（材料加工工程专业论文）几种半固态镁合金流变特性的实验研究和数值模拟.pdf

摘要 摘要 ，“ ，半固态金属加工技术作为一种新的会属加工方法在全世界范围内得到广泛重 视，为此开发出多种制备半固念浆料的新方法。根据半固态金属浆料中非枝晶的产 生原理可以把半固念浆料制备技术分为两类：破碎树枝晶法和抑制树枝晶生成即 控制凝固条件法。r 本文在等温稳态条件下，对几种工业常用镁合余a z 9 1 、a z 9 l d 和a z 9 2 半固 态合金浆料进行研究，探讨了不同搅拌工艺参数( 搅拌温度、搅拌时j 、自j 、剪切速率) 对半固态镁合金晶粒密度、晶粒尺寸和表观粘度的影响。采用回归分析法建立半固 态a z 9 1 d 镁合金在剪切速率为2 3 8 s 1 时的固相体积分数和表观粘度之间的经验关系 式。同时采用a n s y s 软件对半固态a z 9 1 d 镁合金压铸工艺过程进行模拟。 在研究搅拌温度对半固态合金晶粒密度和晶粒尺寸的影响发现：在较高温度下 搅拌时，半固态浆料的晶粒密度小于在较低温度下搅拌的晶粒密度。在较高温度下 搅拌时的晶粒尺寸大于高温段的晶粒尺寸。 在研究了剪切速率对半固态镁合金晶粒密度和晶粒尺寸的影响发现：在相同温 度条件下搅拌，剪切速率对镁合余晶粒密度的影响规律相似，即随着剪切速率的增 加，晶粒密度逐渐增加，当剪切速率增加到2 7 5 s “左右时，晶粒密度达到最大值， 然后随着剪切速率的继续增加，晶粒密度开始减小。( 因此在本实验中，剪切速率存 在一个最佳值，最佳剪切速率为2 7 5 s 。而晶粒尺寸随着剪切速率的增大一直减 小。丁。 研究了搅拌时间对半固态镁合金晶粒密度的影响。发现半固态镁合金浆料的搅 拌时间不宜过长，时间太长，会使一部分碎晶熔化或合并，晶粒密度大幅度下降。 研究了搅拌工艺参数对半固态a z 9 1 d 镁合金表观粘度的影响规律：在相同的剪 切速率下，搅拌温度越低，表观粘度越大。在相同温度条件下搅拌，随着剪切速率 的增加，表观粘度开始减小，剪切速率增大到一定值后，表观粘度会出现一个小幅 增加。这是因为在剪切速率较小时。虽然晶粒密度小，但是晶粒尺寸却很大。这时 晶粒尺寸对半固态合金的流动起主要作用，因此表观粘度很大：随着剪切速率的增 加，晶粒尺寸继续降低，虽然晶粒密度有所增大，但是表观粘度仍然降低；当剪切 速率达到某一值( 本文中为2 7 5 s 1 左右) 后，晶粒密度达到最大，虽然晶粒尺寸很 小，但是由于晶粒很多，从而使得表观粘度小幅升高。半固态a z 9 2 镁合金的表观粘 摘要 度随着搅拌温度和剪切速率的变化关系与上面所讲的半固态a z 9 1 d 镁合金的表观粘 度随着搅拌温度和剪切速率的变化关系的趋势是一致的。 根据以上实验结果，通过拟合获得了剪切速率为2 3 8 s 1 时半固态a z 9 1 d 镁合金 的r 和仉之间的关系式：仉= 0 0 0 0 1 1 e x p ( 1 4 1 2 2 0 6 ) 。) 利用获得的f ，一仉的关系式，选择简化的汽车轮毂模型，对半固态a z 9 1 d 合金 的压铸成形过程进行了模拟计算。通过计算获得充型过程的速度场和温度场，对不 同压铸参数条件的模拟计算结果进行比较，分析表明压铸参数选择为半固态浆料温 度5 5 0 4 c 、模具温度3 0 0 。c 、充型速度l m s 时半固态a z 9 i d 合金的压铸成形过程温 度均匀，充型良好。 关键词：半固态镁合金搅拌技术压铸数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t a san e wm e t a lp r o c e s s i n g ，s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s s i n gh a so b t a i n e dc l o s ea t t e n t i o na l l o v e rt h ew o r l di nt h e s ey e a r s a n dm a n yn e wm e t h o d so f p r e p a r i n gs e m i s o l i ds l u r r yh a v e b e e nd e v e l o p e d r e c e n t i y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fn o n d e n d r i t i cg r a i ng e n e r a t i o n ，t h e m e t h o d sc a nb ed i v i d e di n t ot w ok i n d s ：b o t hs m a s hd e n d r i t em e t h o da n dr e s t r a i n td e n d r i t e g e n e r a t i n gm e t h o dn a m e l y c o n t r o ls o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o nm e t h o d s e v e r a ls e m i - s o l i dm a g n e s i u ma l l o y sa sa z 9 1 ，a