中國壓鑄雜志
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今晚买什么特马免费一肖中特:半固態壓鑄成形技術發展概況及工業應用

作者:admin 來源:原創 發表時間:2016-03-24
       半固態成形件具有組織均勻、無縮孔縮松缺陷等優勢,其綜合力學性能與鍛造件相近,高于傳統壓鑄件,通過半固態成形技術增強鋁鎂合金等輕合金的力學性能,從而進一步提高在汽車工業的使用比例,促進實現汽車產業的輕量化[ ]。半固態成形技術是20世紀70年代初由美國麻省理工學院M.C.Flemings教授等提出了一種新的金屬成形方法,其技術路線見圖1所示。半固態金屬成形技術打破了傳統的枝晶凝固模式,在成分及組織均勻性、提高成形零件的綜合力學性能及降低成形件內部缺陷等方面具有其獨特的優勢。其加工溫度比液態低,凝固收縮小從而鑄造疏松少(或無),充型平穩從而氣孔缺陷和氧化物夾雜少(或無),可以進行固溶+時效(T6)熱處理,改善傳統鑄造方法存在的鑄造質量。半固態較低的成形溫度使得模具熱沖擊小,延長模具壽命。相對鍛造等熱變形成形工藝,半固態成形變形抗力小,從而可一次大變形量加工成形形狀復雜且精度及性能要求較高的零部件[ , ],克服傳統鍛造方法中成本高、不能成形復制件的缺點,具有凈成形、高質量、高性能、低能耗、低成本等許多獨特的優點,被國內外研究學者譽為21世紀最具前途的金屬材料加工技術之一。
       經過40多年的研究與發展,半固態金屬成形技術在美國、德國、意大利、英國、法國、瑞士、日本等工業發達國家已被廣泛關注,投入了大量的人力及物力對該技術進行研究,一些技術已進入工業化應用階段。美國的Alumax公司、意大利的Stampal SPA和Fiat Auto公司、意大利的MM公司(Magneti Marelli)、瑞士的Bubler公司、日本的Speed Star Wheel公司等于21世紀初已實現汽車公司生產半固態鋁合金成形零件及設備的產業化,這些規模生產的半固態成形件主要被應用于在汽車、計算機及輔助設備、通訊電器、航空航天等領域,其中應用半固態成形技術最廣泛的是鋁合金和鎂合金[ ]。從20世紀80年代后期開始,我國先后有不少科研機構和高校研究所對半固態成形技術進行理論基礎和技術開發研究[ , ],如哈工大、東北大學、南昌大學、蘭州理工、華中科技、華南理工、華東理工、上海大學等[10- ]。北京有色金屬研究總院是國內最早研究半固態成形技術的單位之一,承擔了多項國家科研項目,自行設計了一條適用于半固態材料制備的試驗線[ ]和半固態高端復雜零部件生產示范線,應用半固態觸變和流變技術研發和生產汽車、工程機械和通訊領域高端復雜零部件。
        半固態觸變成形是通過二次加熱工序獲的具有流變性能的坯料,利用壓鑄機或其他成形機械推送到金屬模具中,從而得到設計的形狀。半固態觸變成形的零部件具有無缺陷、高尺寸精度,好的表面質量和優異力學性能的特點。然而相對鑄造技術而言,較高的成本限制了大規模工業化。近年來發展的半固態流變壓鑄技術具有流程短和成本低的優勢,得到了國內外學者的廣泛研究。流變壓鑄首要解決的問題是如何獲得與觸變相當的力學性能,同時保持其低成本的特點。
        利用半固態漿料剪切變稀原理,使其充型過程中受到剪切應力場作用,提高充型能力,獲得完美的鑄件表面質量。半固態金屬漿料的粘度與時間和剪切速率有關[ - ],當剪切速率足夠高時,在剪切作用下的半固態漿料變形行為類似液體,當漿料靜止不動時,粘度增大變形行為類似固體,該特性使半固態呈現層流狀態,平穩充型,能夠降低氣孔產生的可能性,明顯區別于傳統鑄造中的紊流。這種特殊的變形特性要求半固態材料在變形之前,固相具有類球狀微觀結構組織[ ]。通過改變初生固相的形核和長大過程來獲得區別于傳統金屬成形的初生球狀非枝晶漿料組織是實現半固態金屬成形的首要環節,同時也是半固態流變和觸變成形的必要工序。常見的半固態漿料制備技術[ - ]主要有機械攪拌法、電磁脈沖加載法、電磁攪拌法、低過熱度澆注法、噴射沉積法 (Ospray)、應變誘發熔化激活法(SIMA)、剪切-冷卻-滾動法SCR(Shearing-cooling-rolling),超聲波處理法,化學晶粒細化法、熱平衡法等各種制備方法,有關流變性和觸變性的研究成為熱點。
        半固態壓鑄成形過程非常迅速,在幾百毫秒內完成,因此半固態坯料具有依時性。想要在實際加工過程中研究溫度、應變速率對成形過程的影響非常困難,這時候計算機數字模擬是一種行之有效的研究手段。利用數值模擬技術研究和預測成形過程中半固態金屬材料流動規律,能在很大程度上優化成形參數,可以更好地了解成形過程的本質,進行模具的優化設計,掌握工藝參數對制造過程和最終零件質量的影響規律??褂泄匕牘燙現票?、變形機理及數值模擬技術的研究,將有助于推動半固態成形技術的不斷發展。
        總之,半固態鑄造基于控制凝固技術,具有短流程、高效率、近凈成形、低成本和好的力學性能等優勢。北京有色金屬研究總院研究團隊經過近20年的研究和開發,已經形成了半固態技術一整套全流程、多尺度的連續穩定的工藝流程和生產示范線,成功研發出渦輪增壓器用葉輪、車用空調斜盤、管道卡箍、大巴骨架接頭、通訊設備合路器等一系列產品,并得到實際應用。以下將圍繞合金設計、熔體處理、漿料制備、壓鑄工藝開發及模具設計、數值模擬、熱處理及后續處理等半固態成形六大技術,詳細探討了半固態成形技術。
一、半固態合金設計
        目前已經商業化的合金大多為傳統的鑄造合金。處于研究開發的合金有鑄鐵、鋅合金、鈦合金、銅合金等。現階段得到工業上實際應用的合金材料還不多,主要是Mg、Al、Zn等低熔點合金。為了擴大應用范圍,半固態成形材料的研究范圍還有待進一步擴展,使得半固態成形技術適用于高性能的零部件需求。
        通常認為最適合半固態成形的液相率區間為30%-60%,如圖2所示。傳統的鑄造鋁合金(A356及A357)的液相率-溫度曲線相對比陡峭,然而鑄造鋁合金含有較多的共晶相和具有良好流動性使得半固態成形相對容易,然而相對應的橫坐標上的可操作溫度區間相對比較小,增加了工藝操作性的難度。因此增大工藝窗口,提高工藝過程的可操作性,是鑄造合金的研究重點。變形鋁合金(如7010,7050及2014,6082)具有變形鋁合金比較優異的力學性能和陽極氧化等物理性能,市場需求日益廣泛,但相對較長的低液相率凝固區間和無明顯的共晶拐點使得合金的半固態成形性低。因此需要進行合金微調以保障性能不變的前提下,提高合金的成形性。
       
