高鉻鑄鐵半固態成形技術的現狀

金暉膠品廠 發表于： 2011/7/18 17:34:56

  一：半固態成形工藝：

　　包括兩部分內容：首先是制備非枝晶半固態漿料、即將凝固過程中的合金進行特殊處理、使其先凝固的樹枝狀初生相破碎而獲得一種由細小、球形、非枝晶初生相與液態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、將半固態流變漿料直接進行加壓成形、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間進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行、且兩工位的距離不能太遠、否則、由于半固態漿料很難儲存和搬運、該方法很難實現、因而此方法在實際生產中很少應用 . r.shibata等人直接在壓鑄機的壓射室中用電磁攪拌的方法制備半固態漿料、而后將其擠入模腔成形 . 目前、這種方法已廣泛應用于鎂合金半固態生產中、但由于受專利因素的影響、設備比較昂貴、僅在發達國家有應用 . 由于半固態漿液的保存和運輸的不方便、使得流變成形技術應用很少、但與觸變成形相比、其節省能源、流程更短、設備更緊湊、因此、流變成形技術仍然是未來金屬半固態加工技術的一個重要發展方向 .
　　流變鍛造的研究比較少、其與液態模鍛過程基本一樣、直接將制備好的半固態漿料、不經冷卻直接注入模具內、進行半固態鍛造、包括模鍛、擠壓和軋制等 . 北京科技大學利用自行設計的設備對1cr18ni9ti不銹鋼進行了半固態流變成形直接軋制、其工藝路線為：熱軋料－感應爐加熱熔化－倒入流變器作電磁攪拌(功率15kw)－半固態漿料(1cr18ni9ti鋼為1430℃)－導流管－軋制(輥縫5mm、軋輥溫度50℃)－水淬 . 研究結果表明：表面質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、解決了半固態金屬漿料制備與成形設備的銜接 . 由于半固態金屬及合金坯料的加熱、輸送很方便、并易于實現自動化操作、因此、半固態金屬觸變壓鑄、觸變鍛造和觸變軋制是當今金屬半固態成形中的主要工藝方法 . 其中、觸變壓鑄主要應用于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數的半固態材料、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成形 . 半固態軋制存在的主要問題是、當固相分數小于0.7時、因液-固相流動會引起組織不均勻 .

　　二、高鉻鑄鐵半固態漿料的制備：

　　１、機械攪拌：

　　法機械攪拌法是制備半固態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行攪拌、進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小的晶粒結構；攪拌在金屬表面以下進行、可以減少空氣夾雜物、可以獲得較高的剪切速率、有利于形成細小的球形微觀結構 . 日本學者將過共晶鑄鐵加熱到1450℃、然后冷卻到固液兩相區、進行機械攪拌獲得細小石墨均勻地分布于基體內所含灰鑄鐵半固態坯料中、其組織形貌明顯比同成分無攪拌常規鑄造所得的組織細小得多 . 機械攪拌技術比較成熟、但往往存在攪拌不到的死區、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、會對熔體產生污染、影響半固態漿料的質量、在鋼鐵材料制備中受到一定的限制 .

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　　２、電磁攪拌：

　　電磁攪拌是利用電磁力來加強金屬液的流動、從而改變金屬液凝固過程的流動、傳熱、傳質、達到細化晶粒、改善坯料質量的目的 . 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有攪拌功率、冷卻速度、金屬液溫度等 . 目前、日本、美國都有應用電磁攪拌的設備 . 美國isc公司研制的設備、鋼鐵熔體在攪拌室內冷卻的同時采用電磁攪拌獲得半固態的鋼鐵漿料 . 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、形態和尺寸、他們采用電磁攪拌技術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漿料的電磁攪拌進行研究 . 但通常認為、該技術只適用于直徑小于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、冷卻到半固態成形溫度后保溫、進入容器達到半固態溫度后保溫、以增加晶核的數目和晶體的游離、并達到滿足要求的固相體積分數、細化晶粒、獲得理想的微觀組織、然后進行流變成形或觸變成形 .

　　４、應變誘發熔化激活法(sima)：

　　它是目前除電磁攪拌法外在工業上用于生產半固態漿料的另一種方法 . 此方法主要是通過將常規鑄造枝晶組織在高溫下進行擠壓、滾壓等預變形、破碎枝晶組織、再施加足夠的冷變形量后加熱到兩相區、在組織中預先儲存變形能量、然后在加熱過程中得到半固態漿料 . 該方法制備漿料不易污染、且產量大、生產效率高 . 但與其他方法相比、工藝比較復雜、因為增加了預變形處理、生產成本提高、生產效率低、工業中僅適用于小尺寸半固態坯料的制備 . 該方法對熔點較高的合金有著特殊的優越性、已成功地應用于不銹鋼、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漿料 . 但從生產效率高、操作簡便及經濟原則考慮、在今后較長一段時間內、鋼鐵材料半固態漿料的制備方法主要還是采用電磁攪拌法 .

　　三、高鉻鑄鐵半固態成形技術的現狀及展望高鉻鑄鐵半固態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連鑄和半固態連鑄軋制方面的研究 . 半固態連鑄是凝固過程中施加攪拌得到半固態并進行連鑄 . 半固態連鑄軋制是在半固態連鑄的同時進行軋制 .

　　有關其半固態流變成形工藝的研究目前僅停留在成形組織的研究上、鮮有成形產品出現 . 這是因為鋼鐵半固態流變漿料的保存、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流變擠壓兩方面 . 有關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鍛造加工試驗 . 因此、今后高鉻鑄鐵半固態加工的研究與開發應主要集中在以下幾個方面：

　　１、優化半固態加工的模具、工具材料及模具表面涂層和處理工藝的選取和設計、提高模具材料的高溫性能以提高其使用壽命；開發用于制備半固態設備中所用部件的材料 .

　　２、深入研究鑄鐵的流變學行為及形變特性、尤其是符合實際生產狀況的動態形變特征的研究、研究其粘度及影響因素、流變組織的形成機制及成形過程中的行為規律、流場及溫度場等 .

　　３、深入研究半固態漿料制備方法及各種工藝參數的規律、加強半固態成形過程中的數值模擬、并逐步提高其應用性 .
　　４、深入認識各種制備半固態合金漿料過程的本質、結合實際研制專用的半固態成形設備及生產線 .

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