河北科技大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工 作所取得的成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方 式標(biāo)明。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā) 表或撰寫(xiě)過(guò)的作品或成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 篌芰盔 p or d 年5 月2 中日= 0 爐 必l d 年f 月牛日l(shuí) 河北科技大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留 并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本 人授權(quán)河北科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 口保密，在一年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 本學(xué)位論文屬于 酌 保密。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”) 靴論文作者弛傲苤 2 0 t o 年f 月2 牛日 指導(dǎo)教師簽名： ， 啊妣 瑚f o 年f 月z q - 日 摘要 摘要 半固態(tài)流變成形的最大優(yōu)勢(shì)是工藝流程短、生產(chǎn)成本低，符合當(dāng)今時(shí)代節(jié)能減 排、綠色鑄造的要求。近些年來(lái)已經(jīng)成為了半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。半固態(tài)流 變壓鑄利用半固態(tài)合金熔體具有觸變性的特點(diǎn)，能有效減輕甚至消除氣孔缺陷，具 有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，工業(yè)應(yīng)用前景非常光明。 本文利用傾斜板法制備半固態(tài)a 1 s i 9 m g 合金熔體，并流變壓鑄標(biāo)準(zhǔn)試樣。研究 了澆注溫度、壓射比壓、壓射速度、固溶處理工藝參數(shù)對(duì)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 組織及性 能的影響，分析了在沿程流動(dòng)過(guò)程中初生固相組織演變規(guī)律。 研究表明：澆注溫度對(duì)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 合金熔體的微觀組織特征影響較大，在 本試驗(yàn)條件下，合適的澆注溫度為6 1 0 6 1 5 。c ，澆注溫度為6 1 5 。c 時(shí)初生固相率為 4 0 3 ，初生固相的平均直徑為2 2 4 1 t m ，圓整度為0 6 0 6 。 壓鑄壓力對(duì)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 微觀組織和性能的影響較大，在本試驗(yàn)條件下，合 適的壓射比壓為4 8 7 2 m p a ，壓射比壓為4 8 m p a 時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度為2 3 3 m p a ，延伸 率為4 5 ，布氏硬度為7 6 ，沖擊韌性為9 8 k j 吖n 。其微觀組織中初生固相率為2 7 3 ， 初生固相的平均直徑為1 7 2 p m ，圓整度為0 6 6 2 。 壓鑄速度對(duì)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 微觀組織和性能的影響較大，在本試驗(yàn)條件下，合 適的壓射速度為1 5 2 0 1 t i s ，壓射速度為1 5 m s 時(shí)試樣的抗拉強(qiáng)度為2 3 8 m p a ，延伸 率為5 7 ，布氏硬度為8 3 ，沖擊韌性為1 3 4 k j m - 2 。其微觀組織中初生固相率為3 8 9 ， 初生固相的平均直徑為2 2 7 p m ，圓整度為0 6 6 3 。 流變壓鑄試樣各部位初生0 【舢都為近球狀晶粒，而非普通壓鑄的樹(shù)枝晶。沿程 流動(dòng)時(shí)微觀組織中圓整度變化很小，差異不超出0 1 ；初生固相率為波浪形曲線變化， 變化值在2 0 左右；晶粒的平均直徑在1 0 2 5 9 m 內(nèi)不規(guī)則變化。 固溶處理工藝參數(shù)對(duì)流變壓鑄零件組織和性能有較大的影響。固溶處理溫度對(duì) 抗拉強(qiáng)度和延伸率有較大的影響。本試驗(yàn)條件下適宜的固溶處理工藝為固溶處理溫 度5 3 54 c ，保溫時(shí)間2 h ，水溫8 0 。c 。在此固溶處理工藝參數(shù)下試樣的抗拉強(qiáng)度 3 0 5 m p a ，延伸率1 5 3 ，布氏硬度1 0 7 。 關(guān)鍵詞半固態(tài)；流變壓鑄；固溶處理；沿程流動(dòng)；力學(xué)性能 a b s t r a c t t h eg r e a t e s ta d v a n t a g eo fs e m i - s o l i dr h e o l o g i c a lf o r m i n gp r o c e s si st h a tp r o c e s s f l o w s h o r t , l o wp r o d u c t i o nc o s t s ，i nl i n ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fe n e r g y - s a v i n g a n de m i s s i o n r e d u c t i o n i nr e c e n ty e a ) si th a sb e c o m eat r e n do fs e m i - s o l i df o r m i n gt e c h n o l o g y u s eo f s e m i s o l i da l l o