中國壓鑄雜志
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5347雷锋一肖中特免费公开资料:半固態壓鑄技術研究發展現狀

作者:admin 來源:未知 發表時間:2012-08-10
賀睿  李雷 王強  謝水生
 
摘要:回顧了半固態壓鑄技術的發展歷史,介紹了其國內外研究現狀,包括半固態金屬觸變壓鑄和流變壓鑄工藝,重點介紹了鋁合金及鎂合金半固態壓鑄技術研究及應用現狀,討論了半固態壓鑄成形技術存在的問題及發展策略。
 
關鍵詞:半固態成形;壓鑄;流變成形;觸變成形
 
金屬半固態加工技術自美國麻省理工學院的DavidSpencer于1971年首次提出至今已有30多年,開發出來的半固態觸變成形工藝和觸變注射工藝已經在鋁合金汽車零部件和鎂合金3C殼體上獲得了工業化應用。半同態技術從20世紀90年代開始產業化,現已進人工業實用化階段。歐美、日本等發達國家在此領域的開發研究和工業應用方面處于領先的位置。半同態壓鑄成形技術作為一種先進的壓鑄技術,目前在世界范圍內正得到很大的發展。與傳統全液態壓鑄技術相比,該技術在節能、提高壓鑄件性能、改善壓鑄件內外質量及延長壓鑄模具壽命等方面具有無可比擬的優越性。
 
1 半固態金屬成形方法及特點
 
目前,應用在工業上的半固態金屬成形方法主要有:半固態壓鑄、半固態擠壓、半固態模鍛、半固態壓射成形以及半固態鑄造和鍛造復合法等。與普通的加工方法相比,金屬半固態加工技術具有許多優點:半固態成形充型平穩。無湍流和噴濺,加工溫度低,凝固收縮小,因而鑄件尺寸精度高,半固態成形件尺寸與成品零件幾乎相同,可以做到少或無切削加工;半固態成形凝固時間短,有利于提高生產率;半固態合金已釋放了部分結晶潛熱,因而減輕了對成形裝置.尤其是模具的熱沖擊,使其壽命大幅度提高:半固態成形裝置表面平整光滑,鑄件內部組織致密,內部氣孔、偏析等缺陷少,晶粒細小,力學性能高,可接近或達到變形
 
材料的力學性能:應用半固態加工工藝可改善制備復合材料中非金屬材料的漂浮、偏析以及與金屬基體不潤濕的技術難題,這為復合材料的制備和成形提供了有利條件;半固態漿料成形壓力低,容易制備大件.成形速度快.可以成形結構和外形復雜的零部件:容易實現連續化和自動化生產,過程可控性能較強。
 
半固態壓鑄技術通常分為兩種:第一種將半固態漿料預先制成一定大小的錠塊,需要時再重新加熱到半固態溫度,然后送入壓室進行壓鑄,稱為觸變壓鑄:第二種將半固態坯料直接壓射至型腔里形成制件,稱為流變壓鑄。
 
2 半固態金屬壓鑄成形
 
2.1 半固態金屬觸變壓鑄成形
 
半固態金屬觸變壓鑄成形工藝主要包括三個工藝流程:半固態金屬坯料的制備、半固態金屬坯料的二次加熱和半同態坯料的觸變壓鑄成形。
 
半固態坯料的制備是半固態金屬觸變壓鑄成形技術的基礎和核心環節.其質量的優劣和穩定性的好壞是保證后續工藝穩定和最終產品質量的關鍵。目前工藝最成熟、應用最廣泛的是電磁攪拌法。該方法不存在攪拌器同金屬液池的接觸,對熔體污染小。而且電磁場可以人為控制。此外,電磁攪拌同連鑄設備相結合可連續生產坯料,并且此環節可獨立于觸變壓鑄而單獨進行生產,這樣有利于控制坯料的生產和降低生產成本。因此在工業上此法被普遍采用來批量供應半固態鋁、鎂合金坯料.如美國Alumax 公司、瑞士Alusu—isse—Lonza公司、德國EFU 公司和法國Pechiney公司 。
 
二次加熱是金屬半固態觸變壓鑄成形的重要工藝階段之一。二次加熱工藝的好壞將對后續的觸變壓鑄成形過程產生直接影響,并最終影響到半同態成形件的質量。二次加熱在半固態觸變壓鑄成形過程中起著承上啟下的作用,從微觀組織結構方面來看,就是要進一步改善半固態坯料的微觀組織結構,為后續的壓鑄成形作好準備。經過二次加熱的半固態坯料不僅要求達到合適的固液相比例,而且還必須確保同相晶粒在一定尺寸范圍內向球形轉化。
 
