（材料加工工程专业论文）振动冷却通道对合金凝固组织的影响研究.pdf

摘要 摘要 半固态铸造可在较低的加工温度下一次性成形形状复杂且性能 精度要求高 的零件 具有突出的技术先进性和显著的成本优势 冷却斜板铸造法是实现半固 态铸造成形的一种简便而有效的方法 可以以较低的成本生产具有细小球晶组织 的铸件 另一方面 在凝固过程中对金属熔体施加振动可以有效细化凝固组织 进一步改善铸件性能 将上述两种技术思路加以整合 建立了激冷振动实验装置 在金属液流经具 有激冷作用的导流斜管进入铸型的同时 可对导流管施加可调频率和强度的机械 振动 以期迸一步改善半固态浆料品质 获得具有更好组织的铸件 利用上述实验装置 以s n 一1 5 w t p b 合金及a 卜b w t c u 合金为研究对象 通 过对比常规铸造 激冷处理和激冷振动处理得到的凝固组织的差别 研究了激冷 以及振动对凝固组织的影响规律 结果表明流管激冷处理可以有效细化晶粒组 织 而流管激冷结合振动处理则可以进一步细化晶粒 实现更佳的球化效果 通 过控制不同的浇注温度 冷却条件 对合金凝固组织的特征尺度进行了分析研究 发现降低浇注温度可以增加激冷晶核数量 有效细化晶粒组织 较高的铸型温度 有利于减小熔体内的温度梯度 促进晶粒球化 但容易导致激冷晶核重熔 使凝 固组织晶粒相对粗大 与砂型相比 金属型中获得的凝固组织细小 但球化效果 相对要差 在s n 1 5 w t p b 合金的流管激冷振动处理过程中 振动强度对铸件凝固组织 有明显影响 增加振动强度可得到更好的晶粒细化和球化效果 但当强度达到一 定程度后 进一步增强振动 对晶粒的细化球化效果的增加不再明显 对a 卜5 w t 9 6 c u 合金激冷和激冷振动处理获得的两种试样进行了6 2 0 的二次 加热处理 发现晶粒在熟化长大同时 其形态变得更加圆整 并且激冷振动处理 过的试样组织均匀性好 晶粒球化及细化效果更为明显 关键词 半固态 振动 冷却斜板铸造 s n 1 5 w t p b a i 5 w t c u 西北下业大学工学硕 学付论文 a b s t r a c t s e m i s o l i d c a s t i n gi s 柚e d v a n c e df o r m i n gt e c h n o l o g y w i mo u t s t a n d i n g t e c h n o l o g ys u p e r i o r i t ya n dr e m a r k a b l ee c o n o m i c a ld o m i n a n c e a si tc a np r o d u c e s s o p h i s t i c a t e s h a p e dc o m p l e xp a r t sw i t hh i g hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df o r m i n g c l r a c yu n d e rr a t h e rl o wp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r e s t h ec o o l i n gs l o p ec a s t i n gi sa b r a n c ho fs e m i s o l i dc a s t i n gt e c h n i q u e a n di ti sa l s oas i m p l ea n de f f e c t i v em e t h o dt o p r o d u c ec a s t i n g sw i t l lf i n eg l o b u l a rm i e r o s t r u c t u r ea tl o wc o s t o nt h eo t h e rh a n d t h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo f c a s t i n g sc a l lb er e f i n e db yi m p o s i n gv i b r a t i o no nt h em o l t e n m e t a lw h i l ei nt h ep r o c e s so f s o l i d i f i c a t i o ni nc e r t a i na r e a an e we q u i p m e n tw a sc o n s t r u c t e dt oi n t e g r a t eb o t ht h ec h i l l i n ga n dv i b r a t i n g e f f e c ti nt h ec o o l i n gs l o p ec a s t i n gp r o c e s s v i b r a t i o nw i t ha 由u s t a b l ei n t e n s i t ya n d f r e q u e n c y c a l lb ei m p o s e do nt h ec o o l i n gp i p ew h i l et h em o l t e nm e t a l sf l o wt h r o u g h i t