半固化冶炼挤压铸技艺数据对构建功能制约的研究.doc

半固化冶炼挤压铸技艺数据对构建的功能制约信息来源： 全球铝业网 更多信息请参考 摘要：1半固态挤压铸造原理与工艺特点半固态挤压铸造是将制备好的具有特殊流变性的半固态金属浆料定量注入到敞开的模具型腔内，随后借助于冲头的压力作用，使其强制充型、凝固、补缩.1半固态挤压铸造原理与工艺特点半固态挤压铸造是将制备好的具有特殊流变性的半固态金属浆料定量注入到敞开的模具型腔内，随后借助于冲头的压力作用，使其强制充型、凝固、补缩并产生少量塑性变形，从而获得所需的零件或毛坯（如1所示）。其工艺流程大体上可分为以下几步：半固态金属浆料制备；模具准备；半固态金属浆料定量浇注；合模充型；保压；卸压开模；制件顶出。与一般挤压铸造工艺相比，由于半固态挤压铸造采用了具有球状初生固相的固液混合浆料，其表观粘度比同种液态金属的粘度高3个数量级。因此，在相同的充型速度下，半固态金属浆料的流动状态更为平稳，可大大减少湍流、喷溅现象的发生，使制件的致密性得到提高；此外，由于半固态金属浆料已释放出部分结晶潜热，充型时对模具的热冲击作用小，有利于模具使用寿命的提高。2工艺参数对制件性能的影响及其选用原则试验表明，在半固态挤压铸造过程中，影响制定量浇注合模充型保压脱模件性能的工艺参数主要有浇注温度、挤压比压、挤压速度、保压时间、模具温度等。在对这些参数进行选用时，应遵循保证制件性能，延长模具(新的模具生产工艺将节省模具制造的时间)寿命的原则。2.1浇注温度在半固态挤压铸造过程中，半固态浆料的浇注温度是一个关键的控制参数。它对浆料的充型、制件的性能具有极其重要的作用。根据半固态金属浆料的表观粘度。可知，随着浇注温度的降低，半固态浆料的表观粘度急剧升高，充型时的阻力显著增大。所以，为了得到完整的制件和降低成形抗力，应使浆料的浇注温度控制的高一点。但另一方面，浇注温度的升高，会使半固态浆料的固相分数降低，液相分数增加，加压充型时容易导致浆料产生喷溅、卷气现象。因此，浇注温度的选择应综合以上两方面来考虑。其原则是在保证半固态金属浆料充满型腔的前提下，尽量降低浇注温度。2.2挤压比压挤压比压P0的主要作用是使半固态金属浆料具有一定的充型速度，保证浆料在压力下结晶凝固，补缩并产生少量塑性变形，使制件的密度增大，晶粒细化，性能提高。在实际合模充型过程中，注入到型腔内的半固态金属浆料由于受到激冷作用，在其外表面迅速形成一层细晶硬壳，将待凝固的半固态金属浆料包裹在里面。此时，尽管半固态金属浆料具有良好的流变性，但为了能实现完整充型和有效补缩，挤压比压必须大于半固态浆料凝固硬壳的塑变抗力与半固态浆料流变临界切应力c之和，即P0c，否则半固态浆料无法流动。在挤压方式一定的情况下，半固态浆料的c与半固态浆料的组织特征有关，但到目前为止有关c的定量计算尚无精确的公式，只能根据试验来确定。当P0大于c以后，增大P0对提高制件性能作用很大。试验表明，随着P0的增大，制件的组织越致密，晶粒越细小，性能也越好。但P0增大到一定值后，它对制件的性能提高基本无影响。2.3挤压速度挤压速度v是指冲头与半固态浆料接触后的运动速度。合理的挤压速度与制件的大小、形状、壁厚、合金种类、浇注温度和模具温度等因素有关。在半固态挤压铸造过程中，由于半固态浆料含一定数量的球状初生固相，其表观粘度比同种液态金属的粘度高3个数量级，充型时阻力较大。因此，在半固态金属浆料充型过程中必须具有足够大的挤压速度，才能保证浆料将模具型腔充满。但挤压速度过快也会带来一些不利影响。根据粘性流体流动状态的雷诺判据Re$da式中：Re为雷诺数；$为浆料流动速度；d为浇道直径；为浆料密度；a为浆料粘度（当Re2300时，粘性流体以紊流状态流动；当Re2300时，粘性流体以层流状态流动）。可知挤压速度过快时，半固态金属浆料的流动速度很高，其Re可能超过临界值（2300），浆料将以紊流状态充填模具型腔，从而造成严重裹气，进而降低制件性能。2.4保压时间保压时间是指半固态浆料充满型腔后压力达到规定的最大值开始到挤压设备撤销压力为止的时间段。这段时间的主要作用是使半固态浆料在压力作用下结晶凝固并补偿半固态浆料因凝固和温度变化所引起的体积收缩。保压时间的长短，主要取决于制件断面的最大壁厚和制件的材质，同时也与制件的形状及浆料的浇注温度等因素有关。卸压时间过早，型腔内尚未凝固的浆料在继续凝固时发生的收缩将无法得到良好补偿，导致制件内部产生缩松、缩孔缺陷；卸压时间过迟，除了降低制件生产率外，还会增大制件产生裂纹的几率。因此，在保证半固态金属浆料完全凝固和成形致密的前提下，保压时间愈短愈好。2.5模具温度在半固态挤压铸造过程中，模具温度应控制在合适的范围内。