半固态成形技术及其应用

1、半固态成形技术及其应用王羽胡建华龙安半固态成形技术及其应用王羽胡建华龙安武汉理工大学,武汉,430070摘要:介绍了半固态成形技术的工艺原理,分析了机械搅拌、电磁搅拌、应变诱导、冷却斜坡等浆料制备方法和流变加工、触变加工、注射加工等成形方法。分析了各种计算机模拟技术和模拟方法在半固态成形方面的应用,论述了目前国内外半固态成形技术的应用状况和发展趋势。随着半固态成形技术研究水平的不断提高,成形产品及应用不断增多,发展前景广阔。关键词:半固态加工;浆料制备;成形工艺;计算机模拟中图分类号:TG249文章编号:1004132X(2006)S2022304Semi-solidMetallurgyand

2、ItsApplicationWangYuHuJianhuaLongAnWuhanUniversityofTechnology,Wuhan,430070Abstract:TechnologicalcharacteristicsofSemi-solidMetallurgy(SSM)wereintroducedinthepaper.Slurrypreparingmethodssuchasmechanicalstirring,electromagneticstirring,staininducedmeltactivation(SIMA)andformingmethodssuchasthixomoldi

3、ng,thixocastingon.Currentsstatus,characteristics,applicationfieldsandtheadvancesimulationforSSMwereanalyzed.TheapplicationstatusofSSMhofSSMtechnologyandtheapplicationofSSMproducts,itutKeywords:semi-solidmetallurgySSMmethod;computersimulation0引言20世代麻省理工学院的Flemimgs1(semi-solidmetallurgy,SSM),即在金属液凝固过程

4、中,程中可以获得很高的剪切速率,利于形成细小的近球形微观结构,但是搅拌槽内部往往存在搅拌不到的死区,影响浆料的均匀性,搅拌叶片的腐蚀以及它对半固态金属浆料的污染,都会对坯料质量带来不利的影响。机械搅拌制备的半固态金属m之间。浆料固相颗粒尺寸在501001.2施以强烈搅拌,充分破碎枝状的初生固相,得到一种液态金属母相中均匀悬浮着一定数量球状、椭球状或蔷薇状初生固相的固液混合浆料。半固态实际上是金属材料从液态向固态转变或从固态向液态转变的中间阶段,特别对于结晶温度区间宽的合金,半固态阶段长。金属材料在液态、固态和半固态3个阶段均呈现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

5、加工等多种金属热加工成形方法。电磁搅拌法3电磁搅拌属于非接触式搅拌技术,利用电磁感应力将初生的枝晶破碎,工作原理如图1所示,其特点是金属液纯净,适用于高熔点合金和大批量生产。但由于感应电磁力从熔池边界到熔体中心逐渐衰减,当熔融金属四周有凝固外壳形成时,1半固态浆料制备半固态坯料的制备就是采用一定手段使半固态浆料中的固相以球状或椭球状颗粒分布于液相中,目前采用的方法有以下几种:1.1机械搅拌法2机械搅拌时搅拌叶片与金属熔体直接接触,设备构造简单、工艺参数容易控制。机械搅拌过收稿日期:20060808图1电磁搅拌法223中国机械工程第17卷增刊2006年10月搅拌效果大大减弱,因此不适合制备大尺寸

6、的半固态金属锭料。同时,电能消耗大,能源供给和搅拌器定子等装置体积大。电磁搅拌与连铸设备相结合可以为后续触变成形连续生产锭料。1.3应变诱导熔化激活技术4应变诱导熔体活化法(straininducedmeltactivation,SIMA)的工艺过程是,首先制备铸锭,然后对铸锭进行大的挤压变形,以获得晶粒细小的SIMA原料,再将铸锭加热到固液两相区,进行半固态成形。SIMA的关键是如何对铸锭进行大的挤压变形,以获得细小晶粒组织的铸锭。1.4冷却斜坡法5冷却斜坡法的工作原理如下:熔体首先流过冷却斜坡,产生局部降温、强烈滚动和翻转,再注人铸型,产生强烈的搅拌;然后通过控制铸型温度,使金属液冷却到半

7、固态温度后保温;当达到要求的固相体积分数时,再进行流变成形或触变成形。双螺旋流变注射成形法6双螺旋流变注射成形法工作原理如图2所示,双螺旋挤压器本身就是半固态浆料制备器,液态金属在双螺旋挤压器制备成半固态浆料,1.5非枝晶固相,然后像液态金属压铸一样直接将半固态浆料注入压型中成形,这种工艺称为流变加工8。由于半固态金属浆料的保存和输送很不方便,因而目前实际成熟应用的流变成形技术只有一种,即射铸技术。射铸技术仅用于镁合金(如AZ91D)的流变压铸成形,产品为汽车零件、计算机零件和照相机零件等。低温连铸就是控制金属液的过热度,并在铸型下方进行强制冷却,该法易产生中心偏析。薄带连铸采用高速旋转搅拌和

