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半固态成形技术及应用样本
半固态成形技术及应用
摘要
简介了半固态成形技术工艺原理,分析了机械搅拌、电磁搅拌、应变诱导、冷却斜
坡等浆料制备办法和流变加工、触变加工、注射加工等成形办法。
分析了各种计算机模仿技术和模仿办法在半固态成形方面应用,阐述了当前国内外半固态成形技术应用状况和发展趋势。
随着半固态成形技术研究水平不断提高,成形产品及应用不断增多,发展前景辽阔。
核心词:
半固态加工;浆料制备;成形工艺;计算机模仿
0引言
20世纪70年代初,美国麻省理工学院D.B.Sepcner等研究人员在自制高温粘度计中测量Sn-15Pb合金高温粘度时,发现了金属在凝固过程中特殊力学行为图,即金属在凝固过程中进行强力搅拌,使枝晶破碎,得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分固液混合浆料(固相率甚至可高达60%),具备较好流动性,易于通过普通加工办法制成产品,并冠以半固态加工[1],人们始终沿用至今。
半固态成形技术与其他成行技术区别在于:
①半同态浆料具备流变性和触变性,变形抗力小,可提高成形速度,进行复杂件成形,缩短加工周期,利于节能节材,也可进行持续形状高速成形;②与液态金属加工相比,半固态浆料随着同相分数减少,呈现粘性流体特性,在微小外力作用下可发生变形流动,但粘度比液态金属高,容易控制;③当固相分数在极限值(约75%)如下时,浆料可以进行搅拌,并可很容易混入异种材料粉末、纤维,完毕复合材料制备和成形;④应用广泛,凡具备固液两相区合金均可实现半固态加工,合用于各种加工工艺,如锻造、轧制、挤压和锻压,也正是这个长处,才产生了各种金属半固态成形工艺[2],因此被誉为2l世纪最有发展前景当代加工新技术。
半固态金属成形过程模仿仿真,如半同态材料二次加热过程、凝固过程温度场模仿仿真,充型过程流动场模仿仿真,触变成形过程工件应力应变场模仿仿真和组织变化模仿仿真等,通过对这些单一或复合过程模仿仿真技术研究,可以对SSM过程中产生诸如裂纹、气孔缺陷等各种品质问题进行分析,对工艺方案进行优化,对产品品质和性能进行预测,从而达到改进产品品质、提高生产率和减少成本目。
半固态金属成形技术在许多发达国家如美国、意大利、瑞士、法国、德国、日本等已进入了工业应用阶段。
半固态金属成形制品重要市场是汽车工业,如空压机、制动器、发动机、燃料供应装置、悬挂装置及汽车轮毂等。
由于制品质量优秀,大量用于安全性能规定较高地方。
此外,在电子、军事和娱乐设施等方面也有着广泛用途。
而国内半固态金属加工技术起步较晚,开始于20世纪70年代末。
直到90年代后来,随着国内轿车工业发展,先后有如下高校和科研机构开展了这方面研究:
兰州理工大学、哈尔滨工业大学、东南大学、北京科技大学、北京有色金属研究总院、上海交通大学、清华大学、东北大学以及华中科技大学等[3],并获得了可喜进步。
1半固态成形科学含义
1.1科学含义
半固态加工运用了金属从液态向固态或固态向液态转变时固液共存特性,在成形中减少了加工温度,例如铝合金,与锻造相比,加工温度可减少120℃;变形抗力小,可一次加工形状复杂、精度规定高零件。
这些特性,为零件近净成形实现,提供了一条新途径。
半固态加工应当是一种温度概念,即从合金相图上所看出,该加工是在固一液温度区间内完毕并未涉及合金在固一液温度区间内完毕,并没有涉及金属在半固态区间处何种组织状态和持某种特性,即所谓流变性和触变性。
由半固态加工名称来源可知,半固态加工,不但是温度函数,并且是组织函数,更确切说是性能函数[4]。
1.2半固态在相图中位置
图1是二元系共晶合金状态图一某些,化学构成为A合金在液相线温度TL如下,在固相线温度(这里指共晶温度)TS以上温度区域里,固相与液相共存,即处在半固态[5]。
