加载中…
铝合金触变成形技术及其应用【分享】
(2007-12-25 18:43:26)
标签：
杂谈 |
杨湘杰 韩丽华 谢水生
摘要：铝合金触变成形是一种新兴的材料成形工艺，它大大改善压型、压室和冲头的受热条件，延长了使用寿命，制件尺寸精度高，降低制件成本。综述了触变成形技术中的锭坯制备、二次加热、压铸成形和计算机仿真等问题，同时也简述了铝合金触变成形在工业中的应用。
关键词：触变铸造；二次加热；仿真；半固态
中图分类号：TG249；TG29；TG31 文献标识码：A
The Technology
and Application of Thixoforming
in Aluminum Alloys
YANG Xiang-jie HAN
Li-hua
Mechanical & Electrical Engineering School,Nanchang University,
Jiangxi Nanchang 330029 PRC；
XIE Shui-sheng
Beijing General Research Institute of Non-Ferrous Metals,Beijing
100088 PRC
Abstract:Thixoforming in aluminum alloys is an
on going technology in metal forming. It improves the heating
conditions of the mold,shot sleeve and plunge,prolongs their lives,
improves the accuracy of the size and lowes the cost of
castings.This paper summaries up the slug preparing, the billet
heating,die casting and simulations of thixocasting and so on.
Meanwhile,it introduces the industrial applications of thixoforming
in aluminum alloys.
Key words: Thixocasting; Billet heating;
Simulation; Semi-solid state
触变成形工艺经过近20年的发展，已经从学术界研究转向工业生产应用的初期阶段。到1992年，该工艺迅速发展，并被认为是一种新兴的工业技术。
触变铸造(触变成形内的成形方式之一)之所以被认为是一种新的工业技术，是由于：(1)目前可以成功地供应具有触变特性的锭坯材料。(2)它具备了成熟的二次加热和成形技术来满足顾客的各种需要，如：零件的耐压性、高强度和抗冲击性或耐磨性等。然而，为了在生产技术上争得一席之地，触变铸造还必须能从经济上与其他工艺相竞争。这不仅意味着满足现有顾客的要求，并且要使汽车工业制造者能从该工艺中获得独特的效益，如净成形特性。
1 具备触变特性铝合金锭坯的生产
半固态金属成形技术分为触变铸造和流变铸造两种［1］。流变铸造就是在搅拌半凝固金属浆料之后，立刻成形的一种方式。最近又出现两种新的方式：一是在压射之前，将金属液放在压室内同时冷却与电磁搅拌之后，立即成形［2］。二是将液态金属放在传热的容器中置放一段时间，待晶粒变成近球状，并冷却到半固态材料后放入压铸机压室［3］。
1.1 机械搅拌法［1，4，5］
机械搅拌法基本上分为两种类型：一种由两个同心带齿的圆筒所组成，内筒保持静止，而外筒旋转。另一种是在熔融的金属中插入一搅拌棒进行搅动。机械搅拌法是最早用于制备非枝晶组织金属的方法。
1.2 电磁搅拌法［6，7］
由于机械搅拌法存在若干缺点，如装置比较笨重、操作困难、生产效率低、固相分数只能限制在30%～60%的范围内，以及由于搅拌棒会造成熔融金属的污染而影响到材料的性能等。因此，又发展了电磁搅拌法。该法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦兹力的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。目前有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应圈内通交变电流的传统方法。另一种是1993年由法国C.Vives推出的旋转永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动而提高了搅动效果。另一种方式是将无搅拌的枝晶锭坯，经二次加热技术转变为近球状晶粒，具有触变性的结构［8，9］。该工艺与用化学方法细化晶粒及快速冷却和特定的二次加热工艺相组合［10］，成为新的用于工业生产的方式。
1.3 剪切/冷却/滚动法(The Shearing/Cooling Roll
(SCR))
