（載運(yùn)工具運(yùn)用工程專業(yè)論文）車輛用c級(jí)鋼半固態(tài)成型工藝研究.pdf

i 立窯通盍堂亟堂僮迨塞 生塞摘要 中文摘要 摘要；隨著現(xiàn)代鐵路交通運(yùn)輸向著高速、重載方向發(fā)展，傳統(tǒng)的材料和成型技術(shù) 在機(jī)車關(guān)鍵零部件的制造中已經(jīng)顯得難以滿足要求。半固態(tài)成型技術(shù)是二十一世 紀(jì)最具有廣闊前景的近終形金屬成型技術(shù)。為滿足鐵路高速重載運(yùn)輸?shù)男枨?，c 級(jí)鋼正逐步取代傳統(tǒng)使用的普通碳素鑄鋼，成為我國(guó)鐵路貨車配件的主導(dǎo)材料。 但c 級(jí)鋼的半固態(tài)成型研究尚屬空白，本文對(duì)車輛用c 級(jí)鋼半固態(tài)成型工藝進(jìn)行 了較系統(tǒng)的探索性研究，研究方法和主要成果如下： 使用中頻感應(yīng)爐、漿料制備機(jī)，研究了電磁攪拌制漿工藝參數(shù)對(duì)c 級(jí)鋼半固 態(tài)漿料組織的影響規(guī)律。此方法的機(jī)理是：半固態(tài)非枝晶組織的形成是一個(gè)涉及 熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳輸，以及界面和界面張力效應(yīng)的混合作用過(guò)程的自由邊界的 復(fù)雜問(wèn)題。初生固相顆粒與周圍熔體做相反方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于在懸臂梁作用 下枝晶臂根部受到的應(yīng)力最大，這可能給臨近的枝晶臂的熔斷脫落創(chuàng)造條件。在 后續(xù)的電磁攪拌作用下，這種枝晶臂經(jīng)過(guò)彎曲，熔斷，合并長(zhǎng)大的固相，在不斷 她旋轉(zhuǎn)、滾動(dòng)、相互之間的碰撞與摩擦，發(fā)生熟化，而漸漸地演變?yōu)榍驙罹Щ蚪?球狀晶。 利用2 0 0 0k n 擠壓鑄造機(jī)和螺旋線試樣模具，利用正交試驗(yàn)方法研究了c 級(jí) 鋼半固態(tài)漿料的充型能力，結(jié)果表明：充型壓力越大，充型速度越快，模具預(yù)熱 溫度越高，充型能力越好；半固態(tài)擠壓鑄造適用于那些結(jié)構(gòu)上符合擠壓鑄造工藝， 形狀復(fù)雜程度大于或等于砂型鑄造的鑄鋼件。 通過(guò)分析半固態(tài)流變成型的工藝路線，選定了鐵路車輛用鑄鋼件軸箱體、鉤 舌作為半固態(tài)流變擠壓成型的研究對(duì)象，摸索出實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下半固態(tài)流變擠 壓成型較合理的工藝參數(shù)。 采用半固態(tài)流變擠壓鑄造工藝加工出了形狀完整、輪廓清晰的c 級(jí)鋼軸箱體 工件，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)工件皺褶、氣孔、裂紋缺陷較為突出。通過(guò)成型試驗(yàn)，研究了 成型工藝參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量缺陷的影響規(guī)律。以軸箱體零件為例，探討了缺陷 的形成機(jī)理，分析了其影響因素。 關(guān)鍵詞：c 級(jí)鋼；半固態(tài)；電磁攪拌；充型能力；流變擠壓成型；表面質(zhì)量缺陷 分類號(hào)；t g 2 4 9 9 j e 巒窯亟太堂亟堂僮j 金塞苧旦塑玉迎 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a j l w a ya n da u t o m o b i l ei n d u s t r yt o w a r d sl o w e r w e i g h t ，l o w e rc o s ta n dh i g h e rq u a l i t y , c o n v e n t i o n a lm a t e r i a l sa n df o r m i n gt e c h n i q u e s s a t i s f yh a r d l yt h em a n u f a c t u r eo fk e ys t e e lc a s t i n gu s e di nt r a i n s e m i s o l i dm e t a l f o r m i n ga san e wn e a rn e ts h a p et e c h n o l o g yi n2 1c e n t u r yg e n e r a l l ya t t r a c t sp e o p l e s a t t e n t i o n i no r d e rt of u l f i l lt h ed e m a n do fh i g h s p e e dh e a v i l yl o a d i n gt r a n s p o r t a t i o no n t h er a i l w a y , cg r a d es t e e ls u b s t i t u t e st h ec o m m o nc a r b o ns t e e lg r a d u a l l ya n dw i l lb et h e m a i nm a t e r i a lf o rt h er a i l w a yw a g o nf i t t i n gp a r t h o w e v e r , t h e r ea r ef e wr e s e a r c h r e p o r t sa b o u tt h es e m i s o l i dp r o c e s st e c h n o l o g yo fcg r a d es t e e la tp r e s e n t t h e s e m i s o l i dp r o c e s st e c h n i q u eo fc g r a d es t e e lu s e d i nv e h i c l ew a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h i sp a p e r r e s e a r c hm e t h o da n dm a i na c h i e v e m e n t sw e r ee x p r e s s e da sf o l l o w s ： b yt h em e d i u mf r e q u e n c ym e l t i n gf u r n a c ea n dm a c h i n ef o rs l u r r i n g ，t h ee f f e c to f e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so ns e l n i s o l i ds l u r r ym i c r o s t r u c t u r eo fc g r a d es t e e lw a ss m d i e d t h em e c h a n i c so fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gi st h a tu n d e rt h e a c t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gd