在这个范畴中温度T下,合金为保持平衡状态,由成分为A'固相和成分为A"液相以a:
b之比共存,这就是合金半固态区。
图1合金半固态区
2半固态浆料制备
半固态坯料制备就是采用一定手段使半固态浆料中固相以球状或椭球状颗粒分布于液相中,当前采用办法有如下几种:
2.1机械搅拌法[6]
机械搅拌时搅拌叶片与金属熔体直接接触,设备构造简朴、工艺参数容易控制。
机械搅拌过程中可以获得很高剪切速率,利于形成细小近球形微观构造,但是搅拌槽内部往往存在搅拌到死区,影响浆料均匀性,搅拌叶片腐蚀以及它对半固态金属浆料污染,都会对坯料质量带来不利影响。
机械搅拌制备半固态金属浆料固相颗粒尺寸在50一1001μm之间。
2.2电磁搅拌法[7]
电磁搅拌属于非接触式搅拌技术,运用电磁感应力将初生枝晶破碎,工作原理如图2所示,其特点是金属液纯净,合用于高熔点合金和大批量生产。
但由于感应电磁力从熔池边界到熔体中心逐渐衰减,当熔融金属四周有凝固外壳形成时,搅拌效果大大削弱,因而不适合制备大尺寸半固态金属锭料。
同步,电能消耗大,能源供应和搅拌器定子等装置体积大。
电磁搅拌与连铸设备相结合可觉得后续触变成形持续生产锭料。
图2电磁搅拌法
2.3应变诱导熔化激活技术[8]
应变诱导熔体活化法(straininducedmeltactivation,SIMA)工艺过程是,一方面制备铸锭,然后对铸锭进行大挤压变形,以获得晶粒细小SIMA原料,再将铸锭加热到固液两相区,进行半固态成形。
SIMA核心是如何对铸锭进行大挤压变形,以获得细小晶粒组织铸锭。
2.4冷却斜坡法[9]
冷却斜坡法工作原理如下:
熔体一方面流过冷却斜坡,产生局部降温、强烈滚动和翻转,再注人铸型,产生强烈搅拌;然后通过控制铸型温度,使金属液冷却到半固态温度后保温;当达到规定固相体积分数时,再进行流变成形或触变成形。
2.5双螺旋流变注射成形法[10]
双螺旋流变注射成形法工作原理如图3所示,双螺旋挤压器自身就是半固态浆料制备器,液态金属在双螺旋挤压器制备成半固态浆料,进入压室后通过活塞形成一定挤压力和挤压速度,挤入模具中使半固态浆料成形。
图3双螺旋流变注射成形法
2.6其她办法
Flemings等提出新MIT工艺。
在迅速热释放同步对合金进行搅拌,使合金在半固态区进行短时间缓慢冷却或处在绝热状态,最后将合金冷却到指定温度进行成形。
获得半固态金属浆料办法尚有剪切冷却法、晶粒细化热解决法、喷射沉积法、超声振动法、粉末冶金法等,但这些办法当前还处在实验研究阶段,尚不能投入工业化生产应用。
3金属半固态成形工艺
当前,金属半固态成形基本工艺办法可分为流变成形和触变成形。
流变成形是运用流变浆料直接进行成形。
而触变成形是将流变浆料凝固成锭,按需要将此金属锭切成一定大小,然后重新加热至金属半固态温度区,这时金属锭称为半固态金属坯料,再运用金属半固态坯料进行成形加工。
3.1半固态金属触变成形
3.1.1触变注射成形
触变注射成形工艺(图4)是由美国DowChemical公司开发技术,1992年由日本制钢所引入并完毕成形机研制开发,当前是半固态加工领域中最成功、应用最广技术之一。
触变注射成形技术采用了一种所谓“一体化”成形方式,将压铸和注塑工艺合二为一,其中模具和成形材料与压铸工艺相似,而工艺过程接近于注塑成形。
此外,该办法集半固态金属浆料制备、输送和成形过程于一体,较好解决了半固态浆料保存和输送难题,提高了生产效率。
图4触变注射成形
该设备由原料料斗、预热装置、螺旋注射机、加热装置以及压铸机等构成。
触变注射成形过程一方面将碎化颗粒状原料,由料斗送入高速螺旋注射机进行加热、搅拌到半固态状态,在接近喷嘴端处,将半固态浆料温度控制在固相线温度以上,最后通过喷嘴将半固态浆料高速注射到压铸模具中,凝固成形得到成形件。
3.1.2触变挤压
仿照Thixomolding模型产生了触变挤压成形工艺[11](图5)。
触变挤压成形是注塑和挤压成形过程结合。
