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半固態(tài)鋁合金(A356)漿料流變成形的充填性能YuelongBail.1,2,WeiminMao1,Son&Gao1,GuoxingTang1,andJunXu21材料科學(xué)與工程學(xué)院.北京科技大學(xué),北京100083.2國(guó)家有色金屬材料合成工程研究中心。有色金屬材料總研究所,北京100088摘要:許多流變成形方法研究了漿料溫度、注漿壓力和活塞速度對(duì)半固態(tài)A356合金的流變成形性能的影響。結(jié)果表明,半固態(tài)A356鋁合金的漿料溫度對(duì)充填性能有非常巨大的影響;漿料溫度越高,充填性能越好,并且流變成形的合適漿料溫度是在585-595C范圍之內(nèi)。注漿壓力也對(duì)充填性能有非常巨大的影響,并且當(dāng)它處在15-25MPa的范圍之內(nèi)時(shí)適合流變成形?;钊俣纫矊?duì)充填性能有非常巨大的影響,并且當(dāng)活塞速度在0.07-0.12m/s范圍內(nèi)時(shí)適合流變成形。由電磁攪拌的低過(guò)熱度澆注準(zhǔn)備的漿料的充填性能是非常好的,并且流變成形壓鑄中的微結(jié)構(gòu)分布是均勻的,這種情況有利于高質(zhì)量壓鑄。Keywords:A356鋁合金;流變成形;充填性能;半固態(tài)1引言自從1970s麻省理工學(xué)院的弗萊明斯發(fā)展了半固態(tài)金屬成型以來(lái),它已經(jīng)了吸引了海外和國(guó)內(nèi)相當(dāng)大的注意力。一些專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)對(duì)這些技術(shù)的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用進(jìn)行了研究。又經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,這些理論和應(yīng)用研究已經(jīng)成功應(yīng)用于制造各種各樣的汽車(chē)和飛機(jī)零部件1-3。但是,發(fā)展到現(xiàn)在,只有觸變成形技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到商業(yè)生產(chǎn),但是這種商業(yè)生產(chǎn)規(guī)模非常小。這主要是因?yàn)榘牍虘B(tài)漿料的準(zhǔn)備代價(jià)和二次加熱的能量消耗越來(lái)越大,并且坯、澆注系統(tǒng)和不合格鑄件之間的循環(huán)是困難的。當(dāng)與觸變成形技術(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),半固態(tài)金屬的流變成形技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn),例如過(guò)程明顯變短,澆注系統(tǒng)和廢棄鑄件之間的循環(huán)變得容易,生產(chǎn)代價(jià)低等。因此,流變成形技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為最重要的研究課題之一4-9。短時(shí)間內(nèi)的電磁攪拌的低過(guò)熱度澆注(LSPWES)是一種準(zhǔn)備半固態(tài)合金漿料的新方法10-11,與高功率電磁攪拌得到的半固態(tài)合金坯相比,它只需要更低的能量消耗12-13;并且其過(guò)程控制明顯方便14,其漿料微結(jié)構(gòu)優(yōu)于液相線壓鑄技術(shù)得到的漿料結(jié)構(gòu)。因此,LSPWES可以作為一種新的半固態(tài)流變成形過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)15。在本文研究中,研究了由LSPWES方法得到的半固態(tài)A356合金漿料的充填性能,其研究結(jié)果對(duì)改進(jìn)的流變成形技術(shù)的發(fā)展非常有用。