中國壓鑄雜志
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白小姐资料一肖中特五码期期准: “半固態+”及其在工業中的應用

作者:admin 來源:原創 發表時間:2018-11-14
 

 
文:北京有色金屬研究總院  徐駿
 
摘要  隨著對半固態金屬加工(以下簡稱半固態)技術發展認識的不斷深入,提出了廣義半固態以及“半固態+”概念。所謂廣義半固態是指從液相線溫度上熔體出發,包括固液兩相區,通過強剪切熔體處理以及強制均勻凝固的思路,解決控制形核與控制長大的問題,其本質在于組織的細化與成分的均勻化,突破了半固態受合金成分的制約。“半固態+”是指以廣義半固態技術為平臺,將半固態技術與不同的傳統加工技術結合,從而為傳統加工技術轉型升級提供一種新方法。半固態可以與液態成形相結合,如垂直半連鑄、水平連鑄、壓鑄、擠壓鑄造等;還可以與固態成形相結合,如模鍛、擠壓、鑄軋等。
關鍵詞 廣義半固態;強制均勻凝固;半固態+
 
20世紀70 年 代,美國學者 SPENCER D B 和FLEMINGS?。汀。檬狀翁岢靄牘燙鶚?(Semi-SolidMetals)概念。1978年,美國 Alumax?。牛睿紓椋睿澹澹潁澹洹。停澹簦幔臁。校潁錚悖澹螅螅ǎ粒牛停校┛計涔ひ滌τ?,這意味著半固態金屬加工技術進入工業應用研究階段。1990年,在法國召開了第一次半固態合金和復合材料加工國際會議,標志著半固態金屬加工技術在全球范圍的興起。1994年,世界上第一個專業生產半固態金屬產品的廠家—美國 AEMP公司的奠基,標志著半固態金屬加工技術進入產業化應用階段。2014年,半固態合金和復合材料加工國際會議在阿曼召開,之后該會議被并入美國TMS協會舉辦的年度會議。
中國自20世紀80年代涉足半固態研究,之后逐漸引起了研究者的廣泛關注。1996年后,國內10 余家科研院所和高校相繼開展了半固態金屬加工技術的跟蹤研究。2000年中國大陸學者首次參加在意大利召開的第六屆半固態合金和復合材料加工國際會議,之后半固態金屬加工技術研究在我國全面興起
。2011年,國家將半固態金屬加工技術正式列入產業發展目錄,標志著半固態金屬加工技術在我國工業化開始應用。
目前,世界范圍半固態金屬加工研究與應用的熱潮正在消退,但中國除外,
其主要原因是2008年金融?;?,中國汽車產業得到迅速發展,能源和環境問題日益突出,汽車輕量化促進了半固態金屬加工技術在輕合金上的應用。
 
1、半固態技術基本原理與特點
在過去的40多年中,研究者圍繞非枝晶組織形成機制進行了廣泛研究,提出了許多觀點,如枝晶熔斷機制、枝晶機械斷裂機制、枝晶臂浸潤機制、晶粒漂移混合抑制機制等,但是目前尚未統一。
從半固態漿料制備方法上來說,國內外學者發明了諸多方法,如氣體誘發半固態法、低過熱度澆注式或低過熱度傾斜板法、雙螺旋機械剪切法、偏旋熱焓平
衡法、蛇形通道澆注法、環縫式電磁攪拌工藝等。
半固態成形技術與液態金屬或固態金屬成形相比,具有以下優勢:①具有比液態金屬更低的熱含量,可以提高鑄件成形速度,并減輕金屬液對成形裝置的熱沖擊,提高模具壽命,還可成形高熔點零件;②粘度比液態金屬高,在成形中半固態合金流體不易噴濺,減輕了合金流體的裹氣和氧化,提高了成形件的致密性,
成形件可以熱處理強化,其力學性能比液態合金成形件高;③漿料中存在固相,減少了凝固收縮,易于實現近凈成形,可大幅度減少零件的機加工量,降低成本;④與固態鍛造相比,半固態金屬具有比固態金屬低的流變應力,因此可以成形結構復雜的零件。
半固態成形技術根據加工路線可分為流變成形和觸變成形。流變成形工藝主要是在金屬凝固過程中,通過施加攪拌或擾動,或改變金屬的熱狀態,或加入晶粒細化劑等手段,改變合金熔體的凝固行為。該方法制得的半固態漿料固相分數較低,加工流程短、成本較低,但是可控性差。觸變成形工藝是首先制備具有觸變特性的坯料,再經過二次加熱將坯料加熱至半固態溫度進行零部件成形。觸變成形半固態漿料固相率較高,生產產品質量穩定,可控性高,但是加工流程長,成本較高。
 
