半固态浆料流动性的测试方法

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1、半固态浆料流动性的测试方法目前评价半固态合金浆料的充型能力尚无标准可循。邢书明等参照液态金属 充型能力评价标准 , 提出螺旋线型腔试件。杨湘杰和杨耀升等在各自的研究中 , 提出阶梯板试件。为了使流变成型顺利完成,部分凝固合金的流动性的控制至关重要,因为流动 性是影响浆料充型能力的最主要的因素之一 ,而表观粘度是浆料流动性最重要的 指标,所以各种因素对表观粘度的影响值得重视。这些因素主要有固相分数、剪 切速率、冷却速度、流变制度和合金成分。粘度是理解金属半固态加工过程流体力学和动力学作用的一个非常重要的 流变参数,如今已经发展多种粘度测量方法,如平板压缩法,毛细血管法,旋转法等。 流变性能的测定

2、是指有效测定材料流动和变形性质的技术。目前测浆料表观粘度 的方法有：1. 毛细管流变仪测量毛细管流变仪工作时,其柱塞以恒定的速度向下移动,或以恒压力作用在柱塞 上,把装在料筒里已经恒温一定时间的物料从毛细管中挤出.然后通过测量流量、 压力和温度等之间的关系,得出熔体在某一状态下的流变曲线和表观粘度。其表 观粘度可根据如下公式(1)计算：J 4PRI2LH = 一 = (1)式中的淤和Q可以用毛细管流度仪测得。其中AP为管道两端压力差(Pa), R为管道的半径(m), T为剪切应力(Pa),L为管道长度(m), Q为管道流量(m3/s),Y为剪切速率(S-1, n为粘度(Pa.s),v为流体速度

3、(m/s)。如图1 所示为毛细管粘度计简图：柱塞料筒毛细管2. 转矩流变仪转矩流变仪国外称为布拉本德(Brabender)转矩流变仪.转矩流变仪测定的参 数为转矩、温度、转速和时间的相关数据.通过对转矩等参数的测量,可确定剪应 力、剪切速率、粘度等流变参数.该类流变仪在研究半固态合金的半固态流变特 性的实验中凡乎未见报道.3. 同轴圆筒粘度计同轴圆筒粘度计是测定粘度的基本仪器,主要用于测量聚合物、乳胶、塑料 溶液和悬浮液的流变特性。由于同轴圆筒粘度计制造工艺简单 ,所以在半固态金 属的变特性研究中,大部分实验装置都是基于这种仪器的基本原理设计制作的,并 用来测定半固态金属的流变特性。其测试原理

4、是把两个直径不同的圆桶，同轴套 在一起，被测金属熔体装在两桶之闻的环形空间里，驱动内桶或外桶旋转。在粘 性作用下，转桶表面产生切应力，也就产生了转动力矩。通过装在旋转轴上的扭 矩传感器记录扭矩和转速，并把力矩转换成切应力，由转速计算出切变速率，就 可以根据牛顿粘性定律计算出流体的表观粘度。他有两种类型：外桶静止，内桶 旋转的为Searle型；内桶静止，外因桶旋转的为Couette型。通过调整圆桶的转 速就可以获得不同的剪切速率，因此用该流变仪可以获得很高而且范围很宽的剪 切速率。对于牛顿流体来讲，当受到剪切作用时满足式(2)：0V工二片 其中，T为剪切应力，n为流体的粘度，dv/dr为流体运动

5、法线方向上的速 度梯度。旋转桶受到的扭矩M与剪切应力满足关系式(3)：M - rSr(3)式中，S为流体与测距桶的接触面积，r为熔体的旋转半径。这样通过上面 两式，就可以计算出流体的粘度。若测量的是半固态合金熔体，则计算出来的是 半固态合金熔体的表观粘度，即如式(4)：(3) 平行平板式粘度计 平行平板式粘度计结构如图.该粘度计较为简单,将样品置于两平行平板之间, 上平板、下平板均可转动.一般除用来测定粘度和剪应力外,也可用来测量表征粘 弹性流体的弹性的第一法向应力差等。如图3 所示为平行平板式粘度计示意图：图3平行平板式粘度计(4) 锥板式流变仪该流变仪的锥顶部与平板之间的距离很小,将样品放

6、置在圆锥和平板之间.可 以是圆锥转动,也可以是平板转动,一般用于测定粘度和法向应力差 ,也可以用于(5) 反向挤压法反向挤压法将半固态金属坯料放入与之尺寸相同的柱状模型中，加热至一定 固相分数，然后由尺寸略小于模腔内径的柱塞从上向下匀速挤压，这样半圆态合 金熔体在挤压的作用下就会向上填充柱塞与型腔之间的环缝，并对柱塞产生反作 用力，通过安装在柱塞上的传感器记录压力和位移。半固态合金熔体在此过程中的表观粘度可以通过记录下的压力一时间曲线 的线性部分导出，相应关系式如式(5)所示：疋呼竺 (5)式中，VZ为柱塞的速度，F为乍用在柱塞上的力，t为时间，Rp和Rc分别 为柱塞和型腔的半径，C和c2分别