       半固態合金開發及成分設計主要解決的幾個關鍵問題:(1)合適的固液溫度區間;(2)平緩的固相率及溫度曲線,降低固相率對溫度的敏感程度;(3)半固態漿料的依時性;(4)理想的半固態組織相貌和流變性能。(5)半固態成形件可通過T6熱處理提高力學性能。若固、液溫度區間過寬,很有可能造成熱裂缺陷;呈現出過于陡峭的液相率及溫度曲線將導致可操作的溫度區間非常小,固相分數對溫度過于敏感,不利于成形過程工藝參數的控制,并最終影響成形件的質量穩定性?;諞隕蝦轄鶘杓頻幕駒?,很多學者[22, ]利用國際通用的CALPHAD(CALculation of PHAse Diagrams)數值模擬軟件或自行開發的軟件,采用相圖熱力學與相變動力學計算預測合金的相組成以及評估其半固態成形技術可行性。一個典型的實例是半固態專用319s鋁合金的開發。在傳統鑄造鋁合金319.0的基礎上微調化學成分,最終獲得了適用于半固態壓鑄成形,同時力學性能顯著高于傳統的319s半固態鋁合金。
二、鋁合金熔體凈化技術
        在傳統壓鑄中,卷氣和夾渣制約了鑄件的性能,因此熔體質量并不受到足夠重視,缺乏系統性的熔體質量評價體系。但在半固態壓鑄中,卷氣和夾渣對鑄件質量改善的有害作用得到有效解決,熔體質量成為了制約鑄件性能的重要影響因素。當鋁液與水氣或者與有水分的工具接觸時,溶解的氣體和氧化物對鋁鑄件機械性能產生有害影響。好的熔體質量,是獲得高質量鑄件的首要前提。利用有效的評價體系,采用旋轉噴吹氬氣凈化鋁合金熔體,優化除氣除渣工藝,同時制定包含化學成分檢測、含氣量檢測、含渣量檢測在內的一套標準檢測技術,可以有效控制熔體的純凈度(見圖3)。
        利用標準模具獲得鋁合金試樣并用直讀光譜儀測量鋁合金熔體化學成分,通過減壓凝固儀測量鋁合金熔體氣體含量。氧化物評定是用一個帶有凸痕的金屬模工具,利用K-mold標準模具測量鋁合金熔體氧化物含量。傳統標準K值只考慮了氧化夾渣的數量,沒有考慮氧化物夾渣的大小。北京有色金屬研究總院研發團隊結合氧化物的數量和大小對K值進行了優化改進,建立了一套完善的含氫量和K值評價體系和標準,較全面地對鋁合金液中氫含量和氧化夾渣進行了評價。圖4所示K值測量流程。
 
