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1、2 0 0 8 第五届先进成型技术与材料加工研讨会 半固态制程之创新流道混合法之均匀性研究 庄水旺1 ，郭智豪2 ( 台湾海洋大学机械与机电工程学系，基隆市，台湾) 摘要：对于添加粉末于半固态浆料中的设备普遍存在机动性不佳、触变性质素材之准备时间长及需要额外购置设备等缺 点，本研究提出添加粉末于半固态浆料中之创新流道混合法制程利用流道截面积缩减混合法具有使添加粉末在半固态 浆料中混合良好的效果，研究结果显示最佳的缩减比率为5 0 此初步结果将进一步的研发，提升流道混合法的效益及 开发半固态新制程 关奠词：流道混合法；半固态；触变性质 S t u d yo nm i x i n gu n i f
2、 o r m i t yo fp a r t i c l e su s i n gi n n o v a t i v er u n n e rd e s i g ni n s e m | - s o l i dp r o c e s s e s S h u e i w a nH ，J u a n g 。C h i h H a wK u o O 慨h a m c a ia n dM e c h a t r o n i cE n g i n e e r i n g ，T a i w a nO c e a nU n i v e r s i t y , K e e l u n g , T a i w
3、a n ) A b s t r a c t ：D u et ol a c ko fm o b i l i t yo nc u r r e n te q u i p m e n tf o rp o w d e ra d d i n gi n t ot h es e m i - s o l i ds l u r r ya n dt i m ec o n s u m i n ga s w e l la sc o s t l yo nt h ep r e p a r a t i o no fr a wm a t e r i a l sw i t ht h i x o t r o p i cp r o
4、p e r t y , i nt h i ss t u d ya ni n n o v a t i v er u n n e rm i x i n g t e c h n o l o g yW a sp r o p o s e d I ta d d e dp o w d e r si n t om e l ta n df o r c e dt h em e l tf l o w i n gt h r o u g ht h er u n n e rw i t hs p e c i a l i z e d c o n f i g u r a t i o nt oo b t a i nu n i f
5、 o r mb l e n d i n gs e m i - s o l i ds l u r r yw i t ht h i o x o t r o p i cp r o p e r t y I tr e v e a l e dt h a tt h eo p t i m u mr e d u c t i o n r a t i oo nt h ec r o s ss e c t i o na r e ao fr u n n e r sw a s5 0 T h ep r e l i m i n a r yr e s u l t so b t a i n e df r o mt h i ss t
6、 u d yw o u l db es e r v e da sa b a s i st oc o n d u c tf u r t h e r s t u d i e so nt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fs e m i - s o l i dp r o c e s s i n g K e y w o r d ：r u B n e rm i x i n g ；s e m i s o l i d ；t h i x o t r o p i cp r o p e r t y 引言 半固态铸造由7 0 年代发展至今，以开
7、发出许多不同的 制程方法，多数学者在半固态材料球化的搅拌过程中添加强 化材粉末，藉此增加铸品的机械性质，同时亦可减少压铸合 金的使用量。但这些方法存在一些问题，即制程所需的触变 性质素材之准备时间长，机动性较低，且需要额外的设备， 降低半固态铸造之应用。 现今在添加增强材的研究中，大多使用电磁搅拌的方 法作为研究。Z h a n g 1 等人的研发结果显示，添加增强材于 半固态合金熔汤中，必须考虑增强材粉末于熔汤中的均匀性 与半固态材料本身的固相分率及剪切率，例如使熔汤在一些 特殊设计的设备中产生剪切力，并于以冷却控制其固相分 率，以获得到半固态浆料。因此半固态浆料制程持续不断的 有新的方法被
8、提出。 Y a n g 等人提出全新的半固态制程方法D C T ( d a m p e r c o o l i n gt u b e ) C 2 ，此方法系利用合金熔汤经过有菱形块的狭 窄通道时加以冷却，进而得到半固态浆料。此方法的主要优 点为设备简单，可连续生产大量的半固态浆料，但同样需要 额外的设备。因此本研究将利用此方法加以改良，其为一种 适用于冷式压铸机的全新制程。在一个新的半固态制程当 中，所需要考虑的参数太多，本研究仅探讨增强材在熔汤中 的均匀性，并不考虑固相率，剪切率等因素。 1 流道混合法 冷式压铸机的制造过程是将熔汤倒入料管中后，再由 柱塞推动熔汤进入模具内，而流道混合法是在
