半固态合金流变铸造的研究进展_毛卫民
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2 Shivkumr S , Keller C , keller D .Aging Behavior in Cast Al-Si-Mg Al loys .AFS Transactions , 1990, 98 :905 ～ 910
3 Crowell N , Shivkumar S .Solution Treatment Eff ects in Cast Al-Si-Cu Al loys . AFS Transactions , 1995 , 103 :721 ～ 730
金属成形工艺 , 它将制备出的半固态合金浆料直接送往 流变铸造技术的研究越来越受到重视 , 一些新的流变铸
压铸机的压射室 , 进行流变压铸 。 然而 , 早期通过强烈 造方法正在取得突破性的进展 , 下面分别对这些技术的
机械搅拌获得的半固态合金浆料的保存和输送很不方 特点和发展前景进行论述 。
便 , 因而半固态合金流变铸造技术的进展很缓慢 , 一直 没有出现成熟的技术 。与此同时 , 工艺流程较长的触变 铸造却获得了较大规模的应用[ 1] 。 但是 , 经过多年的生 产实践和深入研究发现 , 采用触变铸造技术尚存在 5 大 工艺问题 :①半固态铝合金坯料成本高 , 制备坯料时额 外高出约 40 %的费用 ;②传统电磁搅拌的功率大 、效率 低 、能耗高 ;③传统电磁感应重熔加热的能耗高 , 坯料表 面氧化严重 , 而且加热时坯料总会流失部分金属 , 占坯 料质量的 5 %～ 12 %;④坯料的 液相分数不能太高 , 否 则非常复杂零件的成形困难 ;⑤锯屑 、坯料重熔加热时 的流汤 、浇注系统(占坯料质量的 10 %～ 20 %)和废品 (所有回炉料约占坯料质量的 40 %～ 50 %)不能马上回 用 , 必须返回到坯料制备车间或坯料供应生产厂 , 增加 了成形生产成本 。为了解决上述难题和进一步降低生 产成本 , 扩大半固态合金铸造的应用 , 近年来 , 半固态金 属铸造技术领先的国家重新将半固态合金浆料直接铸
2 射室制备浆料式流变铸造
为了避免半固态合金浆料的存储和输送 , 日本 Hitachi 金属有 限公司的 Shibata 等 人提出了一 种技术方 案 :在 2 500 kN 立式压铸机的射室中制备半固态合金浆 料 , 然后直接压射成形 , 如图 2 所示[ 4] , 对浇入射室中的 AlSi7Mg0 .7 铝合金(1 .5 kg)进行电磁搅拌 , 同时 , 铝合 金熔体在搅拌中不断冷却 ;当铝合金熔体冷却到适当的 温度(590 ～ 600 ℃)时 , 就制备出了具有触变性的半固 态铝合金浆料 , 然后 , 在 133 MPa 的压射压力和 0 .4 m/ s 的入口速度下 , 将半固态 AlSi7Mg0 .7 合金浆料直接压 入模具型腔 , 流变压铸后的平板铸件组织与液态铝合金 压铸件的组织截然不同 , 经过电磁 搅拌后的初生 α-Al 为球状 。 图 2 中所用的射室具有特殊结构 , 在射室上开 有 12 道垂直缝 , 缝隙宽度为 2 mm , 以减小射室产生的 感应涡电流 , 强化电磁搅拌效果 。 经过 T6 处理(540 ℃ 保温 4 h , 淬入热水 , 又在 160 ℃时效 4 h), 流变压铸件 的力学性能比挤压铸件的性能高一些 , 而伸长率提高 1 倍 。 在此试验的基础上 ,Shibata 等人又在 6 300 kN 立式 压铸机上进行了类似的试验 , 压铸件为一种汽车零件 , 浇入的铝合金质量为 4 .7 kg , 半固态铝合金浆料的温度 为 590 ～ 600 ℃, 压射压力为 100 MPa , 浇口处的入射速 度为 0 .23 m/ s ;流变压铸件经过 T6 处理后 , 其力学性能 与挤压铸件的相当 , 但伸长率提高了 38 %。
