半固态铸造铝合金材料的研究现状

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半固态铸造铝合金材料的研究现状

发布日期：2015-12-15　来源: 中国铸造网　查看次数: 193　作者：[db:作者]

核心提示：　　上海交通大学印飞>王亦新洪慎章教育部高温材料及高温测试开放试验室曾振鹏阐述了铝合金半固态铸造的成形工艺，半固态铸造工业生产过程，半固态铸造专用原材料锭坯生产的主要方法，展望了半固态铸造技术的发展前

　　上海交通大学印飞>王亦新洪慎章教育部高温材料及高温测试开放试验室曾振鹏阐述了铝合金半固态铸造的成形工艺，半固态铸造工业生产过程，半固态铸造专用原材料锭坯生产的主要方法，展望了半固态铸造技术的发展前景。

　　1半固态成形工艺半固态成形的工艺过程），是将经搅拌等工艺获得的半固态浆体坯料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态成形（a）。由于半固态金属浆液的保存和输送很不方便，因而这种成形方法投入实际应用的较少。R.Shibata等人直接在压铸机压室中用电磁搅拌方法制备半固态合金浆液，然后将其挤入模具型腔成形。用此法制成的铝合金铸件的力学性能较挤压铸件高，而与半固态触变成形的性能相当1‘触变铸造或称触变成形（Thixofoming），是将经搅拌等工艺获得的半固态坯料冷却凝固后，按所需尺寸下料，再重新加热至半固态温度，然后放入模具型腔中进行成形加工（b）。由于半固态金属坯料的加热、输送很方便，并且成形过程容易控制，便于实现自动化生产，因此半固态合金触变成形是当今半固态铸造的主要工艺方法。

　　2半固态成形专用原材料的生产半固态成形工艺采用特殊方法生产所需组织结构的坯料。对于铝合金而言，一般使用对凝固过程中的液态金属进行电磁搅拌的方法获得具有均匀的较为细小的球状等轴晶粒的冶金组织，因此，凡是可使锭坯获得这种组织的铸造方法或其他方法皆可用于生产该坯料。

　　目前可生产这种坯料的工艺主要有6种，但只有前两种进入了商业化生产阶段。①电磁流体动力学铸造法，即电磁搅拌法；②应变熔化法；③机械搅拌法；④化学晶粒细化法；⑤形变热处理法；⑥奥斯普雷法。

　　2.1电磁搅拌法首先使用电磁搅拌法生产半固态加工锭坯的是美国阿卢马克斯工程金属工艺公司（AEMP），它于1978年铸出了符合要求的圆锭。目前，美国阿卢马克斯铝业公）的霍利山（Mt.Holly）铝厂和英塔尔科（Intalco）铝厂可用立式铸造法和横向铸造法生产直径75mm（3“）和150mm（6”）的MHDC圆锭，供世界各国半固态成形加工厂用。

　　为电磁搅拌铸造法示意图。电磁感应线圈产生的电磁场对凝固着的铝熔体进行强力搅拌，将结晶的树枝状晶的“枝”与“叉”打落，以形成球状等轴晶粒组织。控制电磁场强弱、电磁线圈高度、铸造速度、冷却强度等工艺参数，就可控制晶粒大小。

　　*印飞，上海交通大学材料科学与工程学院，上海市华山路1954号（200030）半固态铸造铝合金材料的研究现状带外部转子的电磁流变铸造机示意。分流盘2.结晶器3.铝熔体4.凝固着的铝熔浆5.半固态铝锭6.铸造机锭座7.冷却水8.转子电磁铁永久磁铁转子流变铸造机不但可铸圆锭，而且能铸扁锭、方锭、空心锭等。另外，还具有如下的优点：转子结构简单体积也不大，可安装在现有连续或半连续铸造机上，改造工作量很小；转子感应器可设计制造得相当高，例如可高达700mm，搅拌时间有所延长，使铸造组织得到进一步的改善；每吨锭平均电能消耗2kW，因为磁场是由永久磁铁产生的，无任何有效功与无效功损失，功率因素非常接近1，设备造价极低。

　　流变铸造锭坯晶粒细小、组织均匀，几乎不存在疏松与显微气孔，力学性能高。为半固态铸造件的优质高产与高的重现性创造了先决条件。电磁搅拌铸造锭的晶粒尺寸一般可达60为细小的适合半固态铸造的球状等轴晶粒；常规半连续水冷锭的晶粒尺寸一般为100~400为粗大的柱状树枝晶。

