（材料学专业论文）al87fe16v13si固液混合铸造组织及性能研究.pdf

abs tract t h e c o n t e n t o f t h i s a rt i c l e i n c l u d e s s o m e r e s p e c t s b e l o w . s o l i d - l i q u i d mi x i n g c a s t i n g e q u i p m e n t s a r e d e s ig n e d a n d m a n u f a c t u r e d b y o u r s e l v e s .t h e o p t i m i u m s - l - m- c p r o c e s s p a r a m e t e r s a r e i n it i a l l y s t u d i e d i n t h i s a rt i c l e .h ig h t e m p e r a t u r e a l u m i n u m a l l o y a i - f e - v - s i b e lt s a r e a c h i e v e d u s i n g s e l f - d e s i g n e d s - l - m- c e q u i p m e n t . a ft e r i n v e s t i g a t i n g t h e l a w o f m i c r o s t r u c t u r e d e v e l o p i n g o f s e m i - s o l i d a l l o y s o f a i - f e - v - s i b y s - l - m- c , s e m i - s o l i d d i e c a s t i n g，r h e o e x t r u s i o n , t h i x o e x t r u s i o n，f u l l- s o l i d e x t r u s i o n t e c h n o l o g y w i t h t h e i r m i c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e rt i e s a r e p r e l i m i n a r i l y s t u d i e d r e s p e c t i v e l y . a t l a s t , c o n c r e t e l y a n a l y s i s t h e s t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s m o f t h e s e a l l o y s m a d e b y s - l - m- c a n d t h e i r w e a r r e s i s t a n c e p r o p e rt i e s h a v e b e e n d i s c u s s e d . t h r o u g h t h e s e s t u d i e s , r e s u lt s a r e c o n c l u d e d a s b e l o w. th e e q u i p me n t a d d i t i o n u n i t s y s t e m o f s - l - m- c i s c o m p o s e d o f s e m i s o li d u n it , s t i r r e r , p o w d e r o f s e mi s o l i d i s 6 7 0 0 c r e s i s t a n c e u n i t a n d t e m p e r a t u r e m e a s u r e r . t h e t e m p e r a t u r e t h e t i me o f s e mi s o l i d t r a n s i t i s a b o u t 1 0 s e c o n d s . t h e p o w d e r i s a d d e d i n t o m e l t a t o n c e t i m e . 