半固态合金流变成形技术的研究现状与发展

1、收稿日期:2004206228收到初稿,2004208203收到修订稿。作者简介:冯鹏发(1972-,男,陕西凤翔人,博士生,主要从事轻合金加工技术研究。电话:010*,E 2mail :fpf02mails 1tsinghua 1edu 1cn半固态合金流变成形技术的研究现状与发展冯鹏发,唐靖林,李双寿,曾大本(清华大学机械工程系,北京100084摘要:系统总结了半固态合金流变成形技术的研究进展和工业应用现状。按照半固态浆料的制备方法及制浆与成形之间的关系,分别介绍了机械搅拌式流变铸造、电磁搅拌式流变射铸、倾斜板浇注式流变铸造、液相线铸造(模锻和Semi 2Solid Rheocasting

2、 (SS R TM 技术的成形原理、技术特点、设备结构和工业应用现状,分析了其发展前景。关键词:流变成形;浆料制备;非枝晶半固态合金中图分类号:TG 24919文献标识码:A 文章编号:100124977(20041220963205Progress and Prospect of Research and Application ofSemi 2Solid Alloy Rheoforming ProcessesFE NG Peng 2fa ,T ANG Jing 2lin ,LI Shuang 2shou ,ZE NG Da 2ben(Department of Mechanical Eng

3、ineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China Abstract :The research progress and industrial application of the semi 2solid alloy rheocasting processes are comprehensively presented.According to the preparation methods of semi 2solid alloy slurry and their relations with the workpiece forming

4、,mechanical stirring rheomoulding processes (including the single 2screw rheomoulding ,the twin 2screw rheomoulding ,and several modified processes ,electromagnetic stirring rheocasting processes (including process of stirring in shot sleeve invented by Shibata ,and three modified processes ,process

5、 using a cooling slop e and its modification ,UBE New Rheocasting (UN 2RC ,liquidus casting/forging and Semi 2Solid Rheocasting (SSR T M are respectively described in detail.And the fundamentals ,features ,equipments ,application and pro spects of the processes are evaluated.Keywords :rheoforming ;s

6、lurry preparation ;nondendritic semi 2solid allo y半固态成形技术通常分为流变成形和触变成形两大类。起初由于流变成形中半固态浆料的状态保持及输送等方面存在较大困难,流变成形的研究和工业应用进展缓慢,因此长期以来,半固态成形技术的研究和应用主要集中在触变成形。但是,触变成形技术逐渐暴露出很多问题:传统制坯方法(主要是电磁搅拌的效率低、能耗高,导致半固态合金坯料成本较高(坯料成本占零件成本约40%1;重熔的能耗高,坯料表面氧化严重,而且加热过程坯料流失严重(流失高达10%1,2;坯料的成分、晶粒形状和晶粒分布的不均匀性直接影响浆料质量2;生产废料无法

7、及时回收利用,必须返回到坯料制备车间或坯料生产厂,增加了生产成本1。这些问题极大地限制了触变成形技术的发展。因此从20世纪90年代以来,各国的研究人员又重新确定将流变成形作为半固态成形技术的重点研究方向,并取得了较大进展。到目前为止,仅美国、欧洲、日本、中国大陆、中国台湾等主要工业国家和地区的流变成形技术专利就达40多种(排除同一技术在多国申请专利的情况。下面按照半固态浆料的制备方法以及制浆与成形之间的关系,分类论述这些流变成形技术的成形原理、技术特点、设备结构和工业应用现状,并分析其发展前景。1机械搅拌式流变射铸技术传统的机械搅拌式流变铸造中,半固态浆料的保存比较麻烦,需要对保存坩埚或储存室

8、进行预热和保温,半固态浆料的输送也不方便,要么输送容器为一次性消耗品,在流变铸造时被压碎并混入浆料中而难以分离,要么半固态浆料容易粘附在输送坩埚的内壁上,需要不断清理坩埚,无法准确保证流变铸造所需的浆料体积,使流变铸造很难顺利进行1。因此,传统的机械搅拌式流变铸造一直无法进入实际应用。目前进入商业应用的机械搅拌式流变铸造技术只有流变射铸(Rheomoulding 。1996年,美国Cornell 大学Wang Kuo K.等人首次将塑料的注射成形(Injection Moulding 原理应用于流变铸造中,发明了流变射铸成形技术(图13。这种技术集半固态浆料的制备、输送、成形等过程于一体,较好

