半固态加工及其在铝镁合金中的应用.doc

1.引言 我国的铸造业有着悠久的历史,随着铸造技术的发展以及对铸造品品质的更高要求, 传统的铸造方式表现出了在环保和轻量化等方面的不足, 这就要求我们采取更为先进的铸造技术。为满足新的铸造要求, 半固态铸造应运而生, 并且因为其表现出来的更为高效、更加节能以及更高品质等特性, 得到了广泛的认可和关注。 1.1半固态加工的定义 自从20世纪70年代初，美国麻省理工学院MC Flemings 教授及其领导的科研小组发现半固态金属的触变性能以来，现已成功地应用于多种有色金属及黑色金属。 半固态加工指在金属凝固过程中，把金属保持在固－液两相温度区间内，进行剧烈搅拌，将凝固过程中形成的枝晶打碎，然后直接进行流变铸造或先制备半固态铸造，后进行局部重熔和触变成形。这样得到的产品具有一次相为球形颗粒的组织。1980年，DOW 化学公司首创了镁合金半固态成形工艺，激发了该技术的研究热潮。其基本原理是利用非枝晶半固态金属（Semi-Solid Metals，SSM）独有的流变性和搅熔性控制铸件的质量，典型的枝晶组织和非枝晶组织，如图1 [1]所示。 图1 典型的枝晶组织与非枝晶组织 1.2 半固态加工工艺 半固态加工工艺分两种：流变铸造和触变成形。 流变铸造（Rheocasting）是麻省理工学院的研究人员于1972年提出的一种制备方法，它是将液态金属一边搅拌一边冷却至固液两相共存区，而后将此半固态黏奖浆直接传送至冷室压铸机铸造成工件，亦称搅动铸造（Stir Casting），如图2所示。由于半固态金属浆液的保存和输送不方便，该成形方法实际投入应用的较少。 触变铸造（Thixocasting），它是将经搅拌等工艺获得的具有非枝晶组织的半固态坯料冷却凝固后，制成所需要的尺寸，重新加热到半固态温度，然后进行压铸或挤压成形，如图2[1]所示。由于半固态金属坯料的加热、输送很方便，并且成形过程容易控制，便于实现自动化，因此触变铸造是当今半固态铸造的主要工艺方式。 图2 流变铸造和触变铸造工艺示意图 1.3 半固态坯料的制备方法 半固态加工技术其核心工艺为制备半固态坯料。发展到现在，坯料的制备已有多种方法：机械搅拌法[2]，电磁搅拌法[3,4]，应变诱发熔化激活法[5]，喷射成形法[6]，紊流效应法[7]，液相线铸造发[8]等。其中电磁搅拌法在国外已应用于工业化生产。 （1）机械搅拌法应用较早，其设备构造简单，可以通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝晶破碎而成为类球形。随着搅拌程度由弱至强，晶粒依次表现为枝晶状、菊花状以及圆球状[9]。研究表明[10]，三种铸造显微组织的力学性能是从低变到高的，因此人们总是希望得到较为圆整的晶粒组织。 （2）电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液里产生感应电流，金属液受洛伦磁力的作用产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。目前，主要有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应线圈内通交变电流的传统方法；另一种是1993年由法国的Vives推出的旋转永磁体法，内部可产生高的磁场强度，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。 （3）应变诱发熔化激活法是将原合金进行足够冷变形，然后加热到半固态。在加热过程，先发生再结晶，然后部分熔化，使初生相转变成颗粒形成半固态合金。该方法由于增加了预变形工序，增加了生产成本，仅适合于小直径坯的生产。 （4）喷射成形法是在金属熔化成液态金属后，雾化为熔滴颗粒，受喷射气体作用，使得部分凝固的微滴直接沉积在收集板表面。当每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切力打碎熔滴内部形成的枝晶时，凝固后便成为颗粒状组织，经加热到局部熔化时，也可得到具有球形颗粒固相的半固态合金。 （5）紊流效应法是指在金属液通过特制的多流装置时，使金属液的流动产生紊流效应，打碎形成的枝晶，从而获得具有流变特性的半固态合金。 （6） 液相线铸造法是在低于合金液相线温度保温形核后，进行铸造，获得具有均一细小非枝晶组织的半固态合金方法。根据文献[11]建立的模型，即晶粒首先呈稳态球形生长，直到球形半径大于最小稳定半径，然后呈枝晶长大，可把液相线铸造晶核的长大过程分为三个阶段，球形长大、枝晶长大、枝晶抵触后的枝晶的熟化，如图3所示。晶粒在互相抵触之前是完全呈球形长大，还是先以球形长大，然后以枝晶长大，取决于形核数目和冷却强度。崔建忠等人[2，12，13]开发了液相线铸造法制浆新工艺，并对356、2618及7075 等铝合金进行了系统研究，结果表明，在凝固初期，小的冷却强度有利于球形晶粒的形成。在凝固后期，大的冷却强度则有利于保存获得的球形晶粒组织。 图3 晶粒长大形成过程示意图 1.4 半固态加工的特点 与传统加热的液态金属或固态金属成形相比，半固态铸造技术呈现出一系列的优点