半固態(tài)金屬鑄造新工藝概論

金屬工藝學(xué)課程論文學(xué)生姓名：孫月銖 專業(yè)班級(jí)：09級(jí)機(jī)制一班學(xué)院：工程學(xué)院 學(xué)號(hào)：13254012半固態(tài)金屬鑄造新工藝概論摘要：本文從半固態(tài)鑄造新工藝的形成過(guò)程，半固態(tài)合金材料的制備方法，成形工藝，技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及發(fā)展前景等方面介紹了該工藝。半固態(tài)鑄造新工藝，不僅對(duì)降低制造總成本有吸引力，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)鑄造生產(chǎn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、探索新合金的冶煉工藝及傳統(tǒng)合金的新處理方法提供了可能。關(guān)鍵詞：半固態(tài)鑄造，新工藝，鑄造新工藝，鑄造工藝在傳統(tǒng)的鑄造中，澆注的金屬都是過(guò)熱的金屬液，如壓鑄、擠壓鑄造（液態(tài)模鍛）；而在傳統(tǒng)的金屬鍛造中，坯料都是固態(tài)金屬。但從70年代至今，國(guó)外研究開(kāi)發(fā)出一種嶄新的零件成形工藝，稱為金屬的半固態(tài)加工。所謂的金屬半固態(tài)加工就是在金屬凝固過(guò)程中，對(duì)其施以劇烈地?cái)嚢枳饔?，充分打碎?shù)枝狀的初生固相，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的固-液混合漿料，即流變漿料，利用這種流變漿料直接進(jìn)行成形加工，這種方法稱之為半固態(tài)金屬的流變成形；如果將流變漿料凝固成鑄錠，再按需要將此金屬鑄錠分切成一定大小，使其重新加熱（坯料的二次加熱）至金屬的半固態(tài)區(qū)，這時(shí)的金屬鑄錠一般稱為半固態(tài)金屬坯料，利用金屬的半固態(tài)坯料進(jìn)行成形加工，這種方法稱之為觸變成形。半固態(tài)金屬的上述兩種成形方法合稱為金屬的半固態(tài)成形或半固態(tài)加工一、新工藝簡(jiǎn)介自1971年美國(guó)麻省理工學(xué)院的D.B.Spencer和M.C.Flemings發(fā)明了一種攪動(dòng)鑄造新工藝，即用旋轉(zhuǎn)雙桶機(jī)械攪拌法制備出Srr15%pb流變漿料以來(lái)，半固態(tài)金屬（SSM）鑄造工藝技術(shù)經(jīng)歷了20余年的研究與發(fā)展。攪動(dòng)鑄造制備的合金一般稱為非枝晶組織合金或稱部分凝固鑄造合金。由于采用該技術(shù)的產(chǎn)品具有高質(zhì)量、高性能和高合金化的特點(diǎn)，因此具有強(qiáng)大的生命力。除軍事裝備上的應(yīng)用外，開(kāi)始主要集中用于自動(dòng)車的關(guān)鍵部件上，例如，用于汽車輪轂，可提高性能、減輕重量、降低廢品率。此后，逐漸在其它領(lǐng)域獲得應(yīng)用，生產(chǎn)高性能和近凈成型的部件。半固態(tài)金屬鑄造工藝的成型機(jī)械也相繼推出。當(dāng)前，在美國(guó)和歐洲，該項(xiàng)工藝技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。半固態(tài)金屬鑄造工藝被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的近凈成型和新材料制備技術(shù)之一。在普通鑄造過(guò)程中，初晶以枝晶方式長(zhǎng)大，當(dāng)固相率達(dá)到0.2左右時(shí)，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動(dòng)性。如果在液態(tài)金屬?gòu)囊合嗟焦滔嗬鋮s過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，則使普通鑄造成形時(shí)易于形成的樹(shù)枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相中。這種顆粒狀非枝晶的顯微組織，在固相率達(dá)0.5-0.6時(shí)仍具有一定的流變性，從而可利用常規(guī)的成形工藝如壓鑄、擠壓，模鍛等實(shí)現(xiàn)金屬的成形。二、合金制備制備半固態(tài)合金的方法很多，除機(jī)械攪拌法外，近幾年又開(kāi)發(fā)了電磁攪拌法，電磁脈沖加載法、超聲振動(dòng)攪拌法、外力作用下合金液沿彎曲通道強(qiáng)迫流動(dòng)法、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法、噴射沉積法、控制合金澆注溫度法等。其中，電磁攪拌法、控制合金澆注溫度法和SIMA法，是最具工業(yè)應(yīng)用潛力的方法。.機(jī)械攪拌法機(jī)械攪拌是制備半固態(tài)合金最早使用的方法。Flemings等人用一套由同心帶齒內(nèi)外筒組成的攪拌裝置（外筒旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒靜止），成功地制備了錫-鉛合金半固態(tài)漿液；H.Lehuy等人用攪拌槳制備了鋁-銅合金、鋅-鋁合金和鋁-硅合金半固態(tài)漿液。后人又對(duì)攪拌器進(jìn)行了改進(jìn)，采用螺旋式攪拌器制備了ZA-22合金半固態(tài)漿液。通過(guò)改進(jìn)，改善了漿液的攪拌效果，強(qiáng)化了型內(nèi)金屬液的整體流動(dòng)強(qiáng)度，并使金屬液產(chǎn)生向下壓力，促進(jìn)澆注，提高了鑄錠的力學(xué)性能。.