e n t r i t i ca i m sb e n d , b u mo u ta n dc o m b i n et o g e t h e r i n t ob i g g e rs o l i dp a r t i c l e s t h e s ep a r t i c l e sm t a t e ，r o l l ，c o l l i d ew i t he a c ho t h e r , c n r e ，a n d e v o l v ei n t os p h e r i c a lo rn e a rs p h e r i c a lg r a i n sg r a d u a l l yw i t ht h et i m ee x t e n d e d w i t ha2 0 0 0 k ns q u e e z ec a s t i n gm a c h i n ea n dah e l i xs a m p l em o l d , t h em o l d i n g f i l l i n ga b i l i t yo fs e m i - s o l i dg r a d ec s t e e ls l u r r yw a ss t u d i e db yo r t h o g o n a lt e s t r e s u l t s s h o wt h a tt h eh i g h e rt h ef i l l i n gp r e s s u r e ，t h ef a s t e rt h ef i l l i n gs p e e d ，t h eh i d e rt h e p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo fm o l d ，t h eb e t t e rt h em o l d i n gf i l l i n ga b i l i t yo fs l u r r y i s s e m i - s o l i ds q u e e z ec a s t i n gi ss u i t a b l ef o rt h ec a s ts t e e lp a r t sw h i c hc a nb ep r o c e s s e db y e x t r u s i o nf o r g i n gt e c h n o l o g yi ns t r u c t u r e ，b u tt h es h a p ei sm o r ec o m p l e xt h a nt h a to f s a n dc a s ts t e e l i n g b ya n a l y z i n gt h es e m i s o l i dr h e o l o g i c a lp r o c e s sr o u t e ，t h ea x l eb o xb o d ya n d c o u p l e rk n u c k l ew e r es e l e c t e d a st h ee x p e r i m e n t a lo b j e c t ，t h eo p t i m a lp a r a m e t e r so f s e m i s o l i dr h e o l o g i c a ls q u e e z ec a s t i n gp r o c e s sw e r eg a i n e da tt h ep r e s e n tc o n d i t i o no f t h el a b o r a t o r y t h ec g r a d es t e e la x l eb o xb o d yp a r t sw i t hp e r f e c ts h a p ea n dc l e a rp r o f i l ew e r e f o r m e dt h r o u g hs e m i s o l i dr h e o l o 百c a ls q u e e z ec a s t i n gp r o c e s s e x p e r i m e n tr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ef o l d i n g ，p o r o s i t ya n dc r a c ka r et h em a i nf l a w so fp a r t s b yp r o c e s s e x p e r i m e n t s ，t h ei n f l u e n c eo f p r o c e s st e c h n o l o g yp a r a m e t e r so ns u r f a c eq u a l i t yo f p a r t s j 豪交通太堂亟望僮論塞墾s 墅墜! w a ss t u d i e d t a k i n gt h ea x l eb o xb o d ya sa l le x a m p l e ，t h em e c h a n i c so ff l a w sw e r e d i s c u s s e d ，a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r sw e r ea l s oa n a l y z e d k e y w o r d s ：g r a d ecs t e e l ；s e m i s o l i d ；e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ；m o l df i l l i n ga b i l i t y ； r h e o l o g i c a lp r o c e s st e c h n o l o g y ；s u r f a c eq u a l i t yf l a w ； c l a s s n o ：t g 2 4 9 9 致謝 本論文的工作是在我的導(dǎo)師張勵(lì)忠教授的悉心指導(dǎo)下完成的，張勵(lì)忠教授嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝三年來(lái) 張勵(lì)忠老師對(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo)。 在論文研究工作中，還要特別感謝邢書(shū)明教授，河北科技大學(xué)譚建波教授等 老師的指導(dǎo)、關(guān)心和幫助。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和論文的撰寫(xiě)中給 予了許多有益的幫助和指導(dǎo)。在這里，向諸位老師表示衷心感謝和崇高的敬意。 在實(shí)驗(yàn)室工作及撰寫(xiě)論文期問(wèn)，李海開(kāi)、陳宇、劉文、何書(shū)華、焦眾生等同 學(xué)對(duì)我論文中的成型試驗(yàn)研究工作給予了熱情幫助。在此向他們表達(dá)我的感激之 情。 另外也感謝家人在精神上和生活上給予的支持和關(guān)心，他們的理解和支持使 我能夠在學(xué)校專心完成我的學(xué)業(yè)。 i b 壺鑾道太堂亟堂僮監(jiān)塞緒j 僉 1 1 半固態(tài)加工技術(shù)的發(fā)展 1 緒論 金屬半固態(tài)加工研究始于2 0 世紀(jì)7 0 年代初，是美國(guó)麻省理工大學(xué)的學(xué)者們 在研究鑄造合金熱撕裂問(wèn)題時(shí)的偶然發(fā)現(xiàn)【1 l 。 