合金 1 1 1 镁及其合金简介 镁在地壳中的储藏量极为丰富 蕴藏量为2 0 2 1 在可用 结构材料的金属中仅次于a 1 和f e 位居第三 见图1 1 所示1 1j 含镁矿物达6 0 余种 有工业价值的主要有方镁石 m g o 水镁石 m g o h 2 或m g o 2 h 2 0 橄榄石 m g f e 2 2 s 0 4 白云石 m g c 0 3 c a c 0 3 菱镁矿 m g c 0 3 水氯镁石 m g c l 2 6 h 2 0 光卤 n m g c l 2 k c i h 2 0 和蛇纹石 3 m 9 0 2 s i o z 2 h 2 0 等1 2 海水中也 含丰富的镁 含量约为0 1 3 弘j 为人类提供了大量镁资源 我 国是世界上m g 资源最丰富的国家之一 具有最大镁矿藏量的前 八名国家分别为澳大利亚 中国 波兰 俄罗斯 美国 印度 希腊和加拿大 世界菱镁矿储量的2 3 集中在中国 其中辽宁储 量最大 占全国总储量的8 5 6 2 其矿石品位超过4 0 在世 界菱镁矿市场上 中国具有举足轻重的地位p 冉j 同时我国自云石 资源也相当丰富 几乎各个省都有 而且品位高 此外 青海湖 中亦存有大量镁资源 图卜l 地壳里各种元素的质量分数 f i g 1 1m a s sp e r c e n t a g e so fe l e m e n t si nt h ee a r t h sc r u s t h 北京有色金属研究总院博士后研究报告 1 1 2 镁的基本性质 镁的原予序数为1 2 位于元素周期表中的第3 周期第2 族 8 镁的晶体结构为密排六方 在2 0 0 c 时密度只有1 7 3 8 k g m 3 只及钢铁材料的1 4 铝合金的2 3 是常用结构材料中最轻的金 属 9 1 6 相比于其他金属 如铝 钛 镍 铁 铜 锌 钼 银 等 相同条件下镁的体积热容也是最低的 因此镁及其合金加热 升温和散热降温都比其他金属快 同时镁及其合金为非磁性材料 电磁屏蔽性好 抗电磁波干扰能力强 机加工性好 外观美丽 质感好 可做笔记本电脑 照相机等部件的外壳 因此在家电 通讯等行业应用前景广阔 镁合金的比强度略低于比强度最高的 纤维增强材料 比刚度和铝合金 钢铁材料差不多 镁合金阻尼 性好 吸能能力强 具有极佳的防震性能 可用于振动剧烈的场 合 镁及其合金可全部回收利用 是一种绿色金属 1 1 3 镁合金的分类 根据不同标准 镁合金有几种不同的分类方法 即合金的化 学成分 成形工艺和是否含锆 7 8 1 0 1 7 2 0 1 根据化学成分的不同 镁合金可以分为二元 三元和多元 合金系 实际应用时为了分析问题的方便 一般习惯上依据镁和 其中一个最主要的合金元素 将镁合金划分为二元合金系 m g m n m g a i m g z n m g r e m g t h m g a g 和m g l i 合 金系 还有一种习惯分类方法则按主添加元素m n a 1 z n z r 和r e 将镁合金分为5 个基本合金系 m g m n m g a 1 m n m g a i z n m n m g z r m g z n z r m g r e z r m g a g r e z r 和 m g y r e z r 等 在某些镁合金中t h 也是添加元素之一 尽管含 t h 镁合金可具有优良的性能 但因t h 具有放射性 现已基本不 用 2 镁合金也可分为含a l 和不含a 1 镁合金 又由于不含a 1 镁合金一般都用z r 作为晶粒细化齐i j m g m n 除外 故也可分为含 z r 和不含z r 镁合金 北京有色金属研究总院博士后研究报告 3 按产品形态 可分为铸造和变形镁合金 后者又可分为锻 压合金 挤压合金和轧制合金 除以上常用镁合金外 还有其它一些新型镁合金 如 m g z n c u 系 典型合金有砂铸合金z c 6 3 和变形合金z c 7 1 m g l i 系合金 