半固态合金成形技术.pdf

1、! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !“机 械 设 计 与 制 造 第 ! 期“ !#$ “ %5667!8 文 献 标 识 码 ： ?半 固 态 合 金 成 形 技 术褚 祥 治 王 仲 君 许 真 ;唐 山 学 院 ， 唐 山 678666-? 对 枝 晶 的 破 碎 与 球 形 晶 的 形 成 机 理 ， 提 出 如 下 结 论 5A6：#!%枝 晶 臂 根 部 断 裂 机 制最 初 出 现 的 树 枝 晶

2、 近 似 与 理 相 晶 体 ， 依 靠 沿 自 由 浮 动 的 枝晶 臂 的 速 度 梯 度 方 向 产 生 的 力 折 断 是 困 难 的 。 因 此 ， 必 须 加 强力 搅 拌 ， 在 剪 切 力 作 用 下 从 根 部 折 断 。#“%枝 晶 臂 根 部 熔 断 机 制 。枝 晶 臂 从 根 部 熔 断 ， 主 要 发 生 在 使 表 面 积 减 小 的 正 常 长 大过 程 中 ， 由 于 受 到 流 体 的 作 用 ， 加 速 流 体 中 的 扩 散 ， 引 起 温 度 涨落 ， 在 根 部 产 生 应 力 ， 有 利 于 熔 断 。 因 固 体 中 根 部 溶 质 含 量 较高

3、 ， 也 能 降 低 熔 点 ， 促 进 局 部 熔 断 。#2%枝 晶 臂 弯 曲 机 制塑 性 变 形 是 位 错 的 生 成 累 积 结 果 ， 在 高 温 下 ， 位 错 可 以 攀 移并 结 合 成 晶 界 ， 当 相 邻 晶 胞 间 的 倾 角 超 过 “4 度 时 ， 晶 胞 界 面 能超 过 固 液 表 面 能 的 两 倍 ， 液 体 将 侵 入 晶 界 ， 并 由 此 迅 速 渗 入 ， 使枝 晶 臂 从 其 主 干 分 离 。从 较 大 的 树 枝 晶 脱 离 下 来 的 晶 臂 不 是 初 始 球 状 ， 而 是 在 适宜 的 条 件 下 继 续 枝 晶 的 生 长 。

4、然 而 ， 在 粗 化 或 长 大 过 程 中 ， 由 于液 体 中 的 溶 质 的 扩 散 ， 而 使 得 高 曲 率 区 逐 渐 消 失 或 减 小 ， 此 过 程可 以 通 过 搅 拌 而 加 速 ， 剪 切 糊 状 体 ， 促 进 树 枝 形 貌 的 改 变 ， 而 形成 球 形 颗 粒 。“ 半 固 态 成 形 工 艺 的 基 础 研 究“: ! 半 固 态 合 金 显 微 组 织 形 态非 枝 晶 组 织 可 以 通 过 搅 动 、 热 处 理 或 热 处 理 加 变 形 等 多 种方 法 获 得 。 国 内 外 学 者 对 搅 动 工 艺 下 半 固 态 微 观 组 织 形 成

5、机 理及 演 变 过 程 进 行 了 广 泛 的 研 究 。 结 果 表 明 ： 半 固 态 合 金 剪 切 速率 、 固 相 分 数 和 冷 却 速 度 是 影 响 组 织 的 2 个 重 要 因 素 ， 决 定 着 初生 相 的 形 成 、 分 布 、 大 小 和 形 貌 。“: “ 半 固 态 合 金 的 流 变 性 能影 响 半 固 态 合 金 流 变 性 能 的 主 要 因 素 是 浆 料 的 固 相 分 数 、等 温 温 度 和 剪 切 速 率 。 当 剪 切 速 率 一 定 时 ， 表 观 粘 度 随 固 相 分数 的 增 加 而 增 加 ， 流 型 变 化 为 牛 顿 流 体

6、. . . 拟 塑 性 流 体 . . 宾 汉 姆 流 体 。 研 究 表 明 ， 当 流 体 组 织 随 剪 切 历 程 、 时 间 变 化 较小 时 ， 其 等 温 稳 态 的 流 变 规 律 为 固 相 分 数 一 定 ， 则 表 观 粘 度 随 剪切 速 率 的 增 大 和 冷 却 速 率 的 降 低 而 下 降 ， 即 呈 假 塑 性 特 征 ； 而 剪切 速 率 一 定 ， 固 相 分 数 增 加 时 ， 则 相 应 的 剪 切 力 增 加 。 当 浆 料 处于 实 际 的 工 艺 条 件 下 如 压 铸 ， 它 的 充 型 过 程 持 续 时 间 只 有4: 4! B 4: “,