有多種裝置可以用來二次加熱,如電磁感應爐、電阻爐、鹽浴爐等。采用電阻爐和鹽浴爐加熱,可以精確控制溫度,但是加熱所需時間長,顯微組織容易粗大,坯料表皮氧化嚴重,所以一般只,適用于實驗室研究。目前真正投入工業應用的是電磁感應加熱方式,其中的中頻感應加熱方式是進行大批量半固態生產的最佳選擇。其主要優點是清潔、高效、可控,能適應用戶對半固態合金坯料尺寸變化的需要,能耗相對較小且熱穿透能力強。
 
在半固態金屬觸變壓鑄成形工藝中.成形設備性能的優劣將會直接影響到觸變壓鑄成形的正常進行,并最終影響到成形件的質量。早期在研究半固態金屬觸變壓鑄成形和觸變鍛造成形中.一般都是在全液態金屬壓鑄的壓鑄機和固態金屬鍛造成形的液壓機上進行。由于半固態金屬的特殊性質,半固態金屬觸變成形對觸變成形設備的力學條件也有所不同。為了滿足半固態金屬觸變成形的特殊要求.世界上許多公司又根據半固態金屬觸變成形的特殊要求,對全液態金屬壓鑄機或者全固態金屬鍛造的液壓機進行了重新設計和改造。制造出了許多型號的半固態觸變壓鑄成形的專用設備。
 
目前歐洲、美國及日本等國已生產出專門用于半固態加工的成套壓力設備。瑞士Buhler公司于1993年生產出世界上第一臺適合鋁合金半固態壓鑄的SC壓鑄機。這臺壓鑄機采用電磁攪拌連續鑄造出的坯料,在感應加熱至半固態(大約60%固相率),然后送人擠壓筒壓鑄成形。意大利Idra、Italpress.英國Servotest, 日本Toshiba Ma—chine,美國Prince Machine、EPCO、HPM 等公司生產半固態加工的專用壓力機。
 
國內目前尚沒有供半固態成形專用的壓鑄機,因此需要在傳統液態壓鑄機的基礎上進行改進。以適應半固態觸變成形的需要。改進主要包括添加加熱裝置、實時控制裝置,以及對壓射系統及模具系統的改進。
 
半固態金屬觸變壓鑄成形工藝的一個顯著優點是容易實現自動化。為了提高半固態金屬觸變壓鑄成形的生產效率和生產工藝的控制水平,穩定地進行觸變壓鑄成形。實際的半固態金屬觸變壓鑄成形過程中除了壓鑄機的電磁感應加熱設備外,還需要一些配套的輔助設備,如抓取坯料機器人、抓取成形件機器人、噴涂料機構、冷卻系統、澆注系統切割鋸等。這些輔助設備與主機之間要協調配合.共同完成半固態金屬的觸變壓鑄生產。
 
2.2 半固態金屬流變壓鑄成形
 
半固態金屬的流變壓鑄是最早進行研究的半固態金屬成形工藝,然而,早期通過強烈機械攪拌獲得的半固態合金漿料的保存和輸送很不方便,因而半固態合金流變鑄造技術的進展很緩慢,一直沒有出現成熟的技術。與此同時,工藝流程較長的觸變鑄造卻獲得了較大規模的應用。但是,經過多年的生產實踐和深入研究發現,采用觸變鑄造技術尚存在五大工藝問題:①半固態鋁合金坯料成本高.制備坯料時額外高出約40%的費用;② 傳統電磁攪拌的功率大、效率低、能耗高;③ 傳統電磁感應重熔加熱的能耗高,坯料表面氧化嚴重,而且加熱時坯料總會流失部分金屬,占坯料質量的5%~12%;④ 坯料的液相分數不能太高,否則非常復雜零件的成形困難;⑤鋸屑、坯料重熔加熱時的流湯、澆注系統(占坯料質量10%-20%)和廢品(所有回爐料約占坯料質量的40%~50%)不能馬上回用,必須返回到坯料制備車間或坯料供應生產廠,增加了成形生產成本。
 
為了解決上述難題和進一步降低生產成本,擴大半固態合金鑄造的應用,近年來,半固態金屬鑄造技術領先的國家重新將半固態合金漿料直接鑄造成形技術作為降低生產成本的主攻方向。半固態合金流變鑄造技術的研究越來越受到重視,一些新的流變鑄造方法正在取得突破性的進展。傳統液態壓鑄采用人工或自動給料機運用湯勺將合金熔體喂入壓室。在觸變壓鑄成形技術中,二次加熱后的半固態合金漿料具有一定的剛性和圓柱外形,夾持和搬運相對容易,只要保證在輸送過程中沒有過多的溫度下降,采用專用夾持工具可以比較簡便地將合金漿料送入壓室。而流變壓鑄成形技術所用半固態合金漿料是在生產現場直接制備的.既沒有規則的外形,無法設計專門的輸送工具,也不具有像合金熔體一樣的良好流動性,
 
