金属材料加工技术与工艺

金属材料加工技术与工艺 主要研究内容 绪论快速凝固连续铸轧 连续挤压 连续铸挤金属等温成形 半固态成形 本节主要内容 材料技术的定义材料技术的分类金属材料加工技术的主要发展方向 一 绪论 材料技术 是关于材料的制备 成形与加工 表征与评价 以及材料的使用与保护的知识 经验和诀窍 一 绪论 1 定义 2 材料技术分类 材料技术 加工方法与材料性能之间的关系 铸造 锻压 真空烧结设备 3 金属材料加工技术的主要发展方向 1 常规材料加工工艺的短程化和高效化 打破传统的材料成形与加工模式 缩短生产工艺流程 简化工艺环节 实现近终形 短流程的连续化生产 提高生产效率 如半固态流变成形 连续铸轧 连续铸挤等是将凝固与成形两个过程合二为一的 实行精确控制 形成以节能 降耗 提高生产效率为主要特征的新技术和新工艺 2 发展先进的成形加工技术 实现组织与性能的精确控制 这主要是用于提高传统材料的使用性能 改善难加工材料的加工性能 开发高附加值材料 例如 非平衡凝固技术 电磁铸轧技术 电磁连铸技术等 可在材料的制备过程中通过冷却速度的控制或附加外场的作用 改善材料的组织 大幅度地提高材料的性能应用低温成形技术 低温强加工技术 可通过对成形加工过程和工艺参数的精确控制达到控制材料组织与性能的目的 3 材料设计 制备和成形加工一体化 可实现先进材料与零部件的高效 近终形 短流程成形 典型的技术如喷射成形 粉末注射成形 激光快速成形等 4 开发新型制备与成形加工技术 发展新材料和新制品 这类加工技术包括大块非晶合金制备与应用技术 连续定向凝固成形技术 电磁约束成形技术 双结晶器连铸与充芯连铸复合技术等 5 发展计算机数值模拟与过程仿真技术 构筑完善的材料数据库 最终目的是为了优化成形加工方法和工艺 实现对制备 成形与加工过程的精确设计与精确控制 6 材料的智能制备与成形加工技术 综合利用计算机技术 数据库技术和先进控制技术 开发将材料组织性能设计 零部件设计 材料制备与成形加工过程的实时在线监测和反馈控制融为一体的材料智能制备加工技术 本节主要内容 快速冷却和快速凝固快速凝固组织的特征实现快速凝固的条件体材料快速凝固成形 二 快速凝固 大型铸件 10 3 10 1k s中型铸件 10 3 10 1k s特薄压铸件 10 3 10 1k s特殊的快速凝固技术 10 3 10 1k s界面推进速率大于10mm s 固 液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散速率时 晶体将来不及转移成分 界面固 液相成分不再平衡 1 快速冷却和快速凝固 快速凝固 是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程 可用冷却速度来表征快速冷却的程度 快 快速凝固的目的 超细组织过饱和固溶体亚稳相或新的结晶相微晶 纳米晶或金属玻璃 形成 获得优异的强度 塑性 耐磨性 耐腐蚀性等 冷却速度的加快使过冷度增大 导致凝固模式的改变对合金的组织及结构特征产生如何的影响 2 快速凝固组织的特征 快速凝固引起的显微组织变化 快速凝固组织特征的具体描述 偏析形成倾向减小 随着凝固速率的增大 溶质的分配因数将偏离平衡 实际溶质分配因数总是随着凝固速率的增大趋近于1 偏析倾向减小 非平衡相的形成 在快速凝固条件下 平衡相的析出可能被抑制 析出非平衡的亚稳相 凝固组织细化 大的冷却速度不仅可以细化枝晶 而且由于形核速度的增大而使晶粒细化 析出相的结构发生变化 大冷却速度可使析出相的结构发生变化 某些相同成分的合金在不同冷却速度下可获得完全不同的组织 形成非晶态组织 当过冷度极大时 结晶过程将被完全抑制 从而获得非晶态的固体 3 实现快速凝固的条件 凝固速度是由凝固潜热及物理导热的导出速度来控制的 通过提高铸型的导热能力 增大热流的导出速度可使凝固界面快速推进 实现快速凝固 1 快速冷却 凝固速度 L S分别为液相和固相的热导率 GTL GTS分别为凝固界面附近液相和固相中的温度梯度 h为凝固潜热 S为固相密度如果忽略液相过热的条件则单相凝固速度 式中 凝固层厚度 Tk 液固界面温度 Ti 