Al-Si铝合金半固态压铸感应加热工艺及所获得的显微组织

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为了获得微观组织球化和小的温度梯度的最佳
加热 条件 , 采用 了下列参数 :感应加热系 统的功率 (Q), 加热时间(ta), 保温温度(Th), 保温时间(th), 加 热步骤和绝热材料尺寸 。 加热实验按表 5 所示条件 进行 , 表 5 中各符号的意义同图 3 。
表 5 尺寸 d×l =76 mm ×90 mm 半固态压铸用 A356 坯料的感应加热条件
率 Pr =0 .01 t/ h)和线性插入法 , 可以计算出热容 q
和生产率 Pr 。 最小加热表面面积 A s 和最小加热长
度 lw 可按下式计算 :
As =Pt/ Pa =Prq/ Pa
(3)
lw =As/πd
(4)
为了确定线圈内径 Di 和最佳线圈长度 H , 对于
穿透加热线圈推荐的 空气间隙[ (Di -d)/ 2] 和计算
76 mm
100 mm
最小加热长度 lw 93 mm
最佳线圈长度 H 118 ~ 168 mm
2 半固态压铸的感应加热实验 对于半固态压铸工艺 , 坯料必须加热到半固态 。
加热过程对于半固态坯料成形过程非常重要 , 必须 达到所要求的半固态坯料状态和控制坯料的显微结 构 。本实验所用的半固态金属是由法国 PECHINEY 公司用电磁搅拌法制造的 A356 合金 。 这是用于汽 车零件制造的一种铸造合金 , 其化学成分(重量百分 比)如表 4 所示 , 微观组织如图 2 。 用电磁搅拌法生 产的铸造显微组织的初生晶不是球状而是等轴晶 。 然而 , 当这种原材料被重熔为半固态时初生晶就变 成了球状 。
7 .50