7、为相关常数。而柱塞和型腔之间的环缝处的平均剪切速率可以由下式(6)给出：Cln(；fG)胡7代-A；)1 2C.RR 2八i =L . (6)该方法目前主要用于测试较高固相分数或是二次重熔的半固态合金试样的流 变行为。它是模拟半固态合金熔体充型过程流变行为的一种方法。以上几流变仪特点比较如下表1所示：表1. 各种流变仪特点比较测表观粘度方法优点缺点评述锥板式剪切速率处处相等； 数据处理简单；直接测 定法向应力差；试样用 量少；易清洗恒温快。边缘效应大；仪 器精度要求高；转速 咼时试样甩出悬浮体 易发生梗阻。精密流变仪的型 式，可测定多种物 料函数平行平板式直接测定法向应力 差；平行板较锥板易于

8、 制造；间隙可调，适于 悬浮体；易清洗恒温快。剪切速率随半径变 化；转速咼时试样甩 出。锥板式的附体作 为补充。同轴圆筒式粘度计较易制作；对 同粘度流体扭矩较大； 可以较高速度；垂直缝 隙，适于悬浮体。剪切速率的非牛 顿性修正较大；试样 用量较多便易粘度计， 适合低粘、低弹性 流体。毛细管式剪切速率范围大；高 剪应力范围；易实现宽 温度范围；易实现宽温 度范围；试样不暴露。实验较复杂、难 清洗；实验精度较低宽范围表观粘 度测定(尤其适合高 速高粘度流体)半固态合金熔体的表观粘度直接决定着半固态合金熔体的充型能力和产品性能，而半固态流变成形是一个集熔体制备、输送和充型于一体的复杂过程，要 想通过

9、实验方法测得熔体表观粘度在此过程中的变化规律，显然简单的同轴双桶 流变仪、平行板压缩流变仪、反向挤压流变仪均不能胜任，这就需要研制新的能 模拟熔体制备、输送和充型等流变成形过程的半固态合金智能控制流变仪。北京交通大学设计了如图5所示的半固态合金智能流变仪。该半固态合金流 变仪主要有同轴圆桶（搅拌室）、扭矩传感器及信号采集处理系统、熔炼及温度控 制系统、电机驱动及控制系统四部分组成。其工作原理是：将半固态合金熔体置 于同轴的内外桶间隙内，当内外桶存在速度差时，熔体受到了一个水平旋转的剪 切作用，通过测定转速、扭矩或功率来间接计算合金熔体的表观粘度。应用自动 化控制系统实时控制温度、剪切速率、冷却

10、速率以及剪切时间，可以模拟半固态 合金熔体制备、输送以及充型工况，进而获得不同条件下的流变规律。JP內補oOOIV_&戸频砂应线13申住占“怙U0爭固态烟俸O图5半固态合金智能流变仪结构示意图北京科技大学毛卫民在半固态AlSi4Mg2铝合金的稳态流变性能一文中实验 采用Couette型同轴双桶流变仪,设备原理如图6所示.流变仪的外桶与下面的电 机相连, 实验时外桶紧紧拧在电机轴上, 扭矩传感器和石墨内桶处于同一轴线上. 实验时,电机以不同转速转动从而带动外桶转动,这样就在流变仪的内外桶之间 形成了相对运动, 处于外桶和石墨内桶之间的合金液或合金浆料就会由此受到一 定的剪切作用。由于合金浆料具有

11、一定的表观粘度,这样就会在石墨内桶上产生 一定的扭矩。该扭矩由传感器测得并由计算机采集，然后再转换为浆料的表观粘 度。外桶内壁和内桶之间的间隙小,约为2.5mm,作用在合金浆料上的力可视为纯 剪切力。囹6 Couctie 渤叨櫚沱变啜小茂E1.高度调剂器，2.扭矩传感器,3.冷却水，4.保温桶,5.加热电阻炉，6.导热仪7.半固态浆料， 8.外圆筒， 9.热量导热层， 10.冷却水， 11.电动机， 12.保护气体其主要的计算公式及原理根据扭矩与表观粘度的关系，可用下式(6)表示：式中，na为表观粘度,M为石墨内桶上的扭矩,h为内桶浸入金属液内的深a度,W为电机转动角速度，n为电机转动转速，R

12、为外桶内壁半径，r为石墨内桶的半 径。施加在金属液上的平均剪切速率由下式(7)计算：实验时，将AlSi6Mg2铝合金在外桶中加热熔化，并在700C保温60min后,将石 墨内桶插入合金溶液内，调整石墨内桶的高度，然后使搅拌合金和炉膛以4C/s的 冷却速率降温， 在降温过程中不对合金进行任何搅拌；当合金温度下降到预定温 度(即预定的固相分数)时,再保温30min,然后以某一剪切速率搅拌合金熔体，同 时运行数据采集程序， 进行数据采集。使用Couette型流变仪对半固态AlSi6Mg2合金的稳态流变行为进行了研究， 得到如下结论:(1) 半固态AlSi6Mg2合金的稳态表观粘度随着固相分数的增加而增加，并且 当固相分数达到某一临界值之后表观粘度迅速增加.(2) 半固态A1Si6Mg2合金的稳态表观粘度随着剪切速率的增大而减小，并且 随着剪切速率的增加，表观粘度急剧增加所对应的临界固相分数也随着增加。综合以上方法，可以知道直接测量半固态浆料流动的方法，目前只能用浇注 螺旋式样测长度的方法。由于浆料的流动性主要受浆料的表观粘度的影响，所以 我们可以通过测半固态浆料的表观粘度来预测浆料的流动性。至于测半固态浆料 的粘度可以借鉴北京交通大学自行设计半固态合金智能流变仪和北京科技大学 用的Coue tte型流变仪进行测量。