铝合金流变挤压铸造成形技术基础研究

铝合金流变挤压铸造成形技术基础研究

随着半固态加工理论和实践的深入发展,工业应用日趋成熟,流变成形技术因其流程短、节能低耗等优势成为研究的重点方向。挤压铸造因其高压凝固和塑性形变同时存在,是无缩孔铸造的典型工艺。

本文通过将半固态制浆与挤压铸造工艺紧密衔接,综合两者的优良特性,开展流变挤压铸造成形技术基础研究。研制了带平移式浇注压射系统的半固态立式挤压铸造成型设备,设计开发配套的专用挤压铸造模具,系统研究了其工艺参数对锻造铝合金流变间接挤压铸造成形的影响规律。

采用Anycasting模拟软件对锻造铝合金7075轮状制件进行了流变挤压铸造凝固过程模拟。选用铸造铝合金A356对流变挤压铸造成形工艺进行了实验研究。

主要研究内容和获得的结论如下:研究了挤压铸造成形设备的压射机构、锁紧机构及其控制系统,设计开发了专用配套的挤压铸造成形模具;设计制造了具有平移式浇注系统的半固态立式挤压铸造成型机,能实现“平移式浇注加压凝固”方式进行挤压铸造成形;升级了基于PLC可编程序的剪切低温浇注式半固态制浆(LSPSF)工艺控制系统,制浆工艺参数能实现精确控制;开发的专用挤压铸造模具,采用镶块式结构,通过凸模结构的创新设计与合型油缸连接,能够实现挤压铸造成形中的“二次内腔挤压(锻造)”功能。通过分析LSPSF制浆工艺的流变挤压铸造成形A356合金制件的微观组织表明:在压力下凝固结晶的微观组织分布均匀,初生α-Al相细小、为非枝晶状;A356流变挤压铸造成形制件外观精度较好,表面光洁度高,性能较稳定,平均抗拉强度为190.5MPa,平均伸长率为13.13%,最大伸长率达到19%以上;流变挤压铸造成形容易成形较复杂的A356制件,通过排气、溢料槽等设置,其冷隔,夹杂等缺陷容易控制,制件的质量和性能趋于稳定。

进行了流变成形两步热力学计算假设,第一阶段凝固发生在浆料蓄积器和料筒中,视为平衡态,第二阶段发生在模具型腔内高压冷却条件下凝固,视为非平衡态凝固,可采用Scheil模型进行热力学计算。应用Anycasting软件通过正交实验方法,建立了流变挤压铸造成形7075轮状制件的工艺数值模型。

通过比对发现实验制件缺陷与数值模拟结果一致。结果表示,当浇注温度为635℃,充型速度0.2m/s,模具温度200℃时,概率缺陷参数等分布最少,制件质量优良,与实验获得的最佳工艺参数吻合。

通过LSPSF制浆工艺与专用挤压铸造成形设备的连接,实现了轮状7075合金制件的小批量连续生产实验,结果显示:在浇注温度为630~636℃,模具温度为200℃左右,保压时间15s及压射比压80MPa时,流变挤压铸造成形7075铝合金轮状零件外观质量良好,微观组织晶粒细小,呈非枝晶状;获得平均抗拉强度为

299MPa,平均伸长率为15.32%,最大伸长率达到23%以上的力学性能;随着压射比压的增大抗拉强度增加,但塑性在一定的增大后不再增加,实验条件下比压

80MPa时可获得优良制件;探索了不同比压对晶粒大小和液相偏析的影响,随着挤压压力的增大,晶粒变得细小,液相偏析越明显。探索了流变挤压铸造7075制件的热处理强化机制,实验条件下7075合金流变挤压铸造成形件的T6单级时效最佳热处理工艺制度为:475℃固溶处理,保温2h,室温水淬,时效温度为140℃,保温16h,空冷。

热处理后制件的力学性能显著提高,平均抗拉强度为520MPa,平均屈服强度为467MPa,平均伸长率为9.05%,其中最大抗拉强度达到552MPa,最大屈服强度达到500MPa,最大伸长率为13.77%,最好性能指标达到锻件水平。研究了流变挤压铸造7075合金的微观组织,发现固溶处理后,晶界附近存在低熔点共晶相熔化后

留下的各种孔洞,T6处理后拉伸断口沿着晶界附近也发现各种初熔孔洞,这些孔洞将严重影响制件的综合力学性能。

热处理拉伸断口由大韧窝、扁平区、致密的浅小韧窝和撕裂脊组成,从拉伸断口的微观特征分析,发现了孔洞及孔洞聚集扩展形成撕裂脊的拉伸断裂机理,拉伸断口中孔洞以大韧窝的形式存在,撕裂裂纹从孔隙处萌生出来,随着拉伸应力的不断增加,孔隙与孔洞间的裂纹聚集并扩展形成了撕裂脊,直至最终拉断。7075合金流变挤压铸造成形后球晶较多,晶粒细小均匀,固溶处理时,晶粒间距越小,应力越大,基体中存在大量的位错、空位等缺陷,有效地加速合金元素特别是铜元素的扩散与溶解速度,固溶时间得到显著缩短,提升了性能和生产效率。