2試驗(yàn)試驗(yàn)中使用的原材料是商用的A356鋁合金。它的成分是7.49wt%的硅、0.46wt%的鎂、0.16wt%的鐵和91.89wt%的鋁。液體溫度和固體溫度分別大約是615和555。在這些試驗(yàn)中,A356合金的漿料首先由電磁攪拌的低過(guò)熱度澆注得到,然后漿料在一個(gè)感應(yīng)加熱器中經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的熱處理。長(zhǎng)時(shí)間的熱處理過(guò)程之后,漿料最后被快速傳送到壓鑄機(jī)器的壓射室而成形。為了研究上面得到的漿料的流變成形充填性能,采用了帶有1300mm10mm3mm螺旋形諧振器的壓模。壓模和其橫截面示意圖如圖1。流變成形的試樣長(zhǎng)度可能作為評(píng)估漿料溫度、注漿壓力和活塞速度對(duì)充填性能的影響的標(biāo)準(zhǔn)。在這些試驗(yàn)中采用的漿料溫度在585-595范圍內(nèi);注漿壓力在5-25MPa范圍內(nèi);活塞速度處在0.024-0.072m/s之間。預(yù)熱壓模和壓射室得溫度分別是120和300。3結(jié)論3.1漿料溫度對(duì)充填性能的影響在這里,漿料溫度是指漿料被傳送到壓射室時(shí)的溫度。試驗(yàn)說(shuō)明漿料溫度對(duì)半固態(tài)A356鋁合金漿料的充填性能有非常大的影響。在不同溫度下的流變成形螺旋形試樣的充填長(zhǎng)度所圖2所示,其中活塞速度是0.072m/s。圖2漿料溫度對(duì)半固態(tài)A356鋁合金漿料的充填性能的影響從圖2可以看出,當(dāng)注漿壓力為10、15、或者20MPa時(shí),隨著漿料溫度的增高,充填長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)是相似的,并且隨著漿料溫度的增高充填長(zhǎng)度增長(zhǎng)的趨勢(shì)是明顯的。即隨著漿料溫度的增高,半固態(tài)A356鋁合金漿料的充填性能逐漸變好。這是因?yàn)殡S著漿料溫度的增高,固相率和表觀粘度降低。因此,當(dāng)諧振器中的漿料流和充填長(zhǎng)度增加時(shí),充填阻力變小。另一方面,由越高溫度產(chǎn)生的漿料的凝固時(shí)間將越長(zhǎng),并且充填時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)。因而,漿料溫度越高,凝固時(shí)間越長(zhǎng),而充填性能越好。但是,如果漿料溫度相對(duì)比較高,那么可能會(huì)造成湍流和氣體運(yùn)移。因此,必須采納確保非常緊密充填的適當(dāng)漿料溫度。從圖2還可以看出,由電磁攪拌的低過(guò)熱度澆注得到的漿料的充填性能非常好。甚至當(dāng)漿料溫度和重加熱壓模溫度分別是585和120,充填長(zhǎng)度仍然可以達(dá)到100mm,這說(shuō)明了3mm厚10mm長(zhǎng)的鑄件具有好的充填性能。如果漿料溫度繼續(xù)增加到595,充填長(zhǎng)度將高達(dá)180mm之多,并且在180-270mm范圍之內(nèi)。即,當(dāng)成形溫度和注漿壓力分別為595和20MPa時(shí),充填長(zhǎng)度將增加到270mm。因而,任何復(fù)雜的模槽的完全充填可以通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)漿料溫度和注漿壓力而得到保證。3.2注漿壓力對(duì)充填性能的影響圖1壓模(a)和其橫截面(b)示意圖(單位:mm)成形溫度/充填長(zhǎng)度/mm注漿壓力是施加在壓射室里的半固態(tài)A356鋁合金漿料上的靜態(tài)壓力。在流變成形過(guò)程中,它也是一個(gè)重要的參數(shù),并且注漿壓力對(duì)處在不同注漿壓力條件下的螺旋形壓鑄件的充填長(zhǎng)度的影響如圖3所示,圖中漿料溫度是585C。圖3注漿壓力對(duì)充填性能的影響從圖3可以看出,當(dāng)注漿壓力越小時(shí),充填長(zhǎng)度越短;但是,當(dāng)注漿壓力增加時(shí),充填長(zhǎng)度將增加。