铸型与铸件界面温度 2 深过冷 减少凝固过程中热流导出量是在大尺寸试件中实现快速凝固的唯一途径 通过抑制凝固过程的形核 使合金溶液获得很大的过冷度 从而凝固过程释放的潜热 h被过冷熔体吸收 可大大减少凝固过程中要导出的热量 获得很大的凝固速度 喷射沉积法动态示意图如链接所示 喷射沉积法原理图 4 体材料快速凝固成形 喷射沉积法的两个过程及控制因素 第一步是利用喷射技术将合金溶液雾化成细小的液滴 这些液滴在飞行过程中散热 获得一定的过冷度 甚至发生部分凝固 在完成凝固之前在基板上沉积被进一步冷却凝固 完成第二个过程 关键是提高液滴的尺寸和初始速度 液滴应尽可能小 为了获得大的凝固速度 基板应具有大的蓄热系数 沉积体厚度 沉积体中的热阻 沉积体和基板吸收合金液滴的热量 过程 控制因素 温度 凝固速度 提高冷却速度并保证凝固速度的稳定是喷射沉积工艺过程的关键 主要研究内容 绪论快速凝固连续铸轧 连续挤压 连续铸挤金属等温成形 半固态成形粉末冶金新技术先进连接技术 一 连续铸轧研究的主要内容 铝带铸轧钢铁材料铸轧连续铸轧工艺的基本原理 连续铸轧 直接将金属熔体 轧制 成半成品带坯或成品带材的工艺称为连续铸轧 工艺特点 结晶器为两个带水冷系统的旋转铸轧辊 熔体在其辊缝间完成凝固和热轧两个过程 而且是在很短时间内 2 3s 完成的 与连铸轧制的区别 连铸轧制实质上是将薄锭坯铸造与热轧连续进行 即金属熔体在连铸机结晶器中凝固成厚度约50 90mm的坯后 再在后续的连轧机上连续轧成板材 其铸造和轧制是两道独立的工序 1 铝带铸轧 连续铸轧优点 投资省成本低流程短 20世纪50年代有色金属铝带材 目前世界各国都在研究高速铸轧机 大轧制压力 增大铸轧辊直径 戴维公司牛津大学 4辊高速薄带铸轧机 550mm 900mm 2400mm 铸轧机的发展 铸轧带宽 1800mm最薄铸轧厚度 1mm最大铸轧速度 15m min最大卷重 12t生产率 2 5kg h mm 铝带坯连续铸轧的发展 截止2000年底 中国有引进的双辊式铸轧机13台 含1台Jumbo3CM型薄带坯高速铸轧机 可生产4mm厚的薄带 截止2000年底 中国拥有铝带坯连续铸轧生产线近90条 总生产能力约717 5kt a 占冷轧供坯总生产能力的30 目前 全球铸轧工业正在向着铸轧速度更快 带坯更宽与更薄 产品精度与自动化程度更高的方向发展 但至少在2010年以前 带坯的生产的速度 宽度与厚度是处于稳定阶段 带坯厚度 0 5mm 大部分为2 2 5mm 常规厚度 7mm 产品占主流 产品宽度很难超过2020mm 1400 1800mm宽的仍是主导产品 2 连续铸轧工艺的基本原理 连续铸轧系统示意图 导向辊 铸轧板 铸轧辊 前箱 流槽 静置炉 横浇道 供料嘴 a a 液体金属冷却形成薄壳 结晶并随着铸轧辊向上转动 a a 至b b 铸轧 b b 金属完全凝固 b b 至c c 固态轧制 c c 轧制结束 c c 面的宽度即为铸轧板坯的厚度 铸轧区的高度随轧辊直径的大小而变化 一般在30 40mm之内 要保证液体金属在如此短的铸轧区进行正常铸轧 必须严格保证两个条件 基本条件和热平衡条件 铸轧区 1 基本条件 浇铸系统预热温度 铸轧浇铸系统包括控制金属液面的前箱 横浇道 供料嘴底座和供料嘴四部分 要求这些部件必须具有良好的保温性能 使液体金属不过多地散发热量 保证铸轧正常进行 预热温度为300 左右 保温4h以上 b 金属液面高度 前箱内液体金属面水平高度决定着供料嘴出口处液体金属压力的大小 金属液面高度的压力 金属表面氧化膜的表面张力 式中H 金属液面高度 R 浇道的半径 金属的密度 g 重力加速度 m 金属的表面张力 润湿角 在浇铸过程中 Fm与Fp之间有三种情况 Fp Fm 此时氧化镁不被破坏 铸轧可连续进行 板面正常 金属液面较低 氧化膜被拉长 氧化膜本身受压力较小 不易破坏 此时板面质量较佳 但金属液面低到一定限度 则板面由于供金属不足而易产生空洞缺陷 Fp Fm Fp Fm 金属液面高 压力增加 使氧化膜变薄 极易被破坏 轻者 板面出现氧化黑皮 严重时 造成铸轧中断 2 铸轧的热平衡条件 铸轧的热平衡 就是进入整个铸轧系统的热量要等于从铸轧系统导出的热量 