半固態(tài)流變擠壓鑄造研究

1、半固態(tài)流變擠壓鑄造研究賴國勝（江西渝州科技職業(yè)學(xué)院，江西新余338029）摘要：半固態(tài)擠壓鑄造是集半固態(tài)加工與擠壓鑄造為一體，利用半固態(tài)漿料的流變性能進(jìn)行充型并在壓力作用下凝固成形的一種材料加工新技術(shù)。本文介紹了直接擠壓鑄造與間接擠壓鑄造工藝特點，在此基礎(chǔ)上著重介紹了鋁合金炮彈殼體的半固態(tài)流變擠壓鑄造工藝。關(guān)鍵詞：半固態(tài)；直接擠壓鑄造；間接擠壓鑄造；工藝特點；ThePresentStudyStatusofSemi-SolidSqueezeCastingLAIGuo-sheng（JiangxiYuzhouScientificandTechnologicalInstitute,Xinyu33802

2、9,JiangxiChina）Abstract：Thesemi-solidsqueezecastingisanewnetshapeformingprocess，itisacombinationofthesqueezecastingandsemi-solidforming.Informingprocess，moldingiscompletedbytheexcellentrheologicpropertiesofthesemi-solidslurry，andthesolidificationiscarriedonbymeansofpressure.Inthispaper，thedirectandi

3、ndirectprocesseshavebeenmainlyintroduced.Finally，wepresentedacannonballshellsrheo-squeezecastingprocess.KeyWords:semi-solid；directsqueezecasting；indirectsqueezecasting；processfeatures；引言半固態(tài)成形作為一種新型、先進(jìn)的工藝方法，它具有充型平穩(wěn)、制件致密性高、對模具的熱沖擊小、力學(xué)性能高、生產(chǎn)成本低等特點。在汽車、通信、計算機(jī)等領(lǐng)域，以及航空、航天、國防等尖端領(lǐng)域都將有廣闊的應(yīng)用前景，將推動工業(yè)向輕量化、高性能。環(huán)

4、保型方向發(fā)展。本文對半固態(tài)流變擠壓鑄造技術(shù)的原理，分類及其工藝特點進(jìn)行了簡單介紹。在此基礎(chǔ)上，著重介紹了鋁合金炮彈殼體的流變擠壓鑄造試驗。初步獲得了鋁合金半固態(tài)流變擠壓鑄造工藝。對推動流變成形技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用具有重要的應(yīng)用價值。1半固態(tài)擠壓鑄造原理半固態(tài)擠壓鑄造是將半固態(tài)流變制漿與擠壓鑄造結(jié)合起來，利用固液共存的非枝晶半固態(tài)漿料（坯料）具有的特性進(jìn)行成形的方法。該技術(shù)的主要思路是：將熔煉合格的合金液以高于液相線的溫度澆入制漿室，制備具有良好流變特性的半固態(tài)漿料來進(jìn)行澆注。這種半固態(tài)漿料在重力作用下充滿型腔，隨后利用擠壓機(jī)構(gòu)對型腔內(nèi)的半固態(tài)漿料施加壓力，并保持一段時間，使其完全凝固后卸壓開模，輔以

5、必要的后處理（如熱處理），最終得到內(nèi)部致密、性能良好的近凈成形零件。在整個過程中，半固態(tài)漿料的制備是核心和基礎(chǔ)，如果半固態(tài)漿料的質(zhì)量達(dá)不到要求，就會出現(xiàn)充型不完整、液相偏析等缺陷。而半固態(tài)漿料的流變性能決定了流變充型效果，也決定半固態(tài)擠壓的效果影響，進(jìn)而影響擠壓鑄件的機(jī)械性能1。所以半固態(tài)漿料直接成形的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何快速獲得與觸變成形中重熔加熱后相近的半固態(tài)組織2。2半固態(tài)擠壓鑄造工藝目前，合金半固態(tài)成形的工藝方案主要分流變成形和觸變成形兩大類。在較長時期內(nèi)，觸變成形將占有絕對優(yōu)勢。但近年來，流變成形也正在成為普遍關(guān)注的熱點。與觸變成形相比，它具有流程短、材料損失少、節(jié)能低耗、生產(chǎn)效率高等