7、， 属 于 等 温 动 态 流 变 范 畴 ， 其 流 变 行 为 则 属 于 胀 流型 。 国 内 外 对 半 固 态 ,- . !/0 1-? 研 究 半 固 态 D 合 金 表观 粘 度 与 剪 切 速 率 的 关 系 时 指 出 ： 当 剪 切 速 率 恒 定 时 ， 瞬 态 表 观粘 度 较 稳 态 要 低 。 这 是 因 为 ， 微 观 组 织 结 构 还 没 有 足 够 的 时 间来 调 整 以 适 应 新 的 剪 切 速 率 ， 随 着 剪 切 时 间 的 延 长 ， 固 相 颗 粒 的集 聚 程 度 减 弱 。 在 一 定 剪 切 速 率 延 时 搅 动 ， 表 观 粘 度

8、趋 于 稳 定值 ， 停 止 搅 动 时 固 相 颗 粒 的 集 聚 程 度 加 剧 ， 表 观 粘 度 随 之 恢 复 。由 此 可 见 ， 半 固 态 合 金 的 微 观 组 织 形 态 直 接 影 响 其 触 变 行 为 ， 揭 示非 枝 晶 组 织 与 触 变 性 能 是 研 究 半 固 态 合 金 触 变 行 为 重 要 途 径 。2 半 固 态 合 金 浆 料 制 备 工 艺2: ! 机 械 搅 拌 法机 械 搅 拌 是 制 备 半 固 态 合 金 最 早 使 用 的 方 法 。 ;-? 等 人第 ! 期 褚 祥 治 等 ： 半 固 态 合 金 成 形 技 术 . !/ .!“#

9、$% $1? 研 究 所 以 及 东 北 大 学 A$=， $BC 发现 ， 通 过 控 制 合 金 的 浇 注 温 度 ， 初 生 枝 晶 可 转 变 为 球 状 组 织 。 该方 法 的 特 点 是 不 需 要 加 入 任 何 合 金 元 素 也 不 需 要 搅 拌 。:# B 超 声 波 处 理 法在 液 态 合 金 中 加 细 化 剂 ， 并 进 行 超 声 波 处 理 后 获 得 半 固 态铸 锭 的 方 法 ， 超 声 细 化 的 机 理 认 为 ， 一 是 超 声 波 的 气 蚀 作 用 促 进形 核 ， 二 是 枝 晶 的 枝 杆 破 碎 后 成 为 新 晶 粒 的 形 核 核

10、 心 。:# &剪 切 %冷 却 %滚 动 法 ,5D（?21)8*E%F“78*E%“778*E）制 备 装 置 由 一 旋 转 的 剪 切 G 冷 却 滚 筒 ， 固 定 在 支 撑 架 上 的弯 曲 模 块 和 一 个 出 料 导 板 组 成 。 滚 筒 和 导 板 的 间 隙 可 调 ， 温 度亦 可 调 。 该 工 艺 方 法 适 用 于 大 批 量 生 产 。:# H 化 学 晶 粒 细 化 法用 化 学 晶 粒 细 化 法 与 特 殊 的 凝 固 条 件 结 合 ， 制 备 了 半 固 态镁 合 金 69I$ 细 晶 粒 铸 锭 ， 此 种 合 金 对 钢 等 高 熔 点 合 金

11、 细 化 作用 不 很 明 显 。综 上 所 述 ， 制 坯 方 法 很 多 且 各 具 特 点 ， 但 从 生 产 效 率 、 简 单 、以 及 经 济 原 则 考 虑 ， 在 目 前 乃 至 今 后 较 长 一 段 时 间 内 ， 半 固 态 制浆 料 制 备 方 法 主 要 采 用 电 磁 搅 拌 连 铸 工 艺 。= 半 固 态 合 金 成 形 的 基 本 类 型半 固 态 成 形 是 针 对 固 、 液 态 共 存 的 半 熔 化 或 半 凝 固 金 属 进行 成 形 加 工 的 工 艺 方 法 的 总 称 。其 工 艺 过 程 见 图 =。图 = 半 固 态 成 形 的 工 艺 过

12、 程有 不 少 文 献 把 半 固 态 成 形 ， 仅 限 于 铸 造 加 工 ， 而 未 涉 及 塑 性加 工 。 铸 造 加 工 和 塑 性 加 工 的 根 本 区 分 点 ， 前 者 是 利 用 液 态 金 属流 动 性 ， 实 现 的 凝 固 加 工 ； 而 后 者 是 利 用 金 属 的 塑 性 ， 在 外 力 作 用下 完 成 的 塑 性 加 工 。 对 半 固 态 加 工 予 以 具 体 分 析 ， 科 学 地 认 识 该过 程 ， 从 而 采 取 正 确 的 对 策 ， 促 进 半 固 态 加 工 的 研 究 与 应 用 。=# $ 流 变 铸 造 和 触 变 铸 造无 论 流