如果失去这个热平衡 连续铸轧将无法进行 或者液体金属凝固在浇注系统中 影响铸轧热平衡的因素 冷却强度 铸轧速度 铸轧温度 铸轧温度 一般比所铸轧的金属熔点高60 80 如果铸轧温度过低 金属溶液冷凝在浇注系统中 如果过高 则不易成形 或板坯质量变差 铸轧速度必须是无级调速 铸轧过程中冷却速度的调整主要是靠铸轧速度 同时 水冷强度也起着配合作用 铸轧速度 冷却强度 在铸轧过程中 单位时间 单位面积上导出热量的大小即为冷却强度度 影响冷却速度的因素 水冷速度 铸轧速度 铸轧区高度 辊套材料 铸轧速度慢 液体金属在铸轧时停留时间长 向外导热时间充分 冷却强度增加 例 3 连续铸轧的设计参数 铸轧角示意图 铸轧角 两辊铸轧中心连线和供料嘴顶端道铸轧辊中型连续所形成的角度 即为铸轧角 如右图所示 一般在5 10 之间 h为铸轧区的高度 辊径的选择 铸轧辊径一般采取大些尺寸为好 这样铸轧冷却得好 辊径越大 在铸轧角一定的情况下 铸轧区加长 有利于热交换 辊径一般在400 550mm之间 铸轧辊套的选择 有足够的导热性能 有较高的力学性能 耐温度急变耐热交变应力的疲劳作用 1 概述2 Conform连续挤压法 二 连续挤压与连续铸挤的主要研究内容 3 连续铸挤 Conform连续挤压原理Conform连续挤压法特点Conform连续挤压的应用Conform连续挤压设备 连续铸挤的原理与特点连续铸挤工艺连续铸挤设备 4 其它连续挤压方法 1 概述 常规挤压的缺点 生产的不连续性 导致挤压周期中非生产性间隙时间长 影响挤压生产的效率 挤压生产的几何废料比例较大 成品率下降 1970年Fuchs提出利用黏性流体摩擦挤压力的方法1971年Green提出Conform挤压法 实现连续挤压 其中conform连续挤压法是目前应用范围最广 工业化程度最高的方法 其特点是通过槽轮或链带的连续运动 或转动 实现挤压筒的 无限 工作长度 2 Conform连续挤压法 1 Conform连续挤压原理 实现连续挤压的两个基本条件 不需要借助挤压轴和挤压垫片的直接作用 即可对坯料施加足够的力以实现挤压变形 挤压筒应具有无限连续工作长度 以便使用无限长的坯料 1 如图 a 所示 利用方形挤压筒代替常规的圆形挤压筒 当运动槽块沿箭头所示方向连续运动时 坯料在槽内接触表面摩擦力的作用下向前运动而实现挤压 但由于运动槽块的长度是优先的 仍无法实现连续挤压 a b 挤压靴 挤压轮 坯料 槽封块 堵头 挤压模 靴体 送料轮 制品 Conform连续挤压示意图 a 方形挤压筒 b 槽轮 a b 挤压靴 挤压轮 坯料 槽封块 堵头 挤压模 靴体 送料轮 制品 Conform连续挤压示意图 a 方形挤压筒 b 槽轮 2 如图 b 所示 利用槽轮代替槽块 挤压时借助于挤压轮凹槽表面的主动摩擦力作用 坯料连续不断地被送入 通过安装在挤压靴上的模子挤成所需断面形状的制品 这种方法即为Conform方法 是由英国原子能局 UKAEA 斯普林菲尔德研究所的格林 D Green 于1971年提出的 坯料1 槽封块4 堵头5 挤压模7 靴体6 送料轮2 制品8 Conform连续挤压示意图 即 坯料1通过压轮2喂入旋转挤压轮槽3内 由坯料与旋转挤压轮之间的摩擦曳入挤压轮与槽封块4构成的变形腔内 在嵌在轮槽前方堵头5的阻碍之下 迫使金属从安装在靴体6上的模具7中流出 挤压成制品8 挤压轮3 2 Conform连续挤压特点 Conform连续挤压的优点 挤压型腔与坯料之间的摩擦大部分得到有效利用 挤压变形的能耗大大降低 一般 Conform连续挤压可比常规正挤压的能耗降低30 以上 可省略常规若给予中坯料的加热工序 节省加热设备投资 可以实现真正意义上的无间断连续生产 获得长度达到数千米乃至数万米的成卷制品 具有广泛的适用范围 已成功应用到Al及软铝合金 铜及部分铜合金 设备紧凑 占地面积小 设备造价及基建费用较低 Conform连续挤压的缺点 对坯料预处理 除氧化皮 清洗 干燥等 的要求高 清洁度不高 易出现夹杂 气孔 针眼 裂纹 沿焊缝破裂等缺陷 Conform连续挤压法可生产断面尺寸较大 形状较为复杂的实心或空心型材 