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：09級機制一班學(xué)院：工程學(xué)院 學(xué)號：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程，半固態(tài)合金材料的制備方法，成形工藝，技術(shù)優(yōu)勢以及發(fā)展前景等方面介紹了該工藝。半固態(tài)鑄造新工藝，不僅對降低制造總成本有吸引力，同時為實現(xiàn)鑄造生產(chǎn)的創(chuàng)新設(shè)計、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，國外研究開發(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程中，對其施以劇烈地攪拌作用，充分打碎樹枝狀的初生固相，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、新工藝簡介自1971年美國麻省理工學(xué)院的D.B.Spencer和M.C.Flemings發(fā)明了一種攪動鑄造新工藝，即用旋轉(zhuǎn)雙桶機械攪拌法制備出Srr15%pb流變漿料以來，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，因此具有強大的生命力。除軍事裝備上的應(yīng)用外，開始主要集中用于自動車的關(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械也相繼推出。當(dāng)前，在美國和歐洲，該項工藝技術(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。在普通鑄造過程中，初晶以枝晶方式長大，當(dāng)固相率達(dá)到0.2左右時，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動性。如果在液態(tài)金屬從液相到固相冷卻過程中進(jìn)行強烈攪拌，則使普通鑄造成形時易于形成的樹枝晶網(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，除機械攪拌法外，近幾年又開發(fā)了電磁攪拌法，電磁脈沖加載法、超聲振動攪拌法、外力作用下合金液沿彎曲通道強迫流動法、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。.機械攪拌法機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。通過改進(jìn)，改善了漿液的攪拌效果，強化了型內(nèi)金屬液的整體流動強度，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)生運動，從而達(dá)到對金屬液攪拌的目的。目前，主要有兩種方法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場：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年由法國的C.Vives推出的旋轉(zhuǎn)永磁體法，其優(yōu)點是電磁感應(yīng)器由高性能的永磁材料組成，其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場強度高，通過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，提高了攪拌效果，減少了攪拌時的氣體卷入。.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，這時的顯微組織具有強烈地拉長形變結(jié)構(gòu)，然后加熱到固液兩相區(qū)等溫一定時間，被拉長的晶粒變成了細(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。該方法對坯料的加熱、輸送易于實現(xiàn)自動化，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熱度在0℃左右，并在鑄型下方進(jìn)行強制冷卻的鑄造方法。中心偏析是連鑄中的大問題，且在連軋線材時可能會發(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低熔點金屬進(jìn)行帶材連鑄試驗研究，對傳熱、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，則助長顯微偏析。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)勢半固態(tài)壓鑄工藝的優(yōu)點可歸納工藝優(yōu)勢和產(chǎn)品優(yōu)勢。工藝優(yōu)勢：.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。固較低溫度的半固態(tài)漿料成形時的剪切應(yīng)力，比傳統(tǒng)的枝晶漿料小三個數(shù)量級，故充型平穩(wěn)、熱負(fù)荷小，熱疲勞強度下降。.變形阻力小，采用較小的力就可實現(xiàn)均質(zhì)加工，對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。.適于采用計算機輔助設(shè)計和制造，提高了生產(chǎn)的自動化程度。產(chǎn)品優(yōu)勢：.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)保護的失效，將會有更多的公司計劃利用半固態(tài)金屬成形技術(shù)進(jìn)行機械零件毛坯的工業(yè)生產(chǎn)。我國的汽車工業(yè)，尤其是轎車工業(yè)正處在大發(fā)展時期，是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。為了提高我國汽車工業(yè)的水平，提高我國汽車在國際市場上的競爭能力，需要采用各種新工藝和新材料來裝備我國的汽車工業(yè)，即應(yīng)該推動半固態(tài)金屬成形技術(shù)在我國汽車工業(yè)中的應(yīng)用。保護環(huán)境和