i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h es e m i s o l i ds l u r r ya n dt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h e c a s t i n g s t h es o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o r so fs n 1 5 w t p ba n da 1 5 w t c ua l l o y sa r e i n v e s t i g a t e d i nt h i sr e s e a r c h u s i n g t h ec o n s t r u c t e d e q u i p m e n t s o l i d i f i c a t i o n m i c r o s t r u c t u r e sp r o d u c e db yt r a d i t i o n a lc a s t i n g c h i l l i n gp r o c e s s e dc a s t i n ga n d c h i l l i n g v i b r a t i n gp m c e s s e dc a s t i n gw e r ec o m p 甜e d t h er e s u l t ss h o wt h a tc h i l l i n g p r o c e s si sa ne f f e c t i v ew a yt 0r e f i n eg r a i nw h i l ec h i l l i n g v i b r a t i n gp r o c e s si m p r o v e t h er e f i n i n ga n ds p h e r o i d i z i n ge f f e c tf u r t h e r a n a l y s i so ns o l i d i f i e a t i o nm i c r o s t r u c t u r e u n d e rd i f f e r e n tp o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dc o o l i n gc o n d i t i o n ss h o w st h a t g r a i n ss i z ec a n b er e f i n e db yd e c r e e i n go ft h ep o u r i n gt e m p e r a t u r e h i g h e rm o l dt e m p e r a t u r ei s a d v a n t a g e o u st ot h ef o r m i n go fg l o b u l a rg r a i n s i nt h es a m et i m el e e d st or e l a t i v e l y c o a r s eg r a i n s t h eg r a i no f t h es p e c i m e n ss o l i d i f i e di n t h em e t a lm o l di sm u c hf i n e ry n s h o w sl e s ss p h e r o i d i c i t y w h e nc o m p a r e dw i t ht h a to f t h es p e c i m e n ss o l i d i f i e di ns a n d m o l d i nt h ec h i l l i n g v i b r a t i n gp r o c e s se x p e r i m e n to fs n 1 5 w t p ba l l o y t h ei n t e n s i t y o fv i b r a t i o no b v i o u s l yi n f l u e n c e ss o l i d i f i c a t i o nm i e r o s t m c t u r e h i g h e ri n t e n s i t yo f i i a b s t r a c t v i b r a t i o nl e a d st of i n e ra n dm o r eg l o b u l a rg r a i n s b u ti n c r e a s i n go f i n t e n s i t ye x e r tl i t t l e i n f l u e n c eo ns i z ea n ds h a p eo ft h eg r a i n sa f t e rt h ei n t e n s i t yo fv i b r a t i o nr e a c h e sa c r i t i c a lp o i n t a 1 5 w t c u a l l o ys p e c i m e n sp r e p a r e db yt h ec h i l l i n gp r o c e s