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半固态浆料制备技术的研究进展

时间:2011-04-23  作者:秩名

论文导读:但是该方法不适合于铝合金半固态浆料的制备。那么我们就开辟了一条半固态浆料制备的新途径。
关键词:半固态,浆料制备,研究方向
1 引言
所谓金属半固态加工 [1 , 2] 就是将凝固过程中的合金进行强力搅拌,使其预先凝固的树枝状初生固相破碎而获得一种由细小、球形、非枝晶初生相与液态金属共同组成的液、固混合浆料,即流变浆料,将这种流变浆料直接进行成型加工的方法称为半固态金属的流变成形(rheoforming);而将这种流变浆料先凝固成铸锭,再根据需要将此金属铸锭分切成一定大小使其重新加热至固液相温度区间而进行的成型加工称为触变成形(thixforming),流变成形和触变成型合称为半固态加工(semi-solidprocessing method),简称SSM.

2半固态浆料制备工艺的研究
半固态加工的第一步,也是非常重要的一步就是制备合金半固态浆料,浆料质量的好坏对后续工序以及铸件质量的影响很大。最早使用的浆料制备方法是机械搅拌法,经过30年发展,陆续出现了诸如电磁搅拌、SIMA、SCR、喷射沉积、液相线铸造等制备方法 [3] 。下面对一些应用较为广泛,目前研究较多的制备方法进行介绍和分析。
(1) 机械搅拌法 [4]
机械搅拌法是最早用于半固态浆料制备的方法。其原理是在合金凝固过程中,使用搅拌器对合金熔体进行强烈的机械搅拌,树枝晶由于剪切力的作用而断裂成为颗粒状结构。免费论文参考网。机械搅拌分间歇式和连续式两种,如图1. 1所示:






(a) 间歇式(b) 连续式
图1.1 两种机械搅拌装置示意图
1.搅拌器 2.合金熔体 3.加热线圈
搅拌时产生的剪切速率一般为100~300S - 1 。剪切速率受搅拌器结构,材料耐腐蚀、耐高温磨损性能的制约。浆料的质量主要由搅拌温度、搅拌速度以及冷却速度这三个参数控制。然而,由于这些工艺参数不易控制,容易发生卷气等缺陷;搅拌器和合金熔体是直接接触的,因而容易造成污染;另外搅拌器与容器间存在搅拌死角,影响浆料的质量。机械搅拌法在工业生产中应用较少。
最近几年,华中科技大学和英国Brunel大学分别采用一种新型的搅拌方法——双螺杆机械搅拌 [5] 制备出了初生 相细小、圆整的镁合金和Sn-Pb合金半固态浆料。采用双螺杆结构的搅拌器大大增大了搅拌的效率,具有强烈的搅拌效果,其剪切速率可以达到1000~15000S -1 。免费论文参考网。但是该方法不适合于铝合金半固态浆料的制备,因为搅拌器会受到熔体的腐蚀。
(2) 电磁搅拌法 [6,7]
电磁搅拌法是应用最为广泛的一种方法。它利用旋转磁场使金属液内部产生感应电流,并在洛伦兹力的作用下发生强迫对流,从而达到搅拌的目的。产生旋转磁场的方法有两种,一种是在感应线圈中通入交变电流,另一种则采用旋转永磁体的方法。电磁搅拌所引起的对流是三维对流,剪切速率在500S -1 左右,搅拌效果较好。它最大的优点是对合金熔体没有污染,卷入的气体量少,合金不易氧化。使用该方法可以实现连铸,生产效率高。但是,电磁搅拌设备昂贵,且工艺也比较复杂。
(3) 应变诱发熔化激活法 [8]
应变诱发熔化激活法(SIMA)是对铸锭加压进行一定量的预变形,使其组织具有强烈的拉伸形变机构,然后将其加热到半固态温度保温一段时间,熔化的部分液相渗入到小角度晶界中,使固相粒子分开,树枝晶破碎,从而得到半固态组织。预变形量、保温温度以及保温时间是SIMA法中的三个最重要的工艺参数。增加预变形量以及等温温度都可以促进铸锭中 相由枝晶组织向半固态颗粒状组织转化,但是过度提高预变形量以及等温温度会使晶粒明显长大。
SIMA法主要适合于各种高、低熔点的合金系列,尤其在制备高熔点合金的半固态铸锭方面具有独特的优越性。迄今为止,该方法已经成功的应用于不锈钢、工具钢和铜合金等。然而它也存在缺点,比如需要一道额外的变形工序,而且制备的半固态坯料尺寸较小。
(4) 超声波处理法 [9]
超声波处理法由V.I. Dobatkin 等人提出,其原理为在液态金属中加入细化剂,并使用超声波处理,由于超声波的空化作用,使得枝晶组织变为半固态组织。
超声波在介质中传导的时候,产生周期性的应力和声压变化,在局部产生周期性高温高压效应,使液体产生空化和搅动。一般认为,超声波可以产生气蚀作用,促进形核,且可以使枝晶臂断裂,成为新的形核核心,促进半固态颗粒状初生相的生长,而抑制树枝晶的发展。超声波处理法的优点在于对熔体污染较小,但是其工艺较为复杂,设备投资大。
(5) 液相线铸造法 [10]
液相线铸造法是将合金熔体冷却至液相线温度附近保温一段时间后进行浇注,获得所需要的半固态组织。日本的Toshio等人利用图1.2所示的装置制备半固态铝合金浆料,装置中的水冷斜板用于降低合金熔体的过热度。实验结果表明,在A356型铝合金的流变成形过程中采用低的过热度(10℃)和低于50%固相率就可以获得较为理想的半固态组织。






