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半固態(tài) 鋁 合 金 （ 漿料 流變成形 的 充填性能 2, 材料科學(xué)與工程學(xué)院 . 北京科技大學(xué) , 北京 100083. 2 國家有色金屬材料合成工程研究中心 。有色金屬材料總研究所 ，北京 100088 摘要：許多流變成形方法研究了漿料溫度、注漿壓力和活塞速度對(duì)半固態(tài) 果表明， 半固態(tài) 填性能 有非常巨大的影響；漿料溫度越高 ， 充填性能 越好，并且流變成形的合適漿料溫度是在 585注漿壓力也對(duì) 充填性能 有非常巨大的影響，并且當(dāng)它處在 15合 流變成形。 活塞速度也對(duì) 充填性能 有非常巨大的影響，并且當(dāng)活塞速度在 變成形。由電磁攪拌的低過熱度澆注準(zhǔn)備的漿料的 充填性能 是非常好的，并且流變成形 壓鑄 中的微結(jié)構(gòu)分布是均勻的， 這種情況有利于高質(zhì)量壓鑄。 合金；流變成形； 充填性能 ；半固態(tài) 1 引言 自從 1970萊明斯 發(fā)展了半固態(tài)金屬成型以來 ，它已經(jīng)了吸引了海外和國內(nèi)相當(dāng)大的注意力。 一些專家學(xué)者已經(jīng)對(duì)這些技術(shù)的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用進(jìn)行了研究。又經(jīng)過 30多年的發(fā)展，這些理論和應(yīng)用研究已經(jīng)成功應(yīng)用于制造各種各樣的汽車和飛機(jī)零部件 [1但是，發(fā)展到現(xiàn)在，只有 觸變成形 技 術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到商業(yè)生產(chǎn)，但是這種商業(yè)生產(chǎn)規(guī)模非常小。這主要是因?yàn)榘牍虘B(tài)漿料的準(zhǔn)備代價(jià)和二次加熱的能量消耗 越來越大，并且 坯 、澆注系統(tǒng)和不合格鑄件 之間的循環(huán)是困難的。 當(dāng)與 觸變成形 技術(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)金屬的流變成形技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如 過程明顯變短，澆注系統(tǒng)和廢棄鑄件之間的循環(huán)變得容易，生產(chǎn)代價(jià)低等。因此，流變成形技術(shù) 現(xiàn)在已經(jīng)成為最重要的研究課題之一 [4短時(shí)間內(nèi)的電磁攪拌的低過熱度澆注 (是一種準(zhǔn)備半固態(tài)合金漿料的新方法 [10與高功率電磁攪拌得到的半固態(tài)合金 坯 相比， 它只需要更低的能量消耗 [12并且其過程控制明顯方便 [14]，其 漿料微結(jié)構(gòu)優(yōu)于液相線壓鑄技術(shù)得到的漿料結(jié)構(gòu)。因此， 以作為一種新的半固態(tài)流變成形過程的關(guān)鍵技術(shù) [15]。在 本文 研究中， 研究了由 356合金漿料的充填性能 ，其研究結(jié)果對(duì)改進(jìn)的流變成形技術(shù)的發(fā)展非常有用。 2 試驗(yàn) 試驗(yàn)中使用的原材料是商用的 的成分是 硅、鎂、 鐵和 鋁。 液體溫度和固體溫度分別大約是 615和 555℃ 。 在這些試驗(yàn)中， 后漿 料在一個(gè)感應(yīng)加熱器中經(jīng)受長時(shí)間的熱處理。 