1、半固态 AlSi7Mg 合金触变成形实验装置的研究新材料?新互芝半固态 A1Si7Mg 合金触变成形实验装置的研究潘洪平丁志勇谢水生(北京有色金属研究总院加工中心,北京 100088)摘要:设计并制造了一套半固态铝合金触变成形的实验装置 ,给出了触变成形实验的工艺参数,对实验结果与模拟仿真计算进行了对比,其二者的拟合度很好.关键词:半固态金属成形,铝合金,触变成形,实验装置目前,我国汽车工业正从载重卡车向轻型汽车和轿车发展的战略转移【l1.铸件在汽车工业中占有重要地位,铸件重量约占汽车自重的20%-30%.当前,随着全球性的能源紧张和生态环境的日益恶化,要求汽车的重量轻,油耗省和尾气排放低的呼
2、声越来越高.因此,汽车工业的发展趋势是用轻合金取代传统的黑色金属材料,如钢和铸铁,实现汽车的轻量化和节能化.因此,发达国家汽车工业对铝合金和镁合金等轻金属的需求量越来越大 11.轿车工业中铝合金铸件在 2001 年占整个铸件总量的50%左右 ,甚至出现全铝发动机和全铝车身【31.现在我国已将汽车工业的发展正式列入国民经济支柱产业,可以相信在不久的将来,我国的汽车用铝合金铸件的需求量将大大增加,而现在使用的铝合金铸件所占份额还不到发达国家的四分之一.我国四大引进轿车车型(桑塔纳,捷达,富康,夏利) 的汽缸盖,制动泵和变速箱箱体等铸件是国产化的关键零件.国内生产铝铸件大多采用较复杂的低压铸造工艺,
3、废品率高达 25%,这种工艺生产率低.对铝合金铸件在铸型中的凝固特性及其铸造工艺的研究也较薄弱.因此,西方工业发达国家在 20 世纪 90 年代以来纷纷采用己商业化生产的半固态金属成形工艺技术进行高性能的铝铸件生产.这种相对简单,稳定,成品率高的金属成形技术被称为跨世纪重大技术.半固态金属加工技术是 20 世纪 70 年代发展起来的一种金属成形新工艺,它将搅拌法制造的非枝品半固态金属坯料,经再次加热到半固态进行挤压或压铸成形.由于半同态金属在成形前已是固液两相共存,易于均质变形,且高粘度的半同态浆料可以在填充时不发生紊流而平稳充型,同时半固态金属坯料的初生相为球状而使变形抗力显着下降,使铸件的
4、加工性能和内在质量都优于常规铸件:该工艺还可以制造近终形制品.因此半同态触变成形工艺在国内外得到了广泛的应用41.预计它在汽车,航空平 fI 航天等领域也将有广阔的应用前景,己引起各国研究者们的极大兴趣,美国和法国等发达国家在工业应用上已经领先一步,1996 年,美国半固态铸造中销售额高达 10 亿美元 I1.相比之下,我国对半固态金属成形技术的研究和开发工作还刚刚开始,与国外相比有较大的差距,工业应用方面的研究几乎还是空白.因此,开展半固态金属成形技术的研究,既是加速我国汽车工业发展的迫切需要,也是在这个领域跟踪国外高科技的必要保证.国家自然科学基金资助项目(59975011 和 50175
5、006)潘洪平,男,38 岁,博士后,北京有色金属研究总院加工中心,北京 100088,电话:010.6201448.2717;E-mail:.phpboxyahoocomcn 一或 hongpingpanhotmail.tom稀有金属快报 2002 年第 ll 期 23薪材料?薪=i=芝本文主要介绍半圃态铝合金触变成形实耐火砖验装置,包括加热炉,温度控制仪以及半固态铝合金触变成形模具的设计和制造.该装置不譬薹囊仅可以研究半固态铝合金的触变成形规律,而衬,隧且还可以作为半固态镁合金的触变成形试验溪装置.l 半固态铝合金触变成形的实验系统半固态铝合金触变成形实验系统框图如图 l 所示.该系统由材
6、料试验机,开体式加热炉,XMT.1 温控仪(测量模具温度用),二次加热装置(管式加热炉和可控硅温度仪)及挤压模具等 5 部分组成.考虑到材料试验机的工作空间,我们将加热炉设计为开体式,热电偶材料为镍铬.镍硅.下面我们就分别对加热炉,温控仪和挤压模具的设计进行论述.材料试验机圜圜图 l 触变成形实验装置框图1.1 加热炉的设计根据我们设计的挤压模具的形状和尺寸,以及 60t 万能材料实验机的具体要求,加热炉选用侧开圆筒式,不通保护气体.根据挤压模具的形状,尺寸,技术要求,装卸料方式和操作方法,同时考虑到造成炉膛良好的热交换条件,保护炉内温度均匀性:减少热损失和便于电热元件,炉内构件更换以及炉子维
7、修等,我们设计实际炉体结构和尺寸如图 2 所示.为了避免挤压模具与炉内壁或电热元件相碰撞,应使挤压模具与炉膛内壁有一定的空间,故确定工作室有效尺寸为:炉胆高度 H=I70mm;炉胆直径 19=l80mm.24 稀有金属快报 2002 年第 ll 期炉胆图 2 炉体结构和炉胆尺寸我们选取轻质黏土(QN.1.01 和硅酸铝耐火纤维毡为炉衬材料.根据参考文献6】,将加热炉的功率设计为 3kW.由于半固态铝合金触变成形的最高使用温度为 615,故选用线状 0Cr25Al5 合金作电热元件,接线方式采用串联.1.2 温控仪的设计控制模具加热温度的温控仪电路如图 3所示.该温控仪的测温范围是 0l300,