無法用湯勺舀倒。因此借助外界工具實現流變壓鑄成形半固態合金漿料輸送過程有一定難度。流變壓鑄成形半固態合金漿料輸送過程有三個要求:輸送過程中漿料溫度下降幅度不宜過大;輸送工具不能對漿料產生污染:便于漿料倒入壓鑄機壓室或液壓模具型腔在早期的研究中,美國MIT的Mehrabian和Riek等人曾經研究過A380鋁合金和905銅合金的半固態流變壓鑄,這兩種合金的半固態漿料都是通過機械攪拌方法制備的。通過非連續機械攪拌裝置制備A380鋁合金半固態漿料,在攪拌制備過程中,當A380鋁合金冷卻到適宜的固相分數時,將坩堝中的漿料送入壓鑄機的壓射室進行流變壓鑄成形。
 
為了克服半固態流變壓鑄成形技術要保證漿料在半固態溫度下輸送很不方便這一缺點,日本公司設計制造了流變鑄造機來實現流變成形。其工藝流程是將鎂粉加人高溫螺旋混合機.一邊加熱一邊旋轉剪切推進,使鎂合金獲得具有流變性的半固態狀態,隨后射入模具型腔成形。也有人把流變鑄造成形稱為射鑄成形。
 
1996年, 日本UBE公司申請了非機械或非電磁攪拌的低過熱度傾斜板澆注式的流變鑄造技術專利,也稱為NewRheoc-sting,簡稱NRC。該技術的核心內容是:首先降低澆注合金的過熱度,將合金液澆注到一個傾斜板上,合金熔體流入收集坩堝,再經過適當的冷卻凝固,這時的半固態合金熔體中的初生固相就呈球狀,均勻分布在低熔點的殘余液相中,最后對收集坩堝中的合金漿料進行溫度調整,以獲得盡可能均勻的溫度場或固相分數,就可以將收集坩堝中的半固態合金漿料送人壓鑄機的射室、擠壓鑄造機的射室或鍛造機的鍛模中,進行流變鑄造;收集坩堝還可以蓋上低導熱的上蓋,收集坩堝可以放置在一個圓盤或帶式傳送機上,圓盤或帶式傳送機上設置有均熱裝置,借此調整半固態合金漿料的溫度?。閡部梢勻∠閾卑?,而在澆注時將收集坩堝傾斜,可取得與傾斜板相同的澆注效果。在2001年.美國麻省理工學院(MIT)的YurkoJA等人提出了一種新的流變鑄造技術,該技術的核心思想是:將低過熱度的合金液澆注到制備坩堝中(該坩堝內徑尺寸適合壓鑄機的射室尺寸),利用鍍膜的銅棒對坩堝中的合金液進行短時弱機械攪拌,使合金熔體冷卻到液相線溫度以下,然后移走攪拌銅棒,讓坩堝中的半固態合金熔體冷卻到預定的溫度或固相分數,最后,將坩堝中的半固態合金漿料傾人壓鑄機射室,進行流變壓鑄。這種半固態合金漿料的初生晶粒中夾裹的液相很少,這會提高半固態合金漿料在成形時的流動性,便于成形復雜件。
 
3 半固態壓鑄技術使用現狀
 
金屬半固態壓鑄成形技術的研究與開發已經有30多年的歷史了,該技術充分應用了半固態漿料/坯料的特性.利用其高表觀粘度降低自身的雷諾數實現實體平穩充型,減少甚至消除了氣孔和縮松。另外,這項技術在保持半同態成形特點的同時,還保留了高壓鑄造的高效率、低成本特征。目前,國外正對這項技術進行迅速的研究與開發,尤其是在lT工業應用方面,已經取得了許多應用成果,組織進行了較大規模的商業化生產。
 
3.1 鋁合金半固態壓鑄技術的應用
 
目前半同態金屬加工應用最成功和最廣泛的是在鋁合金的制備中。其原因不僅是因為鋁合金的熔點較低和使用范圍廣泛,而且鋁合金是具有較寬液固共存區的合金體系。為此。它成為人們首先深入研究的對象。
 
最早用于半固態加工的為亞共晶鑄造鋁合金(A356,A357)。這兩種合金在發達國家采用半固態成形已實現工業化生產。后來,他們又開發了為過共晶成分的A390鋁硅合金。這種合金中的初晶硅相.在電磁攪拌生產坯料的方法中,被細化并均勻地分布在合金中,提高了合金的強度和耐磨性。有關鍛鋁合金用于半同態成形加工的技術正處于研究開發階段。
 
