2024鋁合金半固態(tài)觸變成型研究畢業(yè)論文[帶圖紙]

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　鋁及其合金是有色金屬中用途較廣的輕金屬之一，具有高的比強(qiáng)度、比剛度、塑性好、導(dǎo)電與導(dǎo)熱性好、且具有較好耐蝕性，是制造航天和航空裝備的理想材料。近些年來，由于軍工和民用工業(yè)現(xiàn)代化和輕量化的需要以及鋁合金自身的特點(diǎn)，以鋁代鋼的要求日益迫切，鋁合金已成了各個(gè)工業(yè)部門機(jī)械零件必不可少的材料，有關(guān)其成形的新工藝也不斷出現(xiàn)，金屬的半固

2、態(tài)觸變成形工藝就是其中之一。半固態(tài)觸變成形可以利用壓鑄、擠壓、模鍛等常規(guī)工藝進(jìn)行加工成形，也可以用其他特殊的加工方法成形為零件，因此該工藝是一種具有潛在應(yīng)用前景的新型金屬加工工藝。2024鋁合金為硬鋁中的典型合金，其成分比較合理，綜合性能較好，是硬鋁中用量最大。本文以2024 鋁合金為研究對象，通過再結(jié)晶與重熔法（RAP法）制造半固態(tài)坯料，研究不同的坯料加熱溫度、成形壓力、成形速率對半固態(tài)組織的影響，制定出適用于2024鋁合金半固態(tài)觸變

3、成形的最佳工藝參數(shù)，為2024鋁合金的觸變成形研究提供參考和依據(jù)。</p><p>　　在前期工作中，應(yīng)用應(yīng)變誘導(dǎo)法制備2024鋁合金半固態(tài)坯料；第二階段用模具使制備好的半固態(tài)坯料成形，在成型部件上的不同位置選取試樣并進(jìn)行初步的處理；第三階段對處理好的試樣進(jìn)行觀察和分析，最后選出對于2024鋁合金最適宜的觸變成型條件。 </p><p>　　關(guān)鍵詞　鋁合金；半固態(tài)；觸變成形</p&g

4、t;<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Aluminum and aluminum alloy non-ferrous metal widely used in one of the light metals, high specific strength and specific stiffness, good ductility, good e

5、lectrical and thermal conductivity, and has good corrosion resistance, is the manufacture of aerospace and aviation equipment ideal material. In recent years, as a result of military and civilian industrial modernization

6、 and lightweight aluminum alloy needs and its own characteristics, in order to aluminum steel requirements of increasingly ur</p><p>　　In previous work, the applied strain induced crystallization of 2024 alu

7、minum alloy in semi solid blank; second stage with the mold so that the prepared semi-solid blank forming, in forming part of a different position on the sample selection and initial processing; third stage of processing

8、 good specimens were observed and analyzed, finally selected for 2024 aluminum alloy the most suitable thixotropic forming conditions.</p><p>　　Key words aluminum alloy；semi-solid；thixoforming</p>&l

9、t;p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>

10、　　1.2 半固態(tài)加工技術(shù)1</p><p>　　1.2.1 半固態(tài)成形技術(shù)的原理和工藝特點(diǎn)1</p><p>　　1.2.2 半固態(tài)加工的概念及主要工藝過程3</p><p>　　1.2.3 半固態(tài)加工技術(shù)特點(diǎn)7</p><p>　　1.2.4 半固態(tài)坯料的制備8</p><p>　　1.2.5 半固態(tài)模鍛

11、12</p><p>　　1.3半固態(tài)成形工藝的應(yīng)用和發(fā)展13</p><p>　　1.3.1 半固態(tài)成形工藝在國外的應(yīng)用與發(fā)展13</p><p>　　1.3.2 半固態(tài)成形工藝在國內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展14</p><p>　　1.3.3 半固態(tài)技術(shù)發(fā)展前景15</p><p>　　1.4 本課題主要研究的目的及

12、內(nèi)容17</p><p>　　第2章 再結(jié)晶與重熔法制備2024鋁合金半固態(tài)坯料18</p><p>　　2.1 再結(jié)晶與重熔法18</p><p>　　2.2 試驗(yàn)材料18</p><p>　　2.3 制備過程19</p><p>　　2.4 試樣的處理21</p><p>　　2

13、.4.1式樣的打磨、拋光21</p><p>　　2.4.2 試樣的腐蝕處理22</p><p>　　2.4.3 觀察金相組織23</p><p>　　2.4.4 實(shí)驗(yàn)中存在的困難與問題23</p><p>　　2.5 本章小結(jié)24</p><p>　　第3章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析25</p>&l

14、t;p>　　3.1 不同試件相同位置的實(shí)驗(yàn)及分析25</p><p>　　3.2 相同試件不同位置的實(shí)驗(yàn)及分析32</p><p>　　3.3 本章小結(jié)36</p><p><b>　　結(jié) 論37</b></p><p><b>　　致 謝38</b></p>

15、<p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　鋁及其合金是有色金屬中用途較廣的輕金屬之一。它具有密度小、重量輕、比強(qiáng)度高、塑性好、導(dǎo)電與導(dǎo)熱性好且具有較好耐蝕性。隨著近代

16、機(jī)械制造工業(yè)如航空、航海、汽車工業(yè)的發(fā)展，石油化工、電信和原子能及空間技術(shù)等新型工業(yè)的崛起，鋁合金的使用量在日益增加，因而在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。 </p><p>　　近年來，隨著航空航天，交通運(yùn)輸業(yè)

17、以及超導(dǎo)技術(shù)等的迅速發(fā)展，航天器，武器和轎車等對輕量化的要求越來越高。在這種背景下，輕質(zhì)材料鋁合金結(jié)構(gòu)件被越來越廣泛的使用以替換之前的鋼質(zhì)零件[1]。比如在宇航工業(yè)中，液氮燃料貯箱的主要材料就是鋁合金；為了提高汽車的舒適性和安全性，汽車上增加了越來越多的輔助裝置，這就需要汽車的輕量化來補(bǔ)償這些裝置增加的質(zhì)量，像寶馬以及日本產(chǎn)的一些汽車的懸架系統(tǒng)就改用了許多鋁質(zhì)鍛件。鐵道車輛方面，隨著大型擠壓鋁材技術(shù)的發(fā)展，以及焊接技術(shù)的逐漸完善，鋁合金

18、在客車車體、貨車和轉(zhuǎn)向架上的應(yīng)用已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用，如德國的一種規(guī)格的動(dòng)車組的制動(dòng)盤采用鋁合金以后，比常規(guī)材料的制動(dòng)盤的重量減輕了一半左右，對于整車而言，能夠節(jié)省很大的能量，同時(shí)可以減輕磨損。自從20世紀(jì)初作為飛機(jī)主體的結(jié)構(gòu)材料開始使用，鋁合金在戰(zhàn)斗機(jī)、客機(jī)等各類機(jī)型中都得到了大量的應(yīng)用。</p><p>　　半固態(tài)成形技術(shù)是一種很有前景的加工方法，可以降低成本，而且加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品。半固態(tài)成形可以消除鑄

19、造時(shí)產(chǎn)生的氣孔和縮松等缺陷，降低鍛造時(shí)所需的成形載荷，并且改善材料的填充性能。而且，該方法可以加工出形狀復(fù)雜而機(jī)械性能接近鍛件的產(chǎn)品。</p><p>　　1.2 半固態(tài)加工技術(shù)</p><p>　　1.2.1 半固態(tài)成形技術(shù)的原理和工藝特點(diǎn)</p><p>　　鋁合金的傳統(tǒng)的加工方法一般為鑄造方法和鍛壓方法。鍛壓能夠保證零件的高強(qiáng)度，但是由于加工方法的限制，一般不