目前，國(guó)際上些先進(jìn)國(guó)家如美國(guó)、法國(guó)、意大利、日本對(duì)鋁合金、鎂合金、 鉛合金、銅合金等半固態(tài)組織和性能進(jìn)行了較為充分的研究，而且鋁合金、鎂合 金目前已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的階段。 最成功的應(yīng)用領(lǐng)域主要在汽車領(lǐng)域【2 1 。美國(guó)o r m e t 公司在o h i o 州投資1 5 0 0 萬(wàn)美元，用于生產(chǎn)半固態(tài)成型用坯料，并從法國(guó)p e c h i n e y 公司獲權(quán)在美國(guó)、加拿 大和墨西哥生產(chǎn)半固態(tài)坯料及半固態(tài)成型車輛零件。美國(guó)a e m p 公司于1 9 7 8 年就 建成了生產(chǎn)鋁合金車輛零件的半固態(tài)壓鑄生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力達(dá)到了5 0 0 0 萬(wàn)件。 1 9 9 2 年又與s u p e r i o r 工業(yè)公司合資建成了全球首家半固態(tài)壓鑄鋁合金輪轂廠。該 公司還幫助a m p 公司新建了一個(gè)用來(lái)生產(chǎn)電工鋁合金零件的專業(yè)廠。美國(guó) i n l a n d 鋼實(shí)驗(yàn)室自1 9 9 5 年以來(lái)，先后進(jìn)行了多種鋼鐵材料的半固態(tài)連鑄與成型 的研究與應(yīng)用，取得了良好的效果。美國(guó)麻省理工學(xué)院已生產(chǎn)a i s l 3 0 4 和4 4 0 c 不 銹鋼、a i s l 4 3 1 0 和m 2 工具鋼的半固態(tài)壓鑄件2 5 0 0 多件。意大利s t a m p a l s p a 公司利用半固態(tài)壓鑄技術(shù)為f o r d 汽車公司生產(chǎn)z e t a 發(fā)動(dòng)機(jī)的油料注射擋、齒輪箱 蓋和搖臂等零件。瑞士b u h l e r 、德國(guó)e f u 、法國(guó)p c c h i n e y s a 、瑞士a l u s u i s s e l o n z a 、 意大利f i a t 、日本字部等國(guó)際知名公司也都實(shí)現(xiàn)了半固態(tài)坯料及半固態(tài)壓鑄技術(shù)的 產(chǎn)業(yè)化，目前正在擴(kuò)大產(chǎn)品品種和生產(chǎn)規(guī)模。日本組建了流變技術(shù)研究所，投巨 資開(kāi)發(fā)半固態(tài)鑄造的關(guān)鍵技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。 國(guó)外在鋼鐵材料的半固態(tài)成型方面正在取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。德國(guó)在實(shí)驗(yàn)室 已經(jīng)生產(chǎn)出了多種鑄鋼件。日本h o n g d a 公司建成了一條生產(chǎn)線專門生產(chǎn)跑車用零 件，日本國(guó)立工業(yè)技術(shù)研究所研究成功了高熔點(diǎn)合金半固態(tài)鑄軋?jiān)O(shè)備，德國(guó)、法 國(guó)、巴西、韓國(guó)等國(guó)也利用半固態(tài)成型技術(shù)生產(chǎn)試制了多種鑄鋼件，英國(guó)提出了 半固態(tài)成型合金的初步設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1 3 - 9 1 。 我國(guó)的半固態(tài)加工技術(shù)起步較晚，開(kāi)始于2 0 世紀(jì)8 0 年代后期，先后有不少 高校和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了這方面的研究，半固態(tài)技術(shù)水平還處于工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)化階段， 整體水平明顯落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。 北京有色院和北京科技大學(xué)等單位在國(guó)家“8 6 3 ”計(jì)劃支持下進(jìn)行了鋁合金汽 車零件的半固態(tài)壓鑄研究，并進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。謝水生教授在國(guó)家自然科學(xué)基金 韭壺窯通太堂亟堂僮途塞 蟹監(jiān) 支持下對(duì)半固態(tài)成型過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并出版了專著，取得了可喜的進(jìn) 展。東南大學(xué)的朱鳴芳【m 。1 4 j 等人對(duì)z n - a 1 合金的半固態(tài)加工成型性，半固態(tài)等溫 處理時(shí)對(duì)觸變組織的影響作了大量的研究工作。中南工業(yè)大學(xué)對(duì)噴射沉積半固態(tài) 擠壓進(jìn)行了研究。東北大學(xué)與澳大利亞墨爾本大學(xué) 1 s , 1 6 1 合作采用液相線鑄造法以 變形鋁合金2 6 1 8 和7 0 7 5 為例，對(duì)半固態(tài)漿液的制備、半固態(tài)成型、熱處理制度 及成品機(jī)械性能做了系統(tǒng)的研究工作，目前已著手工業(yè)應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)。清華大 學(xué)在半固態(tài)合金的流變模型方面開(kāi)展了細(xì)致的研究，并采用半固態(tài)觸變壓鑄工藝 試制了a 3 5 6 鋁合金從動(dòng)鏈輪支架；上海大學(xué)在國(guó)家經(jīng)貿(mào)委的支持下，與上海汽車 工業(yè)集團(tuán)聯(lián)合，正在鋁合金汽車零件半固態(tài)觸變壓鑄方面進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)；哈爾濱 工業(yè)大學(xué)結(jié)合國(guó)防與軍工行業(yè)開(kāi)展了鋁合金及其復(fù)合材料的半固態(tài)成型的應(yīng)用研 究：北方交通大學(xué)通過(guò)引進(jìn)人才，與企業(yè)合作正在大力開(kāi)展鋼鐵材料半圓態(tài)流變 成型在機(jī)車車輛行業(yè)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)、鋁合金半固態(tài)連鑄坯料的工業(yè)應(yīng)用及半固態(tài)成 型專用設(shè)備的研制；南昌大學(xué)、河北科技大學(xué)、6 2 5 所等單位也正在進(jìn)行半固態(tài)成 型技術(shù)的實(shí)驗(yàn)探索和應(yīng)用研究。到目前為止，可以說(shuō)我國(guó)尚未開(kāi)展系統(tǒng)的半固態(tài) 黑色金屬及合金的制備和成型方面的研究。 