比压是挤压铸造的重要工艺参数 ,它起着充型、加速凝固和产生塑性变形的作用。这也是它与重力铸造和高压铸造的本质区别。在实际生产中 ,制件晶粒尺寸的大小与诸多因素有关 ,如比压、
浇注温度、加压开始时间、加压速度、保压时间等。1 铝 硅合金状态图铝 硅合金在高压下的状态图有 3大特点<1,2 > :①共晶温度上升 ;②共晶成分发生变化 ;③合金状态图发生改变。图 1表示各种压力下铝 硅合金状态图。图 1 各种压力下铝 硅合金状态图1 - 0 .1ＭＰａ 2 - 1 0 0 0ＭＰａ 3 - 2 50 0ＭＰａ 4- 5 0 0 0ＭＰａ2 铝合金凝固时体积收缩的热力学对于一个晶核形成时 ,总的自由能 (ΔＧ)的变化<3 >为 :ΔＧ=ΔＦＴ43πｒ2 -ｋε43πｒ2 ｐ+ 4πｒ2 σＬＳ (1)式中 ΔＦＴ———温度Ｔ时凝固系统化学位的变化ｒ———晶核半径ε———体收缩率 ｋ———换算系数ｐ———外加压力σＬＳ———液 固表面应力因此 ,对于凝固时体积收缩的合金 ,在加压条件下 ,有利于凝固 ,即液态金属中有更多的原子团参加形核。3 铝合金凝固的动力学液态金属结晶过程 ,实质上是在液相中形成结晶核心 (形核 )及其随后的长大过程。凝固的动力学参数有两个 :一是形核率Ｎ ,即在单位时间和单位体积内形成的晶核数 ;二是长大线速度Ｒ。若产生结晶中心速度愈快和它的增长速度愈慢时 ,则获得的晶粒愈小。因此 ,晶粒数目Ｚ与结晶参数有关<3～ 5> ,用下式表示。Ｚ=α4 (ＮＲ) 3 Ｖ0 (2 )式中 α———比例系数Ｖ0 ———液相的原始体积为此 ,重点分析结晶过程中压力对形核率Ｎ和长大线速度Ｒ的影响。3.1 形核率Ｎ根据结晶学的基本理论 ,在过冷温度下 ,单位时间和单位体积生成的晶核数 ,可列成下式。Ｎ =ｎＫＴｈ ｅｘｐ(- ΔＧＷＫＴ)ｅｘｐ(- ΔＧＡＫＴ) (3)式中 ｎ———单位体积内的原子数Ｋ———波尔兹曼常数Ｔ———温度ｈ———普郎克常数ΔＧＷ———形核功ΔＧＡ———扩散激活能由上式分析可见 ,形核率Ｎ受两个因素控制 ,其一是原子扩散的几率因子ｅｘｐ(- ΔＧＡＫＴ) ,另一个是获得能量起伏的几率因子ｅｘｐ(- ΔＧＷＫＴ)。从热力学理论可得 ,形核率与形核功、扩散激活能、动态成核有相应的数学表达式 (略 ) ,通过分析可得如下认识。(1)在压力的作用下 ,形核功将显著降低 ,即临界晶核半径将大大减小 ,将有更多的原子团参与结晶形核。因此 ,形核率显著提高。(2 )在压力的作用下 ,降低形核功 ,增加原子扩散热激活能。因此 ,在温度相同条件下 ,随着压力升高 ,形核率增加 ,达峰值后 ,形核率随压力的增加而降低。(3)在压力的作用下 ,已凝固的外壳层产生塑性变形 ,发生强烈的补缩金属流动 ,造成凝固前沿晶体破碎 ,生成新的核心 ,即动态成核。因此 ,新的核心随着压力的增大而增加。3.2 长大线速度Ｒ由于晶体固 液界面结构不同 ,因此主要有垂直长大、表面形核长大及沿晶体缺陷处长大的 3种生长方式。实际上 ,由于压力作用 ,首先改变了形核条件。由于压力使ΔＴ增大 ,增加了结晶核心 ,核心多了 ,尽管它长大时速度有加快的条件 ,但各核心长大时必然受到邻近晶核长大的抑制 ,使长大趋势受阻。这种阻力随晶核密度的增加 ,愈为强烈。一般只要工艺参数选择适当(如浇注温度、加压开始时间 ) ,用增加压力的方法比常压下用增加过冷度的方法更易获得细晶粒组织。3.3 压力与过冷度的关系对于凝固时体积收缩的合金 ,压力可使熔点呈直线上升 ,并存在一个形核率急剧增加的介稳定温度区间 ,如图 2所示。图 2 压力对金属熔点和结晶介稳定温度范围(Ｔｆ-Ｔ′ｆ)的影响处于图 2中Ａ点位置的液态金属 ,要使它结晶 ,必须过冷到介稳定温度Ｔｆ 与Ｔ′ｆ 之间。有两种途径 :一种是在压力Ｐ0 不变的条件下 ,冷却液态金属达到过冷(由Ａ→Ａ2 ) ;另一种是在保持温度ＴＡ 不变的条件下升高压力 (由Ｐ0 →Ｐ1) ,用熔点升高的方法达到过冷 (由Ａ→Ａ1)。对前一种冷却的方法 ,由于冷却总是从制件外层开始 ,所以外层比内层先达到成核的过冷度 ,并且 ,外层形成的晶体 ,相当大的阻碍内层过冷 ,因而易造成制件内外层组织的不均匀性。后一种的加压方法却不同 ,在足够大的压力下 ,使整个制件中液态金属的熔点同时升高 ,即能在温度不变的情况下同时达到形核的过冷度。因此 ,后一种加压的方法更容易获得均匀的细晶组织。