其中l a l 4 1 a 和l s l 4 i a 已在航空航天工业得以应用 近来 结合新工艺方法 一些新型镁合金体系得以开发和应用 如快凝 r s p 合金 如e a 5 5 r s 非晶镁合金 如著名的三元合金 m g m l n 其中m 为c u 或n i l n 为l a 系元素 如y 金属基 复合材料 m m c 如以s i c 玻璃 a 1 2 0 3 和石墨等作为纤维强化 添加剂的a z 9 1 a z 3 1 及m g l i 系合金等 这些合金的强度比一 般镁合金高得多 甚至高于一般铝合金的强度 1 1 4 镁合金的成形方法 同铝合金一样 镁合金的成形方法主要分为两大类 铸造成 形和塑性变形成形 铸造成形主要分为 砂型铸造 金属型铸造 熔模铸造 重力铸造 消失模铸造 永久模铸造 挤压铸造 低 压铸造和高压铸造 其中高压铸造 即通常所说的压铸是镁合金 的主要成形方法1 7 届 目前大部分的镁合金结构件均采用该工艺制 造 镁合金的塑性加工成形主要有 挤压 轧制 锻造 旋压等 1 1 4 1 铸造成形 1 压铸陟 铸造成形是镁合金的主要成形方法 其中压铸是最成熟 应 用最广的方法 世界镁合金铸件的9 3 是用压铸工艺生产的 镁 合金具有很好的压铸工艺性能 镁合金液粘度低 流动性好 易于充型 用镁合金可以很容易的生产壁厚1 o 2 0 m m 的压铸 件 现在最小厚度可以达到o 6 m m 镁合金压铸件的铸造斜度 为1 5 0 而铝合金是2 0 3 5 0 镁合金压铸件的尺寸精度比铝 压铸件的尺寸精度比铝压铸件高5 0 镁合金的结晶潜热和熔 点都低于铝合金 压铸过程中对模具的冲蚀小 且不易粘模 模 具寿命比铝合金压铸模具寿命长2 4 倍 镁合金压铸周期比铝 北京有色金属研究总院博士后研究报告第一章绪论 合金短 生产效率比铝合金压铸高2 5 此外镁合金的切削加工 性能优于铝合金 切削速度比铝合金快5 0 加工能耗比铝合金 低5 0 目前在欧美 日本和我国台湾地区压铸业已有相当规模 霉34 船 里匦船 a 冷室压铸 b 热室压铸 图1 2 镁合金压铸加工示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd r a w so fd i ec a s t i n gf o rm ga l l o y 1 液压锁模机构2 模具3 压室4 冲头5 一液压锁模机构6 一模具7 一冲头8 金属 液入口9 压室1 0 一熔融金属1 1 一射嘴1 2 鹅颈管 镁合金压铸可分为热室压铸和冷室压铸两种方式 见图1 2 所示 j j 压铸方式的选择主要取决于铸件壁厚 热室压铸一般用 于薄壁铸件 通常用于生产重量不大的薄壁件 采用热室压铸有 利于合金进入模腔前维持其温度 利用良好的流动性迅速充满型 腔 获得质量优良的压铸件 冷室压铸通常用来生产厚壁件和大 铸件 目前热室压铸正向大型化发展 热室压铸机的锁型力已达 9 3 m n 压铸件的最大重量可以达到6 4k g 冷室压铸机的最大 锁型力已达3 5 m n 压射冲头的压射速度高达1 0 m s 由于冷室 压铸适于生产汽车用镁合金铸件 应用前景良好 近年发展很快 德国a u c h e n 大学改进了冷室压铸机压铸金属液的充填方式 由 传统的上部充填改为由下部充填 使镁合金液以平稳的层流方式 充填压室 减少了卷气和氧化夹杂 镁合金压铸时 由于合金液充填压型的高速湍流运动 使腔 内气体无法排出 导致组织疏松 甚至铸件表面鼓包或变形 近 年来出现许多新压铸方法 包括真空压铸 充氧压铸和挤压铸造 等 在一定程度上克服了以上缺点 减少了铸件组织疏松和气孔 等缺陷 提高了铸件致密度 北京有色金属研究总院博士后研究报告第一幸绪论 真空压铸就是在压铸过程中抽出型内气体 以消除或减少铸 件内的气孔和溶解气体 提高压铸件的力学性能和表面质量 真 空压铸的镁合金铸件最小壁厚为1 o 2 0 r a m 真空度 8 0 k p