1 2 半固態(tài)加工的特點(diǎn) 半固態(tài)成型技術(shù)是一種介于固態(tài)成型和液態(tài)成型兩種工藝之間的一種嶄新的 工藝，與傳統(tǒng)的鑄造和鍛造技術(shù)相比，半固態(tài)成型具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)【1 7 - 2 0 ： ( 1 ) 適用范圍廣泛。凡具有固、液兩相區(qū)的合金均可以實(shí)現(xiàn)半固態(tài)加工，而 且可適用于鑄造、擠壓、鍛造、軋制等多種金屬加工工藝； ( 2 ) 其成型溫度介于固相線和液相線之間，體收縮中基本沒(méi)有液態(tài)收縮，只 有部分凝固收縮，因而縮孔體積小，不宜出現(xiàn)集中縮孔： ( 3 ) 在壓力下充型和凝固，充型質(zhì)量高、補(bǔ)縮效果好，可有效減少縮松，組 織致密； ( 4 ) 由于充型溫度低、充型平穩(wěn)、成型過(guò)程釋放的熱量小，因此對(duì)型腔的熟 沖擊小，不宜卷氣，內(nèi)部氣孔發(fā)生率低： ( 5 ) 工件外觀質(zhì)量和尺寸精度顯著提高，加工余量明顯減??； ( 6 ) 半固態(tài)漿料具有良好的流變性，可以像普通鑄造一樣使用砂芯制造出復(fù) 雜型腔； ( 7 ) 采用金屬型生產(chǎn)，所以零件的表觀質(zhì)量和尺寸精度顯著提高。可以明顯 減小加工余量，實(shí)現(xiàn)少無(wú)切削。 總之，半固態(tài)加工技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了毛坯制造中非鑄則鍛的兩極格局， 2 j e 塞鑾通太堂亟堂僮i 金塞緒論 使材料成型技術(shù)體系變得更加完善和豐富多彩，原來(lái)鑄造和鍛造都難以生產(chǎn)的許 多重要零件有了新的生產(chǎn)方法。 1 3 半固態(tài)流變成型原理 利用金屬材料在固液共存狀態(tài)下所特有的半固態(tài)組織來(lái)進(jìn)行成型加工的技術(shù) 稱為金屬半固態(tài)成型( s e m i s o l i dm e t a l l u r g y ，簡(jiǎn)稱s s m ) 。該技術(shù)核心是在液態(tài) 金屬的凝固過(guò)程中，對(duì)其施加外界控制作用( 如強(qiáng)化對(duì)流、控制凝固過(guò)程形核、 外加物理場(chǎng)，孕育變質(zhì)處理等) ，以改變初生固相的形核與長(zhǎng)大過(guò)程，使其不以 普通鑄造過(guò)程中的樹(shù)枝網(wǎng)絡(luò)狀生長(zhǎng)，而以非枝晶形式存在，如退化枝晶、球狀晶、 近球形晶等。從而得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定非枝狀初生固相的 固液混合漿料( 半固態(tài)漿料) 。眾多實(shí)驗(yàn)表明，這種漿料在固相分?jǐn)?shù)高達(dá)6 0 的 情況下，在外力作用下仍具有良好的流變性能。根據(jù)成型過(guò)程中，對(duì)半固態(tài)組織 漿料處理方式的不同，半固態(tài)成型工藝可分為流變成型( r h e o f o r m i n g ) 與觸變成 型( t h i x o f o r m i n g ) ，如圖1 1 所示。 i i 瑰攣盛型： 圖1 - 1 金屬半固態(tài)成形工藝技術(shù)路線 f i g 1 1t h ec o u r s eo f s e m i - s o l i dm e t a lp r o c e s s i n g 將上述半固態(tài)成型技術(shù)思想與液態(tài)擠壓鑄造工藝相結(jié)合就產(chǎn)生了半固態(tài)流變 擠壓鑄造技術(shù)( s e m i s o l i dr h e o l o g i cs q u e e z ec a s t i n g ) 。其原理是：將制備好的具 有特殊流變性的半固態(tài)組織漿料定量注入到敞開(kāi)的模具型腔內(nèi)，隨后借助于成型 設(shè)備的高機(jī)械壓力作用，使其強(qiáng)制充型、凝固、補(bǔ)縮并產(chǎn)生少量塑性變形，從而 獲得輪廓清晰、表面光潔、尺寸精確、組織致密、晶粒細(xì)小、力學(xué)性能優(yōu)良的零 件或毛坯。 j b 塞鑾道太堂亟堂僮j 金塞 綺i 金 1 4 半固態(tài)成型工藝方法 半固態(tài)合金成型適用于很多常規(guī)的成型方法，按成型設(shè)備的不同可分為半固態(tài) 模鍛、半固態(tài)擠壓鑄造、半固態(tài)軋制和半固態(tài)連接等1 2 “。 半固態(tài)鑄造是指利用鑄造方法進(jìn)行半固態(tài)漿料或坯料成型的工藝方法，包括 半固態(tài)漿料鑄造成型和半固態(tài)坯料鑄造成型兩大類。目前常見(jiàn)的有半固態(tài)漿料壓 鑄、半固態(tài)坯料壓鑄；半固態(tài)漿料擠壓鑄造和半固態(tài)坯料擠壓鑄造、半固態(tài)連鑄 等【2 2 】。和液態(tài)鑄造相比，半固態(tài)鑄造在鑄型中的收縮明顯減小，使鑄件縮松減少， 且半固態(tài)合金漿料的粘度大，充型時(shí)不易飛濺和卷氣，使鑄件中的氣孔也大大降低， 從而使鑄件的致密度和性能提高。 半固態(tài)鍛造是指利用鍛造方法進(jìn)行半固態(tài)漿料或坯料成型的工藝方法，利用 鍛造方法進(jìn)行半固態(tài)漿料成型的工藝方法稱為半固態(tài)模鍛，利用鍛造方法進(jìn)行半 固態(tài)坯料成型的工藝方法稱為半固態(tài)坯料鍛造。目前主要包括半固態(tài)漿料模鍛、 半固態(tài)坯料模鍛、半固態(tài)漿料擠壓、半固態(tài)坯料擠壓等。與傳統(tǒng)的固態(tài)鍛造相比， 由于半固態(tài)金屬屈服強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?，且流?dòng)性極好，因此不但可適當(dāng)減少預(yù)鍛工序 數(shù)量，而且可在相對(duì)較小的成型壓力作用下充填模具型腔，使成型設(shè)備噸位大大 降低。此外，由于半固態(tài)坯料或漿料的粘度較高，在壓力作用下使金屬形成層流， 能均勻地填充模具型腔，因此還可用于薄壁類零件的加工，如各類汽車鋁合金輪 轂、轉(zhuǎn)向節(jié)、底盤懸掛件等復(fù)雜形狀的鍛件。 半固態(tài)軋制是指利用軋制方法進(jìn)行半固態(tài)漿料或坯料成型的工藝方法，利用 軋制方法進(jìn)行半固態(tài)漿料成型的工藝方法稱為半固態(tài)漿料軋制；利用軋制方法進(jìn) 行半固態(tài)坯料成型的工藝方法稱為半固態(tài)坯料軋制。 半固態(tài)連接是材料連接技術(shù)的一種，指利用材料連接方法進(jìn)行半固態(tài)漿料或 坯料成型的工藝方法。利用材料連接技術(shù)進(jìn)行半固態(tài)漿料成型的工藝方法稱為半 固態(tài)漿料連接，利用材料連接技術(shù)進(jìn)行半固態(tài)坯料成型的工藝方法稱為半固態(tài)坯 料連接【2 3 i ，這是半固態(tài)成型技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)新方向。 與觸變成型相比，流變成型由于直接獲得的半固態(tài)金屬漿料的保存和輸送很 不方便，因此發(fā)展比較緩慢。但與觸變成型相比，流變成型具有工藝流程短、節(jié) 約能源等優(yōu)點(diǎn)，是半固態(tài)成型的一個(gè)重要發(fā)展方向。 