4 应用举例为了保证挤压制件的内在质量 ,对各种零件材料 ,根据合金状态图、热力学及动力学的理论基础 ,进行比压值的初步估算 ,最后通过生产实践 ,在已选用的液压机工作范围内作些调整 ,获得各种制件所需的实际比压值。表 1列出已研制的各种零件材料挤压铸造的比压值及其他工艺参数<4～ 7> 。表 1 各种零件材料挤压铸造的比压值及其他工艺参数零件名称材料 比压 /ＭＰａ浇注温度 /℃加压开始时间 /ｓ保压时间 /ｓ摩托车减振筒ＺＬ1 0 850～60 72 0～ 760 3～ 5 1 0～ 1 2起动机连杆ＬＤ1 0 80 740～ 780 5 1 3～ 1 5汽车拉杆ＬＤ1 0 80 740～ 780 4 1 4～ 1 6汽车油泵壳体ＺＬ1 0 4 80 680～ 72 0 3～ 5 9～ 1 1空压机连杆ＺＬ2 0 2 70 780～ 80 0 4 1 1～ 1 3卡丁车车轮ＬＤ2 50～60 72 0～ 740 3～ 5 1 2～ 1 45 结论挤压制件的力学性能与其晶粒度大小密切有关 ,对各种零件材料、形状及尺寸 ,需采用理论计算与实际试验相结合的比压值 ,才能达到各种制件满足所要求的技术条件挤压铸造比压对晶粒尺寸的影响$上海交通大学@洪慎章
$教育部高温材料及高温测试开放实验室@曾振鹏挤压铸造;;挤压比压;;晶粒尺寸指出挤压铸造比压是影响晶粒尺寸的主要因素之一 ,分析了晶粒尺寸与合金状态图、热力学及动力学之间的关系。阐述了挤压铸造比压对形核率及成长 线速度的影响。列举了各种零件材料挤压铸造的比压及其他工艺参数1 СоболевВВ.Т еплофизикаЗатвердеванияМеталлаПриНепрерывномЛитье.Москва:Металлургия,1988.
2 МалевичЮА.ТеплофизическиеОсновыЗатвердеванияОтливокиСлитков.Минск:Бышэйшаяшкола,1989.
3 БатышевАИ.КристаллизацияМеталловиСплавовподДавлением.Москва:Металлургия,1990.
4 上海交通大学锻压教研室.液态模锻.北京:国防工业出版社,1981.
5 齐丕骧.
挤压铸造.北京:国防工业出版社,1984.
6 洪慎章.油泵壳体挤压铸造工艺.特种铸造及有色合金,1998(增刊):41～43
7 洪慎章.铝合金车轮挤压铸造工艺.特种铸造及有色合金,1999(6):22～240～ 80 0 4 1 1～ 1 3卡丁车车轮ＬＤ2 50～60 72 0～ 740 3～ 5 1 2～ 1 45 结论挤压制件的力学性能与其晶粒度大小密切有关 ,对各种零件材料、形状及尺寸 ,需采用理论计算与实际试验相结合的比压值 ,才能达到各种制件满足所要求的技术条件挤压铸造比压对晶粒尺寸的影响$上海交通大学@洪慎章
$教育部高温材料及高温测试开放实验室@曾振鹏挤压铸造;;挤压比压;;晶粒尺寸指出挤压铸造比压是影响晶粒尺寸的主要因素之一 ,分析了晶粒尺寸与合金状态图、热力学及动力学之间的关系。阐述了挤压铸造比压对形核率及成长 线速度的影响。列举了各种零件材料挤压铸造的比压及其他工艺参数1 СоболевВВ.Т еплофизикаЗатвердеванияМеталлаПриНепрерывномЛитье.Москва:Металлургия,1988.
2 МалевичЮА.ТеплофизическиеОсновыЗатвердеванияОтливокиСлитков.Минск:Бышэйшаяшкола,1989.
3 БатышевАИ.КристаллизацияМеталловиСплавовподДавлением.Москва:Металлургия,1990.
4 上海交通大学锻压教研室.液态模锻.北京:国防工业出版社,1981.
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6 洪慎章.油泵壳体挤压铸造工艺.特种铸造及有色合金,1998(增刊):41～43
7 洪慎章.铝合金车轮挤压铸造工艺.特种铸造及有色合金,1999(6):22～24
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