眺i s u s e d t o s e p a r a t e t h e b e l t fr o m 0 2 . wit h t h e m e t a l p o w d e r a d d it i o n i n c r e a s i n g a n d p o w d e r g r a in - s i z e d i s c r e a s in g , t h e r o o m t e m p e r a t u r e a n d h i g h t e m p e r a t u r e m e c h a n i c a l p r o p e rt ie s o f a ll o y a r e i m p r o v e d t h e e x t r u s i o n r e s i s t a n c e f o r c e i n s e mi s o l i d i s mu c h l o we r t h a n t h a t o f f u l l - s o l i d e x t r u s i o n . t h e s i z e a n d a m o u n t o f a l 1 3 f e 4 p h a s e c a n c a u s e a h e a v y e ff e c t o n t h e m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f a l l o y . i t i s s t u d i e d t h a t t h e a 1 1 3 f e 4 p h a s e m a y b e t h e b r o k e n r e s o u r c e . t h e w e a r r e s i s t a n c e p r o p e rt i e s a r e i m p r o v i n g w it h t h e i n c r e a s i n g o f p o w d e r a d d i t i o n a n d t h e d i s c r e a s i n g o f p o w d e r g r a i n s i z e . a 1 1 3 f e 4 m a y b e t h e p a rt i c l e t h a t s t r e n g t h t h e b o d y o f a l l o y . t h e m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s a r e b e l o w : r h e o e x t r u s i o n ( r o o m t e m p ) : a y = 1 7 5 . 8 mp a 8 = 2 . 5 % t h ix o e x t r u s i o n ( r o o m t e m p ) : a b = 1 7 0 . 6 mp a 5 = 2 .4 % f u l l - s o l i d e x t r u s io n ( r o o m t e m p ) : a b = 2 1 1 .4 m p a 6 = 3 .3 % f u l l - s o l i d e x t r u s i o n ( 2 0 0 c h ig h t e m p ) : a b = 1 5 0 mp a 6 = 4 . 0 % 中南大学硕士学位论文 第一章 文献综述 1 . 1 引言 自1 9 7 1 年 美 国 麻 省 理 工 学 院 ( m i t ) 的d .b .s p e n c e : 和m .c .f l e m i n g s i l发明 了一种搅动铸造( s t i r i n g c a s t i n g ) 新工艺，即用双旋转筒机械搅拌法制备出 s n - 1 5 % p b浆料以来，半固态金属 ( s s m)铸造工艺技术经历了近三十年的研 究与发展。 所谓半固态是指合金内既存在球形固相又存在流体液相的二相状态。半固 态 加 工 ( s e m i- s o li d p r o c e s s i n g ) 是 将金 属 或 合金 在固 相 线与 液 相 线 温度 之间 进 行加工或产品的一种近净成形方法。与传统的全液态铸造相比，半固态加工有 以下优点:( 1 ) 加工温度低， 模具热负荷小， 从而延长模具寿命;( 2 ) 能耗小， 效率高，易实现自 动控制; ( 3 )冷却凝固时间短，无气孔，成品具有高度完整 性，并可以 通过热处理获得优越的机械性能;( 4 )显微组织细小，均匀，成品 机械性能高。欧洲与美国是半固态铸造技术研究与应用的主要地区。日 本也早 在1 9 8 8 年就设立了金属半固态研究开发公司， 进入九十年代， 半固态铸造技术 的应用在国外己 逐步成为各先进工业国竞相发展的领域， 并被专家誉为“ 2 1 世 纪新一代新兴的金属成形技术” 。以美国 为例， a l u m a x z 1 公司于1 9 9 4 年建立了 用半固态成型技术生产汽车零件的工厂，每年可生产 2 4 0 0万个零部件。1 9 9 6 年在阿肯色州筹 建了 第二 个半固 态技术公司， 可生 产从l o g 到i o k g 重， 直 径达 到5 0 0 m m的 零件;1 9 9 5 年该公司生产出近5 0 0 万件汽车零件，已 成为美国汽 车 空 调 箱 体 合 作2 0 0 多 万 件火 箭 支架 底 座; 此外， 德国 的a lu s s iv e / a lu s in g e n 公 司， 意大 利的s t a m p a l 公司， 法国的p e c h i n e y 公 司以 及日 本的 川 崎制铁 公司等 均采用触变成形生产半固 态压铸了 铝合金零件3 1 。 