sa n d c h i l l i n g v i b r a t i n gp r o c e s sa r er e h e a t e dt o6 2 0 2a n dt h e nc o o ld o w n i ti ss h o w nt h a t t h eg r a i ns i z eg r o w sl a g e ra n di t ss h a p eb e c o m em o r eg l o b u l a ri nt h e r e h e a t i n g p r o c e s s m o r e o v e r m i c r o s t r u e t u r eo ft h es p e c i m e n so b t a i n e db yc h i l l i n g v i b r a t i n g p r o c e s si sm u c hu n i f o r ma n db o t ht h es p h e r o i d i c i t ya n dr e f i n e m e n to ft h eg r a i mi s m u c h o b v i o u s c o m p a r e dw i t ht h a to f t h es p e c i m e n sw i t h o mv i b r a t i n gp r o c e s s k e y w o r d s s e n t i s o l i d v i b r a t i o n t h e c o o l i n gs l o p ec a s t i n g s n 1 5 w t p b a l 5 叭 c u m 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文 j 作 的知识产权单位属于西 i t i t 业大学 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版 本人允许论文被查阅和借阅 学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 同时本人保证 毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学 保密论文待解密 学位论文作者签 笠 一渤帏竹彩昝 指导教师签名 二1 勿夕年弓月乃日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是 本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用的 内容和i 致谢的地方外 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研 究成果 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使川过的成果 对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式表明 本人学位论文与资料若有不实 愿意承担一切相关的 学位论文作者签名 第1 章文献评述 第1 章文献评述 1 1 铸造技术及发展简介 铸造是一种用液态金属生产制品的工艺方法 是将具备一定成分和温度的金 属液 在重力场或其它力 如压力 作用下浇注进铸型 经冷却凝固后获得具有预 定形状 尺寸和性能的铸件的工艺过程 铸造是制造业的重要组成部分 是汽车 电力 石化 造船 机械等支柱产 业的基础制造技术 新一代铸造技术也是先进制造技术的重要内容f 由于固态 金属具有很大的变形阻力 制作成所需形状是很困难的 而铸造可将其熔化成变 形阻力小的液态进行制作 这一特点是其它加工方法不能比拟的 虽然大多数的 铸件用作毛坯 需要通过后续加工才能被使用 但是铸造技术相比其他的热加工 工艺而言 具有其自身的优势和特点 2 j 1 适应性强 铸造基本不受尺寸大小 形状复杂程度的限制 可适用于各种合金 2 可利用某些合金的特性 对于脆性金属或合金而言 铸造是唯一可行的加工方法 因此可利用某些 合金的诸如减振性 耐磨性 耐热性等特性满足铸件的使用要求 3 尺寸精度高 一般情况下 铸件比锻件 焊接件尺寸精确 一些精密铸件可达到近终成形 减少甚至不需机械加工 可节约大量金属材料和机械加工工时 4 成本低 其原因除了上述的节约加工工时外 还因为铸造中可以大量使用废旧金属 料 容易实现机械化生产 与锻造相比动力消耗少 铸造技术有着五千多年的悠久历史 我国在商周时期曾创造了灿烂的青铜文 化 那时铸造的很多青铜器至今仍令人叹为观止 铸冶工艺的应用及发展把人类 从 石器时代 推入 铜器时代 与 铁器时代 成为影响社会生产力发展的 关键因素 经过几千年的发展 铸造技术不断得到改进 设备条件也不断改良 西北t 业大学t 学硕十学付论文 生产工艺不断改善 铸件品质也不断提升 在现代技术发展中 铸造仍旧是制造 业中十分重要的一种技术手段 从日常用具到汽车 轮船 飞机 火箭 随处可 见铸件的身影 在机械制造的整个流程中 绝大多数金属构件在其制备 加工成形的历程中 至少要经历一次液固相变成形过程 也即铸造过程 3 1 从某种意义上说 铸造相 对于其它加工方法为先期加工工艺 作为材料成形加工的基础 液态铸造成形既 