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重新认识镁合金半固态压铸技术

浏览:58 发表时间:2020-07-29 13:52:38

半固态加工技术,历经40多年的研究和发展,对其认识愈来愈深入。开始,人们认为它仅仅是一种新颖的铸造加工方法,继而认为是塑性加工的延伸,且是锻造和铸造之间的一个加工链、金属加工的一种补充。后来在对铸、锻两种加工方法的发展轨迹研究基础上,惊奇地发现,半固态加工技术不仅是作为工艺方法的补充出现在金属加工领域中,而且是铸造、锻造工艺发展的一种必然。由于它加工的组织——球晶的存在,使其有“剪切变稀“的易充填特性,特别是最终加工组织呈细等轴晶类变形组织,而非枝晶,具有极好的力学性能,这是造铸和锻造所不具备的。最后,采用“材料质量利用率”和“材料性能利用率”这两个指标,比较了3种工艺方法,得出了深入开展半固态加工技术的研究和应用,是推进“节能减排”的最佳途径之一。随着时间的推移,其优势愈来愈彰显,并将为企业界所接受。

  半固态技术目前研究成果主要有:流变铸造、触变铸造、射铸成形等。涉及的金属材料有:合金、铝合金、钢铁等,在产品方面主要运用于汽车关键性零部件,如赛车架、气体调节阀、摩托车底盘车架臂,电子配件,如复印机驱动齿轮、手机外壳、笔记本外壳等。

  半固态压铸技术综合了传统的铸造和锻造两种成形方法的优点,既可以提高零件的力学性能,也可以成形形状复杂的零部件,具有高效、优质、节能和近终成形等优点。美国DowChemical公司已研发出合金半固态触变压铸成形的工艺与设备。


  1、半固态加工出现的背景

  20世纪70年代初,美国麻省理工学院的D.B.Spencer在其导师M.C.Flemings教授指导下,进行钢铁铸造的“热裂”现象研究时,在自制的高温粘度计中测量Sn-15Pb合金高温粘度时发现,在搅拌中合金的枝晶结构遭到破坏。即金属在凝固的过程中,进行强烈搅拌,即使在较高的固相率时,半固态金属仍只有相当低的剪切流动应力。这是由于存在独特的球形颗粒结构,使其具有“剪切变稀”的流变特征。半固态金属加工具有特殊力学属性,由此开始的半固态 加工技术研究,与铸造加工和塑性加工一起,成为金属加工新领域。

  2、 半固态加工工艺特性及进展的深度认识

  2.1、工艺特性

  (1)加工温度低液态压铸时,由于半固态金属中存在固相颗粒,其熔化潜热已散失一部分,这大大缓解了液态压铸时,高温液态金属对模具、压室和冲头的热侵蚀,显著提高了模具寿命。

  (2)成形力低固态锻造时,由于半固态金属具有“剪切变稀”的触变特性,充填中具有固态特性的金属浆液或坯料,在剪切应力作用下,其流动粘度迅速下降,象流体一样,容易充填型腔。这与通常热模锻不一样,一般简单件,需要经过锻挤的剧烈金属流动,不仅要克服金属流动阻力,而且要克服型腔表面的摩擦力。对于较复杂件,需要多个步骤才能完成。而对于特别复杂件,采用热模锻,可能相当困难。所有这些均需要消耗大量能量,需要大吨位的锻造设备。

  (3)制件品质半固态加工制件,品质大大高于铸件,与锻件相当。半固态金属具有较高的粘度,压铸时无湍流,不易卷入空气,减少了气孔和疏松等缺陷的可能。凝固收缩小,制件强度高。

  2.2、发展阶段

  半固态工艺优势十分明显,研究和应用同步推进,大致可分为3个阶段。

  (1)基础研究阶段:从20世纪70年代开始,大致延续了15年。集中研究了半固态合金的流变特性,与其自身的组织关系;枝晶组织向非枝晶转变机制;半固态合金与内变量( 固相率、形状、尺寸、聚集态和表观粘度) 在外界变量( 温度、剪切速度) 影响下的变化规律; 半固态合金在不同状态下的本构关系。以此为基础,开发了多种半固态浆料或坯料的制备技术; 半固态成形技术及其计算机模拟技术。