與流變成型相比，觸變成型有如下三大問(wèn)題： ( 1 ) 產(chǎn)品成本高。主要是由于半固態(tài)坯料的重新加熱帶來(lái)了大量的能源消耗。 此外，坯料的切割、加熱等過(guò)程會(huì)加大材料損耗。 ( 2 ) 生產(chǎn)過(guò)程控制任務(wù)重。在觸變成型過(guò)程中，除了對(duì)半固態(tài)漿料和坯料的 質(zhì)量需要嚴(yán)格控制外，還需要對(duì)坯料的重新加熱過(guò)程、成型過(guò)程進(jìn)行有效的控制， 4 j e 密變道太堂亟堂僮監(jiān)塞緒i 盆 任何一個(gè)環(huán)節(jié)失控，都會(huì)導(dǎo)致廢品出現(xiàn)。 ( 3 ) 設(shè)備投資大。在觸變成型過(guò)程中，半固態(tài)漿料制備、坯料的生產(chǎn)，坯料 的重新加熱和成型都需要專門的設(shè)備，這些設(shè)備目前都沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化 生產(chǎn)，所以設(shè)備價(jià)格昂貴，固定資產(chǎn)投資巨大。 面對(duì)這些問(wèn)題，人們開(kāi)始重新對(duì)流變成型與觸變成型進(jìn)行比選。早期認(rèn)為流 變成型工藝控制困難、生產(chǎn)組織不夠靈活的問(wèn)題在大工業(yè)生產(chǎn)條件下并不突出， 而其流程短、能耗低、設(shè)備投資小、連續(xù)性強(qiáng)、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)更加誘人，于是 流變成型的研究和應(yīng)用悄然興起，目前已經(jīng)成為半固態(tài)加工技術(shù)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。 與低熔點(diǎn)有色合金的蓬勃發(fā)展相比，鋼鐵材料半固態(tài)成型由于工藝溫度高、 漿料制備困難、成型設(shè)備缺乏和工藝控制嚴(yán)格等因素一直發(fā)展緩慢。理論上講， 適用于有色合金的半固態(tài)成型工藝都可能用于鋼鐵材料，但實(shí)際上，目前見(jiàn)到的 用于鋼鐵材料半圓態(tài)成型工藝主要是觸變成型，如觸變鍛造、觸變擠壓、觸變壓 鑄。在鋼鐵材料的流變成型中目前只有流變鑄軋的報(bào)道。這主要是由于觸變成型 可以將坯料制備和成型分解，便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)際上，由于觸變成型必須要 求對(duì)坯料進(jìn)行重新加熱，而鋼鐵材料的高溫氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，而且其導(dǎo)熱系數(shù)小， 重新加熱的溫度均勻性難以保證，流變成型將更加合適。 隨著半固態(tài)成型技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼鐵材料的半固態(tài)成型也逐步引起了人們 的重視。在剛剛結(jié)束的第7 屆國(guó)際半固態(tài)會(huì)議上，黑色金屬半固態(tài)成型作為一個(gè) 專題進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流，交流論文數(shù)量約占會(huì)議論文的1 0 。論文涉及鋼鐵材料半 固態(tài)坯料的質(zhì)量表征、半固態(tài)焊接、半固態(tài)合金的流動(dòng)性、及重新加熱過(guò)程的組 織變化等方面。涉及的合金材料既有鑄鋼，也有鑄鐵。試制出了多種鋼鐵材料汽 車零件，顯示了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭1 2 4 - 2 7 l 。 1 5 半固態(tài)流變成型技術(shù)的關(guān)鍵 半固態(tài)加工的幾個(gè)技術(shù)關(guān)鍵包括漿料制備技術(shù)、工藝參數(shù)控制、工藝裝備的 配套等【2 礬。這就需要我們加快工業(yè)化研究的步伐，重點(diǎn)放在以下三個(gè)方面：專 用設(shè)備的研制；模具的設(shè)計(jì)；工藝參數(shù)的優(yōu)化。 就鋼鐵材料半固態(tài)成型而言，其成型工藝較低熔點(diǎn)合金更困難。到目前( 2 0 0 5 年) 為止，國(guó)際上共召開(kāi)了8 次半固態(tài)成型方面的專題國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，共發(fā)表關(guān)于 高熔點(diǎn)鋼鐵材料半固態(tài)成型的研究論文3 0 余篇。所涉及的材料有m 2 工具鋼、h l l 鋼、h s 6 5 2 高速鋼、1 0 0 c r 6 軸承鋼、6 0 s i 2 m n 彈簧鋼、3 0 4 不銹鋼、c 8 0 工具鋼、 普碳鋼、高鉻鑄件、可鍛鑄鐵、灰鑄鐵等。長(zhǎng)期以來(lái)，制約鋼鐵材料半固態(tài)成型 5 氈夏交通太堂亟蘭焦i 金塞 緒論 發(fā)展的主要難點(diǎn)是： ( 1 ) 高溫半固態(tài)熔體難以連續(xù)穩(wěn)定的制備； ( 2 ) 高溫半固態(tài)熔體的輸送和保持困難； ( 3 ) 高溫半固態(tài)熔體的流動(dòng)變形規(guī)律( 流變性) 和其成型性尚未充分掌握； ( 4 ) 成型溫度高，工具材料的高溫性能難以保證。 1 6 本課題研究的目的、意義及內(nèi)容 1 6 1 本課題研究的目的、意義 ( 1 ) 選材意義 隨著環(huán)境與能源問(wèn)題的日益突出，可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題越來(lái)越受到重視，未來(lái)工 業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向?qū)⒕哂袃蓚€(gè)主要特征：不斷地追求高效率、高質(zhì)量；節(jié)省 資源、能源與無(wú)公害化。鋼鐵材料與其它材料相比，在價(jià)格、環(huán)保、節(jié)能和節(jié)材 等方面都表現(xiàn)出明顯地優(yōu)勢(shì)，所以在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍將是主要工業(yè)原材料。 盡管我國(guó)是鋼鐵大國(guó)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)鋼鐵工業(yè)在工藝、裝備、技 術(shù)等方面還存在相等差距。實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的短流程、低能耗、高質(zhì)量必將成為2 l 世紀(jì)我國(guó)鋼鐵工業(yè)的主要發(fā)展方向。面對(duì)國(guó)外半固態(tài)加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，我們 應(yīng)該不遺余力地、深入地進(jìn)行半固態(tài)加工技術(shù)的研究。 ( 2 ) 實(shí)際意義 由于鋼鐵材料在鐵路列車生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，有著其它材料不可替代的重 要作用，其成型研究應(yīng)倍受重視。