半固态浆料二次加热类似于注塑成形,而模具则为挤压成形模具。
图5触变挤压成形
这种成形办法为许多难于锻造和塑性加工特殊材料,如金属基复合材料、脆性材料和易偏析材料。
该工艺是将半固态坯料由料口进入二次加热室,通过加热解决,使半固态坯料变成浆状,然后流入搅拌器,搅拌后,在液态金属中均匀悬浮着一定固相组分固液混合体,最后通过模具型口得到抱负形状材料。
3.1.3触变锻造
1994年,斯图加特大学成形技术学院(IFU)开始了对铝、黄铜等金属触变锻造研究,将半固态金属坯料移入锻压模具内,运用感应加热器进行二次加热,使半固态坯料处在具备成分拟定且均匀液态和固态之间,然后模具一某些向另一某些运动并加压成形,其成形原理及半固态金属向模具型腔流动状况如图6所示。
图6触变锻造
半固态锻导致形长处是扩大了复杂成形件范畴,因半固态金属流动性好,又易于控制,可精确称量,因此锻造耗能低,切削量少,材料运用率较高。
3.2半固态金属流变成形
3.2.1螺旋式半固态流变成形
美国Cornell大学WangKUOK等人应用注射成形原理研制了流变射铸成形技术
(图7),将高温液态合金通过进料口注入到搅拌室,液态合金在重力和螺旋杆搅拌作用下,缓慢冷却,形成半固态浆料,当在注射口堆积一定体积时,由注射装置注射成形[11}。
图7流变射铸成形
3.2.2锥桶式半固态流变成形
北京科技大学孙建林等人运用金属浆料通过旋转斜锥形内外筒之间缝隙时,受到激烈剪切应力场作用原理,成功地研制开发了一种新型具备独特构造半固态金属浆料制备与直接流变成形装置——锥桶式半固态流变成形装置[12](图8)。
图8锥桶式半固态流变成形装置
半固态浆料制备与流变成形装置重要由送料装置、剪切机构、射压机构、温度控制装置和气体保护系统构成。
剪切机构由内、外两个同心圆锥筒构成,其内筒由电机带动转动,外筒固定,通过调节内筒转速和升降内筒高度(即调节内、外筒之间缝隙),使半固态金属浆料在内、外筒缝隙之间受到激烈剪切作用,从而制备出晶粒细小、组织均匀半固态金属浆料,可进行后续压铸、挤压、压轧或锻造加工。
3.2.3流变铸轧[11]
半固态镁合金板带持续铸扎是比较典型触变铸轧成形工艺(图9)。
触变铸轧是对半固态金属进行铸轧成形,是将锻造和热轧两种工艺合为一体,让铸轧辊把熔融浆料大量热能带走,使浆料在很短时间内完毕锻造结晶过程,同步,又对已形成锻造组织镁板进行了压力加工。
图9流变铸轧
普通,流变铸轧涉及3个工序,一方面先将合金原料加入到电阻坩埚中加热熔化,进行质变解决。
另一方面,在室温下,待温度降至固液两相区温度时,对熔体进行机械搅拌,生成半固态浆料。
最后,在固相线温度以上,将半固态浆料导入铸轧辊进行铸扎成形。
3.2.4低过热度倾斜板浇注式流变锻造[11]
非机械或非电磁搅拌低过热度倾斜板浇注式流变锻造技术,是一种全新流变锻造工艺(图9),与机械搅拌和电磁搅拌依托外力来打碎枝晶,而获得球形非枝晶不同,它是直接从球形晶粒形核、长大热力学和动力学条
件着手,获得球形晶粒。
图9低过热度倾斜板浇注式流变锻造
其工艺过程一方面是减少浇注合金过热度,将合金熔体流入收集坩埚,再向坩埚中吹气,让金属液慢慢冷却凝固,这时候在金属液中产生球状初生固相,均匀分布在低熔点残存液相中,最后对收集坩埚中合金浆料进行温度调节和翻转,使获得尽量均匀温度场和固相分数,最后,可进行后续压铸、挤压或锻造加工。
从整个工艺流程,这种新型制备方式简朴,且便于控制,是金属半固态成形新思路。
3.3注射成形
注射成形是直接把熔化金属液冷却至适当温度,并辅以一定工艺条件压射入型腔成形,该办法类似于塑料注射成形法。
其工作原理是
由普通铸锭运用专用装置以机械方式切成3一6mm粒状,在室温下通过料斗送入高温螺旋混合机,当金属加热到半固态后进入定量触变浆
料收集器,通过喷嘴高速射入压铸模内,凝固后得
到制品,当前应用最成功是AZ91D。