ym e l t w i t ht h i x o t r o p i cc h a r a c t e r i s t i c s e m i s o l i dr h e o - d i ec a s t i n gc a n e f f e c t i v e l y r e d u c eo re l i m i n a t et h ep o r o s i t yd e f e c t s s e m i - s o l i dr h e o - d i ec a s t i n gh a su n i q u e a d v a n t a g e sa n di t si n d u s t r i a la p p l i c a t i o ni sv e r yp r o m i s i n g i nt h i sp a p e r , s e m i s o l i da 1 s i 9 m ga l l o ym e l tp r e p a r e db ys l o p i n gp l a t e t h e n r h e o 。d i e c a s t i n ga n dm a d e i tt os t a n d a r ds a m p l e s p o u r i n gt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o np r e s s u r e ，i n j e c t i o n s p e e da n dp a r a m e t e r so fs o l u t i o nh e a tt r e a l a n e n tp r o c e s sa r es t u d i e d f i n dh o wt h e y a f f e c t t h em i o r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo na 1 s i 9 m gs e m i - s o l i da l l o y m i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o no ft h ep r i m a r ys o l i dp h a s ei sa n a l y s e da l o n ga l l o ym e l tf i l l i n gp r o c e s s 一 t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：p o u r i n gt e m p e r a t u r eh a v eg r e a t i n f l u e n c e so nt h e m i c l o s 仃u c 眥o fs e m i s o l i da 1 s i 9 m ga l l o ym e l t i nt h i se x p e r i m e n t ，s u i t a b l ep o u r i n g t e m p e r a t u r ei s6 10 。615 c w h e np o u t i n gt e m p e r a t u r ei s615 。ct h ep r i m a r ys o l i df r a c t i o n i s4 0 3 t h ea v e r a g ed i a m e t e ro fp r i m a r ys o l i dp h a s ei s2 2 4 w n ，r o u n d n e s si s0 6 0 6 塒e c f i o np r e s s u r eh a sg r e a ti n f l u e n c e so nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs e m i s o l i da 1 s i 9 m ga l l o y i nt h i se x p e r i m e n t ，s u i t a b l ei n j e c t i o np r e s s u r ei s 4 8 7 2 m p a w h e ni n j e c t i o np r e s s u r ei s4 8 m p a ，t h et e n s i l es t r e n g t h o ft h es a m p l ei s 2 3 3 m p a , e l o n g a t i o np e r c e n t a g ei s4 5 b r i n e l lh a r d n e s si s7 6 ，a n di m p a c tt o u g h n e s s i s 9 8 k j 1 n _ 2 i nm i c r o s t r u c t u r et h ep r i m a r ys o l i df r a c t i o ni s2 7 3 ，t h ea v e r a g ed i a m e t e ro f p r i m a r ys o l i dp h a s ei s17 2 p m ，r o u n d n e s si so 6 6 2 1 1 1 ie c t i o ns p e e dh a sg r e a ti n f l u e n c e so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fs 鋤i s o l i da 1 s i 9 m ga l l o y i nt h i se x p e r i m e n t ，s u i t a b l ei n j e c t i o ns p e e di s 1 5 2 0 m s w h e ni n j e c t i o ns p e e di s1 5 r n s ，t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h es a m p l ei s2 3 8 m p a , e l o n g a t i o n p e r c e n t a g ei s5 7 ，b r i n e l l h a r d n e s si s8 3 ，a n di m p a c tt o u g h n e s si s 13 4 k j 。