9、地解决了半固态浆料在状态保持及输送等方面存在的困难。其工作原理:液态合金进入料筒后,在依靠重力下行的过程中,受到螺旋的连369Vol 153No 112Dec.2004铸造FOUNDRY续机械搅拌作用,并不断冷却,得到半固态浆料,浆料积累到一定量后,由注射装置注射成形。上述过程全在保护气体下进行 。11给料器21螺杆31料筒41加热线圈51冷却管61绝热层71浆料累积区81绝热层91浆料注射口101加热线圈111单向阀图1单螺旋流变射铸系统Fig 11Schematic of the single 2screw rheomoulding system该系统必须严格控制料筒内和浆料注射口处的温度

10、。以Sn 215Pb 合金为例,当固相率为30%50%时,料筒和浆料压射口的温度每变化1,固相率将变化312%919%。因此,该系统的温度控制精度必须+0153。这种方法由于搅拌螺杆没有推进运动,设备必须垂直安装,而且单螺旋搅拌产生的剪切率很低(只有200s 21左右3。北京有色合金研究总院张奎等人于2002年提出两种原理和结构与之相近的流变射铸系统4,5,不过整个系统呈水平放置,因而整个系统装配简单。1997年,我国台湾彭暄等人开发出镁合金流变射铸系统6。该系统主要由熔化供料单元、浆料产生单元和搅拌注射单元三部分组成,其原理如图2所示。熔化供料单元制备的液态合金,依靠重力作用进入浆料产生单元

11、后,在快速搅拌和快速冷却条件下到达固液区,形成具有大量微小晶粒的半固态浆料;这些浆料随后进入外侧绕有恒温元件的搅拌注射单元,在此恒温条件下再次受到持续搅拌作用,制得组织优图2彭暄等人开发的流变射铸系统Fig 12S chematic of the rheom oulding system invented by Peng Xuan et al异的半固态浆料;最后定量压入压铸机型腔成形。该系统把浆料产生单元的快速冷却和搅拌注射单元的恒温分开控制,在温度控制方面更加容易,且互不干扰;经过搅拌注射单元的持续恒温搅拌,可制备组织更佳的半固态浆料;浆料产生单元的浆料制备过程不受压铸机效率的影响,可预先制

12、备大量的半固态浆料,适合于大型铸件的生产。但是,Flemings 等人认为,在合金温度低于液相线时进行搅拌,对最终的显微组织影响甚微7,8。1999年,英国Brunel 大学范仲云等人提出了双螺旋流变射铸技术(图39,10,其原理是利用双螺旋的旋转使其内部浆料呈“8”字形运动,产生剧烈的紊流,增加切变率,以达到细化晶粒、均匀成分的目的。相对前面几种单螺旋机构,这种双螺旋机构最大的优势在于:可以达到500010000s 21的极大剪切率,因此浆料晶粒的细化和球化程度显著得多,而且制件各部分的组织均匀性极好9。Sn 215Pb 和Mg 230Zn 合金的搅拌试验表明:在大剪切率或高强度紊流下,半固

13、态浆料中的初生固相尺寸非常细小、圆整、大小均一、分布均匀,并且很少发现初生固相的集聚现象10 。11加热元件21坩埚31柱塞41料筒51加热元件61冷却管道71料筒内衬81球阀91模具101型腔111加热元件121压射套筒131双螺杆141活塞151料筒端盖161驱动系统图3双螺旋流变射铸技术Fig 13Schematic of the twin 2screw rheomoulding process2001年,华中科技大学罗吉荣等人对双螺杆结构进行改进,把两个螺杆的螺纹从原来的单一导程、单一错列角改为多导程、多错列角,保证浆料在不同温度阶段,受到不同剪切作用,制浆效果更加理想11。同年,北京