8、快速冷却相结合的方法,成形后产品的组织均匀细小。流变复合成形是在合金材料的固液区施加旋转搅拌,然后把增强体(非金属微粒或纤维)不断加入金属基体中,随后升温至液相线注入模具中,实现半固态铸造或液态塑性加工。2.2触变加工触变加工是将已制备的非枝晶组织锭坯重新加热到固液两相区达到适宜粘度后进行压铸、挤压、9,.10,并辅以一定的工艺条件压射入型腔成形,该方法类似于塑料的注射成形法。其工作原理是由普通铸锭利用专用的装置以机械的方式切成36mm的粒状,在室温下通过料斗送入高温螺旋混合机,当金属加热到半固态后进入定量触变浆料收集器,通过喷嘴高速射入压铸模内,凝固后得到制品,目前应用最成功的是AZ91D。

9、33.1图2双螺旋流变注射成形法半固态成形计算机模拟技术模拟技术进展半固态金属在压力作用下具有良好的流变性其他方法Flemings等提出的新MIT工艺7在快速热释放的同时对合金进行搅拌,使合金在半固态区进行短时间缓慢冷却或处于绝热状态,最后将合金冷却到指定的温度进行成形。获得半固态金属浆料的方法还有剪切冷却法、晶粒细化热处理法、喷射沉积法、超声振动法、粉末冶金法等,但这些方法目前还处于实验研究阶段,尚不能投入工业化生产应用。1.6和填充性,但变形过程非常复杂,目前对触变成形过程的模拟研究大多在一些商业有限元或有限差分软件平台上进行。Zavaliangos11在商业软件FLOW-3D上应用简化的

10、数学模型,采用有限元法对Sn-15%Pb半固态材料的流变行为进行模拟,导出了固相和液相的连续性方程。Kapranos12利用FLOW-3D软件分别对半固态铝合金挤压成形进行了模拟,并与实测压力一时间曲线进行了比较,揭示了粘度、应变速率和时间相互之间的密切关系。Kang等13对固相含量仅为体积分数30%的A356铝合金坯料的锻造充型过程进行了数值模2半固态成形工艺在凝固期间,对合金施加搅拌,使浆料中形成2242.1流变加工拟,应用有限差分方法,并考虑传热及凝固等过半固态成形技术及其应用王羽胡建华龙安程,通过求解Navier-Strokes方程来预测充型以及温度分布等规律。Ko等14首先应用ANS

11、YS有限元软件来模求解流动问题时,利用SOLA方法计算速度场和压力场,利用MAC方法中的标识粒子显示流动范围的变化,跟踪自由表面的位置。该方法可以得到速度分布图、流线图、环流的位置、对铸型材料的冲击和剧烈流动的范围等结果。此外,还有数值计算方法和有限体积法、Fan法(flowanalysisnetworkmethod)、格子气流体动力学法等。20世纪90年代后还开发了连续统一模型,适用于凝固区、固液两相区和液相区。由于半固态合金触变性能的特殊性,目前还没有找到符合实际情况的真实物理模型和数学模型,借助铸造过程仿真软件进行研究的结果尚不能完全解释变形过程中的一些现象,还需要深入研究,需要把粘度模

12、型、模具内的热交换及凝固等复杂过程加以综合考虑。拟坯料半固态感应加热过程,并应用自行开发的SFAC-2D有限元软件来模拟简单开模或闭模的半固态压缩过程,采用伪塑性模型描述半固态坯料中的固体部分,采用Darcy定律来描述液体部分。Choi等15应用有限元方法对A356铝合金复合挤压件的固相分布以及温度分布情况进行模拟,并与实验结果进行对比,得到较理想的模拟结果。Perez等16对金属半固态浆料的流变特性进行了计算机模拟。Modigell等17应用同心圆桶流变仪测定了Sn-15%Pb合金冷却过程的粘度变化规律,假设半固态坯料为均匀的单相组织,采用状态方程描述应力、速率方程描述组织结构等,再结合数值

13、软件对触变铸造过程进行模拟,最后与实验结果进行对比,得到满意的结果。Yoon等18采用vonMises屈服准则,并假设半固态坯料为不可压缩的单相组织,然后应用有限元方法模拟了半固态材料的变形特性。文献19,20,。张恒华等卷气、疏松等缺陷进行预测,与实测结果很好的吻合,并由此来指导半固态压铸模具的设计与制造。模拟方法半固态成形的充型过程模拟主要有以下几种方法:(1)SIMPLE法SIMPLE法又称压力连续方程的半隐式方法,该方法由Patankar提出,可3.24半固态技术国内外应用现状美国、AEMP公司是,该,为美国福特汽车公司生产了1500万件铝合金压缩机活塞,其成品率几乎为100%,并拥有