m 吃i n m i c r o s t r u c t u r et h ep r i m a r ys o l i df r a c t i o ni s3 8 9 ，t h ea v e r a g ed i a m e t e ro fp r i m a r ys o l i d p h a s e i s2 2 7 岬，r o u n d n e s si s0 6 6 3 a te v e r yt r a n s v e r s es e c t i o no fr h e o l o g yd i ec a s t i n gp r i m a r ys o l i d ( i - a 1g r a i n sa r e n e a r l vs p h e r i c a l ，r a t h e rt h a no r d i n a r yd i ec a s t i n gd e n d r i t eg r a i n s a l o n ga l l o ym e l tf i l l i n g p r o c e s st h ec h a n g eo fr o u n d n e s si nt h em i c r o s t r u c t u r ei s s m a l l ，t h ed i f f e r e n c ed o e sn o t e x c e e do 1 p r i m a r ys o l i df r a c t i o nh a saw a v e s h a p e dc h a n g e ，a n dt h ev a l u ec h a n g ei s a r o u n d2 0 t h ea v e r a g ed i a m e t e ro fg r a i n si s10 2 5 9 m i tc h a n g e si r r e g u l a r a b s t r a c t s o l u t i o nt r e a t m e n tp a r a m e t e r sh a v eg r e a ti n f l u e n c e so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr h e o l o g yd i ec a s t i n g s o l u t i o nt r e a t m e n tt e m p e r a t u r eh a sa s i g n i f i c a n ti m p a c to nt h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o n i nt h i se x p e r i m e n t , t h es u i t a b l e s o l u t i o nt r e a t m e n tp r o c e s sf o rr h e o l o g yd i ec a s t i n gi st h a tt h es o l u t i o nh e a tt r e a t m e n t t e m p e r a t u r ei s5 3 5 c ，h o l d i n gt i m ei s2 也w a t e rt e m p e r a t u r e i s8 0 c u n d e rt h i ss o l u t i o n t r e a t m e n tp a r a m e t e r st e n s i l es t r e n g t ho ft h es a m p l ei s3 0 5 m p a , e l o n g a t i o np e r c e n t a g ei s 1 5 3 ，b r i n e l lh a r d n e s si s1 0 7 k e yw o r d ss e m i - - s o l i d ；r h e o - - d i ec a s t i n g ；s o l u t i o nt r e a t m e n t ；a l o n ga l l o ym e l tf i l l i n g p r o c e s s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i l l 矗 河北科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章緒論1 1 1鋁合金的特點(diǎn)及應(yīng)用1 1 2 半固態(tài)合金成形技術(shù)簡(jiǎn)介一1 1 2 1半固態(tài)合金成形技術(shù)的概念及特點(diǎn)1 1 2 2 半固態(tài)合金的制備方法2 1 2 3 半固態(tài)合金成形技術(shù)的工藝2 1 2 4 半固態(tài)合金流變壓鑄成形的方法4 1 2 5 流變壓鑄技術(shù)的應(yīng)用5 1 3國(guó)內(nèi)外流變壓鑄的研究現(xiàn)狀7 1 4 流變壓鑄零件熱處理的研究現(xiàn)狀“8 1 5 本課題的研究?jī)?nèi)容及意義”9 1 5 1 本課題的研究?jī)?nèi)容9 1 5 2 本課題的研究意義9 第2 章試驗(yàn)材料和方法1 1 2 1 試驗(yàn)材料1 l 2 2 試驗(yàn)設(shè)備1 1 2 2 1熔煉設(shè)備11 2 2 2 傾斜板流變?cè)O(shè)備一12 2 2 3 壓鑄機(jī)1 2 2 2 4 壓鑄模具l3 2 2 熱處理設(shè)備13 2 3 試驗(yàn)方法1 4 2 3 1 a 1 s i 9 m g 合金的熔煉1 4 2 3 2 半固態(tài)a 1 s i 9 m g 合金熔體的制備1 7 2 3 3 半固態(tài)a 1 s i 9 m g 合金熔體的取樣1 7 2 3 4 半固態(tài)a 1 s i 9 m g 的流變壓鑄1 7 2 3 5 流變壓鑄試樣的熱處理1 8 2 4 力學(xué)性能的測(cè)定1 9 i v 目錄 2 4 1 抗拉強(qiáng)度及延伸率測(cè)定1 9 2 4 2 硬度測(cè)定2 0 2 4 3 沖擊韌性測(cè)定2 0 2 5 金相試樣的制備- 2 0 2 6 組織特征的觀察與測(cè)定2 l 2 6 