z 9 1 da n da z 9 2a r ei n v e s t i g a t e di n i s o t h e r m a l s t e a d y s t a t e c o n d i t i o ni nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ei n f l u e n c eo f s t i r r i n g t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r ss u c h a ss t i r r i n gt e m p e r a t u r e ，s t i r r i n gt i m ea n ds h e a rr a t et og r a i n d e n s i t y ，g r a i n s i z ea n d a p p a r e n tv i s c o s i t y o fs e m i s o l i d m a g n e s i u ma l l o ys l u r r y a r e d i s c u s s e d ，t h er e l a t i o nb e t w e e ns o l i dv o l u m ef r a c t i o na n da p p a r e n tv i s c o s i t yo fs e m i s o l i d a z 9 1d m a g n e s i u ma l l o ya ts h e a rr a t e2 3 8 s i sf o u n db yr e g r e s s i o nm e t h o d a n dt h ed i e c a s t i n gp r o c e s so f s e m i s o l i da z 9 1d m a g n e s i u ma l l o yi ss i m u l a t e dw i t ha n s y ss o f t w a r e ， t h ei n f l u e n c e so f s t i r r i n gt e m p e r a t u r eo ng r a i nd e n s i t ya n dg r a i ns i z ea r es t u d i e d t h e g r a i nd e n s i t ya th i g ht e m p e r a t u r ei sl e s st h a nt h a ta tl o wt e m p e r a t u r ed u et ou n d e v e l o p e d d e n d r i t ea n dl e s ss m a s h e dc r y s t a l s g r a i ns i z ea tl o ws t i r r i n gt e m p e r a t u r ei s g r e a t e rt h a n t h a ta th i g h t e m p e r a t u r e t h ei n f l u e n c e so fs h e a rr a t eo ng r a i nd e n s i t ya n dg r a i ns i z ea r ea l s os t u d i e d s h e a rr a t e h a st h es a m ee f f e c t so ng r a i nd e n s i t y ，w h i c hi s g r a i nd e n s i t yi n c r e a s e sw i t hs h e a rr a t e i n c r e a s e sa tf i r s t ，t h eg r a i nd e n s i t yi sm a x i m i z i n gw h e ns h e a rr a t em o u n t u p t oa b o u t2 7 5 s 。 ，t h e ng r a i nd e n s i t yb e g i n st od e c r e a s ew h e ns h e a rr a t ek e e p so ni n c r e a s i n g t h e r ei sa n o p t i m u ms h e a rr a t e2 7 5 s i no u re x p e r i m e n t b u tg r a i ns i z ed e c r e a s ew i t hs h e a rr a t e i n c r e a s e 1 h ei n f l u e n c eo fs t i r r i n gt i m eo ng r a i nd e n s i t yo fa z 91 m a g n e s i u ma l l o yh a sb e e n s t u d i e d o v e r l o n gs t i r r i n g t i m ei sn o ts u i t a b l e i fs t i r r i n gt i m ei st o ol o n g ，s o m es m a s