面對(duì)鐵路機(jī)車向高速和重載方向發(fā)展實(shí)際，迫 切要求機(jī)車零件有較高的性能和可靠性。而提高零件性能的途徑主要有兩種：一 是選用新材料；另外一個(gè)就是新工藝，實(shí)現(xiàn)零件的高性能化。自1 9 9 8 年以來(lái)，鐵 道部已下大力氣著手進(jìn)行了大量機(jī)車零件材料和工藝的升級(jí)，如原碳素鋼搖枕、 側(cè)架、鉤舌、鉤尾框等升級(jí)為采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的b 級(jí)鋼、c 級(jí)鋼等。工藝升級(jí)方面 有：p 6 3 上芯盤由鑄造改為鍛造；取消鑄鋼件的水爆清砂工藝，采用樹(shù)脂砂或干法 回收；貝氏體斜楔造型工藝由煤粉砂手工造型提升為鐵型覆砂機(jī)器造型，外觀質(zhì) 量和尺寸精度有了質(zhì)的提高，其熱處理工藝升級(jí)( 等溫淬火) 使材料由q t 4 0 0 1 5 提高到a d l l 0 5 0 7 。 北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院邢書(shū)明教授和張勵(lì)忠副教授成立了半固態(tài)成型研究中 心，并從2 0 0 2 年開(kāi)始同中國(guó)南車集團(tuán)石家莊車輛廠和中國(guó)北車集團(tuán)長(zhǎng)春客車廠合 作研究用半固態(tài)流變擠壓工藝生產(chǎn)鐵路車輛用鑄鋼件。 6 j e 塞鑾通盔堂亟堂僮論塞 蟹j 金 c 級(jí)鋼( z g 2 5 m n c r n i m o ) 軸箱體、鉤舌分別是軌道客車轉(zhuǎn)向架、剎車系統(tǒng)上的 重要零件，在客車運(yùn)行、剎車時(shí)，車身?yè)u晃、振動(dòng)使它們承受很大交變載荷，故 其性能要求很高。原采用砂型鑄造來(lái)生產(chǎn)，工藝出品率，對(duì)其進(jìn)行失效分析后發(fā) 現(xiàn)夾砂、氣孔、渣孔、縮孔等缺陷是造成零件報(bào)廢的主要原因。而半固態(tài)成型的 產(chǎn)品具有內(nèi)部缺陷少、晶粒細(xì)小、組織致密、力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)已人所共知。 本文采用半固態(tài)流變擠壓成型軸箱體零件，旨在提高其性能。為半固態(tài)成型技術(shù) 在車輛用c 級(jí)鋼領(lǐng)域的應(yīng)用奠定一定基礎(chǔ)。 ( 3 ) 學(xué)術(shù)意義 自2 0 世紀(jì)7 0 年代，金屬半固態(tài)成型技術(shù)( s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g ，s s m ) 問(wèn)世以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。迄今為止，其研究對(duì)象絕大多數(shù)是 低熔點(diǎn)合金。其中，絕大多數(shù)又是針對(duì)半固態(tài)的漿科制備、微觀組織、力學(xué)性能 等方面的研究。與低熔點(diǎn)合金相比，高熔點(diǎn)合金的半固態(tài)流變成型面臨著金屬型 激冷作用，非枝晶獲得困難和漿料的保溫輸送困難等諸多難題，上述研究相對(duì)較 少，而成型方面的研究更少2 ”5 】，可以說(shuō)高溫鋼鐵材料的半固態(tài)直接成型是當(dāng)今 金屬成型領(lǐng)域的最前沿且最有意義的課題。 1 6 2 本課題研究?jī)?nèi)容 車輛用鑄鋼件的半固態(tài)成型必需首先解決兩個(gè)基本問(wèn)題：一是流變成型用半 固態(tài)漿料的制備，二是這種漿料的充型能力和成型性。結(jié)合前文分析，本文的研 究?jī)?nèi)容為： ( 1 ) c 級(jí)鋼半固態(tài)漿料制備 采用電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料，探究高熔點(diǎn)合金電磁攪拌制漿工藝參數(shù)對(duì) 漿料組織的影響規(guī)律，掌握電磁攪拌法制備高熔點(diǎn)合金半固態(tài)漿料的機(jī)理和技術(shù) 關(guān)鍵。 ( 2 ) 半固態(tài)流變擠壓鑄造的充型能力 c 級(jí)鋼漿料的擠壓鑄造成型能否獲得具有一定復(fù)雜程度的優(yōu)質(zhì)零件，取決于該 漿料在擠壓鑄造工藝下的充型能力。研究外界因素主要是擠壓鑄造工藝中的充型 壓力、充型速度、模具溫度、涂料等對(duì)半固態(tài)漿料充型能力的影響規(guī)律。 ( 3 ) c 級(jí)鋼半固態(tài)流變擠壓成型工藝的研究 以車輛用c 級(jí)鋼軸箱體、鉤舌為研究對(duì)象，進(jìn)一步探究c 級(jí)鋼半固態(tài)流變擠 壓的成型性，并找出現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件下較合理的成型工藝參數(shù)。 ( 4 ) 通過(guò)試驗(yàn)研究成型工藝參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量缺陷的影響規(guī)律。 7 j e 復(fù)套煎左堂亟堂僮監(jiān)窯緩翅主固態(tài)苤整制備王莖班究 2c 級(jí)鋼半固態(tài)漿料制備工藝研究 2 1 半固態(tài)漿料的制備方法 半固態(tài)合金漿料的制備是半固態(tài)成型技術(shù)的基礎(chǔ)，世界各國(guó)都先后投入大量 的人力和物力對(duì)半固態(tài)合金漿料制備方法進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)研究開(kāi)發(fā) 出了十余種半固態(tài)漿料制各方法。 從理論上講，低熔點(diǎn)金屬的漿料制備方法均可以用于高熔點(diǎn)金屬的漿料制備。 但高熔點(diǎn)金屬的漿料制備對(duì)制漿設(shè)備的要求很高，并不是所有制漿方法均能在實(shí) 際中應(yīng)用。目前，曾采用過(guò)的鋼鐵材料的制漿方法有機(jī)械攪拌法1 3 6 , 3 7 1 、電磁攪拌 法【3 8 1 、應(yīng)變激活法1 3 9 j 、近液相線鑄造法、噴射沉積法、單輥旋轉(zhuǎn)法f 4 n 、粉末冶 金法【4 2 1 、熔體冷卻法【4 3 】等，可將這些方法分為攪拌法( 機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法、 單輥旋轉(zhuǎn)法) 、控制凝固法( 近液相線法、斜坡法) 和其它方法( 應(yīng)變激活法、噴射沉 積法、粉末冶金法) 。 2 1 1 攪拌法 ( 1 ) 機(jī)械攪拌法 機(jī)械攪拌法是制備半固態(tài)金屬最早使用的方法，其設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，如圖2 - 1 。 該方法利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的葉片或攪拌棒改變凝固中金屬初生晶粒的生長(zhǎng)，獲得球狀 或類球狀的初生晶粒的半固態(tài)金屬漿料。