1初生固相率”2 1 2 6 2晶粒大小2 1 2 6 3 圓整度2 2 2 7 本章小結(jié)2 3 第3 章 澆注溫度對(duì)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 組織的影響2 4 3 1影響半固態(tài)合金組織的因素2 4 3 1 1預(yù)熱溫度“2 4 3 1 2 澆注溫度2 4 3 1 3 澆注長(zhǎng)度2 4 3 1 4 振動(dòng)頻率2 4 3 2 澆注溫度的影響2 5 3 2 1 6 3 0 時(shí)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 的組織2 5 3 2 2 6 2 5 時(shí)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 的組織2 6 3 2 3 6 2 0 時(shí)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 的組織2 6 3 2 46 1 5 時(shí)半固態(tài)a i s i 9 m g 的組織2 7 3 2 5 6 1 0 時(shí)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 的組織2 7 3 2 66 0 5 時(shí)半固態(tài)a 1 s 3 2 76 0 0 時(shí)半固態(tài)a 1 s 3 2 85 9 5 時(shí)半固態(tài)a 1 s 9 m g 的組織 9 m g 的組織 9 m g 的組織 ”2 9 ”2 9 3 0 3 2 9 5 9 0 時(shí)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 的組織3 0 3 3 澆注溫度對(duì)組織影響的規(guī)律分析3 0 第4 章流變壓鑄半固態(tài)a i s i 9 m g 的組織研究3 5 4 1影響流變壓鑄合金組織的主要參數(shù)3 5 4 1 1 壓鑄壓力3 5 4 1 2 壓鑄速度3 6 4 2 壓鑄壓力對(duì)a 1 s i 9 m g 組織的影響3 7 4 3 壓鑄速度對(duì)a 1 s i 9 m g 組織的影響4 0 4 4 固溶處理參數(shù)對(duì)a 1 s i 9 m g 組織的影響4 2 4 4 1熱處理前后流變壓鑄試樣組織對(duì)比4 2 v 洞北科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 4 2 固溶處理對(duì)組織的影響4 3 4 5 沿程流動(dòng)初生固相組織演變”4 5 4 5 1y 1 試樣沿程流動(dòng)初生固相組織演變4 6 4 5 2y 4 試樣沿程流動(dòng)初生固相組織演變4 8 4 5 3s 0 試樣沿程流動(dòng)初生固相組織演變5 1 4 5 4s 2 試樣沿程流動(dòng)初生固相組織演變一5 3 4 5 5 沿程流動(dòng)初生固相組織演變分析5 5 4 5 6 液態(tài)壓鑄沿程流動(dòng)初生固相組織演變5 5 4 6 本章小結(jié)5 6 第5 章流變壓鑄半固態(tài)a 1 s i 9 m g 的性能研究5 7 5 1 壓鑄工藝參數(shù)對(duì)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 性能的影響5 7 5 1 1 壓鑄壓力對(duì)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 性能的影響5 7 5 1 2 壓鑄速度對(duì)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 性能的影響”5 9 5 1 3 普通壓鑄試樣與流變壓鑄試樣性能的對(duì)比6 1 5 1 4 傾斜板振動(dòng)前后流變壓鑄試樣性能的對(duì)比”6 2 5 2 固溶處理參數(shù)對(duì)半固態(tài)a 1 s i 9 m g 性能的影響6 2 5 3 本章小結(jié)6 6 結(jié)論6 7 參考文獻(xiàn)“6 8 攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的論文7 2 致謝7 3 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 鋁合金的特點(diǎn)及應(yīng)用 鋁是有色金屬中最常用的金屬，世界年產(chǎn)量比其它有色金屬的總和還要大。鋁 合金是以純鋁為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬元素，不僅能保持了原有的基本性能， 而且由于合金化使鋁合金綜合力學(xué)性能大幅提耐1 1 。鋁合金密度小、比強(qiáng)度高于銅合 金、球鐵及碳素鋼，因而在交通運(yùn)輸機(jī)械、飛行器、化工機(jī)械、建筑材料、體育器 械及家用電器諸方面獲得廣泛的應(yīng)用【2 j 。 鋁合金可分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。鑄造鋁合金的熔煉及澆注溫度 較低( 一般約在7 3 0 7 5 0 c 左右) ，熔化潛熱大，流動(dòng)性好，非常適合于金屬型鑄造、 壓鑄、擠壓鑄造等工藝【3 】，獲得尺寸精度高、表面光潔、內(nèi)在質(zhì)量好的薄壁、復(fù)雜鑄 件。 鑄造鋁合金是優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)成形原材料。成形零件具有晶粒細(xì)小、致密，組織 分布均勻、內(nèi)部疏松少、近凈成形、切削加工量少等特點(diǎn)。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道【4 】，在實(shí) 際工業(yè)生產(chǎn)中，用半固態(tài)成形技術(shù)生產(chǎn)的鋁合金產(chǎn)品，其力學(xué)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鑄 造制品。