本文關(guān)鍵詞：半固態(tài)合金流變鑄造的研究進(jìn)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

DO I : 10 . 15980 / j. tzzz . 2004 . 02 . 002

前沿技術(shù)論壇

特種鑄造及有色合金 　 2004 年第 2 期

半固態(tài)合金流變鑄造的研究進(jìn)展
＊ 北 京 科 技 大 學(xué)　 毛衛(wèi)民 ＊ 　 白月龍

＊

福建三明鋼鐵公司 　

陳　 軍
總結(jié)了 30 余年來(lái)半固態(tài)合金流變鑄造的研究和 應(yīng)用現(xiàn)狀 。 介 紹了傳 統(tǒng)機(jī)械 攪拌式 流變鑄造 工藝 , 由于其 所制 摘　 要　 備的半固態(tài)合金漿料保存 、輸送麻煩 , 至今沒(méi)有進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用 ; 評(píng)述了射室制備漿料式流變鑄造工 藝技術(shù) , 其生產(chǎn)的 壓鑄件 經(jīng) T6 處理 , 力學(xué)性能與擠壓鑄件 相當(dāng) , 但伸長(zhǎng)率提高很多 ; 介紹單 、雙螺旋流變射鑄工 藝 , 其特 點(diǎn)是利用 液態(tài)合金原 料生產(chǎn) 成本低 , 鑄件氣孔率低 , 但其所需設(shè)備和生產(chǎn)工藝還處在優(yōu)化階段 ; 重點(diǎn)介紹了低過(guò)熱度傾斜板澆 注式流變 鑄造 、低 過(guò)熱度 澆注和弱機(jī)械攪拌式流變鑄造的工藝特點(diǎn)和核心思想 ; 分析了半固態(tài)合金流變鑄造的發(fā)展前景 。

關(guān)鍵詞 : 流變鑄造 　半固態(tài) 　合金
+ 中圖分類號(hào) : TG244 . 3 　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A 　文章編號(hào) : 1001 -2249( 2004) 02 -0004 -05

　　 半固態(tài)金屬的流變壓鑄是最早進(jìn)行研究的半固態(tài) 金屬成形工藝 , 它將制備出的半固態(tài)合金漿料直接送往 壓鑄機(jī)的壓射室 , 進(jìn)行流變壓鑄 。 然而 , 早期通過(guò)強(qiáng)烈 機(jī)械攪拌獲得的半固態(tài)合金漿料的保存和輸送很不方 便 , 因而半固態(tài)合金流變鑄造技術(shù)的進(jìn)展很緩慢 , 一直 沒(méi)有出現(xiàn)成熟的技術(shù) 。 與此同時(shí) , 工藝流程較長(zhǎng)的觸變 鑄造卻獲得了較大規(guī)模的應(yīng)用[ 1] 。 但是 , 經(jīng)過(guò)多年的生 產(chǎn)實(shí)踐和深入研究發(fā)現(xiàn) , 采用觸變鑄造技術(shù)尚存在 5 大 工藝問(wèn)題 : ① 半固態(tài)鋁合金坯料成本高 , 制備坯料時(shí)額 外高出約 40 % 的費(fèi)用 ; ②傳統(tǒng)電磁攪拌的功率大 、效率 低、 能耗高 ; ③ 傳統(tǒng)電磁感應(yīng)重熔加熱的能耗高 , 坯料表 面氧化嚴(yán)重 , 而且加熱時(shí)坯料總會(huì)流失部分金屬 , 占坯 料質(zhì)量的 5 %～ 12 %; ④坯料的 液相分?jǐn)?shù)不能太高 , 否 則非常復(fù)雜零件的成形困難 ; ⑤鋸屑 、坯料重熔加熱時(shí) 的流湯 、澆注系統(tǒng)( 占坯料質(zhì)量的 10 %～ 20 % ) 和廢品 ( 所有回爐料約占坯料質(zhì)量的 40 %～ 50 % ) 不能馬上回 用 , 必須返回到坯料制備車間或坯料供應(yīng)生產(chǎn)廠 , 增加 了成形生產(chǎn)成本 。 為了解決上述難題和進(jìn)一步降低生 產(chǎn)成本 , 擴(kuò)大半固態(tài)合金鑄造的應(yīng)用 , 近年來(lái) , 半固態(tài)金 屬鑄造技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家重新將半固態(tài)合金漿料直接鑄

造成形技術(shù)作為降低生產(chǎn)成本的主攻方向 , 半固態(tài)合金 流變鑄造技術(shù)的研究越來(lái)越受到重視 , 一些新的流變鑄 造方法正在取得突破性的進(jìn)展 , 下面分別對(duì)這些技術(shù)的 特點(diǎn)和發(fā)展前景進(jìn)行論述 。

1　 傳統(tǒng)機(jī)械攪拌式流變鑄造
在早期的研究中 , 美國(guó) MIT 的 Mehrabian 和 Riek 等 人曾經(jīng)研究過(guò) A380 鋁合金和 905 銅合金的半固態(tài)流變 鑄造 , 這兩種合金的半固態(tài)漿料都是通過(guò)機(jī)械攪拌方法 制備的[ 2 , 3] 。 通過(guò)非連續(xù)機(jī)械攪拌裝置制備 A380 鋁合金半固態(tài) 漿料 。 在攪拌制備過(guò)程中 , 當(dāng) A380 鋁合金冷卻到適宜 的固相分?jǐn)?shù)時(shí) , 將坩堝中的漿料送入壓鑄機(jī)的壓射室進(jìn) 行流變壓鑄成形 。 流變壓鑄條件為 : 壓射沖頭速度 為 0. 91 ～ 2 . 13 m/ s , 壓射壓力為 47 . 6 ～ 158 . 6 MPa , 模具溫 度為 204 ℃, 半固態(tài) A380 鋁合金漿料的溫度為 564 ～ 572 ℃。 在該壓鑄條件下 , 流變壓鑄出較為致密的 零件 毛坯 , 其致密度與液態(tài) A380 鋁合金的壓鑄件相當(dāng) 。 該 流變壓鑄毛坯為一種蓋類零件 , 如圖 1 所示[ 2] 。