20、能生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件，特別是這種薄壁件；鑄造可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件，但力學(xué)性能較低。目前該零件的生產(chǎn)方式尚為傳統(tǒng)的鍛坯-機(jī)械加工的生產(chǎn)方式，但由于機(jī)械加工生產(chǎn)復(fù)雜零件時(shí)材料利用率不高（只有10％），產(chǎn)品質(zhì)量不夠好，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，因此該種工藝也不能滿足現(xiàn)在大批量、低成本的生產(chǎn)要求；為了保證在高質(zhì)量的前提下經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出該零件，需要尋找新的生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)。</p><p>　　半固態(tài)加工方法是一種新型材

21、料成形方法，這種方法是當(dāng)合金坯料處于液態(tài)與固態(tài)共存時(shí)，對其施加壓力使之在模具中成形的工藝方法。半固態(tài)成形技術(shù)加工溫度低（與鑄造相比），變形抗力小（與鍛壓相比），因此可以說，鑄造的成形性與鍛件的機(jī)械性能在半固態(tài)金屬成形技術(shù)中實(shí)現(xiàn)了完美的統(tǒng)一。因此，鋁合金的半固態(tài)成形已成為近些年金屬材料成形研究的熱點(diǎn)之一。</p><p>　　在常規(guī)的鑄造技術(shù)中，熔融狀態(tài)的金屬被注入模具并凝固，同時(shí)熱量通過模具傳遞。枝晶結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致

22、許多缺陷，例如氧化，縮孔，以及機(jī)械性能較差。一直以來研究人員都在努力尋找改進(jìn)枝晶凝固的方法，終于在上個(gè)世紀(jì)七十年代，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新方法，用該方法得到的球狀晶體比枝晶的性能更好。</p><p>　　半固態(tài)成形（SSM）是介于液態(tài)成形和固態(tài)成形之間的一種成形工藝，是指利用金屬在固態(tài)和液態(tài)之間轉(zhuǎn)換的過程中具有的半固態(tài)特性而實(shí)現(xiàn)的加工，具體說來，主要方法是在金屬凝固過程中，用劇烈的擾動(dòng)或攪拌等方法，

23、改變初生固相的形核與長大的過程，得到液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著等軸、細(xì)小的球狀初生固相的固液混合漿料，隨后用這種漿料進(jìn)行成形加工。這種方法結(jié)合了鑄造和鍛造，具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的熱加工方法相比，加工溫度較低，充型時(shí)金屬不易發(fā)生噴濺，使裹氣等缺陷的發(fā)生幾率得到減小，進(jìn)而提高了制件的致密性。與鍛造相比，成形過程中制件的變形抗力比較小，比較容易加工形狀比較復(fù)雜而且性能要求高的零件，減少后續(xù)的機(jī)加工。</p><p&g

24、t;　　非枝晶球狀結(jié)構(gòu)的坯料是在金屬熔液結(jié)晶的過程中形成的。結(jié)晶開始時(shí)，主要是快速形核并長大，溫度下降的過程中，伴隨攪拌等處理方式的作用，枝晶臂斷下并形成更多晶粒，結(jié)構(gòu)也逐漸演化成球形。熔融金屬在糊狀時(shí)受剪應(yīng)力的作用，晶體形狀由枝晶變成球狀結(jié)構(gòu)。有許多機(jī)制被用于解釋這種結(jié)構(gòu)的變化，根據(jù)Fleming等人的研究，球化機(jī)制可能與枝晶臂根部斷裂機(jī)制，枝晶根部熔斷機(jī)制，以及枝晶彎曲機(jī)制有關(guān)。其中，Vogel認(rèn)為，在剪應(yīng)力的作用下，枝晶臂彎曲并且

25、破碎以降低其表面能。而在另一種機(jī)制中，Hellawel認(rèn)為在剪應(yīng)力的作用下，枝晶根部熔化并變?yōu)榍驙睢?lt;/p><p>　　1.2.1.1 枝晶球化機(jī)制 球狀初生組織主要通過攪動(dòng)、強(qiáng)制對流、熱處理加變形、控制凝固等途徑得到。初生球狀組織的形成是異常復(fù)雜的，涉及到組織表征、熔體過冷、強(qiáng)迫對流等等許多復(fù)雜的凝固行為和流變特性。盡管不少研究者對其進(jìn)行了大量的研究，但是人們對半固態(tài)組織的形成機(jī)理問題仍然存在眾多分歧，目前

26、尚未形成統(tǒng)一和確定的理論。研究人員基于不同的試驗(yàn)條件或制備工藝，獲得了一些研究結(jié)果，試圖說明或解釋初生球狀組織在攪拌過程中的轉(zhuǎn)變機(jī)制的假說主要有以下幾種：</p><p>　　(1)枝晶臂折斷破碎機(jī)制</p><p>　　(2)正常熟化引起的枝晶根部熔斷</p><p>　　(3)溶質(zhì)擴(kuò)散引起的枝晶根部重熔</p><p>　　(4)枝晶臂塑

27、性彎曲和晶界浸潤熔斷機(jī)制</p><p>　　(5)高剪切速率下的球狀晶形成機(jī)制</p><p><b>　　(6)重結(jié)晶機(jī)制</b></p><p><b>　　(7)瞬態(tài)形核理論</b></p><p>　　由此可見,對半固態(tài)坯料球狀組織形成機(jī)制及初生相形貌與工藝條件之間關(guān)系的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于半固

28、態(tài)加工技術(shù)發(fā)展的需要。目前,對于球狀組織的形成機(jī)制還處于探討階段,所提出的機(jī)制也僅限于解釋由熔體冷卻至半固態(tài)過程,且集中在攪拌作用下球狀組織的形成規(guī)律。</p><p>　　1.2.2 半固態(tài)加工的概念及主要工藝過程 </p><p>　　半固態(tài)金屬加工是金屬在凝固過程中，進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌或通過控制凝固條件，抑制樹枝晶的生成或破碎所生成的樹枝晶，形成具有等軸、均勻、細(xì)小的初生相均勻分布于液相中

29、的懸浮半固態(tài)漿料，這種漿料在外力的作用下，即便固相率達(dá)到60%仍具有較好的流動(dòng)性?？梢岳脡鸿T、擠壓、模鍛等常規(guī)工藝進(jìn)行加工成形，也可以用其他特殊的加工方法成形為零件。這種既非完全液態(tài)，又非完全固態(tài)的金屬漿料加工成形的方法，稱為半固態(tài)金屬加工技術(shù)，簡稱SSM。</p><p>　　半固態(tài)加工的主要成形手段有壓鑄和鍛造，此外也有人試驗(yàn)用擠壓和軋制等方法。其工藝路線主要有兩條：一條是將攪拌獲得的半固態(tài)漿料在保持其半固

30、態(tài)溫度的條件下直接成形，通常被稱為流變鑄造（Rheo-casting）；另一條是將半固態(tài)漿料制備成坯料，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度成形，通常被稱為觸變成形（Thixoforming），如圖1-1所示。對觸變成形，由于半固態(tài)坯料便于輸送，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因而在工業(yè)中較早得到了廣泛應(yīng)用。對于流變鑄造，由于將攪拌后的半固態(tài)漿料直接成形，具有高效、節(jié)能、短流程的特點(diǎn)，近年來發(fā)展很快。</p><p>　　圖

31、1-1 半固態(tài)金屬加工的兩種工藝流程</p><p>　　1.2.2.1 流變成形（Rheocasting） 流變成形又稱流變鑄（Rheocasting）是將經(jīng)過攪拌等特殊工藝獲得的半固態(tài)漿料直接進(jìn)行半固態(tài)成形。由于半固態(tài)金屬漿料的保存和傳輸很不方便，因而這種成形方法投入實(shí)際使用的較少，但流變成形工藝流程短、設(shè)備簡單、節(jié)省能源，仍然是未來金屬半固態(tài)成形的一個(gè)重要發(fā)展方向。與普通鑄造相比，流變鑄造有許多優(yōu)點(diǎn)：晶粒細(xì)