6、特點，成為降低生產(chǎn)成本的主攻方向，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。流變擠壓鑄造對澆入鑄型型腔的半固態(tài)漿料施加較高的機(jī)械壓力，并使其成形和凝固，從而獲得鑄件。它可以分為兩類：直接沖頭擠壓鑄造（directsqueezecasting）和間接沖頭擠壓鑄造（indirectsqueezecasting）。2.1直接沖頭擠壓鑄造直接沖頭擠壓鑄造類似于金屬液態(tài)模鍛，充型壓力直接施加于半固態(tài)漿料的整個液面上，沒有澆注系統(tǒng)，充型合金液凝固速度快，所獲得的鑄件組織致密、晶粒細(xì)小。適合于生產(chǎn)形狀簡單、對稱結(jié)構(gòu)的鑄件，如活塞、卡鉗、主氣缸等3。直接沖頭擠壓鑄造工藝存在的主要問題是：（1）澆入到型腔內(nèi)的半固態(tài)漿料必須精確定

7、量。（2）要求鑄件向沖頭方向單向凝固，以保證壓力有效傳遞。（3）在提高生產(chǎn)率及制造形狀復(fù)雜鑄件方面存在一定困難。（4）擠壓鑄造金屬模具要由高質(zhì)量的模具鋼制造，而且要求壁厚足夠大。（5）控制沖頭的插入過程，使合金液以層流的形式向上移動，避免氧化夾渣等缺陷。2.2間接沖頭擠壓鑄造間接沖頭擠壓鑄造工藝類似于壓鑄，也采用成形沖頭，充型壓力通過澆道傳遞給充型合金液，半固態(tài)漿料通過澆道引入型腔。擠壓設(shè)備通常采用較大的壓射筒，壓射擠壓活塞可以控制半固態(tài)漿料的射入速度。通常確定壓力是否有效傳遞和合理設(shè)計澆道系統(tǒng)是間接沖頭擠壓鑄造工藝的兩個主要問題。根據(jù)壓射筒位置，間接沖頭擠壓鑄造可以分為水平式和垂直式兩大類，

8、見圖1、圖2所示。圖1流變壓鑄設(shè)備簡圖Fig.1PhotoofRheo-diecastingequipment圖2所示為日本UBE公司發(fā)明并申請了專利的”新流變鑄造”（NRC）工藝。與直接擠壓鑄造相比，間接擠壓鑄造較難在鑄件凝固過程中保持較高壓力，不利于生產(chǎn)凝固區(qū)間大的合金鑄件，擠壓鑄件內(nèi)部質(zhì)量較低。此外，間接擠壓鑄造工藝采用了澆注系統(tǒng)，材料利用率相對較低。但是間接擠壓鑄件是在封閉型腔中成形，十分容易控制尺寸，因此不需要配置精確的定量澆注系統(tǒng)。MovinghfiilfFixedhalfChargeshotDockFillSqueeze圖2NRC流變擠壓鑄造樣機(jī)示意圖Fig.2Sketchmap

9、ofNRCsqueezecastingequipmentmodle3鋁合金炮彈殼體流變擠壓鑄造流變擠壓鑄造是將流變制漿工藝與擠壓鑄造成形工藝相結(jié)合的一種成形方法，是一種高效、低耗的新興金屬加工工藝。它與液態(tài)擠壓鑄造相比，成形時金屬以半固態(tài)的形式存在,成形溫度較低，可以明顯延長模具的使用壽命，同時可提高制件精度與生產(chǎn)效率，并且制件可獲得相對較高的綜合力學(xué)性能8。在試驗中成功地進(jìn)行了鋁合金炮彈殼體的流變模鍛試驗。其基本成形工序如圖3所示。圖3半固態(tài)擠壓鑄造基本成形工序Fig.3Formingprocessofsemi-solidsqueezecasting半固態(tài)流變技術(shù)的關(guān)鍵在于控制漿料的冷卻速度