一些半固態(tài)鋁合金產(chǎn)品允許進(jìn)行熱處理，使用性能可進(jìn)一步提高，接近于 鍛件，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。合金牌號(hào)為a 1 s i 9 m g 的合金，代號(hào)z l l 0 4 ，是鑄造鋁硅 類合金中最常用的合金之一，在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用，該合金靠近共晶點(diǎn)，具有 優(yōu)良的鑄造性能、抗蝕性能、切削加工性能及較好的焊接性，通常用來(lái)制造形狀復(fù) 雜、薄壁、承受載荷較大以及要求較高的氣密性、耐腐蝕性的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、 缸蓋、曲軸箱、增壓器殼體及航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)匣、受力框架等，用途廣泛【5 7 j 。 1 2 半固態(tài)合金成形技術(shù)簡(jiǎn)介 1 2 1半固態(tài)合金成形技術(shù)的概念及特點(diǎn) 2 0 世紀(jì)7 0 年代美國(guó)麻省理工學(xué)院m c f l e m i n g s 等研究人員發(fā)現(xiàn)【8 ，9 】。處于固液 相區(qū)間的合金熔體經(jīng)過(guò)連續(xù)攪拌后表現(xiàn)為低表觀粘度，凝固后形成球狀晶或近球狀 晶粒而非普通的樹(shù)枝晶。這種固液共存的合金熔體很容易變形，只要加很小的力就 可以充填復(fù)雜的型腔，從而開(kāi)發(fā)出了一種新的成形技術(shù)即半固態(tài)成形技術(shù)( s e m i s o l i d m e t a lf o r m i n g ) 。 所謂金屬半固態(tài)成形技術(shù)或半固態(tài)加工就是在金屬凝固過(guò)程中對(duì)其加以劇烈攪 拌或擾動(dòng)、或改變金屬熱狀態(tài)、或加入晶粒細(xì)化劑、或進(jìn)行快速凝固改變初生固相 的形核和長(zhǎng)大過(guò)程，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻懸浮一定球狀初生固相的固液混 河北科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 合漿料，利用該漿料直接成形加工，或者凝固成坯料，再根據(jù)需要將坯料切分重新 熔化至固液兩相區(qū)進(jìn)行成形加工。兩種方法均都是半固態(tài)成形技術(shù) 1 0 , 1 1 。 半固態(tài)成形技術(shù)介于固態(tài)加工與液態(tài)加工之間，具有獨(dú)自的一些特點(diǎn)，如：固 液共存、擴(kuò)散現(xiàn)象活躍、局部濃度不斷變化，固相粒子間結(jié)合力小、宏觀流動(dòng)時(shí)變 形抗力小，當(dāng)施加外力時(shí)固相與液相成分有分別流動(dòng)的傾向【1 2 1 ，可以混入異種材料 進(jìn)行攪拌等。與普通的加工方法相比，半固態(tài)成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于： 1 1 流動(dòng)性、變形性好，可以近凈形生產(chǎn)，縮短了加工周期，提高了材料利用率； 2 ) 充型平穩(wěn)，不易噴濺，減輕了合金的氧化及裹氣，提高了鑄件的致密性； 3 1 成形溫度比液態(tài)合金低，成形模具工作溫度低于普通鑄造，對(duì)模具熱沖擊小， 有利于提高模具壽命，從而降低生產(chǎn)成本； 4 ) 合金熔體或坯料有一半左右的初生固相，減少了凝固收縮，鑄件具有更少的 收縮孔洞，氣密性好； 5 ) 應(yīng)用范圍廣，適合多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓等，并可以進(jìn)行材料 的復(fù)合及成形【l 引。 1 2 2 半固態(tài)合金的制備方法一 圍繞制備近球形非枝晶固相的半固態(tài)合金熔體這一關(guān)鍵問(wèn)題目前已經(jīng)研究出了 2 0 多種各具特色的制備方法。從技術(shù)本質(zhì)看，這些方法可歸為液態(tài)凝固控制、固態(tài) 塑性變形、和熱處理三大類【l 酬。 凝固控制類方法中除了人們熟知的機(jī)械攪拌、電磁攪拌和孕育變質(zhì)處理外，傾 斜板( 管或槽) 對(duì)流、等溫或緩慢冷卻、電脈沖、機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)液相線澆注、 噴射沉積、熔體混合法等新的制備方法已經(jīng)基本成熟；固態(tài)塑性變形制備方法中除 了早期的應(yīng)變誘發(fā)熔體激活法( s m i a ) p - ，近年來(lái)也出現(xiàn)了新s m i a 法、等徑道角擠 壓與機(jī)械剪斷+ 急速冷卻法( s c r ) ；熱處理類制備方法中，循環(huán)等溫法與二次加熱保 溫法也已經(jīng)在試驗(yàn)及生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。此外，綜合利用凝固控制、塑性變形、及 熱處理進(jìn)行交叉而出現(xiàn)了鑄軋法和粉末冶金法也在蓬勃發(fā)劇17 1 ，形成了豐富多彩的 半固態(tài)合金漿料與坯料的制備技術(shù)體系。半固態(tài)合金漿料與坯料的制備的本質(zhì)在于 材料科學(xué)與工程領(lǐng)域最經(jīng)典的合金微觀組織形貌和尺寸控制問(wèn)題，其理論基礎(chǔ)是凝 固理論、流變學(xué)原理和熱處理原理。目前已有的各種制備技術(shù)只要經(jīng)過(guò)必要的工業(yè) 應(yīng)用開(kāi)發(fā)后都可以成為工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)。 1 2 3 半固態(tài)合金成形技術(shù)的工藝 半固態(tài)成形技術(shù)的工藝分為流變成形( r h e o f o r m i n g ) ：和觸變成形( t h i x o f o r m i n g ) 兩 種，工藝過(guò)程如圖1 1 、1 2 所示。 