　　2.2应变熔化法电磁搅拌流变铸造只能铸造直径较大的锭坯，成形几百克以上的较重零件，也就是说，直径<40mm的圆棒不能用铸造法进行商业化生产。半固态铸造几十克重的零件必须用直径小的半固态坯料。目前，在工业生产中，这种坯料是用应变熔化法生产的3.该法的工艺流程为，对热挤压或热轧的直径较大的棒材施加相当大的冷变形，然后把它加热到固相线与液相线之间的某一温度，即固一液状态，保温一定时间，凝固后就可形成非树枝状的半固态组织。这种获得细小球状等轴晶粒组织的工艺，，目前还不能从理论上获得圆满的解释，但一般认为是由于恢复与再结晶的结果。

　　当冷变形相当大时，就会发生恢复与再结晶过程，形成新的晶界。若晶界能大于固一液界面能的2倍，这种界面就是大角晶界的表面，液相会进入这些晶界，大的晶粒的碎化，形成细小的晶粒。在原来的树枝状晶粒碎化的同时，尖锐的凸起部分熔化，由于扩散作用，凹处则发生凝固，于是液相基体结晶成细小的球状等轴晶粒组织。

　　试验用SIMA法获得的AlSi6合金晶粒的平均尺寸约为40比电磁搅拌流变铸造的晶粒（通常平均尺寸为60，um左右）小得多。若冷却变形率更大一些，晶粒平均尺寸可<25m.不过，在固一液区的保温时间不宜过长，否则晶粒会聚集长大，通常，保温时间不大于2.3机械搅拌法机械搅拌法最早用于流变铸造生产，但目前在工业生产中很少采用，大多用于试验工作，虽然简单易行，但工艺参数不易控制，很难保证产品质量的一致性。锭坯的晶粒尺寸较大，一般为200rtn左右。此法的另一不足之处是有运动器械与高温熔体接触，且能量消耗也较大。

　　2.4化学晶粒细化法化学晶粒细化法是添加晶粒细化剂或变质剂，增加外来晶核数目与改变结晶方式来细化晶粒与改善结晶组织，使生产的锭坯适合于半固态铸造。德国已用此法生产半固态材料锭坯。通常，向变形铝合金中添加A-Ti-B中间合金来细化晶粒，而铸造铝合金则多用Al-Sr中间合金进行变质处理。

　　2.5形变热处理法形变热处理晶粒细化法是对热加工的铸造材料施加一定量的冷变形，而后把它加热到再结晶温度以上的某一温度，保温适当的时间，通过恢复与再结晶，形成适合于半固态加工的细小的球状等轴晶粒组织。形变热处理细化晶粒法与SIMA法的基本区别是，前者的加热温度低，仅比合金的再结晶开始温度高30°C左右；而后者的加热温度则相当高，应比合金的固相线温度高几度。

　　2.6奥斯普雷法奥斯普雷法又称喷射沉积法，也可用于生产半固态坯料。熔融合金通过气体（氮或氩）雾化成液滴流，以一定的速度冲向下方的成坯盘，直径约100m的液珠在向下运动过程中，受到惰性气体流的冷却，表面温度迅速下降。发生凝固，形成外壳，而沉积时由于撞击，外壳破裂，内部正在结晶的树枝晶破碎，形成非常细小的球状等轴晶粒，其尺寸比原来的液滴小得多。

　　特种铸造及有色合金2002年压铸专刊安徽省六安市红外工业电炉厂地址：安徽省六安市鼓楼街大棚场5号为了保证半固态压铸生产的连续进行，模具温度应保持在一定范围内。因此，每一个压铸循环，金属传给模具的热量Qa与模具导出的热量Q出应保持平衡：因为半固态金属的凝固热量比液态金属小的多，所以，模具冷却强度（包括追加冷却、自然散热、喷涂等）要比液态压铸时小。通过试验还证明，提高充型速度，缩短填充时间有利于提高铸件表面品质。

　　为半固态压铸的汽车空调器涡轮、空压机连杆和水泵盖体零件的毛坯外形照片。可以看出，材料的半固态成形性能良好，压铸件的外形轮廓清晰。我们对半固态制品进行了进一步分析测试，结果所有的半固态压铸零件都通过了X射线探伤检查。

　　（上接第259页）3结语半固态成形具有以往加工技术所没有的各种特点和优点，其节约能源，减少资源浪费，有利于环境保护的特殊优点更符合面向新世纪的金属加工技术的特点，被专家们称为21世纪新兴的金属制造关健技术之一。

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