a 冲 头速度最大达到1 0 m s 充型时问2 0 3 0 m s 铸件强度可以提高 1 0 以上 韧性提高2 0 5 0 目前已成功采用真空压铸生产出 镁合金汽车轮毂和转向盘 充氧压铸是无孔压铸 p o r e f r e ed i ec a s t i n gp r o c e s s 该法在 充型前将氧气或其他活性气体充入型腔以置换型内气体 充型时 活性气体与镁合金液反应生成弥散分布的金属氧化物 达到消除 压铸件内气体和气孔的目的 采用该法生产的压铸件可以进行热 处理强化 世界上著名的压铸机生产厂家有 德国f r e c h 公司 瑞士 的b u h l e r 公司 意大利的i d r a 公司和i t a l p r e s s e 公司 日本的u b e 公司 t o y o 公司和t o s h i b a 公司 在压铸机控制 系统方面 德国的f r e c h 公司和瑞士的b u h l e r 公司分别开发 出了已经商品化的实时控制系统 可以根据不同的金属材料和铸 件类型只有编程 设定压铸参数 压铸过程可靠性高 显著提高 铸件的表面质量 致密度和尺寸精度 避免铸件产生飞翅 利用 i n t e r n e t 和i n t r a n e t 与压铸件生产商和压铸件用户相连 还可以实 现远程人机对话功能 2 挤压铸造 2 3 2 8 2 9 挤压铸造的充型压力比重力金属型铸造要高几个数量级 其 对铸件成形的影响主要表现为提高充型速度 减少铸件中的疏松 和气孔缺陷 提高铸件的致密度和力学性能 获得可以热处理的 铸件 挤压铸造最重要的工艺参数是铸型温度 浇注温度和合金 的过热度 合金本身的铸造性能却不十分重要 其他较重要的工 艺参数为浇注金属液的体积 金属液洁净度 充型压力曲线 铸 型涂料 挤压前金属液停留时间等 要获得无气孔的挤压铸件 凝固温度区间较大的a z 9 1 镁合金所需要的充型压力比凝固温度 区间较小的a z 3 1 合金大 挤压铸造的发展趋势是与其他铸造成形技术相结合 图1 3 为日本东芝机器公司的l e o m a c s 系统 2 叭 其特点是将挤压铸造 与低压铸造及电磁定量浇注泵结合成一体 可生产形状复杂的薄 北京有色金属研究总院博士后研究报告 第一章绪论 壁镁合金铸件 具有下列优点 缩短了从供料到挤压之间金属 液的停留时间 不但可以减小铸件中后勺不均匀凝固 而且缩短了 铸件生产的循环周期 生产过程中金属液与空气隔绝 有效地 防止了镁合金液的氧化燃烧 镁合金液可在较低温度下保温和 浇注 挤压铸造与流变铸造结合的挤压一流变铸造工艺 可在同一 工作单元内实现对熔体的搅拌 压射及施加挤压压力 充分利用 两种铸造方法的长处 弥补流变铸造本身的局限 并可提高铸型 的寿命 a 垂直分型 垂直压射 b 水平分型 水平压射 图1 3t o s h i b a 公司的l e o m a c s 系统 f i g 卜3s c h e m a t i cd i a g r a m eo fl e o m a c s f r o mt o s h i b a 3 镁合金其他铸造成形方法 3 2 9 低压铸造和差压铸造已经应用于生产镁合金汽车铸件 这两 种方法可以保证平稳充型 避免镁合金液氧化和卷气 还可以在 铸造过程中将加压系统与镁合金的气体保护有效地结合起来 镁 合金的精密铸造和石膏型铸造也得到一定应用 镁合金采用消失模铸造具有的优点是 采用干砂 避免了 普通砂型铸造由水分引起的镁合金燃烧问题 且消失模汽化形成 的还原性气氛还可以抑制镁合金氧化燃烧 镁合金线收缩率是 铝合金的1 2 倍 热裂倾向大 干砂退让性好 可以有效解决这 个问题 北京有色金属研究总院博士后研究报告第一章绪论 1 1 4 2 镁合金的塑性加工成形 由于金属镁是密排六方 h c p 晶体结构 镁基体的独立滑移系 较少 镁合金的塑性较低 塑性加工能力较差 除部分m g l i 合 金外 多数合金塑变能力比铝合金差得多1 