3.4流变成形与触变成形对比[13]
通过研究者30近年研究,半固态成形技术经历从流变成形到触变成形然后再到流变成形这样发展历程。
此前。
半固态合金浆料制备技术得到限制,并且浆料保存、输送极为不便,流变成形技术发展速度相对很慢。
而触变成形技术中半固态浆料输送以及半固态坯料加热是极为便利,并且极易实现自动化.因此半固态金属触变成形技术是当时半固态成形技术中最广泛应用工艺手段.如被用于铝合金触变压铸、锻造和镁合金触变射铸。
随着着触变成形技术工业化实际应用,使用者也发现了诸多缺陷。
(1)触变成形技术重要运用电磁搅拌法生产半固态坯料,此前电磁搅拌功率大、能耗高、效率低、装置设备投资大,生产成本高,并且电磁搅拌制备半固态浆料成分与微观组织不均匀。
(2)电磁感应加热半固态浆料损耗能源大,浆料表面极易被氧化。
影响使用性能。
(3)坯料切分和二次加热过程中会有材料流失.浇注系统以及废品也不能立即回收再运用,必要通过重新解决之后才可以进行二次运用.这样势必增长生产成本。
性价比是使用性能和成本之间比例,也是决定半固态成形技术在工业生产上决定性因素。
因而工艺流程较长和生产成本较高触变成形技术并局限性以充分体现半固态成形技术诸多长处.因此触变成形技术并不一定有着远大发展前程。
因而,工艺流程长.生产成本高半固态触变成形技术已不能完全体现出半固态金属加工成形诸多长处。
因而,流变成形技术具备环保、节能、工艺流程短、回炉料可以立即使用等长处.因此半固态铝合金流变成形技术已经成为加工半固态金属技术研究主题。
当前对于镁合金,成熟半固态金属成形技术只有流程长、成本高触变成形.因而研究工艺流程更短、更经济流变成形技术并进行工业推广具备重要经济意义。
4半固态成形计算机模仿技术[10]
4.1模仿技术进展
半固态金属在压力作用下具备良好流变性和填充性,但变形过程非常复杂,当前对触变成形过程模仿研究大多在某些商业有限元或有限差分软件平台上进行。
Zavaliangos在商业软件FLOW一3D上应用简化数学模型,采用有限元法对Sn一15%Pb半固态材料流变行为进行模仿,导出了固相和液相持续性方程。
Kapranos运用FLOW一3D软件分别对半固态铝合金挤压成形进行了模仿,并与实测压力一时间曲线进行了比较,揭示了粘度、应变速率和时间互相之间密切关系。
4.2模仿办法
半固态成形充型过程模仿重要有如下几种办法:
(1)SIMPLE法SIMPLE法又称压力持续方程半隐式办法,该办法由Patankar提出,可以用来计算非定域、不稳定速度场。
(2)MAC与SMAC办法MAC(markerafvdcell)办法由美国LosAlamos国家实验室提出,基于有限差分网格,将动量守恒方程和持续性方程进行离散,并将两者合并成一种与压力关于泊松方程,通过动量守恒方程和泊松方程迭代,求解出流动速度场和压力场。
(3)SOLA一VOF法SOLA一VOF(solutionalgorithm一volumeoffluid)法由LosAlamos科学实验室提出,求解速度场及压力场时,每个计算单元校正压力直接由持续性方程计算出速度求出,然后校正速度场。
(4)SOLA一MAC法SOLA一MAC法在求解流动问题时,运用SOLA办法计算速度场和压力场,运用MAC办法中标记粒子显示流动范畴变化,跟踪自由表面位置。
该办法可以得到速度分布图、流线图、环流位置、对铸型材料冲击和激烈流动范畴等成果。
此外,尚有数值计算办法和有限体积法、Fan法(flowanalysisnetworkmethod)、格子气流体动力学法等。
20世纪90年代后还开发了持续统
一模型,合用于凝固区、固液两相区和液相区。
由于半固态合金触变性能特殊性,当前还没有找到符合实际状况真实物理模型和数学模型,借助锻造过程仿真软件进行研究成果尚不能完全解释变形过程中某些现象,还需要进一步研究,需要把粘度模型、模具内热互换及凝固等复杂过程加以综合考虑。
5工业应用现状[14]
