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轻金属半固态成形技术观点详解及其应用生长(中)

2020-09-27  来自: lol下注平台 浏览次数:

多种多样的制浆工艺方法层出不穷目的都是为了获得良好的半固态浆料组织及成型实现满足特定的性能需求。在实际生产应用中半固态金属浆料可以大致分为两大类:一是“类液浆料”浆料中包罗着疏散的固相颗粒在外力作用下的流动体现与液体类似。另一类是“类固浆料”浆料中固相颗粒相互毗连整体上显示固态行为具有明确的屈服强度。这也就是生产中常说的低固相与高固相低固相成形更靠近铸造适合于庞大形状零件;高固相成形更靠近铸造适协力学性能要求高的零件。

生长至今半固态成形工艺门路主要分为两条:一条是金属从液态降温到半固态温度在冷却历程中通常举行强烈搅拌等方式促使其非枝晶化然后对所获得的半固态浆料直接成形被称为流酿成形;另一条是金属从固态升温到半固态温度为了保证同样获得球形固相被液相困绕的非枝晶组织通常是把通过搅拌等方式获得的半固态合金先冷却生存获得可室温搬运的大块坯料然后在成形前预先按产物重量将坯料定量支解再送入加热设备中重熔至半固态状态最后把坯料置于成形设备中加工成形被称为触酿成形。在实际应用中工艺往往有所延伸和变化人们对两条工艺门路有时分辨不清实际上区别两者的一个简朴方法是看零件成形前的温度控制流酿成形是降温历程触酿成形是升温加热历程。

最初的半固态合金浆料制备研究基本都是接纳机械搅拌法。该方法使用搅拌棒或者叶片在熔体中举行机械运动从而改变熔体中的晶体形核和生长演化方式在冷却历程中便能够使半固态浆料中含有球状或近球状的初生固相。一般机械搅拌法可分为间歇式和一连式两种类型如图9所示。该方法可以获得很高的剪切速率同时结构简朴、成本低。但熔体内往往存在搅拌不到的死区虽然有研究革新搅拌器结构以改善搅拌效果不外生产效率低而且金属浆料易受污染生长至今工业生产上已较少使用。

应变诱导熔体激活法

(1)降温固化法即是通过使处于液态的合金发生冷却通常接纳边搅拌边冷却的方式使坯料形成非枝晶化的组织其关键在于控制凝固历程。生长比力成熟的几种方法主要包罗机械搅拌法、电磁搅拌法、剪切-冷却-转动法和斜坡冷却法等。

(二)半固态成形技术的工艺门路与制浆方法

岂论哪种工艺门路半固态成形历程中的焦点环节都是半固态合金浆料(坯料)的制备而且浆料制备的稳定性决议了产物质量的稳定性。经由多年生长已提出数十种半固态浆料制备方法传统上一般根据搅拌法与非搅拌法举行分类但其实也可以根据对温度的控制举行分类可分为降温固化法和升温液化法以下划分枚举几种典型的制浆方法。

图9 机械搅拌制备半固态浆料

图8 半固态成形技术的两种工艺门路对于流酿成形由于把浆料制备和加工成形相承接具有生产效率高、整体流程短的特点近年来生长十分迅速不外浆料的生存和输送难度大设备自动化控制庞大成底细对高。对于触酿成形浆料的制备和最终成形可离开举行成形厂方甚至可以不用到场熔炼制浆只需提供二次加热工业污染小而且半固态坯料输送利便易于实现自动化因而在外洋较早获得了广泛应用不外这种方式的缺点是坯料经由冷却和再加热的历程能源消耗有所增加。流酿成形和触酿成形这两个基本门路哪个具有恒久更好的意义现在尚未清楚但对于差别产物需求与质料特性其应用选择有差别偏重。

与塑料注塑类似如图14所示注射成型法是将低熔点金属颗粒举行加热至半固态成型尺寸为几毫米的合金粒子在料筒中边被加热边被螺旋体剪切推进通过螺旋强制对流的搅拌作用获得细小匀称球状晶的半固态浆料组织(图15)然后以高速(注塑十倍速度)注入模腔里。这种方法很是适于相对较生动的镁合金质料在整个浆料制备和成型工艺中可以不使用掩护气体和防氧化剂不需要配备熔化炉而且不会发生浮渣、炉渣等兼顾宁静性和环保。

图10 电磁搅拌制备半固态浆料

图16 高固相与低固相

剪切-冷却-转动法由日本学者开发在1996年申请了美国专利。该装置的组成部门主要包罗:旋转冷却辊、牢固的弯曲牢固板和剥离器。如图11所示当合金熔液由顶部注入间隙中随即被旋转的轧辊卷入间隙内部在与轧辊及牢固板接触历程中部门熔体发生冷却凝固但随即又被旋转轧辊和牢固曲板所冲刷剪切力使已凝固部门碎化成细小颗粒疏散在液相里从而使从间隙中流出的半固态浆料中含有近球形的固相。该工艺方法生产效率高装置结构简朴其中旋转辊进而牢固板的温度及间隙距离可以调整易与铸轧等一连成形方法相联合适合应用于批量生产大尺寸制品。