7 8 3 0 3 2 1 高温时 由于 孪晶滑移机制 产生附加滑移面 塑性变形能力提高 但温度升 高 也导致晶粒长大 反而不利于塑性变形 因此 变形温度是 镁合金的重要参数 同时变形速率和应力状态也是重要的考虑因 素 目前镁合金的塑性成形过程主要为锻造和挤压 少量为轧制 成形 此外还有连接技术 焊接 表层涂镀技术 粉末冶金和半 固态加工成形 由于大部分镁合金制品都是用铸造方法成形 很 少用锻压 挤压 轧制等塑性成形方法加工 这在很大程度上限 制了镁合金的应用 因此 镁合金的超塑性引起了各国研究者的 极大重视 3 吐3 2j 目前 镁合金超塑性的研究在超塑性性能及变形 机理方面已经取得很大进展 而且 一些超塑性镁合金已经进入 工业应用之中 一般来讲 合金要获得超塑性其晶粒要求在1 0 m 以下 目 前应用于镁合金晶粒细化的处理工艺主要有挤压和轧制 等通道 角挤压 e q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n e c a e 1 3 2 1 快速凝固 粉未冶金等 其中挤压和轧制是比较成熟的工艺 通过挤压或反 复轧制处理 可以获得晶粒细小的镁合金组织 等通道角挤压 e c a e 能够产生强烈的塑性变形 获得1 m 以下的超细晶粒 利 用细晶镁合金的超塑成形 s u p e r p i a s t i c i t yf o r m i n g 工艺可以成形 形状复杂的结构件 应用于镁合金的压力加工 等温锻造 超塑 性气胀成形 扩散连接等技术中 在航空航天 汽车等行业将得 到应用 考虑到镁合金超塑性加工必须解决的变形速度 工艺便 利性 镁合金的氧化燃烧等问题 目前 镁合金超塑性研究集中 在 高应变速率超塑性 大晶粒工业态镁合金超塑性 镁合金低 温超塑性 以及超塑性变形机制研究等方面 1 9 9 9 年 日本索尼 日立金属和东京精锻所共同开发成功镁 合金冲锻成形技术 p r e s sf o r m i n g j 在产业界引起了极大的轰 动 与压铸和半固态成形工艺相比 精密冲锻成形具有生产效率 北京有色金属研究总院博士后研究报告第一章绪论 高 成品率高和成本低等优点 因此 该技术在开发出来的当年 就得到了工业应用 达至了月产2 0 万套的生产规模 精密冲锻成 形技术是将冲压成形与锻造成形相结合产生的新技术 主要工艺 过程为将加热后的镁合金坯料在加热模具中进行冲压和锻压 其 生产设备采用普通机械式锻压机床即可 其技术关键在于成形模 具与成形工艺 包括模具设计 模具温度控制 变形率与变形速 度等参数控制 为避免零件在成形过程中出现裂纹和充不满等缺 陷 冲锻过程一般分为粗锻和精锻两次成形 粗锻成形和精锻成 形过程在锻造比 加热温度 模具拔模斜度和圆角大小方面都有 较大差别 只有精确控制这些工艺参数才能保证获得优质零件 1 2 半固态加工技术 1 2 1 半固态3 nq 技术的发展历程 7 0 年代初 美国麻省理工学院的d b s p e n c e r 在其导师 f l e m i n g s 教授指导下研究钢铁铸造时的 热裂 现象的研究时 在自制的高温粘度计中测量s n 1 5 p b 合金高温粘度时发现 合 金枝晶组织遭到破坏时 金属在凝固过程中存在特殊的力学行为 如金属在凝固过程中 进行强烈搅拌 即使在较高固相体积分数 时 半固态金属仍只有相当低的剪切应力 这种特殊性能是由于 基体中存在奇特的球状微粒结构 美国麻省理工学院的研究人员 很快意识到金属凝固的这一特征将具有许多潜在的利用价值 随 即对此进行了广泛深入的研究 将其发展成为半固态金属加工技 术 s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n gp r o c e s s e s 简称s s m p 3 4 1 j 并迅速 申请专利保护 半固态金属加工技术 就是金属在凝固过程中 进行剧烈搅拌 或控制固 液态温度区间 