半固化冶煉擠壓鑄技藝數(shù)據(jù)對構(gòu)建功能制約的研究.doc

半固化冶煉擠壓鑄技藝數(shù)據(jù)對構(gòu)建的功能制約信息來源： 全球鋁業(yè)網(wǎng) 更多信息請參考 摘要：1半固態(tài)擠壓鑄造原理與工藝特點(diǎn)半固態(tài)擠壓鑄造是將制備好的具有特殊流變性的半固態(tài)金屬漿料定量注入到敞開的模具型腔內(nèi)，隨后借助于沖頭的壓力作用，使其強(qiáng)制充型、凝固、補(bǔ)縮.1半固態(tài)擠壓鑄造原理與工藝特點(diǎn)半固態(tài)擠壓鑄造是將制備好的具有特殊流變性的半固態(tài)金屬漿料定量注入到敞開的模具型腔內(nèi)，隨后借助于沖頭的壓力作用，使其強(qiáng)制充型、凝固、補(bǔ)縮并產(chǎn)生少量塑性變形，從而獲得所需的零件或毛坯（如1所示）。其工藝流程大體上可分為以下幾步：半固態(tài)金屬漿料制備；模具準(zhǔn)備；半固態(tài)金屬漿料定量澆注；合模充型；保壓；卸壓開模；制件頂出。與一般擠壓鑄造工藝相比，由于半固態(tài)擠壓鑄造采用了具有球狀初生固相的固液混合漿料，其表觀粘度比同種液態(tài)金屬的粘度高3個(gè)數(shù)量級。因此，在相同的充型速度下，半固態(tài)金屬漿料的流動(dòng)狀態(tài)更為平穩(wěn)，可大大減少湍流、噴濺現(xiàn)象的發(fā)生，使制件的致密性得到提高；此外，由于半固態(tài)金屬漿料已釋放出部分結(jié)晶潛熱，充型時(shí)對模具的熱沖擊作用小，有利于模具使用壽命的提高。2工藝參數(shù)對制件性能的影響及其選用原則試驗(yàn)表明，在半固態(tài)擠壓鑄造過程中，影響制定量澆注合模充型保壓脫模件性能的工藝參數(shù)主要有澆注溫度、擠壓比壓、擠壓速度、保壓時(shí)間、模具溫度等。在對這些參數(shù)進(jìn)行選用時(shí)，應(yīng)遵循保證制件性能，延長模具(新的模具生產(chǎn)工藝將節(jié)省模具制造的時(shí)間)壽命的原則。2.1澆注溫度在半固態(tài)擠壓鑄造過程中，半固態(tài)漿料的澆注溫度是一個(gè)關(guān)鍵的控制參數(shù)。它對漿料的充型、制件的性能具有極其重要的作用。根據(jù)半固態(tài)金屬漿料的表觀粘度?？芍S著澆注溫度的降低，半固態(tài)漿料的表觀粘度急劇升高，充型時(shí)的阻力顯著增大。所以，為了得到完整的制件和降低成形抗力，應(yīng)使?jié){料的澆注溫度控制的高一點(diǎn)。但另一方面，澆注溫度的升高，會使半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)降低，液相分?jǐn)?shù)增加，加壓充型時(shí)容易導(dǎo)致漿料產(chǎn)生噴濺、卷氣現(xiàn)象。因此，澆注溫度的選擇應(yīng)綜合以上兩方面來考慮。其原則是在保證半固態(tài)金屬漿料充滿型腔的前提下，盡量降低澆注溫度。2.2擠壓比壓擠壓比壓P0的主要作用是使半固態(tài)金屬漿料具有一定的充型速度，保證漿料在壓力下結(jié)晶凝固，補(bǔ)縮并產(chǎn)生少量塑性變形，使制件的密度增大，晶粒細(xì)化，性能提高。在實(shí)際合模充型過程中，注入到型腔內(nèi)的半固態(tài)金屬漿料由于受到激冷作用，在其外表面迅速形成一層細(xì)晶硬殼，將待凝固的半固態(tài)金屬漿料包裹在里面。此時(shí)，盡管半固態(tài)金屬漿料具有良好的流變性，但為了能實(shí)現(xiàn)完整充型和有效補(bǔ)縮，擠壓比壓必須大于半固態(tài)漿料凝固硬殼的塑變抗力與半固態(tài)漿料流變臨界切應(yīng)力c之和，即P0c，否則半固態(tài)漿料無法流動(dòng)。在擠壓方式一定的情況下，半固態(tài)漿料的c與半固態(tài)漿料的組織特征有關(guān)，但到目前為止有關(guān)c的定量計(jì)算尚無精確的公式，只能根據(jù)試驗(yàn)來確定。當(dāng)P0大于c以后，增大P0對提高制件性能作用很大。試驗(yàn)表明，隨著P0的增大，制件的組織越致密，晶粒越細(xì)小，性能也越好。但P0增大到一定值后，它對制件的性能提高基本無影響。2.3擠壓速度擠壓速度v是指沖頭與半固態(tài)漿料接觸后的運(yùn)動(dòng)速度。合理的擠壓速度與制件的大小、形狀、壁厚、合金種類、澆注溫度和模具溫度等因素有關(guān)。