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半固态加工技术的发展和应用现状是嘛

发布时间:2021-07-11 16:37:05 阅读: 来源:垃圾袋厂家

半固态加工技术的发展和应用现状

从70年代初美国麻省理工学院的 Flemings教授等开发出半固态加工技术以来, 现已得到迅速发展。美国在此技术的开发研究和工业应用等方面处于全球领先地位;欧 洲国家和日本也相继开展此方面的工作,并取得很大进展。半固态加工技术最广泛的应 用主要集中在汽车工业,用以进行汽车零件的近终形(NearNetShape)制造以及使其轻量 化;另外,这项技术还被越来越多地用于航空、兵器、仪表等工业的主要构件。目前,半固 态金属加工技术的发展主要围绕着半固态金属的制备和成形、基础理论、金属基复合材料 的制造、工业应用和开发等方面。与此同时,很多相关的新技术和应用领域不断被开发出来。

1 半固态金属原料的制备技术

在金属凝固过所以我们正在推行程中进行强烈搅拌,使树枝状初晶破碎成等轴颗粒状分布于液相,从而 得到一种固液混合浆料,通常将此浆料称为非枝晶半固态金属(Semi—Solid Metal,简称 SSM)。在SSM的液相基体中,固相颗粒之间很容易产生相互移动,从而使SSM浆料具 有一定流动能力,以利于充型。获得SSM原料主要有以下方法。

1.1 机械搅拌法

机械搅拌法通常可分为不连续搅拌法(Bath Method)和连续搅拌法(Continuous Method)。机械搅拌法设备简单,容易控制工艺参数,从而可方便地用于研究金属的搅拌 规律和SSM的流变特性。机械搅拌时,搅拌器与金属熔体直接接触,因而搅拌器的寿命 低而且易污染金属。所以,机械搅拌法只适合于实验室的研究工作,无法满足工业生产的需求。

1.2 电磁搅拌法

电磁搅拌法是利用电磁感应力的作用将析出的树枝晶破碎成颗粒状,属于非接触式 搅拌。因此,金属液纯净,不卷入气体,控制方便,产量大,是目前工业应用的主要方法之 一。这种方法也适用熔点较高的合金。目前,在工业生产中占主导地位的电磁搅拌技术 称为MHD(Magnetohydrofynamic),用于生产连续流变锭料,其中铝合金锭的直径达38— 52mm。这种方法的主要缺点是电能消耗量大,设备结构复杂而且成本高。

1.3 应变诱导熔化激活法

应变诱导熔化激活法(Strain—ImducedMeltActivation,简称SIMA)首先要铸造出品 粒细小的常规铸锭,再使之进行大量的挤压变形,然后加热到固液两相区以得到SSM原 料。该法的金属纯净,产量较大,也是当前工业生产中采用的主要技术之一。但是,SIMA 去要增加一道预变形工序,而且仅能生产小型零件。

1.4 其它方法

获得SSM原料的其它方法有:剪切冷却辊法(Shear—CoolingRollProcess)、电磁脉冲 法(Electromagnetic Pulse Method)、紊流管道法(Tortuous—Channel Method)、溅射沉积法 Spray—DepositedMetalMetllod)等,限于篇幅在此不一一赘述 [1—3] 。

2 半固态金属的成形技术

SSM成形是介于铸造和锻造之间的一种工艺过程,适用于很多常规的成形方法。通 常根据采用的成形设备对其命名,这些设备包括:改进的压铸设备、注射成形设备、连续铸 造设备和模锻设备等。在研究和应用中,铸造设备在SSM成形中占较大比例,因而SSM 成形多称为半固态铸造。 SSM原料在进入模具内腔之前有不同的处理方法,从而使SSM成形分为两大类:流 变成形(Rheoforming)和触变成形(Thixo- forming)。流变成形是将获得的 SSM原料 直接成形;触变成形是将SSM原料首先制成 锭料,生产时,将定量的锭坯重新加热至半固 态然后再成形(见图1、图2)。

对于流变成形,由于直接获得的SSM原料保存和输送很不方便,因而发展较缓慢,一 般仅用于SSM连续成形方面;对触变成形,由于 SSM坯料便于输送和加热,易于实现自 动化,所以,触变成形在工业中得到广泛应用。

