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1、挤压铸造发展趋势挤压铸造发展趋势1半固态半固态A356 铝合金流变挤压铸造铝合金流变挤压铸造工艺工艺 这篇文章主要研究剪切低温浇注式这篇文章主要研究剪切低温浇注式半固态浆料制备工艺，通过在半固态浆半固态浆料制备工艺，通过在半固态浆料的制备阶段对浆料质量（固相的形态、料的制备阶段对浆料质量（固相的形态、尺寸、数量和分布）进行控制，希望得尺寸、数量和分布）进行控制，希望得到可以连续地提供高效、优质和低成本到可以连续地提供高效、优质和低成本的半固态浆料的制浆工艺。的半固态浆料的制浆工艺。2半固态半固态A356 铝合金流变挤压铸铝合金流变挤压铸造工艺造工艺一、试验材料一、试验材料 试试验验以以ZL10
2、1 铸铸造造铝铝合合金金和和工工业业纯纯铝铝为为原原料料, 在在613 kW 电电阻阻式式加加热热炉炉内内进进行行合合金金熔熔炼炼,获获得得A356 合合金金, 其其化化学成分见表学成分见表1 。表表1 试验用试验用A356 铝合金的化学成分铝合金的化学成分% 该合金的液相线温度为该合金的液相线温度为614, 固相线温度为固相线温度为572 。3二、实验方法二、实验方法1.制浆工艺制浆工艺 剪切低温浇注式半固态浆料制备工艺剪切低温浇注式半固态浆料制备工艺(LSPSF)，主要，主要工艺流程见图工艺流程见图1。图图1 LSPSF 制浆工艺流程制浆工艺流程半固态半固态A356 铝合金流变挤压铸铝合金
3、流变挤压铸造工艺造工艺4半固态半固态A356 铝合金流变挤压铸铝合金流变挤压铸造工艺造工艺2.流变挤压铸造工艺流程流变挤压铸造工艺流程 试验利用剪切低温浇注式半固态制浆设备，将制备好试验利用剪切低温浇注式半固态制浆设备，将制备好的半固态浆料浇入模具型腔进行挤压铸造成形，工艺流程的半固态浆料浇入模具型腔进行挤压铸造成形，工艺流程见图见图2 。图图2 流变挤压铸造工艺流程流变挤压铸造工艺流程5半固态半固态A356 铝合金流变挤压铸铝合金流变挤压铸造工艺造工艺 挤压铸件尺寸见图挤压铸件尺寸见图3 ,铸件下段带有锥度铸件下段带有锥度,试验模具为凹试验模具为凹模下推式活塞推结构模下推式活塞推结构。图图3
4、 零件图零件图6半固态半固态A356 铝合金流变挤压铸铝合金流变挤压铸造工艺造工艺 从浇注到加压时间间隔不超过从浇注到加压时间间隔不超过3 s ,以避免金属液在加压以避免金属液在加压前发生凝固。前发生凝固。三、试验结果与讨论三、试验结果与讨论 图图4 半固态铝合金半固态铝合金A356 的微观组织形貌的微观组织形貌7半固态半固态A356 铝合金流变挤压铸铝合金流变挤压铸造工艺造工艺(a) 成形件实物图成形件实物图 (b) 侧部显微组织侧部显微组织 (c) 中部显微组织中部显微组织 (d) 底部显微组底部显微组织织图图5 成形件实物图及显微组织图成形件实物图及显微组织图8挤压铸造挤压铸造AZ81E
5、镁合金固溶处理后镁合金固溶处理后的组织和性能的组织和性能 在在铸铸造造镁镁合合金金组组织织-Mg 晶晶界界处处分分布布有有连连续续网网状状的的Mg17Al12铝铝镁镁金金属属间间化化合合物物（相相），会会在在变变形形过过程程中中破破裂裂形形成成裂裂纹纹源源，固固溶溶处处理理可可以以消消除除偏偏析析,将将第第二二相相溶溶入入基基体体，改改善善合合金金的的显显微微组组织织，提提高高合合金金的的力力学学性性能。能。9挤压铸造挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理镁合金固溶处理后的组织和性能后的组织和性能一一 、试样制备与实验方法、试样制备与实验方法 试样材料为市售试样材料为市售AZ81E 镁合金镁合金,
6、其化学成分见表其化学成分见表2 。表表2 试验用试验用A356 铝合金的化学成分铝合金的化学成分% 采用采用DH XV350CL-T型卧室挤压铸造机制备试样。型卧室挤压铸造机制备试样。 采用采用ASTM（B557M）标准和差示扫描量热法测定镁合）标准和差示扫描量热法测定镁合金的金的DTA曲线（如图曲线（如图6）。）。10挤压铸造挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理镁合金固溶处理后的组织和性能后的组织和性能图图6 挤压铸造挤压铸造AZ81E 镁合金的镁合金的DTA 曲线曲线11挤压铸造挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理镁合金固溶处理后的组织和性能后的组织和性能二、试验结果与讨论二、试验结果与讨论1.固