14、相关专利60多项。在欧洲,意大利Stampal公司能够生产90110mm、长度为4000mm的锭坯,并采用半固态加工技术为福特汽车公司生产ZETA发动机油料注射挡块。英国Sheffield大学的Kapranos等在100kN锻压机上进行半固态模锻成形,成功制造出尺寸精度极高的A357铝合金锻件和M2工具钢齿轮等零件。德国的EFUGmbh公司用半固态压铸的方法制造了铝合金汽车连杆及有叉筋的厚臂件。日本在1988年设立了金属半固态加工开发研究公司,开展半固态成形技术的基础研究,1994年转入半固态金属成形件的产品开发。国内对半固态金属成形的研究始于20世纪80年代,不少高等院校和研究机构自行设计了

15、不以用来计算非定域、不稳定速度场。(2)MAC与SMAC方法MAC(markerafvdcell)方法由美国LosAlamos国家实验室提出,基于有限差分网格,将动量守恒方程和连续性方程进行离散,并将二者合并成一个与压力有关的泊松方程,通过动量守恒方程和泊松方程的迭代,求解出流动的速度场和压力场。(3)SOLA-VOF法SOLA-VOF(solu2tionalgorithm-volumeoffluid)法由LosAla2mos科学实验室提出,求解速度场及压力场时,每个计算单元的校正压力直接由连续性方程计算出的速度求出,然后校正速度场。(4)SOLA-MAC法SOLA-MAC法在同类型的实验设备

16、,在半固态金属成形技术的基础理论与工业应用研究中取得了一些成果。如北京有色金属研究总院利用电磁搅拌设备已能够连续生产直径为80mm的铝合金半固态坯料,并与东风汽车公司合作,试验用半固态铝合金生产汽车空压机连杆及轿车水泵盖。北京科技大学用电磁搅拌法成功制备出半固态AlSi7Mg合金连铸225中国机械工程第17卷增刊2006年10月坯料,显微组织理想,并用触变成形技术生产出汽车制动总泵泵体毛坯。重庆大学与重庆九方铸造公司合作,采用触变成形技术制成JH70型摩托车发电机支架镁(铝)合金支架。山西恒裕铝业有限公司与清华大学合作,开发出汽车和摩托车零件的半固态加工技术。华中科技大学研制了集半固态浆料制备

17、、输送和注射成形于一体的半固态镁合金流变注射成形机。目前,国内外半固态技术应用得最广泛和成功的领域是汽车行业。近年来,我国汽车行业的跨跃式发展为半固态成形技术的理论研究和工业应用提供了广阔的发展舞台。参考文献:1FlemingsMC.BehaviorofMetalAlloysintheSemisolidStateJ.Meta1Trans.A,199l,22A(4):95798l.2康永林,毛卫民,胡壮麒,等.金属材料半固态加工Composites.Sheffield,England,1996:148153.13KangCG,ChoiJS,KangDW.FillingAnalysisoftheF

18、orgingProcessofSemi-solidAluminumMa2terialsConsideringSolidificationPhenomenaJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,1998,73(1/3):289-302.14KoDC,MinGS,KimBM,etal.FiniteElementAnalysisfortheSemi-solidStateformingofAlu2minumAlloyConsideringInductionHeatingJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2000

19、,100:95104.15ChoiJC,ParkJH,KimBM.FiniteElementA2nalysisoftheCombinedExtrusionofSemi-solidMaterialandItsExperimentalVerificationJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2000,105:4954.16PerezM,BarbeJC,NedaZ,atal.ComputerSimu2lationoftheMicrostructureandRheologyofSemi-solidAlloysunderShearJ.Actamater.,

20、2000,48:37733782.17M,KokeJ.onSemi-solidofThixocast2.ofMaterialsProcessing,111:5358.JH,ImYT,KimNS.FiniteElementMod2elingoftheDeformationBehaviorofSemi-solidMaterialsJ.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2001.113:153159.19高志强,王云华,苏华钦.半固态合金触变铸造数理论与技术M.北京:科学出版社,2004.3张大辉,李志强,胡泽,等.半固态加工成形技术及其发展现状J.航空制

21、造技术,2002,11(3):2831.4江海涛,李森泉.半固态金属材料的制备技术及应用J.重型机械,2002,2(1):1215.5王益志.J.造及有色合金(:1926MHighLiquidandProcessingandProd2uctsC/Processingofthe65thWorldFoundryCongress.Gyeongju,Korea,2002:329.7王浩.半固态材料制备的研究现状和发展趋势J.值模拟方法的研究J.特种铸造及有色合金,1997,5(6):811.20杨湘杰,刘谨,谢水生.半固态铝合金触变成形流特种铸造及有色合金,2003,11(增):332334.8谢水生,潘洪平,丁志勇.半固态金属加工技术研究场的仿真J.中国有色金属学报,2000,10:145148.21张