该工艺含有一个转动的剪切/冷却滚子，一个固定靴块用于支撑架子和一根模块。加热到所需温度的熔融金属，浇入靴与滚子之间的间隙内，由冷却滚子冷却。随后一个剪切力施加在固定板与滚子间的冷却熔态金属上，形成金属浆，在滚子表面凝固的壳体被刮子刮落，以致于凝固的壳保持恒定的厚度。
1.4 GIRCAST工艺
该工艺是由法国的CEMEF发明的［11］。加热和冷却系统被用来改变冷却速率，通过冷速来控制初期固相的生核和抑制凝固结构的粗糙度。当坩埚和平衡重量位于垂直方向时，施加搅拌。在离心力产生瞬间，力作用在接近工艺温度的液态浆上(称为坯料)，然后，将液氮吹入坩埚，同时转动坩埚3
min。用以淬火的棒坯通常直径为60 mm，具有触变结构。
1.5 应变诱发熔化激活法(Strain Induced Melt Activated
Process (SIMA))
由Young于1981年发明［12］。该工艺的第一步是延展温(warm)工件，而不是热(hot)工件，这将使重结晶过程推迟直到加热阶段，生成均匀细小的颗粒，尺寸小于20
μm的颗粒产生于半固态棒内，该方式生成的坯料局限于直径为50
mm的坯棒。
1.6 压锭压铸工艺(Pressure Ingot Die Casting Process
(PID))
PID工艺是最简单的半固态技术之一，它由Collet发明于1992年［11］。第一步，使用常规压铸机在液态将坯料加压至所需的尺寸。因为流动和温度条件，其微观组织是细致、枝状、无气孔的。第二步，毛坯在几秒钟内被感应加热至半固态状态。使原先的细小枝状结构变成细致的触变结构。当将其压射入型腔时，浆料具有细小的球状结构。
1.7 线性电磁搅拌
这种工艺发明于10年以前［13，14］，最早用在AL-SI合金系列。后来又用在Al-Si-Cu-Mg合金［7，15］。该工艺通过使用三相电机获得一个垂直线性搅拌，搅拌中将初生相部分重熔，生成菊花状或近球状晶粒［13，14］。优化搅拌强度是该工艺研究的主要方面，通过优化可将AlSi6Cu3Mg合金以及AlSi7Mg合金的初生晶从枝晶状转变为近球状。
1.8 SEU方法［16］
中国东南大学(SEU)
的学者将添加有微量元素的ZA12常规铸锭重新加热至固/液两相区进行半固态等温处理，获得了理想的非枝晶触变组织。影响SEU法处理效果的主要因素有微量元素种类和加入量、半固态等温加热温度和保温时间等。该方法在实际生产应用中可将添加微量元素的常规铸锭加热到半固态，并保温适当的时间，然后直接进行半固态触变成型。
2 锭坯的二次加热成形与仿真
触变铸造工艺包含两个阶段，即二次加热锭坯至半固态状态和压射半固态金属于型腔内成形。这一点与压铸机压射成形相似。
2.1 二次加热至半固态
在触变铸造工艺中，这是一个特别重要的工艺步骤［17］。对亚共晶合金AlSi7Mg和AlSi6Cu3Mg来说，在这一阶段其共晶相必须完全重熔，以获得理想的机械性能。否则未熔化的Si晶粒将严重影响材料的充型流变性和铸件的伸长率。略高于共晶线以上的加热温度并不影响铸件的机械性能，但却会使加热锭坯变形过大。亚共晶AlSi7Mg、AlSi6Cu3Mg合金的共晶熔化温度(TFE)分别约为575
℃和572
℃，考虑到金属锭坯表面与芯部之间的温度梯度，将二次加热温度定在TFE＜T＜TFE+10
℃之间。对于AlSi7Cu4Mg合金，二次加热温度在566～568
℃之间。如今感应加热是一门广泛应用的技术，过去常用垂直式感应加热，近来则采用水平式加热方式。在垂直式加热中，锭坯长径比(H/D)不宜太大，一般小于2.5。而在水平式加热中，其长径比可以较大但也不宜太大，否则会挤入太多的氧化皮，建议H/D＜3。
感应加热存在被加热体的表面与芯部的温度梯度，故必须要采取一种输入功率曲线。使得表面在有限的过热条件下，芯部共晶体完全熔化，因而总的加热时间与锭坯直径有关。一般加热时间(min)约等于锭坯直径的平方(误差+20%)。通常，加热中的1/3时间用于快速加热到共晶温度范围，其余2/3的时间用于控制被加热体的固相率以及使微观组织均匀化。在工业上，实际测量感应加热的温度非常困难。因而，目前正在开发一种传感器，用于检验共晶熔化或估计半固态的固相率［14］。
2.2 压力铸造成形
一旦锭坯被良好的二次加热，使用高压压铸机将其压射入型腔内，压射速度一般等于或略高于挤压铸造，但明显低于常规的高压铸造压射速度。
当压射速度超过1.0～1.5
m.s-1，充型前沿状态就恶化。为了保持这个前沿速度并结合不同的截面尺寸，所以冲头速度是变化的。浇道和内浇口的设计与常规的高压铸造也完全不同；它们必须大到足以充填型腔。最终压力通常为1×102
MPa，在必要的地方也常放一些铁芯。
触变铸造铸件的机械性能与铸造缺陷有关，而最有害的缺陷是氧化皮。所以浇道系统的设计应该避免锭坯氧化皮的进入。而充型阶段形成的氧化物应能在冒口或气孔处排出。
2.3 仿真