在攪 拌過(guò)程中，通過(guò)控制攪拌室的溫度來(lái)控制半固 態(tài)金屬的固相分?jǐn)?shù)，通過(guò)改變?nèi)~片或攪拌棒的 轉(zhuǎn)速來(lái)控制剪切速率，并可以保證攪拌過(guò)程中 的剪切速率不變。f l e m i n g s 等用連續(xù)機(jī)械攪拌 法成功制備了3 0 4 及4 4 0 c 不銹鋼、m 2 高速鋼和 4 3 4 0 低合金鋼的半固態(tài)坯料。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看， 其生產(chǎn)效率不高，實(shí)驗(yàn)室制備鋼鐵半固態(tài)漿料 的產(chǎn)量達(dá)到2 4 0 0e c m i n 。 機(jī)械攪拌法設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作方便、 剪切速率易于控制，非常適合實(shí)驗(yàn)室的研究工 作。但是，該方法生產(chǎn)效率低、攪拌室和攪拌 圈2 - 1 連續(xù)機(jī)械攪拌制備半固態(tài)漿料 f i g 2 - 1s l u r r i n gb yc o n t i n u o u sm e c h a n i c a l s t i r r i n g j b 塞交通盤堂亟堂焦論奎 級(jí)塑主固盔鏨牲劍備王苧班葒 棒的壽命短、攪拌棒和攪拌室易污染半固態(tài)金屬漿料，無(wú)法制備高質(zhì)量的半固態(tài) 金屬漿料或坯料，也無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。 ( 2 ) 電磁攪拌法 電磁攪拌法是利用旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，金屬液在洛倫茲力 的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)金屬液攪拌的目的。電磁攪拌按磁場(chǎng)方向分為水 平式與垂直式；按磁場(chǎng)發(fā)生方式又可分為交流法與旋轉(zhuǎn)永磁體法。一般影響電磁 攪拌效果的因素有攪拌功率、冷卻速率、金屬液溫度、腳注速度等。 b l a z e k 等人利用圖2 - 2 所示流變器對(duì)不銹銅( 3 0 4 、3 1 6 、4 4 0 c ) 、高速鋼( m 7 、 m 4 、m 2 ) 等進(jìn)行了制備研究。毛衛(wèi)民等也用電磁攪拌法成功制備了6 0 s i 2 m n 、 1 c r l 8 n i 9 t i 等高熔點(diǎn)鋼鐵材料半固態(tài)漿料。 l 一輸送小車 2 鋼包 3 _ 一上攪拌室 4 中問(wèn)澆口 5 上攪拌器 6 下攪拌室 7 一下攪拌器 8 連鑄平臺(tái) 9 牽引機(jī)構(gòu) 圖2 - 2i s c 型流變器結(jié)構(gòu)不意 f i g 2 - 2t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f a p p a r a t u sf o rr h e o c a s t i n g 電磁攪拌的突出優(yōu)點(diǎn)是不用攪拌器，不會(huì)污染金屬漿料，也不會(huì)卷入氣體。 但設(shè)備投資大，工藝復(fù)雜，成本較高，由于積膚墩應(yīng)，該技術(shù)只運(yùn)用于直徑小于 1 5 0 m m 的錠坯。若用該方法制備漿料進(jìn)行流變成型，則漿料的輸送和澆注困難。 ( 3 ) 單輥旋轉(zhuǎn)法 單輥旋轉(zhuǎn)法是機(jī)械攪拌法的變種，其工藝原理是：利用一個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)的輥輪 把靜止的弧狀結(jié)晶壁上生長(zhǎng)的初晶不斷碾下、破碎，并與剩余的液體一起混合， 形成流變金屬漿料( 見(jiàn)圖2 - 3 ) 。單輥旋轉(zhuǎn)方法可以制備半固態(tài)金屬漿料，也可以制 備半固態(tài)金屬薄帶。日本學(xué)者利用單輥旋轉(zhuǎn)法成功制備過(guò)f c 2 0 和f c 3 0 灰口鑄鐵及 f c d 4 0 ( 日本牌號(hào)1 球墨鑄鐵的半固態(tài)漿料。 該方法所用設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)轉(zhuǎn)及操作比較容易。但制備鋼的 半固態(tài)漿料困難較大，主要是因?yàn)殇摰闹茲{溫度很高，容易和輥輪、冷卻板等粘 連、粘焊，漿料也不容易從結(jié)晶壁和軋輥間隙中順利流出。 9 j e 塞蠻通太堂亟堂僮i 金室 級(jí)翅圭固盔鏊魁創(chuàng)備王莖班冠 擴(kuò)7 1 、6 、9 、l l 銫熱板2 冷卻水3 、1 2 一驅(qū)動(dòng)裝置4 冷卻水箱 螂狀冷卻板7 _ o 友態(tài)金屬卜輥輪l 半固態(tài)金屬漿科 圖2 3 單輥旋轉(zhuǎn)法示意圖 f i g 2 - 3t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f s h e a r i n g - c o o l i n g - r o l l i n g 2 1 2 控制凝固法 ( 1 ) 近液相線法 近液相線法是將合金熔體在液相線溫度附近保溫一定時(shí)間后，進(jìn)行澆鑄，獲 得適合半固態(tài)成型的金屬漿料。液相線鑄造合金熔體溫度低，溫度場(chǎng)均勻，在澆 鑄過(guò)程中大量晶核在熔體中均勻產(chǎn)生，獲得組織細(xì)小、均勻、等軸的半固態(tài)漿料。 該方法簡(jiǎn)單可行，成本低廉，但其漿料質(zhì)量受保溫時(shí)間影響較大，制漿過(guò)程 需要很長(zhǎng)的保溫時(shí)間才可獲得理想的半固態(tài)漿料，故其突出缺點(diǎn)就是生產(chǎn)率低。 如能縮短制漿時(shí)的保溫時(shí)間，則該方法的工業(yè)應(yīng)用潛力巨大。 ( 2 ) 斜坡法 斜坡法 4 4 , 4 s 是近期從日本興起的種新型制漿工藝，該法是使合金熔體在流 經(jīng)一個(gè)冷卻斜坡時(shí)由于冷卻斜坡的冷卻作用而增加晶核的數(shù)目和晶體的游離， 從而達(dá)到細(xì)化晶粒，獲得理想的微觀組織的目的。圖2 4 為斜坡控冷示意圖。 斜坡具有強(qiáng)烈攪拌作用，熔體經(jīng)過(guò)斜坡產(chǎn)生局部降溫，強(qiáng)烈滾動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)斜 坡的熔體注入中間包時(shí)，又產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌，即撞擊、翻轉(zhuǎn)以及滾動(dòng)等，促進(jìn)了 晶體游離和形貌演變。所以，斜坡法有流程短、工序少和低成本的優(yōu)勢(shì)。 與斜坡法類似的斜管法是南昌大學(xué)半固態(tài)成型技術(shù)研究室于2 0 0 2 年在斜坡法 的基礎(chǔ)上改進(jìn)的流變制備半固態(tài)合金熔體工藝m 】，與斜坡法的區(qū)別主要在于采用 的是封閉的斜管，這樣可以用于極易氧化的鎂合金的生產(chǎn)，可以擴(kuò)大應(yīng)用范圍；另 外可以實(shí)現(xiàn)變靜態(tài)斜管為轉(zhuǎn)動(dòng)管，對(duì)合金液凝固初期實(shí)施攪動(dòng)，從而獲得更多的 游離晶粒。