图1.2 液相线法制备半固态合金浆料
然而,液相线铸造法要求严格控制工艺条件,否则得到的半固态浆料组织不均匀,一部分初生 相容易长大成为粗大的枝晶,导致浆料组织恶化。液相线铸造法具有工艺简单,适用合金范围广,生产效率高等优点,尤其对变形铝合金半固态浆料的制备具有极其重要的意义,对流变铸造的应用及发展将起到积极地推动作用。

3 前景与展望
虽然现有的半固态制浆技术在工业中有一定的应用,而且在制造业具有一定的地位和优势,但它们仍存在许多的缺陷,如工艺复杂、成本高等,制约了它们在工业中进一步的推广。我们正探索一种新的半固态浆料制备工艺---机械振动法,振动可以使处于半固态温度区间的合金熔体产生强迫对流,改变晶粒的生长方式,从而获得晶粒圆整的半固态浆料。与其它制备工艺相比,具有以下优点:
(1) 机械振动属于无接触扰动方式,因而熔体受到的污染较小;
(2) 对工艺条件要求不是特别严格,工序简单,易于操作。免费论文参考网。
(3) 设备简单,易于设计维护,成本相对较低。
如果我们能够研究探索出振动制浆的规律,制备出晶粒细小、圆整的半固态浆料,那么我们就开辟了一条半固态浆料制备的新途径,必将为降低工业生产成本作出一定的贡献。


参考文献
[1] 谢水生,黄声宏.半固态金属加工技术及其应用[M].北京:冶金工业出版社,1999.
[2] 毛卫民.半固态金属成形技术[M]. 北京:机械工业出版社, 2004, 6.
[3] 闫淑芳,杨卯生.半固态金属浆料制备工艺的研究进展[J].铸造技术,2005,26(2):155-158
[4] D.B. Spencer, R.Mehrabian, M.C. Flemings.Reologicalbehavior of Sn-15%Pb in the crystallization range[J].MetallurgicalTransactions,1972,3(7):1925-1932
[5] 李东南.半固态镁合金材料及其制备技术的研究[D].武汉:华中科技大学图书馆,2005.
[6] 冯鹏发,唐靖林,李双寿等.半固态合金流变成形技术的研究现状与发展[J].铸造,2004,53(12):963-967
[7] 吴炳尧.半固态金属铸造工艺的研究现状及发展前景[J].铸造,1999,(3):45-52.
[8] W. Lapkowski.Some studies regardingthixoforming of metal alloys[J].Journal of MaterialsProcessing Technology,1998,80-81:463-468
[9] 刘政,赵素,雷蕾等.金属半固态加工技术的应用与进展[J].上海有色金属,2005,26(2):150-156
[10] Toshio Haga,P.Kapranos.SimpleRheocasting Process[J].Journal of MaterialProcessing Technology,130-131(2002)594-598.
 

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