但不如生产小断面的优势大 该方法难以获得大的挤压比 采用该方法生产的空心制品在焊缝质量 乃高压性能等方面不如常规正挤压 拉拔生产的制品好 挤压轮凹槽表面 槽封块 堵头等始终处于高温高摩擦状态 因而对模具材料的耐磨耐热性能要求高 由于设备结构与挤压工作原理上的特点 工模具更换困难 对设备液压系统 控制系统的要求高 4 Conform连续挤压的应用 合金品种 挤压坯料 1000系纯铝3000系 5000系 6000系 7000系铝合金电工 EC 级铜黄铜 H60 H70等 各种铝基复合材料 熔融金属连续杆状或坯料粉末 碎屑等颗粒料铝及铝合金坯料的直径为 9 5 25mm铜及铜合金坯料的直径为 9 5 25mm 制品种类 规格范围及用途 如下表所示 3 Conform连续挤压设备 结构形式 立式 挤压轮轴铅直配置 卧式 挤压轮轴水平配置 挤压轮上凹槽的数目和挤压的轮数目 单轮单槽 单轮双槽 双轮单槽 Conform连续挤压设备的主要生产厂家 英国的霍尔顿机械设备公司英国的巴布科克线材设备公司日本的住友重工业公司 其中卧式占多数 其中双轮挤压机多采用立式结构 英国的两家公司生产的连续挤压设备占世界现有设备的90 单轮单槽连续挤压机 卧式单轮单槽连续挤压机的坯料送进 制品流出以及各主要工模具的相对配置关系如下图所示 其中 生产铝及铝合金 铜及铜合金的线材 管材和型材时 一般采用径向处料方式 图 a 而进行包覆材料成形时 如铝包钢线 一般采用切向出料方式 图 b b a 单轮双槽连续挤压示意图 单轮双槽连续挤压机 单轮双槽连续挤压机的原理如下图所示 两个凹槽内的坯料通过槽封块上的两个进料孔 汇集到挤压模前的空间内 焊合成一体后再通过挤压模成形为所需的制品 注 单轮双槽连续挤压机具有两种结构形式双槽径向挤压方式 即挤压制品沿挤压轮半径方向流出 用于各种管 棒 型 线材的成形 切向挤压方式 主要用于包覆材料的成形 如铝包钢线 同轴电缆等 双轮单槽连续挤压机 单轮单槽或双轮双槽连续挤压机采用分流模挤压管材或空心型材时存在的缺点 由于空间的限制 分流模的尺寸较小 而挤压压力较高 分流桥与模芯的强度难以得到充分保证 由于剧烈的摩擦和长时间处于高温作用之下 挤压轮磨损快 寿命短 霍尔顿公司开发了双轮单槽连续挤压机 双轮单槽挤压机不仅可以生产管材或空心型材 同样可以生产线材 棒材以及包覆材料 其原理如右图所示 双轮单槽连续挤压示意图 双轮单槽连续挤压的优点 不需要使用分流模即可挤压管材或空心型材 挤压模的结构大为简化 模芯可以安装在堵头上 挤压模和模芯的强度条件显著改善 由于进料孔附近的压力显著降低 因而作用在槽封块和挤压轮边缘上的压力下降 可以减轻其磨损 延长使用寿命 由于金属流动的对称性增加 采用该法成形薄壁管或包覆材料 可以提高壁厚 包覆层 尺度的精度和均匀性 霍尔顿公司生产的C2 300V型 立式 双轮单槽连续挤压的主要技术参数 槽轮尺寸与最大转速 2 300mm 25r min 驱动功率 180kW 杆坯尺寸 9 5mm 12mm 15mm 铝管最大外径 45mm 最大产量 挤压铝及铝合金管 棒 线型材时 350 600 800kg h 分别对应上述三种规格的杆坯 3 连续铸挤 1 连续铸挤的原理与特点 连续铸挤工作原理 连续铸挤的原理 是将连续铸造与Conform连续挤压结合成一体的新型连续成形方法 坯料以熔融金属的形式通过电磁泵或重力浇注连续供给 由水冷式槽轮 铸挤轮 与槽封块构成的环形型腔同时起到结晶器和挤压筒的作用 槽轮包角 凝固靴和挤压靴与铸挤轮的接触弧大小为槽轮的包角 上图槽轮的包角为180 连续铸挤的特点 由于轮槽中的金属处于液态与半固态 凝固区 或接近于熔点的高温状态 挤压区 实现挤压成形所需能量消耗低 金属从凝固开始至结束的过程中 始终处于变形状态下 相当于在凝固过程中对金属施加了一个搅拌外力 因而有利于细化晶粒 减少偏析 气孔等缺陷 直接右液态金属进行成形 省略坯料预处理等工艺 工艺流程简单 设备结构紧凑 2 连续铸挤工艺 槽轮的包角 主要有90 和180 两种 采用180 的槽轮包角优点 凝固区段较长 有利于实现稳定挤压成形 实现铸挤轮的转速 利于提高生产效率 缺点 所需挤压功率较高 