＊　國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展( 973) 規(guī)劃項(xiàng)目( G2000067202-3) , 國(guó)家 863 計(jì)劃項(xiàng)目( G2002AA336080) , 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 50374012 ) ＊ ＊ 毛衛(wèi)民 , 男 , 1958 年出生 , 教授 , 博士生導(dǎo)師 , 北京科技大學(xué)鑄造研究所 , 北京( 100083) , 電話 : 010 62332882 , E mail : maoweimin263. com 收稿日期 : 2003 10 16

參 　考 　文 　獻(xiàn)
1 　Shivkumar S , Ri cci S . Apelian D . Influence of Solution Parameters and Simplified Supersaturation Treatment s on Tensile Propert ies of A356 A lloy . AFS Transactions , 1990 , 98 : 913 ～ 920 2　 Shivkumr S , Keller C , keller D . Aging Behavior in Cast Al-Si -Mg Al loys . AFS Transactions , 1990, 98 : 905 ～ 910 3 　Crowell N , Shivkumar S . Solution Treatment Eff ects in Cast Al -Si-Cu Al loys . AFS Transactions , 1995 , 103 : 721 ～ 730 4 　Shivkumar S , Wang L , Kel ler C . Notched Tensile Properties of Heat-Treated A356 Castings . AFS Transations , 1995 , 103 : 705 ～ 712 5　 M urali S , Arunkumar Y , Chetty P V J et al . The Effect of Preaging on the Delayed Aging of A l -7Si-0 . 3Mg . JOM , 1997 , 49 ( 2) : 29 ～ 37 6 　Kang H G , Kida M , Miyahara H et al . AgeHardening Characteristi cs of A l -SiCu-Base Cast Alloys . AFS Transctions , 1999 , 107 : 507 ～ 512 7 　Zhen l , Fei W D , K ang S B . Precipitaion Behavior of A l -Mg-Si Alloys with

High Silicon Content . Journal of M aterials Science , 1997 , 32( 7) : 1 895 ～ 1 899 8　Eskin D G , Massardier V , Merle P A . Study of High -temperature Precipitation in Al-MgSi Alloys With an Excess of Silicon . Journal of Materials Science , 1999 , 34( 4) : 811 ～ 818 9　Dons A L , Pedersen L , Arnberg L . The Origin of Anomalous Microsegregation in Al-Si Foundry Alloys -Modelling and Experimental Verif ication . Materials Science and Engineering , 1999 , A 271( 1 ～ 2) : 91 ～ 100 10 　Pedersen L , A rnbery L . Anomalous Microsegregation in Al-Si Foundry A lloys . Materials Science and Engineering , 1998 , A241( 1 ～ 2) : 285 ～ 291 11 　Edwards G A , Stil ler K , Dunlop G L et al . The Precipitation Sequence in AlMg-Si A lloys . Acta Mater . , 1998 , 46 ( 1) : 3 893 ～ 3 898 12 　 Sokolowsdi J H , Mi le B . Djurduevic , Christopher A . K ierkus , Derek O . Northwood , Improvement of 319 Aluminum Alloy Casting Durability by High Temperature Solution Treatment . Journal of Materials Processing Technology , 2001 , 109( 1 ～ 2) : 174～ 180

( 編輯 : 劉　 衛(wèi))