美国宾夕法尼亚洲c t c 公司 用触变成形法生产的 a 3 5 6铝合金铸件机械性能为a b = 3 1 5 m p a , 6 b = 2 6 6 m p a , s = 1 2 % 3 1 。 在美国 和西欧， 铝镁合金半固态成形主要是用于汽车 零件的生 产。 半 中南大学硕士学位论文 固态铸造的投资高于传统的液态金属铸造，但只要充分发挥半固态铸造的质量 好、成形温度低、近净成形的优势，其总成本仍低于传统的压铸。与传统的压 铸相比，仍具有很强的市场竞争力。目 前，半固态加工工业虽然还处于初期阶 段，但其应用前景己十分明显，它可用于汽车、电子、电器、运动器材、摩托 车、自 行车、家用电器等零部件的生产，并在飞机、导弹、火箭、兵器工业中 也有应用。5 - 1 0 1 1 . 2半固态金属工艺原理 1 . 2 . 1半固态在相图中的位置 图1 - 1 是二元系共晶合金状态图的一部分，化学组成为a的合金在液相线 温度t ， 以下， 在固相线温度 ( 这里指共晶温度) t s 以上的温度区域里，固相与 液相共存，即处于半固态 1 1 1 。 在这个温度范围内 的 合金为保持平衡状态， 成分 为a 的固相和成分为a 的液相， 它们以a :b 之比共存， 这就是合金的半固态区。 侧 热 冷 r1 ail (#it1)a aail - 坪 众a 日 栩( 长连区 ) 及 广十 ) 、厂 一、了 一一- 、2 一、r 一、 ) r，t fe2 le,. 告 全 合金元素的比 例 -一 沪 尹 夕飞一/ . 、厂一、 口】 ee z 2 . -0 图1 - 1合金的半固态区图1 - 2 枝晶破碎机理示意图 1 . 2 . 2非枝晶合金形成机理 半固 态金属是由 细小、 等轴的非 枝晶 ( n o n - d e n d r it i c ) 初始晶 粒与 后凝固的 液 相 组 成。 f l e m in g s i l认为 凝固 过 程中 激烈 搅 拌的 合 金 浆 液中 初 始 球形晶 粒的 形 成 与下列枝晶破碎机理 1 2 1 有关，见图1 - 2 0 c 1 )枝晶臂根部断裂机制。由于切变力的作用，枝晶臂在根部断裂，最 _弓 堕叁 塾翌兰望丝二一 初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶体。施加强力搅拌后，产生切变力使枝 晶臂在根部断裂。 ( 2)枝晶臂根部熔断机制。它主要发生在使表面积减少的枝晶长大过程 中。由于液体流动加速液体中的扩散，引起热振动和在根部产生有助于熔化的 应力，促进了此机制的作用，同时在根部固体中较高质量分数的溶质也将降低 熔点，促进局部熔断。 ( 3 ) 枝晶 弯曲 机制。 v o g e l , d o h e rt y 等 人 认 为 枝晶 臂 在 流 动 应力 作用 下 发生弯曲，产生位错导致发生塑性变形。在固相线以上温度， 位错间发生攀移 并相互结合形成晶界，当相邻晶粒的取向 差超过2 0 0c ， 晶粒晶界能超过固一液 界面能的两倍时，液体将润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，使枝晶臂与主干分离 开 图 2 1 给正在凝固的 合金施加强烈搅拌或振动，结晶组织的细化晶粒数会增 加。 其中有关初晶细化机理的讨论，主要有碰接、粒子粗化、 搓磨和弯曲 及合 并生长等机理 1 1 - 1 s ;有关晶粒数增加的机理，目 前还没有定论， 但较流行的观 点是初生枝晶的断 裂机理 1 -2 1 。 在等温搅拌过程中， 枝晶 受剪切力的作用发生塑 j性 变形达到一定程度时，二次枝晶臂与主干分离，形成分散的初生相的颗粒。 这些颗粒视其大小可能长得大，也可能熔化7 ,8 1 。 利用o s w a l d 的熟化理论， 可 进一步研究搅拌中颗粒的长大过程。 1 . 3半固态合金的流变行为 1 . 3 . 1 影响半固态金属流变性的因素 影响半固态合金流变性的主要因素是固相组分。 由初始晶粒的形成机理我们 可以知道， 搅动浆液中的初始固相颗粒的形状与大小主要受下面三个因素影响: 冷速、 搅拌速度或剪切速度和浆液中的固 相体积分 数 1 6 a 冷却速度 ( 。 ) 经过大量的实验研究普遍发现，晶体平均颗粒尺寸的大小随着冷却速度的 提高而减少。一般来说，对于某一指数，偏析间距与平均冷却速度成正比 ( 或 对同一指数来说与 局部凝固时间成正比) ， 可用下式表示 1 2 1 : d = a。 一”d : 树枝 中南大学硕士学位论文 晶臂间距tf : 局部凝固时间 : 平均冷却速度。 冷却速度对晶粒长大主要有两 个方面的影响: ( 1 )由于冷却速度的加大，长大时间减少，因而聚合长大受时间限制， 晶粒尺寸减少。 ( 2 )另一方面，冷却速度的加大，提高了原始晶粒数，原始晶粒单位体 积界面能增大，并且粒子与粒子之间的碰撞机会增加，加剧了聚合长大。 常用的测量冷却率 ( )的方法为: 二t s / r r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 ) 式中: at -凝固 温度 t 局部凝固时间。 