鋁合金半固態(tài)鍛造工藝研究

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輕金屬半固態(tài)模鍛工藝研究 1、前言 20世紀70年代初，美國麻省理工學院研究人員發(fā)現(xiàn)，金屬材料在凝固過程中施加強烈的攪拌，可以打破傳統(tǒng)的枝晶凝固模式，形成近球狀的組織，從而得到一種液態(tài)金屬母液中均勻懸浮著一定球狀或類球狀初生固相的固—液混合漿料，即半固態(tài)漿料，這種漿料具有良好的流變性和觸變性，采用這種既非液態(tài)又非完全固態(tài)的金屬漿料跟常規(guī)加工方法如壓鑄、擠壓、模鍛等結(jié)合實現(xiàn)成形加工的方法稱為半固態(tài)金屬加工(Semi-Solid Metal Processing，簡稱SSM)。從理論上講，凡具有兩相區(qū)的合金及其復合材料均可以實現(xiàn)半固態(tài)成形加工。該方法之所以能夠發(fā)展成為一種先進的成形加工技術(shù)，完全基于半固態(tài)金屬材料所具有的特殊流變學性能，即觸變性：當半固態(tài)金屬坯料所受的剪切力不大時，坯料具有很高的粘度近似固態(tài)，可以方便地放置和搬運；而當受到較大剪切變形時，坯料便表現(xiàn)出較小的粘度可以像液態(tài)一樣隨意流動成形。但是采用具有枝晶狀初生相組織的固—液混合體成形加工時，由于枝晶狀組織的相互搭結(jié)、纏繞，變形阻力大，流動性很差，固液相極易分離，產(chǎn)生嚴重的熱裂與宏觀偏析。因此，半固態(tài)金屬成形具有多方面的優(yōu)點：相對于普通液態(tài)成形（如壓力鑄造或擠壓鑄造），由于半固態(tài)漿料中已有一半左右的固相存在而且溫度低于液態(tài)金屬近100℃，因此可以消除常規(guī)鑄件固有的皮下氣孔和疏松等缺陷，而且模具壽命成倍提高；相對于常規(guī)固態(tài)成形（如模鍛或擠壓），由于半固態(tài)漿料具有很好的流動性，因此變形抗力極低，可以一次加工成形復雜的零件，減少了成形道次、模具投入及后續(xù)機加工量，而力學性能則與固態(tài)鍛造相當。正是半固態(tài)金屬鍛造技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和近終成形等突出優(yōu)點，可以滿足現(xiàn)代汽車制造業(yè)對有色合金鑄件高致密度、高強度、高可靠性、高生產(chǎn)率和低成本等要求，因此倍受汽車制造廠商以及零部件配套生產(chǎn)廠商的重視。 半固態(tài)金屬鍛造與半固態(tài)金屬觸變壓鑄實質(zhì)上并無明顯差別，其主要不同之處在于前者是用半固態(tài)金屬在鍛造設(shè)備上加工成形。鍛造半固態(tài)金屬可以在較低的壓力下進行，這使得一些傳統(tǒng)鍛造無法成形的形狀復雜構(gòu)件可以在半固態(tài)金屬鍛造方法來生產(chǎn)，其鍛造設(shè)備可分為立式和臥式壓力機兩種。半固態(tài)鍛造是將加熱到半固態(tài)的坯料，在鍛模中進行以壓縮變形為主的模鍛以獲得所需形狀、性能制品的加工方法。半固態(tài)鍛造可以成形變形力較大的高固相率的半固態(tài)材料，并達到一般鍛造難以達到的復雜形狀。而且，可以用于制造用普通鍛造難以成形的許多超合金，有可能用半固態(tài)鍛造技術(shù)制造出特殊材料的耐熱零件。鍛造速度每秒幾百mm到一千多mm，模壓從幾Mpa到十多Mpa，甚至更高。半固態(tài)鍛造零件的總量可從20g～13.6kg，鍛造速率可達120～360件/分，并能實現(xiàn)自動化。目前，已經(jīng)利用半固態(tài)鍛造技術(shù)進行了聯(lián)軸節(jié)、齒輪等機械零件制造的研究。 2、坯料制備工藝 熔爐 熱頂 水箱 坯料 流槽 攪拌器 結(jié)晶器 半固態(tài)坯料制備是半固態(tài)加工技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。采用半固態(tài)鍛造工藝生產(chǎn)零件要求原材料具有特殊的顯微組織，當金屬處于半固態(tài)時，這種組織是由懸浮在較低合金液體中的球形固體顆粒組成的，要在加熱時固體材料中恢復這種組織，就需要保留一些殘余的顯微偏析，以在固液相之間產(chǎn)生局部熔化。北京有色金屬研究總院采用電磁攪拌技術(shù)制備金屬半固態(tài)坯料，該技術(shù)可以有效解決晶粒細化和組織均勻等連鑄中的關(guān)鍵技術(shù)，其設(shè)計思想是把金屬過濾和脫氣結(jié)合起來，使金屬液進入連續(xù)鑄造機的水冷結(jié)晶器，且金屬液面遠低于中間包的靜止液面，在結(jié)晶器中接近凝固點的金屬，通過電磁場的強烈攪拌，產(chǎn)生強大的剪切作用，在同一時間和同一位置，通過結(jié)晶器壁把可控的傳導熱傳到結(jié)晶器水套導致均勻凝固，該技術(shù)具有精確控制剪切作用和放熱等特點，以至于該技術(shù)在制備坯料上被廣泛應用。技術(shù)原理如圖1所示。 