32、小、偏析減少、結(jié)構(gòu)分布均勻、減小了收縮、微縮孔和裂紋、改善了鑄件的機(jī)械性能。日本學(xué)者最近在此方向進(jìn)行了有益的探索，該工藝的半固態(tài)金屬漿料是利用電磁攪拌直接在射室中制備，然后將其擠入模具型腔成形，Al-7%Si-0.3%Mg半固態(tài)成形件的性能比液態(tài)擠壓鑄件的性能高，而與半固態(tài)金屬觸變成形件的性能相當(dāng)。</p><p>　　圖1-2 流變鑄造法工藝過程示意圖</p><p>　　機(jī)械攪拌是實(shí)現(xiàn)

33、流變鑄造的簡單有效方法，但有其不足之處，如在剪切速率低的死區(qū)中，懸浮液粘度大，容易得到粗大的晶粒而使結(jié)構(gòu)不均勻；另外，作為攪拌器的金屬直接接觸半固態(tài)金屬，會使其受到污染，如果采用電磁攪拌技術(shù)則可以避開這些缺點(diǎn)。Winter等設(shè)計(jì)了能生產(chǎn)直徑從38mm到152mm鋁合金錠的電磁流變鑄造系統(tǒng)，由一個(gè)兩極多相的電機(jī)定子在半固態(tài)金屬中生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)磁場實(shí)現(xiàn)攪拌的目的。電磁攪拌器直接安裝在普通連鑄的模子上，得到平均晶粒直徑為30µm數(shù)量級的鋁

34、合金鑄錠。對于鑄速大于2m/min，當(dāng)鑄錠的斷面尺寸較大時(shí)，細(xì)化效果也不是很明顯。</p><p>　　1.2.2.2 觸變成形（Thixoforming） 觸變成形是將經(jīng)攪拌等特殊工藝獲得的半固態(tài)坯料冷卻凝固后，按照所需要的尺寸下料，再重新加熱至半固態(tài)溫度，然后放入模具型腔中進(jìn)行成形的方法。由于在觸變成形時(shí)，半固態(tài)金屬坯料的加熱、傳輸很方便，成形過程容易控制，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)。因此，此方法在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用比

35、較廣泛。</p><p>　　半固態(tài)金屬的觸變成形可以分為幾種：一是觸變鑄造(Thixoforming)，其成形設(shè)備是壓力機(jī)；二是觸變鍛造(Thixoforging),其成形設(shè)備是壓力機(jī)；三是觸變軋制，其成形設(shè)備是軋機(jī)；四是觸變擠壓，其成形設(shè)備是擠壓機(jī)。以上成形方法的前兩種工藝是目前實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)成熟的工藝，而后兩種工藝尚不成熟。</p><p>　　觸變鑄造(Thixocasting)

36、觸變鑄造是指把經(jīng)在固-液溫度間攪拌的金屬先制成非枝晶錠料，然后根據(jù)所作零件的大小截成小的坯料，再將坯料重新加熱到半固態(tài)溫度后壓入模具的方法。用該方法可以將非枝晶錠料的制備和成形完全分開，便于組織生產(chǎn)，而且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，因而觸變鑄造是目前半固態(tài)成形技術(shù)中應(yīng)用最多的方法。</p><p>　　圖1-3 EFU公司觸變鑄造設(shè)備示意圖</p><p>　　觸變鍛造(Thixoforging)

37、 觸變鍛造和觸變鑄造相似，不同之處在于：觸變鑄造是將半固態(tài)坯料由壓力機(jī)的壓頭壓入已合型的模具中，觸變鍛造是將半固態(tài)金屬先置于一半開型的模具中，另一半模具有壓力機(jī)帶動(dòng)完成合型，坯料主要發(fā)生壓縮變形而形成所需形狀。觸變鍛造可以成形變形抗力較大的高固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)材料，并能生產(chǎn)一般鍛造難以達(dá)到的復(fù)雜形狀零件，適合于高熔點(diǎn)金屬的半固態(tài)成形。并且顯著減少了工藝環(huán)節(jié)，降低了加工成本，耗能少、切削量小、材料的利用率高。</p><

38、p>　　觸變軋制(Semi-Solid rolling) 半固態(tài)軋制的主要目的是生產(chǎn)高質(zhì)量的板材。其方法可分為流變軋制和觸變軋制。流變軋制是指將經(jīng)攪拌的半固態(tài)漿料直接送入軋輥中進(jìn)行軋制，而觸變軋制是將預(yù)先制好的非枝晶錠料重新加熱到半固態(tài)溫度后，再送入軋輥中。與觸變鑄造和流變鑄造相似，觸變軋制的優(yōu)點(diǎn)是坯料的生產(chǎn)和軋制可以獨(dú)立進(jìn)行；流變軋制省去了錠料的凝固和再加熱過程，縮短了生產(chǎn)周期，減少了能耗，可以連續(xù)的生產(chǎn)板材。目前，半固態(tài)軋制存

39、在的主要問題是當(dāng)固相分?jǐn)?shù)小于0.7時(shí)，因液-固相流動(dòng)會引起組織不均勻。</p><p>　　觸變擠壓(Thixo-extrusion) 觸變擠壓是將半固態(tài)金屬坯料移入擠壓模腔內(nèi)，然后通過模具擠出成形。觸變擠壓的優(yōu)點(diǎn)有：擴(kuò)大了復(fù)雜件的成形范圍，改善了產(chǎn)品的成形性，無鍛壓效應(yīng)（無織構(gòu)），Al、Mg輕質(zhì)高強(qiáng)合金、MMC及鋼等都可以擠壓成形（如復(fù)雜的幾何形狀、薄壁構(gòu)件等）。 </p><p>　　

40、1.2.3 半固態(tài)加工技術(shù)特點(diǎn)</p><p>　　半固態(tài)金屬(合金)的內(nèi)部特征是固液相混合共存，在晶粒邊界存在金屬液體。半固態(tài)金屬的金屬和力學(xué)性能主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。 </p><p>　　(1) 由于固液共存，在兩者界面熔化、凝固不斷發(fā)生，產(chǎn)生活躍的擴(kuò)散現(xiàn)象。因此溶質(zhì)元素的局部濃度不斷變化；</p><p>　　(2) 由于晶粒間或固相粒子間夾有液相成分。固相粒

41、子間幾乎沒有結(jié)合力，因此，其宏觀流動(dòng)變形抗力很低；</p><p>　　(3) 隨著固相分?jǐn)?shù)的降低，呈現(xiàn)黏性流體特性，在微小外力作用下即可很容易變形流動(dòng)；</p><p>　　(4) 當(dāng)固相分?jǐn)?shù)在極限值(約75％)以下時(shí)，漿料可以進(jìn)行攪拌，并可很容易混入異種材料的粉末、纖維等，如圖1-4所示：</p><p>　　圖1-4半固態(tài)金屬和強(qiáng)化粒子的攪拌混合</p&

42、gt;<p>　　(5) 由于固相粒子間幾乎無結(jié)合力，在特定部位雖然容易分離，但由于液相成分的存在，又可很容易地將分離的部位連接形成一體化，特別是液相成分很活躍，不僅半固態(tài)金屬間的結(jié)合，而且與一般固態(tài)金屬材料也容易形成很好的結(jié)合，如圖1-5所示：</p><p>　　(6) 即使是含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材料，也可通過半熔融狀態(tài)在低加工力下進(jìn)行成形加工；</p><p>