采用90 的槽轮包角优点 凝固靴与挤压靴为一体时 挤压功率较小 缺点 受凝固速度的限制 铸挤速度较小 且对工艺控制要求严格 否则导致挤压成形的不稳定 综合考虑上述两种情况 槽轮的包角也有采用120 的报道 浇注流量 浇注流量的精确稳定控制式连续铸挤工艺的关键技术 这是因为型腔尺寸较小 即使是较小的金属溶液流量变化 也会导致型腔内金属凝固与流动的较大波动 从而影响挤压成形的稳定性 溶液的浇注温度 铸挤轮转速 连续铸挤的实际应用各种电缆用铝导线 截面积为18 350mm2 规格范围内为4mm 10mm 50mm 150mm的铝排 扁导体 铝合金变质处理用Al Ti B Al Sr线材 铝合金管材 型材等 3 连续铸挤设备 连续铸挤设备有立式和卧式之分 从熔融金属的注入等方面考虑 卧式结构具有一定的优势 下表为霍尔顿公司卧式Castex连续铸挤机的主要技术参数 霍尔顿公司卧式Castex连续铸挤机的主要技术参数 从表中可见 虽然随着挤压轮直径的增加 最大轮速减小 但单位时间的产量却迅速增加 这主要是由于大型连续铸挤机一般采用大尺寸的槽轮 挤压制品的断面积较大的缘故 主要研究内容 绪论快速凝固连续铸轧 连续挤压 连续铸挤金属等温成形 半固态成形粉末冶金新技术先进连接技术 一 等温成形研究的主要内容 概述等温成形的特点等温成形的适用范围等温成形时的润滑等温成形用模具材料等温成形用设备几种常用材料的等温成形特性 1 概述 传统的热变形方法通常是将坯料从加热炉内移至冷漠或预热的模具中进行 多数情况下 热变形时的模具预热温度远低于坯料温度 在成形过程中 由于坯料与模具之间的温差较大 会使坯料温度急剧降低 导致材料变形抗力增加 塑性降低 坯料温度的降低会引起材料塑性流动能力降低 变形抗力提高 设备功率增加 成本提高 模具的使用寿命降低 对材料本身而言 由于材料变形温度降低 会在坯料中产生不均匀的温度场 形成难变形区 引起材料组织和性能的不均匀性 等温成形是针对传统热变形的不足而逐渐发展起来的一种材料加工新工艺 等温成形定义 等温成形方法是通过模具和坯料在变形过程中保持同一温度来实现的 可以避免坯料在变形过程中的温度降低和表面激冷 等温成形与超塑性成形的区别 微晶超塑性的实现依赖于晶粒细化 适当的变形温度和低应变速率三个基本条件 其中材料的初始内部组织是诱发超塑性 并使之成为持续进行的主要条件之一 超塑性状态一般只能在一个很窄的温度 速度范围内实现 等温成形的概念较超塑性成形要广泛 等温成形可以在很宽的温度 速度范围内以及坯料的任意原始组织条件下进行 但等温成形在降低材料变形抗力 提高材料塑性的效果方面不如超塑性成形那样显著 2 等温成形的特点 降低材料的变形抗力 在成形过程中 坯料于模具的温度基本一致 坯料的变形温度不会降低 在变形速度较低的情况下 材料软化过程进行得比较充分 使材料的变形抗力降低 此外 也可以使用玻璃润滑剂 进一步降低变形力 提高材料的塑性流动能力 由于等温成形时坯料温度不会降低 而且变形速度较低 延长了材料的变形时间 可以使材料的软化过程充分进行 提高材料的塑性流动能力 这可使形状复杂 具有窄筋 薄腹制品的成形成为可能 适用于低塑性成形困难的材料 成形件尺寸精度高 表面质量好 组织均匀 性能优良 模具使用寿命长 由于模具在准静载荷 低压力 无交变热应力条件下工作的 并且可以优良性能的润滑剂 因此模具的使用寿命比常规热变形模具高 材料利用率高 等温成形可以通过减少加工余量 提高产品尺寸精度来减少金属消耗 3 等温成形的适用范围 低塑性材料的成形 采用等温成形方法 可以成形用常规变形方法不能加工的低塑性 难变形材料 目前 等温成形工艺已广泛应用到合金钢 钛合金 铝合金 金属间化合物 复合材料以及粉末材料的成形加工等方面 优质或贵重材料的成形 材料等温成形工艺 可以成形小拔模斜度或无拔模斜度的锻件 以及有明显阶梯截面 过渡半径较小的锻件 大大减小加工余量 节约材料 降低成本 例如 采用等温成形方法制造的带叶片的盘形件 成形后不需要进行切削加工 与常规热变形方法相比节约材料50 以上 形状复杂的高精度零件的成形 采用等温成形方法 可以成形具有高窄筋 薄腹板以及形状复杂的高尺寸精度的结构零件 