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半固態(tài)合金流變鑄造的研究進(jìn)展

　　a . 澆注 a. 流變壓鑄件 b. 液態(tài)壓鑄件

　b . 電磁攪拌 　c . 調(diào)整射室位置

d. 壓射成形

圖 2 　射室制備 半固態(tài)合金漿料和流變鑄造示意圖 圖 1 　A380 鋁合金的流變壓鑄件與液態(tài) 壓鑄件

　　 Shibata 等人后來(lái)又提出了一種技術(shù)方案 : 立式壓 鑄機(jī)及射室與圖 2 所示的類似 ; 將 60 mm ×12 mm 的 射室預(yù) 熱到不同溫度 ( 25 ～ 700 ℃ ) , 再澆 入不同溫 度 ( 625 ～ 660 ℃ ) 的 AlSi7Mg0 . 3 合金液體 ; 當(dāng) AlSi7Mg0 . 3 合金熔體的心部冷卻到 600 ℃時(shí) , 將半固態(tài)漿料壓入型 腔 。 試驗(yàn) 表 明 : 澆 注 溫 度較 低 時(shí) , 如 不 超 過(guò) 630 ℃, AlSi7Mg0 . 3合金熔體心部的初生 α Al 呈球狀 , 初生 α Al 的形狀因子較高 , 但當(dāng)澆注溫度超過(guò)一定程度時(shí) , 初生 α Al 就轉(zhuǎn)變?yōu)闃?shù)枝晶 , 初生 α -Al 的形狀因子較低 ; 在同 一澆 注 溫 度 下 , 隨 著 壓 鑄機(jī) 射 室 預(yù) 熱 溫 度 的升 高 , AlSi7Mg0 . 3合金熔體心部的初生 α Al 形狀變差 , 適宜的 射室預(yù)熱溫度不 超過(guò) 370 ℃。 在同樣 的試驗(yàn)條件下 , AlSi7Mg0 . 3 合金熔體邊緣處 的初生 α Al 形態(tài)比較差 , 一般呈細(xì)枝晶 、 或薔薇狀枝晶 、 或粗大的枝晶 。 試驗(yàn)還 表明 : 在同樣的試驗(yàn)條件下 , 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0 . 11 %的 Ti 以后 , 初生 α Al 的形狀因子有所提高 , 而加入晶粒細(xì) 化劑 Ti( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0 . 16 % ) 和 B( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0 . 011 % ) 以后 , 初生 α Al 的形狀因子更高一些 。 經(jīng)過(guò)試驗(yàn) , 流變 壓鑄平板件的力學(xué)性能比重力鑄造和低壓鑄造平板件 的力學(xué)性能高 。 Hitachi 金屬有限公司對(duì)直接在射室中制備半固態(tài) 鋁合金漿料的技術(shù)作了進(jìn)一步改進(jìn) , 用電磁泵和熱管將 熔化爐中的鋁合金液直接送入壓鑄機(jī)射室 , 避免與空氣 接觸 , 再通過(guò)氬氣保護(hù) , 進(jìn)一步減少漿料中的氧化夾雜 物; 射室外增加了感應(yīng)加熱器 , 用以均勻半固態(tài)鋁合金 漿料的溫度場(chǎng) ; 從 1999 年開(kāi)始 , 該技術(shù)已經(jīng)用于汽車零 件的生產(chǎn) 。 但在壓鑄機(jī)射室中制備半固態(tài)鋁合金漿料 的制備效率較低 , 電磁攪拌仍然容易引起合金熔體的飛 濺和氧化 , 壓鑄機(jī)射室的結(jié)構(gòu)也過(guò)于復(fù)雜 , 降低了壓鑄 機(jī)的生產(chǎn)效率 , 壓鑄機(jī)射室的壽命也不可能太長(zhǎng) , 另外 , 非攪拌制備半固態(tài)鋁合金漿料時(shí)邊緣處的組織仍然不 理想 , 這也可能影響流變鑄造及成形件的力學(xué)性能 , 因
① Shibata R , Kaneuchi T , Soda T et al . For mation of Spherical Solid Phase in Die Casting Shot Sleeve without Any Agitation . in : Dardano C , Francisco M and Proud J . Proc . of the 5th Int . Conf . on Semi -Solid Processing of Alloys and Compositions , Golden , Colorado , June 23 -25, 1998 , Colorado School of Mines : 465 ～ 470

①

　　 雖然上述試驗(yàn)證明機(jī)械攪拌制備的半固態(tài)合金漿 料可以實(shí)現(xiàn)流變鑄造 , 流變鑄造件的外觀質(zhì)量良好 , 內(nèi) 部致密度進(jìn)一步提高 , 但是 , 機(jī)械攪拌制備的半固態(tài)合 金漿料的保存比較麻煩 , 需要對(duì)保存坩堝或儲(chǔ)存室進(jìn)行 預(yù)先加熱和保溫 , 這在實(shí)際應(yīng)用中很不方便 。 另外 , 半 固態(tài)合金漿料的輸送也不方便 , 要么輸送容器為一次性 消耗品 , 在流變鑄造時(shí)被壓碎 并混入預(yù)料中而難以分 離 , 要么半固態(tài)合金漿料容易 粘附在輸送坩堝的內(nèi)壁 上 , 需要不斷清理坩堝以及無(wú)法準(zhǔn)確保證流變鑄造所需 的漿料體積 , 使流變鑄造很難順利進(jìn)行 。 因此 , 到目前 為止 , 機(jī)械攪拌流變鑄造技術(shù)一直無(wú)法進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用 。

2　 射室制備漿料式流變鑄造
為了避免半固態(tài)合金漿料的存儲(chǔ)和輸送 , 日本 Hitachi 金屬有 限公司的 Shibata 等 人提出了一 種技術(shù)方 案: 在 2 500 kN 立式壓鑄機(jī)的射室中制備半固態(tài)合金漿 料 , 然后直接壓射成形 , 如圖 2 所示
[4 ]

, 對(duì)澆入射室中的

AlSi7Mg0 . 7 鋁合金 ( 1. 5 kg ) 進(jìn)行電磁攪拌 , 同時(shí) , 鋁合 金熔體在攪拌中不斷冷卻 ; 當(dāng)鋁合金熔體冷卻到適當(dāng)?shù)?溫度( 590 ～ 600 ℃ ) 時(shí) , 就制備出了具有觸變性的半固 態(tài)鋁合金漿料 , 然后 , 在 133 MPa 的壓射壓力和 0 . 4 m/ s 的入口速度下 , 將半固態(tài) AlSi7Mg0 . 7 合金漿料直接壓 入模具型腔 , 流變壓鑄后的平板鑄件組織與液態(tài)鋁合金 壓鑄件的組織截然不同 , 經(jīng)過(guò)電磁 攪拌后的初生 α -Al 為球狀 。 圖 2 中所用的射室具有特殊結(jié)構(gòu) , 在射室上開(kāi) 有 12 道垂直縫 , 縫隙寬度為 2 mm , 以減小射室產(chǎn)生的 感應(yīng)渦電流 , 強(qiáng)化電磁攪拌效果 。 經(jīng)過(guò) T6 處理( 540 ℃ 保溫 4 h , 淬入熱水 , 又在 160 ℃時(shí)效 4 h) , 流變壓鑄件 的力學(xué)性能比擠壓鑄件的性能高一些 , 而伸長(zhǎng)率提高 1 倍 。 在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上 , Shibata 等人又在 6 300 kN 立式 壓鑄機(jī)上進(jìn)行了類似的試驗(yàn) , 壓鑄件為一種汽車零件 , 澆入的鋁合金質(zhì)量為 4 . 7 kg , 半固態(tài)鋁合金漿料的溫度 為 590 ～ 600 ℃, 壓射壓力為 100 MPa , 澆口處的入射速 度為 0 . 23 m/ s ; 流變壓鑄件經(jīng)過(guò) T6 處理后 , 其力學(xué)性能 與擠壓鑄件的相當(dāng) , 但伸長(zhǎng)率提高了 38 %。