長時(shí)間的熱處理過程 之后，漿料最后被快速傳送到壓鑄機(jī)器的壓射室而成形。 為了研究上面得到的漿料的流變成形 充填性能 ，采用了 帶有 1300103模和其橫截面示意圖如圖 1。 流變成形的 試樣 長度可能作為評(píng)估漿料溫度、注漿壓力和活塞速度對(duì) 充填性能 的影響的標(biāo)準(zhǔn)。在這些試驗(yàn)中采用的漿料溫度在 585圍內(nèi)；注漿壓力 在 5塞速度處在 預(yù)熱壓模和壓射室得溫度分別是 120和 300℃ 。 3 結(jié)論 料溫度對(duì) 充填性能 的影響 在這里，漿料溫度是指漿料被傳送到壓射室時(shí)的溫度。試驗(yàn)說明漿料溫度對(duì)半固態(tài) 填性能 有非常大的影響。 在不同溫度下的 流變成形 螺旋形試樣的充填長度所圖 2所示 ，其中活塞速度是 m/s。 圖 2 漿料溫度對(duì)半固態(tài) 從圖 2可以看出，當(dāng)注漿壓力為 10、 15、 或者 20 著漿料溫度的增高，充填長度的變化趨勢(shì)是相似的，并且隨著漿料溫度的增高充填長度增長的趨勢(shì)是明顯的。即隨著 漿料溫度的增高，半固態(tài) 這是因?yàn)?隨著漿料溫度的增高，固相率和表觀粘度降低 。 因此 ，當(dāng)諧振器中的漿料流和充填長度增加時(shí)，充填阻力變小。另一方面， 由越高溫度產(chǎn)生的漿料的凝固時(shí)間將越長，并且充填時(shí)間也會(huì)更長。因而，漿料溫度越高，凝固時(shí)間越長，而 充填性能 越好。但是，如果漿料溫度相對(duì)比較高，那么可能會(huì)造成湍流和氣體運(yùn)移。因此，必須采納確保非常緊密充填的 適當(dāng)漿料溫度。 從圖 2還可以看出，由電磁攪拌的低過熱度澆注得到的漿料的 充填性能 非常好。甚至當(dāng)漿料溫度和重加熱壓模溫度分別是 585和 120℃ ，充填長度仍然可以達(dá)到 100說明了 30填性能 。如果漿料溫度繼續(xù)增加到 595℃ ， 充填長度將高達(dá) 180且在 180， 當(dāng)成形溫度和注漿壓力分別為 595℃ 和 20 ，充填長度將增加到 270因而，任何復(fù)雜的模槽的完全充填可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)漿料溫度和注漿壓力而得到保證。 漿壓力對(duì)充填性能的影響 圖 1 壓 模 (a)和其橫截面 (b)示意圖 （單位： 成形溫度 /℃ 充填長度/漿壓力是施加在壓射室里的半固態(tài) 流變成形過程中，它也是一個(gè)重要的參數(shù)，并且 注漿壓力對(duì)處在 不同注漿壓力條件下的螺旋形壓鑄件的充填長度的影響如圖 3所示，圖中漿料溫度是 585° C。 圖 3 注漿壓力對(duì)充填性能的影響 從圖 3可以看出，當(dāng)注漿壓力越小時(shí)，充填長度越短；但是，當(dāng)注漿壓力增加時(shí)，充填長度將增加。例如，當(dāng)注漿壓力是 5填長度僅是 71這說明充填性能不好。但是，當(dāng)注漿壓力增加到 15填長度將高達(dá) 110 說明充填性能比較好。而且，如果注漿壓力增加到 15填長度 也明顯增加，將高達(dá)到 120- 190 隨著注漿壓力的增加，充填長度的變化趨勢(shì)可以得到如下解釋：當(dāng)注漿壓力 越 低時(shí)，充填能量不足夠克服漿料的流阻力，因此， 充填長度越短；如果注漿壓力增加，漿料將獲得較大的能量用來克服漿料的流阻力。但是，如果注漿壓力非常高，并且達(dá)到臨界值，那么諧振器中的空氣不能立即排出，并且由于不利高溫，充填長度將降低，并且也可能會(huì)造成湍流 [1因而，如果要預(yù)防 湍流，必須選擇增高的注漿壓力。 從圖 3還可以看出，當(dāng)注漿壓力增加，如果活塞速度也同時(shí)增加，充填長度將增加。