14、科技大学康永林等人在双螺旋结构的基础上,开发出带沟槽的双锥筒结构流变射铸系统(图412,利用传统磨盘转动时形成的剪切变形,使合金液在内外筒的沟槽间隙中受到均匀的剪切,以改变双螺旋机构在螺纹的啮合处及根部剪切变形不均匀的缺点,使得各部分浆料受到基本一致的枝晶破碎作用。无论单螺旋机构、双螺旋机构,还是它们的改进结构,机械搅拌式流变射铸技术都存在以下问题:469Dec.2004FOUNDRY Vol 153No 112 (a 整体结构(b 外锥筒(c 内锥筒11塞杆21保温元件31单向阀41推杆51压室61模具71浆料81外锥筒91内锥筒101冷却管111加热管道图4双锥筒结构流变射铸系统Fig 1

15、4Schematic of the conical twin 2barrel rheom oulding system搅拌元件不可避免地对浆料产生成分污染;浆料容易粘附在搅拌元件上,限量阀较难连续正常工作,无法准确保证工件所需的浆料体积,使流变射铸很难顺利进行;由于搅拌元件工况差(高温、高强度扭矩,搅拌元件的材质、性能要求较高(高温强度、高温耐磨性、耐蚀性和抗蠕变性等;搅拌元件消耗高,寿命短;尽管搅拌机构采用H11、H13、H21,甚至复合材料等高温性能优异的材料,但仍然只能进行Al 合金、Mg 合金、Zn 合金和Sn 2Pb 合金等低熔点合金的流变成形。目前,所有流变射铸工艺尚未达到实际应用

16、水平,正处在设备完善和生产工艺优化阶段。有报道称,只有AZ91D 合金采用流变射铸技术试生产出汽车、计算机和照相机零件毛坯13。2电磁搅拌式流变铸造技术最早开始电磁搅拌式流变铸造研究的是日本Hi 2tachi 公司Shibata 等人。他们于1995年前后提出在压铸机压室内进行电磁搅拌,制备出半固态浆料后直接压射成形的思路14;并开发出图5所示的流变压铸系统15。该系统从1999年开始应用于汽车零件的生产1。其工作原理是:通过电磁泵和热吸管把保温炉中的合金液直接送入压铸机压室,保证合金液少氧化、少卷气;再通过氩气净化,进一步减少合金液中的氧化夹杂物,通过压室外的感应加热器, 均匀合图5Shib

17、ata 等人开发的流变压铸系统Fig 15Schematic of the rheocasting system invented by Shibata et al金液的温度场;然后通过电磁搅拌制备半固态浆料,最后将浆料送入模具型腔压铸成形。该系统虽然开创了非接触式制备浆料流变铸造的先例,但是也存在很多有待改进的地方:对合金液输送装置要求较高;压室结构较为复杂;电磁搅拌制备浆料的效率较低;压室内壁处的浆料存在部分枝晶,组织均匀性不够理想。2002年,韩国学者洪俊杓等人提出一种新型的电磁搅拌流变铸造系统,较好地解决了Shibata 等人工艺的不足(图616。该系统在合金液送入压室前启动电磁搅拌,

18、不仅可以促进合金液形核,从而缩短制浆时间,提高压铸效率,而且可以在压室的中央和内壁之间有效搅拌合金液,使得压室内热流传递充分,温度均匀,保证各部分浆料组织均匀,抑制压室内壁处因激冷而出现枝晶 。11浇包21电磁搅拌器31压室41挤压头51电磁搅拌器61浇道71型腔81档板91导流管图6洪俊杓等人开发的流变压铸系统Fig 16Schematic of the rheocasting system invented by H ong Chun 2pyo et al同年,北京科技大学毛卫民等人提出两段式电磁搅拌制浆流变铸造系统17。其工作过程是:将低过热度(过热530的合金液浇入承接容器中,同时施加

19、短时间弱电磁搅拌即低功率搅拌,初步得到球状初晶半固态浆料;经过进一步冷却或保温,使浆料冷却至特定温度或达到预定固相率(该温度高于合金的平衡固相线温度或不低于浆料的直接成形温度,球状初晶得到进一步圆整化,得到组织优异的半固态浆料;最后将圆整化后的浆料送入压室压铸成形。该系统的制浆技术与彭暄等人开发的机械搅拌式流变射铸系统6思路相近,即采用两段式,先产生半固态浆料的“种子”,再经过后续处理得到组织和成形性能优异的半固态浆料。该系统可以成形非常复杂的零件,且改变了以往合金熔体大过热度(50以上,大功率电磁搅拌(电磁搅拌剪切率一般为5001500s 21高能耗的缺点,降低了生产成本。相对机械搅拌式流变