13、 变 铸 造 、 还 是 触 变 铸 造 ， 均 指 半 固 态 压 铸 。 因 为 处 于半 固 态 下 的 金 属 ， 很 难 利 用 其 流 动 性 实 现 重 力 铸 造 ， 获 得 合 格 铸件 。只 有 在 压 力 作 用 下 ， 实 现 金 属 液 输 送 ， 在 压 力 下 凝 固 成 形 ，例 如 射 铸 成 形 ， 便 是 典 型 的 应 用 事 例 。 将 镁 粉 加 入 高 温 旋 转 混合 机 构 加 热 至 半 熔 化 状 态 后 ， 以 混 料 螺 旋 为 活 塞 ， 通 过 喷 嘴 高 速射 入 压 铸 模 具 内 。 但 是 目 前 应 用 最 多 的 还 是

14、 触 变 压 铸 。既 然 有 流 变 铸 造 ， 也 应 该 有 流 变 锻 造 。 它 和 液 态 模 锻 过 程基 本 一 样 ， 将 制 备 好 的 半 固 态 浆 料 ， 不 经 冷 却 ， 直 接 注 入 模 具 内 ，进 行 半 固 态 模 锻 。=# + 触 变 锻 造半 固 态 触 变 锻 造 分 为 半 固 态 挤 压 、 半 固 态 模 锻 、 半 固 态 轧制 。 很 显 然 ， 触 变 锻 造 有 两 个 过 程 ， 第 一 个 过 程 是 半 固 态 坯 料 在力 的 作 用 下 ， 粘 度 降 低 ， 以 减 少 能 量 消 耗 ， 完 成 流 动 充 填 ； 第

15、 二 个过 程 是 密 实 过 程 。 前 者 是 成 形 的 需 要 ， 后 者 是 产 品 质 量 的 需 要 。因 此 ， 触 变 锻 造 比 触 变 压 铸 能 获 得 较 高 的 产 品 性 能 。B 结 束 语J$K 半 固 态 成 形 具 有 原 有 加 工 技 术 所 没 有 的 各 种 特 别 和 优点 。 其 节 约 能 源 、 减 少 资 源 浪 费 、 有 利 于 环 境 保 护 的 特 殊 优 点 ，更 符 合 面 向 新 世 纪 的 金 属 加 工 技 术 的 特 点 ， 被 专 家 们 称 为 +$ 世纪 新 兴 的 金 属 制 造 关 键 技 术 之 一 。J+

16、K 预 计 半 固 态 成 形 技 术 在 汽 车 、 通 讯 、 计 算 机 及 其 辅 助 设 备等 领 域 ， 航 空 、 航 天 以 及 国 防 等 尖 端 领 域 都 将 有 广 泛 的 应 用 前 景 。J:K在 半 固 态 技 术 的 研 究 方 面 ， 今 后 除 了 进 一 步 加 强 基 础 理论 的 研 究 之 外 ， 重 点 任 务 是 加 快 其 工 业 应 用 的 过 程 。J=K半 固 态 成 形 专 用 原 材 料 的 制 造 ， 适 合 半 固 态 成 形 特 点 的专 用 设 备 及 有 关 的 检 验 设 备 的 开 发 等 都 是 半 固 态 成 形 推

17、 向 技 术实 用 化 首 先 应 该 研 究 的 课 题 。JBK 半 固 态 成 形 的 计 算 机 模 拟 、 制 品 的 质 量 预 报 、 虚 拟 成 形过 程 等 方 面 也 将 是 未 来 的 研 究 重 点 。J&K国 外 半 固 态 成 形 技 术 研 究 和 应 用 进 行 得 十 分 活 跃 ， 国 内该 技 术 也 引 起 了 有 关 人 士 的 关 注 ， 并 开 始 进 行 初 步 研 究 。 但 和国 外 先 进 水 平 相 比 还 有 一 定 差 距 ， 半 固 态 成 形 的 应 用 研 究 国 内还 是 空 白 。 因 此 ， 加 强 国 内 半 固 态 成 形 技 术 的 研 究 ， 特 别 是 有 关的 应 用 研 究 是 十 分 必 要 的 。参 考 文 献$ 蒋 鹏 ， 贺 小 毛 # 半 固 态 金 属 成 形 技 术 的 研 究 概 况 # 塑 性 工 程 学 院 ，L“7# B !“# :M ,1N# $IIOP $ Q &#+ 康 靖 林 ， 曾 大 本 # 半 固 态 技 术 的 发 展 应 用 现 状 ， 后 患 材 料 科 学 与 工 程 ，$IIO， L“7# +$M *“M :R NB& Q &#