可赋予零件以形状 更可决定零件的组织与性能 现代的铸造技术不仅看重铸件 的成形能力 同时也对铸件的内部质量提出了更高的要求 以适应各种严苛条件 下的应用 如果能通过改进工艺或方法直接获得合乎使用性能要求的优质铸件 则可以减少甚至省去后续加工 有效缩短生产周期 降低生产成本 将会有巨大 的经济意义和广阔的应用价值 轻量化 精确化 高效化 数字化及绿色化将是 未来铸造等材料成形加工技术的重要发展方向j 4 1 1 2 铸件凝固组织及控制 从成分 组织 性能的观点来看 不同成分的金属或合金具有不同的凝固组 织 即使是相同成分的金属或合金在不同的加工方法下也会获得不同的凝固组 织 因而造成性能上的差别 因此 要想获得具有实用性能的铸件 就必须对铸 件的凝固组织有清楚的认识和分析 在此基础上来寻求控制组织的方法 1 细晶区2 柱状区3 中心等轴区 图1 1 铸锭的三个晶区示意图 f i g 1 1 t h r e ez o n e s f o r a t y p i c a lc a s t i n g 2 第1 章文献评述 实际生产中 液态金属通常是在铸型中进行凝固结晶的 由于金属熔液中含 有溶质的种类和数量以及铸型的性质 大小 形状 浇注温度和浇注方法等不同 可以得到不同的凝固组织 同一个铸件不同部位液态金属冷却条件的不同 使不 同位置的铸件组织有各自的特点 典型铸锭的宏观组织由三个晶区组成f 2 1 即 表面细晶粒区 柱状晶区和中心等轴晶区 如图1 1 所示 1 表面细晶粒区 这是紧靠型壁的一个外壳层 由紊乱排列的细小等轴晶组成 传统理论认为 表面细晶区的形成与型壁附近熔体内是否存在大量的非匀质 生核条件有关 当液体金属浇入温度较低的铸型时 液体与铸型相接触层将受到 强烈的激冷 同时型壁对形核有促进作用 则在型壁和其附近液体中大量生核 这些晶核在过冷熔体中迅速生长 当晶粒长大到一定程度后就互相抑制 部分晶 粒停止生长从而形成细晶粒区 后来的研究表明 型壁附近熔体中的大量形核只是表面细晶区形成的必要条 件 而在稳定的凝固壳层形成前大量激冷晶的游离和漂移则构成了其充分条件 除了非匀质生核 晶粒游离也是形成表面细晶区的晶核来源 而型壁晶粒的游离 抑制了稳定凝固壳的形成 有利于表面细晶区的形成和发展 型壁激冷能力的增 强 虽然会增大其附近熔体的非匀质生核能力 但在凝固开始阶段不存在强的型 壁晶粒游离条件 则过强的型壁激冷反而不利于表面细晶区的形成 上述两点大 野笃美均用试验进行了证实 5 2 柱状晶区 由垂直于型壁的彼此平行排列的粗大柱状晶组成 其生长方向性较强 稳定的凝固壳层一旦形成 造成凝固界面处晶粒单向散热的条件 凝固界面 前沿的晶粒便转以枝晶状单向延伸生长 柱状晶区开始形成并发展 这主要是因 为以下几点 型壁被液态金属加热 同时凝固壳层的收缩导致细晶区与型壁形成 一空气层 造成散热困难 而之前的凝固结晶潜热的大量释放 使得型壁温度进 一步升高 液态金属冷却减慢 随着金属液的继续冷却 在结晶前沿液体中形成 适当的过冷度 这一过冷度不足以形核 但有利于晶粒长大 另外 垂直于型壁 方向散热快 使晶轴与型壁垂直的晶粒沿其反方向向金属液中长大 不与型壁垂 直的晶粒长大到一定程度后 因遇到其他晶粒相互干涉而不再长大 最后能够充 分生长的晶粒生长方向大多垂直于型壁 形成彼此平行 粗大而致密的柱状晶区 3 中心等轴晶区 由紊乱排列的粗大等轴晶所组成 西北t 业大学t 学硕士学位论文 从本质上说 内部等轴晶区的形成是熔体内部晶核自由生长的结果 2 但被 柱状晶带围绕的等轴晶区是怎样形成却尚未彻底解决 对于等轴晶晶核的来源主 要形成了四种理论1 2 7 1 1 1 过冷熔体直接生核理论 也称为内生生核理论 是以成分过冷理论为基础 认为随着柱状晶带的生长 凝固界面前方的成分过冷逐渐增大 当成分过冷大到足以发生非匀质生核时 溶 液中便生成新的等轴晶晶核 2 枝晶熔断理论 认为在树枝晶生长过程中 由于根部的溶质富集 使得枝晶产生 颈缩 并 熔断 熔断的枝晶被液相流动带到其他区域成为等轴晶核心 也就是说枝晶比较 发达时 会发生熔断再漂移这样一个过程 3 1 晶雨 理论 该理论是指 当金属液表面温度与环境温度相差较大时 表面获得形核所需 的过冷度而发生形核并生长 液相的流动 表面的扰动以及人为的振动都会使表 面形成的晶核下雨似的下落形成 晶雨 4 1 晶粒游离理论 早在1 9 2 6 年g e n d e r s 提出了 游离一激冷晶 学说 认为浇入铸型内的熔 液通过铸型放出热量 在靠近型壁的熔液中形成很大的过冷带 在此过冷带中 由于生成无数的晶核而产生游离晶 此游离晶在熔液中移动 沉淀堆积 大野笃美 5 l 认为在稳定的凝固壳形成之前的结晶游离是铸件当中等轴晶形 成的主要原因 在凝固壳层生成以前型壁或冷却的液面上晶体的游离并增殖是中 心等轴晶核的主要来源 上述对内部等轴晶晶核来源和等轴晶区形成机理的认识都有各自的理论和 实验依据 这说明内部等轴晶区的形成是一个复杂的问题 目前 较为统一的看 法是 2 等轴晶区的形成可能是多种途径的 不同的情况下起作用的机理会有所 不同 也可能是几种机理同时起作用 比如对氯化铵水溶液二维凝固的模拟实验 研究 6 表明 液相内自由晶体的主要来源是 型壁上形核并按照大野笃美的机理 游离 固液两相区内的枝晶被熔断并被液流带入液相区 自由表面凝固形成 晶 雨 来自以上三个方面的晶体形成于凝固过程的不同阶段并且形成条件各不相 同 