根据工艺流程的不同 ,半固态成形工艺通常分为流变成形 (Ｒｈｅｏｃａｓｔｉｎｇ)和触变成形 (Ｔｈｉｘｏｃａｓｔｉｎｇ)两大类<1～ 3> ,国内外对半固态成形的研究目前主要集中在触变成形<4～ 6 > 。镁合金作为最轻的金属工程结构材料 ,其应用日趋广泛<7～ 9> 。笔者研究了镁合金半固态流变压铸成形工艺 ,研制出一套成形工艺设备 ,并进行了生产试验。1 半固态流变压铸成形工艺设备的研制实现镁合金半固态流变压铸成形工艺 ,需要解决 :镁合金在熔化、输送、制浆及压铸过程中的氧化和燃烧防护 ,确保成形铸件无氧化夹渣缺陷和实现安全生产 ;进行快速制浆 ,制浆系统的温度能精确协调控制 ,以确保预期半固态浆料的固相率及浆料质量 ;液态镁合金和半固态浆料的适时定量供应 ,以满足间歇式压铸工艺的要求。研究设计的镁合金半固态流变压铸成形工艺流程如图 1所示。镁合金预热熔化保温 —→ 液态镁合金输送 —→ 双螺杆搅拌制浆 —→ 浆料存储定量间歇输送 —→ 流变压铸成形图 1 镁合金半固态流变压铸成形工艺流程图 整个工艺流程采用Ｎ2 和Ａｒ或ＣＯ2 和ＳＦ6 气体 ,实行封闭式保护和阻燃技术。液态镁合金由容积可调的特殊高温熔体泵进行定量输送。半固态浆料采用双螺杆装置制备 ,螺杆由多功能螺纹元件组合。制浆时 ,双螺杆同向旋转、咬合 ,对液态进行搅拌、剪切、挤压、搓碾等综合作用 ,破碎树枝晶 ;因采用了特殊结构设计 ,获得的剪切速率高 ,可在 10 0 0～ 2 0 0 0 0ｓ- 1范围内调整 ,制浆系统控温精度为± 1.5℃ ,镁合金半固态浆料最大制备量达 5ｋｇ /ｍｉｎ。同时 ,该双螺杆制浆装置具有良好的自清洁能力和高的输送效率 ,可实现连续制浆。设计的浆料存储与输送装置 ,采用封闭式加热保温、快开快关控制机构 ,较好地解决了半固态浆料连续制备与压铸机间歇压铸的配套。2 镁合金半固态浆料的制备过热的镁合金液经由高温熔体输送泵输入双螺杆搅拌制浆装置内进行搅拌 ,通过控制镁液的过热温度、制浆装置的冷却强度、螺杆搅拌的剪切速率和搅拌时间等参数 ,获得不同初晶组织形态的半固态浆料。半固态初晶组织的形成机理比较复杂<10～12 > 。分析认为 :制浆过程中 ,双螺杆搅拌机构对液态中的初晶树枝施加力的作用 ,使其变形、破碎 ;同时 ,双螺杆搅拌机构的挤压和搓碾作用强 ,对半固态浆料施加强烈的搅拌作用 ,加大其流动 ,促使枝晶断熔 ,抑制初晶呈树枝状的生长趋势。图 2所示为试验用镁合金 (ＡＺ91Ｄ)熔体在普通重力铸造条件下形成的金相组织 ,初晶为典型的枝晶状组织。图 3所示固相率为 5 %的半固态浆料的金相组织。由图 3可见 ,在其金相组织中存在着少量的呈颗粒状的初晶组织和大量的树枝状初晶。固相率低 ,搅拌制浆时 ,初晶数量少 ,因而形成的颗粒状初晶的数量少 ;随后的冷却凝固过程中 ,因没有搅拌作用 ,半固态浆料中大量的液相仍以树枝状方式结晶和生长。图 4所示固相率为 2 0 %但搅拌不充分时的金相组织。由图 4可见 ,固相率虽只有 2 0 % ,但金相组织未见树枝晶。主要是因为搅拌引起非平衡结晶现象突出 ,半固态浆料中的液相发生共晶转变 ;因其搅拌不充分 ,对初晶的破碎、熔断作用小 ,金相组织中存在着未被充分破碎、熔断分离的树枝形态的初晶。图 5所示固相率为 5 0 %的金相组织。其金相组织中的颗粒比较细小圆整 ,分布比较均匀 ,晶粒直径为 10～ 5 0 μｍ。图 2 液态成形的枝晶组织 图 3 固相率为 5 %的半固态组织图 4 固相率为 2 0 %搅拌不充分的半固态组织图 5 固相率为5 0 %的半固态组织3 镁合金半固态流变压铸成形的生产试验选用薄壁圆盘作为试验件 ,其最大尺寸110ｍｍ ,壁厚 1.0ｍｍ。压铸模具采用镶嵌结构 ,镶体材料为Ｈ13,压铸模外形尺寸 4 70ｍｍ× 4 40ｍｍ× 35 0ｍｍ。压铸模的加热和温度控制采用高温导热油为介质的全自动电热加温控制器 ,模具型腔温度为 180～ 2 0 0℃。半固态浆料的温度控制在 5 75～ 5 95℃之间 ,固相率为 10 %～ 5 0 %。图 6所示带浇道和溢流槽的半固态流变压铸成形件 ,字迹清晰 ,成形性好。图 7为其金相组织 ,晶粒较圆整。试验表明 :半固态流变压铸成形时 ,压射压力和压射速度应适当比液态压铸成形时增大 ;固相率增加时 ,成形压射压力和压射速度的调整不大。能生产出高性能的镁合金结构件。图 6 带浇道溢流槽的半固态流变压铸零件图图 7 固相率为 40 %的镁合金流变压铸件的金相组织4 结 论研究的双螺杆搅拌制浆装置 ,制备的半固态浆料晶粒较圆整 ,晶粒大小可达 10～ 5 0 μｍ。固相率可在 5 %～ 5 0 %范围内调整 ;封闭式加热保温、快开快关控制的浆料存储与输送装置 ,较好地解决了浆料连续制备与间歇压铸的配套 ,可方便地与压铸机组合生产 ,也可以和挤压铸造机、锻压设备组合 ,实现镁合金半固态挤压成形或锻造成形半固态镁合金流变成形技术及装备$华中科技大学@罗吉荣