  (2)应用基础研究阶段:20世纪80年代末至90年代中期是应用基础研究阶段,其主要特点重在制浆或制坯方法的开发和完善;成形工艺参数对制件力学性能的影响规律及控制;应用领域的扩展及其典型制件的选取,及试验研究分析。

  (3)工业化应用阶段:进入20世纪90年代后期,半固态加工技术进入工业化应用阶段。规模较大的有法国PRECHINCY的各种规格半固态铝、合金棒料生产;美国ALUMAX和意大利STAMPAL的半固态制件生产;瑞士BUHLER的半固态压铸机和美国THIXOMAT半固态注射成形机的生产。

  2.3、工艺特性与发展前景

  (1) 工艺特性再认识

  半固态加工获得的组织,既不是铸造的枝晶组织,也不是锻造的变形组织,而是具有变形组织特性的非枝晶组织。因此,使材料力学性能得到明显提高和改善。突破了铸造工艺的局限性,孕育着铸造工艺大的变革,大的进步,这是其一。其二,对于锻造工艺来讲,降低成形力,即进入塑性变形状态的流动极限。半固态浆料或坯料,当不受力时,具有保持外部形状的固态特性,但在受力后,“剪切变稀”效应使其象液体一样,具有粘性流动充填特性。这就使锻造材料,对于任何复杂制件,均可以实现一次精密成形,这是超塑性锻造或等温锻造无法比拟的。

  很明显,半固态工艺融合了铸造工艺和锻造工艺的优势,成形流动应力低,最终无枝晶似塑性变形组织。

  (2) 半固态加工工艺进展

  再认识半固态加工经过约3个阶段发展,至今已40多年了,但仍处在发展的初期。其表现在西方发达国家,对该工艺热情逐减,亚洲国家,尤其在中国,研究热情持续高涨,但离大规模工业应用,还有相当的距离。因此,对半固态加工技术发展思想和轨迹,进行回顾和思考,是必要的。

  ①科学性:半固态是合金存在的一种形式,与固态和液态一样,有其本身的属性。固态利用塑性变形充填,且具有不可恢复的特性;液态利用其良好的流动性充填,而后凝固,从而实现制件成形;半固态,则利用“剪切变稀”特性充填,而后凝固塑性变形复合,实现制件成形。显然液态、半固态和固态,乃是合金3 种状态,均属于合金在不同温度下的流变学行为。因此,3种加工方法,处于同等的科学位置。

  ②技术性:铸、锻工艺是两种最古老、最成熟的工艺,尽管出现诸多特种工艺,亦是两种工艺的发展和完善。半固态加工的出现,不仅时间晚,而且视之为铸锻工艺的一种补充。这样半固态加工的研究和应用,自然地纳入了铸或锻发展的轨道。文献指出,需要制件具有高完整性、高可靠性时,半固态技术才能显现出其竞争优势。

  ③应用性:半固态加工涉及问题大大超过铸、锻工艺。这里有制浆( 制坯)、浆液( 坯料) 保存、运输;成形设备及工艺参数,品质标准及过程控制等问题。特别是生产规模上不去,效益难以显现。因此,半固态加工进入生产领域, 面临诸多困难。

  3、“节能减排”促进半固态加工技术发展

  3.1 节材的两个指标

  “节能减排”中的节能,既有对能源消耗的降低,也有对原材料( 已消耗大量能源) 的节约。节材应包括两个方面,并可用两个指标予以界定。

  3.1.1 材料质量利用率

  材料质量利用率可用下式表示:

  材料质量利用率= 零件质量/毛坯质量×100%

  对于重力铸造,毛坯还应包括冒口质量;对于锻造,还应包括中间开坯、下料,及冲孔连皮、飞边等损失的质量;对于挤压铸造和半固态加工,存在两种情况,一种损耗小的直接挤压铸造和半固态挤压铸造,另一种须考虑压余损失的间接挤压铸造和半固态压铸。显然,半固态成形的材料质量利用率,与挤压铸造相当。