2、狹義與廣義半固態技術
2.1 狹義半固態技術
由于半固態成形工藝的特征是漿料的成形溫度在兩相區,因此受到合金成分的限制,所研究的合金需要有明顯的固、液兩相區。圖1為傳統鑄造技術與狹義半固態成形技術原理示意圖??梢鑰闖?,相比傳統鑄造技術,半固態成形技術的研究重點在于固液兩相區之間凝固過程中非枝晶組織的形成與控制。但是無論是觸變工藝還是流變工藝,狹義半固態成形技術依然存在3大局限性:①受合金成分限制,應用范圍窄;②考慮了組織的均勻性卻忽視了成分的均勻性;③有效提高了性能但是未解決生產成本高的問題。
 
2.2 廣義半固態技術
相對于狹義半固態僅在固液兩相區控制非枝晶的形成,廣義半固態技術從熔體出發解決控制形核與控制長大的問題,其本質在于組織的細化與成分的均勻化。

 
圖2為狹義半固態與廣義半固態成形原理示意圖。常規熔體(液相線以上)尤其是在大體積熔體中,存在能量起伏、成分起伏和結構起伏,在冷卻過程中原子團選分結晶,這造成了先形核與后形核的現象,晶核一部分重熔,另一部分長大。
受成分過冷影響,晶核最終長成樹枝晶,且晶粒大小不均勻。廣義半固態研究區域不僅在固液兩相區,還包括形核之前的區域。無論是異質形核還是均質形核,在形核前通過施加外場,使得熔體溫度場與成分場均勻,為熔體各個區域形核提供相同條件,有利于形核的同時發生。在提高單位體積形核率的同時抑制晶粒長大,控制晶粒以細小等軸晶方式生長。
為了克服狹義半固態技術存在的局限性,提出一種強制均勻凝固的研究思路:
將大體積的合金熔體分散成小體積的合金熔體,小體積的合金熔體在外場作用下實現溫度場和成分場的均勻化,然后小體積合金熔體再匯聚成大體積合金熔體。
在該技術思路的基礎上,開發了環縫式電磁攪拌制漿技術。通過強剪切作用,為合金熔體凝固組織的細化、均勻化,尤其是大體積合金熔體凝固組織的細化和均勻化提供了技術保障。
 
3、“半固態+”概念的提出及應用
“半固態+”是指以廣義半固態技術為平臺,把傳統加工技術結合起來,從而為傳統加工技術轉型升級提供一種新的方法。廣義半固態不是替代傳統方法,而是傳統方法的提升。半固態可以與鑄造相結合,如垂直半連鑄、水平連鑄、壓鑄、擠壓鑄造、真空鑄造等;還可以與塑性成形相結合,如模鍛、擠壓、鑄軋等。因此選擇適合的應用對象是工業應用能否成功的關鍵。“半固態+”技術的應用主要體現在如下幾個方面。
3.1 半固態+半連續鑄造
北京有色金屬研究總院提出一種強制均勻凝固的研究思路,并發明了強剪切環縫式電磁攪拌技術,見圖3a。該技術成功應用于 7XXX 系超高強鋁合金,制備了φ508mm 的7075鋁合金鑄錠和φ584mm7055鋁合金鑄錠,解決了大鑄錠均質化的問題。施加強剪切環縫式電磁攪拌后,φ584mm?。罰埃擔德梁轄鷸驕Я3嘰纈桑罰罰?mu;m 減小到180μm,消除了柱狀晶、樹枝晶、裂紋缺陷等(見圖 4);φ508 mm 的7075鋁合金經過 
T6熱處理,性能明顯提高(見圖5)

