高铬铸铁半固态成形技术的现状

金晖胶品厂 发表于： 2011/7/18 17:34:56

  一：半固态成形工艺：

　　包括两部分内容：首先是制备非枝晶半固态浆料、即将凝固过程中的合金进行特殊处理、使其先凝固的树枝状初生相破碎而获得一种由细小、球形、非枝晶初生相与液态金属共同组成的液固混合浆料、即流变浆料；然后是加压成型、将半固态流变浆料直接进行加压成形、称为流变成形；而将这种浆料先凝固成铸锭、再根据需要将金属铸锭分切成一定大小、使其重新加热至固液两相温度区间进行加压成形加工的方法称为触变成形 .

　　1、流变成形：

　　流变成形包括流变铸造和流变锻造 . 流变铸造必须是浆料制备和压力成形同时进行、且两工位的距离不能太远、否则、由于半固态浆料很难储存和搬运、该方法很难实现、因而此方法在实际生产中很少应用 . r.shibata等人直接在压铸机的压射室中用电磁搅拌的方法制备半固态浆料、而后将其挤入模腔成形 . 目前、这种方法已广泛应用于镁合金半固态生产中、但由于受专利因素的影响、设备比较昂贵、仅在发达国家有应用 . 由于半固态浆液的保存和运输的不方便、使得流变成形技术应用很少、但与触变成形相比、其节省能源、流程更短、设备更紧凑、因此、流变成形技术仍然是未来金属半固态加工技术的一个重要发展方向 .
　　流变锻造的研究比较少、其与液态模锻过程基本一样、直接将制备好的半固态浆料、不经冷却直接注入模具内、进行半固态锻造、包括模锻、挤压和轧制等 . 北京科技大学利用自行设计的设备对1cr18ni9ti不锈钢进行了半固态流变成形直接轧制、其工艺路线为：热轧料－感应炉加热熔化－倒入流变器作电磁搅拌(功率15kw)－半固态浆料(1cr18ni9ti钢为1430℃)－导流管－轧制(辊缝5mm、轧辊温度50℃)－水淬 . 研究结果表明：表面质量和薄板边部裂纹是轧材的主要问题 .

　　1、触变成形：

　　触变成形工艺包括三个步骤：非枝晶锭料的制备、二次加热、加压成形 . 主要成形方法有触变铸造、触变锻造、触变轧制等 . 触变成形相对流变成形而言更为可行、解决了半固态金属浆料制备与成形设备的衔接 . 由于半固态金属及合金坯料的加热、输送很方便、并易于实现自动化操作、因此、半固态金属触变压铸、触变锻造和触变轧制是当今金属半固态成形中的主要工艺方法 . 其中、触变压铸主要应用于a356和a357两种材料上 . 触变锻造可以成形变形抗力较大的高固相分数的半固态材料、并能生产一般锻造难以达到的复杂形状零件、适合于高熔点金属的半固态成形 . 半固态轧制存在的主要问题是、当固相分数小于0.7时、因液-固相流动会引起组织不均匀 .

　　二、高铬铸铁半固态浆料的制备：

　　１、机械搅拌：

　　法机械搅拌法是制备半固态合金最早使用的方法 . 通常是在熔融的金属液中插入一搅拌棒进行搅拌、进而得到球状固相颗粒悬浮于金属母液中的混合浆料 . 它可获得大的剪切变形以获得细小的晶粒结构；搅拌在金属表面以下进行、可以减少空气夹杂物、可以获得较高的剪切速率、有利于形成细小的球形微观结构 . 日本学者将过共晶铸铁加热到1450℃、然后冷却到固液两相区、进行机械搅拌获得细小石墨均匀地分布于基体内所含灰铸铁半固态坯料中、其组织形貌明显比同成分无搅拌常规铸造所得的组织细小得多 . 机械搅拌技术比较成熟、但往往存在搅拌不到的死区、影响浆料的均匀性、且对于铸铁材料来说、搅拌器会直接受到熔体的侵蚀、寿命短、会对熔体产生污染、影响半固态浆料的质量、在钢铁材料制备中受到一定的限制 .

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　　２、电磁搅拌：

　　电磁搅拌是利用电磁力来加强金属液的流动、从而改变金属液凝固过程的流动、传热、传质、达到细化晶粒、改善坯料质量的目的 . 从搅拌金属液的流动方式来分有水平式和垂直式两种 .

