鋁合金半固態(tài)擠壓成形工藝及理論研究.pdf

1、本研究采用近液相線半連續(xù)鑄造技術(shù)制備的ZLI16、6063合金半固態(tài)坯料，在進行坯料試樣的二次加熱實驗，合金壓縮熱模擬的基礎(chǔ)上，進行了合金的半固態(tài)擠壓成形，以期采用具有組織細小均勻，具有非枝晶組織的，適合于半固態(tài)觸變成形的鋁合金坯料，通過高固相率條件下的半固態(tài)擠壓成形，獲得成形性好，力學(xué)性能優(yōu)良，高效率，低成本的成形件。本文通過近液相線半連續(xù)鑄造技術(shù)制備ZLI16及6063鋁合金半固態(tài)坯料，研究了鑄造速度與冷卻強度對坯料組織的影響，分析

2、了半固態(tài)坯料微觀組織形成機理。由于過熱度小，近液相線半連續(xù)鑄造使熔體內(nèi)的溫度場趨于均勻分布，形核數(shù)量明顯增多；成分過冷的減小，使晶粒在生長過程中互相接觸后，枝晶的熟化程度加大，有利于薔薇狀晶粒組織的形成；鑄造速度決定一、二次冷卻時間和冷卻效果，將直接影響到坯料橫截面上微觀組織的形貌及其分布，適宜的冷卻強度和鑄造速度有利于坯料截面上獲得分布均勻的非枝晶組織。當冷卻強度一定時，ZLI16合金鑄造速度控制在150～200mm/min，6063

3、合金鑄造速度控制在100～170mm/min時，可獲得表面質(zhì)量光潔，橫截面上分布均勻、細小、呈近球狀或薔薇狀組織的半固態(tài)坯料。主要研究內(nèi)容包括：
　　 ⑴對半固態(tài)坯料進行了二次加熱實驗研究及理論計算，考察分析了半固態(tài)坯料二次加熱組織隨加熱溫度以及保溫時間的變化及演變機理。合金半固態(tài)坯料在二次加熱過程中，隨著加熱溫度的升高，晶粒球化進程加快，所需要的保溫時間縮短；保溫溫度相同時，隨著保溫時間延長，球化的晶粒將發(fā)生粗化；在共晶合金二

4、次加熱過程中，共晶硅熔斷發(fā)生粒狀化，在重熔液相內(nèi)形成分布均勻、細小的硅顆粒，硅顆粒將隨著保溫時間的延長不斷長大，并逐漸減少，最終熔化消失。ZL116合金二次加熱溫度為575℃，保溫lO～15min時，6063合金二次加熱溫度為620℃，保溫lO～15min時，重熔組織演變比較穩(wěn)定，可以獲得尺寸較小，球化效果比較好，適于進行半固態(tài)觸變成形的組織。
　　 ⑵ZL116、6063合金坯料在固態(tài)以及半固態(tài)條件下的壓縮變形研究表明：在高固

5、相率半固態(tài)壓縮變形中，相同的溫度條件下，變形應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增加而增大；隨著變形溫度的提高，變形應(yīng)力增加幅度逐漸減小。與固態(tài)壓縮變形相比，半固態(tài)條件下應(yīng)力變化受應(yīng)變速率的影響較小，采用較低的應(yīng)變速率可獲得比較穩(wěn)定的變形效果。
　　 ⑶根據(jù)實驗分析及熱模擬分析結(jié)果，對近液相線半連續(xù)鑄造制備的ZL116、6063合金坯料進行半固態(tài)及固態(tài)擠壓成形，分析研究了成形件的組織及性能，對半固態(tài)擠壓成形件的熱處理工藝進行了優(yōu)化。實驗表明：合金

6、進行半固態(tài)擠壓成形時，由于變形抗力很小，變形過程中各方向受力比較均勻，坯料截面上流速分布一致，受成形件壁厚影響很小，有利于獲得分布均勻的變形組織；與固態(tài)擠壓成形相比，半固態(tài)擠壓成形溫度高，固相顆粒內(nèi)固溶大量的溶質(zhì)原子，隨著快速冷卻，以析出相的形式彌散分布在基體組織上，不僅阻礙了再結(jié)晶晶粒的長大，而且起到了強化作用。成形中，由于晶間液相的緩解作用，使變形固相顆粒內(nèi)位錯堆積而形成的應(yīng)力集中明顯減小，變形顆粒僅發(fā)生了部分回復(fù)與再結(jié)晶，起到了細

7、晶強化和位錯強化的作用。由于半固態(tài)擠壓是在固、液兩相區(qū)內(nèi)進行成形，不需要對鑄態(tài)坯料進行均勻化處理，可以有效縮短合金的成形周期。
　　 ⑷ZL116合金在575℃進行高固相率半固態(tài)擠壓成形，成形件表面光潔，橫截面組織分布均勻，在成形組織上彌散分布著大量細小的硅顆粒以及沉淀相，起到一定的強化作用。部分變形的固相顆粒由于再結(jié)晶使晶粒更加細小，與固態(tài)擠壓工藝相比，具有良好的半固態(tài)擠壓成形性與力學(xué)性能。進行半固態(tài)擠壓成形件熱處理優(yōu)化，確定

8、出最佳工藝方案為：545℃固溶4h，178℃時效10h，抗拉強度為325MPa，伸長率為14.6％，與鑄態(tài)成形件相比，塑性提高了192％，固溶時間明顯縮短，降低了能耗。
　　 ⑸6063合金半固態(tài)擠壓成形件經(jīng)在線固溶及自然時效，抗拉強度達到240MPa以上，伸長率達到19％以上，完全達到合金擠壓成形所要求的T6處理的性能指標。利用正交實驗確定出成形件熱處理優(yōu)化工藝為：520℃固溶lh、175℃時效6h，測得的抗拉強度為275MP