斜管法流變制漿設(shè)備主要由熔煉爐、保溫爐、保溫坩堝、斜管、結(jié)晶 爐、結(jié)晶器和溫度控制系統(tǒng)等構(gòu)成。與斜坡法工藝流程相類似，合金熔體流經(jīng)冷 卻斜管時(shí)，由于冷卻斜坡的冷卻作用而增加晶核的數(shù)目，從而攜帶大量的晶核流 l o j e 立窯適盤堂亟蘭僮論塞縫銦圭固盔筮抖劁備工藝班究 入結(jié)晶器，通過(guò)控制結(jié)晶器溫度，緩慢冷卻，從而獲得均勻、細(xì)小、非枝晶的觸 變組織，達(dá)到成型溫度時(shí)，再用于流變成型。 1 金屬液；2 - 熔煉坩堝；3 傾斜冷卻板：乒半固態(tài)漿料；5 中間包 圖2 - 4 斜坡控冷過(guò)程示意圖 f i g 2 - 4t h ed i a g r a m m a t i c s k e t c ho f c o o l i n gs l o p e 2 ，1 。3 其他方法 ( 1 應(yīng)變激活法 應(yīng)變激活法就是預(yù)先連鑄晶粒細(xì)小的金屬錠，再將其熱擠壓達(dá)到定變形， 在組織中儲(chǔ)存部分變形能量，最后按需要將變形后的金屬錠分切成一定大小，加 熱到半固態(tài)溫度。在加熱過(guò)程中，首先發(fā)生再結(jié)晶，然后部分熔化，使固相晶粒 分散在液相基體中，得到半固態(tài)坯料。該法制各的金屬坯料純凈，生產(chǎn)效率較高， 對(duì)制備較高熔點(diǎn)的非枝晶組織合金具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。但這種方法需要很大的 擠壓變形量，因此只能制備小直徑的金屬半固態(tài)坯料，成本高，且不適用于流變 成型。 ( 2 ) 粉末冶金法 圖2 - 5 應(yīng)變激活法工藝原理示意圖 f i g 2 - 5t h ed i a g r a n m t a t i cs k e t c ho fs i m a 韭立窆塑太堂亟主蘭建i 金窒 級(jí)鈕圭固盔筮整劐備工藝嬰盈 粉末冶金法制備半固態(tài)金屬坯料的工藝路線是：首先制備金屬粉末，然后進(jìn) 行不同種類金屬粉末的混合，再迸行粉末預(yù)成型，并將預(yù)成型坯料重新加熱到半 固態(tài)區(qū)，進(jìn)行適當(dāng)保溫，即可獲得半固態(tài)金屬坯料。該工藝制各半固態(tài)金屬坯料 的晶粒非常小，尺寸穩(wěn)定性高，但成本昂貴，很難得到大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。另外， 該方法不適用于流變成型。 ( 3 ) 噴射沉積法 噴射沉積法是金屬熔化成液態(tài)金屬后，霧化為熔滴顆粒，在噴射氣體作用下 部分凝固的微滴直接沉積在收集基板上，快速凝固成一定幾何形狀的坯料，將這 種坯料加熱到局部熔化時(shí)，可得到具有球形顆粒固相的半固態(tài)金屬漿料( 圖2 - 6 ) 。 k a p r a n o s 等曾用該方法制備過(guò)m 2 高速鋼、s t e l l i t e 高溫合金的半固態(tài)坯料，兩種合 金的晶粒尺寸分別為1 9 3 6 1 腫、4 0 8 a n 。該方法制備的半固態(tài)坯料質(zhì)量很好， 也便于半固態(tài)重熔加熱和觸變成型，但坯料制備價(jià)格比較昂貴，只適合制備高級(jí) 或難熔合金坯料和成型高級(jí)零件毛坯，不能大規(guī)模應(yīng)用。另外，該方法只適用于 觸變成型。 圖2 6 噴射沉積原理示意圖 f i g 2 - 6t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f s p r a y 1 沉積室 2 基板； 3 一噴射粒子流； 4 氣體霧化器； 5 合金液； 6 坩堝； 7 一霧化氣體； 8 沉積體； 9 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)； l o 排氣及取料室 目前，電磁攪拌法制漿仍在實(shí)際半固態(tài)金屬成型應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。綜合 以上半固態(tài)漿料的制備方法，有的無(wú)法制各出高質(zhì)量的半固態(tài)漿料，有的不適用 于流變成型，只有電磁攪拌不會(huì)污染金屬漿料，也不會(huì)卷入氣體，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條 件，所以本實(shí)驗(yàn)選擇電磁攪拌法制漿。 2 2 電磁攪拌下半固態(tài)c 級(jí)鋼組織的演變機(jī)理 c 級(jí)鋼在電磁攪拌條件下所獲得的半固態(tài)球狀組織與傳統(tǒng)條件下所獲得的枝 晶組織有著顯著的區(qū)別，實(shí)際上半固態(tài)非枝晶組織的形成是一個(gè)涉及熱量、質(zhì)量 1 2 韭塞窯通太堂亟堂僮監(jiān)塞塹細(xì)坐圄盔苤拱劁備王莖班究 和動(dòng)量傳輸，以及界面和界面張力效應(yīng)的混合作用過(guò)程的自由邊界的復(fù)雜問(wèn)題。 液態(tài)金屬是由許許多多短程有序、處于瞬息變化的類晶體結(jié)構(gòu)原子集團(tuán)所組成。 這些原子集團(tuán)在激烈的原子熱運(yùn)動(dòng)和能量起伏作用下，時(shí)麗消失，時(shí)而產(chǎn)生，時(shí) 而長(zhǎng)大，時(shí)而減小。在過(guò)冷金屬液體中一些較大的原子集團(tuán)達(dá)到臨界尺寸，成為 晶核并開(kāi)始穩(wěn)定生長(zhǎng)。電磁攪拌的強(qiáng)烈對(duì)流作用加速了金屬液體過(guò)熱和凝固過(guò)程 中結(jié)晶潛熱的導(dǎo)出，改變了金屬液體中的溫度場(chǎng)，使之趨于平緩直至達(dá)到零溫度 梯度，這種條件有利于等軸晶的形成并有可能使坩堝表面形成的細(xì)小枝晶脫落， 但只是增加了形核核心，并沒(méi)有改變形核的基本過(guò)程，卻有可能使形核的過(guò)冷度 增大，促進(jìn)整個(gè)斷面的形核，最終獲得均勻細(xì)小的等軸晶組織。從半固態(tài)組織觀 察結(jié)果，分析認(rèn)為在電磁攪拌條件下c 級(jí)鋼半固態(tài)組織中花瓣?duì)睢⒔驙罨蚯驙?的奧氏體的形成與兩方面的因素有關(guān)，一方面電磁攪拌作用使熔體中獲得均勻的 溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)，熔體在幾乎同時(shí)被冷卻到相同或很相近的溫度下形核生長(zhǎng)，均 勻的溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)抑制了枝晶的形成與生長(zhǎng)，枝晶的一次臂和二次臂的生長(zhǎng)速 度相近，為球狀晶的獲得奠定了基礎(chǔ)；另一方面，熔體在電磁攪拌作用下，整個(gè) 斷面上獲得均勻的溫度場(chǎng)，連續(xù)冷卻條件下熔體同時(shí)被冷卻至形核溫度以下并開(kāi) 始形核，整個(gè)斷面的熔體獲得相同的形核率，并在后續(xù)的冷卻過(guò)程中不斷生長(zhǎng)， 研究認(rèn)為當(dāng)晶核超過(guò)其臨界尺寸時(shí)，奧氏體晶核在后續(xù)長(zhǎng)大過(guò)程中，有相當(dāng)段 時(shí)間是以樹(shù)枝晶的方式長(zhǎng)大的，因?yàn)榫Ш说捏w積很