得到一种液态金属母液 中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料 固相组分甚至可 高达6 0 这种半固态金属浆料具有流变特性 即半固态金属 浆料具有很好的流动性 易于通过普通加工方法制成产品 采用 这种既非完全液态 又非完全固态的金属浆料加工成形的方法 就称为半固态金属加工技术 图1 4 是几种获得半固态金属浆料 的方法 图1 5 是一种半固态加工工艺 北京有色金属研究总院博士后研究报告第一章绪论 i s o l i ds l u r r i e s r r i n g 图1 5 半固态成形工艺简图 f i g 1 5s c h e m a t i cd r a w so fs e m i s o l i dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i c a lr o u t e 由于当时军事工业对钢铁铸造技术的需求 半固态加工技术 又可以显著降低零件加工温度 因此当时的半固态加工技术研究 主要集中于高温合金 尤其是钢铁 对铝 镁及其合金关注较少 七十年代的石油危机和八十年代后人们对环境问题的关注 加快 了高性能轻金属零部件在汽车工业中应用的步伐 使得九十年代 后半固态加工技术生产的铝合金零部件在汽车工业中得到广泛应 用 同时半固态加工技术也以其流程短 成形零件形状复杂 尺 寸精度和机械性能高赢得业界广泛赞誉 并展示出良好的发展前 景 半固态加工技术从发现到现在虽然只有短短的三十年历史 但由于其具有的独特技术优势和广阔的应用前景而备受瞩目并得 到迅猛发展 从最初的实验研究发展到应用研究 最后到工程化 应用 其发展历程大致可分为基础研究 技术开发 设备研制和 北京有色金属研究总院博士后研究报告第一章绪论 商业化生产等阶段 基础研究阶段是从2 0 世纪7 0 年代初开始 大约延续了1 5 年 主要的研究集中于半固态合金流变性和触变性 的物理本质及其数学模型 揭示具有流变性和触变性的材料组织 特点和制备方法 研究枝晶组织向非枝晶组织转变的物理模型和 非枝晶组织合金的触变与流动机制 探讨工艺参数对非枝晶化过 程的影响 揭示了搅拌过程中速度 强度 温度等工艺参数对非 枝晶化过程的影响规律 初步揭示半固态微观组织与流变性能的 关系 测试半固态合金流变性能 探讨半固态合金浆料非枝晶组 织与内在变量 圃相分数 固相颗粒尺寸 形状 聚集状态和粘度1 在外界变量 温度 剪切速率 影响下的变化规律 初步掌握半固 态合金在不同状态下的本构关系 并建立相关的数学模型 在此 基础上 人们对相关应用技术和设备进行研究 并探索半固态加 工技术在工业中的应用 其间开发了多种半固态坯料的制备技术 包括坯料的连铸技术和设备 以及半固态成形技术 计算机数值 模拟技术也在半固态加工过程中得到应用 用于揭示各种工艺参 数对半固态加工过程和产品性能的影响 这一期间的研究工作为 半固态加工技术的大范围工业化应用打下基础 8 0 年代中期是半固态加工技术的应用研究迅速发展的阶段 包括电磁搅拌在内的多种半固态制坯技术与连铸设备得到进一步 的开发 半固态成形技术 如流变成形 触变成形和注射成形开 始不断成熟 计算机模拟技术开始用于揭示半固态合金的充型过 程 人们对成形工艺对半固态成形产品组织性能的影响规律也进 行细致的研究 开始将半固态加工从有色合金扩展到高熔点的黑 色金属以及复合材料 这一阶段的研究工作遍及世界许多国家 特别是美国 意大利 瑞士 德国 日本和中国 都前后投入大 量人力和物力对半固态加工进行了广泛深入的研究 并取得了丰 富的研究成果 为进一步的工业化应用奠定了基础 进入9 0 年代后 半固态加工技术进入了商业化应用阶段 规 模较大的有法国p e c h i n e y 可以生产不同直径的铝合金 镁合金 半固态棒坯料 美国a l u m a x 和意大利s t a m p a l 的半固态部件生 产 