半固态金属铸造新工艺概论

金属工艺学课程论文学生姓名：孙月铢 专业班级：09级机制一班学院：工程学院 学号：13254012半固态金属铸造新工艺概论摘要：本文从半固态铸造新工艺的形成过程，半固态合金材料的制备方法，成形工艺，技术优势以及发展前景等方面介绍了该工艺。半固态铸造新工艺，不仅对降低制造总成本有吸引力，同时为实现铸造生产的创新设计、探索新合金的冶炼工艺及传统合金的新处理方法提供了可能。关键词：半固态铸造，新工艺，铸造新工艺，铸造工艺在传统的铸造中，浇注的金属都是过热的金属液，如压铸、挤压铸造（液态模锻）；而在传统的金属锻造中，坯料都是固态金属。但从70年代至今，国外研究开发出一种崭新的零件成形工艺，称为金属的半固态加工。所谓的金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈地搅拌作用，充分打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，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工，这种方法称之为半固态金属的流变成形；如果将流变浆料凝固成铸锭，再按需要将此金属铸锭分切成一定大小，使其重新加热（坯料的二次加热）至金属的半固态区，这时的金属铸锭一般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，这种方法称之为触变成形。半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形或半固态加工一、新工艺简介自1971年美国麻省理工学院的D.B.Spencer和M.C.Flemings发明了一种搅动铸造新工艺，即用旋转双桶机械搅拌法制备出Srr15%pb流变浆料以来，半固态金属（SSM）铸造工艺技术经历了20余年的研究与发展。搅动铸造制备的合金一般称为非枝晶组织合金或称部分凝固铸造合金。由于采用该技术的产品具有高质量、高性能和高合金化的特点，因此具有强大的生命力。除军事装备上的应用外，开始主要集中用于自动车的关键部件上，例如，用于汽车轮毂，可提高性能、减轻重量、降低废品率。此后，逐渐在其它领域获得应用，生产高性能和近净成型的部件。半固态金属铸造工艺的成型机械也相继推出。当前，在美国和欧洲，该项工艺技术的应用较为广泛。半固态金属铸造工艺被认为是21世纪最具发展前途的近净成型和新材料制备技术之一。在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0.2左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达0.5-0.6时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形。二、合金制备制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁搅拌法，电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、应变诱发熔化激活法、喷射沉积法、控制合金浇注温度法等。其中，电磁搅拌法、控制合金浇注温度法和SIMA法，是最具工业应用潜力的方法。.机械搅拌法机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。Flemings等人用一套由同心带齿内外筒组成的搅拌装置（外筒旋转，内筒静止），成功地制备了锡-铅合金半固态浆液；H.Lehuy等人用搅拌桨制备了铝-铜合金、锌-铝合金和铝-硅合金半固态浆液。后人又对搅拌器进行了改进，采用螺旋式搅拌器制备了ZA-22合金半固态浆液。通过改进，改善了浆液的搅拌效果，强化了型内金属液的整体流动强度，并使金属液产生向下压力，促进浇注，提高了铸锭的力学性能。.电磁搅拌法电磁搅拌是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦磁力的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。目前，主要有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应线圈内通交变电流的传统方法；另一种是1993年由法国的C.Vives推出的旋转永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能的永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。.应变诱发熔化激活法是将常规铸锭经过预变形，如进行挤压，滚压等热加工制成半成品棒料，这时的显微组织具有强烈地拉长形变结构，然后加热到固液两相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却获得非枝晶组织铸锭。三、成形方法.触变铸造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，进行压铸或挤压成形。欧美许多国家以及日本均已能生产半固态铝合金触变成形专用设备。该方法对坯料的加热、输送易于实现自动化，故是当今半固态铸造的主要工艺方法。.射铸成形是直接把熔化的金属液而不是处理后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入型腔成形。如美国威斯康辛的触变成形发展中心，曾采用该方法进行镁合金的半固态铸造。.所谓低温连铸就是控制金属液的过热度在0℃左右，并在铸型下方进行强制冷却的铸造方法。中心偏析是连铸中的大问题，且在连轧线材时可能会发生破断。因此，该工艺有很大意义。.带材连铸是Flemings曾用Sn-15%pb低熔点金属进行带材连铸试验研究，对传热、凝固及变形进行了分析。Flemings认为，带材厚度与轧辊的压力、固相率、流变剪切速度以及连铸速度有关。当挤压下比压大时，则助长显微偏析。为了保证表面和内部质量及尺寸精度，必须严格控制固相率、初晶形态尺寸及排放金属量等半固态金属制造的工艺参数。四、技术优势半固态压铸工艺的优点可归纳工艺优势和产品优势。工艺优势：.不需加任何晶粒细化剂即可获得细晶粒组织，消除了传统铸造中的柱状晶和粗大树枝晶。.成形温度低，可节省能源，并且减少了污染和不安全因素。.模具寿命延长。固较低温度的半固态浆料成形时的剪切应力，比传统的枝晶浆料小三个数量级，故充型平稳、热负荷小，热疲劳强度下降。.变形阻力小，采用较小的力就可实现均质加工，对难加工材料的成形容易。.凝固速度加快，生产率提高，工艺周期缩短。.适于采用计算机辅助设计和制造，提高了生产的自动化程度。产品优势：.铸件质量高。因晶粒细化、组织分布均匀、体收缩减少、热裂倾向下降，基体上消除了缩松倾向，力学性能大幅度提高。.凝固收缩小，故成型体尺寸精度高，加工余量小，近净成形。.成形合金范围广。非铁合金有铝、镁、锌、锡、铜、镍基合金；铁基合金有不锈钢、低合金钢等。.制造金属基复合材料。利用半固态金属的高粘度，使密度差大、固溶度小的金属制成合金，也可有效地使不同材料混合，制成新的复合材料。五、前景与展望目前，随着早期半固态金属成形专利技术保护的失效，将会有更多的公司计划利用半固态金属成形技术进行机械零件毛坯的工业生产。我国的汽车工业，尤其是轿车工业正处在大发展时期，是我国的支柱产业之一，对我国国民经济的发展将产生重大影响。为了提高我国汽车工业的水平，提高我国汽车在国际市场上的竞争能力，需要采用各种新工艺和新材料来装备我国的汽车工业，即应该推动半固态金属成形技术在我国汽车工业中的应用。保护环境和