43、　　(7) 當(dāng)施加外力時(shí)，液相成分和固相成分存在分別流動(dòng)的情況。雖然施加外力的方法和當(dāng)時(shí)的邊界約束條件可能不同，但一般來說，存在液相成分先行流動(dòng)的傾向或可能性，如圖1-6所示；</p><p>　　圖1-5半固態(tài)金屬的分離（a）結(jié)合（b）示意圖 圖1-6半固態(tài)金屬變形時(shí)液相和固相

44、 成分的流動(dòng)</p><p>　　(8) 上述現(xiàn)象在固相分?jǐn)?shù)很高或很低或加工速度特別高的情況下都很難發(fā)生，主要是在中間固相分?jǐn)?shù)范圍或低加工速度情況下顯著。 </p><p>　　1.2.4 半固態(tài)坯料的制備</p><p>　　半固態(tài)坯料制備方法可分兩大類，液相法和固相法。</p><p>　　1.2.4.1 液相法 液相法又包

45、括機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法、噴射沉積法、斜坡冷卻法、液相線凝固法和剪切-冷卻-滾動(dòng)法等幾種方法。</p><p>　　機(jī)械攪拌法 機(jī)械攪拌法是最早用于制備半固態(tài)金屬漿料的方法。該方法利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的葉片或攪拌棒改變凝固中的金屬初晶的生長和演化，獲得球狀或近球狀的初生固相的半固態(tài)金屬漿料。該方法結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、操作方便。但金屬漿料易受污染、產(chǎn)量小，適用于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究工作。</p><p&g

46、t;　　圖1-7 機(jī)械攪拌基本原理示意圖</p><p>　　a) 低注式 b) 傾轉(zhuǎn)式</p><p>　　c) 棒式 d) 螺旋式</p><p>　　圖1-8 間歇式與連續(xù)式機(jī)械攪拌示意圖</p><p>　　作為機(jī)械攪拌的特例,剪切冷卻軋制技術(shù)(SCR)可以在高冷卻速度條件下制備高固相率的半固態(tài)金屬漿料。其示意

47、圖見圖1-9。對于常規(guī)機(jī)械或電磁攪拌技術(shù),在固相率很高時(shí),由于漿料粘度激增,將會導(dǎo)致流動(dòng)性下降以致于連續(xù)排出困難。剪斷冷卻輥裝置的回轉(zhuǎn)輥可以將高固相率的半固態(tài)金屬漿料強(qiáng)制排出,而且輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速與漿料排出速度成正比;在水冷輥的冷卻作用下,可獲得微細(xì)結(jié)構(gòu)的半固態(tài)金屬。</p><p>　　a)整體式SCR半固態(tài)薄帶材生產(chǎn)技術(shù) b)分體式SCR半固態(tài)薄帶材生產(chǎn)技術(shù)</p><p>　　圖1-9 SC

48、R半固態(tài)薄帶材生產(chǎn)技術(shù)</p><p>　　電磁攪拌法 電磁攪拌法是利用旋轉(zhuǎn)電磁場在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，金屬液在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生激烈攪動(dòng)，使傳統(tǒng)凝固的枝晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)轭惽驙畹姆侵С跎滔?從而達(dá)到對金屬液攪拌的目的。電磁攪拌方式生產(chǎn)半固態(tài)金屬漿料不會卷入氣體，金屬漿料純凈，工藝參數(shù)控制方便靈活，與連續(xù)鑄造技術(shù)相結(jié)合，可以生產(chǎn)“無限長”的坯料，其產(chǎn)量大，效率高，適用于工業(yè)化的規(guī)模生產(chǎn)。</p>

49、<p>　　a) 垂直式 b) 水平式</p><p>　　圖1-10 電磁攪拌示意圖 </p><p>　　噴射沉積法 噴射沉積是20世紀(jì)70年代初由英國Swansea大學(xué)的A.R.E.Singer提出的，該技術(shù)是利用惰性氣體將液態(tài)金屬霧化，這些極細(xì)小的金屬熔滴高速飛行，在尚未完全凝固前被噴射到激冷沉積板上，快速凝固成一定的幾何形狀。其晶粒組織較均勻，在小的晶粒尺寸在

50、5～50um，大的在50～150um。這種方法生產(chǎn)出的金屬棒材可以直接加熱到該金屬的半固態(tài)區(qū)間進(jìn)行觸變成形。</p><p>　　斜坡冷卻法 該方法是日本學(xué)者Toshio haga,Shinsuke Suzuki在2001年提出的，是將金屬液體通過坩鍋傾倒在內(nèi)部具有水冷裝置的冷卻板上，冷卻到模具中獲得半固態(tài)坯料。這種方法得到的半固態(tài)坯料固相分?jǐn)?shù)在10％～20％。固相分?jǐn)?shù)的大小取決于金屬熔體與冷卻板接觸的時(shí)間。接觸

51、時(shí)間越長，固相分?jǐn)?shù)越高。接觸時(shí)間的隨冷卻板的長度和傾斜角的減小而增加。</p><p>　　液相線凝固法 東北大學(xué)崔建忠、路貴民、劉丹等人采用液相線法制備半固態(tài)坯料，其原理是：使熔體在保溫包內(nèi)緩慢冷至液相線溫度+3℃，然后快速冷卻。使其整個(gè)熔體在從保溫包進(jìn)人結(jié)晶器時(shí)，同時(shí)進(jìn)人過冷狀態(tài)，因而也同時(shí)成核，來不及長大，就被周圍晶核阻止，以晶界連接而終止。這里關(guān)鍵是+3℃的過熱度，結(jié)晶潛熱如何散失。這和結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)和冷卻

52、強(qiáng)度以及坯料直徑、坯料下移速度等有關(guān)。</p><p>　　剪切-冷卻-滾動(dòng)法 制備裝置是由一旋轉(zhuǎn)的剪切、冷卻滾筒，固定在支撐架上的彎曲模塊和一個(gè)出料導(dǎo)板組成。滾筒和導(dǎo)板的間隙可調(diào),溫度亦可調(diào)。金屬液由頂部進(jìn)入滾筒與彎曲模板的間隙中，由旋轉(zhuǎn)的滾筒所產(chǎn)生的，摩擦力將其卷入間隙內(nèi)部，此時(shí)金屬液冷卻、凝固并出現(xiàn)樹枝晶，但隨即又被旋轉(zhuǎn)滾筒和固定彎曲模板所產(chǎn)生的剪切力沖刷成細(xì)小顆粒分散在剩余中，最終成為具有非枝晶組織的半固

53、態(tài)漿料，從下方的出料導(dǎo)板排出。該裝置簡單且操作維修方便,滾筒表面與金屬液周期性接觸，溫度不會升得很高，可以降低滾筒材料的高溫強(qiáng)度要求，滾筒和模板的冷卻也較易實(shí)現(xiàn)，達(dá)到高的冷速可以使用空心滾筒。目前此法已經(jīng)制備出鋁合金半固態(tài)坯料,該工藝方法適合于大批量生產(chǎn)。</p><p>　　其它方法 最近幾年各國學(xué)者還開發(fā)一些制備半固態(tài)坯料的新方法，如雙螺旋機(jī)械攪拌，不同合金成分的混合法等。</p><p&

54、gt;　　1.2.4.2固相法 固相法包括粉末法和應(yīng)變誘化法。</p><p>　　粉末法 將金屬粉末混合、壓塊、 加熱使一種粉末熔化或多種粉末相互擴(kuò)散形成的合金熔化得到固液混合金屬漿料。該方法適用于金屬基復(fù)合材料半固態(tài)坯料制備。</p><p>　　應(yīng)變誘化法 該技木是把常規(guī)鑄錠經(jīng)過20%左石的塑性變形或?qū)D壓棒材鐓粗后，加熱到半固態(tài)，在加熱過程中，首先發(fā)生再結(jié)晶，然后部分熔化，使固相晶