7 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16 7 .796

8 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16 8 .398

9 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16 8 .398 75 ×70 ×19
10 10
584
2
12 7 .798 75 ×70 ×19
mm 长的线圈最适合于将电磁端部效应(导致坯料加
热不足或过热)降至最小 。
表 2 用于计算最佳线圈长度的特征值
(f =640 Hz , 1=90 mm , k =0 .62)
参数 最大表面 -中心温差
电流渗透深度 导热系数
理想能量密度 A356 的电阻率
导磁率 角速度 有效电流渗透深度 实际能量密度
中 , 整个坯料的各个部分均匀连续加热一般是不可
能的 , 也就是说温度分布不均匀 。 因此 , 线圈优化设
计的重点就在于找出线圈长度和坯料长度之间的正 确关系[ 1 , 5, 8~ 10] 。
在本实验中 , 为了对不同的半固态金属和坯料
尺寸(直径和长度)获得球化组织而设计了用于商用
60 Hz 感应加热系统的最佳感应加热线圈 。
0 引言 铝合金等轻金属的半固态(固 -液两相并存)压
铸技术引起了制造工程师和材料科学家越来越大的 兴趣[ 1 ~ 7] 。 这 个 过 程 清 楚 地 显 示 出 半 固 态 金 属 (SSMs)具有触变性和伪塑性 。 触变性的金属具有依 时的流动性能 。 既然在许多不同条件下进行的半固 态实验结果有别于其他金属成形过程 , 那么就必须 考虑这一事实 。
第 24 卷第 3 期 2003 年 6 月
国外金属热处理 GUOWAI JINSHU RECHULI
Vol .24, NO .3 Jun , 2003
·工艺·
Al_Si 铝合金半固态压铸感应加热工艺及所获得的显微组织
上海大学材料学院 (上海 200072) 徐 霖 张恒华 编译
摘 要 在感应加热过程中 , 为了在坯料整个剖 面获得 均匀的 温度场 分布 , 必须准 确控制 时间与 温度之 间的关系 。 因为 在半固态压铸过程中 , 为了使加热坯料中的液 、固两相呈均匀流动以及 防止宏观 偏析 , 起 始固相率 是主要参数 , 因此在再加热 过程中必须选择准确可控的感应加热 方法 。 本 文的主要 目的不 仅是要 获得所 需的固 相含量(一 般为 50 %左右), 同时要保证得到 A356 合金的最佳感应加热条件以减 少尺寸为 76×90 mm 坯料的温度 梯度和在无 晶粒 粗化情况下获得细小的球化晶粒组织(最终的显 微组织)。 本研究表明 , 在半固态 压铸的三段 加热过程 中 , 最终 保温 时间是获得细小球化晶粒组织的最重要的因素 。 关键词 感应加热 半固态压铸 固相率 宏观偏析 三段加热
19 4 4 2 350 565 584 1 3 2 16 8 .398 53 ×53 ×19
20 4 3 1 350 575 584 1 3 3 15 8 .398 53 ×53 ×19
21 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16 8 .398 53 ×53 ×19
3 感应加热实验结果与讨论 半固态金属加热后其组织必须为球状 , 而且当
考虑了加热时间 、保温温度 、保温时间 、绝热材料尺 寸和感应加热功率的影响 。
1 用于均匀感应加热的线圈设计
对于半固态压铸过程 , 在半固态状态下坯料尽
可能快速和均匀地加热是整个加热过程中最重要的
环节之一 。从这方面考虑 , 感应加热线圈的最佳设
计乃至为重要 。 在由线 圈和坯料 组成的实 际系统
159
[ 13]
41 .85
0 .042 1 [ 13]
4 π×10-7 [ 11]
120 π
1 .3 ×10 -2
67.5
1 .5
0 .01
[ 12]
150 22 .2×10 -3
76
93
表 3 感应线圈的设计直径(f =64 Hz , δ=10 .7 mm[ 4] , l =90 mm)
坯料直径 d 线圈内径 Di
心温差 。
第 3期
徐 霖等 :Al_Si 铝合金半固态压铸感应加热工艺及所获得的显微组织
· 27 ·
如果假定生产率是每小时加热 10 个 90 mm 高 的坯料 , 温度上升到 584 ℃, 采 用 Stansel 的 数据[ 12]
(当温度上升到 510 ℃时 , 热容 q =145 kWh/ t , 生产
序 号
加热时 保温温度 , 保温时间 ,
间 t a/ min Th/ ℃
th/min
总 时 间
ta1 ta2 ta3 T h1 Th2 Th3 th1 th2 th3 / min
功率 Q /kW
绝热材料尺 寸 , D ×W ×L
/mm3
1 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16
3 .00
热能 生产率
热容 最小加热表面面积
坯料直径 最小加热长度
符号 θs -θc
δ
k Ps Pa μ ω δF Pa Pt Pr q
As d lw
单位
K mm W/ mK kW/m2 μΨm H/m rad/ s m kW/m2 kW t/ h kW h/ t m2 mm mm
数值 参考文献
4
10.7
[ 4]
15 4 3 2 350 575 584 1 2 1 13 8 .398 53 ×53 ×19
16 4 3 2 350 560 584 1 3 1 14 8 .398 53 ×53 ×19
17 4 3 2 350 560 584 1 2 2 14 8 .398 53 ×53 ×19
18 3 3 2 350 565 584 1 3 2 14 8 .398 53 ×53 ×19
最小值 最大值
表 4 A356 合金的化学成分 ω
%
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Pb 6.5 - - - 0 .30 - - - 7.5 0.15 0 .03 0 .03 0 .40 - 0 .05 0 .20 0 .30
· 28 ·
国外金属热处理
第 24 卷
从标准的 A356 合金加工出尺寸为 76 mm ×90 mm 的坯料 。感应加热系统所用的功率为 50 kW 。 如图 1 所示 , 为了均匀加热坯料 , 感应加热系统的加热线圈 尺寸做成 D0 ×H =120 mm ×120 mm[ 2, 10, 14] 。为了准确 测量半固态金属的温度 , 坯料中开有小孔以便插入直 径为 6 mm 的 K 型 CA 热电偶 。 热电偶通过沸腾的水 来校准 , 热电偶的误差大约在 0 .2 %。 使用 TDS -302 (Tokyo Sokki Kenkyuio)数据记录仪记录数据 , 并以图 1 中 b 位置的数据作为坯料加热温度 。
为了均匀加热 , 感应加热系统的最佳线圈长度
(H)和内径(Di)如图 1 所示 。 考虑到在感应加热过程中表面能量的损失 , 用
实际的能量密度(Pa)来表示理想的能量密度(Ps), Pa
根据坯料半径(d/ 2)与电流在金属中的渗透深度(δF)
的比值(d/ 2δF)用下式变换之 :
δF =(2Pa/ μω)1/2
在感应加热过程中避免晶粒粗化的方法和在加热过
程中一种新的 合理设计 线圈的有 限元数 值模拟模
型 。 迄今为止 , 关于半固态金属的研究大多数集中 在半固态成形材料的性能上 , 而关于加热参数(例如 加热时间 、坯料尺寸和保温时间)对所得显微组织的 总体影响则未见发表 。
在本文中 , 为了减小坯料中的温度梯度和获得 细小的球化组织 , 从理论上提出了最佳线圈设计并 通过感应加热实验进行了试验 。 在试验过程中充分
径 Di , 并且运用(4)式的结果 , 可按照下式计算最佳
线圈长度 H :