h c r y s t a l sw i l lm o l t e no rm e r g et o g e t h e r ，g r a i nd e n s i t yw i l lp r e c i p i t o u s l yd e c l i n e t h ei n f l u e n c eo f s t i r r i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e rt oa p p a r e n tv i s c o s i t yo fs e m i - s o l i d a z 9 i dm a g n e s i t t ma l l o y a s ：a p p a r e n tv i s c o s i t yi n c r e a s e sw i t hs t i r r i n gt e m p e r a t u r e d e c r e a s e sa tt h es a m es h e a rr a t e a tt h es a m e s t i r r i n gt e m p e r a t u r e ，a t f i r s t a p p a r e n t v i s c o s i t yd e c r e a s e sw i t hs h e a rr a t ei n c r e a s e s ，w h e ns h e a rr a t er e a c h e sac e r t a i nv a l u e ， a p p a r e n tv i s c o s i t ya p p e a r ss m a l ls i z ei n c r e a s e t h er e a s o ni st h a t ：a tl o ws h e a rr a t e ，g r a i n d e n s i t yi sl o ww h i l eg r a i ns i z ei sl a r g e ，a tt h i st i m eg r a i ns i z ei st h ep r i m a r yf i m c t i o nt o t h et h e o l o g i c a lp r o p e r t yo fs e m i s o l i d a l l o y ，s oa p p a r e mv i s c o s i t yi sl a r g e g r a i ns i z e a b s t r a c t s l o w i y d e c r e a s e sw h i l e g r a i nd e n s i t ya c c o r d i n g l y s l o w l y i n c r e a s ew i t hs h e a rr a t e i n c r e a s e s ，a p p a r e n tv i s c o s i t ys t i l ld e c r e a s e w h i l es h e a rr a t er e a c h e sac e r t a i nv a l u e ( i n t h es u b j e c ti s2 7 5 s 。) ，g r a i n d e n s i t ym a x i m i z ew h i l eg r a i ns i z ei ss m a l l ，ag r e a td e a lo f c r y s t a l sm a k ea p p a r e n tv i s c o s i t ys o m e w h a ti n c r e a s e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na p p a r e n tv i s c o s i t yo fs e m i s o l i da z 9 2 m a g n e s i u m a l l o ya n d s t i r r i n gt e m p e r a t u r ea n ds h e a rr a t ei sc o n s i s t e n tt ot h a to fs e m i s o l i da z 91d m a g n e s i u m a l l o yw h i c h h a sb e e nr e s e a r c h e di nt h i ss u b j e c t t h er e l a t i o nb e t w e e ns o l i dv o l u m ef r a c t i o nf sa n d a p p a r e n tv i s c o s i t yr 。o fs e m i s o l i d a z 9 1 dm a g n e s i u ma l l o ya ts h e a rr a t e2 3 8 s i sf i t t e d o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ，s u c ha s ：仉= o 0 0 0 1 l e x p ( 1 4 1 2 2 0 6 ) t h es i m p l ea u t o m o b i l ew h e e ls p i d e rm o d e li ss e l e c t e da s e x a m p l e ，a n dt h e 氏v s 川。 