在半固態(tài)擠壓鑄造過程中，由于半固態(tài)漿料含一定數(shù)量的球狀初生固相，其表觀粘度比同種液態(tài)金屬的粘度高3個(gè)數(shù)量級，充型時(shí)阻力較大。因此，在半固態(tài)金屬漿料充型過程中必須具有足夠大的擠壓速度，才能保證漿料將模具型腔充滿。但擠壓速度過快也會帶來一些不利影響。根據(jù)粘性流體流動(dòng)狀態(tài)的雷諾判據(jù)Re$da式中：Re為雷諾數(shù)；$為漿料流動(dòng)速度；d為澆道直徑；為漿料密度；a為漿料粘度（當(dāng)Re2300時(shí)，粘性流體以紊流狀態(tài)流動(dòng)；當(dāng)Re2300時(shí)，粘性流體以層流狀態(tài)流動(dòng)）?？芍獢D壓速度過快時(shí)，半固態(tài)金屬漿料的流動(dòng)速度很高，其Re可能超過臨界值（2300），漿料將以紊流狀態(tài)充填模具型腔，從而造成嚴(yán)重裹氣，進(jìn)而降低制件性能。2.4保壓時(shí)間保壓時(shí)間是指半固態(tài)漿料充滿型腔后壓力達(dá)到規(guī)定的最大值開始到擠壓設(shè)備撤銷壓力為止的時(shí)間段。這段時(shí)間的主要作用是使半固態(tài)漿料在壓力作用下結(jié)晶凝固并補(bǔ)償半固態(tài)漿料因凝固和溫度變化所引起的體積收縮。保壓時(shí)間的長短，主要取決于制件斷面的最大壁厚和制件的材質(zhì)，同時(shí)也與制件的形狀及漿料的澆注溫度等因素有關(guān)。卸壓時(shí)間過早，型腔內(nèi)尚未凝固的漿料在繼續(xù)凝固時(shí)發(fā)生的收縮將無法得到良好補(bǔ)償，導(dǎo)致制件內(nèi)部產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷；卸壓時(shí)間過遲，除了降低制件生產(chǎn)率外，還會增大制件產(chǎn)生裂紋的幾率。因此，在保證半固態(tài)金屬漿料完全凝固和成形致密的前提下，保壓時(shí)間愈短愈好。2.5模具溫度在半固態(tài)擠壓鑄造過程中，模具溫度應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)。當(dāng)模具溫度過高時(shí)，可能帶來以下問題：模具表面硬度降低，增加模具磨損；模具強(qiáng)度降低，在模鍛壓力作用下，模具容易發(fā)生塑性變形；半固態(tài)漿料易于粘模，制件頂出時(shí)表面容易被拉傷；半固態(tài)漿料的冷卻速度降低，制件表面硬化層減薄，心部組織粗大，力學(xué)性能下降。當(dāng)模具溫度過低時(shí)，半固態(tài)漿料注入型腔后，便迅速凝固結(jié)殼，嚴(yán)重影響加壓效果，使制件內(nèi)部易出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷，表面易出現(xiàn)冷隔紋裂，甚至開裂；此外，根據(jù)模具材料在工作循環(huán)中產(chǎn)生的熱應(yīng)力公式KET1式中：K為常數(shù)；為模具材料的熱膨脹系數(shù)；E為模具材料的彈性模量；T為循環(huán)溫度差；$為模具材料的泊松比?？芍＞邷囟仍降停c半固態(tài)漿料的溫度差T越大，在模具中產(chǎn)生的熱應(yīng)力越高，模具型腔表面越易形成熱裂紋。因此，為了保證制件性能并使模具處于良好的工作狀態(tài)，擠壓前要對模具進(jìn)行預(yù)熱，連續(xù)生產(chǎn)一段時(shí)間后，由于半固態(tài)漿料的加熱作用，模具溫度會升高，這時(shí)要對模具進(jìn)行冷卻，使模具溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。3可能的缺陷及預(yù)防措施利用半固態(tài)擠壓鑄造方法進(jìn)行零件或毛坯的生產(chǎn)時(shí)，若工藝參數(shù)選用不合理，則在制件表面及內(nèi)部易于形成一系列缺陷。這些缺陷是獲得高性能制件的主要障礙。下面針對這些缺陷形成的原因進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。3.1表面缺陷及預(yù)防措施（1）冷隔冷隔是半固態(tài)擠壓鑄造中常見的缺陷。其形成原因主要有：漿料的澆注不連續(xù)，中間斷流時(shí)間太長，使已注入到型腔內(nèi)的漿料與隨后注入的漿料不能很好地熔合在一起，而形成一條交接界面，如2所示。