固态合金浆料的输送也不方便 , 要么输送容器为一次性 消耗品 , 在流变铸造时被压碎 并混入预料中而难以分
离 , 要么半固态合金浆料容易 粘附在输送坩埚的内壁
上 , 需要不断清理坩埚以及无法准确保证流变铸造所需
的浆料体积 , 使流变铸造很难顺利进行 。 因此 , 到目前
为止 , 机械搅拌流变铸造技术一直无法进入实际应用 。
a .浇注 b .电磁搅拌 c.调整射室位置 d .压射成形 图 2 射室制备 半固态合金浆料和流变铸造示意图
Shibata 等人后来又提出了一种技术方案 ①:立式压 铸机及射室与图 2 所示的类似 ;将 60 mm ×12 mm 的 射室预 热到不同温度(25 ～ 700 ℃), 再浇 入不同温 度 (625 ～ 660 ℃)的 AlSi7Mg0 .3 合金液体 ;当 AlSi7Mg0 .3 合金熔体的心部冷却到 600 ℃时 , 将半固态浆料压入型 腔 。试验 表 明 :浇 注 温 度较 低 时 , 如 不 超 过 630 ℃, AlSi7Mg0 .3合金熔体心部的初生 α-Al 呈球状 , 初生 α-Al 的形状因子较高 , 但当浇注温度超过一定程度时 , 初生 α-Al 就转变为树枝晶 , 初生 α-Al 的形状因子较低 ;在同 一浇注温度下, 随着压铸机射室预热温度的升高 , AlSi7Mg0 .3合金熔体心部的初生 α-Al 形状变差 , 适宜的 射室预热温度不 超过 370 ℃。 在同样 的试验条件下 , AlSi7Mg0 .3 合金熔体边缘处 的初生 α-Al 形态比较差 , 一般呈细枝晶 、或蔷薇状枝晶 、或粗大的枝晶 。 试验还 表明 :在同样的试验条件下 , 加入质量分数为 0 .11 %的 Ti 以后 , 初生 α-Al 的形状因子有所提高 , 而加入晶粒细 化剂 Ti(质量分数为 0 .16 %)和 B(质量分数为0 .011 %) 以后 , 初生 α-Al 的形状因子更高一些 。经过试验 , 流变 压铸平板件的力学性能比重力铸造和低压铸造平板件 的力学性能高 。
Northwood , Improvement of 319 Aluminum Alloy Casting Durability by High Temperature Solution Treatment .Journal of Materials Processing Technology , 2001 , 109(1 ～ 2):174～ 180
DO I :10.15980/j .tzzz .2004.02.002
前沿技术论坛
特种铸造及有色合金 2004 年第 2 期
半固态合金流变铸造的研究进展＊
北 京 科 技 大 学 毛卫民 ＊＊ 白月龙 福建三明钢铁公司 陈 军
摘 要 总结了 30 余年来半固态合金流变铸造的研究和 应用现状 。 介 绍了传 统机械 搅拌式 流变铸造 工艺 , 由于其 所制
in Al-Mg-Si Alloys With an Excess of Silicon .Journal of Materials Science, 1999 , 34(4):811 ～ 818 9 Dons A L , Pedersen L, Arnberg L.The Origin of Anomalous Microsegregation in Al-Si Foundry Alloys-Modelling and Experimental Verif ication .Materials Science and Engineering , 1999 , A 271(1 ～ 2):91 ～ 100 10 Pedersen L , A rnbery L .Anomalous Microsegregation in Al-Si Foundry A lloys .
