轻金属半固态成形技术-第4章

❖ 所以，在研究开发触变射铸技术的同时，美国康乃尔大 学提出了流变射铸技术，并于1993年制造了100kN的 立式流变射铸原型机。随后，在1994年6月，康乃尔研 究基金公司将该流变射铸技术申报了美国专利，并在 1996年3月获得专利授权。
立式流变射铸的工艺如图5-12。
❖ 流变射铸使用过热的液态合金；
❖ 而过热液态905铜合金的 压铸件中则出现许多气孔， 如图所示，浅色区域为气 孔。
4.2 压射室制备浆料式流变成形
为了避免半固态合金浆料的存储和输送，日本Hitachi金属 有限公司Shibata等人提出在立式压铸机的压射室中制备半 固态合金浆料，然后直接压射成形，如图5-5所示。
对浇入压射室中的AlSi7Mg铝合金进行电磁搅拌，铝合金熔体在搅 拌中不断冷却；到铝合金熔体冷却到适当的温度，就制备出了具有 触变性的半固态浆料。
❖ 然而，早期通过强烈机械搅拌获得的半固态金属浆 料的保存和输送很不方便，因而，半固态金属流变 成形技术的进展很缓慢，一直没有出现成熟的技术。
❖ 但是，半固态金属流变成形的最大优势是工艺流程 短、生产成本低。因此，近年来，半固态金属流变 成形技术的研究越来越受到重视，一些新的流变成 形方法正在取得突破性的进展。
❖ 液态合金从浇注漏斗中流入搅拌 桶和螺旋杆的缝隙中，以氩气保 护浇注漏斗，防止合金的氧化；
❖ 合金熔体在向下流动过程中，不 断被搅拌剪切和冷却，当合金熔 体到达出口时，半固态合金浆料 达到预定的固相分数，初，螺旋杆先后退一定 的距离，使螺旋杆前端积聚足 量的半固态合金浆料，然后螺 旋杆以一定的轴向速度将其前 端的半固态合金浆料压入模具 型腔；
第四章 半固态流变成形技术
1 传统机械搅拌式
2 压射室制备浆料式
3 单螺旋流变射铸 4 双螺旋流变射铸
5 低过热度倾斜板浇注式
6 低过热度浇注和弱搅拌式
7
流变轧制成形
4.1 传统机械搅拌式流变成形
➢ 在早期的研究中，美国MIT的Flemings等 曾经研究过A380铝合金和905铜合金的 半固态流变成形，两种合金半固态浆料都 是通过机械搅拌法制备的；
❖ 压射室外增加了感应加热器，用以均匀半固态浆料 的温度场；
❖ 从1999年开始，该技术已经用于汽车零件的生产。
压射室制备半固态浆料压铸工艺的缺点：
在压射室中制备半固态铝合金浆料的效率较低； 电磁搅拌容易引起合金熔体的飞溅和氧化； 压铸机压射室的结构过于复杂，降低了压铸机的生产效
率，压射室的寿命不可能的太长； 非搅拌制备半固态铝合金浆料时压射室边缘处的组织仍
非连续机械搅拌装置制备A380铝合金半固态浆料
➢ 在搅拌制备过程中，当A380铝合金 冷却到适宜的固相分数时，将坩埚中 的浆料送入压铸机的压射室进行流变 压铸成形。
➢ 流变压铸条件为：压射冲头速度为 0.91~2.13m/s，压射压力为 47.6~158.6MPa，压铸型温度为 204oC，半固态A380铝含金浆料的 温度为564~572oC。
❖ 随后，螺旋杆再次旋转搅拌合 金熔体，准备下一次射铸。
❖ 在流变射铸中，对整个设备的 温度控制要求很严格，为此设 备分成五段，在第五段中设置 了加热和监控热电偶，在第一 和第二段中设置了加热和冷却 通道及监控热电偶，在第三段 设置了加热器；
❖ 通过调整冷却通道中压缩空气的流 量来调整第一和第二段的冷却强度， 调整各段的电阻加热功率，使各处 的温度都处在预定的温度范围内， 最终射铸的半固态台金浆料控温精 度可以达到±0.5℃。
在装置下方安置一个收集器， 可以利用感应加热器进行预热 和保温；收集器内再放置一个 收集坩埚，当半固态浆料达到 预定数量时，将收集坩埚和半 固态浆料一起放在压射室中的 压射活塞上压射成形。
❖ 经过51次的压铸实验， 结果表明，半固态905铜 合金可以实现流变压铸， 压铸件的表面质量良好， 压铸件内部的初生相分布 均匀，压铸件的致密度随 半固态浆料固相分数的提 高而提高；
➢ 在上述压铸条件下，流变压铸出较为 致密的压铸件，其致密度与液态 A380铝合金的压铸件相当。
➢ 流变压铸件为一种盖类零件，如图5-1所示。
➢ 其流变压铸件的显微组织如图5-2所示，初生α-Al比液态 压铸件中的初生α-Al粗大，但其分布很均匀。
连续机械搅拌法制备905铜合金的半固态浆料
在该制备装置中，搅拌棒用石 墨制造，搅拌室用陶瓷制造；
轻合金半固态成形技术
半固态成形工艺
半固态 成形工艺
流变成形
传统机械搅拌式 单螺旋流变射铸 双螺旋流变射铸 低过热度倾斜板浇
注式
..…
触变成形
坯料重熔加热 触变压铸 触变锻造 触变射铸 …..
第四章 半固态流变成形技术
❖ 流变成形是最早进行研究的半固态金属成形工艺， 它将制备出的半固态金属浆料直接成形的工艺。
然后，在133MPa的压射力下，将半固态铝合金浆料直接压入铸型 型腔，流变压铸后的压铸件显微组织如图5-6所示，与液态铝合金 挤压件的组织截然不同，经过电磁搅拌后的初生α-Al为球状。
Hitachi金属公司对直接在压射室中制备半固态铝 合金浆料的技术作了改进：
❖ 用电磁泵和热管将熔化炉中的铝合金液直接送入压 铸机的压射室，避免与空气接触，再通过氩气保护， 进一步减少浆料中的氧化夹杂物；
不理想，可能影响成形件的力学性能； 以上技术上的不足仍然需要继续完善。
4.3 单螺旋流变射铸
❖ 触变射铸技术已经获得实际商业应用，生产近终形的镁 合金铸件，致密度比普通压铸件高，生产安全可靠、环 境污染小，因此，触变射铸技术具有较强的竞争力；但 触变射铸需要使用固态镁合金屑，制造较麻烦、成本较 高；触变射铸件的气孔率仍然较高，可达1%~17%左 右；设备投资及维护成本较高；与普通压铸相比，触变 射铸的生产周期较长。
❖ 在流变射铸中，液态合金从浇注漏 斗流人搅拌桶时几乎不会卷入气体， 合金又是在密封的通道中被搅拌剪 切，任何气体及惰性气体都不可能 进入合金熔体中，因此，流变射铸 中的半固态合金浆料的气体含量比 触变射铸中的含量低。