3 半固态加工技术的特点和适用范围

概括起来说,半固态加工技术具有以下特点: [] (1)SSM充型平稳、无湍流和喷溅、温度低而且释放了部分结晶潜热,因而减轻了对 成形装置尤其是模具的热冲击,使其寿命大幅度提高;同时,SSM凝固时间缩短,从而有 益于提高生产率。 (2)SSM成形件表面平整光滑;内部组织致密、晶粒细小、力学性能高;凝固收缩小, 因而铸件尺寸精度高;SSM成形件尺寸与成品零件几乎相同,极大地减少了机械加工量, 可以做到少或无切削加工,从而节约了资源,相对延长了刀具寿命。 (3)不直接处理液态金属,便于实现自动化,改善了劳动条件。 (4)节约能源。比单位重量的普通铝合金铸件节能35%左右。 (5)SSM粘度较大,可以均匀混入颗粒或短纤维等增强材料而制造金属基复合材料, 成为一种有效的金属基复合材料的制造方法。 (6)与固态金属模锻相比,SSM的流动应力显著降低,因而SSM模锻成形速度更高, 而且可以成形十分复杂的零件。 半固态加工技术除上述直接成形外,还有望于提纯金属(使3SM的液固两相分离)、 制造金属板带等。尤其是用半固态加工技术制造金属基复合材料愈来愈受到人们的重 视。随着不断研究开发,半固态加工技术必将超出今天工业应用的范围 [3] 。 S3M适用于有液固共存区的合金体系。研究和生产证明,适用于半固态加工的金属 有:镁合金、铝合金、锌合金、镍合金、铜合金以及钢铁合金等,其中铝镁合金已用于工业生 产。半固态加工技术有可能使黑色金属实现压铸,很多国家正致力于这方面的研究。

4 工业应用现状

4.1 应用现状

近几年中,半固态加工技术的工业应用已经取得很大进展。其中美、日、英、法、意大 利和瑞士等国家的应用水平处于领先地位 [] 。 在美国,AlumaX Engineered Metal Process(AEMP)公司率先将此技术转化为生产力。 1978年,它使用 MHD技术生产出供触变成形用的圆锭,随后建成了全球首条高容量和 高度自动化的触变成形生产线,用于生产铝'合金汽车零件,并拥有相关专利60多项;自 1988年以来,AEMP为 Bendix牌小轿车生产了250万个铝合金汽缸头(Master Cylin- der),为Ford汽车公司生产了1500万个铝合金压缩机活塞(Pistons of Compressor),成品 率近100%。1992年AEMP公司与Superior工业公司合资在美国 Arkansas州建成了全 球首家触变成形铝合金轮毂厂。 AEMP公司帮助美国AMP公司建设的有7台半固态成 形系统的工厂于1993年上半年投产,用于生产电工铝合金零件。Thixoma公司则使用半 固态注射成形专利技术生产镁合金零件。 ITT公司用半固态加工技术进行黄铜电接插件 的生产。目前,Alumax铝业公司的 Mt Holly铝厂和 Intalco铝厂已经生产出直径76.2mm和152.4mm的MHD锭。1985年,Alumax铝业公司将有关触变成形的专利技术向 欧洲转让,生产Volvo、BMW和Audi等小轿车的铝合金零件。 在欧洲,意大利是半固态加工技术商业化应用最早的国家之一。 Stampal—Saa公司 使用此技术为Ford汽车公司生产Zeta发动机的油料注射挡(Fuel Rails),生产率为160 件/小时;另外,还生产齿轮箱盖(GearBoxCover)和摇臂(RockerArms)等零件。 Weber 公司于1993年开始用半固态技术为 Nuova Lancia Delta公司生产油料注射挡。瑞士的 Buehler公司于1993年开发出称为SC的半固态压铸设备,并开始进行汽车零件的生产。 同时,德国的 EFU、法国的 PechineySA、瑞士的Alusuisse—Lonza、意大利的 Fiat等国际 知名公司已采用了半固态加工技术。 日本于80年代后期成立了一家由18个成员组成的Rheotech公司,随后对半固态加 工技术进行系统研究,同时加强与美欧著名大学和公司的联系。公司成员包括:三菱重 工、川崎制铁、神户制钢、古河电气等14家钢铁公司和4家有色金属公司。在1988年3 月至1994年6月期间共投资30亿日圆进行研究开发,下一步转向工业应用阶段。