4
High Silicon Content .Journal of M aterials Science, 1997 , 32(7):1 895 ～ 1 899 8 Eskin D G , Massardier V , Merle P A .Study of High-temperature Precipitation
(编辑 :刘 卫)
半固态合金流变铸造的研究进展
a .流变压铸件
b.液态压铸件
图 1 A380 铝合金的流变压铸件与液态 压铸件
虽然上述试验证明机械搅拌制备的半固态合金浆
料可以实现流变铸造 , 流变铸造件的外观质量良好 , 内
部致密度进一步提高 , 但是 , 机械搅拌制备的半固态合
金浆料的保存比较麻烦 , 需要对保存坩埚或储存室进行 预先加热和保温 , 这在实际应用中很不方便 。另外 , 半
浇注和弱机械搅拌式流变铸造的工艺特点和核心思想 ;分析了半固态合金流变铸造的发展前景 。
关键词 :流变铸造 半固态 合金
中图分类号 :TG244.+3 文献标识码 :A 文章编号 :1001-2249(2004)02 -0004-05
半固态金属的流变压铸是最早进行研究的半固态 造成形技术作为降低生产成本的主攻方向 , 半固态合金
1 传统机械搅拌式流变铸造
在早期的研究中 , 美国 MIT 的 Mehrabian 和 Riek 等 人曾经研究过 A380 铝合金和 905 铜合金的半固态流变 铸造 , 这两种合金的半固态浆料都是通过机械搅拌方法 制Biblioteka Baidu的[ 2 , 3] 。
通过非连续机械搅拌装置制备 A380 铝合金半固态 浆料 。在搅拌制备过程中 , 当 A380 铝合金冷却到适宜 的固相分数时 , 将坩埚中的浆料送入压铸机的压射室进 行流变压铸成形 。 流变压铸条件为 :压射冲头速度 为 0 .91～ 2 .13 m/ s , 压射压力为 47 .6 ～ 158 .6 MPa , 模具温 度为 204 ℃, 半固态 A380 铝合金浆料的温度为 564 ～ 572 ℃。在该压铸条件下 , 流变压铸出较为致密的 零件 毛坯 , 其致密度与液态 A380 铝合金的压铸件相当 。 该 流变压铸毛坯为一种盖类零件 , 如图 1 所示[ 2] 。
收稿日期 :2003 -10 -16
参 考 文 献
1 Shivkumar S , Ri cci S .Apelian D .Influence of Solution Parameters and Simplified Supersaturation Treatment s on Tensile Propert ies of A356 A lloy .AFS Transactions , 1990 , 98 :913 ～ 920
4 Shivkumar S , Wang L, Kel ler C .Notched Tensile Properties of Heat-Treated A356 Castings .AFS Transations , 1995 , 103 :705 ～ 712
5 M urali S , Arunkumar Y , Chetty P V J et al .The Effect of Preaging on the Delayed Aging of A l-7Si-0 .3Mg .JOM , 1997 , 49(2):29 ～ 37
Materials Science and Engineering, 1998 , A241(1 ～ 2):285 ～ 291 11 Edwards G A , Stil ler K , Dunlop G L et al .The Precipitation Sequence in Al-
Mg-Si A lloys .Acta Mater ., 1998 , 46(1):3 893 ～ 3 898 12 Sokolowsdi J H, Mi le B .Djurduevic , Christopher A .K ierkus , Derek O .
