铝合金近液相线挤压铸造综述

半固态金属加工过程一般由半固态锭坯制备(制浆) 、二次重熔和半固态成形三个技术环节组成,其中制浆是整个过程的基础和关键,其目的是获得类球形半固态结晶组织,这种组织具有触变性,是半固态成形所必须的。

获得这种组织的办法很多,如机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发法、喷射沉积法、紊流效应法和粉末冶金法等[1 ]。

目前电磁搅拌法与机械搅拌法比较成熟,国外已开始工业化生产。

机械搅拌法设备较复杂,制备的浆料性能不稳定,组织不均匀,不适合于大批量工业生产。

电磁搅拌法是现在半固态加工中应用最广泛的,但存在设备复杂、造价高、制备浆料的成本较高等缺点。

其他方法目前均未实现工业应用。

基于以上原因,东北大学与澳大利亚墨尔本大学合作开发的一种新型制浆技术———近液相线半连续铸造法[ 2 ],与常规铸造相比,组织为均匀的细小枝晶及较粗大的蔷薇状组织。

该技术克服了搅拌法设备复杂、庞大、投资高、熔体易吸气、夹渣的缺点,同时可以大大提高生产率,进一步扩大生产规模。

1 近液相线铸造法的研究
1. 1 近液相线铸造法制浆形核机理
液相线浇注法不是对浆料做功的过程,它是将合金熔体冷却至液相线温度附近保温一定时间形核后,进行浇注,获得具有均一、细小的非枝晶组织。

该方法的主要控制参数有: 浇注温度、保温时间、冷却速率等。

由液态金属结构理论可知[ 3 ],在液相线温度附近的熔体内存在大量尺寸不等的近程有序排列的准固相原子集团。

这些准固相原子集团与晶核有相似的空间点阵结构,在物理性质上接近于固态晶体,当低于液相线温度时这些准固相原子集团可以作为异质形核的固相基底。

在近液相线保温法制浆过程中,均匀、细小的半固态组织有两个晶核来源:一是在液相线温度附近保温而形成的爆发式晶坯源。

Stefanescu Duru M 等人[4 ]提出了瞬态形核理论,认为晶核的来源是在略低于液相线温度的小过冷度下瞬间内生成的,并进行了热力学计算,其结果与实验相符;二是熔体在液相线温度以上存在某些高温固相化合物和氧化物,降温到液相线温度附近,少量晶坯可以依附于其上而形成晶核,同时坩埚壁和液面附近有少量晶核脱落、游离。

1. 2 近液相线铸造时组织的演化机理
熔液过冷度越大,稳定形核的临界功就越小,形核的临界半径也越小,形核就越容易,形核的数量也相应提高。

在温度高于液相线温度的熔液中,由于存在各
种随机的能量起伏,熔液中可能存在一些不稳定的瞬态近程有序的原子团或晶坯。

晶坯很小时,产生其表面所需要的额外能量相对比较大,这些能量趋向于破
坏能量平衡而使晶坯消失,并且晶坯的这种不稳定趋势还将持续到液相线以下的某一温度,只有在过冷的液相中尺寸较大的相起伏才有可能结晶转变成晶核。

降低了晶核的临界半径和临界形核功。

晶坯形成晶核的概率提高,晶核数量增加,浇注凝固时晶粒细化。

弭光宝等人[5 ]对AlSi9Mg 合金枝晶组织的演变发现,在近液相线温度下,保温过程中合金的组织演变是遵循一定规律的,即在不同浇注温度下,随着保温时间的延长,整个组织基本上以树枝晶→蔷薇状→颗粒状→颗粒均匀化→颗粒长大、粗化这样的规律进行转变。

李辉等人[6 ]对ZL111 铝合金的铸态组织进行了研究,实验结果表明,随着保温时间的延长,固相组织逐渐从最初的树枝晶经蔷薇状向颗粒状晶粒转变,在605 ℃保温40 min 时,可以得到满足半固态加工要求的细小、均匀的团粒状非枝晶组织。

1. 3 各种参数对近液相线法制备的微观组织特征的影响
1. 3. 1 浇注温度对浆料微观组织的影响
根据合金凝固时的结构起伏与能量起伏理论可知,熔体内存在大量的尺寸不等的近程有序排列的准固相原子集团,这些原子集团处于瞬息万变状态。

