第5章-半固態(tài)流變成形技術(shù)課件

1、1第5章 半固態(tài)金屬流變成形技術(shù)半固態(tài)金屬的流變壓鑄是最早進(jìn)行研究的半固態(tài)金屬成形工藝。半固態(tài)金屬的流變壓鑄的困難：半固態(tài)金屬漿料的保存、輸送、定量澆注很不方便。因而，一直沒有出現(xiàn)成熟的技術(shù)。發(fā)展趨勢：半固態(tài)金屬流變成形的最大優(yōu)勢是工藝流程短、生產(chǎn)成本低。因此，近年來，半固態(tài)金屬流變成形技術(shù)的研究越來越受到重視，一些新的流變成形方法正在取得突破性的進(jìn)展。2半固態(tài)金屬加工的工藝流程圖 零件毛坯 熔煉、合金配制半固態(tài)漿料的制備流變鑄造 坯料的制備 下料局部重熔（二次加熱）觸變成形 半固態(tài)金屬加工的工藝過程3流變成形工藝流程示意圖a連續(xù)制備半固態(tài)漿料 b將漿料送至壓射室 c成形過程 d制品 4觸變成

2、形工藝流程圖 a連續(xù)制備半固態(tài)漿料 b制備半固態(tài)錠坯 c定量分割坯錠d重新加熱至半固態(tài) e送至壓射室 f 成形過程 g成品連續(xù)供給合金 感應(yīng)加熱 液態(tài)合金 冷卻區(qū) a b c d e f g5學(xué)習(xí)要求：掌握上述各種工藝的原理和特點(diǎn)。主要介紹的流變成形工藝：1. 傳統(tǒng)機(jī)械擾拌式流變成形 2. 壓射室制備漿料式流變成形3. 單螺旋機(jī)械攪拌式流變成形4. 雙螺旋機(jī)械攪拌式流變成形5. 低過熱度傾斜板澆注式流變成形6. 低過熱度澆注和弱機(jī)械攪拌式流變成形7. 低過熱度澆注和弱電磁攪拌式流變成形8. 流變軋制成形6 5 . 1 傳統(tǒng)機(jī)械擾拌式流變成形非連續(xù)機(jī)械攪拌 連續(xù)機(jī)械攪拌制漿壓鑄半固態(tài)漿料制備方法

3、7壓鑄試驗裝置8現(xiàn)代壓鑄機(jī)9流變成形件的外觀質(zhì)量良好10流變成形件的微觀組織與普通壓鑄差別明顯11半固態(tài)成形組織中氣孔缺陷被消除，內(nèi)部致密度提高12傳統(tǒng)機(jī)械攪拌流變壓鑄的缺點(diǎn)：機(jī)械攪拌制備的半固態(tài)合金漿料的保存比較麻煩，需要對保存增塌或儲存室進(jìn)行預(yù)先加熱和保溫，這在實(shí)際應(yīng)用中很不方便。半固態(tài)合金漿料的輸送也不方便，要么輸送容器為一次性消耗品，在流變成形時被壓碎并混人漿料中而難以分離；要么半固態(tài)合金漿料容易粘附在輸送柑禍的內(nèi)壁，需要不斷清理柑禍以及無法準(zhǔn)確保證流變成形所需的漿料體積，使流變成形很難順利進(jìn)行。到目前為止，這種機(jī)械攪拌流變成形技術(shù)一直無法進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。135 . 2 壓射室制備漿料式

4、流變成形 為了避免半固態(tài)合金漿料的存儲和輸送，日本 Hitachi 金屬有限公司提出了在立式壓鑄機(jī)的壓射室中制備半固態(tài)合金漿料，然后直接壓射成形的方案。制漿壓鑄14組織 性能經(jīng)過 T6 處理（鑄件在 540C保溫 4h ，淬人熱水，又在 160 時效 4h ) , 流變壓鑄件的比擠壓件的力學(xué)性能高一些，伸長率提高一倍。15進(jìn)一步發(fā)展：Hitachi金屬有限公司用電磁泵和熱管將熔化爐中的鋁合金液直接送入壓鑄機(jī)壓射室，避免與空氣接觸，再通過氫氣保護(hù)，進(jìn)一步減少漿料中的氧化夾雜物。從 1999 年開始，該技術(shù)已經(jīng)用于汽車零件的生產(chǎn)。16壓射室制漿流變成形技術(shù)的問題：在壓鑄機(jī)壓射室中制備半固態(tài)鋁合金漿

5、料的制備效率較低；電磁攪拌仍然容易引起合金熔體的飛濺和氧化；壓鑄機(jī)壓射室的結(jié)構(gòu)也過于復(fù)雜，降低了壓鑄機(jī)的生產(chǎn)效率，壓鑄機(jī)壓射室的壽命也不可能太長；非攪拌制備半固態(tài)鋁合金漿料時壓射室邊緣處的組織仍然不理想，這也可能影響流變成形及成形件的力學(xué)性能。以上這些技術(shù)上的不足仍然需要繼續(xù)完善。175. 3 單螺旋機(jī)械攪拌式流變成形背景： 觸變射鑄（Thixomolding ）技術(shù)已經(jīng)獲得實(shí)際商業(yè)應(yīng)用，生產(chǎn)近終形的鎂合金鑄件，如汽車零件、筆記本電腦外殼、手機(jī)外殼等。這些零件的致密度比普通壓鑄件高，生產(chǎn)安全可靠、環(huán)境污染小因此觸變射鑄技術(shù)具有較強(qiáng)的競爭力。觸變射鑄的問題：需要使用固態(tài)鎂合金屑，原料的制造較為麻