铸件宏观凝固组织与合金的性质和具体的凝固条件有关 不同的条件可得到 4 第1 章文献评述 种种不同的凝固组织 条件变化可改变晶区数目 柱状晶区和等轴晶区的相对宽 度以及晶粒的大小 在一定条件下 甚至可以获得完全由柱状晶或等轴晶所组成 的宏观结晶组织 铸件的质量和性能是与其凝固组织密切相关的 如柱状晶区与等轴晶区的 比例以及晶粒的大小都对铸件性能产生显著影响 2 柱状晶本身比较致密 且显 微缩松等晶间杂质少 有良好的强度和塑性 但柱状晶晶界面积小并且位向一致 故力学性能有明显的方向性 纵向好 横向差 再加上柱状晶粒通常较粗大 晶 界上富集了许多易熔而且力学性能较差的杂质或缺陷 使晶粒间的联系受到削 弱 导致铸件容易沿晶界产生裂纹 而等轴晶的晶界长 杂质和缺陷分布比较分 散 且各晶粒的相位也各不相同 故性能的方向性小 比较稳定 在通常情况下 人们一般希望枝晶能够以等轴晶方式生长 因为由等轴晶生长所得到的多晶材 料 在受力变形时 由于存在多晶粒变形的相互协调 且内部大量的晶界一方面 可以提高变形抗力 同时又可以阻断裂纹的发展 因此通常具有较高的强度和塑 性 扩大等轴晶区不仅可以改善铸件的性能更可以基本消除铸件宏观偏析和集中 的中心疏松 除宏观状态外 结晶组织的微观结构对铸件的质量和性能也有强烈 影响 没有树枝状结构的球状晶组织的质量与性能比树枝状结构的等轴晶组织更 强 2 凝固组织形态的控制主要是晶粒形态和相结构的控制 相结构在很大程度 上取决于合金的成分 而晶粒形态的控制主要是通过形核过程的控制实现的 7 l 抑制形核可在铸件中获得柱状晶组织 促进形核和晶粒游离有利于柱状晶向等轴 晶转变 1 3 铸件晶粒细化方法 根据霍尔 佩奇 h a l l p e t c h 公式 8 o 觑z v 2 1 1 式中盯为材料的强度 哪和功常数 d 为晶粒的平均直径 这意味着细化晶粒 减小晶粒直径可以提高铸件的强度 这种效应称为细晶强化 这种效应是由于晶 界处晶粒的位相不同 能阻碍塑性变形时的滑移 这就说在同等条件下 细化后 的晶粒组织因其晶界长而会有更高的强度 而且晶粒越细 杂质和缺陷分布越加 分散 其综合性能越好 抗疲劳性能也越高 因而在铸造生产中通常希望获得细 5 两北t 业大学t 学硕 学付论文 密的等轴晶组织 通过强化非匀质生核和促进晶粒游离以抑制凝固过程中柱状晶 区的形成和发展 就能获得等轴晶组织 非匀质晶核数量越多 晶粒游离作用越 强 熔体内部越有利于游离晶的残存 则形成的等轴晶粒就越细 晶粒细化方法按细化原理大致可分为三类 2 7 9 1 0 1 详见图1 2 图1 2 主要的晶粒细化方法 f i g 1 2t h em a i nm e t h o d so f g r a i nr e f i n e m e n t 1 热控法 基于均质形核理论 是在凝固过程中控制结晶热流 即采用低的熔体均匀化 处理温度 低的浇注温度 控制模温和降低合金熔体与型壳之间的温度梯度 使 铸件晶粒整体上获得细化 该方法主要有熔体的快速冷却技术 熔体的深过冷技 术 熔体的热速处理技术等 2 化学法 基于异质形核理论 是通过向合金熔体中加入细化剂 使熔体在凝固前便已 6 第1 章文献评述 存在大量分散悬浮在熔体中的细小形核质点 从而细化合金组织 该条件下异质 晶核的产生既可以是直接加入的细化剂 也可以是加入的细化剂与熔体反应生 成 细化剂根据其作用不同可分为孕育剂和变质剂 目前对这两个术语没有明确 的定义 本质上说 孕育主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒 变质 则是改变晶体的生长机理 从而影响晶体形貌 3 动态法 基于结晶游离形核理论 是在合金浇注或凝固过程中利用外力 如机械力 电磁力等 诱发熔体运动或振动 导致枝晶的破碎或与铸型分离 在液相中形成 大量结晶核心并促进其游离 同时强烈的扰动可使铸件中心和边缘的温度梯度减 小 促使均匀等轴晶形成 从而达到细化晶粒的效果 该类方法主要有电磁振动 超声振动 机械振动 搅拌以及旋转振荡等 近几十年发展起来的半固态铸造技 术也可有效获得组织细化的铸件 各种晶粒细化方法相对独立 因此常常可以几种方法同时使用 以达到更 好的细化效果 如低温浇注和孕育处理 变质处理和电磁搅拌 快速冷却和机械 振动等等 不同的应用环境条件下可采用不同的组合方式 1 4 振动细晶技术 凝固过程中对金属熔体施加振动已经被成功地用来细化显微组织 早在1 8 6 8 年c h e r n o v 就用轻摇铸型的方法获得了晶粒细化的钢铸件 1 9 1 4 年以后 人们 对这一现象的兴趣才活跃了起来 随后出现了大量的专利和报道f 研究主要针 对细化晶粒提高材料力学性能方面来设计的 除了可以采取不同的振动源外 如 超声波振动 电磁振动 机械振动等 还存在不同的振动方法 例如可以直接 振动铸型 也可以在浇注过程中振动浇注槽或浇口杯 对于小铸件或形状简单的 铸件 还可以将振动器直接插入液态金属中进行振动 大量的文献 1 1 3 2 1 指出 超声振动 电磁振动或者机械振动施加于凝固中的金 属熔体 会产生诸如晶粒细化 致密度提高 除气 收缩 减小偏析很多显著影 响 同时还影响第二相的大小 形态和分布 在很多金属及合金中都观察到了振 动对凝固组织的有利影响 例如铝 锌 镁 钢铁等 3 2 超声波振动通常是用 探杆直接浸入金属熔体液面而引入的 1 2 l 振荡的探杆会有部分溶解从而对熔体造 