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半固態鑄造鋁合金材料的研究現狀
作者:管理員    發布于:2016-01-04 14:42:07    文字:【】【】【

  上海交通大學印飛>王亦新洪慎章教育部高溫材料及高溫測試開放試驗室曾振鵬闡述了鋁合金半固態鑄造的成形工藝,半固態鑄造工業生產過程,半固態鑄造專用原材料錠坯生產的主要方法,展望了半固態鑄造技術的發展前景。

  1半固態成形工藝半固態成形的工藝過程),是將經攪拌等工藝獲得的半固態漿體坯料在保持其半固態溫度的條件下直接進行半固態成形(a)。由于半固態金屬漿液的保存和輸送很不方便,因而這種成形方法投入實際應用的較少。R.Shibata等人直接在壓鑄機壓室中用電磁攪拌方法制備半固態合金漿液,然后將其擠入模具型腔成形。用此法制成的鋁合金鑄件的力學性能較擠壓鑄件高,而與半固態觸變成形的性能相當1‘觸變鑄造或稱觸變成形(Thixofoming),是將經攪拌等工藝獲得的半固態坯料冷卻凝固后,按所需尺寸下料,再重新加熱至半固態溫度,然后放入模具型腔中進行成形加工(b)。由于半固態金屬坯料的加熱、輸送很方便,并且成形過程容易控制,便于實現自動化生產,因此半固態合金觸變成形是當今半固態鑄造的主要工藝方法。

  2半固態成形專用原材料的生產半固態成形工藝采用特殊方法生產所需組織結構的坯料。對于鋁合金而言,一般使用對凝固過程中的液態金屬進行電磁攪拌的方法獲得具有均勻的較為細小的球狀等軸晶粒的冶金組織,因此,凡是可使錠坯獲得這種組織的鑄造方法或其他方法皆可用于生產該坯料。

  目前可生產這種坯料的工藝主要有6種,但只有前兩種進入了商業化生產階段。①電磁流體動力學鑄造法,即電磁攪拌法;②應變熔化法;③機械攪拌法;④化學晶粒細化法;⑤形變熱處理法;⑥奧斯普雷法。

  2.1電磁攪拌法首先使用電磁攪拌法生產半固態加工錠坯的是美國阿盧馬克斯工程金屬工藝公司(AEMP),它于1978年鑄出了符合要求的圓錠。目前,美國阿盧馬克斯鋁業公)的霍利山(Mt.Holly)鋁廠和英塔爾科(Intalco)鋁廠可用立式鑄造法和橫向鑄造法生產直徑75mm(3“)和150mm(6”)的MHDC圓錠,供世界各國半固態成形加工廠用。

  為電磁攪拌鑄造法示意圖。電磁感應線圈產生的電磁場對凝固著的鋁熔體進行強力攪拌,將結晶的樹枝狀晶的“枝”與“叉”打落,以形成球狀等軸晶粒組織。控制電磁場強弱、電磁線圈高度、鑄造速度、冷卻強度等工藝參數,就可控制晶粒大小。

  *印飛,上海交通大學材料科學與工程學院,上海市華山路1954號(200030)半固態鑄造鋁合金材料的研究現狀帶外部轉子的電磁流變鑄造機示意。分流盤2.結晶器3.鋁熔體4.凝固著的鋁熔漿5.半固態鋁錠6.鑄造機錠座7.冷卻水8.轉子電磁鐵永久磁鐵轉子流變鑄造機不但可鑄圓錠,而且能鑄扁錠、方錠、空心錠等。另外,還具有如下的優點:轉子結構簡單體積也不大,可安裝在現有連續或半連續鑄造機上,改造工作量很小;轉子感應器可設計制造得相當高,例如可高達700mm,攪拌時間有所延長,使鑄造組織得到進一步的改善;每噸錠平均電能消耗2kW,因為磁場是由永久磁鐵產生的,無任何有效功與無效功損失,功率因素非常接近1,設備造價極低。

  流變鑄造錠坯晶粒細小、組織均勻,幾乎不存在疏松與顯微氣孔,力學性能高。為半固態鑄造件的優質高產與高的重現性創造了先決條件。電磁攪拌鑄造錠的晶粒尺寸一般可達60為細小的適合半固態鑄造的球狀等軸晶粒;常規半連續水冷錠的晶粒尺寸一般為100~400為粗大的柱狀樹枝晶。