r e l a t i o ni s a p p l i e dt os i m u l a t et h ed i ec a s t i n gp r o c e s so fs e m i s o l i da z 91dm a g n e s i u m a l l o yw i t ha n s y ss o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s e so ft h e r m a lf i e l da n dv e l o c i t yf i e l d a td i f f e r e n c ed i ec a s tp a r a m e t e rc o n d i t i o n ，t h eb e s td i e c a s t i n gp a r a m e t e ri ss e l e c t e d ，s u c h a s ：s l u r r yt e m p e r a t u r eo f s e m i - s o l i da z 91d m a g n e s i u ma l l o yi s5 5 0 。c ，d i et e m p e r a t u r ei s 3 0 0 a n dc a v i t yf i l lv e l o c i t yi si m s k e yw o r d s ：s e m i l s o l i d ，m a g n e s i u m a l l o y ，s t i r r i n gt e c h n o l o g i c a l ，d i ec a s tp r o c e s s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 一2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 作者签名：函i 盏 日期：伽弘甲 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京有色金属研究总院有关保留、使用学位论文的规 定，即：总院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；总 院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 作者豁迤磊聊签名氇坚日 期：o 咧- ，年， 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 凝固是物体从液态向固态转变的相变过程，广泛存在于自然界和工程技术领域 中，几乎所有的金属材料或制品在其生产过程中都要经历一次或多次的凝固过程。 金属凝固后所形成的组织，包括各种相的晶粒形状、大小和分布等，都将极大地影 响到金属的加工性能和使用性能。对于铸件和焊接件来说，凝固过程基本上决定了 它的使用性能和使用寿命。而对于尚需进一步加工的铸锭来说，凝固过程既直接影 响它的轧制和锻压工艺性能，又不同程度地影响其成品的使用性能。因此，研究和 控制金属的凝固过程，已成为提高金属机械性能和工艺性能的一个重要手段，从而 受到材料科学、冶金及铸造工作者们的关注眦】。 近年来，随着对凝固过程和凝固技术的研究不断深入，铸造工艺和铸件质量不 断提高，同时导致了各种新型材料和新型加工工艺的诞生和发展。 半固态加工技术就是在进一步研究铸造和塑性加工过程中发展起来的，它是在 金属凝固过程即半固态状态进行加工成形的一种工艺技术。 1 2 半固态金属加工的概念和特点 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院d b s p e n c e r 等研究人员在自制的高温粘 度计中测量s n 1 5 p b 合金高温粘度时发现了金属在凝固过程中的特殊力学行为， 即金属在凝固过程中，进行强烈搅拌，即使在较高固相体积分数时，半固态金属的 剪切应力仍比无搅拌时的剪切应力低1 0 3 量级，这种特殊性能是由于基体中存在奇特 的球状微粒结构。d ，b ，s p e n c e r 的导师m c f l e m i n g s 很快意识到金属凝固的这一特 征将具有许多潜在的利用价值，随即对此进行了广泛深入的研究，并发展成为半固 态金属加工技术( s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g p r o c e s s e s 简称s s m ) 1 , 3 , 5 - 1 2 。 半固态金属加工技术，就是金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌或通过控制凝固 条件，抑制树枝晶的生成或破碎生长的树枝晶，形成具有等轴、均匀、细小的初生 相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料( 固相组分甚至可高达6 0 ) 。