成污染 l 而且对于形状复杂的铸件振动能量不能充分传播贯穿到整个型腔 1 8 7 两北工业大学工学硕 学竹论文 电磁振动是一种非接触的方法 但是该方法价格昂贵并且为了有效而需要大量的 电流 1 9 相比而言 由于简易及低成本机械振动的应用要普遍的多 2 0 1 4 1 机械振动细晶研究现状 实践表明 机械振动是细化晶粒行之有效的方法 利用该方法细化晶粒并改 善铸件质量 已有大量报道 文献 2 0 2 1 1 中指出 机械振动作为一项细晶技术最 早由s o k o l o f f 在上世纪早期所报道 其后很多研究者也研究了机械振动对铸件显 微组织的影响 1 1 1 8 3 2 这些影响包括促进形核从而减小铸态晶粒的尺寸 改善金 属补缩进而减少缩孔 以及产生更均匀的凝固组织等 这些性质的改善导致了机 械性能的提高并同时降低了对裂纹的敏感性 f i s h e r 2 2 对l m 6 合金 a b l 2 3 s i 进行振动处理 指出品粒尺寸和初生枝晶 尺寸都会减小 k o c a t e p e 和b u r d e t t l 2 3 将低频机械振动应用于两种l m 6 合金 一 种加入钠作为晶粒细化剂而另一种没加 结果显示随着振幅和频率的增加两种合 金的晶粒均得到细化 而且能减少缩孔 n u m a na b u d h e i r 等人 2 0 l 对铝硅共晶 合金 a 1 1 2 5 s i 施加频率为1 0 0 h z 的机械振动发现 振动成功将枝状铝破碎成 岛状 并可减小层片间距和改善硅形态 铸件拉伸率也得到提高 但振幅超过一 定程度破碎效果会降低且硅有粗化的趋势 a l e x a n d r em a l t a i s 等人b 8 1 9 1 用自己设 计搭建的铸型振动细晶设备对高纯镁及a z 9 1 d 镁合金进行了实验 证明机械振 动足够使晶粒得到细化 但是只有当振动加速度超过一阈值时晶粒细化效果才会 产生 对铸造热作模具钢 c a s t h o t w o r k d i es t e e l 的研究 2 1 垤出 保持振动频率不 变 随着振幅的增大显微组织从树枝状晶向等轴晶转变 相比用振动处理过的试 样 未处理试样的裂纹形成早 扩展快 随着振幅的增加热疲劳裂纹形成延迟 扩展减缓 h y p a 且h h o b 2 4 1 将振动作用于正在凝固的6 0 钢及耐蚀钢x 1 8 h 9 t 得出 结论 振动可以大大提高钢锭树枝状组织的弥散性 改变 提高 非金属夹杂物 的弥散性和其较均匀分布 提高金属机械性能 对变质勐 2 7 灿 s i 凝固过程中施 加振动的研究 2 6 表明振动可使生长在初晶硅球表面的条状共晶硅机械碎断而成 为短杆状和蠕点状 从而减少对基体的割裂作用 提高合金机械性能 低频振动 施加在凝固中的s n s b 合金可改善其密度偏柝 2 对凝固的熔体施加振动可以细化显微组织 但是振动参数和细化结果之间定 量且确凿关系的缺乏 阻碍了这项技术广泛的应用 研究指出 振动频率对晶粒 细化一般没有明显的作用 但振幅大小的影响却很大 2 对于晶粒细化来说 推 第1 章文献评述 荐频率在1 0 0 2 0 0 h z 之间 1 l 一般激振参数的选择凭经验确定 文献 2 8 2 9 认 为 振动凝固应根据金属本身的固有振动特性来确定其激振参数 激振至凝固完 毕 还有试验表明刚 采用铸型系统低阶固有频率进行振动凝固 还可较大幅度 地降低和匀化铸件的残余应力 a 1 3 5 m g 合金单向凝固时施加振动的研究1 2 5 j 指出 为了获得最佳的细化晶粒效果 参振频率最好与凝固固液相区的特征共振 频率吻合 振动频率和振动作用时间影响固液界面形貌 凝固组织和性能 在对 a l 4 0 m g 合金的单向凝固过程中引入具有相同基频的正弦波 三角波和方波振 动 3 1 l 发现其对枝晶生长形态的影响依次增强 这与振动干扰频谱与固液界面的 特征频域是否耦合及振动能量在该频域内的分布有关 目前的研究多数是对铸型施加振动 振动保持在整个凝固过程中 先游离的 晶粒即使熔化 新游离的晶粒仍在不断产生 故其细化效果受浇注温度的影响较 小 若对浇注装置振动 只有当浇注槽或浇口杯四壁形成薄的凝固层从而能源源 不断地产生游离晶粒时 才能得到满意的效果 这种情况下必须认真考虑浇注温 度的影响 过高的浇注温度不仅不利于游离晶的形成 即使形成了 也可能在铸 型中被重熔 致使振动不起作用 因此 在实践中应当根据不同的振动方法通过 试验合理地选用频率 振幅 浇注温度和确定相应的浇注工艺 1 4 2 振动细化晶粒的机理 振动对凝固中的金属和合金主要的影响就是柱状晶生长的抑制和细小等轴 晶的形成 2 3 但是振动怎样改变最终的显微组织目前还没有一个很好的解释 大 多数现有研究都是定性的 而且提供的可被铸造工业所使用的定量信息很少 振动细化晶粒的机理主要有以下几种理论 5 2 l 1 振动使枝晶破碎 在振动所造成的扰动作用下 液体发生相对位移 由于液体存在粘性 因此 液体各部分之间在运动速度方面存在着差异 产生粘性剪切作用 这种粘性剪切 在液体和正在长大的枝晶间特别严重 这样就使枝晶尖端被剪切而容易机械破 断 从而可获得更多的等轴晶成长所必须的结晶微粒 使晶粒细化 2 振动使枝晶熔断 振动所产生的扰动可以使长大过程中的枝晶周围的液体前进或后退 这样会 造成局部的热温起伏 从而有利于枝晶熔断 特别是在溶质的偏析系数大而产生 