$华中科技大学@肖泽辉
$华中科技大学@宋象军
$华中科技大学@毛有武
$华中科技大学@吴广忠
$华中科技大学@吴树森镁合金;;
半固态;;流变成形研究了镁合金半固态流变成形技术及装备。结果表明 :多功能螺纹元件组合的双螺杆制浆装置制备的浆料晶粒细小 (10～ 5 0 μm) ,固相率可在 5 %～ 5 0 %范围内调整 ;封闭式加热保温、快开快关控制的浆料存储与输送装置 ,较好地解决了浆料连续制备与间歇压铸的配套 ;生产的半固态压铸件 ,强度提高了 2 0 %以上1 朱鸣芳,苏华钦.半固态铸造技术的研究现状.特种铸造及有色合金,1996(2):29～32
2 李元东,郝远,陈体军等.镁合金半固态成形的现状及发展前景.特种铸造及有色合金,2001(2):77～78
3 谢水生,黄声宏.半固态金属加工技术及其应用.北京:冶金工业出版社,1999.
4 张永忠,张奎,刘国钧等.AlSi10Cu2Mg合金的半固态触变成形.特种铸造及有色合金,1999(6):6～8
5 吴艳军,陈振华.半固态金属触变性质及应用新进展.特种铸造及有色合金,2001(1):44～46
6 毛卫民,李述刚,张武城等.非枝晶半固态ZL101合金的电磁搅拌及触变成形的研究.铸造,1999(2):5～8
7 张鹏,曾大本.异军突起的镁合金压铸.特种铸造及有色合金,2000(6):55～57
8 曾大本,李培杰.镁合金压铸业现状及发展趋势.铸造,49(12):371～374
9 孙伯勤.镁合金压铸件在汽车行业中的巨大应用潜力.特种铸造及有色合金,1998(3):40～41
10 HellawellA .GrainEvolutioninConventionalandRheocastings.The4thInt.Conf.onSemi solidProcessingofAlloysandCompositions.TheUn iversityofSheffield,England.1996.6.19～21:60～65
11 FlemingsMC .BehaviorofMetalAlloyintheSemi solidState.Metall.Trans.,1991,22B(6):269～293
12 李树索,赵爱民,毛卫民等.半固态过共晶AlSi合金显微组织中近球形α相形成机理的研究.金属学报,36(5):545～549湖北省重点科技计划资助项目 (2 0 0 0 2P0 30 4 )牍烫鞅涑尚渭际跫白氨浮＝峁砻?:多功能螺纹元件组合的双螺杆制浆装置制备的浆料晶粒细小 (10～ 5 0 μm) ,固相率可在 5 %～ 5 0 %范围内调整 ;封闭式加热保温、快开快关控制的浆料存储与输送装置 ,较好地解决了浆料连续制备与间歇压铸的配套 ;生产的半固态压铸件 ,强度提高了 2 0 %以上1 朱鸣芳,苏华钦.半固态铸造技术的研究现状.特种铸造及有色合金,1996(2):29～32
2 李元东,郝远,陈体军等.镁合金半固态成形的现状及发展前景.特种铸造及有色合金,2001(2):77～78
3 谢水生,黄声宏.半固态金属加工技术及其应用.北京:冶金工业出版社,1999.
4 张永忠,张奎,刘国钧等.AlSi10Cu2Mg合金的半固态触变成形.特种铸造及有色合金,1999(6):6～8
5 吴艳军,陈振华.半固态金属触变性质及应用新进展.特种铸造及有色合金,2001(1):44～46
6 毛卫民,李述刚,张武城等.非枝晶半固态ZL101合金的电磁搅拌及触变成形的研究.铸造,1999(2):5～8
7 张鹏,曾大本.异军突起的镁合金压铸.特种铸造及有色合金,2000(6):55～57
8 曾大本,李培杰.镁合金压铸业现状及发展趋势.铸造,49(12):371～374
9 孙伯勤.镁合金压铸件在汽车行业中的巨大应用潜力.特种铸造及有色合金,1998(3):40～41
10 HellawellA .GrainEvolutioninConventionalandRheocastings.The4thInt.Conf.onSemi solidProcessingofAlloysandCompositions.TheUniversityofSheffield,Englan
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