7、溶处理对显微组织的影响固溶处理对显微组织的影响 ( a) 铸态铸态 ( b) 380 ( c) 400 ( d) 420图图7 铸态及不同温度固溶铸态及不同温度固溶8 h 后后AZ81E 镁合金的显微组织镁合金的显微组织12挤压铸造挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理镁合金固溶处理后的组织和性能后的组织和性能 ( a) 2 h ( b) 8 h ( c) 12 h ( d) 16 h图图8 400固溶不同时间后固溶不同时间后AZ81E 镁合金的镁合金的SEM形貌形貌13挤压铸造挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理镁合金固溶处理后的组织和性能后的组织和性能 ( a) 2 h ( b) 8 h 图图9 4
8、00固溶不同时间后固溶不同时间后AZ81E镁合金的镁合金的XRD 谱谱14挤压铸造挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理镁合金固溶处理后的组织和性能后的组织和性能2.固溶处理对力学性能的影响固溶处理对力学性能的影响图图10 合金在不同温度固溶后硬度与时间的关系合金在不同温度固溶后硬度与时间的关系 15挤压铸造挤压铸造AZ81E镁合金固溶处理镁合金固溶处理后的组织和性能后的组织和性能图图11 铸态及铸态及400固溶不同时间后固溶不同时间后AZ81E 镁合金的室温拉伸性能镁合金的室温拉伸性能16半固态挤压铸造镁合金坯料组织与半固态挤压铸造镁合金坯料组织与性能研究性能研究 这篇文章采用双螺杆机械搅拌法制备
9、半这篇文章采用双螺杆机械搅拌法制备半固态镁合金浆料，尔后经挤压铸造制备半固态镁合金浆料，尔后经挤压铸造制备半固态坯料。考虑到挤压成形过程中各处压固态坯料。考虑到挤压成形过程中各处压力传递的不均匀性，考察了坯料不同部位力传递的不均匀性，考察了坯料不同部位的组织、密度和硬度，并与液态挤压铸造的组织、密度和硬度，并与液态挤压铸造试样的组织与性能进行了比较。试样的组织与性能进行了比较。17半固态挤压铸造镁合金坯料组织半固态挤压铸造镁合金坯料组织与性能研究与性能研究一、试验材料及方法一、试验材料及方法1.试验材料试验材料 试验中选择试验中选择AZ91D 合金，其合金成分见表合金，其合金成分见表3。其液相
10、。其液相线温度为线温度为595，固相线温度为，固相线温度为468。表表3 AZ91D 镁合金的化学成分镁合金的化学成分%2.试验过程试验过程 试棒尺寸为直径试棒尺寸为直径50 mm、高度约、高度约120 mm。镁合金挤。镁合金挤压成形时料筒预热温度为压成形时料筒预热温度为250 300。18半固态挤压铸造镁合金坯料组织半固态挤压铸造镁合金坯料组织与性能研究与性能研究三、试验结果与讨论三、试验结果与讨论 ( a ) 上部边缘上部边缘 ( b ) 上部中心上部中心 ( c ) 中部边缘中部边缘 ( d ) 中部中心中部中心图图12 镁合金液态挤压成形显微组织镁合金液态挤压成形显微组织19半固态挤压
11、铸造镁合金坯料组织半固态挤压铸造镁合金坯料组织与性能研究与性能研究 ( a ) 上部边缘上部边缘 ( b ) 上部中心上部中心 ( c ) 中部边缘中部边缘 ( d ) 中部中心中部中心图图13 镁合金半固态流变挤压成形显微组织镁合金半固态流变挤压成形显微组织20半固态挤压铸造镁合金坯料组织半固态挤压铸造镁合金坯料组织与性能研究与性能研究 ( a) 密度密度 ( b) 硬度硬度图图14 不同铸造工艺条件下不同铸造工艺条件下AZ91D 镁合金试样的密度与硬度镁合金试样的密度与硬度A. 镁合金锭镁合金锭 B. 液态挤压铸造成形液态挤压铸造成形 C. 半固态挤压铸造成形半固态挤压铸造成形21基于基于
