鋁合金半固態(tài)鍛造工藝研究

1、輕金屬半固態(tài)模鍛工藝研究輕金屬半固態(tài)模鍛工藝研究1、前言20世紀(jì)70年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員發(fā)現(xiàn)，金屬材料在凝固過程中施加強(qiáng)烈的攪拌，可以打破傳統(tǒng)的枝晶凝固模式，形成近球狀的組織，從而得到一種液態(tài)金屬母液中均勻懸浮著一定球狀或類球狀初生固相的固—液混合漿料，即半固態(tài)漿料，這種漿料具有良好的流變性和觸變性，采用這種既非液態(tài)又非完全固態(tài)的金屬漿料跟常規(guī)加工方法如壓鑄、擠壓、模鍛等結(jié)合實(shí)現(xiàn)成形加工的方法稱為半固態(tài)金屬加工(SemiSo

2、lidMetalProcessing，簡(jiǎn)稱SSM)。從理論上講，凡具有兩相區(qū)的合金及其復(fù)合材料均可以實(shí)現(xiàn)半固態(tài)成形加工。該方法之所以能夠發(fā)展成為一種先進(jìn)的成形加工技術(shù)，完全基于半固態(tài)金屬材料所具有的特殊流變學(xué)性能，即觸變性：當(dāng)半固態(tài)金屬坯料所受的剪切力不大時(shí)，坯料具有很高的粘度近似固態(tài)，可以方便地放置和搬運(yùn)；而當(dāng)受到較大剪切變形時(shí)，坯料便表現(xiàn)出較小的粘度可以像液態(tài)一樣隨意流動(dòng)成形。但是采用具有枝晶狀初生相組織的固—液混合體成形加工時(shí)，由

3、于枝晶狀組織的相互搭結(jié)、纏繞，變形阻力大，流動(dòng)性很差，固液相極易分離，產(chǎn)生嚴(yán)重的熱裂與宏觀偏析。因此，半固態(tài)金屬成形具有多方面的優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)于普通液態(tài)成形（如壓力鑄造或擠壓鑄造），由于半固態(tài)漿料中已有一半左右的固相存在而且溫度低于液態(tài)金屬近100℃，因此可以消除常規(guī)鑄件固有的皮下氣孔和疏松等缺陷，而且模具壽命成倍提高；相對(duì)于常規(guī)固態(tài)成形（如模鍛或擠壓），由于半固態(tài)漿料具有很好的流動(dòng)性，因此變形抗力極低，可以一次加工成形復(fù)雜的零件，減少了成

4、形道次、模具投入及后續(xù)機(jī)加工量，而力學(xué)性能則與固態(tài)鍛造相當(dāng)。正是半固態(tài)金屬鍛造技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和近終成形等突出優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代汽車制造業(yè)對(duì)有色合金鑄件高致密度、高強(qiáng)度、高可靠性、高生產(chǎn)率和低成本等要求，因此倍受汽車制造廠商以及零部件配套生產(chǎn)廠商的重視。半固態(tài)金屬鍛造與半固態(tài)金屬觸變壓鑄實(shí)質(zhì)上并無明顯差別，其主要不同之處在于前者是用半固態(tài)金屬在鍛造設(shè)備上加工成形。鍛造半固態(tài)金屬可以在較低的壓力下進(jìn)行，這使得一些傳統(tǒng)鍛造無法成形的

5、形狀復(fù)雜構(gòu)件可以在半固態(tài)金屬鍛造方法來生產(chǎn)，其鍛造設(shè)備可分為立式和臥式壓力機(jī)兩種。半固態(tài)鍛造是將加熱到半固態(tài)的坯料，在鍛模中進(jìn)行以壓縮變形為主的模鍛以獲得所需3、坯料二次加熱工藝、坯料二次加熱工藝半固態(tài)加熱過程中要求加熱速度應(yīng)快且均勻，以免低熔點(diǎn)共晶相產(chǎn)生偏析、固態(tài)部分沉淀，使表面氧化降到最小，半固態(tài)材料的粘度與固體組分的體積百分?jǐn)?shù)有關(guān)，粘度大填模能力小，從這一點(diǎn)來看，要求出爐溫度高一些，然而，從節(jié)約能源、減小模具的熱沖擊、減少薄壁與厚

6、壁部分過渡帶的紊流，從降低氣穴與凝固收縮率的角度看又要求出爐溫度低。另外，為使坯料在加熱過程中保持原狀和便于搬運(yùn)，也要求出爐溫度盡可能低，但又有一個(gè)允許的最低溫度，低于此溫度就不能保持設(shè)定的固液比。因此，出爐溫度只要比允許的最低溫度略高一些，從而可達(dá)到液相體積百分?jǐn)?shù)保持在非常窄的范圍內(nèi)，并確保均勻地分布于整個(gè)坯料體積內(nèi)的目標(biāo)，在這種狀態(tài)下的坯料既軟的象豆腐一樣，又可以用刀切割，同時(shí)能保持原形。加熱過程一般分為兩個(gè)階段，開始階段為大功率快

7、速加熱，后一階段為小功率均勻化加熱，在前一階段加熱時(shí)，坯料內(nèi)總會(huì)或多或少的存在著溫度不均勻性，再通過后一階段加熱就可以達(dá)到溫度均勻，整個(gè)加熱時(shí)間為3～15分鐘，取決于坯料的尺寸、形狀和合金類型。圖2是我院研制開發(fā)的半固態(tài)成型專用加熱設(shè)備。圖2半固態(tài)成型專用加熱設(shè)備圖3左為熱鍛、右為半固態(tài)鍛造渦輪4、模鍛成形工藝、模鍛成形工藝半固態(tài)模鍛工藝與傳統(tǒng)模鍛工藝又很大不同。將加熱均勻的半固態(tài)坯料裝入模鍛機(jī)下模內(nèi)，并鍛壓成型，成型過程中根據(jù)材料的形