当出 现初次固体是， 合金在搅 拌室内的平均冷却速率可按下面公式计算: e ( f ) =t ( f ) /t ( f ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 2 ) 式中:f 金属浆液中初次固体质点的组分比例 ot ( f 液相温度同出口 处浆液的 温度之差 t ( f )- 一一 合金在搅拌室内的平均搅拌时 b剪切速率 ( 丫 ) 剪切速率提高颗粒尺寸减少，相当于增加了原始颗粒的 数目，这和提高冷 却速率是相当的。 并且， 等温搅拌时间越长， 颗粒的长大和孔洞的收缩也越小， 铸件的质量也越高。 测量剪切 速率 ( y ) ( 对搅拌是作环状剪切的 平均剪切率) 的 常用方法， 可 按下面的公式计算: 阁 y =2 3 2 o k/ ( 1 一k ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 3 ) 式中: s 2 0 角速度k 搅拌半的直径与搅拌室的半径之比。 。固相体积百分数( f , ) 在较高温度时，固相分数很小，保温处理促进了大量的晶粒长大，生成疏 松的球状颗粒，平均颗粒体积增加;如果在较高温度搅拌时，固相百分数会变 大，浆液保温处理并不使颖粒长大，而是减少了颗粒的尺寸，这主要是因为搅 6 中南大学硕士学位论文 拌促使了晶粒的断裂，从而减少了晶粒的尺寸。固相组分较大时， 温度相对较 低，从而较好的减少了组织的微观偏析。在剪切速率相同的情况下，有一最佳 成形固相分数，此时材料的性能最好。如z a- 2 2 合金，当在相同剪切速率下， 固相分数为 0 .4 时，抗拉强度和塑性最佳。 可从合金的 相图 上计 算出固 相体积的 百分 数，c .g .k a n g 171 还利 用公式 测量 出了a 3 5 6 合金半固态组织中的固相组分。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 4 ) 夙 t， f 式中:tf :相对应的纯金属的操作温度，t:合金的温度，t 。 金属的熔点 k。 合金的扩散系数。 1 . 3 . 2 . 内变量流变力学模型 半固态合金浆料的固有本质特性依赖于宏观因素，如温度，剪切速率和浆 料微结构特性。这些因素可以转化为一系列的状态变量。 状态变量分为内 变量 和外变量。内变量包括固相颗粒的团化程度，流体粘度，颗粒尺寸，颗粒形貌 和颗粒尺寸的分布。外变量包括温度和剪切速率。而这个内部变量包括两种关 系川 。 第一种关系表明了 材料的状态变量决定其流变行为， 见式5 。 第二种关系 表明了内部变量的变化过程， 见式6 0 t二 .f ( r - , t , s , 力二 “ . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 ) d s p / d t = 5 ， = g , 饥.t s , 、 ) ， 、 p _ k 这 里，t为 应 力 状态， y m 。 为 剪切 速 度， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 ) s , 、 为表观材料状态特性的内部 变量，t 为温度。 中南大学硕士学位论文 1 . 4非枝晶结构半固态金属触变行为 饮焦知扁厂 抢 卜卜脸 奋 盆 状 结构 ( 启 ) 格 架 状 绪 构 ( 卜 珠 链状 结 构 ( ) .+ 一 一 ， -，一， 一，一一 一一 一 气一， 0加 0目翻门 曰口口t 月 时曰目 图2 - 3 触变性流体流动现象的物理解释图2 - 4表观粘度与时间关系图 半固 态 金属的 触变行为( t h i x o t r o p y ) 是 指表观粘 度与 剪切时间的 依赖关系， 反映了半固态金属的依时行为。剪切作用下，合金浆液的表观粘度随时间连续 下 降 。 静 止 时 ， 表 观 粘 度随 之 恢 复 ， 这 就 是 一 种 触 变 性 能 i . m .c .f le m in g s 1 研究了半固态a - 6 .5 %s i 合金表观粘度与剪切速率之间的关系。图2 - 4说明在一 定剪切率作用下表观粘度一定的半固态金属，停止搅拌不同时间，其粘度回升 至不同水平。 恢复同前的搅拌作用， 粘度又很快恢复到原来的稳定值。 这说明， 对半固态金属悬浮液中的固相颗粒， 相互凝聚为大尺寸的结构需要较长的时间。 而破坏这种结构则需很短的时间。对于触变性流体形成的大尺寸结构的物理解 释是多种多样的，比较典型的的说法如下:在分散体系中细微的颗粒又不同的 电 势， 促使 其形成三维的格状结构， 如果分散相具有板片状， 就会搭成如图 2 - 3 - ( a ) 所示的屋状结构， 如果是棒状的分散相， 则会形成不同的 格架状结构， 如图 2 - 3 - ( b ) 所示;而球状分散相则会形成珠链状格状网格， 如图 2 - 3 - ( c ) 所示。当含有球形 固相颗粒的半固态金属完全凝固后， 经过部分重熔时，颗粒间的凝聚作用将增 强。由悬浮体流变学原理可知，液体中存在固相颗粒。