另外，如果模具溫度較低或擠壓速度較慢，漿料的上表面已凝固結(jié)殼，沖頭下壓時(shí)，翻出的漿料不能與凝固殼凝結(jié)在一起，而在制件上表面的邊部形成冷隔層。因此，在實(shí)際操作中可通過適當(dāng)提高模具溫度、擠壓速度、漿料澆注溫度；在不能連續(xù)澆注的情況下，采用多澆包澆注，并嚴(yán)格控制澆注間隔時(shí)間等措施來減少或消除此類缺陷。（2）澆不足半固態(tài)擠壓鑄造時(shí)，澆到型腔內(nèi)的是半固態(tài)漿料，其在壓力作用具有良好的流動(dòng)性，因此型腔充填不滿按理說是極其個(gè)別的。只有當(dāng)半固態(tài)金屬漿料固相分?jǐn)?shù)過高，模具預(yù)熱溫度不夠，擠壓比壓不足時(shí)，才可能在型腔的尖角、棱邊和薄筋及一些排氣不良的薄壁處出現(xiàn)充填不滿的現(xiàn)象。在實(shí)際操作中，可通過降低漿料固相分?jǐn)?shù)，適當(dāng)提高模具溫度和模鍛速度以及在模具排氣不良處增設(shè)排氣槽等措施來預(yù)防。（3）裂紋制件表面裂紋一般出現(xiàn)在壁厚突變部位或過渡圓角處，如2所示。其產(chǎn)生的原因有：模具溫度過低，附著在型腔內(nèi)側(cè)的半固態(tài)漿料迅速結(jié)殼，漿料冷卻凝固時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力全部由金屬殼來承擔(dān)，當(dāng)此收縮應(yīng)力大于金屬殼的極限強(qiáng)度后，金屬殼便發(fā)生開裂；保壓時(shí)間過長，制件薄壁處的冷卻收縮受到限制而被拉裂；制件的過渡圓角較小，漿料凝固時(shí)在該處產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中。根據(jù)以上分析，可采取以下預(yù)防措施：嚴(yán)格控制模具溫度，合理選擇保壓時(shí)間，適當(dāng)增大制件過渡圓角等。（4）夾渣與皮下針孔夾渣的出現(xiàn)主要是由于半固態(tài)漿料制備時(shí)渣沒有除凈，充型時(shí)涂料剝落等所引起。其預(yù)防措施有：漿料制備時(shí)認(rèn)真造渣、去渣，澆注前將漿料上部的浮渣徹底刮清；合理選用涂料，并注意涂料的噴涂工藝。皮下針孔的形成主要是由于模具溫度較低，涂料殘留水分過多且噴涂不均勻所致。漿料注入型腔后，涂料中的殘留水分在漿料高溫作用下蒸發(fā)、分解而釋放出氣體，此時(shí)由于受到漿料凝固硬殼的阻礙，氣體來不及排出，便以氣孔的形式殘留在制件表皮內(nèi)。它可通過提高模具溫度，減少涂料殘留水分，均勻噴敷涂料等措施來預(yù)防。3.2內(nèi)部缺陷及預(yù)防措施（1）縮孔和縮松縮孔和縮松一般出現(xiàn)在漿料的最后凝固部位。其原因主要是型腔內(nèi)的半固態(tài)漿料因凝固和溫度變化所引起的體積收縮未能得到外界等同補(bǔ)償而在制件內(nèi)部留下集中、分散的孔洞。對于這類缺陷，在實(shí)際操作中，可采用以下措施：加大比壓，使沖頭壓入半固態(tài)漿料的體積量大于或等于漿料的體積收縮量；合理選擇保壓時(shí)間，確保漿料在壓力作用下完全凝固；使制件各處壁厚盡可能相等，對有厚大部位的制件，應(yīng)采用浮動(dòng)型腔，或添加側(cè)向的壓力使該部位也能受到適當(dāng)?shù)膲嚎s。（2）氣孔制件的氣孔按存在形式的不同可分為：內(nèi)部集中性氣孔；機(jī)械式陷入氣孔；皮下針孔。內(nèi)部集中性氣孔是溶解在漿料中的氣體隨著漿料溫度的下降，溶解度降低而析出，因未能及時(shí)上浮至漿料頂面而被裹在漿料中所形成。機(jī)械式陷入氣孔是在機(jī)械壓力作用下，無法排出的氣體被壓入制件內(nèi)所形成。根據(jù)實(shí)際情況分析，這些氣孔的形成與下列因素有密切關(guān)系：擠壓速度太高，導(dǎo)致漿料紊流充填，卷入氣體；半固態(tài)漿料制備時(shí)，除氣不徹底；模具溫度過低、擠壓比壓過小，氣體在漿料中的溶解因飽和而析出。模具排氣系統(tǒng)設(shè)置不合理，沖頭加壓時(shí)，型腔凹陷部位包裹的氣體無法排出，當(dāng)這些氣體產(chǎn)生的壓力P氣達(dá)到浸入形成條件P氣P阻P靜P表（P阻為氣體進(jìn)入漿料的阻力，P靜漿料的靜壓力，P表漿料表面張力）時(shí)，便浸入漿料。涂料用量太多且殘留水分過多。因此，在實(shí)際操作中，可通過合理控制擠壓速度；在漿料制備過程中安排除