瑞士b u h l e r 的半固态压铸机和美国t h i x o m a t 半固态注射成 形机的生产 目前半固态加工技术的主要市场为汽车工业 在国 外此技术已经获得较为广泛的应用 相对而言 国内在半固态加 北京有色金属研究总院博士后研究报告 第一章绪论 工技术上还处于实验室向中试生产过渡的阶段 尚未实现大规模 的工业化生产 在研究方面 目前世界范围内的热点是 具有理想触变组织 的合金坯料的制备技术 半固态金属的流变学基础理论 半固态 金属的成形工艺 相关设备和大范围工业应用等 自1 9 9 0 年起 国际上每两年召开一次 合金和复合材料的半固态加工 国际学 术会议 至今已经召开了8 届 表l 一1 为历届半固态会议召开地 点和时间 表1 1 半固态国际学术会议简介 1 2 2 半固态加工技术的特点 半固态金属加工利用了金属从固态向液态 或从液态向固态 转变过程中的半固态温度区间实现金属的成形加工 与通常的金 属成形工艺相比 半固态金属加工具有许多优点 而且应用范围 广泛 凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工 并且半固 态金属加工可适用于多种加工工艺 如铸造 挤压 锻压以及双 辊铸轧 与全液态的金属成形工艺 如铸造 相比 半固态金属加工具 有 3 5 3 9 4 1 1 充型平稳 无湍流和喷溅 因而铸件内部组织致密 内部 气孔 偏析等缺陷少 力学性能可接近或达到锻压件的性能 半 北京有色金属研究总院博士后研究报告 第一章绪论 固态成形的零件可进行后续热处理 进一步提高其力学性能 2 金属坯料已部分凝固 因而凝固收缩小 成形零件尺寸精 度高 表面平整光洁 可以得到尺寸公差小的近终形零件 半固 态成形的零件的近终成形极大地减少了成形后机械加工量 可做 到少或无切削加工 3 成形温度低 而且半固态合金已经释放了部分结晶潜热 因而减轻了对模具的热冲击 使模具寿命大幅度提高 4 凝固时间缩短 降低产品的生产周期 有利于提高生产效 率 与全固态的金属成形工艺 如锻压 相比 半固态金属加工 1 成形应力显著降低 因而可成形更为复杂的零件 并且成 形速度也能提高 2 对成形机械的要求降低 包括压机和模具 半固态金属加工还可运用于复合材料中 彻底解决复合材料 制备过程中异相材料的漂浮 偏析以及与基体金属的润湿性差等 问题 这为复合材料的制备和成形提供了有力的条件 1 2 2 半固态镁合金成形的主要工艺过程 镁合金半固态加工的成形工艺路线主要有流变成形 触变成 形和注射成形三种 如图1 6 所示m 4 2 4 而在这三种工艺路线 中 触变成形过程因为坯料的制备和零件成形彻底分开 坯料经 加热后仍能保持固体形状 夹持 输送都很方便 易于实现自动 化操作 在实际工业化生产中应用较早且最为广泛 是当今半固 态金属加工的主要成形方式 对于流变成形 由于将液态制备的 半固态浆料直接成形 具有高效 节能 流程短的优点 近年来 发展很快 注射成形主要运用于镁合金的成形加工 此外 还有 低温铸造成形 薄带连铸成形和流变复合成形等 本节将对镁合 金半固态加工工艺路线做一简单介绍 北京有色金属研究总院博士后研究报告 第一章绪论 t i t i m ett i m elt i m et a 触变成形 b 流变成形c 注射成形 图1 6 半固态金属成形工艺路线图 f i g 1 6t h em a i nt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e so fs 2 p a t h i x o f o r m i n gb r h e o f o r m i n g c t h i x o m o l d i n g 1 一d c 铸造2 s i m a3 二次加热4 一成形5 零件6 铸造7 一调整8 成形9 零件1 0 原料加工1 1 螺旋搅拌1 2 注射成形13 零件 1 2 3 i 触变成形 