6 Kang H G , Kida M , Miyahara H et al .Age-Hardening Characteristi cs of A l-SiCu-Base Cast Alloys .AFS Transctions , 1999 , 107 :507 ～ 512
7 Zhen l , Fei W D , K ang S B .Precipitaion Behavior of A l-Mg-Si Alloys with
备的半固态合金浆料保存 、输送麻烦 , 至今没有进入实际应用 ;评述了射室制备浆料式流变铸造工 艺技术 , 其生产的 压铸件
经 T6 处理 , 力学性能与挤压铸件 相当 , 但伸长率提高很多 ;介绍单 、双螺旋流变射铸工 艺 , 其特 点是利用 液态合金原 料生产
成本低 , 铸件气孔率低 , 但其所需设备和生产工艺还处在优化阶段 ;重点介绍了低过热度倾斜板浇 注式流变 铸造 、低 过热度
＊ 国家重点基础研究发展(973)规划项目(G2000067202-3), 国家 863 计划项目(G2002AA336080), 国家自然科学基金项目(50374012) ＊＊ 毛卫民 , 男 , 1958 年出生 , 教授 , 博士生导师 , 北京科技大学铸造研究所 , 北京(100083), 电话 :010 -62332882 , E -mail :maoweimin263.com
3 Crowell N , Shivkumar S .Solution Treatment Eff ects in Cast Al-Si-Cu Al loys . AFS Transactions , 1995 , 103 :721 ～ 730
金属成形工艺 , 它将制备出的半固态合金浆料直接送往 流变铸造技术的研究越来越受到重视 , 一些新的流变铸
压铸机的压射室 , 进行流变压铸 。 然而 , 早期通过强烈 造方法正在取得突破性的进展 , 下面分别对这些技术的
机械搅拌获得的半固态合金浆料的保存和输送很不方 特点和发展前景进行论述 。
便 , 因而半固态合金流变铸造技术的进展很缓慢 , 一直 没有出现成熟的技术 。与此同时 , 工艺流程较长的触变 铸造却获得了较大规模的应用[ 1] 。 但是 , 经过多年的生 产实践和深入研究发现 , 采用触变铸造技术尚存在 5 大 工艺问题 :①半固态铝合金坯料成本高 , 制备坯料时额 外高出约 40 %的费用 ;②传统电磁搅拌的功率大 、效率 低 、能耗高 ;③传统电磁感应重熔加热的能耗高 , 坯料表 面氧化严重 , 而且加热时坯料总会流失部分金属 , 占坯 料质量的 5 %～ 12 %;④坯料的 液相分数不能太高 , 否 则非常复杂零件的成形困难 ;⑤锯屑 、坯料重熔加热时 的流汤 、浇注系统(占坯料质量的 10 %～ 20 %)和废品 (所有回炉料约占坯料质量的 40 %～ 50 %)不能马上回 用 , 必须返回到坯料制备车间或坯料供应生产厂 , 增加 了成形生产成本 。为了解决上述难题和进一步降低生 产成本 , 扩大半固态合金铸造的应用 , 近年来 , 半固态金 属铸造技术领先的国家重新将半固态合金浆料直接铸
2 射室制备浆料式流变铸造
为了避免半固态合金浆料的存储和输送 , 日本 Hitachi 金属有 限公司的 Shibata 等 人提出了一 种技术方 案 :在 2 500 kN 立式压铸机的射室中制备半固态合金浆 料 , 然后直接压射成形 , 如图 2 所示[ 4] , 对浇入射室中的 AlSi7Mg0 .7 铝合金(1 .5 kg)进行电磁搅拌 , 同时 , 铝合 金熔体在搅拌中不断冷却 ;当铝合金熔体冷却到适当的 温度(590 ～ 600 ℃)时 , 就制备出了具有触变性的半固 态铝合金浆料 , 然后 , 在 133 MPa 的压射压力和 0 .4 m/ s 的入口速度下 , 将半固态 AlSi7Mg0 .7 合金浆料直接压 入模具型腔 , 流变压铸后的平板铸件组织与液态铝合金 压铸件的组织截然不同 , 经过电磁 搅拌后的初生 α-Al 为球状 。 图 2 中所用的射室具有特殊结构 , 在射室上开 有 12 道垂直缝 , 缝隙宽度为 2 mm , 以减小射室产生的 感应涡电流 , 强化电磁搅拌效果 。 经过 T6 处理(540 ℃ 保温 4 h , 淬入热水 , 又在 160 ℃时效 4 h), 流变压铸件 的力学性能比挤压铸件的性能高一些 , 而伸长率提高 1 倍 。 在此试验的基础上 ,Shibata 等人又在 6 300 kN 立式 压铸机上进行了类似的试验 , 压铸件为一种汽车零件 , 浇入的铝合金质量为 4 .7 kg , 半固态铝合金浆料的温度 为 590 ～ 600 ℃, 压射压力为 100 MPa , 浇口处的入射速 度为 0 .23 m/ s ;流变压铸件经过 T6 处理后 , 其力学性能 与挤压铸件的相当 , 但伸长率提高了 38 %。
