高鉻鑄鐵半固態(tài)成形技術(shù)的現(xiàn)狀

金暉膠品廠 發(fā)表于： 2011/7/18 17:34:56

  一：半固態(tài)成形工藝：

　　包括兩部分內(nèi)容：首先是制備非枝晶半固態(tài)漿料、即將凝固過程中的合金進(jìn)行特殊處理、使其先凝固的樹枝狀初生相破碎而獲得一種由細(xì)小、球形、非枝晶初生相與液態(tài)金屬共同組成的液固混合漿料、即流變漿料；然后是加壓成型、將半固態(tài)流變漿料直接進(jìn)行加壓成形、稱為流變成形；而將這種漿料先凝固成鑄錠、再根據(jù)需要將金屬鑄錠分切成一定大小、使其重新加熱至固液兩相溫度區(qū)間進(jìn)行加壓成形加工的方法稱為觸變成形 .

　　1、流變成形：

　　流變成形包括流變鑄造和流變鍛造 . 流變鑄造必須是漿料制備和壓力成形同時進(jìn)行、且兩工位的距離不能太遠(yuǎn)、否則、由于半固態(tài)漿料很難儲存和搬運、該方法很難實現(xiàn)、因而此方法在實際生產(chǎn)中很少應(yīng)用 . r.shibata等人直接在壓鑄機(jī)的壓射室中用電磁攪拌的方法制備半固態(tài)漿料、而后將其擠入模腔成形 . 目前、這種方法已廣泛應(yīng)用于鎂合金半固態(tài)生產(chǎn)中、但由于受專利因素的影響、設(shè)備比較昂貴、僅在發(fā)達(dá)國家有應(yīng)用 . 由于半固態(tài)漿液的保存和運輸?shù)牟环奖�、使得流變成形技術(shù)應(yīng)用很少、但與觸變成形相比、其節(jié)省能源、流程更短、設(shè)備更緊湊、因此、流變成形技術(shù)仍然是未來金屬半固態(tài)加工技術(shù)的一個重要發(fā)展方向 .
　　流變鍛造的研究比較少、其與液態(tài)模鍛過程基本一樣、直接將制備好的半固態(tài)漿料、不經(jīng)冷卻直接注入模具內(nèi)、進(jìn)行半固態(tài)鍛造、包括模鍛、擠壓和軋制等 . 北京科技大學(xué)利用自行設(shè)計的設(shè)備對1cr18ni9ti不銹鋼進(jìn)行了半固態(tài)流變成形直接軋制、其工藝路線為：熱軋料－感應(yīng)爐加熱熔化－倒入流變器作電磁攪拌(功率15kw)－半固態(tài)漿料(1cr18ni9ti鋼為1430℃)－導(dǎo)流管－軋制(輥縫5mm、軋輥溫度50℃)－水淬 . 研究結(jié)果表明：表面質(zhì)量和薄板邊部裂紋是軋材的主要問題 .

　　1、觸變成形：

　　觸變成形工藝包括三個步驟：非枝晶錠料的制備、二次加熱、加壓成形 . 主要成形方法有觸變鑄造、觸變鍛造、觸變軋制等 . 觸變成形相對流變成形而言更為可行、解決了半固態(tài)金屬漿料制備與成形設(shè)備的銜接 . 由于半固態(tài)金屬及合金坯料的加熱、輸送很方便、并易于實現(xiàn)自動化操作、因此、半固態(tài)金屬觸變壓鑄、觸變鍛造和觸變軋制是當(dāng)今金屬半固態(tài)成形中的主要工藝方法 . 其中、觸變壓鑄主要應(yīng)用于a356和a357兩種材料上 . 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、適合于高熔點金屬的半固態(tài)成形 . 半固態(tài)軋制存在的主要問題是、當(dāng)固相分?jǐn)?shù)小于0.7時、因液-固相流動會引起組織不均勻 .

　　二、高鉻鑄鐵半固態(tài)漿料的制備：

　�。�、機(jī)械攪拌：

　　法機(jī)械攪拌法是制備半固態(tài)合金最早使用的方法 . 通常是在熔融的金屬液中插入一攪拌棒進(jìn)行攪拌、進(jìn)而得到球狀固相顆粒懸浮于金屬母液中的混合漿料 . 它可獲得大的剪切變形以獲得細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)；攪拌在金屬表面以下進(jìn)行、可以減少空氣夾雜物、可以獲得較高的剪切速率、有利于形成細(xì)小的球形微觀結(jié)構(gòu) . 日本學(xué)者將過共晶鑄鐵加熱到1450℃、然后冷卻到固液兩相區(qū)、進(jìn)行機(jī)械攪拌獲得細(xì)小石墨均勻地分布于基體內(nèi)所含灰鑄鐵半固態(tài)坯料中、其組織形貌明顯比同成分無攪拌常規(guī)鑄造所得的組織細(xì)小得多 . 機(jī)械攪拌技術(shù)比較成熟、但往往存在攪拌不到的死區(qū)、影響漿料的均勻性、且對于鑄鐵材料來說、攪拌器會直接受到熔體的侵蝕、壽命短、會對熔體產(chǎn)生污染、影響半固態(tài)漿料的質(zhì)量、在鋼鐵材料制備中受到一定的限制 .

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　�。�、電磁攪拌：

　　電磁攪拌是利用電磁力來加強(qiáng)金屬液的流動、從而改變金屬液凝固過程的流動、傳熱、傳質(zhì)、達(dá)到細(xì)化晶粒、改善坯料質(zhì)量的目的 . 從攪拌金屬液的流動方式來分有水平式和垂直式兩種 .