例如，當(dāng)活塞速度 是 m/s， 如果注漿壓力增加到 25填長度將高達(dá) 240 更確切地說，充填性能相當(dāng)好。主要原因可能是較高的充填速度減少漿料的散熱，并且充填速度越高，漿料凝固之間流動(dòng)的時(shí)間越長。因此， 充填性能將非常好。圖 3中的結(jié)果顯示，如果壓模的排氣比較好 并且 湍流不會(huì)出現(xiàn)，注漿壓力越高，充填性能越好，并且由電磁攪拌的低過熱度澆注得到的漿料的充填性能也非常好。 活塞速度對(duì)充填性能的影響 活塞速度是充填漿料時(shí)活塞向前移動(dòng)的速度。在流變成形過程中，它也是一個(gè)重要的參數(shù)。圖 4顯示了活塞速度對(duì)充填長度的影響 ，其中漿料溫度是 585° C。 充填長度/漿壓力 /圖 4 活塞速度對(duì)充填性能的影響 從圖 4可以看出，隨著活塞速度的增加，充填長度增加。當(dāng)注漿壓力是 10 活塞速度是 m/填長度僅有 70這說明這種狀態(tài)下充填性能比較差。 如果活塞速度增加到 s，并且注漿壓力也是 10 填長度增加并高達(dá) 100 是，如果活塞速度增加到 m/s，充填長度增加并達(dá)到 140 顯示 此時(shí)充填性能較好。隨著活塞速度的增加，漿料充填速度增加，同時(shí)在相同模槽里的充填時(shí)間縮短 ;散 熱也減少，以至于 流動(dòng)的 漿料 的溫度比較高 。結(jié)果顯示 ，漿料的表觀粘度將降低，并且漿料流性能也會(huì)比較好； 因而， 最后充填長度逐漸變長。 從圖 4還可以看出，如果注漿壓力增加，活塞速度也同時(shí)增加，充填長度將明顯增加。 例如，當(dāng)注漿壓力是 20填長度僅有105但是如果活塞速度增加到 m/s，充填長度 將增加到 180 這顯示這種條件下有好的充填性能。因而， 當(dāng)注漿壓力是 15 m/利于形成好的充填性能。 隨著活塞速度的增加，充填長度的變化趨勢(shì)也顯示由電磁攪拌的低過熱度澆注得到的漿料的充填性能也非常好 。 微結(jié)構(gòu)分布 為了得到各向同性的、好的機(jī)械 性能 ，在半固態(tài)金屬成形過程中，要求微結(jié)構(gòu)分布是均勻的，即球形 鑄件中呈均勻分布。圖 5顯示了冶金學(xué)上的切割點(diǎn)。 圖 6給出 A、 C 點(diǎn)處的中心微結(jié)構(gòu)和外圍微結(jié)構(gòu) 。從圖 6可以看出，不管是在 A、 B、或者 心處的球形 是，外圍的球形 不了多少 ，并且 沒有發(fā)現(xiàn)明顯的微結(jié)構(gòu)分離，這表明半固態(tài)漿料充填是穩(wěn)定的。 它也說明由電磁攪拌的低過熱度澆注得到的漿料適合流變成形過程，這將為 打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 壓鑄件具有高質(zhì)量和好的機(jī)械性能 。 充填長度/塞速度 /℃ 4 結(jié)論 （ 1） 半固態(tài) 料溫度越高，充填性能越好，并且 流變 成形 合適 的 漿料溫度是在 585 （ 2）注漿壓力對(duì)充填性能有非常大的影響，并且當(dāng)注漿壓力在 15合 流變 成形 。 （ 3） 活塞速度對(duì)充填性能有非常大的影響，內(nèi)時(shí)，適合 （ 4） 由電磁攪拌的低過熱度澆注得到的漿料的充填性能也非常好，并且在有利于形成高質(zhì)量的壓鑄件。 參考文獻(xiàn) [1] of in 22A(1991), [2] 25( 1976), [3] 2004, [4] T. 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