55、粒分散在液相基體中，得到SSM成形所需的原材料。該方法對制備較高熔點(diǎn)的非枝晶組織合金具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，已成功地應(yīng)用于不銹鋼、工具鋼、銅合金系列。也可通過等彎道角擠壓進(jìn)行大變形，然后加熱到半固態(tài)區(qū)間進(jìn)行觸變成形，該方法適用于鎂合金等易于氧化材料的半固態(tài)坯料制備。</p><p>　　1.2.5 半固態(tài)模鍛</p><p>　　半固態(tài)模鍛是指將既非全呈液態(tài)，又非全呈固態(tài)的固態(tài)-液態(tài)金屬混合漿

56、料進(jìn)行模鍛成形的一種工藝方法，就是將坯料加熱到有50%左右體積液相的半固狀態(tài)的材料，然后在已預(yù)熱的模具型腔內(nèi)進(jìn)行加壓成形，獲得所需的接近成品尺寸零件的最經(jīng)濟(jì)的工藝。與傳統(tǒng)塑性加工工藝相比，半固態(tài)金屬屈服強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?，且流?dòng)性極好，可在相對較小的成形壓力作用下充填模具型腔，從而達(dá)到制件的最終形狀，且其表面粗糙度較小，并可一次成型具有復(fù)雜形狀的制件。半固態(tài)模鍛成形工藝是一種高效、低耗的新興金屬加工工藝。</p><p>

57、;　　1.3半固態(tài)成形工藝的應(yīng)用和發(fā)展</p><p>　　半固態(tài)金屬加工技術(shù)自20世紀(jì)70年代MIT的Flemings提出以來，其工業(yè)應(yīng)用已取得了很大進(jìn)展。近年來，半固態(tài)金屬加工技術(shù)已經(jīng)在制造業(yè)中發(fā)揮重要的作用。世界上有許多國家都已開始了半固態(tài)金屬加工技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用，目前，美國、意大利、瑞士、法國、日本等國家處于領(lǐng)先地位，并已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。</p><p>　　目前半固態(tài)應(yīng)用最

58、成功和最廣泛的是在鋁合金的制備中。其原因不僅是因鋁合金的熔點(diǎn)較低和使用范圍廣泛，而且鋁合金是具有較寬液固共存區(qū)的合金體系。為此成為人們首先深入研究的對象，至今為止，有關(guān)研究半固態(tài)成形的論文至少60％都與鋁合金有關(guān)。在鋁合金工業(yè)中，包括A1—Cu合金、AL—Si合金、A1—Pb合金和A1—Nt合金等，特別值得一提的是半固態(tài)成形技術(shù)已開始應(yīng)用于制備鋁合金制品。</p><p>　　1.3.1 半固態(tài)成形工藝在國外的應(yīng)

59、用與發(fā)展</p><p>　　在美國，Alumax公司的Engineered Metal Process分部率先將此技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。1978年，該公司使用電磁攪拌技術(shù)生產(chǎn)出供觸變成形用的圓錠，并建成了世界上第一條高度自動(dòng)化的生產(chǎn)線，用于生產(chǎn)汽車零部件。1985年，Alumax公司將有關(guān)觸變成形的專利技術(shù)向歐洲轉(zhuǎn)讓，生產(chǎn)Volvo、BMW和Audi等小轎車的鋁合金零件。從1988年到1998年，Alumax公司為

60、Bendix牌小轎車生產(chǎn)了200萬件鋁合金主汽缸，為福特汽車公司生產(chǎn)了1500萬件鋁合金壓縮機(jī)活塞，其成品率幾乎為100%。1992年，Alumax公司與Superior工業(yè)公司合資新建了一家工廠，采用半固態(tài)觸變成形工藝生產(chǎn)大尺寸汽車零件。1997年其生產(chǎn)能力達(dá)到230噸/年，零件可達(dá)250萬件/年。</p><p>　　在歐洲，意大利是最早將半固態(tài)金屬加工技術(shù)商業(yè)化的國家之一。意大利的Stampal公司是一家從

61、事鋁合金觸變成形的歐洲廠商，能生產(chǎn)直徑為90mm至110mm、長度可達(dá)4000mm的圓錠坯。它采用該技術(shù)為福特汽車公司生產(chǎn)Zeta發(fā)動(dòng)機(jī)油料注射擋塊、齒輪箱蓋和搖臂等零件。瑞士的Buhler公司于1993年初設(shè)計(jì)制造了第一臺SC臥式半固態(tài)壓鑄機(jī)，其典型產(chǎn)品是汽車主制動(dòng)缸。另外，瑞士的Alusuisse公司和幾個(gè)歐洲汽車制造商合作開發(fā)生產(chǎn)汽車零件，1997～1998年開始全面投產(chǎn)，產(chǎn)品主要是汽車懸掛系統(tǒng)，如控制臂和操縱轉(zhuǎn)向節(jié)。法國Pech

62、iney公司是主要生產(chǎn)坯的廠商，目前能生產(chǎn)直徑為76.2mm、127mm、152.4mm的A356和6061系列鋁合金棒料。英國Sheffield大學(xué)的Kapranos等在1000KN壓力機(jī)上進(jìn)行半固態(tài)模鍛成形，成功地制出尺寸精度極高的6061鋁合金鍛件和M2工具鋼齒輪等零件。德國從1996年開始，由德國研究協(xié)會資助，在亞琛工業(yè)大學(xué)加緊進(jìn)行全面系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究和工業(yè)開發(fā)。</p><p>　　日本于80年代后期成立

63、了一家由18個(gè)成員組成的Rheotech公司，其成員包括三菱重工、神戶制鋼、川崎制鐵、古河電器等14家鋼鐵企業(yè)和4家有色金屬公司。該公司對半固態(tài)金屬加工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，同時(shí)加強(qiáng)與歐美著名大學(xué)和公司聯(lián)系。1988年3月至1994年6月期間共投資30億日元進(jìn)行研究開發(fā)，并正向工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。</p><p>　　1.3.2 半固態(tài)成形工藝在國內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展</p><p>　　我國從20世紀(jì)

64、80年代后期開始，在國家自然科學(xué)基金和“863”等計(jì)劃的支持下，先后有不少高校和科研單位開展了這方面的研究，如東南大學(xué)、北京有色金屬研究總院、北京科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、清華大學(xué)、沈陽金屬研究所、南昌大學(xué)、重慶大學(xué)等單位，在半固態(tài)加工成形技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究方面，取得了可喜進(jìn)展，并自行設(shè)計(jì)和開發(fā)了不同類型的試驗(yàn)設(shè)備，如自行設(shè)計(jì)建成了100 t/a鋁合金半固態(tài)材料生產(chǎn)試驗(yàn)線，研制成功6工位中頻感應(yīng)二次加熱設(shè)備。他們在半固態(tài)連續(xù)流

65、變鑄造，半固態(tài)金屬基復(fù)合材料，以及一些高熔點(diǎn)合金的半固態(tài)加工方面都取得了階段性的成功。</p><p>　　對半固態(tài)金屬材料組織和性能的研究是一個(gè)研究重點(diǎn)，許多學(xué)者對不同工藝條件對制件組織和性能的影響規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。如華中科技大學(xué)的吳樹森等在超聲振動(dòng)條件對鋁合金半固態(tài)組織和制件性能的影響進(jìn)行了規(guī)律的研究；北京科技大學(xué)的楊柳青等將AZ91D鎂合金作為試驗(yàn)材料，通過把錐桶形流變成形和高壓壓鑄相結(jié)合的方法來完成流