而这些零件采用常规的塑性加工方法进行成形是非常困难 甚至是不可能的 采用低压力成形大型结构零件 通过降低应变速率 可以使材料在较低的变形温度下具有较高的塑性 降低成形压力 研究材料的塑性变形规律 等温物理模拟与实际等温成形时的条件相差较小 物理模拟试验的结果可以有效地指导实际等温成形工艺的设计 并且可以研究材料在特殊条件下的塑性变形规律 4 等温成形的润滑 1 等温成形润滑剂的条件 具有良好的成膜性 保证产品易于出模 整个变形过程中 润滑剂能在模具与坯料之间形成连续的润滑薄膜 并且具有较小的摩擦系数 防止坯料氧化 良好的润滑剂可以降低甚至防止坯料在成形过程中和成形前加热时的氧化现象 获得表面质量高的产品 具有良好的绝热性能 为了减少热毛坯从加热炉中取出移到模具过程中的热量消耗 所选用的润滑剂应具有良好的绝热性能 不易模具和坯料发生化学反应 否则会影响模具的使用寿命以及成形件的表面质量和使用性能 易于涂敷和出去 为了适应机械化 自动化等温成形的要求 所选用的润滑剂应具有易于涂敷和方便除去的特点 便于储存及性能稳定 润滑剂在储存与使用过程中 应具有性能稳定 无毒 不受环境温度 氧化 微生物的影响 符合环保要求 价格低廉 货源广 这是工业化生产必须考虑的一个现实问题 2 等温成形常用的润滑剂 使用润滑剂可以改善金属流动特性 避免粘模 减少成形表面缺陷 并可使成形所需要的压力降低 目前等温成形使用的润滑剂不像常温成形润滑剂那样成熟 常用的润滑剂有石墨 二硫化钼 MoS2 聚四氟乙烯 氮化硼 BN 氧化铅 PbO 以及玻璃等 主要成分如下表所示 常用等温润滑剂及其使用温度范围 5 等温成形用模具材料 1 等温成形模具材料的一般要求 在高温下具有较高的强度 硬度 韧性以及耐磨性能 并且在长期服役过程中组织与性能热稳定性好 模具不易产生变形 等温成形用模具虽然不是在周期性的温度急剧变化下服役的 氮对其材料的耐热疲劳性能也应有一定要求 等温成形时 模具往往时在较高的温度下工作 与变形坯料 空气以及润滑剂等其他介质接触 因而要求所使用的模具材料具有在高温下抗氧化性能与抗腐蚀性能 为了充分发挥等温成形工艺在加工复杂形状 高尺寸精度产品的优势 所选用模具材料应具有线膨胀系数小 导热性能好的特点 为了便于制造模具 要求等温成形用模具材料具有良好的可锻性 可切削性 可磨削性 可焊性以及热处理变形小的特点 材料来源广 成本低廉 2 等温成形常用模具材料 等温成形用模具材料的选择 主要依据等温成形件的材料种类 形状尺寸 工作条件以及变形温度 变形速度和所要求的尺寸精度等 下表为常用金属材料的等温变形温度范围 常用金属的等温变形温度 部分热作模具钢的高温硬度 热作模具钢 对于铝 镁等熔点较低的金属进行等温成形时 模具材料一般选用热作模具钢4Cr5MoSiV1 3Cr2W8V 硬度为HRC45 50左右 由于铜合金的变形温度较高 可以采用3Cr2W8V 3Cr3Mo3W2V 硬度为HRC45左右 下表为部分热作模具钢的高温硬度 6 等温成形用设备 虽然等温成形可以在通用的压力机 挤压机上进行 但从提高生产效率 便于机械化 自动化生产的角度出发 最好使用专用等温成形设备 等温成形用设备需要满足以下基本要求 铝合金的等温成形性 铝合金具有密度低 强度高 耐腐蚀等特点 作为结构材料的开发与应用研究非常活跃 硬铝2A11 2017 超硬铝2A12 2024 特超硬铝 7075 2618耐热合金 高耐损伤性能部件 如飞机蒙皮 主要承受压力的结构件 如飞机的上翼面 商业运输机上广泛应用 发动机机壳和叶片 飞机结构常用铝合金 高性能的飞机的发动机涡轮进口温度已达1300 超音速 马赫数Ma 2 5 飞机在飞行过程中蒙皮的温度可达到150 200 因此现代飞机对材料的要求 密度低 强度高 韧性高 钛可以承受巡航速度Ma 2 7的高温 但钛的价格昂贵 会使飞机的成本过高 虽然铝合金的比强度以及耐高温性能与钛及钛合金还有一定的差距 但铝合金具有密度低 成本低的优势 通过开发精炼 形变热处理技术 达到提高铝合金性能的目的 在应用方面已不仅仅局限于飞机用结构材料 也正在向其他领域扩展 超塑性铝合金 快速凝固铝合金粉末 