这种半固态 第一章绪沦 金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，可以利用压铸、挤 压、模锻等常规工艺进行加工成形，也可以采用其他特殊的加工方法成形n 半固态金属的内部特征是固液混合共存，在晶粒边界之间存在金属液体，根据 固相体积分数不同，其状念不同，图i - i 表示半固态金属的内部结构”3 1 。在高固相 率时，液相成分仅限于部分晶界( 见图卜l a ) ，当固相率低时，固相颗粒游离在液 相成分之中( 见图1 一l b ) 。 滚报 ( - ) 高固楣率( b ) 低囤根率 图卜1 半固态金属的内部结构 f i g 1 1t h e i n t e r n a ls t r u c t u r eo f s e m i - - s o l i dm e t a l 半固态金属的金属学和力学特点主要有： ( 1 ) 由于圃液共存，在两者界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。因 此溶质元素的局部浓度不断变化； ( 2 ) 由于晶粒间或固相颗粒间夹有液相成分，固相粒子间几乎没有结合力因 此，其宏观流动变形抗力显著低； ( 3 ) 随着固相率的降低，呈现粘性流体特性，在微小外力作用下即可以很容易变 形流动； ( 4 ) 固相率在极限值( 约7 5 ) 以下时，浆料可以进行搅拌，并可以很容易混入 异种材料的粉末、纤维等： ( 5 ) 固相粒子间几乎没有结合力，在特定部位很容易分离，但由于液相成分的存 在，又很容易地将分离的部位连接成一体；特别是液相成分很活跃，不仅半固态金 属间容易结合，而且与一般固态金属材料也容易形成很好地结合： 第一章绪论 ( 6 ) 即使是含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料，也可以通过半固态状态在低加 工力下进行成形加工； ( 7 ) 当施加外力时，可能会出现液相成分和固相成分分别流动的情况。一般来 说，液相成分具有先行流动的倾向和可能性； ( 8 ) 上述现象主要是在中间固相率范围或低加工速度情况下显著，在固相率很高 或很低或加工速度特别高的情况下都很难发生。 与普通的加工方法相比，半固态加工成形具有许多独特的优点【1 , 1 4 ： ( 1 ) 应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。可适用于多 种加工工艺，如铸造、挤压、锻压和焊接等，并可进行材料的复合及成形； ( 2 ) 半固态金属粘度比液态金属高，充型平稳、无湍流和喷溅、加工温度低，凝 固收缩小，容易控制，因而铸件尺寸精度高。半固态加工成形件尺寸与成品零件几 乎相同，可实现净近成形，极大地减少了机械加工量，做到少或无切屑加工，从而 节约了资源。同时半固态加工凝固时间短，从而有利于提高生产率； ( 3 ) 半固态合金己释放了5 0 左右的结晶潜热，因而减轻了对成形装置，尤其是 模具的热冲击，使其使用寿命大幅度提高： ( 4 ) 半固态加工成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密、内部气孔、偏析等缺 陷少，晶粒细小，力学性能高，可接近或达到锻件的性能： ( 5 ) 应用半固态成形工艺可改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析以及与 金属基体不润湿的技术难题，这为复合材料的制备和加工提供了有利条件； ( 6 ) 与固态金属模锻相比，半固态加工的流动应力显著降低，因此半固态模锻成 形速度更高，而且可以生产十分复杂的零件。 1 3 半固态加工的主要工艺过程 半固态加工工艺路线主要有两条：一条是将制备的半固态浆料在保持其半固态 温度的条件下直接成形，通常称为流变铸造( r h e o c a s t i n g ) ；另一条是将半固态浆料 制备成坯料，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度成形，通常被称为触变 成形( t h i x o f o r m i n g ) 。图卜2 所示为半固态加工的主要工艺路线。对于触变成形，由 于半固态坯料便于输送，易于实现自动化，因而在工业中较早得到了广泛应用。流 变成形与触变成形相比，由于将半固态浆料直接成形，前者更节约能源、流程更 第一章绪论 短、设备更简单、效率更高，因此近年来发展很快预计，流变成形技术将是金属 半固态成形技术的发展方向。 半固态加工技术的发展趋势：进一步简化加工工艺流程，进一步降低加工成 本，扩宽半固态加工技术的应用范围。 图1 2 半固态金属加工的二种工艺流程 f i 2 1 2t w ok i n d so f t e c h n i c a lr o u t e so fs e m i s o l i dm e t a ln r o c e s s i n z 半固态金属加工技术适用于有较宽的固液共存区的合金体系。研究和生产证 明，适用于半固态加工的金属有：铝合金、镁合金、锌合金、镍合金、铜合金以及 钢铁合金。其中铝合金、镁合金因其熔点低，工业生产易于实现，已得到广泛应 用。此外，半固态金属加工技术还被用于制备复合材料、连铸连轧带材和线材等。 