2024鋁合金半固態(tài)觸變成型研究開題報告.doc

哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文）開題報告題目：2024鋁合金半固態(tài)觸變成形研究系（部）材料工程系專業(yè)材料成型及控制工程學生孫文龍學號1089522107班號0985221指導教師陳剛開題報告日期2011.10.21哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院說明一、開題報告應包括下列主要內容：1通過學生對文獻論述和方案論證，判斷是否已充分理解畢業(yè)設計（論文）的內容和要求2進度計劃是否切實可行；3是否具備畢業(yè)設計所要求的基礎條件。4預計研究過程中可能遇到的困難和問題，以及解決的措施；5主要參考文獻。二、如學生首次開題報告未通過，需在一周內再進行一次。三、開題報告由指導教師填寫意見、簽字后，統(tǒng)一交所在系（部）保存，以備檢查。指導教師評語：指導教師簽字：檢查日期：1課題研究的目的和意義1.1研究目的近些年來，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，以鋁代鋼的要求日益迫切，鋁合金已成了各個工業(yè)部門機械零件必不可少的材料，有關其成形的新工藝也不斷出現(xiàn)，金屬的半固態(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。目前主要采用鍛造加工方法，但材料利用率較低，成本較高；而采用鑄造技術不能滿足其高力學性能的使用要求。本課題擬采用半固態(tài)觸變成型技術，進行2024鋁合金的觸變成型研究。1.2研究意義鋁合金的傳統(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度，但是由于加工方法的限制，一般不能生產形狀復雜的零件，特別是薄壁件；鑄造可以生產形狀復雜的零件，但力學性能較低。目前薄壁零件的生產方式尚為傳統(tǒng)的鍛坯-機械加工的生產方式，但由于機械加工生產復雜零件時材料利用率不高（只有10），產品質量不夠好，生產效率低，生產成本高等缺點，因此該種工藝也不能滿足現(xiàn)在大批量、低成本的生產要求；為了保證在高質量的前提下經(jīng)濟地生產出該零件，需要尋找新的生產工藝來生產。半固態(tài)加工方法是一種新型材料成形方法，這種方法是當合金坯料處于液態(tài)與固態(tài)共存時，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械性能在半固態(tài)金屬成形技術中實現(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之一。通過畢業(yè)設計，掌握半固態(tài)觸變成形技術的基本成型技術的基本原理，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)。2半固態(tài)加工技術2.1半固態(tài)加工的概念半固態(tài)金屬加工是金屬在凝固過程中，進行強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、細小的初生相均勻分布于液相中的懸浮半固態(tài)漿料，這種漿料在外力的作用下，即便固相率達到60%仍具有較好的流動性?？梢岳脡鸿T、擠壓、模鍛等常規(guī)工藝進行加工成形，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，簡稱SSM。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）圖2-1半固態(tài)金屬加工的兩種工藝流程2.2半固態(tài)加工的主要工藝過程2.2.1流變成形（Rheocasting）流變成形又稱流變鑄造（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際使用的較少，但流變成形工藝流程短、設備簡單、節(jié)省能源，仍然是未來金屬半固態(tài)成形的一個重要發(fā)展方向。與普通鑄造相比，流變鑄造有許多優(yōu)點：晶粒細小、偏析減少、結構分布均勻、減小了收縮、微縮孔和裂紋、改善了鑄件的機械性能。日本學者最近在此方向進行了有益的探索，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。機械攪拌是實現(xiàn)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構不均勻；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則可以避開這些缺點。Winter等設計了能生產直徑從38mm到152mm鋁合金錠的電磁流變鑄造系統(tǒng)，由一個兩極多相的電機定子在半固態(tài)金屬中生產旋轉磁場實現(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30m數(shù)量級的鋁合金鑄錠。對于鑄速大于2m/min，當鑄錠的斷面尺寸較大時，細化效果也不是很明顯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行成形的方法。由于在觸變成形時，半固態(tài)金屬坯料的加熱、傳輸很方便，成形過程容易控制，便于實現(xiàn)自動化的生產。因此，此方法在實際生產中應用比較廣泛。半固態(tài)金屬的觸變成形可以分為幾種：一是觸變鑄造(Thixoforming)，其成形設備是壓力機；二是觸變鍛造(Thixoforging),其成形設備是壓力機；三是觸變軋制，其成形設備是軋機；四是觸變擠壓，其成形設備是擠壓機。以上成形方法的前兩種工藝是目前實際生產中已經(jīng)成熟的工藝，而后兩種工藝尚不成熟。(1)觸變鑄造(Thixocasting)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，而且容易實現(xiàn)自動化操作，因而觸變鑄造是目前半固態(tài)成形技術中應用最多的方法。(2)觸變鍛造(Thixoforging)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帶動完成合型，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數(shù)的半固態(tài)材料，并能生產一般鍛造難以達到的復雜形狀零件，適合于高熔點金屬的半固態(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。(3)觸變軋制(Semi-Solidrolling)半固態(tài)軋制的主要目的是生產高質量的板材。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行軋制，而觸變軋制是將預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)點是坯料的生產和軋制可以獨立進行；流變軋制省去了錠料的凝固和再加熱過程，縮短了生產周期，減少了能耗，可以連續(xù)的生產板材。目前，半固態(tài)軋制存在的主要問題是當固相分數(shù)小于0.7時，因液-固相流動會引起組織不均勻。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，然后通過模具擠出成形。觸變擠壓的優(yōu)點有：擴大了復雜件的成形范圍，改善了產品的成形性，無鍛壓效應（無織構），Al、Mg輕質高強合金、MMC及鋼等都可以擠壓成形（如復雜的幾何形狀、薄壁構件等）。2.3半固態(tài)加工技術特點半固態(tài)金屬(合金)的內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)金屬的金屬和力學性能主要有以下幾個特點。(1)由于固液共存，在兩者界面熔化、凝固不斷發(fā)生，產生活躍的擴散現(xiàn)象。因此溶質元素