66、變成形，并在試驗(yàn)過程中改變零件的工藝參數(shù)進(jìn)行比較。研究并討論了流變成形過程中顯微結(jié)構(gòu)的演變以及半固態(tài)漿料的凝固行為。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的壓鑄工藝相比，流變壓鑄工藝提高了零件的拉伸性能，特別是將拉伸率提高了80%。</p><p>　　可用于半固態(tài)成形的合金的開發(fā)一直都受到很多人的關(guān)注，東北大學(xué)的管仁國等采用連續(xù)半固態(tài)擠壓成形的一種新技術(shù)來加工AZ31鎂合金結(jié)構(gòu)材料，研究了不同工藝參數(shù)下AZ31鎂合金的組織結(jié)構(gòu)。研究

67、發(fā)現(xiàn)，在合適的工藝參數(shù)下，可以獲得具有光滑的表面并且晶粒結(jié)構(gòu)一致呈帶狀均勻分布的的AZ31鎂合金制件。在熱處理之后零件的平均強(qiáng)度可以達(dá)到270MPa，延伸率為16%。</p><p>　　在數(shù)值模擬方面，不斷有人嘗試用新的模型或方法來模擬成形過程，以期預(yù)知成形過程，得到最優(yōu)工藝參數(shù)。閆觀海等人研究用HPb59-1合金采用半固態(tài)壓鑄的方法加工用于空調(diào)的四道閥零件，并且用Flow-3D軟件模擬了半固態(tài)壓鑄成形過程。通

68、過模擬得到了合適的坯料溫度、加載速度以及模具的預(yù)熱溫度。模擬結(jié)果顯示坯料可以很順利并且完整地填充模具型腔，表面缺陷很小，溫度場和應(yīng)力場均勻，并且制件的質(zhì)量符合要求。</p><p>　　1.3.3 半固態(tài)技術(shù)發(fā)展前景</p><p>　　基于我國半固態(tài)技術(shù)研究和應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀，我們需要從以下幾個(gè)方面對半固態(tài)金屬加工技術(shù)做更加深入的研究：加強(qiáng)半固態(tài)成形技術(shù)的基礎(chǔ)研究和開發(fā)，尋求技術(shù)創(chuàng)新；降低

69、半固態(tài)坯料制備時(shí)的成本；擴(kuò)大半固態(tài)成形技術(shù)的應(yīng)用范圍；為半固態(tài)技術(shù)開發(fā)合適的合金體系；加強(qiáng)適用于半固態(tài)工藝的設(shè)備的專業(yè)實(shí)際和加工制造；發(fā)展學(xué)術(shù)交流，加強(qiáng)高校，研究院和制造企業(yè)之間的聯(lián)系，以共同推動(dòng)半固態(tài)技術(shù)的應(yīng)用。</p><p>　　在工業(yè)應(yīng)用方面，雖然半固態(tài)技術(shù)已經(jīng)成功地用于加工一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，一些研究者也致力于新型合金及工藝的研究，但是需要更多努力研究來滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。這包括以下幾個(gè)方面：</

70、p><p>　?。?）研究更多可應(yīng)用的合金</p><p>　　實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用對合金有各種不同的要求，有的需要高強(qiáng)度，有的需要高熱能，很強(qiáng)的抗疲勞強(qiáng)度，抗腐蝕能力，抗磨損能力。這些都需要不同的合金體系來滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。</p><p>　?。?）加強(qiáng)高熔點(diǎn)合金的研究和應(yīng)用</p><p>　　一直以來，研究者對半固態(tài)工藝的研究重心都在熔點(diǎn)相對

71、較低的合金，如鋁合金、鎂合金等。雖然在高熔點(diǎn)合金的研究方面取得了一些成績，但是需要更深入地研究鑄鐵、鋼和鎳基復(fù)合材料等材料體系。這些材料比鋁合金及鎂合金的密度大，因而與輕合金相比，可以節(jié)省更多的零件重量，節(jié)約更多的燃料，也可以通過半固態(tài)工藝來改進(jìn)質(zhì)量和性能，進(jìn)而提高零件壽命。</p><p>　?。?）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件的研究</p><p>　　對于一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸蓋，

72、使用鑄造方法難以滿足性能要求，而使用機(jī)械加工鍛件的方法在效率和成本方面難以滿足要求。因此，半固態(tài)技術(shù)在加工復(fù)雜形狀零件方面有很大的潛力。合金在半固態(tài)時(shí)剪切強(qiáng)度低而耐壓強(qiáng)度相對較高，這樣當(dāng)澆注系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合適的時(shí)候就可以加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。</p><p>　　（4）降低現(xiàn)有半固態(tài)制件的成本</p><p>　　用半固態(tài)工藝加工的零件比鍛造工藝加工的零件成本要低，但是由于機(jī)械加工原材料

73、，工藝成本較高等原因，半固態(tài)工藝加工零件的成本要比鑄造工藝的高。因此，需要進(jìn)行更多的努力來降低用于坯料加工和澆注系統(tǒng)等方面的支出。</p><p>　　任何一個(gè)新技術(shù)的出現(xiàn)都有它的優(yōu)越性,也不可避免地存在局限性,半固態(tài)金屬加工技術(shù)也不例外,具體到半固態(tài)觸變成形和流變成形更是如此。半固態(tài)觸變成形技術(shù)存在流程較長、坯料制造成本高等問題,但它的適用范圍廣闊,可以用于各種難鑄造、難變形鋁合金以及復(fù)合材料的加工成形;而流變

74、成形具有的流程短、成本低的優(yōu)勢,使這項(xiàng)工藝技術(shù)在解決現(xiàn)有小型鑄件的質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢,但是在實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用之前,還需要解決漿料質(zhì)量過程控制所涉及的許多問題。因此,在開拓流變成形技術(shù)的同時(shí),應(yīng)該更加重視觸變成形技術(shù)的推廣應(yīng)用,盡快將這項(xiàng)極具潛力的工藝技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中將具有更為現(xiàn)實(shí)的意義。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),當(dāng)前還需要盡快解決以下幾個(gè)問題: ①半固態(tài)坯料質(zhì)量及其穩(wěn)定性是保證后續(xù)工藝穩(wěn)定和最終產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵,因此需要盡快開發(fā)制備高質(zhì)

75、量大直徑半固態(tài)坯料的制備技術(shù),滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要; ②進(jìn)一步降低半固態(tài)坯料的生產(chǎn)制造成本,研究和開發(fā)多流半固態(tài)連續(xù)鑄造技術(shù),使半固態(tài)坯料的制造成本接近或達(dá)到普通連鑄的水平; ③研究開發(fā)適合不同零件需要的系列化二次加熱設(shè)備,提高二次加熱設(shè)備的自適應(yīng)能力,解決坯料加熱不均勻問題,提高二次加熱設(shè)備的自</p><p>　　1.4 本課題主要研究的目的及內(nèi)容</p><p>　　通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，掌握

76、半固態(tài)觸變成形技術(shù)的基本成 型技術(shù)的基本原理，研究不同的成形工藝參數(shù)對制作微觀組織和力學(xué)性能的影響，探索2024鋁合金半固態(tài)觸變成形的最佳工藝參數(shù)。</p><p>　?。?）了解半固態(tài)加工技術(shù)，掌握半固態(tài)觸變成形技術(shù)基本原理；</p><p>　　（2）研究不同坯料的成形加熱溫度、成形壓力、成形速率對半固態(tài)組織的影響； </p><p>　　（3）制定出適用于

77、2024鋁合金半固態(tài)觸變成形的最佳工藝參數(shù)。</p><p>　　第2章 再結(jié)晶與重熔法制備2024鋁合金半固態(tài)坯料</p><p>　　2.1 再結(jié)晶與重熔法 </p><p>　　本試驗(yàn)中采用再結(jié)晶與重熔法（Recrystallization and Partly remelting，簡稱RAP）制備半固態(tài)漿料。再結(jié)晶與重熔法的工藝要點(diǎn)是：首先將坯料在再結(jié)晶溫度