10、和強(qiáng)制對流速率,制備出優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)漿料。漿料質(zhì)量的好壞對流變擠壓鑄造工藝及成形件的影響具有決定性的影響，因而半固態(tài)漿料制備是整個技術(shù)的核心和基礎(chǔ)。半固態(tài)漿料的流變性能決定了流變充型的效果，也決定了半固態(tài)擠壓的效果。該模具在YB32-300型四柱萬能液壓機(jī)上進(jìn)行10。其工作過程是:將一定量的鋁合金半固態(tài)漿料澆入型腔后，固定在活動橫梁上的凸模以一定速度向下擠入型腔并保壓一定的時間，待合金完全凝固后卸壓，凸模通過工作缸的回程向上移動直至離開成形件和凹模而成形件則留在凹模內(nèi)，打開卸料板取出組合凹模，即可取出成形件。成形件如圖4所示。從成形件實物圖可以看出：試驗所獲得的鑄件具有良好的表面光澤，沒有發(fā)現(xiàn)諸

11、如外表面冷隔及內(nèi)表面裂紋等表面缺陷現(xiàn)象。圖4半固態(tài)流變擠壓鑄造成形件Fig.4Formingpartsbydirectsqueezecasting實驗研究發(fā)現(xiàn)，在流變擠壓鑄造下，成形件力學(xué)性能較普通擠壓鑄造有所提高。這來源于兩方面：(1)半固態(tài)漿料具有較大的表觀粘度，澆注和擠壓充型時不易產(chǎn)生飛濺和渦流，因而可以減少成形件中的氣孔和縮松等缺陷。(2)半固態(tài)漿料制備可以獲得含有細(xì)小球形或近球形初生固相的半固態(tài)漿料，這是提高機(jī)械性能的主要原因。同時漿料成形溫度和比壓嚴(yán)重影響著成型零件的性能，因此，實驗過程中要求選擇合適的工藝參數(shù)。本實驗在合理的工藝參數(shù)條件下，獲得了最大抗拉強(qiáng)度314MPa,延伸率1

12、0.6%的較高的力學(xué)性能。4結(jié)論介紹了一種可以提高產(chǎn)品性能、降低生產(chǎn)成本的半固態(tài)流變擠壓鑄造工藝對比了直接擠壓鑄造與間接擠壓鑄造的工藝特點；通過鋁合金炮彈殼體流變擠壓鑄造實驗，初步獲得鋁合金流變擠壓鑄造工藝。采用這種工藝可以改善合金的機(jī)械性能，獲得具有良好表面光澤的鑄件。參考文獻(xiàn)刑書明，曾大本等.半固態(tài)擠壓鑄造J.特種鑄造及有色合金(2001中國壓鑄、擠壓鑄造、半固態(tài)加工學(xué)術(shù)年會論文集)137139.肖澤輝，羅吉榮，吳樹森.AZ91D半固態(tài)流變壓鑄成形的研究J.熱加工工藝，2004(2)：41-42.呼延青擠壓鑄造的研究與應(yīng)用述評J.特種鑄造及有色合金，1984(2):4144.齊丕驤擠壓鑄造M.北京：國防工業(yè)出版社，1984.羅守靖.液態(tài)模鍛結(jié)晶凝固理論的研究J.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，1992.Z.Fan,S.Ji,X.Fang.Rheo-diecastingofAluminumAlloysandcomponents.Proceedingofthe8thS2P,Cyprus,2004.劉艷華，馮赟.A380鋁合金液