4.2 半固态成形件现状

半固态加工技术主要应用于汽车零件制造方面,另外,在军事、航空、①木材与塑料构成良好浸渍;电子以及消费品 等方面也进行了产品开发。多数情况为铝、镁合金的半固态压铸、模锻以及注射成形。 用半固态加工技术生产的汽车零件包括:刹车作动筒(Master Brake Cylinder)、转向 系统零件(Steering and Suspension System Components)、摇臂(Rock Arm)、发动机活塞 (Engine Piston)、轮毂(Wheel)、传动系统零件(Transmision Components)、燃油系统零件 (Fuel System Components)和汽车空调零件(Air Conditioner Compo”史勇说道nents)等。这些零件已 应用于Ford、Chry51er、Volvo、BMW、Fiat和Audi等欧美名牌轿车上。从1981年起,用半 固态技术生产的电接插件(ElectricalConnector)已应用于军事航空领域 [] 。 如前所述,与铸件相比,SSM铝合金件组织细小、内部疏松少、收缩小、尺寸精度和性 能高、表面质量好;另外,由于少或无切削加工,从而降低了制造成本。因此,在生产中,有 些SSM铝合金件用于取代常规铸锻件。例如,调速带张紧回转轮支架(Timing—Belt Tensioner—pulley Pivot Bracket)由球铁改为SSM铝合金件后,减重52%,每件节约费用 2.15美元。汽车作动简通常用铸铁制造,汽车轻量化趋于采用铝合金金属型铸造工艺, 应用半固态加工技术后,与前两种工艺相比,不但生产高度自动化,避免成形时处理液态 金属,而且实现了近终形(Near Net Shape)制造。两种情况的比较见表1。

半固态模按铝合金汽车轮毂的重量,随种类不同比相应的压铸轮毂轻lO%-30%。 Thixomat公司1994年7月采用触变成形设备进行铝合金齿轮箱的生产,迄今已生产出 50万件。设备采用热室压铸工艺,每件生产时间为28s,日产6000件。经过对整个生产 过程监测表明,每件的平均重量偏差为0.5%,孔的尺寸精度为0.02,在嵌入钢衬套之前 仅需对孔内表面抛光处理即可。另外,还用触变成形工艺生产出应用于电子方面的成形 件,例如工业电子显示装置的机身等 [9、19]

5 研究开发动向

半固态加工技术开拓了一个全新的金属成形领域,目前,还有许多问题有待进一步研 究探讨 [3、8、11、17] 。 (1)SSM的演变特性与微观结构和加工过程有关。这需要精确认识和描述SSM浆 料的结构和特性,以对浆料进行设计,使其与成形过程相适应。 (2)由于SSM具有低的潜热以及有固相存在,因此浆料凝固速度大。这使得 SSM 成形的模具设计和表面处理方式与铸锻工艺有所不同,需要对此进行深入研究。 (3)为了使半固态成形件的微观组织进一步细化,要求更有效地控制SSM中固相组 分的原始颗粒尺寸和数量。 (4)在半固态加工过程中,材料自由表面可能会产生裂纹。有待于对SSM的微观结 构、温度场以及其自由表面的应力状态进行深入研究。 (5)需要对SSM的组织形成以及浆料特性进行定量描述。 世界上很多大学及公司的研究机构都在从事半固态加工技术的研究,为这项技术的 发展奠定了基础。图:3D打印气管模型的结构研究内容包括:(1)基础技术研究:内容有SSM的基本特性,组织均匀 化,固相率以及温度控制技术,装置材质的开发;(2)加工过程的研究:内容有高速搅拌技 术,SSM的保持以及输送技术,气氛控制技术,成形技术,复合材料的添加和混合技术; (3)综合技术:包括高性能材料制造技术的开发,材料连续成形技术的开发。 我国有些单位于70年代后期也陆续开展了有关SSM流变特性等方面的理论研究。 但是,由于缺乏系统的研究和开发,目前还没进入商业应用阶段,从而迫切需要进行全面、 系统的研究开发。 合金和复合材料的半固态加工国际会议迄今已举办了三届,分别在法国 SophiaAntipolis(1990年4月)、美国MIT(1992年6月)、和日本Tokyo(1994年9月)举行,标志着 这项技术在全球范围内日趋成熟。 最后需要指出的是,半固态加工技术的发展将远远超出目前工业应用所局限的范围。 组织力量对这项技术进行研究开发将有十分重要的意义,它必将会在我国的经济建设中 发挥重要作用。(end)

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