除以上几种被广泛研究和应用的浆料制备方法外另有许多新方法被提出包罗化学晶粒细化法、蛇形通道法、转动输送管法、分流汇合浇道法、热平衡法(Seed)、快速制浆法(RSF)等都是在传统方法基础上举行改善和创新。降温固化法的关键在于对熔体举行扰动控制其焓变凭据MIT新的研究讲明如若控制恰当对熔体举行几秒钟的扰动便可以获得良好的半固态浆料。整体上制浆方法出现复合化生长的趋势研究人员期望联合差别方法的优势在获得良好半固态浆料组织的同时实现制备工艺历程稳定、坯料质量高和经济性高以满足生产应用的需要。

斜坡冷却法

斜坡冷却法是由日本青年学者提出并开展广泛研究它的原理是:先把合金熔液温度降至靠近液相线温度然后以一定速率倾倒于冷却斜板上斜板内部具有水冷装置发生的激冷作用使接触熔体泛起细小的晶粒形核随后在自重作用和合金熔体流动的打击下晶粒发生脱离斜板并转动落入可控温度的容器中缓慢冷却从而形成近球形组织的浆料。这种方法获得的半固态坯料固相分数一般不凌驾10%。

图11 剪切-冷却-转动法

图12 半固态浆料的一些其他制备方法

(2)升温液化法即是通过加热升温使原本的固态合金组织中泛起液相最终形成液相匀称困绕球形固相的非枝晶组织。升温液化法无需熔炼历程制备浆料历程简朴设备投入成本低宁静性更高浆料加热到所需的组织状态后直接举行触酿成形。

剪切-冷却-转动法

应变诱导熔体激活法(Strain Induced Melt ActivationSIMA)的详细工艺流程为:将通例合金铸锭首先在固相线以下、再结晶温度以上的温度区间内举行较大变形量的热加工变形使原始的铸态组织发生碎化或变形然后在室温下再对合金施加一定的冷变形使合金组织中进一步储存变形能为再结晶提供准备条件然后对合金举行半固态温度下的等温热处置惩罚便能够获得具有非枝晶组织的半固态坯料。详细而言在加热历程中合金首先发生回复和再结晶历程畸变晶粒逐渐被新的等轴晶替代随后晶界处低熔点物质熔化液相沿晶界逐渐增多时就导致被液相困绕的固相发生球化从而获得具有一定液相率及固相晶粒尺寸和圆度的半固态坯料。SIMA法具有显着优点其工艺历程简朴不需要搅拌历程从而对坯料零污染且不需要接纳庞大高成本的设备就能稳定获得匀称的非枝晶组织坯料对于生产小尺寸铝合金产物很具竞争力。

图13 SIMA法工艺门路图

SIMA法的关键在于对合金引入一定临界的应变能使铸态组织破碎。所以SIMA法可以被简化也可以不举行冷变形只举行大变形量的热变形变形温度也可以在再结晶温度以下然后将合金举行半固态重熔加热就可以获得球状的半固态组织。厥后有学者提出再结晶重熔法(RAP)、锻态铝合金半固态等温热处置惩罚法(WASSIT)等方法实际上都是SIMA法的简化与生长期望使合金内部引入应变能的方式更简朴这是因为如果根据最初的SIMA法制备坯料所需要的塑性变形工序将使得SIMA法生产坯料的成本较电磁搅拌法的高3~5倍。

粉末法

粉末法即是基于传统的粉末冶金法通过将金属粉末混淆、压块然后再举行快速感应加热使一种粉末熔化或差别身分粉末相互扩散形成合金区别在于加热时间要比通常烧结延长使颗粒界面发生部门熔化从而获得半固态金属浆料。这个历程中颗粒聚集的时机很小进而可以获得颗粒尺寸匀称细小(<50μm)的非枝晶组织同时由于这种方法以工业粉体为原料将制坯与成形融为一体历程控制利便生产率高。粉体的形状、尺寸决议了半固态组织的情况因此该方法对粉体制备的技术水平要求较高在工业化应用上受到限制。

注射成型法

电磁搅拌法是现在半固态成形工业生产上最成熟最广泛被应用的制浆方法它是在感应线圈中通入一定相位的交变交流从而发生变换旋转的磁场而金属液中便有感应电流发生洛伦兹力就驱使金属熔体发生猛烈运动使非枝晶凝固模式取代传统的枝晶凝固趋势从而获得含有球形固相的半固态浆料。如图10所示按熔体被搅拌力驱动的流动方式一般分为垂直式、水平式、螺旋式。电磁搅拌接纳无接触式地对合金熔体举行搅动对合金污染极大降低且通过调治电流、磁场强度和频率等参数就能实现搅拌效果的控制可以一连高效地制备坯料适用于工业化的生产应用。但由于电磁搅拌的集肤效应通常认为直径大于150mm的铸坯不宜接纳电磁搅拌法。

图14 镁合金触变注射成型装备参考图

图15 镁合金触变注射成型微观组织原理

电磁搅拌法

机械搅拌法

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