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特種鑄造及有色合金 　 2004 年第 2 期 此 , 技術(shù)上仍然需要繼續(xù)完善 。 中 , 對(duì)整個(gè)設(shè)備的溫度控制要求很嚴(yán)格 , 為此設(shè)備分成 5 段 , 在第 5 段中設(shè)置了加熱和監(jiān)控?zé)犭娕?, 在第 1 段 和第 2 段中設(shè)置了加熱和冷卻通道及監(jiān)控?zé)犭娕?, 在第 3 段設(shè)置了加熱器 ; 通過(guò)調(diào)整冷卻通道中壓縮空氣的流 量來(lái)調(diào)整第 1 和第 2 段的冷卻強(qiáng)度 , 通過(guò) PID 參數(shù)來(lái)調(diào) 整各段的電阻加熱功率 , 使各處的溫度都處在預(yù)定的溫 度范圍 , 最終射鑄的半固態(tài)合金漿料控溫精度可以達(dá)到 ± 0. 5 ℃。 在流變射鑄中 , 液態(tài)合金從澆注漏斗流入攪 拌桶時(shí)幾乎不會(huì)卷入氣體 , 合金又是在密封的通道中被 攪拌剪切 , 任何氣體及惰性氣體都不可能進(jìn)入合金熔體 中 , 因此 , 流變射鑄中的半固態(tài)合金漿料的氣體含量比 觸變射鑄中的氣體含量低 。 在圖 3 所示的流變射鑄中 , 螺旋桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為 112 r/min , 每 min 射鑄 1 次 , 每次 射鑄的合金容量約為 50 cm3 。 流變射鑄周期對(duì)半固態(tài) 合金漿料的組織狀況有較大的影響 , 射鑄周期短 , 初生 固相顆粒細(xì)小 , 但球形較差 , 射鑄周期長(zhǎng) , 初生固相顆粒 較粗大 , 但球形較好 , 如圖 3 b 所示 , 1997 年 , 臺(tái)灣新竹工業(yè)技術(shù)研 究院改進(jìn)了立式 流 變射鑄機(jī) , 制造了 1 000 kN 臥式或水平式流變射鑄原型 機(jī) , 并進(jìn)行了鎂合金和鋅合金的流變射鑄工藝試驗(yàn) , 從 鎂合金和鋅合金射鑄件的宏觀組織看 , 流變射鑄件的氣 孔率比普通壓鑄件的氣孔率低得多 ; 該流變射鑄機(jī)每次 射鑄 的 理 論 合 金 容 量 為 245 cm3 , 最 大 壓 射 速 度 為 1. 6 m/ s ① 。 該流變射鑄機(jī)的設(shè)計(jì)面臨的最大難題是防止 各設(shè)備部件結(jié)合處的合金溢漏和壓射機(jī)構(gòu)的溫度偏差 。 在合金 澆 注 漏 斗 處 引 入 SF6 保護(hù) 氣 體 , 成 功 實(shí) 現(xiàn) 了 AD91D 鎂合金的流變射鑄 ; 射鑄件是一種手機(jī)外殼 , 其 平均壁厚為 1 mm , 即使是手機(jī)外殼上用于組裝的精細(xì) 結(jié)構(gòu)也完全可以射鑄出來(lái) 。 經(jīng)過(guò)試驗(yàn) , 研究者認(rèn)為以下 5 方面是進(jìn)一步努力的目標(biāo) ① : 改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備的動(dòng)力系 統(tǒng) , 以便可以獲得更高的壓射速度 ; 采用可變化的螺距 , 以便縮小螺旋攪拌桶的長(zhǎng)度和直徑之比( L/ D) , 降低設(shè) 備及維護(hù)費(fèi)用 ; 尋找 SF6 的替代品 , 減輕對(duì)環(huán)境的污染 ; 開(kāi)發(fā)適合薄壁鋁合金射鑄件的流變射鑄機(jī) ; 在將來(lái) , 還 準(zhǔn)備試用電磁攪拌系統(tǒng)代替螺旋機(jī)械攪拌系統(tǒng)和縮短 攪拌桶的長(zhǎng)度 。 與觸變射鑄相比 , 單螺旋流變射鑄工藝的最大優(yōu)點(diǎn) 是: 工藝流程短 , 生產(chǎn)成本低 , 廢品 和鑄件余料回收 方 便 , 流變射鑄件氣孔率低 。 目前 , 單螺旋流變射鑄工藝 尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平 , 正處在設(shè)備完善和生產(chǎn)工藝優(yōu) 化階段 。
① Peng Hs , Hsu W M .Development on Rheomolding of Magnesium Parts . in : Chiarmetta G L and Rosso M . Proc . of the 6th Int . Conf . on Semi-Solid Processing of Alloys and Compositions , Turin , Italy , Sept 27th-29th , 2000, Materials Science and Chemical Engineering Department , Politecni co DI Torino : 313～ 317