第1 章緒論 原料供應(yīng) 卻系統(tǒng) 圖1 - 1 流變成形工藝 f i g 1 - 1t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f r h c o 模具 i 錠 圖1 2 觸變成形工藝 f i g 1 - 2t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f t h i x o f o r m i n g 二次加熱 經(jīng)加熱熔煉的合金液通過(guò)機(jī)械攪拌、電磁攪拌或者其他復(fù)合攪拌，在結(jié)晶凝固 過(guò)程中形成半固態(tài)合金熔體。其后的工藝可分成不同的兩種：其一是將半固態(tài)合金 熔體直接壓入模具型腔進(jìn)而壓鑄成形，或?qū)Π牍虘B(tài)合金熔體進(jìn)行直接軋制、擠壓等 3 露啦冒鳴雷冒 jliiltil -l 1 熱加應(yīng)感 01。oooo 雩舀 礴隰陵圖量昏匿舀 河北科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 加工方式成形，即流變成形；另一種是將半固態(tài)合金熔體凝固制成坯料，再經(jīng)過(guò)重 新加熱至半固態(tài)溫度形成半固態(tài)坯料進(jìn)而再進(jìn)行成形加工，即觸變成形。 流變成形可分為流變壓鑄、流變鍛造、流變軋制、流變擠壓等【l 引。早期通過(guò)強(qiáng) 烈機(jī)械攪拌獲得的半固態(tài)合金熔體保存和輸送很不方便，因而，半固態(tài)流變成形技 術(shù)的進(jìn)展很緩慢，沒(méi)有引起人們更多的關(guān)注。觸變成形也可分為觸變壓鑄、觸變鍛 造、觸變軋制、觸變射鑄、觸變擠壓等幾種不同方法。在觸變成形中合金坯料的加 熱、輸送工藝相對(duì)較為方便，并易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，因此半固態(tài)合金觸變成形是 目前國(guó)外最主要的應(yīng)用工藝【l9 1 ，但是半固態(tài)合金觸變成形也有缺點(diǎn)和不足之處。而 半固態(tài)流變成形的最大優(yōu)勢(shì)是工藝流程短、生產(chǎn)成本低，符合當(dāng)今時(shí)代的節(jié)能減排、 綠色鑄造的要求。近些年來(lái)半固態(tài)流變成形已經(jīng)成為了半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)， 該項(xiàng)目及相關(guān)課題已被很多學(xué)者視作重點(diǎn)研究對(duì)象【2 u 馴。 1 2 4 半固態(tài)合金流變壓鑄成形的方法 半固態(tài)流變壓鑄成形是將制備好的半固態(tài)合金熔體直接轉(zhuǎn)移到壓射室進(jìn)行壓鑄 獲得鑄件。半固態(tài)合金的流變壓鑄是最早進(jìn)行研究的半固態(tài)金屬成形工藝之一2 2 1 。 然而，早期獲得的半固態(tài)合金熔體的方法如傳統(tǒng)機(jī)械攪拌式流變壓鑄成形，保存和 輸送很不方便，因而成形技術(shù)的進(jìn)展緩慢，一直沒(méi)有成熟的技術(shù)。近年來(lái)半固態(tài)合 金流變壓鑄成形的研究才越來(lái)越引起學(xué)者們的關(guān)注，涌現(xiàn)了不少新的流變壓鑄成形 方法。目前已經(jīng)報(bào)道出來(lái)的流變壓鑄成形方法有：傳統(tǒng)機(jī)械攪拌式流變壓鑄成形、 壓射室制備漿料式流變壓鑄成形、單螺旋機(jī)械攪拌式流變壓鑄成形【2 3 1 、雙螺旋機(jī)械 攪拌式流變壓鑄成形、錐桶式半固態(tài)流變壓鑄成形、低過(guò)熱度傾斜板澆注式流變壓 鑄成形、低過(guò)熱度澆注和弱機(jī)械攪拌式或弱電磁攪拌式流變壓鑄成形 2 4 - - 2 7 。并且據(jù) 了解還有許多新的方法處于研究和完善階段，尚未完全公開(kāi)。 壓射室制備漿料式流變壓鑄成形是在立式壓鑄機(jī)的壓射室中對(duì)鋁合金進(jìn)行電磁 攪拌制備半固態(tài)合金熔體，然后直接壓射成形【2 8 1 。單螺旋和雙螺旋機(jī)械攪拌式流變 壓鑄成形是將液態(tài)合金加入螺旋料筒，依靠重力下行的過(guò)程中受到螺旋的連續(xù)的 機(jī)械攪拌作用，液態(tài)合金呈現(xiàn)“8 ”字向下移動(dòng)并不斷冷卻，得到半固態(tài)合金熔體， 合金熔體積累到一定量后，由注射裝置注射成形，這兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)是工藝流程 短，生產(chǎn)成本低，廢品和鑄件余料回收方便，鑄件氣孔率低。錐桶式半固態(tài)流變壓 鑄成形是由送料裝置、剪切機(jī)構(gòu)、射壓機(jī)構(gòu)、溫度控制裝置和氣體保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成， 通過(guò)調(diào)整內(nèi)筒轉(zhuǎn)速和升降內(nèi)筒高度，使液態(tài)合金在內(nèi)、外筒縫隙之間受到劇烈剪 切作用，從而制備出晶粒細(xì)小、組織均勻的半固態(tài)合金熔體 2 9 , 3 0 ，再進(jìn)行后續(xù)的 壓鑄或其它加工方式。低過(guò)熱度澆注和弱機(jī)械攪拌流變壓鑄成形是將低過(guò)熱度的合 金液澆注到制備坩堝中，利用鍍膜的銅棒對(duì)坩堝中的金屬液進(jìn)行短時(shí)弱機(jī)械攪拌， 4 第1 章緒論 使合金冷卻到液相線溫度以下，然后移走攪拌銅棒讓半固態(tài)合金熔體冷卻到預(yù)定的 溫度或固相分?jǐn)?shù)再傾入壓鑄機(jī)壓射室進(jìn)行流變壓鑄。低過(guò)熱度澆注和弱電磁攪拌流 變壓鑄成形是對(duì)坩堝中的合金液進(jìn)行短時(shí)弱電磁攪拌，然后讓坩堝中的合金熔體 冷卻到預(yù)定的溫度，就得到了具有球狀初生晶粒的半固態(tài)合金熔體，再將其傾入 壓鑄機(jī)或擠壓鑄造機(jī)的壓射室就可以進(jìn)行流變壓鑄或擠壓鑄造成形。 