枝晶颈缩的情况下更为明显 9 西北t 业大学t 学硕十学付论文 3 振动增加激冷游离晶的数目 通常金属液表面都覆盖着一层氧化膜 它阻止了金属液与铸型的直接接触 振动可以有效的破坏氧化膜 使金属液更好的浸润型壁 因而使二者能很好地接 触 有效发挥型壁对金属液的激冷效果 有利于产生较多的晶体 这些激冷晶在 振动所引起的液体扰动下发生游离 形成大量的等轴晶 4 振动提高液相线平均温度 增加过冷度 金属在凝固时 其体积总是减小的 依据c l a u s i u s c l a p e y r o n 方程 竺 垒丝二型 r 1 2 1 心 龌m 式中z k 是一个大气压下的熔点温度 彳p 为压力的改变值 4 昂为熔点温度的 改变 a h m 为结晶潜热 巧和圪分别为固 液态的体积 当相变体积减小时 合金液的熔点随压力的增加而升高 振动会使金属液瞬时压力出现波动 在液态 金属内局部位置产生很大的压力 从而使金属结晶温度提高 在实际温度不变的 情况下 实际的过冷度会增加 因而可使形核率增加 获得晶粒细化效果 大野笃美的研究 5 指出 在凝固初期给与振动最有效 然而即使只在凝固初 期给与了振动 促使等轴晶生成游离 也还必须使游离晶保存下来 如果浇注温 度过高 而不继续振动到游离晶能保存的温度 则不会起到振动的效果 1 5 半固态铸造技术及其发展 在金属材料从固态向液态或从液态向固态的转变过程中 均经历半固态阶 段 特别是结晶温度区间宽的合金 转换过程分为三个阶段 而在这三个阶段中 金属材料呈现出不同的特性 利用这些特性就产生了塑性加工 铸造加工和半固 态加工等多种热加工成形方法 3 3 而其中半固态加工是相对较新却发展迅速的一 种金属材料加工技术 1 5 1 半固态技术的发明及特点 半固态金属加工技术是二十世纪七十年代美国麻省理工学院f 1 锄i i l g s 教授 领导的研究组发明的一种金属成形技术 州 虽然只有短短的三十多年历史 但由 于其具有独特的技术优势和广阔的应用前景而备受瞩目并得到迅猛发展 金属材料在铸造成形过程中要经过加热熔化生成液态 充型后温度逐渐降 1 0 第1 章文献评述 低 到液相线以下开始结晶 在普通铸造过程中 初晶一般以枝晶方式长大 当 固相率达到1 5 2 0 时 2 1 枝晶就形成连续网络骨架 失去宏观流动性 这样得 到的铸件会形成缩松 缩孔等严重影响合金机械性能和加工性能的缺陷 半固态 加工不同于传统的铸造 锻造等常规技术 而是使用具有球状显微组织的半固态 金属浆料进行金属零件的制备 在液态金属凝固过程中施以剧烈搅拌 使形成的 树枝晶破碎 而形成近球形初生晶粒悬浮于残余液相中的多晶核固液混合浆料 即流变浆料 这种浆料在固相率达到6 0 时仍具有较好的流动性 易于用常规加 工技术如压铸 挤压 模锻等实现成形 这一新的成形加工方法综合了铸造加工 和塑性加工的长处 可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能质量要求较 高的零件 半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变 即液固共存 过程中所具有的特性进行成形的方法 具有以下几个特点 3 4 3 8 1 应用范围广 凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工 可适用于铸造 锻压 轧制 挤压等多种工艺 并可运用于复合材料的制备和成形 2 制件质量高 半固态金属黏度比液态金属高 充型平稳 无湍流和喷溅 卷气和氧化少 减少了缩松和气孔 组织致密 无宏观偏析 性能更均匀 3 成形精度高 由于半固态浆料已部分凝固 减少了凝固收缩 因而制件尺寸精度高 加之 表面光滑 能实现近终成形 成形应力低 针对锻造而言 半固态浆料具有很好的触变性 在一定压力下可很好的流动 容易充填模腔 可成形复杂件 5 成形温度低 针对铸造而言 由于半固态浆料已释放了部分结晶潜热 从而减轻了液态金属对成形装置 尤其是模具的热冲击 使模具寿命大大提高 由于半固态加工具有的优质高效乃至低成本和敏捷的特性 被称为2 1 世纪最 具发展前景的近净成形技术 3 9 1 两 i i t 业大学 学硕十学位论文 1 5 2 半固态加工的基本工艺方法 半固态加工的基本工艺方法可分为流变成形和触变成形两大类 将流变浆料 直接进行成形加工 称之为半固态金属流变成形 r h c o f o r m i n g 或流变铸造 r h e o e a s t i n g 而将这种浆料先凝固成铸锭 再根据需要将金属铸锭分切成一定 大小 使其重新加热至固液相温度区间再进行成形加工称之为触变成形 t h i x o f o r m i n g 或触变铸造 t h i x o e a s t i n g t 4 0 l 根据成形设备的种类 半固态金属成形又可细分为半固态铸造 半固态锻造 半固态轧制 半固态挤压等工艺方法 3 4 1 其中半固态金属铸造技术与过热液态金 属铸造相比 半固态金属铸造含有一定体积分数的球状初生固相 成形零件致密 力学性能高 与固态金属锻造相比 半固态金属铸造含有一定体积分数的液相 可成形复杂零件 易于近终化成形 机械加工量少 半固态成形技术从发明到现今经历了从流变成形到触变成形再到流变成形 的螺旋式发展历程 4 l 早期通过强烈机械搅拌获得的半固态合金浆料的保存和输 送很不方便 因而半固态合金流变铸造技术的进展很缓慢 