金属充型的数字模拟被广泛地用于永久型铸造和砂型铸造，对于高压铸造也作过一些简单的假设，所有这些工作都是基于牛顿流体的纯液态金属。而半固态金属流是一种非牛顿流体，应力和剪切之间不是直接线性关系，若要完全了解这种现象，必须考虑采用两相流理论。但在目前，对这种两相流的了解尚不深入。因此，人们采用一种从实验特征，获取的表象模型来精确描绘半固态金属的成形现象［18，19］，以本构方程结合流体模型的幂定律方程，被用在铸造及凝固软件包上，如PAM
CASI SIMULON、MAGMAsoft等。
对圆柱形锭坯的感应加热温度和液相率进行数字计算最简单的方式是考虑线圈和一个无限长的锭坯为分析体，取电磁场磁通量和沿锭坯轴线分布的温度为变量［20］。由于实践中锭坯都是有限长的，且计算中存在端部效应，所以，引入轴向长度为另一个变量重新进行计算［21］；将线圈/锭坯系统依据几何特征描绘为一系列同心固体或有限长的空心圆柱，各自具有本身的热性能和电性能，从而计算圆柱锭坯内得到的感应电流。
Gebelin等［22］采用FLUXEXPERT有限软件分析了Sn-Pb和Al-Si半固态金属成形过程。Mullis等［23］利用通用CFD软件包PHIENICS对固液两相之间相互作用进行了研究。Barkhudarov等［24］用FLOW-3D软件包对半固态金属挤压成形过程进行了模拟。Paradies等［25］用PROCAST软件包对半固态铝合金压铸成形过程进行了模拟。高志强等［26］研究触变铸造成形过程数值模拟时认为，局部网格细化的拉格郎日法(Lagranian
Method)比欧拉法(Eulerian
Method)更适合于半固态合金触变铸造模拟，并给出了一个算例。谢水生等［27］建立了连续铸造半固态圆柱坯过程数值模拟的热传导模型，该模型考虑电磁搅拌作用对温度场的影响，并进行了不考虑搅拌和二次强制水冷的Cu连铸过程的初步模拟研究。
3 半固态铸件的机械性能
自从引入半固态金属零件工艺，许多工作调查了半固态铸造零件与其他工艺生产的零件之间的机械性能的差别。由于铝合金广泛应用于压铸与半固态铸造行业，这里主要讨论铝合金的机械性能。
表1列出了半固态金属铸件的典型性能［28］。半固态铸件既可铸态使用，也可以通过加热到不同的温度进行热处理，以达到不同的性能。其中T5热处理可以获得价廉、强度和伸长率较好的综合效果；T6热处理可以获得优良的强度与伸长率的结合(加热到540
℃+低温水淬火)；T4热处理可以获得良好的伸长率。
表1 铸件的机械性能数据 (试棒加工于铸件)
| 性 能 指 标 | 极限抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 伸长率/% | |||
| A356 | 357 | A357 | 357 | A356 | 357 | |
| 铸态 | 225 | 225 | 112 | 120 | 14 | 7 |
| T4 (520 ℃，2 h水淬，4 d室温) | 253 | 281 | 134 | 155 | 20 | 15 |
| T5 (180 ℃，2 h空冷) | 267 | 295 | 190 | 204 | 10 | 5 |
| T6 (520 ℃，2 h水淬160 ℃，7 h) | 323 | 337 | 246 | 267 | 12 | 9 |
| *典型压铸合金 (380) | 337 | 169 | 3 | |||
| *典型金属型合金 (A356T61) | 288 | 211 | 10 | |||
| 注：*典型压铸合金和典型金属型合金测试数据来自ASM金属手册，1985.
表1也给出了压铸、金属型铸件的机械性能。由于压铸件含有降低伸长率的气孔，其屈服强度和伸长率低于半固态铸件。气孔也影响压铸件的热处理性能。金属型铸件比压铸件具有更好的综合强度与伸长率，但其强度低于半固态铸件。这是因为铸型表面的涂料或厚断面造成了铸件的缓慢冷却和凝固。半固态铸件的冷却速度越大，晶粒越细化，其屈服点和抗拉强度也高。 表2 几种工艺的相对成本计算［29］ |
| 相对成本计算 | 相对材料成本 | 单件m/kg | 相对单件成本 | 降低机加工量 |
| 半固态铸造 | 1.7 | 0.294 8 | 1.1 | 大 |
| 金属型铸造 | 1.0 | 0.453 6 | 1.0 | - |
| 挤压铸造 | 1.4 | 0.408 2 | 1.2 | 中等 |
|
汽车工业是铝材的最大市场。当前平均每辆美国汽车用铝81.648
kg，其中大部分(质量)零件是优质的半固态铸件。为了有效地提供半固态铸件，必须保证质量高、生产性好、以及合理的价格。Alumax公司的研究表明半固态工艺的目标为两类普通零件： 基金项目：国家自然科学基金资助项目(批准号：59975011)；南昌大学基础理论基金资助项目 参考文献： ［1］FLEMINGS MC, RIEK
RG, YOUNG KP. Rheocasting［J］. Materials Science and
Engineering,1976,25:103～117. |
喜欢
0
赠金笔