  2.2應變熔化法電磁攪拌流變鑄造只能鑄造直徑較大的錠坯,成形幾百克以上的較重零件,也就是說,直徑<40mm的圓棒不能用鑄造法進行商業化生產。半固態鑄造幾十克重的零件必須用直徑小的半固態坯料。目前,在工業生產中,這種坯料是用應變熔化法生產的3.該法的工藝流程為,對熱擠壓或熱軋的直徑較大的棒材施加相當大的冷變形,然后把它加熱到固相線與液相線之間的某一溫度,即固一液狀態,保溫一定時間,凝固后就可形成非樹枝狀的半固態組織。這種獲得細小球狀等軸晶粒組織的工藝,目前還不能從理論上獲得圓滿的解釋,但一般認為是由于恢復與再結晶的結果。

  當冷變形相當大時,就會發生恢復與再結晶過程,形成新的晶界。若晶界能大于固一液界面能的2倍,這種界面就是大角晶界的表面,液相會進入這些晶界,大的晶粒的碎化,形成細小的晶粒。在原來的樹枝狀晶粒碎化的同時,尖銳的凸起部分熔化,由于擴散作用,凹處則發生凝固,于是液相基體結晶成細小的球狀等軸晶粒組織。

  試驗用SIMA法獲得的AlSi6合金晶粒的平均尺寸約為40比電磁攪拌流變鑄造的晶粒(通常平均尺寸為60,um左右)小得多。若冷卻變形率更大一些,晶粒平均尺寸可<25m.不過,在固一液區的保溫時間不宜過長,否則晶粒會聚集長大,通常,保溫時間不大于2.3機械攪拌法機械攪拌法最早用于流變鑄造生產,但目前在工業生產中很少采用,大多用于試驗工作,雖然簡單易行,但工藝參數不易控制,很難保證產品質量的一致性。錠坯的晶粒尺寸較大,一般為200rtn左右。此法的另一不足之處是有運動器械與高溫熔體接觸,且能量消耗也較大。

  2.4化學晶粒細化法化學晶粒細化法是添加晶粒細化劑或變質劑,增加外來晶核數目與改變結晶方式來細化晶粒與改善結晶組織,使生產的錠坯適合于半固態鑄造。德國已用此法生產半固態材料錠坯。通常,向變形鋁合金中添加A-Ti-B中間合金來細化晶粒,而鑄造鋁合金則多用Al-Sr中間合金進行變質處理。

  2.5形變熱處理法形變熱處理晶粒細化法是對熱加工的鑄造材料施加一定量的冷變形,而后把它加熱到再結晶溫度以上的某一溫度,保溫適當的時間,通過恢復與再結晶,形成適合于半固態加工的細小的球狀等軸晶粒組織。形變熱處理細化晶粒法與SIMA法的基本區別是,前者的加熱溫度低,僅比合金的再結晶開始溫度高30°C左右;而后者的加熱溫度則相當高,應比合金的固相線溫度高幾度。

  2.6奧斯普雷法奧斯普雷法又稱噴射沉積法,也可用于生產半固態坯料。熔融合金通過氣體(氮或氬)霧化成液滴流,以一定的速度沖向下方的成坯盤,直徑約100m的液珠在向下運動過程中,受到惰性氣體流的冷卻,表面溫度迅速下降。發生凝固,形成外殼,而沉積時由于撞擊,外殼破裂,內部正在結晶的樹枝晶破碎,形成非常細小的球狀等軸晶粒,其尺寸比原來的液滴小得多。

  特種鑄造及有色合金2002年壓鑄專刊安徽省六安市紅外工業電爐廠地址:安徽省六安市鼓樓街大棚場5號為了保證半固態壓鑄生產的連續進行,模具溫度應保持在一定范圍內。因此,每一個壓鑄循環,金屬傳給模具的熱量Qa與模具導出的熱量Q出應保持平衡:因為半固態金屬的凝固熱量比液態金屬小的多,所以,模具冷卻強度(包括追加冷卻、自然散熱、噴涂等)要比液態壓鑄時小。通過試驗還證明,提高充型速度,縮短填充時間有利于提高鑄件表面品質。

  為半固態壓鑄的汽車空調器渦輪、空壓機連桿和水泵蓋體零件的毛坯外形照片。可以看出,材料的半固態成形性能良好,壓鑄件的外形輪廓清晰。我們對半固態制品進行了進一步分析測試,結果所有的半固態壓鑄零件都通過了X射線探傷檢查。

  (上接第259頁)3結語半固態成形具有以往加工技術所沒有的各種特點和優點,其節約能源,減少資源浪費,有利于環境保護的特殊優點更符合面向新世紀的金屬加工技術的特點,被專家們稱為21世紀新興的金屬制造關健技術之一。

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