1 4 半固态金属浆料制各工艺 半固态成形技术已经诞生3 0 多年，尽管半固态加工技术有很多优点，但是由于 半固态浆料的制备成本较高、技术垄断等因素，在实际工业生产中还未得到广泛应 用。为了进一步推动半固态加工技术的发展，近年来世界各国都致力于降低半固态 浆料的加工成本，不断开发新的半固态加工技术，同时半固态浆料制备技术也得到 迅速发展。 根据半固态金属浆料的产生可以把半固态浆料制备技术分为两类：破碎树枝晶 和抑制树枝晶生成即控制凝固条件。 1 4 1 通过破碎树枝晶制备半固态浆料 1 4 1 i 机械搅拌法1 1 1 41 5 i 一舻一涵 第一章绪论 机械搅拌法是最早用于制备半固态浆料的方法，基本上分为两种类型，如图1 - 3 所示。一种是连续式装置包括棒式和螺旋式。棒式装置具有金属液不易氧化、固相 体积分数易控制、能连续生产的优点：其缺点是出料速度较慢，搅拌棒易损耗。螺 旋式装置具有向下挤压流体的作用，使出料速度加快。另一种是间歇式装置包括底 浇式和倾转式。底浇式装置的最大特点是结构简单，但是它的底部密封塞影响铸型 的设置。倾转式装置的坩埚可以倾斜，将部分凝固合金能够倒入铸型，这有利于浇 注过程的实现。但是在坩埚倾转前需将搅拌棒从合会中提出，金属的表观粘度会因 为停止搅拌而上升。机械搅拌装置结构简单、造价低、操作方便，可以进行各种气 体保护，但产量很小，只适用于实验室的小规模实验研究工作。 图1 3 几种机械搅拌装置示意图 ( 1 ) 棒式；( 2 ) 螺旋式； ( 3 ) 底浇式；( 4 ) 倾转式 f i g 1 3t h es c h e m m i cd i a g r a m so f s e v e r a lk i n d so f m e c h a n i c a ls t i r r i n ga p p a r a t u s e s 1 4 1 2 电磁搅拌法1 h 1 1 6 由于机械搅拌法存在的若干缺点，如生产效率低、固相体积分数只能限制在 3 0 6 0 的范围内，以及由于搅拌棒会造成熔融金属的污染而影响到材料的性能 等，特别是该方法不适用于高熔点的黑色金属及易氧化的镁合金等，因此又发展了 非接触式的电磁感应搅拌法。该方法可在一个连续的组合铸型内产生剧烈搅拌，打 碎枝晶而形成细小的轴晶，这种细小等轴晶组织在重新加热到半固态区域时可以球 状化，从而得到半固态铸造所需要的非枝晶显微组织。 从搅拌金属液的流动方式来分，电磁搅拌有两种形式，一是水平式，即感应线 圈平行于铸型的轴线方向：另一种是垂直式，即感应线圈与铸型的轴线方向垂直， 如图1 4 所示。 第一章绪论 电磁搅拌法的原理就是在一组感应线圈内通入电流，并使其终端具有适应的电 位差。由于电场的交变作用，使得系统内的金属包括液体金属在内，感应产生了一 个振荡磁场b 和电流密度j ，由此在金属浆料内部产生了一个l o r o n t z 力场f = j b 。由于相位差关系，所产生的不是一个纯振荡，而是一个旋转的力场使得金属液 体产生运动。 v ( a ) 垂直式( b ) 水平式 图1 4 两种电磁搅拌方式示意图 f i 卫1 - - 4t h es c h e m a t i cd i a g r a m so f t w ok i n d so f e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g 影响电磁搅拌效果的工艺参数有电流频率，感应线圈的数目、设计和位置，电 压的相位差和强度，功率大小，冷却速度，液态余属温度，液态金属的高度和晶粒 细化剂等。 1 4 1 3 触变注射成形法1 1 7 1 8 1 由美国t h i x o m a t 公司制造的半固态金属触变注射成形机( 他们称之为 t h i x o m o u l d e r ) ，采用了塑料注射成形的方法和原理，其结构如图1 5 所示。其成形 过程为：预先被制成粒料或细块料的镁合金原料从料斗中加入；在螺旋的作用下， 粒状镁合金材料被向前推进并加热至半固态：一定量的半固态金属液在螺旋的前端 累积；最后在注射缸的作用下，半固态金属液被注射入模具内成形。该成形方法的 主要优点是：成形温度低( 比液态镁合金压铸温度低约1 0 0 c ) 、制件的气孔率较低 ( 可低于0 1 ) 、尺寸精度高、重复性好。该方法的主要缺点是：所用原材料为粒料 或细块料，通常要预加工，原材料的成本高；机器内螺杆及内衬等构件与固体粒料 直接接触，材料的磨损严重，使用寿命短，加之半固态金属的工作温度较高，故在 较高工作温度下简体和螺杆等构件材料的耐磨性、耐蚀性需要进一步研究提高。 第一章绪论 图1 5 触变注射成形机示意图 f i g 1 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h i x o m o u l d i n gm a c h i n e 1 4 1 4 双螺旋半固态金属流变注射成形法l ”一i 英国b r u n e l 大学的z f a n 等人借鉴聚合物注射成形原理，开发出双螺旋半固态 金属流变注射机，用于从液态金属直接制备出近净成形产品。双螺旋流变注射机由 坩埚、双螺旋剪切装置和中央控制器等组成，如图1 6 所示。双螺旋剪切装置是由 圆筒和一对相互紧密啮合的同向旋转螺旋组成。螺旋的齿形经过特殊设计，能使金 属熔体得到较高的剪切速率和较高的湍流强度。