半固態壓鑄成形技術能提供高強度的鋁合金以替代鋼和鑄鐵制零件等。因此,半固態壓鑄成形加工技術有廣闊的應用前景。國內北京有色研究總院、北京科技大學、清華大學等在坯料制備、流變學等方面作了一些研究,工業化應用正在探索。半固態壓鑄成形加工技術今后應在低成本制備加工用坯料、專用設備研制、模具設計及成形過程計算機模擬、開發適合于半同態加工用的新型材料等方面深入研究以促進這一技術的工業化應用。
 
盡管鋁合金半固態壓鑄觸變成形技術已在半固態坯料制備、觸變成形工藝及成形過程數值模擬等方面取得了許多重大進展.但要想使這項先進的金屬加工技術完全應用到實際工業生產中去,還需要在以下幾方面加大研究力度:① 半固態坯料非枝晶組織的形成規律研究,尤其是實際壓鑄成形過程中的組織演變規律研究;② 鋁合金半固態壓鑄觸變成形用模具設計及其表面處理的研究;③半固態鋁合金中晶粒尺寸和數量的工藝控制研究;④ 半固態鋁合金的流變特性和微觀組織結構與觸變壓鑄過程間關系的研究;⑤ 鋁合金半固態壓鑄觸變成形過程的數值模擬研究,尤其是液固二相區的本構方程等數學模型和相應的計算算法的研究。
 
3.2 鎂合金半固態壓鑄技術的應用
 
半固態鎂合金制品之所以得到不斷應用,一是因為發明了鎂合金半固態觸變射鑄技術.可以較便宜地制造這類產品;二是鎂合金具有較高的比強度和比剛度而且易于回收再利用,減輕了設備或用品的重量和對環境的污染;三是鎂合金具有較好的電磁屏蔽性,可以提高電子產品的性能:四是鎂合金的導熱性能較好.如果用鎂合金制造電子產品外殼,有利于設備的散熱。
 
目前廣為應用的半固態成形技術主要是觸變成形技術。其優點是:①非枝晶鎂合金坯料不需完全熔化,節省能源;② 充型時不易產生飛邊,鑄件尺寸精度高;③ 鑄件致密,縮松少;④金屬漿料溫度低,鑄型壽命長;⑤ 不需要用SF6作為?;て??;肪澄廴拘?;⑥ 生產過程安全性高。半同態壓鑄技術不但具有壓鑄的優點.而且可消除液態鎂壓鑄中氣孔、夾渣、組織偏析、收縮等液態壓鑄的同疾,最大限度地彌補了鎂壓鑄的缺陷,使成形件組織致密。改善了力學性能.提高了尺寸精度.其最小壁厚可達0.5 mm,同時成形溫度更低,對模具的熱沖擊小。延長了模具壽命?;咕哂薪招禿蛻遠潭雀叩扔諾?,最適于有輕量化要求的汽車結構件成形。
 
鎂合金半固態觸變壓鑄是一項涉及工藝、設備、模具等諸多環節極其復雜的系統工程。各工藝環節均有很高的要求,如半固態非枝晶化過程、錠料保溫輸送系統和壓射工藝等。高性能的壓鑄機是實現半固態觸變成形的關鍵。
 
4 今后的研究重點
 
(1)半固態坯料質量及其穩定性是保證后續工藝穩定和最終產品質量的關鍵,因此需要盡快開發制備高質量大直徑半固態坯料的制備技術,滿足工業生產的需要。
 
(2)進一步降低半固態坯料的生產制造成本,研究和開發多流半固態連續鑄造技術。使半固態坯料的制造成本接近或達到普通連鑄的水平。
 
(3)研究開發適合不同零件需要的系列化二次加熱設備,提高二次加熱設備的自適應能力,解決坯料加熱不均勻問題,提高二次加熱設備的自動化程度。以提高生產效率。
 
(4)明確對于每一種復雜程度不同的壓鑄件和每一種合金坯料的固相分數,壓鑄機所需的壓射速度和壓射壓力與壓鑄件質量的對應關系:針對某一特定合金,壓鑄機壓室和模具的工作溫度范圍的確定。
 
(5)研究開發適合半固態觸變壓鑄成形的專用壓鑄機.特別是專用的壓鑄模具。以提高半固態材料的有效利用率。
 
(6)研究半固態壓鑄觸變成形過程的數值模擬,尤其是研究液固二相區的本構方程等數學模型和相應的計算算法。
 
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