固态合金浆料的输送也不方便 , 要么输送容器为一次性 消耗品 , 在流变铸造时被压碎 并混入预料中而难以分
离 , 要么半固态合金浆料容易 粘附在输送坩埚的内壁
上 , 需要不断清理坩埚以及无法准确保证流变铸造所需
的浆料体积 , 使流变铸造很难顺利进行 。 因此 , 到目前
为止 , 机械搅拌流变铸造技术一直无法进入实际应用 。
a .浇注 b .电磁搅拌 c.调整射室位置 d .压射成形 图 2 射室制备 半固态合金浆料和流变铸造示意图
Shibata 等人后来又提出了一种技术方案 ①:立式压 铸机及射室与图 2 所示的类似 ;将 60 mm ×12 mm 的 射室预 热到不同温度(25 ～ 700 ℃), 再浇 入不同温 度 (625 ～ 660 ℃)的 AlSi7Mg0 .3 合金液体 ;当 AlSi7Mg0 .3 合金熔体的心部冷却到 600 ℃时 , 将半固态浆料压入型 腔 。试验 表 明 :浇 注 温 度较 低 时 , 如 不 超 过 630 ℃, AlSi7Mg0 .3合金熔体心部的初生 α-Al 呈球状 , 初生 α-Al 的形状因子较高 , 但当浇注温度超过一定程度时 , 初生 α-Al 就转变为树枝晶 , 初生 α-Al 的形状因子较低 ;在同 一浇注温度下, 随着压铸机射室预热温度的升高 , AlSi7Mg0 .3合金熔体心部的初生 α-Al 形状变差 , 适宜的 射室预热温度不 超过 370 ℃。 在同样 的试验条件下 , AlSi7Mg0 .3 合金熔体边缘处 的初生 α-Al 形态比较差 , 一般呈细枝晶 、或蔷薇状枝晶 、或粗大的枝晶 。 试验还 表明 :在同样的试验条件下 , 加入质量分数为 0 .11 %的 Ti 以后 , 初生 α-Al 的形状因子有所提高 , 而加入晶粒细 化剂 Ti(质量分数为 0 .16 %)和 B(质量分数为0 .011 %) 以后 , 初生 α-Al 的形状因子更高一些 。经过试验 , 流变 压铸平板件的力学性能比重力铸造和低压铸造平板件 的力学性能高 。
Northwood , Improvement of 319 Aluminum Alloy Casting Durability by High Temperature Solution Treatment .Journal of Materials Processing Technology , 2001 , 109(1 ～ 2):174～ 180
DO I :10.15980/j .tzzz .2004.02.002
前沿技术论坛
特种铸造及有色合金 2004 年第 2 期
半固态合金流变铸造的研究进展＊
北 京 科 技 大 学 毛卫民 ＊＊ 白月龙 福建三明钢铁公司 陈 军
摘 要 总结了 30 余年来半固态合金流变铸造的研究和 应用现状 。 介 绍了传 统机械 搅拌式 流变铸造 工艺 , 由于其 所制
in Al-Mg-Si Alloys With an Excess of Silicon .Journal of Materials Science, 1999 , 34(4):811 ～ 818 9 Dons A L , Pedersen L, Arnberg L.The Origin of Anomalous Microsegregation in Al-Si Foundry Alloys-Modelling and Experimental Verif ication .Materials Science and Engineering , 1999 , A 271(1 ～ 2):91 ～ 100 10 Pedersen L , A rnbery L .Anomalous Microsegregation in Al-Si Foundry A lloys .