在不同的温度下,这些准固相原子集团的最大尺寸存在一个极限值,这个极值的大小与温度的高低有关,温度越高,该极限值越小;温度越低,该极限值越大。

根据合金结晶热力学条件可以判断,只有在一定的过冷度下,合金熔体中的准固相原子集团达到临界尺寸时才有可能稳定存在而成为形核的核心。

当合金熔体的温度高于液相线温度时,由于不存在过冷度,在保温阶段,合金熔体中只存在均匀的结构起伏,无稳定的结晶核心形成。

当合金熔体在低于液相线温度时,由于存在较大的过冷度,熔体内均匀的准固相原子团簇发展成为大量的粒状初晶相游离晶,形核后的游离晶一直处于不规则的热运动状态中。

激冷后的组织均匀、细小,单位体积的晶粒数较多。

1. 3. 2 冷却速率对微观组织的影响
由于在浇注前过冷度的存在,熔液中已经有很大数量的形核颗粒游离在熔液中,进行浇注时,当铸型冷却速率较低(如石墨模) 时,这些随熔液进入铸模的结晶颗粒当中,较为细小的颗粒在液体凝固释放出来的潜热及显热的作用下发生重熔,减少了晶粒数量。

同时较粗大的晶粒在冷却过程中有所长大,提高浇注冷
却速度(如水冷铁模) ,冷却释放出来的潜热和显热及时得以扩散,原来在熔液当中形成的晶体颗粒基本上发生重熔,得以保留下来,并且铸模内的对流减弱,使
得已形成的晶体颗粒向模壁沉积而成为柱状晶的趋势得以有效的抑制,从而使得组织得到细化和一定程度的球化。

1. 3. 3 静置时间(保温时间) 对微观组织的影响
合金熔体温度达到平衡与合金结晶皆需要一定的时间。

适当保温时间可以使熔体温度场逐渐均匀,局部温度梯度消失,孕育形核充分,且在界面曲率和界面
能的双重作用下,整个合金系统的体积自由能逐渐降低,熔体中的固相颗粒数增加,使得合金熔体水淬激冷组织趋于均匀、细小。

当保温时间较短时,合金熔体形核数目相对较少,使得晶核在激冷过程中有较大的生长空间。

因此,合金熔体激冷组织中的初晶大部分呈蔷薇状,少量呈条状。

当保温时间过长时,由于合金熔体中的晶坯在热运动过程中互相碰撞,两个或多个晶坯聚焦在一起,如果这些晶坯的接触点位向合适,就会融合在一起,吞并长大成为粗大的晶粒,造成激冷凝固组织中的初晶相晶粒尺寸不均匀。

值得注意的是,张励忠等[7 ]人对低合金钢在略低于液相线温度保温研究发现,随保温时间的加长水淬组织并没有显著差异,这与铝合金的研究结果不同。

原因主要是两种材料保温时的加热方式不同。

初步认为感应加热方式优于电阻加热方式。

感应加热更有利于形成均匀温度场,可以提供更多的结构和能量起伏来促进准固相原子团簇和游离晶的形成,并能抑制游
离晶的合并长大。

1. 4 近液相线铸造法的重熔及触变成形
1. 4. 1 重熔
在半固态锭坯触变成形之前,先要进行局部重熔,即必须重新加热至合金的液2固相线温度区间,其目的一是为了获得不同工艺所需要的固相体积分数,二是使晶粒转化为球状结构,从而不仅为触变成形创造有利条件,而且保证半固态工
的成品组织既满足触变强度又有足够流动性,以获得触变成形制品的力学性能。

乐启炽等人[ 8 ]对近液相线铸造AZ91D 镁合金半固态坯料进行部分重熔,通过改变部分重熔时的加热温度和保温时间来研究其微观组织的演化规律。

结果表明,适当控制加热温度和时间,坯料部分重熔时可获良好的触变结构,且坯料铸造时的高冷却速率因促进了坯料组织细化和蔷薇化,而在部分重熔时加快固相颗粒球化进程并使球化效果改善。

王平等人[9 ]研究了近液相线铸造A356 铝合金在二次加热过程中的组织变化。

结果表明,近液相线铸造铝合金A356 在580～590 ℃加热,保温10 min ,晶粒仍保持细小、近似等轴的组织特点。

随着加热温度的升高和保温时间的延长,初生相尺寸增加较小,具有较高的热稳定性。

1. 4. 2 触变成形
金属半固态触变成形工艺由于合金浆料以半固态形式存在,成形温度较低,凝固收缩小,避免了金属凝固缺陷以及湍流、吸气、夹杂现象的产生,同时浆料的固相由于成形静压力的作用下产生塑性变形,能够有效地改善复杂、厚壁类成形件的组织性能。

王平等人[10 ] 研究了液相线半连续铸造法制备的A356 合金半固态浆料的组织、重熔加热的合金组织、经触变成形及固溶时效处理后的组织与性能。

结果表明,触变成形并经热处理后的A356 合金,析出相为Al3 Si 、AlSi 等化合物,其性能得到显著提高。

赵大志等人[ 11 ]采用ZL116 合金进行了半固态触变成形试验,结果表明,应用半固态触变成形工艺可以获得组织致密、轮廓清晰、充型完整的成形件;成形件的微观组织主要为细小、分布均匀的近球状和蔷薇状非枝晶组织;成形静压力作用所引起的局部组织塑性变形,使成形件的组织与性能得到改善,与液态触变工艺相比,硬度提高20 %。