　　一般来说、影响电磁搅拌效果的主要参数有搅拌功率、冷却速度、金属液温度等 . 目前、日本、美国都有应用电磁搅拌的设备 . 美国isc公司研制的设备、钢铁熔体在搅拌室内冷却的同时采用电磁搅拌获得半固态的钢铁浆料 . 邢书明等对fe-cr-c系列合金白口铁的研究也证明、电磁搅拌可以有效地改善碳化物的分布、形态和尺寸、他们采用电磁搅拌技术获得了初生固相为颗粒状、平均尺寸55μm、宏观组织中无明显柱状晶核宏观偏析、组织和性能都能满足半固态加工的白口铁浆料 . 另外、中科院金属所杨昭等也对高铬铸铁和亚共晶白口铸铁半固态浆料的电磁搅拌进行研究 . 但通常认为、该技术只适用于直径小于150mm的锭坯 .

　　３、倾斜板冷却体法：

　　倾斜板冷却体法是1996年日本宇部株式会社发明的、其原理是将略高于液相线温度的熔融金属液倒在倾斜的冷却板上、通过冷却板的冷却作用、在凝固初期、冷却板上有细小的晶粒形核长大、在合金流体的冲击和物体的自重作用下使晶粒从冷却板壁上脱落、冷却到半固态成形温度后保温、进入容器达到半固态温度后保温、以增加晶核的数目和晶体的游离、并达到满足要求的固相体积分数、细化晶粒、获得理想的微观组织、然后进行流变成形或触变成形 .

　　４、应变诱发熔化激活法(sima)：

　　它是目前除电磁搅拌法外在工业上用于生产半固态浆料的另一种方法 . 此方法主要是通过将常规铸造枝晶组织在高温下进行挤压、滚压等预变形、破碎枝晶组织、再施加足够的冷变形量后加热到两相区、在组织中预先储存变形能量、然后在加热过程中得到半固态浆料 . 该方法制备浆料不易污染、且产量大、生产效率高 . 但与其他方法相比、工艺比较复杂、因为增加了预变形处理、生产成本提高、生产效率低、工业中仅适用于小尺寸半固态坯料的制备 . 该方法对熔点较高的合金有着特殊的优越性、已成功地应用于不锈钢、工具钢、铜铝合金、并获得晶粒尺寸为20μm的非枝晶半固态组织合金 .

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　　除上述方法外、还有液相线温度法、等温处理法、剪切冷却辊压法等制备半固态浆料 . 但从生产效率高、操作简便及经济原则考虑、在今后较长一段时间内、钢铁材料半固态浆料的制备方法主要还是采用电磁搅拌法 .

　　三、高铬铸铁半固态成形技术的现状及展望高铬铸铁半固态加工方法研究涉及到触变锻压、挤压、铸造和直接流变轧制等、目前仍主要集中在其半固态连铸和半固态连铸轧制方面的研究 . 半固态连铸是凝固过程中施加搅拌得到半固态并进行连铸 . 半固态连铸轧制是在半固态连铸的同时进行轧制 .

　　有关其半固态流变成形工艺的研究目前仅停留在成形组织的研究上、鲜有成形产品出现 . 这是因为钢铁半固态流变浆料的保存、输送和搬运过程更加难以控制 . 对流变成形的研究主要集中在流变轧制和半固态流变挤压两方面 . 有关触变成形的研究相对较少、到目前为止、仅限于铸铁、高碳钢和高速钢的半固态锻造加工试验 . 因此、今后高铬铸铁半固态加工的研究与开发应主要集中在以下几个方面：

　　１、优化半固态加工的模具、工具材料及模具表面涂层和处理工艺的选取和设计、提高模具材料的高温性能以提高其使用寿命；开发用于制备半固态设备中所用部件的材料 .

　　２、深入研究铸铁的流变学行为及形变特性、尤其是符合实际生产状况的动态形变特征的研究、研究其粘度及影响因素、流变组织的形成机制及成形过程中的行为规律、流场及温度场等 .

　　３、深入研究半固态浆料制备方法及各种工艺参数的规律、加强半固态成形过程中的数值模拟、并逐步提高其应用性 .
　　４、深入认识各种制备半固态合金浆料过程的本质、结合实际研制专用的半固态成形设备及生产线 .

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