3　 單螺旋機(jī)械攪拌式流變鑄造
觸變射鑄( thixomolding ) 技術(shù)已經(jīng)獲得實(shí)際商業(yè)應(yīng) 用 , 生產(chǎn)近終形的鎂合金鑄件 , 如汽車零件 、 筆記本式微 機(jī)外殼 、 手機(jī)外殼等 。 這些零件的致密度比普通壓鑄件 高 , 生產(chǎn)安全可靠 、 環(huán)境污染小 , 因此觸變射鑄技術(shù)具有 較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力 , 但觸變射鑄需要使用固態(tài)鎂合金屑 , 原 料的制造較為麻煩 、成本較高 ; 觸變射鑄件的氣孔率仍 然較高 , 可達(dá) 1 %～ 1 . 7 %; 觸變射鑄的設(shè)備投資及設(shè)備 維護(hù)成本較高 ; 與普通壓鑄相比 , 觸變射鑄的生產(chǎn)周期 較長(zhǎng) , 所以 , 在研究開(kāi)發(fā)觸變射鑄技術(shù)的同時(shí) , 美國(guó)康乃 爾大學(xué)提出了流 變射鑄技術(shù) , 并于 1993 年制造了 100 kN 的立式流變射鑄原型機(jī)[ 5] 。 并在 1996 年 3 月獲得 專利授權(quán)[ 6] 。 立式流變射鑄的工藝流程如圖 3 所示[ 5 , 6] 。 在圖 3 所示的流變射鑄中 , 不使用固態(tài)合金屑 , 而是使用過(guò)熱 的液態(tài)合金 ; 液態(tài)合金從澆注漏斗中流入攪拌外桶和螺 旋桿的縫隙中 , 以氬氣保護(hù)澆注漏斗 , 防止合金的氧化 ; 合金熔體在向下流動(dòng)過(guò)程中 , 不斷被攪拌剪切和冷卻 , 當(dāng)合金熔體到達(dá)出口時(shí) , 半固態(tài)合金漿料達(dá)到預(yù)定的固 相分?jǐn)?shù) , 初生固相已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?; 在射鑄時(shí) , 螺旋桿先 后退一定的距離 , 使螺旋桿前端積聚足量的半固態(tài)合金 漿料 , 然后螺旋桿以一定的軸向速度( ≤0 . 15 m/ s) 將其 前端的半固態(tài)合金漿料壓入模具型腔 ; 隨后 , 螺旋桿再 次旋轉(zhuǎn)攪拌合金熔體 , 準(zhǔn)備下一次射鑄 。 在流變射鑄

圖 3 　流變射鑄工藝示意圖

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半固態(tài)合金流變鑄造的研究進(jìn)展

4　 雙螺旋機(jī)械攪拌式流變鑄造
在單螺旋機(jī)械攪拌流變射鑄的研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中 , 英 國(guó) Brunel 大學(xué)的 Ji S 等人于 1999 年提出了雙螺旋機(jī)械 攪拌流變射鑄工藝 , 雙螺旋機(jī)械攪拌流變射鑄工藝原理 如圖 4 所示[ 7] 。 由圖 4 看 , 雙螺旋機(jī)械攪拌流變射鑄設(shè) 備主要包括液態(tài)合金供料機(jī)構(gòu) 、雙螺旋機(jī)械攪拌機(jī)構(gòu) 、 壓射機(jī)構(gòu)和中央控制機(jī)構(gòu) 。 供料機(jī)構(gòu)能夠保證向雙螺 旋機(jī)械攪拌機(jī)構(gòu)提供溫度合適和適量的液態(tài)合金 ; 液態(tài) 合金一旦進(jìn)入攪拌系統(tǒng) , 一邊被雙螺旋攪拌桶強(qiáng)烈地?cái)?拌 , 一邊被快速冷卻到預(yù)期的固相分?jǐn)?shù) ; 當(dāng)半固態(tài)合金 漿料到達(dá)輸送閥時(shí) , 初生固相已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙铑w粒 , 并 均勻分布在低熔點(diǎn)的液相中 ; 當(dāng)輸送閥打開(kāi)時(shí) , 半固態(tài) 合金漿料進(jìn)入成形射室 , 被壓入模具型腔 , 并在模具中 完全凝固 ; 在雙螺旋攪拌機(jī)構(gòu)中 , 設(shè)備中設(shè)置了許多的 加熱和冷卻通道 , 可以準(zhǔn)確控制合金漿料的溫度 , 控溫 精度可達(dá) ± 1 ℃; 在合金供料器中也布置有加熱源 , 以 控制液態(tài)合金的溫度 ; 在壓射機(jī)構(gòu)中也布置有加熱源 , 以控制壓室中半固態(tài)合金漿料固相分?jǐn)?shù) , 保證壓射工藝 過(guò)程的穩(wěn)定 。

5　 低過(guò)熱度傾斜板澆注式流變鑄造
1996 年 , 日本 UBE 公司申請(qǐng)了非機(jī)械或非電磁攪 拌的低過(guò)熱度傾斜板澆注式的流變鑄造技術(shù)專利 , 也稱 為 New Rheocasting , 簡(jiǎn) 稱 NRC , 其 技術(shù) 路 線 如 圖 5 所 示[ 8] 。 該技術(shù)的核心內(nèi)容是 : 首先降低澆注合金的過(guò)熱 度 , 將合金液澆注到一個(gè)傾斜板上 , 合金熔體流入收集 坩堝 , 再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)睦鋮s凝固 , 這時(shí)的半固態(tài)合金熔體 中的初生固相就呈球狀 , 均勻分布在低熔點(diǎn)的殘余液相 中 , 最后對(duì)收集坩堝中的合金漿料進(jìn)行溫度調(diào)整 , 以獲 得盡可能均勻的溫度場(chǎng)或固相分?jǐn)?shù) , 就可以將收集坩堝 中的半固態(tài)合金漿料送入壓鑄機(jī)的射室 、 擠壓鑄造機(jī)的 射室或鍛造機(jī)的鍛模中 , 進(jìn)行流變鑄造 ; 收集坩堝還可 以蓋上低導(dǎo)熱的上蓋 , 收集坩堝可以放置在一個(gè)圓盤(pán)或 帶式傳送機(jī)上 , 圓盤(pán)或帶式傳送機(jī)上設(shè)置有均熱裝置 , 借此調(diào)整半固態(tài)合金漿料的溫度場(chǎng)[ 8] ; 也可以取消傾斜 板 , 而在澆注時(shí)將收集坩堝傾斜 , 可取得與傾斜板相同 的澆注效果
[ 9]