一直没有出现成熟的 技术 而触变成形由于半固态坯料便于输送 易于实现自动化 因而在工业中较 早得到了广泛应用 但是经过多年的生产实践和研究发现 触变成形存在诸如工 艺流程较长 坯料成本高 重熔能耗高且坯料表面氧化严重 生产废料无法及时 回收利用等诸多缺点 4 2 4 3 1 与触变成形相比 流变成形更节省能源 流程更短 设备更紧凑 成本低 效率高 为了解决上述触变成形的难题和迸一步降低生产 成本 扩大半固态技术的应用 近年来 半固态金属铸造技术领先的国家重新将 半固态合金浆料直接铸造成形技术作为降低生产成本的主攻方向 半固态流变铸 造技术的研究越来越受到重视 并取得了较大进展 1 5 3 半固态浆料制备技术 半固态加工的前提和核心问题是制浆 即如何获得均匀 细小的等轴非枝晶 的触变结构 在半固态触变成形中 首先需要制备半固态坯料 而在半固态流变 成形中 则需要制备高品质的半固态浆料 目前的浆料制备技术主要有以下几种 1 4 4 5 3 1 传统机械搅拌法 机械搅拌法是最早发展起来的半固态加工方法 是在金属凝固过程中通过机 1 2 第1 章文献评述 械搅拌产生强烈的金属液流动 改变初晶的生长和演化 或使生长中的枝晶破碎 从而获得球状或类球状初生固相均匀悬浮在母液中的半固态浆料 该法有非连续 机械搅拌法和连续机械搅拌法两种 前者装置简单且操作方便 主要用于实验研 究 后者能连续生产 但装置较复杂 造价也高 机械搅拌法设备简单 容易获得较高剪切速率且剪切速率易于控制 非常适 合实验室的研究工作 是目前实验室应用最广泛的方法 但机械搅拌法生产效率 低 搅拌室和搅拌棒寿命短且容易污染半固态浆料 无法满足商业生产的需要 没有在商业上广泛应用 2 电磁搅拌法 在目前所发明的半固态金属浆料或坯料的制备方法中 电磁搅拌法是最成功 的一种方法 该法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流 金属液在洛仑兹 力的作用下运动 从而达到对金属液搅拌的目的 电磁搅拌按磁场方向分为水平 式和垂直式 按磁场发生方式又可分为交变电流和旋转永磁体法 电磁搅拌法用无形的磁场力代替了搅拌杆 不与金属液接触就能使其产生搅 拌 对熔体污染小 气体卷入也少 通过控制磁场强度就能控制金属液流动状态 易于操作 生产率也高 虽然电磁搅拌在工业上得到了广泛应用 但生产成本较 高 而且设备投资大 工艺复杂 由于存在 集肤 效应 该技术只适用于直径 小于1 5 0 m 的锭坯 这些缺点阻碍了此项技术更广泛地推广应用 3 应变诱导熔体活化技术 s i m a 应变诱导熔体活化技术 s t r a i n i n d u c e dm e l ta c t i v 撕o l lv l d c 船s 简称s i m a 该技术是将常规铸锭在回复再结晶的温度范围内进行挤压变形 破碎枝晶组织 再施加足够冷变形量后加热到半固态区适当保温 加热保温过程中首先发生再结 晶 然后部分熔化 从而得到具有触变性的球状半固态坯料 应变诱导熔体活化方法制备的半固态坯料纯净 已成功应用于不锈钢 工具 钢 铜合金等系列 也是目前实际商业应用的方法之一 但是该方法工艺复杂 生产成本高 只适用于小尺寸坯料的制备 4 喷射沉积法 喷射沉积是利用惰性气体将液态金属雾化 在喷射气体的作用下这些极细小 的金属熔滴被高速喷射到激冷收集板上 在飞行过程中液滴会有部分凝固 金属 颗粒以半固态形式喷射到收集板上 冲击力足够大时会打碎其内部枝晶组织 经 再加热后可获得具有球形颗粒固相的半固态浆料 该方法制备的半固态坯料质量 很好 但是成本太高 只适合一些贵重或高熔点合金 尚不能大规模应用 两北t 业大学 学硕士学位论文 5 粉末压制法 该方法是将两种具有不同熔点的粉末混合并冲压成一定形状 然后快速加热 至低熔点合金熔点以上并保温 低熔点粉末熔化而高熔点粉末仍然以颗粒状保留 在液相基体中 由此得到半圆态组织 粉末压制法制备的半固态坯料晶粒非常细 小 但价格昂贵 没有得到大规模的实际应用 6 超声波处理法 利用超声机械振动波扰动金属的凝固过程细化金属晶粒 获得球状初晶的半 固态金属浆料的方法 被称为超声波处理法 该方法简单且成本低 但在金属熔 体中超声波衰减厉害 不易到达较深或较远的区域 目前该方法仍然处于研究探 索之中 尚未进入实际商业应用 7 液相线铸造 液相线铸造是最近发展起来的一种半固态浆料生产方法 是将合金熔体冷却 至液相线温度附近保温一段时间后进行浇注 从而获得细小 近球形 非枝晶的 半固态组织 该方法不需加入合金元素也不需搅拌 是一种简单而且成本显著降 低的技术 受到越来越多的关注 目前工业应用中可能存在的主要障碍是如何实 现温度控制的准确度和均匀性 及如何保证大规模生产中组织的一致性和均匀 性 8 冷却斜板法 冷却斜板法是1 9 9 6 年由日本宇部株式会社发明的一种制备半固态浆料的新 工艺 其主要原理为 将熔融金属倒在冷却斜板上 斜板的激冷作用使斜板壁上 有细小的晶粒形核长大 金属流体的冲刷和固相晶粒的自重作用使晶粒从斜板壁 上脱落并翻转以达到搅拌效果 金属熔体流入收集坩锅后进行适当时间的半固态 温度区间保温 得到细小的球化初生固相 斜板可用斜槽或斜管代替 也可以取 消斜板 而在浇注时将收集坩锅倾斜 可取得相同的效果 冷却斜板法工艺简单成本低 可明显缩短金属半固态成形的工艺流程 是近 年来半固态浆料制备技术的研究热点之一 冷却斜板法已经成功进入实际商业