计算机研究与发展
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半固态金属成形技术研究

  摘要:半固态成形技术具有金属成形其他技术所不具备的高效、节能、近终形生产和成形件性能高等许多优点。本文对半固态金属成形技术的原理、工艺、特点、国内外应用现状作简要介绍,并对该技术在国内的应用发展前景作了展望。


  关键词:半固态金属;金属成形;凝固过程;原理;应用


  1971年,美国马萨诸塞理工学院(MIT)M·费利明斯教授的物理博士研究生D·斯潘塞突发奇想,在合金熔体冷却凝固过程中,在固液区时若进行搅拌,就可成为一种表观粘度低的固一液状态余属——金属浆。即使这种金属浆的固体部分的体积百分数高达50~60%,其流动阻力也与粘滞流体的相当,固液混合状态即半固态金属材料的固体百分数更高时,也极易变形,只要施加很小的力,就能把复杂的模腔填实,他们提出了获得半固态材料的方法,确定了半固态材料的基本性能是高度非线性的[1]。


  1半固态金属成形技术概述


  1.1技术原理


  半固态金属成形的原理为:在金属的凝固过程中采用某些特殊工艺使枝晶破碎、球化, 保留分散的颗粒状组织形态, 这样的显微组织在固相率达到60%时仍具有一定的流动性,具有这种特殊结构的部分凝固金属具有高粘度浆体的特性, 并可以用传统的铸造工艺如压铸成形, 或在高固相含量时通过压力加工工艺成形。


  1.2制备方法及成形工艺


  对于大多数常用金属和合金, 在通常的凝固条件下由于成分过冷, 多以树枝状结晶, 而不以粒状结晶, 因此普通凝固条件下得不到具有特殊组织结构的半固态金属。树枝晶阻碍金属液流动和枝晶间的相对运动, 即使在固—液共存状态下也不具有前述半固态金属的特性。半固态金属坯料制备方法有熔体搅拌法、应变诱发熔化激活法、热处理法、粉末冶金法等。其中熔体搅拌法是应用最普遍的方法。


  由原始浆料连铸或直接成形的方法被称为“流变铸造(rheocasting)”或另一条途径用术语描述为“触变成形(thixoforming)”。一般触变成形中半固态组织的恢复仍用感应加热的方法, 然后进行压铸、锻造加工成形。半固态金属成形工艺生产出的制件质量更好,这种高质量是源于触变材料比液态金属的粘度更高, 而成形温度更低。以压铸为例, 半固态金属是以“较粘的固态前端”充填铸型, 而与之相比的金属液则呈“飞溅浪花状”充型, 就更容易卷入气体和夹渣产生缺陷。由于半固态金属的凝固收缩比全液态金属明显减少, 使零件完整性得以改善, 尺寸近净形化[2]。


  2半固态成形的特点


  半固态金属成形技术在生产上的应用有着传统成形工艺所不具备的优点,具体概括如下:(1)由于大部分金属在铸造前已经是固相,因而铸件凝固收缩率小,利于提高铸件的尺寸精度,易于近净成形(Net2shape) ,提高了材料利用率,节约材料和能源;(2)半固态金属凝固过程中不会发生长程枝晶间液相流动,因而不会形成宏观偏析;(3)制成品结构微细,析出物均匀分散,没有普通铸件中存在的粗大枝晶,可改善材料的力学性能,防止内部缺陷,提高制成品整体性能;(4)金属发生层流,减少气体夹杂,降低气孔率;(5)半固态金属充型温度低,对铸型的冲击小,利于提高铸型寿命;(6)利用半固态金属的高粘度性能,可使密度大、固溶度小的金属制成合金,也可有效地使不同材料混合制成新的复合材料;(7)该工艺过程适用于采用计算机辅助设计和制造,从而提高了生产的自动化程度和生产效率;(8)少余量铸造,100%废料回收,避免了环境污染[3]。


  基于上述优点,因此半固态成形工艺被认为是21世纪最具前景的成形技术,作为一种新型的加工技术得到了国际上的普遍重视, 成为材料学科的研究热点之一。


  3国内外研究应用现状


  国内外学者研究表明,铝、铜、锌、镍、镁等各种合金和碳钢、不锈钢这些常用材料均可实现半固态成形,但是合金成形的难易程度不同,成形件质量有差别,目前投入生产的只有少数材料,其中A356半固态成形性能优异。


  美国Alumax公司可生产质量从10g到10kg,直径为500mm的零件,主要提供汽车空调箱体、火箭支架底座、刹车、悬挂件等。另外,Thixomax公司生产圆片离合器、油泵箱、齿轮箱等镁合金汽车零件。瑞士Buhler公司生产汽车悬挂件、转向齿轮和自行车零件。日本的SpeedStar Wheel 公司生产重5kg的铝合金轮毂。法国主要生产坯料的Pechiney公司,目前能生产直径为76.2mm,127mm,152.4mm的A356和A357系列铝合金棒料。英国Sheffield大学的P.Kapranos 等在100kN锻压机上进行半固态锻压成形,成功试制出尺寸精度极高的A356铝合金锻件和M2工具钢齿轮等零件。


  目前, 在美国、日本、法国、意大利等国家, 半固态成形(SSF) 的铝和镁合金件已经大量地用于汽车工业的特殊零件上。已经在国外生产的汽车零件主要有: 汽车轮毂、主制动缸体、反锁制动筏、盘式制动钳、动力换向壳体、离合器总泵体、发动机活塞、液压管接头、空压机本体、空压机盖等。美国、德国、意大利等国都已具备了大规模的汽车铝、镁合金半固态成形生产能力。


  我国的半固态加工技术始于20世纪80年代后期,先后有不少高校和科研机构开展了这方面的研究,取得了可喜的进步。其中东南大学的朱鸣芳等人对Zn—Al 合金的半固态加工成形性,半固态等温处理时对触变组织的影响作了大量的研究工作。中南大学对喷射沉积/半固态挤压进行了研究。东北大学采用液相线铸造法以变形铝合金2618和7075为例,对半固态浆液的制备、半固态成形性、热处理制度及成品机械性能做了系统的研究工作,目前正着手开展推广工作。北京有色金属研究总院在国家“863”计划支持下自行设计建立了一条半固态材料制备试验线,设计能力100t/ a,于1998年10月实现了A357铝合金半固态半连续流变铸造。铸锭直径60mm,长度达1600mm,目前仍处于试制阶段,离工业应用还有一段距离[4]。4应用发展前景


  半固态金属成形具有传统成形加工技术所不具备的各种特点和优点,被普遍认为是21世纪金属制造关键技术之一,具有广阔的研究应用前景。


  尽管当前我国已经掌握了半固态金属加工关键技术,但是仍然与发达国家存在很大的差距,无论在理论研究,还是生产工艺。当前我国的工作重点首先是加强基础理论的研究,为工业生产提供理论依据。其次,国内急需半固态坯料的开发生产,提供足够质优价廉的原料供应。另外,应努力扩大应用领域,积极开发专用设备,以适应大规模的工业化生产。(作者单位:郑州大学 材料科学与工程学院)


  参考文献:


  [1] 王 呈。半固态成形法——金属成形新工艺[J]。金属世界。1994(12);


  [2] 张 奎,刘国钧,张永忠等。半固态金属制备原理与应用[J]。稀有金属。1998;


  [3] 蒋益民,蒋宗宇,陈 刚。半固态金属成形技术现状与展望[J]。铸造设备研究。2001(02);


  [4] 孙中国,秦 克。半固态加工技术的进展、前景及对策[J]。有色矿冶。2001(12)。


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