在挤压筒外沿着挤压机轴线方向分 布着加热单元和冷却单元，形成一组加热冷却带，温度控制精度可达到l ，能 图l 一6 双螺旋流变注射成形和流变挤压工艺示意图 f i g 1 6s c h e m a t i co f t h et w i n s c r e wr h e o m o u l d i n ga n dr h e o l o g i ce x t r u d i n g 第一章绪论 准确地控制半固态金属浆料固相体积百分数。 该装最的工作原理是，熔融金属在坩埚中熔炼，达到比液相线温度高出约5 0 。c 的预定温度，将熔融金属保温1 5 分钟，获得均匀的化学成分。当熔融金属为镁合金 时，坩埚采用氩气保护。融熔金属以一定的速度进入双螺旋剪切装置，调整其温 度，同时受到双螺杆的剪切作用，获得一定固相百分数的理想半固态浆料。用s n 1 5 w t p b 和m g 3 0 w t z n 合金进行实验表明，它比单螺旋机构能获得更细小、更不 容易凝聚在一起的球形晶粒。半固态浆料通过剪切装置下端的出料口流出。 金属在双螺旋剪切装置中的流动非常独特，研究表明金属在螺旋外以“8 ”字 形方式流动，而且金属从一个斜面到达另一个斜面，形成“8 ”字形螺旋前进，从而 推动金属沿螺旋轴向流动，金属从一个螺旋到另一个螺旋，经历了拉伸、折叠和调 整的循环过程。另外，由于螺旋和圆筒间隙的周期性变化，造成金属受到周期性变 化的剪切速率，最小剪切速率出现在螺纹根部，最大剪切速率出现在双螺旋的啮合 区间。所有金属都要经历剪切速率周期性变化的剪切变形。 采用双螺旋流变注射机，半固态金属可以得到较高的周期性变化的剪切变形和 较高的湍流强度。在强制对流条件下，金属充分过冷，即金属熔体在远低于普通凝 固的温度下形核。由于剧烈的搅拌作用，分散了潜在的形核的高熔点金属熔体，增 大了潜在的形核点，导致形核率增大，同时细化初始晶粒，随着剪切速率和湍流强 度的增加，晶粒由蔷薇状晶经过等轴晶形成球状晶，从而获得细小均匀球状晶的半 固态组织。 双螺旋流变压铸工艺的设备由两部分组成：双螺旋流变注射机和冷室压铸机。 双螺旋流变注射机制备一定固相百分数的半固态浆料，冷室压铸机用于生产一定形 状的产品。任何流变成形设备都可以很方便的连接在双螺旋流变注射机上。 t 4 1 5 剪切一冷却一轧制法( s h e a r - c o o l i n gr o l l ) 1 1 9 2 4 _ 2 7 1 剪切一冷却一轧制法( 简称s c r 法) 是由f 本的m i t r u o 等人开发的，于1 9 9 6 年 申请了美国专利。s c r 法具有冷却速率高、结构紧凑、操作方便、生产效率高和制 各产品性能好等特点，同时s c r 法能制备高熔点和高固相率的半固态金属，可以实 现半固态合金制备与连续成形的一体化，可以实现大尺寸金属制品的生产。 图卜7 所示为s c r 法的示意图，主要包括剪切冷却轧辊、由耐火材料制造 的靴形座与剥离器，轧辊的转动引导熔融金属沿着靴形座流动。靴形座需要预热到 第一章绪论 一定温度，防止金属在靴座上凝固。在金属浆料出口处安装 一个剥离器，将可能粘附在轧辊上的金属刮去。其工作原理 是：将加热到一定温度的熔融金属注入辊缝上方的导向槽 中，轧辊与靴形座之间留有一定的问隙，同时轧辊表面具有 一定的粗糙度，轧辊内通水冷却。由于轧辊与靴形座的冷却 作用，合金液温度降低，转动的轧辊对合金液产生剪切搅拌 作用，使合金液转化为半固态浆料，并由于轧辊施加的摩擦 力的作用将半固态浆料从轧辊与靴形座间隙中拖出，通过安 装在出料口的剥离器引导半固态浆料流动。应用s c r 法可 直接进行流变成形，也可制成所需尺寸的半固态坯料，然后 进行触变成形。 幽1 7s c r 原理剀 f i gl 一7s c h e m a t i c o f s c r 影响熔融金属转变为半固态浆料的主要因素有两个：一为辊一靴间隙。辊一靴 间隙过大，合金液得不到轧辊的剪切作用，合金液将直接沿着靴形座表面从出料口 流出，由于合金液凝固时得不到有效剪切，从而枝晶发达，组织结构粗大，此时合 金的凝固与常规铸造过程无太大的差异。反之，当辊一靴间隙过小时，由于辊一靴 间隙容纳的合金液量较少，合金液体较薄，合金散热速度很快，合金液进入辊一靴 间隙后，立即形成凝固壳，并紧紧覆盖在轧辊表面，即使浇注温度较高，合金在出 料口也会发生完全凝固，从而得不到半固态浆料。而且，凝固在轧辊表面的合金难 以清除，甚至造成“死机”。通过实验，确定出有效辊一靴间隙宽度为2 - 3 m m ； 二为浇注温度。随着浇注温度降低，合金内部晶粒由大变小。在较高浇注温度下这 种变化不明显，但如果浇注温度太低，树枝晶开始生长，温度越低，树枝晶越发 达。因此，只有在一定温度范围内，可得到细小、均匀的球状或椭球状晶粒组织。 1 4 1 6 o s p r e y 喷射成形法【“”j 一些独特的凝固工艺也被用于作为生产半固态金属坯料的方法，如图l 一8 所示 的o s p r e y 喷射成形法就是一个例子。在该方法中，部分凝固的微滴不断被收集在一 个基板上，得到致密的固体。假定每个微滴的冲击能够产生足够的剪切来打碎在微 滴内部所形成的枝晶，使最终凝固后得到颗粒状组织。用这种方法已对铝合金、黑 色金属以及金属基复合材料进行了成功的实验。但在该方法中如何控制金属液的喷 射是一个主要的工程问题。与其它几种方法相比较生产成本较高。 