在过去二十年,随着航空、航天、船舰、当代交通、机械制造业迅速发展,轻合金材料需求量越来越大,性能规定越来越高,并运用半固态成形技术工艺来近净成形轻合金制件。
哈尔工业大学罗守靖专家总结了国内半固态成形发呈现状。
半固态加工办法可以生产形状复杂零部件,半固态加工在镁合金产品商业性生产重要是Thixomolding(触变射铸)工艺,在铝合金生产方面,进行生产重要集中在半固态触变成形。
北京有色金属研究总院已建成国内第一条年产300吨铝合金半固态材料制备生产线,可批量生产A356、A390、7075、6061等各种合金牌号半固态坯料,同步还可以进行半固态坯料制备、流变制浆机、二次加热专用加热设备等半固态加工成套设备生产。
北京交通大学n71运用半固态流变挤压技术成功地制造碳钢ZG230—450基座和低合金钢齿轮和箱体。
南昌大学运用流变压铸技术实现了老式压铸专用合金如ADCl0压铸。
在国外,英国康明斯公司运用半固态技术进行高品质零部件生产,如增压涡轮发动机叶轮、自动变速器齿轮变速杆、引擎座,控制臂上、悬挂、发动机支架、柴油发动机泵体等。
意大利AnnalisaPola采用半固态技术生产铅锑合金生产车用电池上金属零件,以提高其机械性能和抗腐蚀能力[49|。
泰国J.Wan—nasin气泡诱导半固态流变压铸工艺生产了转子盖、修复管接、修复脚适配器等零部件。
6总结
随着机械搅拌、电磁搅拌、应变诱导、冷却斜坡等浆料制备办法和流变加工、触变加工、注射加工等成形办法不断发展,数字化模仿技术完善,半固态加工以广泛用于工业化生产。
当前,金属半固态加工技术发展方向重要是进一步简化工艺流程、减少加工成本和拓宽半固态加工技术应用范畴。
作为“21世纪新一代金属成形技术”,相信半固态成形技术将会在21世纪金属成形技术中占重要地位。
参照文献
[1]Flemings.MC.BehaviorofMetalAlloysintheSemi-solidState.Met.Trans.
1991,22(B):
269一293.
[2]杨妮,葛正浩,任威,等.金属半固态成形工艺概述[J].锻造技术,
,28
(1):
142—145.
[3]黄晓锋,梁艳,王韬,谢锐,曹喜娟,朱凯,田载友.金属半固态成形技术研究进展[J].造装备与技术,,2(3):
6-8.
[4]罗守靖,田文彤,李金平.21世纪最具发展前景近净成形技术—半固态加工[J].特种锻造及有色合金,
1(64):
175-180.
[5]蒋鹏,贺小毛.半固态成形工艺概况与模具材料选用.模具技术,1998,
(2):
54-60.
[6]康永林,毛卫民,胡壮麒,等.金属材料半固态加工理论与技术[M].北京:
科学出版社,.
[7]张大辉,李志强,胡泽,等.半固态加工成形技术及其发呈现状[J].航空制造技术,,11(3):
28-31.
[8]江海涛,李森泉.半固态金属材料制备技术及应用[J].重型机械,,2
(1):
12-15.
[9]王益志.半固态成形中某些核心技术[J].特种锻造及有色合金,,9(增):
192-194.
[10]王羽,胡建华,龙安.半固态成形技术及其应用[J].中华人民共和国机械工程,,10(17):
223-226.
[11]杨妮,葛正浩,任威,李晓芳.金属半固态成形工艺概述[J].锻造技术,,01(28):
142-148.
[12]孙建林,康永林,肖邦国,等.镁合金半固态材料成形与浆料制备工艺研究[J].稀有金属,
(2):
104.
[13]张毅,杨宇.半固态流变成形技术应用与发展[J].锻造技术,,4(33):
456-459.
[14]杨湘杰.半固态成形技术最新进展——第11届合金与复合材料半固态成形国际会议技术报告综述[A].特种锻造及有色合金,,10(30):
918-920.
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