　　一般來說、影響電磁攪拌效果的主要參數(shù)有攪拌功率、冷卻速度、金屬液溫度等 . 目前、日本、美國都有應(yīng)用電磁攪拌的設(shè)備 . 美國isc公司研制的設(shè)備、鋼鐵熔體在攪拌室內(nèi)冷卻的同時采用電磁攪拌獲得半固態(tài)的鋼鐵漿料 . 邢書明等對fe-cr-c系列合金白口鐵的研究也證明、電磁攪拌可以有效地改善碳化物的分布、形態(tài)和尺寸、他們采用電磁攪拌技術(shù)獲得了初生固相為顆粒狀、平均尺寸55μm、宏觀組織中無明顯柱狀晶核宏觀偏析、組織和性能都能滿足半固態(tài)加工的白口鐵漿料 . 另外、中科院金屬所楊昭等也對高鉻鑄鐵和亞共晶白口鑄鐵半固態(tài)漿料的電磁攪拌進(jìn)行研究 . 但通常認(rèn)為、該技術(shù)只適用于直徑小于150mm的錠坯 .

　　３、傾斜板冷卻體法：

　　傾斜板冷卻體法是1996年日本宇部株式會社發(fā)明的、其原理是將略高于液相線溫度的熔融金屬液倒在傾斜的冷卻板上、通過冷卻板的冷卻作用、在凝固初期、冷卻板上有細(xì)小的晶粒形核長大、在合金流體的沖擊和物體的自重作用下使晶粒從冷卻板壁上脫落、冷卻到半固態(tài)成形溫度后保溫、進(jìn)入容器達(dá)到半固態(tài)溫度后保溫、以增加晶核的數(shù)目和晶體的游離、并達(dá)到滿足要求的固相體積分?jǐn)?shù)、細(xì)化晶粒、獲得理想的微觀組織、然后進(jìn)行流變成形或觸變成形 .

　�。础�應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法(sima)：

　　它是目前除電磁攪拌法外在工業(yè)上用于生產(chǎn)半固態(tài)漿料的另一種方法 . 此方法主要是通過將常規(guī)鑄造枝晶組織在高溫下進(jìn)行擠壓、滾壓等預(yù)變形、破碎枝晶組織、再施加足夠的冷變形量后加熱到兩相區(qū)、在組織中預(yù)先儲存變形能量、然后在加熱過程中得到半固態(tài)漿料 . 該方法制備漿料不易污染、且產(chǎn)量大、生產(chǎn)效率高 . 但與其他方法相比、工藝比較復(fù)雜、因為增加了預(yù)變形處理、生產(chǎn)成本提高、生產(chǎn)效率低、工業(yè)中僅適用于小尺寸半固態(tài)坯料的制備 . 該方法對熔點較高的合金有著特殊的優(yōu)越性、已成功地應(yīng)用于不銹鋼、工具鋼、銅鋁合金、并獲得晶粒尺寸為20μm的非枝晶半固態(tài)組織合金 .

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　　除上述方法外、還有液相線溫度法、等溫處理法、剪切冷卻輥壓法等制備半固態(tài)漿料 . 但從生產(chǎn)效率高、操作簡便及經(jīng)濟(jì)原則考慮、在今后較長一段時間內(nèi)、鋼鐵材料半固態(tài)漿料的制備方法主要還是采用電磁攪拌法 .

　　三、高鉻鑄鐵半固態(tài)成形技術(shù)的現(xiàn)狀及展望高鉻鑄鐵半固態(tài)加工方法研究涉及到觸變鍛壓、擠壓、鑄造和直接流變軋制等、目前仍主要集中在其半固態(tài)連鑄和半固態(tài)連鑄軋制方面的研究 . 半固態(tài)連鑄是凝固過程中施加攪拌得到半固態(tài)并進(jìn)行連鑄 . 半固態(tài)連鑄軋制是在半固態(tài)連鑄的同時進(jìn)行軋制 .

　　有關(guān)其半固態(tài)流變成形工藝的研究目前僅停留在成形組織的研究上、鮮有成形產(chǎn)品出現(xiàn) . 這是因為鋼鐵半固態(tài)流變漿料的保存、輸送和搬運過程更加難以控制 . 對流變成形的研究主要集中在流變軋制和半固態(tài)流變擠壓兩方面 . 有關(guān)觸變成形的研究相對較少、到目前為止、僅限于鑄鐵、高碳鋼和高速鋼的半固態(tài)鍛造加工試驗 . 因此、今后高鉻鑄鐵半固態(tài)加工的研究與開發(fā)應(yīng)主要集中在以下幾個方面：

　　１、優(yōu)化半固態(tài)加工的模具、工具材料及模具表面涂層和處理工藝的選取和設(shè)計、提高模具材料的高溫性能以提高其使用壽命；開發(fā)用于制備半固態(tài)設(shè)備中所用部件的材料 .

　�。病⑸钊胙芯胯T鐵的流變學(xué)行為及形變特性、尤其是符合實際生產(chǎn)狀況的動態(tài)形變特征的研究、研究其粘度及影響因素、流變組織的形成機(jī)制及成形過程中的行為規(guī)律、流場及溫度場等 .

　�。�、深入研究半固態(tài)漿料制備方法及各種工藝參數(shù)的規(guī)律、加強(qiáng)半固態(tài)成形過程中的數(shù)值模擬、并逐步提高其應(yīng)用性 .
　�。�、深入認(rèn)識各種制備半固態(tài)合金漿料過程的本質(zhì)、結(jié)合實際研制專用的半固態(tài)成形設(shè)備及生產(chǎn)線 .

2011/7/18 17:35:22