固相颗粒的尺寸由以下 因素决定m : ( 1 )合金的化学成分;( 2 )部分重熔开始时的微观组织， 中南大学硕士学位论文 s n - 1 5 %? b 橄一 00, u(0) 0 v u + n ， _ n口 、弓 二 口u l - 盆 习 y , = i t s s = 0 .4 g 1 + a t 1!0 创尽斌 电n门_户 飞 八 厂 义 甲，n又 j、 ，i: ? 汽 c a一 况 一 认 j o (a a (o s = 1 l鑫匕 9 2 0 4 0 .吃 妙 ， 塑1 2 0 男 v i平 y i s) 图2 - 5 网状结构形成和破坏示意图图2 - 6半固态浆料 迟滞回线示意 ( 3 ) 固液线下的加热速率;( 4 半固态的持续时间。 由于 碰撞和凝聚作用， 容 易彼此粘接成较大结构的絮凝结构。这种结构与固 相率有关， 并与一定的剪切 作 用 强 度 相 对 应。 如 果 我 们 定 义 一 个内 变 量 s ( 0 71 ,; 。 相 反， 当 y - 4 0 时， 半固态组织慢慢形成，并且a - 1 , t i _ 1 . 5 . 1 . 2动力学方程 d ) ,/ d t = g ( y ,k ) 它描述了半固态组织变化速率。 如果半固态组织破坏的 速率 与剪切速率和当时的结构成比例的话，组织形成速率将被修正为: d x / d t = a ( l - x ) - b 柳 这里， a 和b 是动力学常数。当 d k / d t = 0 时，即当半固 态浆料处 于 稳态时， 可以 推导出 稳态的 流变方 程: t = r l m + c / ( 1 + b y / a ) y 可以 看出 在这个 相 对简单的 模型中 仅有四 个参量。 表观速率 r l= r l . + c / ( 1 + b y / a ) 并 不是 y 简 单的 幂 函数。 _史 整岁竺竺丝丝兰一一一一一一一 1 . 5 . 2 k u m a r 半固态金属流变模型 k u m a r 等人f2 1 1提出了半固态金属流变模型。 这个模型是在半固 态金属浆液 中用一个标量变量代表s 金属固相粒子团聚程度的情况下推导出来的。当全部 固 相粒子都连接在一起时，即s = 1 ， 半固态浆液处于全聚集态。当 没有任何固相 粒子 相连接时，即s = o , 此时， 半固态金属处于完全非聚集态。 这个模型包括两 个方程，第一代表了在给定s 条件下的材料的流变行为，由下式表示: 了 1、!/ 3 ，、 t gy m , .) / t = a s ) 寸卞户不 t z p f y + k n 十 1 一l c / ， 厂 ) p f . c ( t ) s f y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 7 ) 式中 a ( s ) 一为建立在固相颗粒相貌上的 流体动力学相关系数。 c 一为考虑了固相间被围金属的有效固相分数 c -一对应于固相颗粒随机堆垛得最大部分 c ( t ) 一c o e x p ( n q / r t ) , q 为热激活能。 o f 一为液态金属相的粘度 s 一为状态变量 下面这个方程则表明了状态表量s 的变化 s = h (t , f , x 1 一 s ) 一 r ( t , f 扮”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 8 ) 式 中 h ( t , f ) 一 团 聚函 数 代 表了 固 相 颗 粒的 团 聚。 r ( t , f ) 一 破 碎 函 数 代 表了 固 相 颗 粒的 破 碎 。 1 . 5 . 3其它模型 m a d a 等人12 2 1 模拟了 a 3 5 6 合金的 触变行为和s i c 颗粒的影响。 他们把工作集 中在剪切速率跃变和静态下凝聚过程的变化，他们根据触变性的基本方程得出 半固 态浆料开始受剪切力t 时刻剪切应力t ( t ) 和剪切速率 y 间的 关系: 双 t ) = t e 十 ( t 。 一 、 ) e x p 一 州( a , + b i y ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 9 ) 式中: 。 、 、 分别是等结构剪切应力和稳态剪切应力a l , b 2 常数 当半固态浆料不再承受剪切应力作用并重新凝聚后，又继续受剪切作用时 中南大学硕士学位论文 的剪切应力表达式为: t ( t r ) = t 二 一 ( t 二 一 t e ) e x p i - y t r/ ( a 2 + b 2 y ) ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 0 ) 式中t i - - - 停止时间 率下降后的剪切应力; t m . -c r 一分别是完全凝聚状态的剪切应力和剪切速 a 2 , b 2 常数 q u a a k 等 人 (2 3 1进 一步使方 程i 更 精 确 化， 提出 可 采 用 双 指 数 表 达 式 描 述a 3 5 6 和a 3 5 6 / s ic 合金剪切速率越变后的剪切应力变化情况，即 t ( t ) = t z + ( t o - t e ) f c c e x p ( - t / r , ) + ( 1 - a ) e x p ( - t / x 2 ) ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 1 ) 式中， x i . x 2 是拟和特征因子，是由最初剪切应力和最终剪切应力以 及固相分数 决定的。