三、半固態漿料制備方法
        流變成形是一種將液態金屬冷卻至半固態區間得到所需球形組織,然后轉移至壓鑄模具進行壓鑄的一步成形方法。在流變成形過程中,獲得具有球形組織以及無卷氣和夾渣的漿料是流變過程的主要部分。因此開發一種簡單可靠的制備漿料方法是極其重要的??燜偃繞膠夥ǎㄍ?)是最可能在工業中應用的鋁合金半固態漿料方法。在快速熱平衡法中,低過熱金屬液被澆注進入一個冷卻并傾斜的金屬坩堝中,在保障金屬液面穩定前提下促使金屬液冷卻產生大量晶核,然后坩堝旋轉并冷卻到特定溫度及固相分數下。由于坩堝材料具有高絕熱低熱傳導作用,金屬液在澆注以及旋轉過程中得到均勻分布的溫度場,合金均勻形核而得到細小的球狀晶粒??燜偃繞膠夥ㄒ丫τ迷?56,357和319S鋁合金的漿料制備,所獲得漿料微觀組織的初生固相顆粒呈近球狀、大小均勻、分布均勻,淬水后的半固態漿料微觀組織如圖6所示。
       
       快速熱平衡法的優勢:熔體不需要劇烈攪拌,可以減少氣體和氧化物的卷入;過程相對簡單,操作步驟較少,易于操作和實現自動化;可以制備合格的半固態漿料,準確實現需要的固相分數。使用熱電偶測量制漿過程中漿料的溫度,料筒中部和底部位置,漿料溫度均勻,最大溫差小于10℃。料筒上部漿料由于與空氣接觸,溫度偏低。但這部分漿料不進入鑄件。