上述的方法都要依靠比較復(fù)雜的設(shè)備或?qū)鸿T機(jī)進(jìn)行繁瑣的改造才能夠獲 得半圓態(tài)合金熔體【3 1 , 3 2 】，因此改造成本高、投入資本大，距離實(shí)際工業(yè)應(yīng)用還有不 小的距離，不能充分滿足中小企業(yè)生產(chǎn)的需要。 低過(guò)熱度傾斜板澆注式流變壓鑄成形( n e wr h e o c a s t i n g ) 簡(jiǎn)稱n r c ，是由日本 u b e 公司【3 3 】提出的，其技術(shù)路線如圖1 3 所示。n r c 的核心內(nèi)容是：首先降低澆 注合金的過(guò)熱度，將合金液澆注到一個(gè)傾斜板上，合金熔體流入收集坩堝再經(jīng)過(guò) 適當(dāng)?shù)睦鋮s凝固，這時(shí)在合金液中產(chǎn)生球狀初生固相均勻分布在低熔點(diǎn)的殘余液 相中，最后進(jìn)行溫度調(diào)整獲得均勻的溫度場(chǎng)就可以將收集坩堝中的半固態(tài)合金熔 體送入壓鑄機(jī)壓射。n r c 技術(shù)是直接從球形晶粒形核、長(zhǎng)大的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條1 件著手，獲得球形晶粒。u b e 公司已于1 9 9 9 年推出h v s c 。p l 型流變壓鑄樣機(jī)，并 已經(jīng)在意大利s t m - n p a l 公司等投入使用【3 引。 第3 步 倒黯 笫4 多 ；冒 圖1 3 低過(guò)熱度傾斜板澆注式流變成形 f i g 1 - 3 l o w s u p e r h e a tr h e o f o r m i n gc a s t i n gu s i n gac o o l i n gs l o p e 近些年在低過(guò)熱度傾斜板澆注式流變壓鑄成形的基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)出冷卻管法及剪 切冷卻斜槽法等多種形式，豐富了此種方法的研究，低過(guò)熱度傾斜板澆注式流變壓 鑄成形縮短了半固態(tài)成形技術(shù)的工藝流程，簡(jiǎn)單易控制，并且對(duì)設(shè)備的改動(dòng)相對(duì) 較小，易于被中小型企業(yè)所接受。 1 2 5 流變壓鑄技術(shù)的應(yīng)用 目前，半固態(tài)鋁合金、鎂合金成形技術(shù)日趨成熟，許多國(guó)家都步入了實(shí)際商業(yè) 應(yīng)用及二次技術(shù)開(kāi)發(fā)的行列。美國(guó)處于世界最先進(jìn)的地位，意大利、法國(guó)、瑞士、 德國(guó)、英地利、日本等國(guó)緊隨其后，我國(guó)也在努力趕超，并取得一定進(jìn)展【j 卜3 7 j 。 5 河北科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 美國(guó)在9 0 年代初就出現(xiàn)了半固態(tài)鋁合金生產(chǎn)廠家，1 9 9 6 年b e n t o n v i l e 公司投資 2 3 6 0 萬(wàn)美元建成一家專門生產(chǎn)汽車零件的半固態(tài)鋁合金成形工廠，該公司每年的生 產(chǎn)能力達(dá)到5 0 0 0 萬(wàn)件【3 8 】，最大重量為9 k g 。阿盧馬克斯公司每年主要生產(chǎn)汽車制動(dòng) 總泵殼約2 4 0 萬(wàn)件、油道約1 0 0 萬(wàn)件、發(fā)動(dòng)機(jī)支座零件約1 0 0 萬(wàn)件、搖臂座約1 5 0 2 0 0 萬(wàn)件【3 9 1 。半固態(tài)鋁合金鑄件的優(yōu)勢(shì)得到了良好體現(xiàn)，生產(chǎn)的半固態(tài)鋁合金鑄件實(shí)現(xiàn) 了近凈成形【4 0 1 ，減少了原材料的使用及機(jī)加工成本。美國(guó)的h m m 公司利用英國(guó) s h e f f i e l d 大學(xué)的專利技術(shù)專門生產(chǎn)小型零件，他們的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)立式成形工藝適合小 型零件的半固態(tài)成形；該公司半固態(tài)合金種類主要有a 3 5 6 、a 3 5 7 鑄造鋁合金，也 采用3 7 7 、6 4 2 銅合金及金屬基復(fù)合材料，用于生產(chǎn)計(jì)算機(jī)電動(dòng)機(jī)臂、鋼筆件、汽車 帶輪等 4 1 , 4 2 】。 歐洲許多研究機(jī)構(gòu)和公司對(duì)半固態(tài)合金成形技術(shù)也作了大量的研究和開(kāi)發(fā)， 2 0 0 4 年已有4 0 多家公司專門從事半固態(tài)鋁合金零件的生產(chǎn)，時(shí)至今日這一趨勢(shì)仍在 加大。法國(guó)的a l u m i n i u mp e c h i n e y 建立了半固態(tài)合金生產(chǎn)廠利用電磁攪拌生產(chǎn)并出 售以a 3 5 6 、a 3 5 7 、a 1 s i 6 c u 3 m g 、a 1 s i 6 c u l m g 、a i s i 7 c u 4 m g 等為主的半固態(tài)合金【4 引， 方便了半固態(tài)壓鑄技術(shù)應(yīng)用時(shí)合金原料的供給。德國(guó)的e f u 等公司也在積極研究， 該公司裝備了立式液壓伺服壓力機(jī)和實(shí)時(shí)控制的壓鑄機(jī)，并研究了a 3 5 6 鑄造鋁合金 及鋁基復(fù)合材料的半固態(tài)成形工藝，成形了厚壁與薄壁零件m j 。瑞士的b u h l e r 公司 已經(jīng)研制和生產(chǎn)出半固態(tài)鋁合金成形專用s c 型壓鑄機(jī)。該型壓鑄機(jī)具有實(shí)時(shí)壓射控 制和單一壓射缸以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的充型過(guò)程、滿足半固態(tài)鋁合金壓鑄需要，該壓鑄機(jī)已 經(jīng)用于一些公司的半固態(tài)合金成形生產(chǎn)線【4 5 1 。