。

圖 5 　低過(guò)熱度 傾斜板澆注式流變鑄造工藝示意圖
1. 熔化坩堝 　2 . 合金液 　 3. 傾斜板

圖 4 　雙螺旋流變射鑄工藝結(jié)構(gòu)示意圖
1. 加熱源 　2 . 坩堝 　3 . 塞桿 　4. 攪拌桶 　5 . 感 應(yīng)加熱圈 　6 . 冷 卻通道 　7 . 內(nèi)襯 　8. 輸送閥 　9. 模具 　10 . 型腔 　11 . 感應(yīng) 加熱 圈 　12 . 射室 　 13 . 雙螺旋 　 14 . 活塞 　 15 . 端帽 　 16 . 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4. 收集坩堝 　5 . 射室 　6. 毛坯 　7 . 模具

NRC 技術(shù)的實(shí)施可以明顯縮短金屬半固態(tài)鑄造的 工藝流程 , 降低生產(chǎn)成本 , 所以 , NRC 技術(shù)已經(jīng)在 一些 公司投入生產(chǎn) , 如奧地利的 LKR 公司 , 意大利的 Stampal 公司等 。 但有關(guān) NRC 技術(shù)的發(fā)展工作目前仍在繼續(xù)進(jìn) 行 , 如毛坯的焊接 、廢品及澆注系統(tǒng)的回收和全面價(jià)格 評(píng)估系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)等[ 9] 。

圖 4 所示的雙螺旋流變射鑄工藝所具有的最大優(yōu) 點(diǎn)是 : 可以獲得很高的剪切速率 , 如 5 200 s -1 , 或獲得高 強(qiáng)度的紊流 。 經(jīng)過(guò)對(duì) Sn-15Pb 和 Mg-30Zn 合金的攪拌 試驗(yàn) , 結(jié)果表明 : 在大剪切速率或高強(qiáng)度紊流下 , 半固態(tài) 合金漿料中的初生固相尺寸非常細(xì)小 、圓整 、分布均勻 , 很少發(fā)現(xiàn)初生固相的集聚現(xiàn)象[ 7] 。 吳樹(shù)森等人對(duì)雙螺旋機(jī)械攪拌流變壓鑄工藝進(jìn)行 了研究 , 取得了與 Brunel 大學(xué) Fan 等人相類似的結(jié)果 , 壓鑄出 AZ91D 鎂合金試件 ① 。 與單螺旋流變射鑄相比 , 雙螺旋流變射鑄工藝的最 大優(yōu)點(diǎn)是 : 剪切速率高 , 合金漿料中的初生固相尺寸小 、 球形圓整 。 目前 , 雙螺旋流變射鑄工藝尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng) 用水平 , 正處在設(shè)備完善和生產(chǎn)工藝優(yōu)化階段 。

6　 低過(guò)熱度澆注和弱機(jī)械攪拌式流變鑄造
在 2001 年 , 美國(guó)麻省理工學(xué)院 ( MIT) 的 Yurko J A 等人提出了一種新的流變鑄造技術(shù) , 該技術(shù)的核心思想 是: 將低過(guò)熱度的合金液澆注到制備坩堝中( 該坩堝內(nèi)

② Wu S , Luo J , Mao Y et al . Microstructure and Property of AZ91D Alloy Produced by SemiSolid Rheo-Diecasti ng . In : Tsutsui Y , Kiuchi M and Ichikawa . Proc . Of the 7th Int . Conf . On Semi-Solid Processing of Alloys and Compositions , Tsukuba JAPAN , Sept 25th -27th , 2002 , National Institute of Advanced Industrial Science and Technology , Japan Society for Technology of Plasti city : 843 ～ 848

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特種鑄造及有色合金 　 2004 年第 2 期 徑尺寸適合壓鑄機(jī)的射室尺寸) , 利用鍍膜的銅棒對(duì)坩 堝中的合金液進(jìn)行短時(shí)弱機(jī)械攪拌 , 使合金熔體冷卻到 液相線溫度以下 , 然后移走攪拌銅棒 , 讓坩堝中的半固 態(tài)合金熔體冷卻到預(yù)定的溫度或固相分?jǐn)?shù) , 最后 , 將坩 堝中的半固態(tài)合金漿料傾入壓鑄機(jī)射室 , 進(jìn)行流變壓 鑄
[ 10]