 四、半固態壓鑄模具設計技術
       半固態壓鑄工藝與傳統壓鑄工藝的區別:壓射前料筒內合金熔體的狀態是含固體和液體的半固態混合體以及純液體?;謖庖惶氐?,利用數值模擬軟件,在傳統壓鑄工藝的基礎上對半固態壓鑄模具進行設計。主要包括料筒設計、澆道設計、澆注系統設計、集渣包和溢流槽設計等。半固態模具設計具有一個開口料筒,區別于傳統壓鑄的模具設計,見圖7。半固態壓鑄模具設計及開發應遵循一些基本的原則,如在設計過程中應避免或減少匯流,需要增加油或電加熱系統,考慮溫度梯度的影響等;為了保證高壓補縮順利進行,充型之后鑄件留有補縮通道,澆道橫截面積沿充型方向應減少10-20%;內澆口應設置在零件最厚的位置,而且內澆口尺寸比常規鑄造要厚;由于半固態漿料中含有一定質量分數的固相,漿料粘度比傳統鑄造高,半固態漿料壓鑄時,低速壓射階段的壓射速度可比液態金屬壓鑄時快些,高速壓射階段的壓射速度要比液態金屬壓鑄時慢些。
       借助CAE輔助設計進行半固態成形零件和模具的結構設計優化。對零件進行受力和熱節模擬仿真分析、預測縮孔疏松產生位置,從而優化零件結構設計,從產品設計之初避免缺陷產生;根據半固態漿料充型過程模擬仿真,優化模具澆道設置和排氣系統設計。利用ANSYS軟件Workbench??槎災惺芰Ψ治黽叭人蔡治?,優化產品結構設計、保證鑄件滿足使用工況、改進壓鑄工藝及避免產生縮孔缺陷;利用ProCAST軟件對壓鑄過程進行流體分析和傳熱分析,協助壓鑄模具設計和壓鑄工藝制定,最終達到控制半固態成形件質量的目的。
        基于半固態壓鑄成形的特點,和普通液態壓鑄模具設計的一般流程,制定了半固態工藝開發、壓鑄模具設計及數值模擬的流程圖(見圖8)?;詿肆鞒?,優化產品結構,完成模具結構設計,同時進行充填模擬和實驗,利用數值模擬軟件進行受力分析、瞬態熱分析、流體分析、傳熱分析,同時還預測了可能產生的缺陷。
 

五、半固態壓鑄工藝開發和計算機數值模擬技術
       在半固態金屬半固態壓鑄過程中,工藝參數對壓鑄件的成形、內部質量和外部質量具有極其重要的影響:(1)充型速度。半固態金屬漿料傾向以穩定的層流狀態充填型腔,若充型速度過快,可能造成紊流充填,產生飛濺,導致壓鑄件裹氣和氧化夾雜等缺陷;若充型速度過低,半固態金屬漿料降溫過多將無法完全充滿壓鑄型腔,產生澆不足的缺陷。(2)增壓壓力。由于半固態金屬漿料的粘度較大,流動性較液態金屬差,所以增壓壓力應較常規液態金屬壓鑄時要高,但不能過大,如果壓射壓力過大,意味著壓射速度的提高,也會造成嚴重的裹氣。(3)充型溫度。充型溫度過高,漿料具有很高的動能,在通過內澆口后直接噴濺到模具表面,漿料以紊流的形式流動,充型過程非常不平穩;充型溫度過低,漿料由于固相體積分數增加而流動性降低,不僅增加了充型時間,而且容易導致充型不完全現象。
        北京有色金屬研究總院研發團隊開發了獨特的半固態壓鑄成形模擬仿真技術,自行設計了測量半固態漿料表觀粘度的實驗裝置,使用測量結果優化的材料模型Power Law Cut-off model進行半固態壓鑄成形數值模擬,準確再現漿料充型過程,研究了充型速度、增壓壓力、充型溫度等工藝參數對鋁合金半固態壓鑄過程的影響,對半固態充填流動響應進行了分析,同時預測鑄件缺陷,最終獲得的實驗和數值模擬高度吻合的結果(如圖9所示)。一般情況下,漿料黏度越高,流體流動越平穩,無噴濺和射流,從澆口開始順序的平穩充填型腔,確保了空氣的順利排出,有效的避免了卷氣。對比充型順序與流動前沿可以看出,實驗結果與模擬結果十分吻合,這強有力的說明了改進的黏度模型的適用性和準確性。因此,開發的數值模擬仿真技術能夠有效反映出半固態漿料在壓鑄過程中的真實流動狀態,能夠為設計模具結構和制定壓鑄工藝提供有效指導。
 