的密度 高弹性Al Li合金 铝合金复合材料等都在逐步达到实用化 新型变形铝合金中常用的基本元素是铜 镁 硅 锰 镍 锌 铬 钛 2A12铝合金的塑性图 应变速率对2A12铝合金屈服强度的影响 a b 图 a 为2A12铝合金的伸长率 断面收缩率 冲击韧性 k 抗拉强度 b 冲击压缩极限变形程度 k以及旋转次数n随温度的变化规律 从图中可以看出 2A12铝合金在350 450 范围内的塑性较好 能进行60 的压缩变形 当温度高于450 或低于350 时 塑性较低 图 b 为2A12铝合金屈服强度的影响规律 可以看出 在350 450 范围内 2A12铝合金的屈服强度碎应变速率的升高而增加 不同温度条件下的屈服强度随应变速率的变化规律大致相同 其变化幅度很大 采用较低的应变速率对2A12铝合金进行等温成形时 可以采取较低的变形温度 当应变速率较高时 需要在较高的变形温度下进行等温成形 常用铝合金材料的锻造温度范围 下表为常用铝合金材料的锻造温度范围 从表中可以看出 铝合金材料的锻造温度范围比较窄 大致在100 左右 但由于镁合金的熔点温度较低 对成形加工的实际不必加以限制 在生产效率允许的前提下 可以采用较低的温度进行塑性加工 同时 铝合金的熔点温度较低也使模具材料的选择范围更宽一些 便于等温成形 镁被誉为21世纪的材料 轻结构材料 密度 1 74g cm3 铁的四分之一铝的三分之一在常用结构件中具有高的比强度具有好的铸造性能 轻质强度刚度塑性阻尼性能 镁表现出 镁是 热传导性可铸造性能机械加工性能可循环利用耐冲击性能 镁合金的等温成形性 镁储量 在地球上的金属中列第八位海水中也含有大约0 13 的镁 镁的应用 镁合金应用现状的特点由于镁合金变形材的工艺成本高 因此大多数镁合金结构件都是采用压铸工艺成形的 解决高性能镁合金变形结构材料生产成本和技术问题 是实现镁合金变形材在民用产品上应用的关键 目前镁合金压铸件的80 用于汽车行业 其中的90 又是室温使用的结构件 应用范围窄 主要局限在小体积的零件上 价格高 与铝合金产品相比 缺乏市场竞争优势 镁合金发展目标 中温动力传动系统 高温发动机缸盖 耐热镁合金 主要是缸体 汽车轮毂 a b 图 a 为AZ31B镁合金的伸长率 断面收缩率 冲击韧性 k 抗拉强度 b 静态压缩极限变形程度 np以及旋转次数n随温度的变化规律 从图中可以看出 AZ31B镁合金对变形速度极为敏感 在冲击变形时的允许压缩变形程度小于30 低速静压缩时允许的压缩变形程度最高可达80 以上 塑性提高1 5倍以上 该合金在低速静压缩时的和尚变形温度范围为350 450 冲击变形的温度范围为350 425 AZ31B镁合金的塑性图 AZ31C镁合金的塑性图 图 a 为AZ31C镁合金的伸长率 断面收缩率 冲击韧性 k 抗拉强度 b 静态压缩极限变形程度 np以及旋转次数n随温度的变化规律 从图中可以看出 在250 400 范围内 低速静压缩时允许的压缩变形程度为40 60 可进行冲击变形的温度范围仅为50 对该合金 采用等温成形工艺是一种比较有效的方法 注 AZ31B和AZ31C的区别 B中Mn的含量为0 2 C中Mn的含量 0 15 同时C中Ni的含量 0 03 Cu的含量 0 1 镁合金的变形温度范围和允许的变形程度 前苏联牌号 下表为部分镁合金的变形温度范围和允许变形程度 从表中可以看出 镁合金的变形温度范围是比较窄的 尤其是高强度镁合金的变形温度范围更窄 可见 等温成形工艺对镁合金是非常重要的 二 金属半固态加工的主要内容 概述半固态金属的组织特性 形成机理与力学行为半固态金属触变成形半固态金属的流变成形 1 概述 半固态成形原理利用非枝晶半固态金属 Semi SolidMetals 简称SSM 独有的流变性和搅熔性来控制铸件的质量 半固态成形方法 流变成形rheoforming 触变成形thixoforming 在金属凝固过程中 对其施以剧烈的搅拌作用 充分破碎树枝状的初生固相 得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固 液混合浆料 固相组分一般为50 左右 即流变浆料 