6、煩、成本較高；觸變射鑄件的氣孔率仍然較高，可達(dá) 1 - 1.7%左右；觸變射鑄的設(shè)備投資及設(shè)備維護(hù)成本較高；與普通壓鑄相比，觸變射鑄的生產(chǎn)周期較長。18Thixomolding工藝是由美國 Dow Chemical 公司開發(fā)的技術(shù)，1992年由日本制鋼所引入并完成成形機(jī)的研制開發(fā)，以成為目前半固態(tài)領(lǐng)域中最成功的、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。觸變射鑄（Thixomolding ）技術(shù)19半固態(tài)成形的鎂合金3C產(chǎn)品205. 3 單螺旋機(jī)械攪拌式流變成形提出： 美國康乃爾大學(xué)提出了流變射鑄技術(shù)，并于 1993 年制造了 l00kN 的立式流變射鑄原型機(jī)。隨后，在 1994 年 6 月，康乃爾研究基金公司又

7、將該流變射鑄技術(shù)申報了美國專利，并在 1996 年 3 月獲得專利授權(quán) 。21美國的立式流變射鑄工藝：工藝過程：流變射鑄不使用固態(tài)合金屑，而是使用過熱的液態(tài)合金；液態(tài)合金從澆注漏斗中流入攪拌桶和螺旋桿的縫隙中。以氫氣保護(hù)澆注漏斗，防止合金的氧化；合金熔體在向下流動過程中，不斷被攪拌剪切和冷卻，當(dāng)合金熔體到達(dá)出口時，半固態(tài)合金漿料達(dá)到預(yù)定的固相分?jǐn)?shù)，初生固相已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?；在射鑄時，螺旋桿先后退一定的距離，使螺旋桿前端積聚足量的半固態(tài)合金漿料，然后螺旋桿以一定的軸向速度（ 0.15 m/s）將其前端的半固態(tài)合金漿料壓入模具型腔；隨后，螺旋桿再次旋轉(zhuǎn)攪拌合金熔體，準(zhǔn)備下一次射鑄。22立式流變射鑄示

8、意圖23立式流變射鑄工藝控制特點(diǎn)：在流變射鑄中，對整個設(shè)備的溫度控制要求很嚴(yán)格，為此設(shè)備分成數(shù)段，分別設(shè)置了加熱、冷卻和控溫裝置，進(jìn)行自動控制，最終射鑄的半固態(tài)合金漿料控溫精度可以達(dá)到0.5 。液態(tài)合金從澆注漏斗流入攪拌桶時幾乎不會卷入氣體，合金又是在密封的通道中被攪拌剪切，任何氣體及惰性氣體都不可能進(jìn)入合金熔體中，因此，流變射鑄半固態(tài)合金漿料的氣體含量(氣孔率1%)比觸變射鑄和普通壓鑄件中的低；壓射速度對射鑄件的密度影響較大。隨著壓射速度的降低，射鑄件的密度增大，射鑄件的氣孔率下降；流變射鑄周期對率固態(tài)合金漿料的組織狀況有較大的影響，射鑄周期短，初生固相顆粒細(xì)小，但球形較差；射鑄周期長，初生

9、固相顆粒較粗大，但球形較好。24臥式(水平式)流變射鑄工藝：1997年，臺灣新竹工業(yè)技術(shù)研究院在立式流變射鑄基礎(chǔ)上，研制出1000KN臥式流變 射鑄原型機(jī)。設(shè)計要點(diǎn)：設(shè)計面臨 的最大難題是防止各部件結(jié)合處的合金液泄露和壓射機(jī)構(gòu)的溫度偏差；采用SF6保護(hù)澆口處金屬液； 進(jìn)一步改進(jìn)目標(biāo)：改進(jìn)動力系統(tǒng)，獲得更高壓射速度；采用可變螺距，縮小螺旋攪拌桶的長徑比，降低設(shè)備及維護(hù)費(fèi)；尋找 SF6 的替代品，減輕對環(huán)境的污染；開發(fā)適合薄壁鋁合金射鑄件的流變射鑄機(jī)；用電磁攪拌代替螺旋機(jī)械攪拌和縮短攪拌桶的長度。2526流變射鑄技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀：與觸變射鑄相比，單螺旋流變射鑄工藝的最大優(yōu)點(diǎn)：工藝流程短，生產(chǎn)成

10、本低；廢品和鑄件余料回收方便；流變射鑄件氣孔率低。 目前，單螺旋流變射鑄工藝尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平，正處在設(shè)備完善和生產(chǎn)工藝優(yōu)化階段。27 5. 4 雙螺旋機(jī)械攪伴式流變成形 1999 年, 英國 Brunel 大學(xué)的ZY Fan，提出了雙螺旋機(jī)械攪拌流變射鑄工藝。其原理如下：雙螺旋機(jī)械攪拌流變射鑄設(shè)備主要包括液態(tài)合金供料機(jī)構(gòu)、雙螺旋機(jī)械攪拌機(jī)構(gòu)、壓射機(jī)構(gòu)和中央控制機(jī)構(gòu)。液態(tài)合金進(jìn)入攪拌系統(tǒng)，一邊被雙螺旋攪拌桶強(qiáng)烈地攪拌，一邊被快速冷卻到預(yù)期的固相分?jǐn)?shù)；當(dāng)半固態(tài)合金漿料到達(dá)輸送閥時，初生固相已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙铑w粒，并均勻分布在低熔點(diǎn)的液相中；當(dāng)輸送閥打開時，半固態(tài)合金漿料進(jìn)入成形壓射室，被壓入壓鑄型型腔，成型零件。在雙螺旋攪拌機(jī)構(gòu)中設(shè)置了許多的加熱和冷卻通道，可以準(zhǔn)確的控制合金槳料的溫度，控溫精度可達(dá)土 1 。2829 雙螺旋結(jié)構(gòu)布置除采取傾斜布置外，還可以采取垂直和