  3.1.2 材料性能利用率

  材料性能利用率,即材料实际可持有的性能,但通过后续加工产生一些使性能降低的缺陷、或不能通过热处理获得原材料可持有的性能,可用下式表示:

  材料性能利用率 = 材料加工后所能达到的性能/材料本身可持有的性能 ×100%

  这里用得着一句话:“物尽其能”。由于材料加工、处理等有关工艺因素,许多材料的优异性能得不到充分发挥;或者有些材料研制阶段能得到很高性能,但却因工艺因素,未能获得工业应用,这就会出现“物未尽其能”的窘境。

  3.2 对几种工艺方法节材的评价

  3.2.1 压力铸造工艺技术

  压力铸造工艺主要指压力补缩的特种工艺,如压力铸造、低压铸造、挤压铸造等。其材料质量利用率均在40%~70%范围内。但其材料性能利用率不高。由于靠液态充填,完成尺寸、形状的成形,后靠凝固定形。凝固存在3大缺陷:①液态金属热量的输出,靠模具导热。导热存在方向,其形核和长大亦存在方向性,故其形成枝晶不可避免;②凝固即收缩,易产生缩孔和缩松缺陷;③高熔点物质先凝固,低熔点物质后凝固,易产生成分和组织偏析。基于这些,铸造后的材料性能,很难达到材料本身应具有的性能。虽然,衍生出了多种特种铸造工艺,也只能使晶粒细小,枝晶程度弱化,消除缩孔和缩松等。但枝晶组织很难消除,甚至无法消除。

  3.2.2 锻造工艺技术

  锻造工艺是以铸坯为加工对象,进行塑性加工,使其坯料中枝晶组织获得破碎,然后经再结晶、加工成变形组织的过程。通常称之为第一次塑性加工,其制件可能是棒材、板材和型材。然后,根据产品形状、尺寸需要,进行第二次塑性加工。经第一次塑性加工,材料性能获得大幅度提高,甚至可达到材料本身所具有的性能水平。第二次塑性加工,只是成形,获得所需形状尺寸的锻件。尽管塑性加工,使其材料性能利用率可达到很高水平,但其材料质量利用率却不高,而成形能耗亦高,其机制也在于塑性变形本身。使材料产生塑性变形,必须消耗大量的变形能和采用大吨位锻造设备,这是一。塑性变形实现固态充填,需要耗费大量材料,如锻造飞边,这是二。即所谓“成者塑料变形”——提高材料性能利用率;“败者塑性变形”——增加能耗和材料质量消耗。

  3.2.3 半固态加工技术

  半固态加工与铸锻工艺相比具有明显优势。首先,与铸造工艺比,它获得的组织是“无枝晶”的细等轴晶组织。若成形时,有较大的塑性流动,即成形存在枝晶破碎和再结晶过程,其组织有望达到锻造变形组织的水平;若成形时,塑性流动有限,后续半固态浆料中的液相凝固的枝晶组织,未获到很好的破坏,其组织可称为准锻造变形组织。显然,其材料性能利用率大大高于铸造工艺,达到或接近锻造工艺水平。与锻造工艺相比,其材料质量利用率接近铸造工艺,远远高于锻造工艺。其机制缘于半固态材料存在“剪切变稀”的流动效应,充填性高于锻造工艺所致。

  因此,评价一种制造工艺的优势,不仅要看到材料本身的利用率,而且更要看到材料性能的极大发挥,才能实现材料的极大节约。比较3种工艺,显然,半固态加工有着明显的综合优势,表现在成形时,有铸造工艺相近的流动性,而成形后,可热处理,接近或达到锻件的性能水平。