　　已經(jīng)利用該流變鑄造技術(shù)進(jìn)行過(guò)壓鑄試驗(yàn) , 合金漿 料的固相分?jǐn)?shù)為 0 . 3～ 0. 45 , 這些壓鑄件正在進(jìn)行熱處 理和力學(xué)性能測(cè)試 。 另外 , MIT 的新流變鑄造技術(shù)已經(jīng) Idra Presse 公司使用 , 正在進(jìn)行相關(guān)立式或臥式設(shè)備的 研究開(kāi)發(fā) 。 從整個(gè)工藝流程看 , 這種制備方式簡(jiǎn)單 、便 于過(guò)程控制 , 工藝流程短 , 生產(chǎn)成本低 , 因此 , 這種新型 流變鑄造技術(shù)的應(yīng)用前景十分光明 。
參 　考 　文 　獻(xiàn)
1　Flemings M C . Behaviour of Metal Alloys in the SemiSolid State . Metall . Trans . A , 1991 , 22A( 5) : 957 ～ 981 2　Mehrabian R , Flemings M C . Die Casting of Parti ally Solidified Alloys . AFS Transactions , 1972 , 80: 173 ～ 182 3　Riek R G , Vrachnos A , Young K P et al . M achine Casting of a Partially Solidif ied High Copper Content Alloy . AFS Transactions , 1975 , 83: 25～ 30 4　Shibata R , Kaneuchi T , Soda T et al . New Semi-liquid Metal Vasting Process . In: K irkwood D H and Kapranos P . Proc of the 4th Int . Conf . on SemiSolid Processing of A lloys and Composi tions , the Universiy of Sheff ield , England, June 19 - 21 , 1996 . UK : the Department of Engineering Materials , University of Sheffield , 1996 : 296 ～ 300 5　Wang N , Peng Hs , Wang K K . Assessment of Porosity Level in Rheomolded Parts . In : Kirkwood D H and Kapranos P . Proc of the 4th Int . Conf . on SemiSolid Processing of A lloys and Composi tions , the Universiy of Sheff ield , England, June 19 - 21 , 1996 . UK : the Department of Engineering Materials , University of Sheffield , 1996 : 342 ～ 346 6　Wang K K , Peng H , Wang N et al . M ethod and Apparatus for Injection Molding of Semi-Solid Metals . US Patent 5501266 , 1996 . 7　Ji S , Fan Z , Bevis M J . Semi -Solid Processing of Engineering A lloys by a Twi n Screw Rheomolding Process . Mater . Sci . & Eng . , 2001 , 299A : 210～ 217 8　Potzinger R , Kaufmann H , Uggowi tzer P J . Magnesium New Rheocasting - a Novel Approach to High Quality Magnesium - castings. in : Chiarmetta G L and Rosso M . Proc . of the 6th Int . Conf . on Semi-Solid Processing of Alloys and Compositions , Turin , Italy , Sept 27th -29th , 2000 , Materials Science and Chemical Engi neering Department , Politecni co DI Torino : 85 ～ 90 9　Kaufmann H , M undi A , Uggowitzer P J et al . A n Uodate on the New Rheocasting( Development Work for A l - and Mg-Al loys . Die Casting Engi neer , 2002 ( 4) : 16 ～ 19 10 　Yueko J A . Idra Prince Rheocasting and Squeeze Casting Technology .Di e Casting Engineer , 2002( 4 ) : 20 ～ 23

。 低過(guò)熱度澆注和短時(shí)弱機(jī)械攪拌制備半固態(tài)合

金漿料的工藝過(guò)程如圖 6 所示 。 試驗(yàn)表明 : 只要機(jī)械攪 拌速度大于 60 r/min , 就可以制備出初生固相形狀因子 比較理想的半固態(tài)合金漿料 , 無(wú)須高強(qiáng)度的機(jī)械攪拌 ; 只要合金液低于液相線溫度和機(jī)械攪拌時(shí)間大于 2 s , 就可以制備出初生固相形狀因子比較理想的半固態(tài)合 金漿料 , 無(wú)須長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械攪拌 。

圖 6 　低過(guò)熱度澆注和短時(shí)弱機(jī)械攪拌制備 半固態(tài)合金漿料示意圖

這種半固態(tài)合金漿料制備技術(shù)的關(guān)鍵在于 : 要快速 地使合金熔體散去過(guò)熱 , 并同時(shí)在合金熔體中產(chǎn)生低強(qiáng) 度的循環(huán)流動(dòng) , 使合金熔體各處均處在形核和凝固中 ; 一旦形成一定的初生晶核 , 就可以停止攪拌 , 初生晶粒 就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罹Я?。 這種半固態(tài)合金漿料的初生晶 粒中夾裹的液相很少 , 這會(huì)提高半固態(tài)合金漿料在成形 時(shí)的流動(dòng)性 , 便于成形復(fù)雜件 。

( 編輯 : 劉　 衛(wèi))

轉(zhuǎn)讓德國(guó)產(chǎn)直讀光譜儀 ( 全新 , 未使用)
直讀光 譜儀型號(hào) : OBLF GS1000 型直讀光 譜 儀一套 直讀光 譜 儀規(guī) 格 : 鋁基 體 分 析系 統(tǒng) , 16 個(gè) 通道 生產(chǎn)國(guó)別及廠家 : 德國(guó) OBLF 儀器公司 轉(zhuǎn)讓單位 : 無(wú)錫市大山機(jī)械有限公司 聯(lián)系電話 : 13606181172 , 0510 5430180 ▲ 貨為全新 , 未使用 , 外商負(fù)責(zé)安裝調(diào)試 。 價(jià) 格面議 。

第九期實(shí)型( 消失模) 鑄造技術(shù) 培訓(xùn)班開(kāi)學(xué)通知
由中鑄協(xié)實(shí)型鑄造專業(yè)委員 會(huì)和中鑄 協(xié)教育 培訓(xùn)工 作委員 會(huì)聯(lián)合開(kāi)辦的“ 第九期實(shí)型( 消失模) 鑄造技術(shù)培訓(xùn)班” 即將開(kāi)學(xué) 。 一 、時(shí)間 : 2004 年 4 月 9 日 ～ 15 日 二 、報(bào)到地點(diǎn) : 清華大學(xué)內(nèi)服務(wù)樓 注意 : 進(jìn)清華 南校 門(mén)后 一直 向前 ( 北) 走到第 3 個(gè) 路口 向西 ( 左) 走到服務(wù)樓 。 三 、費(fèi)用 1 、培訓(xùn)教學(xué)和資料費(fèi) : 會(huì)員 800 元/ 人 , 非會(huì)員 1 000 元/ 人 。 2 、食宿統(tǒng)一安排 , 費(fèi)用自理 ; 住宿 50 元/ 人·天 。 四 、聯(lián)系人和電話 中鑄協(xié)實(shí)型鑄造專業(yè)委員會(huì) 　　姚偉芬 　021 -68732233 中 鑄 協(xié) 教 育 培 訓(xùn) 委 員 會(huì) 　　雷霆老師 　13911024051