H =lw +(25 ~ 75)mm
(5)
因此 , 考 虑上述因素 , 推荐 用于加 热 d ×l =76
mm ×90 mm 的半固 态金属坯料的线圈直径列于表
3 , 且用这些直径进行了感应加热实验 。线圈设计的
合理性通过运用 ANSYSTM软件模拟感应加热过程进 行了验证[ 2, 4] 。 从有限元数值模拟的 结果来看 , 120

2 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16
3 .30

3 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16
4 .94

4 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16
6 .30

5 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16
7 .00

6 4 4 2 350 575 584 1 3 2 16
最佳线圈长度的特征值分别如表 1 、表 2 所示 。
表 1 对于穿透加热线圈推荐的空气间隙[ (Di -d)/ 2] [ 11]
频率/ Hz 坯料温度/ ℃
坯料直径 d/ mm 0 ~ 60 60 ~ 125 125 ~ 150
50/ 60
550
12
12
12
850
12
20
40
根据表 1 的数据用线性插入法可计算出线圈内
(1)
Pa =Ps(θs -θc)理想/ (θs -θc)=6 .46k(θs -θc)/ d (2)
在式(2)中 , (θs -θc)/(θs -θc)理想 =k 可由坯料 半径(d/ 2)与电流在金属中的渗透深度(δF)的比值 (d/ 2δF)获得[ 11] 。
上两式中 Pa 、μ、ω、k 和(θs -θc)分别是 A356 的 电阻率 、导磁率 、角速度 、导热系数和最大表面 -中
11 10
584
2
12 8 .398 53 ×53 ×19
12 8 1
575 584
32
14 8 .398 53 ×53 ×19
13 4 3 1 350 575 584 1 3 2 14 8 .398 53 ×53 ×19
14 4 3 1 350 575 584 1 3 1 13 8 .398 53 ×53 ×19
在半固态状态下金属的成形包括压铸和变形过 程 , 其基本原理 是在固 、液两相区之间的 温度下变 形 。然而 , 在半固态压铸前必须配制重熔坯料以便 获得细小的球化组织 。为了在坯料剖面上获得球化 组织 , 必须合理设计感应加热线圈[ 1~ 5] 。
在半固态金属成形的感应加热研究中 , Kapranos 等人[ 3] 比较了在加热 、保温和断电状态下五点温度 的数字结果 。Sebus 和 henneberge[ 6] 提出了一种新的 可确定 加 热坯 料 固相 率 的 声学 传 感系 统。 Prikhodovsky 等人[ 3] 模拟了铝合金在半固态区温度恒 温保温过程中的微观组织演变 。 Jung 和 Kang[ 1, 5] 通 过 Al -6 %Si -3 %Cu -0 .3 %Mg 合金(ALTHIX86s , 这 种合金与 ASM A319 类似)的晶粒长大机制 , 提出了
640hz190mmk062参数符号单位数值参考文献最大表面中心温差mm107mk15913理想能量密度4185a356的电阻率13导磁率10711角速度13102实际能量密度pakwm675热能ptkw15生产率pr12热容150最小加热表面面积222103坯料直径mm76最小加热长度mm93感应线圈的设计直径f64hz107mm90mm坯料直径d线圈内径d最佳线圈长度h76mm100mm93mm118168mm半固态压铸的感应加热实验对于半固态压铸工艺坯料必须加热到半固态
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