  3.2.4 “节能减排”与加工方法选择

  节材首先体现在材料自身的节约,使其成形件在形状和尺寸上,尽量接近零件,减少后续机械加工,或不再加工,这是有形的节能; 其次,制件自身的性能,达到制件材料本身的最佳水平,从而可使零件截面积减小,或者可用较低廉材料(自身性能不高),取代昂贵的优质材料,实现材料的节约,即以消耗较少的资源,达到同一个制造目标。通常是改变设计,使其结构轻型、合理,再就是研制开发新的材料加工的工艺和设备,提高其质量利用率和性能利用率。

  “节能减排”趋势,使人们重新思考现有的和正在研制开发的材料加工方法 。寄希望对现存工艺进行某些变革,如铸造工艺的高速高压成形、精密铸造等,锻造工艺的小飞边或无飞边模锻、局部锻造等。有成效,但也要以增加加工工序或辅助材料的消耗为代价。人们更寄希望于寻求一种新型加工方法,兼有铸造的低成本、锻造的高性能的优异特征,并为“节能减排”所接受。无疑的,半固态加工应是首选,其理由是:①半固态加工,与铸造和锻造加工,乃是一种金属不同状态下的加工,即液态、半固态和固态,同属金属加工链上的3个链,应是一种基本的金属加工,与铸锻一起同在;②半固态加工具有较高的质量利用率(与锻造相比),较高的性能利用率(与铸造相比),具有明显的节材优势。因此,“节能减排”趋势,为半固态加工的研究和应用,构筑了一个坚实的平台。

  4、半固态加工发展的瓶颈

  半固态加工出现至今近半个世纪了,人们在评价其优劣中认识它、研究它。半固态加工发源地的美国,研究人员愈来愈少,应用规模愈来愈小,而欧洲的意大利、法国还保持上升的态势,亚洲起步虽晚,但研究越来越受到重视,其中日本领先,中国、韩国、泰国、伊朗和印度随后,呈现出可喜的发展局面。问题在于,半固态加工至今并未受到企业瞩目,关键在哪里?原因在于:

  (1)对制浆(坯)技术的认识,文献提供分析表明电磁搅拌是最成熟、工艺最稳定的制浆方法,但因能耗高,投资大,应用前景存在疑虑,普遍不看好。还有哪种技术,可与它相媲美?特别是对各种制浆( 坯) 方法缺乏全面评估,包括工艺性、稳定性及经济性。没有工艺规范、品质保障和验收标准等,使企业无法判断和评价。这就阻碍了该技术的推广和应用。

  (2)专用设备的研制和开发基于半固态加工技术潜在应用前景,专用设备厂家有兴趣于此,并作了大胆尝试。关键在于设备开发必须与市场相对接。这是一个很重要的课题,必须组织力量,有政府支持去实现,否则,单打独斗,不能持久,更形成不了规模。

  (3)研究工艺适应性要抓住半固态加工应用的重点,即“长”在何处,“短”在何处,做到“扬长避短”。

  笔者认为,其“长”在于能成形无枝晶和准锻造再结晶组织的制件,使其性能大幅提高; 本身的优异性能获得极大的发挥;“短”在于增加制浆(坯)环节。所谓扬“长”,使其性能达到锻件水平,所谓避“短”,就在于开发一种成本低廉的制浆工艺。

  (4)大力开展半固态压铸工艺研究液态压铸工艺乃是当今生产规模最大的一种轻合金成形工艺,其最大弱点也在于最后组织为枝晶,且因卷入气体,不能进行热处理,因而其材料性能利用率低。而半固态压铸工艺,则有效克服了这一弊端,获得无枝晶组织制件。

  5、结语

  (1)半固态工艺与铸造工艺水平相比,最大优势是,它可以获得无枝晶的变形组织制件,使其材料性能利用率大大高于同类铸造件,并接近于锻件。

  (2)半固态工艺与锻造工艺相比,最大优势在于它可以成形形状复杂、尺寸较大的制件,这大大降低了成形设备的吨位和能耗。

  (3)大力推进半固态加工在高端材料成形领域的应用,部分替代采用大型设备才能加工的制件,完成半态加工制件性能向锻造性能水平的转变。


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