关于半固态金属触变性质的流变学模型虽然己经取得了一些成果， 但 还有许多工作需要进一步深入的研究。 1 . 6半固态金属成形方法 半固态成形是一个大的概念，它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。目 前， 半固态成形方法的大致可分为半固 态挤压，半固态锻造，半固态压铸 ( 包括流变铸造和触变铸造)等几种主要工 艺类型。2 4 3 0 1 1 . 6 . 1 半固态成形方法和其他成形方法的关系 半固态成形和其他成形方法有着密切的关系，各种加工方法一样，半固 态成型也是在借鉴别的相关成形方法的基础上发展形成的。比如流变铸造和触 变铸造就借用了压铸的工艺方法和模具结构，半固态锻造的工艺和模具与普通 热模锻相近，半固态挤压和轧制则是在金属压加的热轧和热挤压上产生的。 1 . 6 . 2 半固态挤压 半固态挤压的加工工序和热挤压加工情况基本相同，即用加热炉将坯料 加热到半固态， 然后放入挤压模内， 用凸模施加压力， 通过凹模挤出所需制品。 半固态坯料在挤压模内处于密闭状态，流动变形的自由度低，内部的固相成分 和液相成分不易流动，除挤压开始时若干液相成分有先流出倾向外，在进入正 中南大学硕士学位论文 常挤压状态后，两者一起从模口 挤出，在长度方向 上得到稳定均匀的制品。合 金半固态挤压是一致性形的金属成形工艺。由于液相的存在，形变抗力降低， 可减少挤压抗力。 又因为其工作温度处于固液两相区， 与全液态成形工艺相比， 可降低所需温度;加之在适宜的工艺条件下可获得机械性能和内部组织较好的 挤压产品， 尤其是在复合材料成形加工方面具 有优越的应用前景。 t a h a 3 1 1 等人 将常规铸造和通过搅动铸造( s t i r - c a s t i n g ) 制备的 p b - 1 9 % s n部分凝固铸造合金 ( p a r t ia l l y - s o l i d i f i e d c a s t i n g a l l o y ) 在半固 态 进行挤压实 验， 发 现后则 可以 得到 完好的 挤压制品，而常规铸造在半固 态挤压后严重开裂。 k i u c h i 3 z 等人 也对铝基合金及金属基复合材料进行半固态挤压实验， 获得了完好的挤压制品， 但发现半固态挤压成品的力学性能低于固态挤压成品。朱鸣芳阴等人对 z n - 2 0 % a l 合金进行了半固态挤压得出以 下结论: 1 ) 半固态条件下的 挤压成形是 可行的。通过恰当的控制工艺参数，部分凝固铸造合金和常规铸造合金都可获 得优质的半固态挤压成品; 2 )半固态挤压有一个最佳温度范围。 3 )形变速 率增加将使挤压抗力增大， 但形变速率对挤压成品的影响不大。 4 ) 半固态挤压 可消除原始的铸造缺陷，得到优质的挤压成品。半固态挤压和其他半固态成形 方法相比， 研究得最多的是各种铝合金合铜合金的棒、线、管、型材等制品。 制品的内部组织及机械性能容易制造均一，也容易操作，今后应用的前景十分 广阔，特别是难加工材料，粒子强化金属基复合材料，纤维强化金属基复合材 料加工的不可缺少的技术。3 1 -3 8 1 1 . 6 . 3半固态轧制 具有球状晶的金属合金材料加热到处于半固态时，仅有保持其形状不被破 坏的强度，变形抗力很低，这种性质对轧制成形有利，现在开发的一种半固态 轧制工艺是指在轧机的入口处设置加热炉，将被轧制材料加热到所需求的半固 态后，送入轧辊间轧制的方法。对象是板材的轧制成形。试验对象主要是板材 的轧制成形。结果表明，由于固相率的高低不同，具有球状晶的合金材料加热 到半固态时，形变抗力低，这对轧制成形有利。半固杰轧制工戈是轧制的入口 史 y t # r 1 i cl 些乙一一一一一一一一 处设置加热炉，将被轧制的材料加热到半固态后，送入轧辊咬入区内被轧制材 料的变形和流动行为有很大不同。3 9 4 0 1 在被轧制材料的固相率高的情况下 ( 如9 0 %以上) 其变形和固体金属 热轧情况大致相同，内部固相成分和液相成分共同被轧制，可得到均一的轧制 成品。固相率在7 0 %以下时，轧辊间隙中轧制材料的液相成分和固相成分的流 动、变形分别单独进行，由于轧辊施加的压力而引起的静水压力的影响，轧辊 间隙内开始有液相成分从固相间隙溢出，流向 压力减少的方向。即液相成分从 轧辊间隙的入口处被轧材料的表面流出，通常被轧辊冷却凝固后再次被引入轧 辊间隙里轧制成成品， 1 . 7 半固态加工成品的机械性能 目 前，对于半固态加工成品机械性能的研究仅限于铸造合金和少量变形铝 合金。由表 1 - 2 可看出，触变铸造a 3 5 6 铝合金在t 6 热处理后所有机械性能均 高于重力模铸的，接近闭模铸造的。并且触变加工试样具有及高等数学。 态加工铝合金 研究结果表明， a 3 5 7的机械性能与重力模铸的相当，也具有较高的数学。 半固 少量 经半固态加工的变形铝合金未能达到其本身应有的高强度和塑 性。