8、测孰图 3 温度控制仪电路图温精度为l,并具有过电压,过电流断电保护功能.接触器的最大电流为 20A,线圈电压为 220V,与动力电连接.显示屏采用 LED数码显示.温度传感器为自制的镍铬.镍硅热电偶.加热温度可以自由设定.1.3 挤压模具的设计考虑到半固态铝合金触变充型中的流变新材科?新=i=特征,我们将挤压模具设计成指形模.指形模选择为六指形,六指在同一平面,为辐射形分布.六指孔尺寸分别为 6mm3mm,6ram4mm,6mm5mm,6mm6mm,6mm7mm.6ram8ram,研究半固态材料流动规律和填充性能,探索不同工艺参数与成形流动性的关系.考虑到金属的偏流现象,将孔型的体积分布尽可
9、能对称.实际挤压模具的六指孔尺寸分布如图 4 所示.图 5 为挤压模具装配图.图 6为触变成形实验装置示意图.2 半固态 SiTMg 合金触变成形工艺参数用上述自制的实验装置,对半固态图 4 挤压模具的六指孔尺寸图 5 挤压模具装配图图 6 触变成形实验装置示意图AISi7Mg 合金进行了触变成形实验研究.挤压筒的内径为 40ram,而 AISi7Mg 合金试样被车削成 38.5mm45mm 的圆柱体,为的是加热后的试样能顺利放入挤压筒内.试样在管式电阻炉加热保温相应时间取出后,迅速用自制的夹钳夹住放入挤压筒,随后很快加压变形.夹钳与试样接触的部分用保温材料制作,并且夹钳经过了预热,以尽量减少
10、试样转移过程中的热量损失,防止试样温度下降.影响半固态成形的工艺参数有坯料的二次加热条件如温度,保温时间,加热速度,另外还有加载速度,模具温度,模具润滑等.具体实验:艺参数如下表所示.触变成形工艺参数及其取值3 半固态 A1Si7Mg 合金触变成形实验结果与模拟计算的比较图 7 为半同态 AISi7Mg 合金触变成形有限元模拟计算后的坯料形状变化.与图 8 触变成形后的实物照片相比,可以看到两者外形相当近似.被挤压的金属首先进入 20mm16mm 的圆柱孔,待完全充满此圆柱孔后才向六个大小不同的矩形孔中流动,并且在更大的稀有金属快报 2002 年第 ll 期 25崭材料?新 7-乞矩形孔中金属
11、的流动距离更长,流动速度更快.总的来说,金属在模具中呈层流方式流动,流动金属的前端比较平滑.充型过程中指形模的流动长度与模拟结果很相似,这说明二者的拟合度很好.同时也证明了我们设计的实验装置的实用性稀 1 模拟计算结果的正确性.图 7 有限元计算后的坯料形状变化图 8 半固态 AISi7Mg 合金触变成形后的部分实物照片Sheffield,1996:2042074 结论1)设计并制造了一套半固态铝合金触变成形的实验装置.2)半固态金属充型过程近似看成是单相等温层流流动.3)从实验结果来看,充型过程中的半同态金属自由表面为较平滑的变形抛物面,而模拟计算结果为标准抛物面.充型过程中指形模的流动长度
12、与模拟结果很相似.4)在实验过程中,我们发现二次加热的温度和保温时间以及充型时间是保证试件质量最关键的工艺参数.参考文献【l】ChiarmettG.Thixoformingofautomobilecomponents.Proc.Ofthe4Int.Conf.OnSemiSolidProcessingofAlloysandComposites,26 稀有金属快报 2002 年第 ll 期【2】EisenP.IntroductionofSSMCastSafetyCriticalComponentsforAutomotiveApplications(KexnoteSpeaker).Proceedin
13、gsofthe5InternationalConferenceonSemisolidProcessingofAlloxSandComposites,Golden,Colorado,USA,June.1998【3】WoodD.R.Kirk.Semi?SolidProcessingofHi 曲MeltingPointAlloys,ibid.320325【4】KimNS,KangCG.Aninvestigationoffloxcharacteristicsconsideringtheeffectofviscosityvariationinthixoformingprocess.JMaterProTech.2000,103:237246【5】Idegomori,HimishimaO.,Ito,S,MizoueK.,TheManufacturingofAutomobilePartsUsingSemi?solidMetalProcessing,ibid.7175【6】:8-5t-编着,热处理炉 ,哈尔滨工程人学出版社,l999,l