9、熔汤倒入料管 后，再添加增强材粉末于料管中( 如图1 ) ，藉由柱塞推动熔 汤的同时使粉末与熔汤在料管中做初步的混合，再进入特殊 设计的流道，达到完全混合的目的。在达到均匀混合的同时， 对流道做局部冷却，使融汤温度降低至半固态温度后，再注 入模穴完成铸件。 本研究仅需要改变模具的流道形状，即可获得强化铸 件的机械性质，并可节省铸造成本。然而创新的特殊流道除 可使添加粉末在熔汤中混合均匀外，亦可产生剪切力使晶粒 形状圆球化，提高半圆态制程的机动性，且不需要添加额外 的设备。利用创新流道混合法制程必须先行考虑添加粉末在 熔汤中分布之均匀性、冷却位置及低速射出临界速度，扼要 叙述于后： H y d
10、r 础l kc l 卸审 _ j ：3_ 越证l e - r _ r _ _ _ 图1 粉末添加位置示意图 1 1 临界速度 当熔汤在料管中低速充填流动时需考虑其临界速度， 当柱塞速度小于临界速度时，熔汤的波动速度超越临界速 模拟分析技术 度，将导致熔汤与柱塞间产生卷气的现象；反之，柱塞速度 大于临界速度时，将造成海浪现象，使熔汤向前卷入空气。 卷入的空气将在铸件中残留气孔缺陷。因此，唯有柱塞速度 与临界速度相同或接近时，才可将卷气降至最低 3 。 1 2 均匀性 M a o 4 等人的研究指出，在电磁搅拌的过程中，若搅 拌的电磁功率太高，反而会造成含金的偏析现象。本研究利 用特殊的流道设计，
11、迫使粉末与熔汤在料管与流道中进行混 合，而混合的驱动力丰要是使熔汤在流道中产生紊流效应。 在流道混合过程中，如紊流效应过于强烈可能造成偏析，也 会增加卷气的可能；如果没有紊流效应，不仅混合均匀性较 差，且剪切力相当低落，无法使结晶组织球状化。因此适当 的紊流效应将在流道混合方法中扮演相当重要的角色。 1 3 冷却位置 确认冷却位置主要是为确保获得的混合均匀组织具有 触变性质，使最后填充完成后的铸件不会发生偏析现象。将 熔汤降温至半固态制程温度可保留其均匀性组织，因半固态 浆料的黏性较高，可以使颗粒与颗粒之间不再重复发生群聚 效应。 综合以上所述，本文将利用数值模拟探讨以上三个问 题，并归纳 较
12、适合之参数条件，并利用本次研究的结果做 为后续开发压铸新制程的研究。 2 实验方法 本研究利用F L O W - 3 D 软件进行数值仿真，模拟由粉末 添加丁料管中静止的熔汤开始，凶此模型必须包含料管及流 道两部分( 如图2 ) 。 图2 数值仿真横型图。 在本研究中，柱塞低速射 “的临界速度系使用T s z e n g 所推导的| 盎i 界速度，如方程式( 1 ) 所示 5 ，其为料管直径D 与填充率( 以高度h 表示之) 的函数。G a r b e r 6 研究指H 1 ， 为有效降低熔汤在料管之卷气。料管填充率必须维持在5 0 以上。因此，模拟使用之料管的填充率为5 0 ，而柱塞的低 速
13、临界速度则依方程式( 1 ) 计算求得。 旷：痧一- o 圈3 模拟分析用之特殊流道设计。 Y a n g 等人在D C T 制程法研究指j | 1 ，菱形块的长度与流 道之间隙大小，直接影响紊流效应的强弱。基于对紊流效应 与粉末混合均匀性之控制不易，本研究之流道将不考虑使用 菱形块的设计，而是控制流道截面积的缩减比率，使紊流效 应较为和缓，且具剪切作用使压铸合金在半固态时的组织呈 球状。图3 表示本研究设计之特殊流道的形状，以断面A 为参考的固定面积，分别将断面积缩减3 0 、5 0 、6 0 成 为断面B ，另流道长度D 与c 均予以固定，以便判定断面 B 的混合效果。 3 实验结果 本研
14、究模拟分析的四种案例，均使用相同的料管几何 形状与初始条件，因此熔汤在料管部份的流动情形完全相 同，如图4 ( A 。F ) 。图4 ( A ) 表示熔汤在料管中尚未受柱塞作 动而呈静止的状态；接着柱塞以临界速度前进，推动静【t 于 料管中的熔汤，此时可清楚观察到初期添加的粉末( 白色质 点部份) 簇集于柱塞附近，如图4 0 3 ) 所示：由于柱塞系以临 界低速推动，使熔汤得以层流模式前进，同时在熔汤前进的 过程中，由于内部存在的速度梯度所产生的剪切力与外压 力，同时作用在添加粉末上，使得压铸熔汤在柱塞的驱动前 进下，粉末与熔汤可获得初步的混合，如图( c 、D ) 所示； 如此借着熔汤本身内
15、部的剪切力与外在压力的作用，使粉末 与熔汤获得良好的混合，将持续到熔汤抵达分流子位置，此 时添加的粉末已相当均匀地扩散至熔汤中，如图4 ( E ) 所示) ： 图4 ( F ) 显示当熔汤越过分流子进入流道时，由于分流子背压 之影响，使熔汤中的压力分布更趋均匀，有助于添加粉末之 扩散。 图5 表示在流道截面积未缩减的情况F ，粉末在溶汤 中及熔汤在流道中的分布情形。因熔汤在进入流道之前，粉 末与熔汤在料管中已有初步的混合，且粉末的分布均匀度尚 称良好，如图5 ( A ) 所示。图5 ( B ) 与( C ) 分别显示当熔汤继续 前进通过流道中段以后，粉末在溶汤中的分布均匀度开始低 落，并有群聚
16、效应发生。此群聚效应主要是截面积的没有缩 减，使得熔汤中的剪切力与压力无法克服分子间的引力所 致：很显然，此型流道缺乏足够剪切力将无法得到球状化组 织。 2 0 0 8 第五J f 【I ；两片i 地先进成犁技术与材料加T 研 J 会 ( E )( F ) 图4 模拟料管充填时之熔汤分布情形，( A ) 熔汤静滞时、( B 问、( c ) 启动后、( D ) 熔汤至杜塞行程中问、( E ) 熔汤抵达分 熔汤越过分流子时。 ( A ) ( A ) ( C ) 罔6 流道截面积缩减3 0 时，熔汤在流道中的分布情形，( A ) 熔汤通过 分流子时、饵) 熔汤在流道t I 问时、( c ) 熔汤到达流道的末端。 图7 ( A ) 表示在流道截面积缩减5 0 时，熔汤进入流道 的状态与流道截面积未缩减的情况相同。当熔汤到达中段 时，粉末并未发生群聚效应，月分布均匀度较进入流道时为 佳：同时熔汤的速度梯度增加，使熔