中國(guó)鑄協(xié)實(shí)型鑄造專業(yè)委員會(huì) 中國(guó)鑄協(xié)教育培訓(xùn)工作委員會(huì)

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CoSponsored by the Foundry Institute of Chinese Mechanical Engineering Society and the Wuhan Mechanical Technology Institute

SPECIAL CASTING &NONFERROUS ALLOYS
No . 2　 2004 　Bimonthly ( Series : No . 137)

CONTENTS 　&　 ABSTRACTS
Ageing Behavior of Al8Si0. 4Mg C ast Alloy W ang Guiqing ( Shandong Architectural Engineering Institute , Jinan , China) Bian Xiufang( Shangdong University , Jinan , China) 2 004 ( 2 ) 01 ～ 04 Abstract The age behavior of both as-cast and solid solution treated ( T6) Al8Si0 . 4 Mg alloys was studied by hardness measurement , differential scanning calorimetry ( DSC) , electron probe micro analysis and TEM . Hardness measurement indicated that as-cast alloy exhibited remarkable age harderning effect , having microhardness peak value lower than T6 treated alloy only by 6 HV . No obvious effect of cooling rate on age hardening appeared . DSC and TEM analysis results showed that the age hardening for both alloys was attributed to the precipitation of metastable β ″and β ′ phases to strengthen the matrix . The distribution of precipitated phases and the homogeneity coefficient of mciro-hardnessg for both alloys have been discussed . Key Words : Al Alloy , Ageing , Precipitated Phase Research Progress in Semi-solid Alloy in Rheocasting Technolo gy Mao W eimin 　 Bai Yuelong ( University of Science and Technology Beijin g , Beijing , China) Chen Jun 　 ( Fujian Sanming Iron and Steel Co . ,San ming , China) 2 004 ( 2) 04 ～ 08 Abstract The research and application status of semi-solid alloy rheocasting in about latest 30 years were surveyed . So far due to the storage and transport for prepared semi-solid slurry with difficuties , the conventional mechnical stirring technology cann' t still be put into industrial practice . The slurry preparation in injection chamber was introduced . Tensile strength of castings treated by T6 in rheocasting was equivalent to that of castings in squeezing casting while the elongation was much higher . Although the single or double screw rheocasting injection was characterized by short process , low production cost and low gas porosity , the equipment and technology still need to be optimized . The technological features and essential principle of tilting plate pouring with low superheated alloy as well as low supreheated alloy with slightly mechanical stirring in semi-solid rheocasting were emphatically discribed combined with the prospect analysis . K ey Words : Rheocasting , Semi-solid , Alloy The T echnique of On -line Generating Protective Atmosphere for Mg You Guoqiang 　 Long Siyuan 　 Zha Jili ( Chongqing University , Chongqing , China) 2 004 ( 2 ) 09 ～ 12 Abstract The oxidation mechanism of Mg at high temperature and protection techniques of present Mg alloy from ignition are briefly reviewed . The principle and technical details of on -line protective atmosphere for Mg alloy are introduced . Continuously quantitative additions of S , C into reactor maintained at a given temperature react with clean compressed air to generate protective atmosphere SO2 and asistant protective atmosphere CO2 with controllable and adjustable concentration . The results showed that the burning loss rate of liquid Mg alloy with on -line protection only is 3. 8 % lower than that with SO2 and FS6 protection . The on -line protective effects are reliable , available , less expensive for S , C resulting in economic advantages . Key Words : Mg Alloy , Anti -ignition , On -line Generation, Pro tective Atmosphere Progress in T echnologies for Optimizing Casting Q uality in Squeezing Casting Q i Pixiang 　 Qi Lin ( Research Academy of Ordnance Science , Ningbo Branch , Ningbo , China) 20 04 ( 2 ) 1 2 ～ 15 Abstract The latest technologies for Al alloy castings with high soundness , mechnical properties and wear resistance as well as large complicated shape in squeezing casting abroad and at home were surveyed . The partial pressurization pressure can be employed to eliminate shrinkage hole and porosity in thick position of large complicated parts ; the vacuum liquid squeezing casting was suitable for the parts with high soundness and mechnical properties ; the AlSi alloy with high Si content and ceramics reinforced Al matrix composites can be adopted for parts with high wear resistance . The core with soluble salt and high collapsibility was used for the parts with complicated cavities . The squeezing casting would be develpoed in practic . Key Words : Squeezing Casting , Aluminum Alloy , Composites Preparation of Al-Ti-C Master Alloy by Exothermic Dispersive Synthetic Technology Li Yinglong 　W en Jinglin 　Chen Yanbo 　 Cao Furong 　 Zhan Guocan ( Northeastern University , Shenyang , China) 2004( 2) 16 ～ 18 Abstract AlTi5C0 . 2 master alloy was prepared by the exothermic dispersive synthesis using Al , Ti and C powders in Al melt . The reactive synthetic process of the master alloy and the generation mechanism as well as refining features of TiC particulate were investigated by means of OM , XRD and SEM . The results showed that the explosively exothermic reaction between Ti( s)and Al( l) formed chunky TiAl3( s)particle in Al melt at 670 ℃with elevating the melt temperature in the reactive zone , and in turn TiAl3( s) particle dissolved into Al melt to generate active Ti which diffused into the surface of carbon particle to form TiC particle in coagulative state . The TiAl3 particle changed from chunky to flaky shapes with obviously clustered TiC distribution with prolonging holding time , resulting in slight reduction of refining performance of the Ⅰ



  本文關(guān)鍵詞：半固態(tài)合金流變鑄造的研究進(jìn)展，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。