20、铸造而言,电磁搅拌式流变铸造最大的优势在于非接触性,从而保证了半固态浆料的质量,而且电磁搅拌易于调节。但是,它也存在很大的不足:电磁搅拌的效率较低;压铸机压室部分569铸造冯鹏发等:半固态合金流变成形技术的研究现状与发展 的机构改造较为复杂。目前,除了日本Hitachi 公司开发的压室制浆流变压铸技术用于实际生产外,大部分电磁搅拌式流变铸造尚未达到实际应用水平,正处在设备完善和生产工艺优化阶段。3其它流变铸造技术311倾斜板浇注式流变铸造技术1996年,日本UB E 机器公司开发出倾斜板浇注式流变铸造技术18,19,其工艺原理如图7所示。将合金液浇注到一个倾斜板上,通过对倾斜板进行控制性冷却(

21、例如水冷,合金液产生适当的冷却凝固,当合金液下滑到模具浇口时,获得低熔点残余液相中弥散着球状初生固相的半固态浆料,然后通过压铸等方式成形 。图7日本UBE 公司开发的倾斜板浇注式流变铸造技术Fig 17Schematic of process using a cooling slope inventedby UBE Corp.,Japan该技术原理和设备简单,但是浆料质量(如固相均匀性难于保证。于是,UB E 公司对其冷却方式和后续处理进行了改进,开发出一种称为UB E NewRheocasting (UNRC 的新工艺(图818,19。首先,把合金液浇注到坩埚,通过向坩埚四周吹气控制一定的冷

22、却速度,使合金液中的初生固相呈球状,均匀分布在低熔点的残余液相中,初步得到半固态浆料;然后,通过温度调整和机械翻转,获得尽可能均匀的固相率;最后半固态浆料送入压铸机型腔压铸成形 。图8日本UBE 公司开发的UNRC 流变铸造工艺流程Fig 18Schematic of UNRC process invented by UBE Corp.,JapanUNRC 技术最大的优点,浆料制备系统与零件成形系统分离,无须对成形机构进行大的改造。UB E 公司已于1999年推出HVSC 2PL 型流变压铸样机,并已经在意大利Stampal 公司等投入使用18,19。现在UNRC 技术正进行后续研究,比如废品

23、的回收等。1998年前后,日本Takata 公司K ono Kaname 也发明了一种倾斜板浇注式流变铸造系统(图920。其工作过程:在给料器内保温后的合金液,通过给料阀进入料筒,依靠料筒外侧的多组加热元件形成的降温梯度,当合金液从料筒顶部到达下端口时,由纯液态转变为半固态浆料(搅拌桨可使半固态浆料各部分的固相均匀;半固态浆料通过球形阀进入积聚室保温,当积累到一定量后,压射进入型腔成形。该系统中,料筒外侧的多组加热元件能否沿料筒长度方向形成合理的温度梯度,以及料筒的倾斜角度能否保证合金液顺利下落,并具有足够的时间完成由液态到半固态的转变,是制备半固态浆料的关键。以Mg 合金为例,共需要600、

24、580、550三个温度20 。11给料器31料筒41推杆61缸体71浆料积聚室91球形阀2、101搅拌桨5、8、11、121加热元件图9K ono Kaname 开发的倾斜板浇注式流变铸造系统Fig 19Schematic of process using a cooling slope invented by K ono Kaname312液相线铸造(模锻技术2000年,东北大学崔建忠等人21,22和哈尔滨工业大学罗守靖等人23,24分别从铸造和液态模锻的角度,提出了液相线铸造(模锻的新型半固态成形技术。所谓液相线铸造(锻造,是将低过热度的合金液冷却至液相线温度保温一定时间后注入模具型腔,并

25、施以机械静压力保压,便可获得球晶组织的半固态制件。其原理如图10所示 。图10液相线铸造(模锻技术示意图Fig 110Schematic of liquidus casting/forging process该技术的核心是,通过低过热度浇注(控制在液相线以上35和整体加压效应,破坏枝晶形成的形核条件和长大条件。多数合金在高压凝固时,凝固点随压力增加而呈直线上升,在封闭型腔内对合金施加静压力,可使压力遍及整个合金液,内外层合金产生凝固点同等上升的效果。低过热度浇注保证合金液进入型腔后,处于低过热或零过热状态,随即施压,合金凝固点上升,整个合金液同时进入过冷状态,实现同时生核。在以后的长大过程中,