圖１　半固態(tài)坯料制備原理示意圖 3、坯料二次加熱工藝 半固態(tài)加熱過程中要求加熱速度應快且均勻，以免低熔點共晶相產(chǎn)生偏析、固態(tài)部分沉淀，使表面氧化降到最小，半固態(tài)材料的粘度與固體組分的體積百分數(shù)有關(guān)，粘度大填模能力小，從這一點來看，要求出爐溫度高一些，然而，從節(jié)約能源、減小模具的熱沖擊、減少薄壁與厚壁部分過渡帶的紊流，從降低氣穴與凝固收縮率的角度看又要求出爐溫度低。另外，為使坯料在加熱過程中保持原狀和便于搬運，也要求出爐溫度盡可能低，但又有一個允許的最低溫度，低于此溫度就不能保持設(shè)定的固液比。因此，出爐溫度只要比允許的最低溫度略高一些，從而可達到液相體積百分數(shù)保持在非常窄的范圍內(nèi)，并確保均勻地分布于整個坯料體積內(nèi)的目標，在這種狀態(tài)下的坯料既軟的象豆腐一樣，又可以用刀切割，同時能保持原形。加熱過程一般分為兩個階段，開始階段為大功率快速加熱，后一階段為小功率均勻化加熱，在前一階段加熱時，坯料內(nèi)總會或多或少的存在著溫度不均勻性，再通過后一階段加熱就可以達到溫度均勻，整個加熱時間為3～15分鐘，取決于坯料的尺寸、形狀和合金類型。圖2 是我院研制開發(fā)的半固態(tài)成型專用加熱設(shè)備。 圖2 半固態(tài)成型專用加熱設(shè)備 圖3 左為熱鍛、右為半固態(tài)鍛造渦輪 4、模鍛成形工藝 半固態(tài)模鍛工藝與傳統(tǒng)模鍛工藝又很大不同。將加熱均勻的半固態(tài)坯料裝入模鍛機下模內(nèi)，并鍛壓成型，成型過程中根據(jù)材料的形狀、尺寸、合金特性以及對零件品質(zhì)的要求，采用不同的成型速度和壓力，一般在成型過程中要求成型速度為50～200mm/s，模腔壓力為15～140Mpa，而鍛造機可以多種多樣，但最基本的要求是能精確控制成型速度和壓力，金屬半固態(tài)鍛造使用的模具一般為H13工具鋼，熱處理后其硬度為45～48HRC，模腔表面應光滑，以利于金屬流動和工件脫模，在沖型過程中，坯料在模腔內(nèi)成型僅僅十分之幾秒，但在沖形后期必須要有主動保壓功能，實現(xiàn)工件受到設(shè)定的最大壓力。工件在壓力作用下的留模時間由合金牌號和零件尺寸決定，一般為3～6秒，如果保壓時間過短，工件還比較軟，在頂出時候易造成工件破損，工件保壓時間過長，降低模鍛的生產(chǎn)效率，當半固態(tài)模鍛工件從鍛模中取出時，其溫度一般在205～425℃，在生產(chǎn)時，件與件的溫度變化可控制在10℃以內(nèi)，以確保工件產(chǎn)品的一致性。工件熱處理的種類很多，大多數(shù)半固態(tài)模鍛件熱處理到T5或T6狀態(tài)，多數(shù)零件采用較低的T5熱處理工藝即可以滿足技術(shù)要求，這主要是因為在半固態(tài)鍛造過程中，工件與模腔接觸，得到快速冷卻，這種冷卻和材料極細的球形晶粒，可省去昂貴的固溶處理和淬火費用，僅僅需要時效處理就可以達到更高的機械性能。圖3左側(cè)零件為中國熱鍛渦輪，右側(cè)為日本采用半固態(tài)鍛造工藝生產(chǎn)的渦輪。 5、結(jié)束語 和國外相比，我國在半固態(tài)金屬成形技術(shù)領(lǐng)域的研究還很落后。為了國民經(jīng)濟的發(fā)展，特別是我國汽車工業(yè)的發(fā)展，提高我國汽車工業(yè)的水平和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)，而推動半固態(tài)金屬成形技術(shù)在汽車工業(yè)中的應用是目前的關(guān)鍵。就我國目前的研究現(xiàn)狀來看，半固態(tài)金屬成形技術(shù)的發(fā)展動向如下： （1）半固態(tài)金屬觸變成形技術(shù)已經(jīng)基本成熟，而流變成形技術(shù)的發(fā)展較為緩慢，沒有太多的突破性技術(shù)進展。因此，更多的研究人員會轉(zhuǎn)向金屬的半固態(tài)流變成形理論和應用方面的研究，以降低半固態(tài)產(chǎn)品成本，節(jié)約能源。同時也會注重已經(jīng)成熟的觸變成形技術(shù)在工業(yè)中的應用，推動我國汽車工業(yè)的發(fā)展。 （2）目前半固態(tài)金屬成形技術(shù)主要應用于鋁、鎂、鉛等低熔點金屬的成形，而對高熔點黑色金屬的應用較少，理論欠成熟。由于黑色金屬在工農(nóng)業(yè)中應用廣泛，有著其他材料不可代替的重要作用。因此，在以后的發(fā)展中黑色金屬半固態(tài)成形的理論研究和工業(yè)應用將是一個重點研究領(lǐng)域。 （3）目前，國內(nèi)外學者已經(jīng)開發(fā)出了半固態(tài)成形過程數(shù)值模擬軟件，但還存在很多不足，比如沒有考慮合金的觸變性能等，應用范圍受到很大的限制。因此，加大計算機技術(shù)在半固態(tài)金屬成形工藝中的應用，充分利用計算機技術(shù)，對流變成形和觸變成形過程進行計算機模擬，促進半固態(tài)金屬成形的理論研究將是另一熱點。