第一章绪论 图1 8 喷射成形法示意图 f i g 1 8t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fo s p r a ym e t h o d 1 4 2 通过控制凝固条件制备半固态浆料 1 - 4 2 1 新m i t 工艺( n e wm i tp r o c e s s ) 2 9 3 0 1 “新m i t 工艺”法是2 0 0 0 年出麻省理工学院( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ，简称m i t ) 的f l e m i n g s 等提出，i d r a p r i n c e 有限公司获得这项技术专 利。由于其设备简单，操作方便，这项技术在流变铸造中得到一定应用。 m i t 最近的实验研究认为，影响形成非枝晶半固态浆料的重要因素是合金的快 速冷却和热传导。在一定的搅拌速度下，能获得半固态组织，进步提高搅拌速度 对产生球形晶粒没有太大影响，而且当搅拌时间为2 秒时就能产生非枝晶半固态浆 料。当合金温度低于液相线温度时，搅拌对最终的微观组织没有太大影响，只是利 用搅拌消除过热，引起合金形核固化，而容器壁和浇注热传导( 对流) 起很大作 用。基于这一点，m i t 改进的流变铸造是在快速热释放的同时进行搅拌。 如图l 一9 所示为新m i t 工艺过程：将容器内合金保持在液相线温度以上几度范 图1 9 新m i t 工艺的工艺过程 f i g i - - 9t h es t e p so f n e wm i tm e t h o d 一1 0 第一章绪论 围内；将一个带有冷却作用的镀铜棒搅拌器伸入到熔体内进行短时间搅拌，使合金 温度降低到液相线温度，熔融合金内只有几个固相百分数；取出搅拌器，将合金静 止在半固态区间，进行短时问缓慢冷却或保持在绝热状态，然后将合金冷却到指定 成形温度。在液相线温度附近的搅拌一冷却会使合金熔体内产生大量晶核。 1 4 2 2 冷却斜槽法( c o o l i n gs l o p e ) 3 1 。3 5 i 冷却斜槽法是在1 9 9 8 年由同本宇部株式会社发明用于制备铝合金和镁合金的半 固态坯料的新工艺，已在欧洲申请了专利。同时，该方法在欧洲和美国正在进行商业 化运作。冷却斜槽法的原理为：将略高于液相线温度的熔融金属倒在冷却斜槽上， 由于斜槽的冷却作用，在斜槽壁上有细小的晶粒形核长大，熔融金属流体的冲击和 材料的自重作用使晶粒从斜槽壁上脱落并翻转，以达到搅拌效果。通过冷却斜槽的 金属浆料落入容器，控制容器温度，即缓慢冷却，冷却到一定的半固态温度后保 温，达到要求的固相体积分数，随后可进行流变成形和触变成形。图卜1 0 所示是冷 却斜槽法的几种工艺过程，图卜1 0 ( a ) 和( b ) 是将先将制备的半固态浆料直接铸 轧成板带坯，图卜1 0 ( c ) 是将制备的半固态浆料铸造成坯锭后，再二次加热，重 熔后触变成形的工艺过程。 冷却斜槽一般是由合金钢制成，其内部采用水冷却，表面涂镀一层氮化硼 ( b n ) ，以防止半固态金属粘附在冷却斜稽表面上。其生产工序为：将金属加热 到熔融状态，保持其温度略高于液相线温度；将熔融金属倒在冷却斜槽上，并在 斜槽内部通水冷却，保持斜槽处于低温状态；由于冷却斜槽的冷却作用，处在斜 槽表面的熔融金属内部开始形成晶核；载有大量晶核的熔融金属流过冷却斜槽进 入容器；控制容器温度，缓慢冷却，可形成近球形组织浆料；进一步冷却，调 整金属固相体积分数使其达到流变成形的要求，同时将容器盖上，以避免成形浆料 表面上形成氧化物。 ( a ) 铸造j e 键 坯键 图l l o 冷却斜槽法的几种工艺过程 f i g 1 1 0 t h e p r o c e s so f t h ec o o l i n gs l o p e 霈一 亨撇 第一章绪论 在冷却斜槽方法中，影响熔融金属转变为半固态浆料的主要因素有三个：一是 浇注条件，熔融金属倒入冷却斜槽，逐步凝固形核，很多细小固相颗粒随液相流入 容器，只有在浇注温度高于液相线温度时，才可能在斜槽上形成晶核，同时斜槽温 度要尽可能低；二是斜槽长度，如果斜槽过长，会在斜槽底部凝固形成金属壳，阻 碍金属的流动，降低冷却效率，如果斜槽过短，熔融金属内没有产生大量细小晶 粒，达不到半固态浆料要求：三为斜槽的倾斜角度，倾斜角度的大小直接影响熔融 金属的流动速度。 采用冷却斜槽法制各的半固态浆料的固相百分数在3 一1 0 之间，其流动性同熔 融金属一样。在流变铸造中，固相百分数越低，越容易铸造。因此，冷却斜槽法能 流变铸造成形很薄的铸件。 冷却斜槽法在连续铸轧上的应用同益增多，采用冷却斜槽法的半固态铝带连续 铸轧能克服通常铸轧的缺点，即铸轧速度低，导致生产效率低下。半固态连续铸轧 的速度可以达到1 2 0 m m i n 。冷却斜槽在制备半固态触变成形坯料中的应用电很广 泛，图卜1 l 是制备a 3 5 6 半固态触变成形坯料过程图。 图1 一l l 制备半固态触变成形坯料过程图 f i g 1 一llt h ep r o c e s so f p r e p a r i n gb i l l e tf o rt h i x o f o r m i n gb yc o o l i n gs l o p e 1 4 2 3n r c 工艺f n e w r h e o c a s t i