78、以下范圍內(nèi)進(jìn)行大變形量的熱變形加工處理，在坯料的組織中儲存部分變形能量，然后待坯料冷卻后，將其加熱到半固態(tài)溫度進(jìn)行保溫，坯料內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶、再結(jié)晶晶粒的長大和球化從而獲得具有觸變性的球晶組織的半固態(tài)坯料。</p><p>　　RAP法是半固態(tài)坯料制備技術(shù)的一種，是適用于變形鋁合金半固態(tài)觸變成形的最經(jīng)濟(jì)有效的坯料制備技術(shù)。</p><p><b>　　2.2 試驗(yàn)材料</b&

79、gt;</p><p>　　本試驗(yàn)所用材料為2024鋁合金擠壓棒料，其主要成分如表2-1所示：</p><p>　　表2-1 2024鋁合金化學(xué)成分(wt%)</p><p>　　2024鋁合金又被稱為高強(qiáng)度硬鋁，是用途最為廣泛的結(jié)構(gòu)鋁合金，主要用于制作各種高負(fù)荷的零件和構(gòu)件（但不包括沖壓件鍛件）如飛機(jī)上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，鉚釘?shù)?50℃以下工作零件

80、，許多重要的受力結(jié)構(gòu)特別是飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼與連接件等都是用此合金制造的，硬鋁型合金(特別是2024合金)的特點(diǎn)是在高溫下軟化的傾向比其他許多變形鋁合金都小。2024合金與其他硬鋁型合金所不同的是它的強(qiáng)度更高；在新淬火狀態(tài)下具有中等塑性，點(diǎn)焊焊接良好，用氣焊時(shí)有形成晶間裂紋的傾向，合金在淬火和冷作硬化后其可切削性能尚好，退火后可切削性低，2024合金的抗蝕性較低，因此它的板材主要在包鋁狀態(tài)下應(yīng)用，常采用陽極氧化處理與涂漆方法或表面加包鋁層

81、以提高其抗腐蝕能力。2024合金的熱強(qiáng)性是最好的，這一點(diǎn)對于在高溫下工作的材料很重要。所有的硬鋁型合金，包括2024合金在內(nèi)，其主要強(qiáng)化相是CuAl2和Al2CuMg，S（Al2CuMg）相對2024型合金強(qiáng)化所起的作用比其他相(CuAl2或Mg2Si)的大。2024合金的Mg2Si數(shù)量完全取決于含硅量。要形成S(Al2CuMg)相，就必須使合金銅與鎂之比接近于2.61</p><p><b>　　2.

82、3 制備過程</b></p><p>　　擠壓棒料相當(dāng)于鑄態(tài)坯料已經(jīng)經(jīng)歷了熱擠壓變形，棒料中儲存了一定的儲存能，但是其變形程度比較小即儲存能比較小，若直接二次加熱到半固態(tài)溫度區(qū)間，再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力不足，獲得的晶粒的球化程度和細(xì)化程度不太理想，無法滿足半固態(tài)模鍛成形的需要。所以接下來對熱擠壓棒料再進(jìn)行一次冷鐓粗，以獲得足夠大儲存能并進(jìn)一步細(xì)化晶粒，使二次加熱后得到的半固態(tài)漿料有理想的晶粒度和球化程度。經(jīng)研

83、究，當(dāng)采用冷變形增加坯料的變形程度時(shí)，冷變形程度必須達(dá)到極限變形程度才可明顯改善半固態(tài)材料的流動(dòng)性，當(dāng)變形程度低于30%時(shí)，晶粒的細(xì)化程度較快，而當(dāng)變形程度高于30%時(shí)，晶粒尺寸緩慢減小，即30%為冷變形的極限變形程度，故本試驗(yàn)將材料的變形程度控制在30%。將擠壓棒料加工成直徑Φ40mm，高度h分別為60mm、66mm、72mm、80mm的圓柱形坯料。然后將坯料放入箱式加熱爐中對其進(jìn)行退火處理，在490℃下保溫兩個(gè)小時(shí)然后隨爐冷卻，以提

84、高其冷塑性變形能力，防止鐓粗后坯料產(chǎn)生開裂。熱處理完成之后將油脂石墨涂在坯料兩端作為潤滑劑，在室溫下鐓粗，使之鐓粗后高度為48mm。鐓粗所用設(shè)備為100t液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)。</p><p>　　將墩粗后的棒料放入模具中，使之成為階梯狀，并在階梯狀試件的不同位置取試樣。</p><p>　　半固態(tài)模鍛過程中重要的工藝參數(shù)包括二次加熱的條件（即加熱溫度、保溫時(shí)間、加熱速度等）、模具的溫度、潤滑

85、條件、加載速度、保壓時(shí)間等。</p><p>　　2024鋁合金的固相線為536℃，液相線為646℃，本試驗(yàn)中二次加熱溫度定為605～615℃，保溫時(shí)間為35～40min，這時(shí)坯料的固相率在60%左右，流動(dòng)性和夾持強(qiáng)度都較好；模具預(yù)熱溫度300℃～350℃，潤滑劑為油脂石墨，在模具溫度預(yù)熱到150℃～200℃之間時(shí)噴涂在沖頭及模腔表面；模鍛加載速度取為15mm/s，保壓時(shí)間10～20s。</p>&

86、lt;p>　　1—上模板 2—上模墊板 3—上模外套 4—沖頭 5—下模壓板6—下模套 </p><p>　　7—下模Ⅰ 8—下模Ⅱ 9—下模板10—連桿11—圓柱銷 12—六角螺釘</p><p>　　圖2-1 成形模具總裝示意圖</p><p>　　圖2-2 階梯狀試件</p><p>　　圖2-3 試樣取樣位置</p>

87、<p><b>　　2.4 試樣的處理</b></p><p>　　2.4.1式樣的打磨、拋光</p><p>　　經(jīng)重熔后的試樣，分別由280#、300#、500#、600#、800#砂紙打磨，然后經(jīng)拋光機(jī)拋光。</p><p>　　圖2-4 P-1開型金相試樣拋光機(jī)</p><p>　　2.4.2 試樣

88、的腐蝕處理</p><p>　　腐蝕所用溶液為三酸溶液，成分為2.5%HNO3，1%HF，1.5%HCl。</p><p>　　表2-2 實(shí)驗(yàn)室配制腐蝕液的三酸</p><p>　　實(shí)驗(yàn)室自配腐蝕鋁合金三酸溶液20ml。</p><p>　　配制腐蝕液所需要的各種酸的量分別為：</p><p>　　HF=（20

89、15;1%）÷10%</p><p><b>　　=0.5ml</b></p><p>　　HCl=（20×1.5%）÷37%</p><p><b>　　≈0.81ml</b></p><p>　　HNO3=（20×2.5%）÷65%</p&

90、gt;<p><b>　　≈0.77ml</b></p><p>　　H2O=20—0.77—0.81—0.5</p><p><b>　　=17.92ml</b></p><p>　　將拋光后的試樣，用自配的腐蝕液作腐蝕處理，腐蝕時(shí)間在13～15秒。</p><p>　　2.4.3

91、觀察金相組織</p><p>　　將經(jīng)過打磨、拋光、腐蝕后的試樣，在金相顯微鏡（如下圖）下觀察其顯微組織。</p><p>　　圖2-5 金相顯微鏡</p><p>　　2.4.4 實(shí)驗(yàn)中存在的困難與問題</p><p>　　1、在打磨時(shí)會出現(xiàn)明顯的劃痕</p><p>　　解決方法：打磨過程中將試件旋轉(zhuǎn)90度，是打磨

92、痕跡交錯(cuò)，可是劃痕明顯減少</p><p>　　2、拋光是試件容易被打飛</p><p>　　解決方法：將試件的四條棱打磨出一定角度的倒角，可有效防止試件在拋光過程中被打飛</p><p>　　3、腐蝕試件后觀察不到金相組織</p><p>　　解決方法：腐蝕時(shí)先腐蝕較短時(shí)間，觀察是否有較為清晰的金相組織，如沒有可在輕微腐蝕，直至可以觀察為止