六、半固態壓鑄后處理技術
      傳統的壓鑄件由于氣孔等缺陷而不能通過T6熱處理提高其綜合力學性能。對于半固態鋁合金件,由于消除了氣孔等鑄造缺陷而可以進行T6熱處理,得到最優的綜合力學性能?;詘牘燙怪尚渭撈匚⒐圩櫓奶厥廡?,T6熱處理工藝不同于傳統的鑄造工藝鑄件,因此進行T6熱處理工藝的進一步優化,使強化效果進一步提升。表1列出的兩種典型Al-Si-Cu-Mg 系合金(319S,357)經熱處理后力學性能。在工業生產過程中,熱處理強化工藝應用于多種合金(319S,357,390,6061)及鋁合金零件的性能提升方面,如渦輪增壓葉輪、卡箍、骨架接頭和斜盤等。通過引入T6、T4、T5和T7熱處理工藝構成了一套成熟的熱處理工藝體系,工程師可以基于不同產品的性能要求(強度、蠕變性、使用壽命、高溫穩定性等)針對性的選擇熱處理工藝。 
 

 
      除了熱處理強化,優化表面噴丸技術可以進一步改善鑄件表面質量和提高鑄件的抗疲勞性能。同時還利用針對半固態壓鑄產品的表面噴漆技術,提高鑄件的抗腐蝕性能。
      鋁合金鑄件的無損檢測技術是質量控制的重要一環。為了實現對鑄件內部質量的完全監控,開發和優化包括超聲探傷C掃技術和熒光滲透檢測技術等在內的一套無損檢測技術,對半固態壓鑄件的內部和表面缺陷進行檢測(見圖10)。
 
半固態技術在工業應用上的案例
1:壓葉輪
        壓葉輪是渦輪增壓器的核心部件,直接決定了節能降耗的效果及其壽命和可靠性。由于壓葉輪的形狀復雜,工作環境溫度高(最高環境溫度達250℃),工況惡劣(轉速高達150,000r/min,振幅波動大),故對其性能提出了嚴格要求。壓葉輪半固態壓鑄成形工藝開發及模具設計,如圖11所示。北京有色金屬研究總院研發團隊成功開發出具有卓越的力學性能的319S半固態壓葉輪。通過對凝固微觀組織的精確控制,包括減小晶粒尺寸,將初生α樹枝晶轉變為球狀晶,消除鑄造缺陷,保證了半固態成形壓葉輪優異的工作性能。半固態壓葉輪與傳統鑄造壓葉輪相比具有無缺陷、公差小、力學性能優異的特點,取得與鍛造+機加工壓葉輪的性能及壽命保證,但生產成本卻接近鑄造壓葉輪。
 
   

2:水泥泵車卡箍
        管道卡箍通常用鑄鐵生產,采用鋁合金可減輕鑄件重量。傳統鑄造工藝無法滿足對鑄件強度的要求,故采用半固態壓鑄來提升鑄件質量。圖12所示為半固體壓鑄生產的管道卡箍,該卡箍已在水泥卡車上進行使用。
 
總結
      為了獲得高質量的鑄件,半固態壓鑄成形技術需要符合以下九條準則:
1) 優化調整合金化學成分,增大工藝窗口;
2) 優化熔體凈化工藝,獲得好的熔體質量;
3) 采用正確的漿料制備工藝,制備無缺陷和細小均勻球化晶粒組織的半固態坯料;
4) 選取相互配合的漿料固相分數、充型時間和模具溫度;
5) 優化模具型腔設計,避免困氣、對流、熱節;
6) 采用壓力補縮,消除縮孔和疏松;
7) 減小充型過程中的液相偏析;
8) 優化鑄件結構,減少殘余應力;
9) 在結構設計過程中為后續加工提供合適的定位點。
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