日本的半固態(tài)合金成形技術(shù)研究和生 產(chǎn)相對(duì)要落后于歐美，2 0 世紀(jì)8 0 年代后期在流變技術(shù)公n ( r h e o t e c h n o l o g y ， l t d ) 進(jìn)行基礎(chǔ)研究工作的推動(dòng)下，日本的一些公司已經(jīng)開(kāi)始了半固態(tài)鋁合金成形件 的生產(chǎn)，如s p e e ds t a rm e e l 公司在9 4 年開(kāi)始利用半固態(tài)鋁合金成形技術(shù)生產(chǎn)鋁合 金輪轂( 約5 k g ) 4 6 ；h o n d ae n g i n e e r i n g 公司利用a 1 s i 6 c u 3 m g 合金成形了汽車空調(diào)壓 縮機(jī)蝸室，合格率達(dá)到9 5 以上【4 。 我國(guó)在半固態(tài)合金成形技術(shù)的研究領(lǐng)域起步晚，因此在半固態(tài)壓鑄技術(shù)的應(yīng)用 上也相對(duì)滯后。半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)尚未發(fā)展到可以工業(yè)化的程度。不過(guò)一些有實(shí) 力的企業(yè)單位加緊與科研部門合作，加快著應(yīng)用的步伐【4 8 , 4 9 】。有跡象表明，國(guó)內(nèi)的 半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)已經(jīng)取得一定的成果，能夠制成一些汽車上的重要零件，諸如 連桿，渦輪以及軸承桿等，且性能良好。但總的來(lái)看，與歐美等技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家相 比，我國(guó)在半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)的應(yīng)用上差距還比較大，需要不斷地努力，才有可 能趕上世界先進(jìn)水平。 鎂合金是最輕的工程金屬材料，在宇航、兵器等工業(yè)制造品中的用量越來(lái)越 大，未來(lái)鎂合金的應(yīng)用將會(huì)占據(jù)非常重要的地位【5 0 啕】。與鋁合金的半固態(tài)成形相 6 第l 章緒論 比較，鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)發(fā)展較晚，目前鎂合金的半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)要 遜色很多，射鑄是唯一進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用的機(jī)械攪拌式流變鑄造技術(shù)，且該技術(shù)處于 完善設(shè)備、優(yōu)化生產(chǎn)工藝的階段，實(shí)際應(yīng)用水平有限，只有a z 9 1 d 合金采用這 種技術(shù)試生產(chǎn)出了汽車、計(jì)算機(jī)和照相機(jī)零件毛坯。近些年來(lái)英國(guó)的布魯諾大學(xué) 研制出了低熔點(diǎn)合金雙螺旋半固態(tài)流變成形機(jī)，目前正在向產(chǎn)業(yè)化拓展【5 4 1 。 1 3國(guó)內(nèi)外流變壓鑄的研究現(xiàn)狀 影響和制約半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)的主要問(wèn)題在于合金熔體的制備方法及定量澆 注技術(shù)上的改進(jìn)、壓鑄工藝參數(shù)的選取、澆注過(guò)程的控制和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面，而近 些年的研究工作也主要圍繞半固態(tài)合金熔體制備方法及流變工藝參數(shù)的優(yōu)化，試樣 組織性能等方面展開(kāi)【55 1 。 在研究材料選取時(shí)，流變壓鑄研究的合金主要集中于a 3 5 6 、a 3 5 7 和a z 9 1 d 等鑄 造合金，一些學(xué)者也在進(jìn)行嘗試，不斷探索適合于流變壓鑄的合金范圍。如郭洪民 和楊湘杰選用的合金為工業(yè)壓鑄專用鋁合金y l l1 2 【5 6 】，研究了y l l1 2 合金半固態(tài)合金 熔體制備和流變壓鑄的微觀組織特征。國(guó)# b a n n a t i s ap o l a 等人對(duì)合金的化學(xué)成分進(jìn)行 設(shè)計(jì)調(diào)整【，7 1 ，通過(guò)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了新合金成形件性能水平的進(jìn)一步提高。 半固態(tài)合金熔體制備是半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，熔體的優(yōu)劣決定了最 終產(chǎn)品。學(xué)者們已經(jīng)意識(shí)到采用兩種或幾種方法結(jié)合的方式制備優(yōu)良的半固態(tài)合金 熔體。如王平等人【5 8 】研究了近液相線電磁鑄造、電磁鑄造、近液相線鑄造合金熔體 的顯微組織，發(fā)現(xiàn)近液相線電磁鑄造合金熔體的組織為細(xì)小均勻的等軸晶組織，優(yōu) 于電磁鑄造和近液相線鑄造的合金組織與流變成形件的性能。南昌大學(xué)在低過(guò)熱度 傾斜板澆注式流變鑄造技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了剪切低溫澆注式半固態(tài)流變壓鑄工藝。 含有一定過(guò)熱度的合金熔體在自身重力和輸送管轉(zhuǎn)動(dòng)的共同作用下流經(jīng)輸送管，并 在漿料蓄積器中靜態(tài)緩慢冷卻得到所需的合金熔體，然后倒入壓鑄機(jī)的壓射室內(nèi)進(jìn) 行流變壓鑄成形。采用多種方法結(jié)合的方式制備半固態(tài)合金熔體具有球狀晶細(xì)小、 分布均勻等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景十分光明。馮鵬發(fā)等人【5 9 】研制開(kāi)發(fā)了雙向多級(jí)速電磁攪 拌裝置，研究出一種合金熔體制備與工件成形系統(tǒng)分離的鋁合金流變成形技術(shù)。合 金熔體制備與成形分離具