当模具温度过高时，可能带来以下问题：模具表面硬度降低，增加模具磨损；模具强度降低，在模锻压力作用下，模具容易发生塑性变形；半固态浆料易于粘模，制件顶出时表面容易被拉伤；半固态浆料的冷却速度降低，制件表面硬化层减薄，心部组织粗大，力学性能下降。当模具温度过低时，半固态浆料注入型腔后，便迅速凝固结壳，严重影响加压效果，使制件内部易出现缩松、缩孔缺陷，表面易出现冷隔纹裂，甚至开裂；此外，根据模具材料在工作循环中产生的热应力公式KET1式中：K为常数；为模具材料的热膨胀系数；E为模具材料的弹性模量；T为循环温度差；$为模具材料的泊松比。可知模具温度越低，与半固态浆料的温度差T越大，在模具中产生的热应力越高，模具型腔表面越易形成热裂纹。因此，为了保证制件性能并使模具处于良好的工作状态，挤压前要对模具进行预热，连续生产一段时间后，由于半固态浆料的加热作用，模具温度会升高，这时要对模具进行冷却，使模具温度保持在规定的范围内。3可能的缺陷及预防措施利用半固态挤压铸造方法进行零件或毛坯的生产时，若工艺参数选用不合理，则在制件表面及内部易于形成一系列缺陷。这些缺陷是获得高性能制件的主要障碍。下面针对这些缺陷形成的原因进行分析并提出相应的预防措施。3.1表面缺陷及预防措施（1）冷隔冷隔是半固态挤压铸造中常见的缺陷。其形成原因主要有：浆料的浇注不连续，中间断流时间太长，使已注入到型腔内的浆料与随后注入的浆料不能很好地熔合在一起，而形成一条交接界面，如2所示。另外，如果模具温度较低或挤压速度较慢，浆料的上表面已凝固结壳，冲头下压时，翻出的浆料不能与凝固壳凝结在一起，而在制件上表面的边部形成冷隔层。因此，在实际操作中可通过适当提高模具温度、挤压速度、浆料浇注温度；在不能连续浇注的情况下，采用多浇包浇注，并严格控制浇注间隔时间等措施来减少或消除此类缺陷。（2）浇不足半固态挤压铸造时，浇到型腔内的是半固态浆料，其在压力作用具有良好的流动性，因此型腔充填不满按理说是极其个别的。只有当半固态金属浆料固相分数过高，模具预热温度不够，挤压比压不足时，才可能在型腔的尖角、棱边和薄筋及一些排气不良的薄壁处出现充填不满的现象。在实际操作中，可通过降低浆料固相分数，适当提高模具温度和模锻速度以及在模具排气不良处增设排气槽等措施来预防。（3）裂纹制件表面裂纹一般出现在壁厚突变部位或过渡圆角处，如2所示。其产生的原因有：模具温度过低，附着在型腔内侧的半固态浆料迅速结壳，浆料冷却凝固时产生的收缩应力全部由金属壳来承担，当此收缩应力大于金属壳的极限强度后，金属壳便发生开裂；保压时间过长，制件薄壁处的冷却收缩受到限制而被拉裂；制件的过渡圆角较小，浆料凝固时在该处产生过大的应力集中。根据以上分析，可采取以下预防措施：严格控制模具温度，合理选择保压时间，适当增大制件过渡圆角等。（4）夹渣与皮下针孔夹渣的出现主要是由于半固态浆料制备时渣没有除净，充型时涂料剥落等所引起。其预防措施有：浆料制备时认真造渣、去渣，浇注前将浆料上部的浮渣彻底刮清；合理选用涂料，并注意涂料的喷涂工艺。皮下针孔的形成主要是由于模具温度较低，涂料残留水分过多且喷涂不均匀所致。浆料注入型腔后，涂料中的残留水分在浆料高温作用下蒸发、分解而释放出气体，此时由于受到浆料凝固硬壳的阻碍，气体来不及排出，便以气孔的形式残留在制件表皮内。它可通过提高模具温度，减少涂料残留水分，均匀喷敷涂料等措施来预防。3.2内部缺陷及预防措施（1）缩孔和缩松缩孔和缩松一般出现在浆料的最后凝固部位。其原因主要是型腔内的半固态浆料因凝固和温度变化所引起的体积收缩未能得到外界等同补偿而在制件内部留下集中、分散的孔洞。对于这类缺陷，在实际操作中，可采用以下措施：加大比压，使冲头压入半固态浆料的体积量大于或等于浆料的体积收缩量；合理选择保压时间，确保浆料在压力作用下完全凝固；使制件各处壁厚尽可能相等，对有厚大部位的制件，应采用浮动型腔，或添加侧向的压力使该部位也能受到适当的压缩。（2）气孔制件的气孔按存在形式的不同可分为：内部集中性气孔；机械式陷入气孔；皮下针孔。内部集中性气孔是溶解在浆料中的气体随着浆料温度的下降，溶解度降低而析出，因未能及时上浮至浆料顶面而被裹在浆料中所形成。机械式陷入气孔是在机械压力作用下，无法排出的气体被压入制件内所形成。根据实际情况分析，这些气孔的形成与下列因素有密切关系：挤压速度太高，导致浆料紊流充填，卷入气体；半固态浆料制备时，除气不彻底；模具温度过低、挤压比压过小，气体在浆料中的溶解因饱和而析出。模具排气系统设置不合理，冲头加压时，型腔凹陷部位包裹的气体无法排出，当这些气体产生的压力P气达到浸入形成条件P气P阻P静P表（P阻为气体进入浆料的阻力，P静浆料的静压力，P表浆料表面张力）时，便浸入浆料。涂料用量太多且残留水分过多。因此，在实际操作中，可通过合理控制挤压速度；在浆料制备过程中安排除