这可能是由于成品本身却陷如缩孔，氧化物夹杂，模具设计，工艺参数控 制等的影响。表1 - 2 表明半固态成形可以不经热处理使用，也可经t 4 . t 5 . t 6 热处理后使用。 t 5 热处理后再经低温回火， 可获得较好的强度与塑性。 t 6 可以 为半固态成形条件提供最佳强度和塑性综合性能。 具体办法为 5 4 0 固溶处理 后淬火，再低温回火。t 4 半固态成形条具体提供很好的韧性。 表 1 - 2半固态加工金属机械性能数据 极 限拉伸强度 ( mp a ) 屈服强度( m p a ) 延伸率 ( %) 材 料一 a 3 5 6 一 a 3 5 7a 3 5 6 a3 5 7 a 3 5 6 1 a 3 5 7 不 经 热 处 理一 2 2 0 .4 8一 2 2 0 .4 8 1 1 0 .2 4 1 1 7 0 1 3 一 1 4 7 t 4( 5 2 0 -c 水 淬2 h ， 室 温 时 效4 天 ) 一 2 4 8 .0 4 2 7 5 . 6 01 3 0 . 9 1 1 5 1 .5 8一 2 0 1 5 t 5 ( 1 8 0 -c , 空 冷2 h )一 2 6 1 . 8 2 2 8 9 .3 8一 1 8 6 .0 3 一 1 9 9 .8 1一 1 0 5 t 6 ( 5 2 0 c ， 水 淬2 h , 1 6 0 时 效7 h ) 一 3 1 6 + 9 不一 3 3 0 .7 2一 2 4 1 . 1 5 一 2 6 1 .8 2一 1 2 9 典型压铸合金 3 3 0 . 7 21 6 5 3()3 典型铸造合金 ( a 3 5 6 t 6 1 ) 2 8 2 .4 92 0 6 . 7 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章实验研究方案 2 . 1研究目的 目 前， 制备非枝晶半固态金属的方法有机械搅拌、 电 磁搅拌、 s i m a , s c r , s e u -9 等方法。由 它们制备的半固态金属均是由 细小、 等轴的非枝晶初始晶 粒与后凝固的液相组成。机械搅拌法存在若干缺点，如比 较笨重、操作困难、 生产效率低、固相率只能限制在3 0 % - - 6 0 %等。电磁搅拌法具有设备复杂、成 本高的缺点。s c r对设备的要求很高，不易广泛推广。s i m a和s e u的最大 缺点是制备坯料的尺寸很小。并且由上述方法制备的半固态合金浆料大多是 s n - 1 5 %p b , a l - 4 .5 %c u , a l - 6 . 5 %s i , a 3 5 6 , a 3 5 7 等合金。从现有的文献可以 看出， 尚 没有制备高铁、 高硅、 高铬铝合金半固态浆料的 报道。 为了探索一种 工艺稳定、 方法简单的制备半固态金属浆料， 特别是制备高铁、 高硅、 高铬铝 合金半固态浆料的新技术， 中南大学的陈振华教授提出了固液混合铸造法。 所 谓 的 固 液 混 合铸 造 ( s o lid - l iq u id - m ix in g - c a s t in g ) 就 是 在 过 热的 合 金 熔体中 加 入 大量的同种合金粉末或润湿性好的异种合金粉末， 实施强烈均匀搅拌至半固态 后进行加工的工艺。固液混合铸造改善组织的三个原因是:1 )大量粉末加入 产生的快冷作用。 2 ) 大量的粉末产生的形核作用。 3 ) 搅拌器破碎粗大晶粒的 作用。 a l - 8 . 7 f e - 1 . 6 v - 1 .3 s i 合金是新一代耐热铝合金的杰出代表。它广泛应用 于 燃 气 涡 轮发 动 机， 导 弹部 件， 飞 机结 构 等 航 空 航 天 领 域 0 ja 1 - 8 .7 f e - 1 .6 v - 1 .3 s i 合金铸造性能非常差，完全不能使用。通常应用r s / p m法、喷射沉积法来制 备高温机械性能好的耐热铝合金。r s / p m法只能制备小件，而喷射沉积又过 于复杂。 固液混合铸造就是基于发现一种制备方法简单、 成本低廉的方法的思 路来制备a l - 8 . 7 f e - 1 . 6 v - 1 . 3 s i 耐热铝合金。 中南大学硕士学位论文 2 . 2 研究方案 2 . 2 . 1材质选择 耐热铝合金a i - 8 . 7 f e - 1 . 6 v - 1 . 3 s i 铸造合金枝晶和析出物相当粗大，平均析 出物尺寸有 。 . 8 m m，最大析出物尺寸有 1 - 2 m m,根本无法应用。而我们提出 的固液混合铸造方法就是一种非常有利于消除粗大枝晶和有害的粗大析出物 的新工艺。 选用 a 1 - 8 . 7 f e - 1 .6 v - l .3 s i 合金应用于固液 混合铸造 ( s o l i d - l i q u i d m i x i n g c a s t i n g ) 简称s - l - m - c研 究， 可以 更 清 楚的 探 讨规 律。 选择a i - 8 . 7 f e - l .6 v - 1 . 3 s i 合金有利于探索s - l - m - c的细晶机理， 有利于发 现一种成本低廉、 制备工艺简单、 性能优良、 可作大件的工艺， 有利于探索实 现工业化生产的方法。 