将镁合金半固态浆料冷却凝固成坯料后 根据产品尺寸下料 再重新加热至半固态温度 然后进行成形加工 即为镁合金的触 变成形 其工艺路线如图1 7 所示 由于半固态金属坯料的加热 运输很方便 容易实现自动化和工业化生产 因此触变成形目前 是半固态镁合金加工的主要成形方式 铝合金触变成形的设备 稍加改动或不动 即可适用于镁合金的半固态成形工艺 如图1 8 所示为触变成形用1 8 工位感应加热器 a 和b u h l e r6 3 0 触变成形 机组 b 示意图 崮可口i 茁圈叠 竺芗 a 浆料制备 b 非杖晶锭坯制备 c 一定量分割d 二次加热e 触变成形 图1 7 触变成形工艺过程 f i g 1 7s c h e m a t i cd r a wo ft h i x o f o r m i n gp r o c e s s 北京有色金属研究总院博士后研宄报告 a 18 工位感应加热器 b h 6 3 0s c 触变成形机组 图1 8 触变成形用设备 f i g1 8s c h e m a t i cd r a wo fs p e c i a lh e a t e rw i t h18s e r i e s a a n dh 6 3 0s c t h i x o f o r m i n gs e t 目前半固态触变成形设备的生产厂家主要有 美国的e p c o h p m c o r p p r i n c em a c h i n e t h tp r e s s e s 瑞士的b u h l e r 日本 的t o s h i b am a c h i n ec o u b em a c h i n es e r v i c e s 等 相比于流变 成形工艺 触变成形增加了半固态坯料制备工序 增加了坯料制 备 模具和设备的设计 制造和维护成本 因此人们将目光逐渐 转移到半固态浆料直接成形的流变工艺上 1 2 3 2 流变成形 将制备的镁合金半固态浆料在保持其半固态温度的条件下直 接进行半固态加工 通常称为镁合金的流变成形 其典型代表是 日本宇部株式会社 u b e 开发的n r c l 4 2 1 和h i t a c h i 工艺 目前 流变成形工艺已经在美国和日本得到实际应用 在h i t a c h i 工 艺中 较低温度的金属熔体f 有时带有电磁搅拌 倒入垂直注射腔 f 靴体 中 冷却至工艺所需的固相分数时成形 图1 9 所示为u b e 提出的n e wr h e o c a s t i n gp r o c e s s n r c 流 变成形工艺流程图 该工艺广泛用于各种轻金属合金 尤其是镁 合金 采用n r c 工艺可以从熔融金属中直接制备出含有球状晶 的半固态浆料而不采用搅拌技术 而且采用这种方法制备出的产 品具有良好的机械性能和微观组织 这个工艺有很多优点 生产 成本低 相对于传统的触变成形 费用减少大约2 0 生产效率 高 工具寿命长 产品机械性能好 北京有色金属研究总院博士后研究报告第一章绪论 图1 9n r c 流变成形工艺示意图 f i gi 一9s c h e m a t i cd r a wo fn r c n r c 方法的生产工艺过程为 将熔融金属控制在液相线温度 以上几度范围内 将其倒入隔热容器中 由于容器的冷却作用 在熔融金属内部产生大量的初生相晶粒 在容器上下用陶瓷覆盖 防止过冷 利用风冷将金属冷却到设定的半固态温度 通过隔热 容器外部的高频感应加热器调整浆料的温度 调整金属浆料至满 足成形需要的固相体积分数 此时半固态浆料能够保持其固相颗 粒的稳定性 然后翻转隔热容器 将半固态浆料倒入套筒 将浆 料直接送入模腔中成形 图1 一l o 所示为半固态镁合金浆料在成形 机内成形工步 图1 1 1 a 为n r c 设备示意图 采用n r c 方法制 备出的浆料微观组织特征为 初始0 相分布非常均匀 不存在残 余共晶体 但存在残余金属间化合物 初始c c 相颗粒近似球形 