2 目前的应用及展望
2. 1 有色金属及其合金
有色金属具有独特的性能和优点,通过近液相线铸造可得到良好的综合力学性能。

如王平等人[12 ] 用近液相线半连续铸造制备出具有等轴晶粒的半固态A356 合金坯料,且利用它进行触变成形出汽车发动机轴瓦盖,经T6 处理后,力学性能优良。

徐跃等人[ 13 ]以AZ91D 为试验原料,通过改变近液相线的浇注温度、静置时间等不同的试验参数,研究近液相线法制备试样的微观组织、力学性能和断口形貌。

结果表明,在585 ℃,静置20～40 min 后浇注,能获得较理想的半固态组织,且试样的力学性能较好。

王平等人[14 ]还从晶粒尺寸角度研究了近液相线半连续铸造A356 铝合金铸造温度、保温时间及冷却速度对其组织的影响规律。

结果表明,在液相线附近,降低铸造温度,有利于减小晶粒尺寸;晶粒平均等积圆直径小42. 6 μm , 初始固相体积分数最多可达98. 4 %。

同一温度下,晶粒尺寸随保温时间的延长而粗化。

冷却速度快,晶粒尺寸缩小。

近年来,在有色合金方面,还对ZL201 、ZL205A等[15～16 ]采用液相线铸造制浆工艺的系统研究工作,都得到了较理想的组织并获得了其工艺参数,为后续的加工提供依据。

2. 2 黑色金属及其合金
高熔点金属半固态成形的一个关键问题就是半固态熔体的制备。

长期以来,电磁搅拌法制备半固态熔体在实际金属半固态成形应用中占据主导地位,但其
工艺复杂、设备投资大、效率低、成本高。

而近液相线保温法是一种简单可行、
成本低廉的方法。

肖黎明[17 ] 采用近液相线保温法制备出了适宜半固态流变挤压铸造成形的ZG25MnCrNiMo 非枝晶组织浆料,并用平均等积圆直径定量分析了非枝晶组织特征,得出了最佳的工艺参数值: 保温温度为1 508℃,保温时间为15 min 。

在此条件下以轴箱体为例,对ZG25MnCrNiMo 低合金钢半固态流变挤压铸造成形质量进行了研究。

结果表明,在适当的工艺参数条件下,铸件组织致密、晶粒细小,且表现为很好的韧性断裂。

张励忠[18 ]采用中频感应炉在近液相线保温制备低合金钢半固态熔体的方法,研究了不同保温条件下的水淬组织和空冷组织。

结果表明,在大过冷度和大过热温度下,熔体内不易形成准固相原子团簇和游离晶,水淬组织粗大,而在近液相线温度(1 508 ℃) 下,熔体内易形成大量晶坯并演化为游离晶均匀分布于熔体内,它们能在凝固时显著细化、匀化晶粒,使水淬组织细小、均匀,即使在空冷条件下,这种细化机制也起作用。

2. 3 展望
半固态加工技术的发展趋势是:进一步简化加工工艺流程,进一步降低加工成本, 拓宽半固态加工技术的应用范围。

近液相线铸造法不需要增加额外的设备,在金属凝固过程中不引入外力,同传统的液态金属成形过程区别不大,适合于大批量制备半固态浆料,应用于工业生产的前景非常光明,其发展趋势主要有以下两个方面。

(1)与其他成型方法相结合
将近液相线浇注法和其他方法(电磁法、搅拌法、斜管法等) 结合在一起,应是今后的研究重点。

目前关于该技术的报道不是很多。

王平等人[19 ]整合NLC (近液相线铸造) 与EMC(电磁铸造) 两者形成了新的半固态制备技术。

结果表明,合金浆料为细小、均匀的等轴晶组织,成形出表面光洁、内部质量好、无气孔和夹杂等缺陷的流变成形件。

该技术具有工艺简单、过程便于控制、不会污染合金、随后的流变成形工艺流程短等特点。

(2) 利用数值模拟技术
半固态铸造中的常见缺陷是显微组织和力学性能不均匀,这些缺陷又可以从温度场、流场等分析,数值模拟软件(如Procast 、Magma 、Flow23D 等) 正好有这方面的优势,之后利用试验对模拟结果进行验证。

虽然目前近液相铸造法还没有真正用在工业生产中,但作为“21 世纪的新一代金属成形技术”,凭借其节约能源、生产效率高、应用范围广泛、产品质量好等优点, 我们相信近液相线铸造法将会在半固态成形技术乃至金属成形技术中占重要地位。

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