半固态材料成形技术的研究和应用

半固态材料成形技术的研究和应用

程 钢 樊 刚

(昆明理工大学,昆明50093)

摘 要:半固态成形具有加工温度低,变形抗力小的特点,为高效低能实现金属近净成形提供了现实可能。对半固态金属加工的工艺方法进行了论述,以期推动其理论研究和工业应用。

关键词:半固态;成形;应用

中图分类号:T G249.9 文献标识码:A 文章编号:1004 244X(2001)05 0066 03

金属材料从固态向液态或从液态向固态的转换过程中,均要经历半固态阶段,在这阶段中合金内既存在固相又存在流体液相。半固态加工是将金属或合金在固相线和液相线温度区间进行加工成近终形产品的一种新方法。

与传统的全液态金属成形工艺相比,半固态加工技术概括起来有如下特点[1,2]:

(1)用途广泛。流变铸造可以直接成形,也可用于压铸、挤压铸造、模锻成形和金属型、砂型铸造。另外,还能精炼金属,制造复合材料等;

(2)铸造过程中不需变质处理即可获得均匀细晶组织;

(3)凝固收缩少,可实现近终形加工,并可通过热处理获得优越的机械性能;

(4)加工温度低,使成形装置的热负荷减轻,使模具寿命延长;

(5)半固态金属粘度高,充型时不喷溅、无湍流;冷却凝固时间短,可大幅提高生产率;

(6)节约原材料和能源,降低生产成本。

因此,半固态加工技术被认为是21世纪最具发展前途的近净成形技术和新材料制备技术之一[3]。

1 半固态成形技术

半固态成形是针对固、液态共存的半熔化或半凝固金属进行成型加工的工艺方法。目前,半固态成形方法大致可分为半固态挤压、半固态压铸(包括流变铸造和触变铸造)等几种主要工艺类型[4~6]。

1.1 半固态挤压

半固态挤压是用加热炉将坯料加热到半固态,然后放入挤压模腔,用凸模施加压力,通过凹模模口挤出所需制品。半固态的坯料在挤压模腔内处于密闭状态,流动变形的自由度低,内部的固相成分、液相成分不易独流动,在进入正常挤压状态后,两者一起从模口挤出,在长度方向上得到稳定均一的制品。半固态挤压和其他半固态成型方法相比,研究得最多的是各种率合金和铜合金的棒、线、管、型材等制品。制品的内部组织及机械性能均匀,是难加工材料、粒子强化金属基复合材料、纤维前化金属基复合材料形成加工的不可缺少的技术。

1.2 半固态压铸

半固态压铸主要有两种工艺,分别被称为流变铸造和触变铸造。众所周知,流变铸造的固-液混合金属浆料不仅具有流变性,还具有触变性。半固态铸造用的这种具有流变性和触变性的固-液混合金属浆料,其关键在于要打碎液态金属正在凝固时的树枝状晶,使其成为球状或近似球状的一次相(衰退枝晶)固体质点。

普通压铸工艺有一个缺点是液态金属射入时空气卷进制品中形成气泡,在半固态压铸时,通过控制半固态浆料的粘度和固相率,可以抑制气泡的产生,因此可以加工容易产生气泡,普通压铸工艺难以制造的复杂形状的制品。

1.3 射铸成形

将直接熔化的金属液冷却至一定的温度,在一定的工艺条件下压射入型腔成形,以获得所需的加工件。如美国威斯康辛的触变成形中心及康奈尔大学等研制出镁合金射铸成形装置,将金属从料管加入,经适当加热后压射入型腔成形。

第24卷 第5期2001年 9月 兵器材料科学与工程

ORDNANCE M AT ERIAL

Vol.24 N o.5

收稿日期:2000-11-10

基金项目:云南省教委科研基金资助

作者简介:程 钢(1971-),山东大学材料学院,博士2001级

图1

射铸成形示意图

图2 半固态复合铸造法示意图

1.4 连铸连轧

半固态加工技术也可以应用于金属材料的连铸连轧中。将半固态技术应用于连铸连轧中,不仅能使材料成分均匀,而且能提高产品的整体质量。1.5 复合铸造

金属基复合材料作为一种新型材料在近年来得到迅速发展。其制备方法通常为常规铸造、粉末烧结法、浸透法等,这些方法制备复合材料存在的主要问题是金属与非金属之间浸润难、质量不稳定,这样就阻碍了金属基复合材料的推广应用。半固态金属在液固共存区有很好的流动性和粘性,并且通过选择适当的加入温度和加强金属浆料的搅拌,利用半固态金属粘度可以调整的优点,克服了大部分增强材料与金属母液不浸润而难以复合的关系,提高非金属与金属之间的界面结合强度[7,8],成功地将增强材料加入到半固态金属中制备出均匀的复合材料,随后可进行半固态成形加工,为复合材料的制备提供了崭新的成本低廉的重要方法。

2 半固态浆料制备的几个重要参数

在半固态浆料制备过程中,有以下几个重要问题需要解决,才能获得较为满意的结果[9,10]。2.1 流变平均剪切速率对一次相尺寸的影响

平均剪切速率也就是平均剪切速度梯度。流变

浆料是通过搅拌器的浆叶在半固态金属中搅拌获得的,浆叶必须给半固态金属液足够大的剪切力,即浆叶一定要有足够大的功率、转速才能将一次相树枝状晶破碎。搅拌效果与浆叶数量、形状、尺寸(即与坩埚的相对位置)有关。当坩埚与浆叶的尺寸形状一定时,搅拌速度对一次相树枝状晶的破碎大小有

直接的影响。搅拌速度小时,一次相树枝状晶所受剪切力就小,破碎强度也小,获得一次相晶粒较大,形状也不规则。搅拌速度大时,一次相晶变的细小形状近似球状。但是搅拌速度太高,会导致固-液混合液飞溅和严重氧化,故需在真空或氩气的保护气氛中搅拌。选择合适的搅拌速度,能使固-液金属浆料流动性较好,一次相均匀细小且呈球状,使铸件更密实,表面质量和机械性能提高。

2.2 金属液冷却速度对一次相生成的影响

在流变金属液制备时,必须首先将金属液冷却到固相含量达40%左右,故冷却速度对一次相的生成有一定影响。

当一次相晶体凝固冷却速度较快时,得到的流变结构组织较细。所谓一次相晶体的冷却速度即为合金液的冷却速度。冷却速度大,合金液体的过冷度大,形核率就大幅度增加,而长大速率增加较少,所得晶粒较细。较小的一次相晶粒即使在较低的搅拌速度和较短时间的流变处理时,也能得到较细的流变组织。

合金液通常总会有一定的过热温度,从较高温度冷却到较低温度需要相当多的时间,所以必须要强化冷却过程。例如对Al-8%Si 的铝硅合金液来说,可采用调整插入预热200 的铜棒的数量来控制,使其由650 冷却到共晶温度。2.3 固-液金属浆料体积比控制

半固态合金液中,当固相到达一定体积比例时,一次相就以树枝状晶的形式生成结晶骨架,余下的液相就留在骨架的间隙里。当树枝状结晶骨架搭接成一个完整的骨架以后,留下的液相不论有多少都不能使合金液在宏观上具有流动能力。用搅拌方法将其连成整体的结晶骨架打碎,形成悬浮在液相之中的细小球状晶粒,使液相连成一片,这种半固态流变浆料具有较好的流动性。

在半固态流变浆料中固液相的比例有所不同,比例的大小对流变的优越性和成形的好坏有着直接的影响。固相量较大时,浆料中含气量更少,凝固时收缩量小,合金液对铸型的热冲击弱,发挥了流变浆

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