4
High Silicon Content .Journal of M aterials Science, 1997 , 32(7):1 895 ～ 1 899 8 Eskin D G , Massardier V , Merle P A .Study of High-temperature Precipitation
(编辑 :刘 卫)
半固态合金流变铸造的研究进展
a .流变压铸件
b.液态压铸件
图 1 A380 铝合金的流变压铸件与液态 压铸件
虽然上述试验证明机械搅拌制备的半固态合金浆
料可以实现流变铸造 , 流变铸造件的外观质量良好 , 内
部致密度进一步提高 , 但是 , 机械搅拌制备的半固态合
金浆料的保存比较麻烦 , 需要对保存坩埚或储存室进行 预先加热和保温 , 这在实际应用中很不方便 。另外 , 半
浇注和弱机械搅拌式流变铸造的工艺特点和核心思想 ;分析了半固态合金流变铸造的发展前景 。
关键词 :流变铸造 半固态 合金
中图分类号 :TG244.+3 文献标识码 :A 文章编号 :1001-2249(2004)02 -0004-05
半固态金属的流变压铸是最早进行研究的半固态 造成形技术作为降低生产成本的主攻方向 , 半固态合金
1 传统机械搅拌式流变铸造
在早期的研究中 , 美国 MIT 的 Mehrabian 和 Riek 等 人曾经研究过 A380 铝合金和 905 铜合金的半固态流变 铸造 , 这两种合金的半固态浆料都是通过机械搅拌方法 制Biblioteka Baidu的[ 2 , 3] 。
通过非连续机械搅拌装置制备 A380 铝合金半固态 浆料 。在搅拌制备过程中 , 当 A380 铝合金冷却到适宜 的固相分数时 , 将坩埚中的浆料送入压铸机的压射室进 行流变压铸成形 。 流变压铸条件为 :压射冲头速度 为 0 .91～ 2 .13 m/ s , 压射压力为 47 .6 ～ 158 .6 MPa , 模具温 度为 204 ℃, 半固态 A380 铝合金浆料的温度为 564 ～ 572 ℃。在该压铸条件下 , 流变压铸出较为致密的 零件 毛坯 , 其致密度与液态 A380 铝合金的压铸件相当 。 该 流变压铸毛坯为一种盖类零件 , 如图 1 所示[ 2] 。
收稿日期 :2003 -10 -16
参 考 文 献
1 Shivkumar S , Ri cci S .Apelian D .Influence of Solution Parameters and Simplified Supersaturation Treatment s on Tensile Propert ies of A356 A lloy .AFS Transactions , 1990 , 98 :913 ～ 920
4 Shivkumar S , Wang L, Kel ler C .Notched Tensile Properties of Heat-Treated A356 Castings .AFS Transations , 1995 , 103 :705 ～ 712
5 M urali S , Arunkumar Y , Chetty P V J et al .The Effect of Preaging on the Delayed Aging of A l-7Si-0 .3Mg .JOM , 1997 , 49(2):29 ～ 37
Materials Science and Engineering, 1998 , A241(1 ～ 2):285 ～ 291 11 Edwards G A , Stil ler K , Dunlop G L et al .The Precipitation Sequence in Al-
Mg-Si A lloys .Acta Mater ., 1998 , 46(1):3 893 ～ 3 898 12 Sokolowsdi J H, Mi le B .Djurduevic , Christopher A .K ierkus , Derek O .
6 Kang H G , Kida M , Miyahara H et al .Age-Hardening Characteristi cs of A l-SiCu-Base Cast Alloys .AFS Transctions , 1999 , 107 :507 ～ 512
7 Zhen l , Fei W D , K ang S B .Precipitaion Behavior of A l-Mg-Si Alloys with
备的半固态合金浆料保存 、输送麻烦 , 至今没有进入实际应用 ;评述了射室制备浆料式流变铸造工 艺技术 , 其生产的 压铸件
经 T6 处理 , 力学性能与挤压铸件 相当 , 但伸长率提高很多 ;介绍单 、双螺旋流变射铸工 艺 , 其特 点是利用 液态合金原 料生产
成本低 , 铸件气孔率低 , 但其所需设备和生产工艺还处在优化阶段 ;重点介绍了低过热度倾斜板浇 注式流变 铸造 、低 过热度
＊ 国家重点基础研究发展(973)规划项目(G2000067202-3), 国家 863 计划项目(G2002AA336080), 国家自然科学基金项目(50374012) ＊＊ 毛卫民 , 男 , 1958 年出生 , 教授 , 博士生导师 , 北京科技大学铸造研究所 , 北京(100083), 电话 :010 -62332882 , E -mail :maoweimin263.com