例如,當(dāng)注漿壓力是5MPa和活塞速度是0.048m/s時(shí),充填長(zhǎng)度僅是71mm,這說(shuō)明充填性能不好。但是,當(dāng)注漿壓力增加到15MPa,充填長(zhǎng)度將高達(dá)110mm,這說(shuō)明充填性能比較好。而且,如果注漿壓力增加到15MPa以上,充填長(zhǎng)度也明顯增加,將高達(dá)到120-190mm。隨著注漿壓力的增加,充填長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)可以得到如下解釋?zhuān)寒?dāng)注漿壓力越低時(shí),充填能量不足夠克服漿料的流阻力,因此,充填長(zhǎng)度越短;如果注漿壓力增加,漿料將獲得較大的能量用來(lái)克服漿料的流阻力。但是,如果注漿壓力非常高,并且達(dá)到臨界值,那么諧振器中的空氣不能立即排出,并且由于不利高溫,充填長(zhǎng)度將降低,并且也可能會(huì)造成湍流1-3;因而,如果要預(yù)防湍流,必須選擇增高的注漿壓力。從圖3還可以看出,當(dāng)注漿壓力增加,如果活塞速度也同時(shí)增加,充填長(zhǎng)度將增加。例如,當(dāng)活塞速度是0.096m/s,如果注漿壓力增加到25MPa,充填長(zhǎng)度將高達(dá)240mm,更確切地說(shuō),充填性能相當(dāng)好。主要原因可能是較高的充填速度減少漿料的散熱,并且充填速度越高,漿料凝固之間流動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)。因此,充填性能將非常好。圖3中的結(jié)果顯示,如果壓模的排氣比較好并且湍流不會(huì)出現(xiàn),注漿壓力越高,充填性能越好,并且由電磁攪拌的低過(guò)熱度澆注得到的漿料的充填性能也非常好。3.3活塞速度對(duì)充填性能的影響活塞速度是充填漿料時(shí)活塞向前移動(dòng)的速度。在流變成形過(guò)程中,它也是一個(gè)重要的參數(shù)。圖4顯示了活塞速度對(duì)充填長(zhǎng)度的影響,其中漿料溫度是585C。充填長(zhǎng)度/mm注漿壓力/MPa圖4活塞速度對(duì)充填性能的影響從圖4可以看出,隨著活塞速度的增加,充填長(zhǎng)度增加。當(dāng)注漿壓力是10MPa和活塞速度是0.024m/s時(shí),充填長(zhǎng)度僅有70mm,這說(shuō)明這種狀態(tài)下充填性能比較差。如果活塞速度增加到0.072m/s,并且注漿壓力也是10MPa時(shí),充填長(zhǎng)度增加并高達(dá)100mm。但是,如果活塞速度增加到0.12m/s,充填長(zhǎng)度增加并達(dá)到140mm,這顯示此時(shí)充填性能較好。隨著活塞速度的增加,漿料充填速度增加,同時(shí)在相同模槽里的充填時(shí)間縮短;散熱也減少,以至于流動(dòng)的漿料的溫度比較高。結(jié)果顯示,漿料的表觀粘度將降低,并且漿料流性能也會(huì)比較好;因而,最后充填長(zhǎng)度逐漸變長(zhǎng)。從圖4還可以看出,如果注漿壓力增加,活塞速度也同時(shí)增加,充填長(zhǎng)度將明顯增加。例如,當(dāng)注漿壓力是20MPa和活塞速度是0.024m/s時(shí),充填長(zhǎng)度僅有105mm,但是如果活塞速度增加到0.12m/s,充填長(zhǎng)度將增加到180mm,這顯示這種條件下有好的充填性能。因而,當(dāng)注漿壓力是15MPa以上,并且活塞速度是0.096m/s以上時(shí),有利于形成好的充填性能。隨著活塞速度的增加,充填長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)也顯示由電磁攪拌的低過(guò)熱度澆注得到的漿料的充填性能也非常好。3.4微結(jié)構(gòu)分布為了得到各向同性的、好的機(jī)械性能,在半固態(tài)金屬成形過(guò)程中,要求微結(jié)構(gòu)分布是均勻的,即球形a-A1晶粒在壓鑄件中呈均勻分布。圖5顯示了冶金學(xué)上的切割點(diǎn)。圖6給出A

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