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(jìn)行坯料試樣的二次加熱實(shí)驗(yàn)，合金壓縮熱模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了合金的半固態(tài)擠壓成形，以期采用具有組織細(xì)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(qiáng)度對(duì)坯料組織的影響，分析

2、了半固態(tài)坯料微觀組織形成機(jī)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(chǎng)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(zhǎng)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(shí)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(qiáng)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(dāng)冷卻強(qiáng)度一定時(shí)，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(shí)，可獲得表面質(zhì)量光潔，橫截面上分布均勻、細(xì)小、呈近球狀或薔薇狀組織的半固態(tài)坯料。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 ⑴對(duì)半固態(tài)坯料進(jìn)行了二次加熱實(shí)驗(yàn)研究及理論計(jì)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(shí)間的變化及演變機(jī)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(jìn)程加快，所需要的保溫時(shí)間縮短；保溫溫度相同時(shí)，隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng)，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(xì)小的硅顆粒，硅顆粒將隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)不斷長(zhǎng)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(shí)，6063合金二次加熱溫度為620℃，保溫lO～15min時(shí)，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(jìn)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(shí)驗(yàn)分析及熱模擬分析結(jié)果，對(duì)近液相線半連續(xù)鑄造制備的ZL116、6063合金坯料進(jìn)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(duì)半固態(tài)擠壓成形件的熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明：合金

6、進(jìn)行半固態(tài)擠壓成形時(shí)，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(zhǎng)大，而且起到了強(qiáng)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(cuò)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(xì)

7、晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化的作用。由于半固態(tài)擠壓是在固、液兩相區(qū)內(nèi)進(jìn)行成形，不需要對(duì)鑄態(tài)坯料進(jìn)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(jìn)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(xì)小的硅顆粒以及沉淀相，起到一定的強(qiáng)化作用。部分變形的固相顆粒由于再結(jié)晶使晶粒更加細(xì)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(jìn)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(shí)效10h，抗拉強(qiáng)度為325MPa，伸長(zhǎng)率為14.6％，與鑄態(tài)成形件相比，塑性提高了192％，固溶時(shí)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(shí)效，抗拉強(qiáng)度達(dá)到240MPa以上，伸長(zhǎng)率達(dá)到19％以上，完全達(dá)到合金擠壓成形所要求的T6處理的性能指標(biāo)。利用正交實(shí)驗(yàn)確定出成形件熱處理優(yōu)化工藝為：520℃固溶lh、175℃時(shí)效6h，測(cè)得的抗拉強(qiáng)度為275MP