利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形 如果浆流变浆料凝固成锭 按需要将此金属锭切成一定大小 然后重新加热 即坯料的二次加热 至金属的半固态温度区 金属锭称为半固态金属坯料 利用金属的半固态坯料进行成形加工的方法为触变成形 1 定义 金属材料在液态 固态和半固态三个阶段均呈现出明显不同的物理特性 利用这些特性 产生了凝固加工 塑性加工和半固态加工等多种金属热加工成形方法 图1表示金属在高温下三态成形加工方法的相互关系 图1金属在高温下三态成形加工方法的相互关系 2 半固态金属的特点 图2半固态金属的内部结构 a 高固相分数 b 低固相分数 半固态金属 合金 的内部特征是固液相混合共存 在晶粒边界存在金属液体 根据固相分数不同 其状态不同 图2为半固态金属内部结构示意图 可见 高固相分数时 液相成分仅限于部分晶界 低固相分数时 固相颗粒游离在液相成分之中 半固态金属的金属学和力学主要有以下几个特点 由于固液共存 在两者界面不断发生熔化 凝固 产生活跃的扩散现象 因此 溶质元素的举办浓度不断变化 由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分 固相粒子间几乎没有结合力 因此 其宏观流动变形抗力很低 随着固相分数的降低 呈现黏性流体特性 在微小外力作用下即可很容易变形流动 当固相分数在极限值 约75 以下时 浆料可以进行搅拌 并可很容易混入异种材料的粉末 纤维等 如图3所示 图3半固态金属和强化粒子 纤维 的搅拌混合 由于固相粒子间几何无结合力 在特定部位虽然容易分离 但由于液相成分的存在 又很容易地将分离的部位连接形成一体化 特别是液相成分很活跃 不仅半固态金属间的结合 而且于一般固态金属材料也容易形成很好的结合 如图4所示 含有陶瓷颗粒 纤维等难加工性材料也可通过半熔融状态在低加工力下进行成形加工 当施加外力时 液相成分和固相成分存在分别流动的情况 如图5所示 一般来说 存在液相成分先行流动的倾向 液相先行流动的现象在固相分数很高 很低或加工速度特别高的情况下很难发生 主要是在中间固相分数范围或低加工速度下比较显著 图4半固态金属的 a 分离 b 结合 图5半固态金属变形时液相成分和固相成分的流动 与普通加工方法相比 半固态金属加工的优点 黏度比液态金属高 容易控制 模具夹带的气体少 减少氧化 改善加工性 减少模具粘接 可进行更高速的部件成形 改善表面光洁度 容易实现自动化和形成新加工工艺 流动应力比固态金属低 半固态浆料具有流变性和触变性 变形抗力非常小 可以更高的速度成形部件 而且可进行复杂件成形 缩短加工周期 提高材料利用率 有利于节能节材 并可进行连续形状的高速成形 如挤压 加工成本低 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 可适用于多种加工工艺 如铸造 轧制 挤压和锻压等 并可进行材料的复合及成形 3 半固态加工的基本工艺方法 流变成形 流变铸造 图6半固态金属加工两种方法 流变成形和触变成形 的工艺流程图 触变成形 触变铸造 2 半固态金属的组织特性 形成机理与力学行为 1 非枝晶的形成与演化 图7Al 20Cu合金未搅拌和机械搅拌 流变铸造 状态的凝固组织 液体金属在凝固过程中搅拌且激冷 其结晶造成固体颗粒的初始形貌呈树枝状 然后在剪切力作用下 枝晶会破碎 形成小的球形晶 图7未常规铸造和半固态铸造的组织对比 可见利用流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶 近似球形的显微结构 球形组织的形成过程 2 半固态金属的力学行为 表1为用不同加工方法获得的A356铝合金的力学性能 从表中可以看出 半固态金属加工技术的优越性 如触变成形并在T6状态下的性能较金属型铸造所获得的合金有更好的力学性能 并与锻件的性能相近 注 SSM为半固态加工 PM为金属型加工 CDF为闭模锻造 几种铸造方法铸件性能比较 3 半固态金属触变成形 1 触变成形工艺及设备 触变成形 Thixomolding 由美国的Dow公司开发的 1992年由日本引