12、FDM/FEM的镁合金挤压铸造温的镁合金挤压铸造温度场数值模拟度场数值模拟 到目前为止，国内常见的温度场到目前为止，国内常见的温度场/应力应力场计算过程通常是一个单向过程，即没有场计算过程通常是一个单向过程，即没有考虑应力场对温度场计算的影响。为实现考虑应力场对温度场计算的影响。为实现对镁合金挤压铸造温度场变化过程的数值对镁合金挤压铸造温度场变化过程的数值模拟，考虑应力场对温度场计算的影响，模拟，考虑应力场对温度场计算的影响，并解决有限元网格剖分困难的问题，建立并解决有限元网格剖分困难的问题，建立了一种新的了一种新的FDM/FEM计算模型。计算模型。22基于基于FDM/FEM的镁合金挤压铸的镁
13、合金挤压铸造温度场数值模拟造温度场数值模拟一、传热模型及其求解一、传热模型及其求解1.数学模型数学模型 挤压铸造中，铸件的凝固传热属于有内热源的瞬态传热挤压铸造中，铸件的凝固传热属于有内热源的瞬态传热问题，对于挤压铸件凝固过程中的潜热释放，本文采用等问题，对于挤压铸件凝固过程中的潜热释放，本文采用等效比热法进行处理，经过推导其控制方程为：效比热法进行处理，经过推导其控制方程为： （1） 其中：其中： 23基于基于FDM/FEM的镁合金挤压铸的镁合金挤压铸造温度场数值模拟造温度场数值模拟2.传热模型的有限差分（传热模型的有限差分（FDM）求解）求解 这这篇篇文文章章以以式式（1）为为基基础础，根
14、根据据交交替替隐隐式式算算法法（ADI），提提出出了了一一种种新新的的高高阶阶紧紧致致的的三三维维导导热热偏偏微微分分方方程程有有限限差差分分格格式式，其其空空间间为为四四阶阶计计算算精精度度、时时间间为为二二阶阶计计算精度，且为无条件稳定。算精度，且为无条件稳定。 新高阶导热偏微分方程计算模型：新高阶导热偏微分方程计算模型：24基于基于FDM/FEM的镁合金挤压铸的镁合金挤压铸造温度场数值模拟造温度场数值模拟二、应力模型及求解方法二、应力模型及求解方法 凝固过程中型腔内金属的力学行为十分复杂，在试验中，凝固过程中型腔内金属的力学行为十分复杂，在试验中，采用热粘弹塑性本构模型来描述其力学行为，
15、根据增量原采用热粘弹塑性本构模型来描述其力学行为，根据增量原理采用有限元进行求解，得到应力场的有限元方程：理采用有限元进行求解，得到应力场的有限元方程： KU=Fth+Fin。 （5）25基于基于FDM/FEM的镁合金挤压铸的镁合金挤压铸造温度场数值模拟造温度场数值模拟三、挤压铸造温度场计算模型三、挤压铸造温度场计算模型图图15 挤压铸造温度场计算模型流程图挤压铸造温度场计算模型流程图26基于基于FDM/FEM的镁合金挤压铸的镁合金挤压铸造温度场数值模拟造温度场数值模拟四、模拟结果与分析四、模拟结果与分析实验及数据采集装置，见图实验及数据采集装置，见图16。图图16 实验及数据采集装置实验及数
16、据采集装置 实验铸件为一简单圆柱体实验件，底部直径实验铸件为一简单圆柱体实验件，底部直径102mm，高高80mm，采用，采用Pro/E 构建三维实体模型。铸件材质为镁构建三维实体模型。铸件材质为镁27基于基于FDM/FEM的镁合金挤压铸的镁合金挤压铸造温度场数值模拟造温度场数值模拟 合合金金AM50A，其其在在0MPa时时固固相相线线温温度度为为557 、液液相相线线温温度度为为625.13 。实实验验过过程程包包括括：将将液液态态金金属属浇浇入入压压套套中中，锁锁紧紧模模具具，冲冲头头由由下下向向上上运运动动使使金金属属液液充充满满型型腔腔，并并在在铸铸件件凝凝固固过过程程中中一一直直保保持
17、持压压力力作作用用，铸铸件件完完全全凝凝固固后后，撤撤去去外外压压力力并并顶顶出出铸铸件件。实实验验施施加加的的压压力力为为30，60，90 MPa，浇注温度场为浇注温度场为690 ，铸型和冲头温度均为，铸型和冲头温度均为250 。 施施加加压压力力为为30，60，90 MPa，凝凝固固质质量量分分数数为为15%，55%，75%，95%，100%，数值模拟结果，见表，数值模拟结果，见表4。 表表4 凝固所需时间的数值模拟结果凝固所需时间的数值模拟结果 s28基于基于FDM/FEM的镁合金挤压铸的镁合金挤压铸造温度场数值模拟造温度场数值模拟图图17 温度场数值模拟结果（温度场数值模拟结果（90MPa）29基于基于FDM/FEM的镁合金挤压铸的镁合金挤压铸造温度场数值模拟造温度场数值模拟图图18 铸件中心位置的温度变化（铸件中心位置的温度变化（90MPa）30