93、，但總腐蝕時(shí)間不宜太長，太長會破壞金屬結(jié)晶無法繼續(xù)觀察。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　利用應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法制備出了半固態(tài)模鍛的坯料，其中“應(yīng)變誘導(dǎo)”采用的是冷鐓粗法，變形程度為30%。利用差熱分析方法測定了2024鋁合金固、液相線，其固相線為536℃，液相線為646℃。對制備出的坯料進(jìn)行二次加熱，然后利用金相顯微鏡觀察其

94、微觀組織，并且發(fā)現(xiàn)，經(jīng)應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法制得的坯料晶粒較細(xì)小，大小較均勻，球化效果較好。</p><p>　　第3章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析</p><p>　　3.1 不同試件相同位置的實(shí)驗(yàn)及分析</p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)共分三組，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件和工藝參數(shù)，來觀察試樣的金相組織的的變化，并根據(jù)金相組織的不同分析出最合理的工藝參數(shù)。</p><p

95、>　　第一組實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下表</p><p>　　表3.1 底部厚度為5mm，突起高度不同</p><p>　　1#、12#、13#、14#、15#試件相同部分的金像照片如圖：</p><p>　　圖3-1 1#試件金相圖</p><p>　　圖3-2 12#試件金相圖</p><p>　　圖3-3 13#試樣金相

96、圖</p><p>　　圖3-4 14#試樣金相圖</p><p>　　圖3-5 15#試樣金相圖</p><p>　　通過比較，我們不難發(fā)現(xiàn)在底部厚度為5mm，溫度651℃，比壓120MPa，速度15mm/s的相同條件下，從試件的金相組織照片可以發(fā)現(xiàn)，凸起高度低的，晶粒細(xì)小，空洞少；凸起高度高的，晶粒大，空洞多，這說明在其他條件相同時(shí)，試件的高度越低其金屬性能和半

97、固態(tài)性能越好。</p><p>　　第2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表</p><p>　　表3.2 底部厚度不同，突起高度為30mm</p><p>　　2#、3#、4#、8#試樣相同部分的金相圖如下圖：</p><p>　　圖3-6 2#試樣金相圖</p><p>　　圖3-7 3#試樣金相圖</p><p&

98、gt;　　圖3-8 4#試件金相圖</p><p>　　圖3-9 8#試件金相圖</p><p>　　通過比較，我們不難發(fā)現(xiàn)在突起高度為30mm，溫度651℃，比壓120MPa，速度15mm/s的相同條件下，試件的底部厚度越高試件的晶粒越小，空洞少，這說明在其他條件相同時(shí)，試件的底部厚度越厚其金屬性能和半固態(tài)性能越好。</p><p>　　第3組實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖下表&

99、lt;/p><p>　　表3.3 底部厚度和凸起高度均相同，壓力相同，成形速度不同。</p><p>　　8#，11#試件相同部分的金相圖如下圖</p><p>　　圖3-10 8#試件金相圖</p><p>　　圖3-11 11#試件金相圖</p><p>　　通過比較，我們不難發(fā)現(xiàn)在底部厚度為7mm，突起高度為30mm

100、，溫度651℃，比壓120MPa的相同條件下，試件的成形速度越慢試件的金相組織越明顯，其固相和液相越均勻，這說明在其他條件相同時(shí)，試件的成形速度越厚慢其金屬性能和半固態(tài)性能越好。</p><p>　　3.2 相同試件不同位置的實(shí)驗(yàn)及分析</p><p>　　表3.4 15#試樣的實(shí)驗(yàn)參數(shù)</p><p>　　現(xiàn)以15#試樣為例，觀察和分析在實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同的情況下同一試

101、件不同位置的金相組織情況.</p><p>　　15#試件的不同位置的金相圖如下圖：</p><p>　　圖3-12 15#試件左側(cè)頂部金相圖①</p><p>　　圖3-13 15#試件左側(cè)中上部金相圖②</p><p>　　圖3-14 15#試件左側(cè)中下部金相圖③</p><p>　　圖3-15 15#試件左側(cè)底部

102、金相圖④</p><p>　　圖3-16 15#試件右側(cè)金相圖⑤</p><p>　　通過觀察后，位置①、②處晶粒球化程度最好，位置④處居中，位置⑤處晶粒球化程度最差；位置①、②、④處晶粒呈近球狀，固相沒有發(fā)生明顯的塑性變形，固相基本保持著重熔后的晶粒形態(tài)，而位置⑤處局部晶粒被拉長，說明模鍛過程中固相發(fā)生了明顯的塑性變形?？梢酝茰y，在本實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，位置①、②、④處半固態(tài)模鍛的變形機(jī)制以液相

103、流動(dòng)、固液相混合流動(dòng)以及固相滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)為主，沒有明顯的固相塑性變形；而位置⑤處半固態(tài)模鍛的變形機(jī)制除液相流動(dòng)、固液相混合流動(dòng)和固相滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)外，還有固相的塑性變形。</p><p>　　造成這種情況的原因可能是：隨著變形的進(jìn)行，各位置處固相率的變化不同，導(dǎo)致半固態(tài)模鍛變形的機(jī)制不同。位置⑤處直接與沖頭接觸，并且冷卻速度最快。在制件變形的初期，液相流動(dòng)、固液相混合流動(dòng)以及固相滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)這三種變形的變形抗力較固

104、相塑性變形的小、更容易克服，故塑性變形機(jī)制以液相流動(dòng)、固液相混合流動(dòng)以及固相滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)這三種為主；隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，一方面液相從位置⑤處向四周幾個(gè)凸臺流動(dòng)，造成中間固相率升高，另一方面位置⑤處直接與沖頭接觸，坯料溫度下降也最快，固相率增加最快，所以位置⑤處固相塑性變形的變形機(jī)制逐漸顯現(xiàn)出來。而位置①、②、④處，一方面由于前期變形過程中固液相的宏觀偏析，液相更多的向另位置①、②、④處聚集，一方面它們不直接與沖頭接觸且與模具內(nèi)壁接觸需要一

105、定時(shí)間，故坯料冷卻速度較⑤處慢許多，上述兩方面原因造成固相率變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如位置⑤處明顯，所以塑性變形機(jī)制以液相流動(dòng)、固液相混合流動(dòng)和固相滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)為主，沒有發(fā)生明顯的固相塑性變形。制件在位置③、④處的局部尺寸比位置①、②處的小，故坯料較位置①、②處先接觸模具型腔，冷卻速度也較其快一些，所以固相率升高較①、②處快，所以固相塑性變形機(jī)制較早</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b>&l

106、t;/p><p>　　（1）在底部厚度、溫度、比壓、速度相同條件下，從試件的金相組織照片可以發(fā)現(xiàn)，凸起高度低的，晶粒細(xì)小，空洞少；凸起高度高的，晶粒大，空洞多，這說明在其他條件相同時(shí)，試件的高度越低其金屬性能和半固態(tài)性能越好。</p><p>　?。?）在突起高度、溫度、比壓、速度相同條件下，試件的底部厚度越高試件的晶粒越小，空洞少，這說明在其他條件相同時(shí)，試件的底部厚度越厚其金屬性能和半固態(tài)

107、性能越好。</p><p>　?。?）在底部厚度、突起高度、溫度、比壓相同條件下，試件的成形速度越慢試件的金相組織越明顯，其固相和液相越均勻，這說明在其他條件相同時(shí)，試件的成形速度越厚慢其金屬性能和半固態(tài)性能越好。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本課題利用再結(jié)晶與重熔法制備了2024鋁合金半固態(tài)坯料，進(jìn)行半