26、受到相邻晶核长大阻力的影响,不可能或极少形成发达的枝669Dec.2004FOUNDRY Vol 153No 112晶,从而得到球晶组织。为防止合金液进入模具型腔后外层激冷优先形核,模具型腔必须预热到一定温度。313Semi 2Solid Rheocasting (SSR T M技术2000年,美国M IT 学者Flemings 等人提出Se 2mi 2Solid Rheocasting (SSR TM 技术,并在2001年北美压铸协会上讨论,2002年该技术转让给Idra Cast 2ing Machines 公司7,8。该技术的工艺过程如图11所示。首先将低过热度的合金液(以A356合金为

27、例,过热度仅为7送入坩埚中,用搅拌棒对坩埚中的合金液进行短时间、小强度的搅拌,使合金熔体冷却到液相线温度以下(低于液相线2,然后移走搅拌棒,待坩埚中的半固态浆料冷却到预定的温度或固相率后,将其倒入压铸机压室压铸成形 。图11SSR TM 技术示意图Fig 111Schematic of the SSR TM processM IT 的研究表明,制备非枝晶半固态浆料的关键因素是:在合金冷却经过液相线时,形成快速冷却与对流的复合作用,保证合金液各处均处于形核和凝固中;形成极少量的初生晶核(以A356合金为例,固相率达到3%后,搅拌就失去了作用,即可停止搅拌,初生晶粒就会长大成球状晶粒;合金温度低于

28、液相线时进行搅拌,对最终的显微组织影响甚微。分析浆料制备的原理可以看出,倾斜板浇注式流变铸造、液相线铸造(模锻和SSR TM 技术,已经改变了机械搅拌和电磁搅拌依靠外力来打碎枝晶,获得球化的传统思路,直接从球形晶粒形核、长大的热力学和动力学条件上着手。从整个工艺流程来看,这些新型的制备方式简单,便于过程控制,生产成本低。因此,这些新型流变铸造技术的发展和工业应用前景十分光明。参考文献:1毛卫民,白月龙,陈军.半固态合金流变铸造的研究进展J .特种铸造及有色合金,2004,(2:482杨湘杰,郭洪民.半固态浆料制备技术发展动向及其对策J .江西冶金,2003,23(6:75793Wang Kuo

29、 K ,Peng Hsuan ,Wang Nan ,et al.Method and appara 2tus for injection molding of semi 2solid metals P .US Patent 5501266,19964张奎.合金半固态浆体制备及成形的装置P .中国专利:02253647.7,20025张奎.合金半固态浆体制备及成形的装置P .中国专利:02253915.8,20026彭暄.半固态合金射出成型的方法和装置P .中国专利:97120579.5,19977Yurko J A ,Martinez R A ,Flemings M C.Commercial

30、develop 2ment of the semisolid rheocasting (SSRTM process J .Metal 2lurgical Science and Technology ,2003,21(1:10158Flemings M C ,Martinez R A ,Figueredo A M.Metal alloy compo 2sitions and process P .US Patent 20020096231,20029范仲云,Bevis M J ,季守循.生产半固态合金浆液以及成形部件的方法与设备P .中国专利:00816228.X ,200010Ji S ,F

31、an Z ,Bevis M J.Semi 2solid processing of engineering alloysby a twin 2screw rheomoulding process J .Materials Science and Engineering ,A299(2001:21021711罗吉荣,吴树森,宋象军,等.半固态合金浆料的制备装置P .中国专利:01212744.2,200112康永林,安林,孙建林.转筒式半固态合金浆料制备与成形设备J .中国专利:01109074.X ,200113毛卫民,赵爱民,崔成林,等.半固态金属铸造的应用及研究现状A .第二届有色合金及铸造国际会议论文集C .上海:中国铸造协会,2001.152214Shibata R ,Kaneuchi T ,Soda T ,et al.New semi 2liquid metalcasting process A .Proc.of the 4th Int.Conf.on Semi 2Solid Processing of Alloys and Composites C .England :University ofSheffield ,1996.29630015Shibata R ,Kaneuchi T ,Soda T ,et