合金通过中频感应炉熔炼、 除气、 除 渣后浇铸而成。 合 金标准成分为a 1 - 8 . 5 f e - 1 .3 v - 1 . 7 s i ， 测得实际合金成分为a 1 - 8 .6 f e - 1 .3 5 v - 1 . 8 s i a f e , s i , v成分均在容许范围之内。合金粉末采用同种合金的氮气雾化粉末。 粉末过筛后的结果如表2 - 1 。为了研究粉末粒度对固液混合铸造合金组织、性 能的影响， 我们采用了一 4 0 - + 1 0 0目、 - 2 3 0 - + 2 7 0目、 - 4 0 0目 三种过筛粉末。 它 们的平均粉末粒度分别为2 5 0 4 m , 6 5 u m , 3 8 4 m 。如表2 - 2 0 表2 - 1 a i - 8 .5 f e - 1 . 3 v - 1 . 7 s i 合金过喷粉末过筛后的结果 礴. 卜+1 0 0 3 5 0 - 1 4 7 - 1 0 0 - . 十2 3 0 - 2 3 0 - 十 2 7 0一7 0 - - + 3 2 5 38146拓 0.596 .5 1 4 7 - 7 4 2 . 9 2 3 2 0 0 - 4 0 0 +40-350098 粉末过筛目 粉末粒度 u m 粉末质量 k g 质量百分比 % 表 2 - 2 实验选用的三种合金粉末 粉末代号 平均粒度 过筛目数 papbp c 2 5 0 4 m6 5 4 m - 4 0 - +1 0 0- 2 3 0 - + 2 7 0 3 8 u m - 40 0 中南大学须士学位论文 22 . 2 研究方案设计 图2 - 1 a 1 - 8 . 7 f e - 1 . 6 v - 1 .3 s 、 固液混合铸造实验流程图 本研究作为对固液混合铸造工艺的初步探索， 在设备的研制和设计上做了 大量工作。 固液混合铸造方法制得半固态金属浆料后， 进行了压铸、 流变挤压、 触变挤压、 热挤等一系列实验。 对固液混合铸造a i- 8 .7 f e - 1 .6 v - 1 .3 s i 合金的成 形特性进行了诸多实验。 最后， 通过对 a i - 8 . 7 f e - 1 .6 v - 1 .3 s i 合金耐磨性能的研 究，初步探索了合金的摩擦磨损机制。整个实验过程工艺如图2 - 1 . 2 . 2 . 3检测与分析 1 . 金相观察 在固液混合铸造、流变挤压、触变挤压、压铸、热挤后的坯料中取若干小 块样。 采用x q - 2 型金相镶嵌机镶样。 先经1 5 0 , 2 8 0 , 4 0 0 # , 5 0 0 # 水磨砂纸 进行粗磨和细磨到样品无深划痕， 然后用细氧化铬抛光粉抛光， 直至样品光亮 如镜，没有划痕。浸蚀剂为2 % h n 岛+ 2 % h f 水溶液， 3 秒钟后，立即用脱脂 棉球和清水将表面洗干净。吹干后在 q - 2 0 0型定量分析金相显微镜上观察组 织，并测出析出物晶粒度。 中南大学硕士学位论文 2 . 力学性能 a l - 8 . 7 f e - 1 . 6 v - 1 . 3 s i 合金铸造样、 流变挤压和触变挤压试样的拉伸性能均 在 c s s - 4 4 1 0 0型电 子万能试验机上进行。 热挤压试样的拉伸性能进行了 室温 和高温情况下的测定。一部分在 c s s - 4 4 1 0 0型电子万能实验机上进行，样品 规格如图2 - 2 一部分在i n s t r o n 8 0 3 2电子拉伸机上进行，样品规格如图2 - 3 e 口 s 口 占 . . . . . . . . . . -应 6 . . . . . -ee. . . ee， ， ， 图2 - 2室温拉伸试样图2 - 3高温拉伸试样 3 .扫描电镜 ( s e m) 将室温和高温拉伸后的试样， 取部分典型试样在 k y k y - a mr a y扫描电 镜上进行断口、裂纹、组织磨损面进行e d a x和扫描分析。 4 . x射线衍射分析 ( x r d) 对铸造、 不 加粉试 样、 s - l - m - c 试样进行x - r a y 衍射分析， 物相组成可以 计 算出 来。 所用设备 为b d - 9 0 型自 动x - r a y 衍射 仪。 5 .耐磨性能检测 采用m g - 2 0 0 0 型高速高温摩擦磨损试验机上测定试样干摩擦性能. 试样 旋转半径为1 5 m m , 摩擦对偶盘采用w1 8 c r 4 v ， 试样规格为g d 6 x 1 5 m m， 试验 压力为5 0 n ,线速度为 。 . 3 2 m / s ， 行程5 0 0 m 中南大学硕士学位论文 第三章s - l - m - c 制备a l - 8 . 7 f e - 1 .6 v - 1 .3 s i 合金锭坯设备和工艺研究 3 . 1前言 我们自 行设计了固液混合铸造的实验设备。 设计的主要思想是:1 )能够保 证获得稳定精确的半固态区间。 2 ) 能够保证粉末均匀的加入到金属熔体中。 3 ) 能够保证良好的搅拌破碎效果。4 )能够有效的防止半固态浆料的氧化。5 )能 够便于半固态浆料的移送。为了体现以上五个方面的设计思想，我们制造了如 图3 - 1 所示的设备。 3 . 2主要设备图 氮