電磁攪拌法電磁攪拌是利用旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，金屬液在洛倫磁力的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)金屬液攪拌的目的。目前，主要有兩種方法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：一種是在感應(yīng)線圈內(nèi)通交變電流的傳統(tǒng)方法；另一種是1993年由法國(guó)的C.Vives推出的旋轉(zhuǎn)永磁體法，其優(yōu)點(diǎn)是電磁感應(yīng)器由高性能的永磁材料組成，其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度高，通過(guò)改變永磁體的排列方式，可使金屬液產(chǎn)生明顯的三維流動(dòng)，提高了攪拌效果，減少了攪拌時(shí)的氣體卷入。.應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法是將常規(guī)鑄錠經(jīng)過(guò)預(yù)變形，如進(jìn)行擠壓，滾壓等熱加工制成半成品棒料，這時(shí)的顯微組織具有強(qiáng)烈地拉長(zhǎng)形變結(jié)構(gòu)，然后加熱到固液兩相區(qū)等溫一定時(shí)間，被拉長(zhǎng)的晶粒變成了細(xì)小的顆粒，隨后快速冷卻獲得非枝晶組織鑄錠。三、成形方法.觸變鑄造是將已制備的非枝晶組織錠坯重新加熱到固液兩相區(qū)達(dá)到適宜粘度后，進(jìn)行壓鑄或擠壓成形。歐美許多國(guó)家以及日本均已能生產(chǎn)半固態(tài)鋁合金觸變成形專用設(shè)備。該方法對(duì)坯料的加熱、輸送易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，故是當(dāng)今半固態(tài)鑄造的主要工藝方法。.射鑄成形是直接把熔化的金屬液而不是處理后半固態(tài)漿液冷卻至適宜的溫度，并輔以一定的工藝條件壓射入型腔成形。如美國(guó)威斯康辛的觸變成形發(fā)展中心，曾采用該方法進(jìn)行鎂合金的半固態(tài)鑄造。.所謂低溫連鑄就是控制金屬液的過(guò)熱度在0℃左右，并在鑄型下方進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的鑄造方法。中心偏析是連鑄中的大問(wèn)題，且在連軋線材時(shí)可能會(huì)發(fā)生破斷。因此，該工藝有很大意義。.帶材連鑄是Flemings曾用Sn-15%pb低熔點(diǎn)金屬進(jìn)行帶材連鑄試驗(yàn)研究，對(duì)傳熱、凝固及變形進(jìn)行了分析。Flemings認(rèn)為，帶材厚度與軋輥的壓力、固相率、流變剪切速度以及連鑄速度有關(guān)。當(dāng)擠壓下比壓大時(shí)，則助長(zhǎng)顯微偏析。為了保證表面和內(nèi)部質(zhì)量及尺寸精度，必須嚴(yán)格控制固相率、初晶形態(tài)尺寸及排放金屬量等半固態(tài)金屬制造的工藝參數(shù)。四、技術(shù)優(yōu)勢(shì)半固態(tài)壓鑄工藝的優(yōu)點(diǎn)可歸納工藝優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。工藝優(yōu)勢(shì)：.不需加任何晶粒細(xì)化劑即可獲得細(xì)晶粒組織，消除了傳統(tǒng)鑄造中的柱狀晶和粗大樹(shù)枝晶。.成形溫度低，可節(jié)省能源，并且減少了污染和不安全因素。.模具壽命延長(zhǎng)。固較低溫度的半固態(tài)漿料成形時(shí)的剪切應(yīng)力，比傳統(tǒng)的枝晶漿料小三個(gè)數(shù)量級(jí)，故充型平穩(wěn)、熱負(fù)荷小，熱疲勞強(qiáng)度下降。.變形阻力小，采用較小的力就可實(shí)現(xiàn)均質(zhì)加工，對(duì)難加工材料的成形容易。.凝固速度加快，生產(chǎn)率提高，工藝周期縮短。.適于采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：.鑄件質(zhì)量高。因晶粒細(xì)化、組織分布均勻、體收縮減少、熱裂傾向下降，基體上消除了縮松傾向，力學(xué)性能大幅度提高。.凝固收縮小，故成型體尺寸精度高，加工余量小，近凈成形。.成形合金范圍廣。非鐵合金有鋁、鎂、鋅、錫、銅、鎳基合金；鐵基合金有不銹鋼、低合金鋼等。.制造金屬基復(fù)合材料。利用半固態(tài)金屬的高粘度，使密度差大、固溶度小的金屬制成合金，也可有效地使不同材料混合，制成新的復(fù)合材料。五、前景與展望目前，隨著早期半固態(tài)金屬成形專利技術(shù)保護(hù)的失效，將會(huì)有更多的公司計(jì)劃利用半固態(tài)金屬成形技術(shù)進(jìn)行機(jī)械零件毛坯的工業(yè)生產(chǎn)。我國(guó)的汽車工業(yè)，尤其是轎車工業(yè)正處在大發(fā)展時(shí)期，是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。為了提高我國(guó)汽車工業(yè)的水平，提高我國(guó)汽車在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力，需要采用各種新工藝和新材料來(lái)裝備我國(guó)的汽車工業(yè)，即應(yīng)該推動(dòng)半固態(tài)金屬成形技術(shù)在我國(guó)汽車工業(yè)中的應(yīng)用。保護(hù)環(huán)境和