 
 
3.2 半固態+擠壓鑄造
以7075鋁合金變速箱箱體(質量約25kg)為研究對象,在10000kN 擠壓鑄造機上進行了試驗。擠壓鑄造工藝參數:澆注溫度為670℃,模具溫度為200℃,保壓100~110s,加壓速度為 10 mm/s,加壓比壓為 65MPa。圖6為擠壓鑄造7075鋁合金箱體鑄件不同位置的金相組織。
 


 
可以看出,鑄件不同位置晶粒均為細小的等軸晶粒,不同位置熱處理后的力學性能見表1。
 

 
 
3.3 半固態+壓鑄
在汽車零部件、高端制造業等領域,半固態可以與壓鑄相結合以解決高精密零部件直接成形的問題。圖7為采用環縫式電磁攪拌工藝與普通壓鑄時 7075鋁合金汽車連桿的實物圖、晶粒尺寸及力學性能??梢鑰闖?,采用環縫式電磁攪拌工藝的7075鋁合金汽車連桿晶粒尺寸明顯減小,性能有一定提升。
 

 
3.4 半固態+真空鑄造
隨著我國交通運輸業的不斷發展,對于鋁基復合材料的應用也越來越廣泛。圖8為真空半固態強剪切攪拌鑄造示意圖,采用該技術可以有效解決顆粒增強鋁基復合材料精密零部件直接成形的問題。利用半固態技生產的 SiCp/Al復合材料地鐵制動盤(見圖 9),產品組織性能達到進口水平。
 

 
3.5 半固態+模鍛
將A390-5鋁合金(Si含量為14%~16%)半固態鑄錠與模鍛技術相結合,制備出汽車用空壓機轉子,見圖10。半固態模鍛轉子經X光檢驗,內部無縮松、縮孔,初生Si平均直徑為20~40μm,組織均勻細小,經T6熱處理后,抗拉強度為410~430 MPa。
 

 
3.6 半固態+擠壓
相比于鋁合金,鎂合金半固態發展緩慢,利用廣義半固態成形技術的思路,無論結合模鍛、擠壓還是鑄軋,都可以推動鎂合金成形的進一步發展。北京有色金屬研究總院與英國 Brunel大學合作,開展了高剪切流變擠壓鎂合金工藝的研究(見圖11),明顯改善了合金的塑性加工性能和力學性能,見表2。
 

 
3.7半固態+鑄軋
圖12為高剪切流變鑄軋鎂合金板材研究示意圖及采用該方法制備出來的 AZ91D 鎂合金板坯。圖13為流變鑄軋鎂合金板坯的顯微組織??梢鑰闖?,在平行鑄軋方向和垂直鑄軋方向均獲得均勻細小的顯微組織。

4、結語
廣義半固態以及“半固態+”概念的提出進一步加深了對半固態金屬加工領域的認識,將會促進半固態技術的發展和應用。但是,為了充分發揮半固態金屬加工的優勢,實現以鋁代鋼、以鑄代鍛的目標,半固態成形技術的推廣應用仍需解決以下關鍵問題:①高質量熔體及其控制凝固技術;②充型模擬及模具制造技術;③零部件的成形過程及控制技術;④零部件的后處理技術。
雖然,目前半固態加工技術在工業方面的應用仍剛起步,但隨著研究者對半固態加工進一步的認識,半固態加工技術將有著巨大的應用空間。
 
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