如图1 一1 1 b 所示 图1 1 0n r c 工艺中半固态镁合金浆料在注射机内成形工步 f i g 1 10s c h e m a t i cd i a g r a mo ff o r m i n gs t e p sf o rm a g n e s i u ma l l o yi nn r c l 一倒入半固态浆料2 复位3 推进至下模4 一加压注射 北京有色金属研究总院博士后研究报告第一章绪论 图1 1 1n r c 制浆设备 a 和制各的半固态镁合金a z 9 1 d 金相组织照片 b f i g 1 11t h ee q u i p m e n to f n r c a 1a n dm i c r o s t r u c t u r eo f a z 9 1 da l l o yi t p r o d u c e s b 为进一步改善半固态合金搅拌条件 获得理想的非枝晶组织 结构 英国b r u n e l 大学的z f a n 等人又开发出双螺旋半固态金属 流变成形机 用于从液态金属直接制备出近终形产品 双螺旋成 形机由中间包 双螺旋剪切装置和中央控制器等组成 双螺旋剪切 装置是由筒体和一对相互紧密啮合的同向旋转螺旋组成 如图 1 1 2 所示 螺旋轴的齿形经过特殊设计 能使金属熔体得到较高 的剪切速率和较高的湍流强度 在挤压筒外沿着挤压机轴线方向 分布着加热单元和冷却单元 形成一组加热一冷却带 温度控制 精度可达到 1 能准确地控制半固态金属浆料固相体积百分 数 图1 1 2f a n 等人所使用的流变成形设备示意图 f i g 1 12s c h e m a t i cd r a wo fr e h o f o r m i n ge q u i p m e n tu s e db yf a n l 一模具锁型单元2 一模具3 注射筒4 一通保护气 n 2 s f 6 5 熔炼炉6 注射 单元7 一挤压杆8 一靴座 北京有色金属研究总院博士后研究报告第一章绪论 此外 罗吉荣等应用双螺旋杆搅拌制浆装置制备镁合金 a z 9 1 d 采用封闭式加热保温 快开快关控制的浆料存储与输送 装置 较好的解决浆料连续制备与间歇压铸的匹配 成功压铸镁 合金半固态零件 华中科技大学与武汉正华镁合金技术有限公司 合作 将冷室压铸与半固态机械搅拌制浆技术相结合 使用无毒 的气体保护和高温镁液定量封闭传输技术 流变成形制造半固态 镁合金零部件 最小壁厚0 8 一1 0 r a m 成形后的零部件力学性能 较液态压铸提高2 0 以上 于2 0 0 1 年1 1 月通过湖北科技厅的验 收 半固态流变成形工艺不需要铸坯 从熔融金属直接铸造成形 因此具有节省能源 流程较短 生产成本低 生产效率高 设备 简单 适用半固态加工的合金范围加大等优点 相比于触变成形 过程 加工过程的氧化夹杂减少 废料的回收和使用可在同一车 间内完成 虽然浆液的保存和输送难度较大 在实际应用过程中 有一定的困难 但仍然受到人们的关注 是未来半固态成形的一 个重要发展方向 1 2 2 3 注射成形 为克服流变和触变成形过程的缺点 世界各国科研工作者在 研究新的半固态金属成形工艺时 将塑料的注射成形原理 应用 于半固态金属加工过程 形成半固态注射成形工艺 4 4 弓 注射成 形工艺是将半固态金属浆料的制备 输送和成形过程融为一体 较好解决半固态金属浆料的保存输送 成形控制困难等难题 为 半固态金属成形技术的应用开辟新的前景 目前镁合金在注射成 形工艺中应用较多 其成形工艺过程可分为两种方式 一是直接 把熔化的金属液而不是处理后的半固态浆液冷却至适宜的温度 并辅以一定的工艺条件压射进入型腔后成形 另一种工艺是将小 块枝状晶合金送入螺旋推进系统 合金被加热推进 压射进入模 具型腔后成形 不同于流变 触变成形 注射成形在推进和压射过程中通过 高的剪切速率和强度保证浆料组织中的晶粒球化均匀和细小 改 善合金组织形态 从而保证制品机械性能较高 注射