备受关注的铝、锌合金挤压成形技术

HEATS

    在国际压铸会议上，有关锌、铝合金压铸问题的学术论文数量仅次于镁合金，说明锌、铝合金压铸仍然是压铸合金的一大主流。但是，与前两届压铸国际会议相比，挤压（液、固态）铸造、半固态挤压铸造等技术更受重视，大部分论文与这两项技术有关，而单纯的对普通高压铸造技术问题的研究，寥寥无几。这可能与高压铸造技术日趋成熟，已成为一种成形的工艺等因素有关。
    有关铝合金高压铸造工艺方面的文章，仅有瑞士布勒公司的Leo Iten 宣读的“生产未来轻型汽车的铸造工艺”。这篇论文针对未来轻型汽车对构件的塑性、可焊性和表面质量要求的提高，需要采用真空压铸的特点，介绍了布勒公司的铝合金真空压铸工艺。采用这种工艺压铸的铝合金件，具有可焊接、可进行热处理的特点，铸件的延伸率和表面质量随着真空度的提高而提高，完全可以满足未来轻型汽车的要求，并具备操作简单、经济、灵活等优点。可以说，通过这种铸造工艺让我们看到了高压铸造广阔的发展前景。
    继半固态挤压铸造技术作为“第二届中国国际压铸会议”重点交流的内容后，又成为本届国际压铸会议的重点交流内容。清华大学的唐靖林先生对半固态合金瞬态流变行为及其初生相动力学演化进行了研究，采用瞬态流变试验设备，对A356合金瞬时切变速率进行了测试，得到了剪切力与时间的回归关系式，比较理想地描述了剪切速率阶梯变化时，半固态A356合金不同初生a相形态的瞬态流变行为。作者引入了形态参数来表征某一状态下初生a相的形态特征，揭示出液固温区A356合金初生形态的动力学演化模型，以此推导出液固温区A356合金瞬态流变分析模型。这些研究成果对深入认识铝合金半固态挤压过程中的流变行为具有指导意义。
    北方交通大学的邢书明先生针对影响半固态产品性能和废品率的重要因素—充型能力进行了实验研究，系统地实验了加热工艺参数对充型能力的影响，分析了半固态坯料的挤压充型特点。实验结果表明，半固态合金的压力充型能力受充型过程的压力损失、温度损失及半固态合金自身的性质控制。在此基础上，作者建立了半固态合金充型能力的定量预测表达式，为确定合理的半固态挤压成形工艺参数提供了依据。
    半固态坯料二次加热是半固态加工技术的关键工序，其目的是球化枝晶组织，获得半固态浆料，这也是获得高性能半固态挤压制件的关键之一。为了获得均匀的半固态浆料，二次加热时需要精确控制坯料的温度和分布均匀性。然而，受加热方式的限制，获得温度精确、分布均匀的二次加热坯料，尚存在许多问题。为此，上海大学的许珞萍女士开展了非枝晶Al-Si-Mg合金感应加热温度场的研究。这项研究是在感应加热的基础上，利用温度场数值模拟和温度场实测，研究加热电流频率、试样形状和尺寸等对加热温度场的影响。结果表明，加热电流频率越大，加热越快，但温度分布越不均匀，加热电流频率最好选在中频范围内（640~1000Hz）；试样横截面越小，加热速度越快，温度分布越均匀，但加热效率越低；试样高度减小，加热速度越快，但温差先小后大。因此，试样尺寸和形状最好与线圈相当或相似。这项研究的意义在于为制定合理的半固态二次加热工艺提供了依据。
    太原重型机械学院的游晓红女士以ZA27合金为研究对象，系统地研究了半固态挤压前后合金的微观组织特征。研究发现，与普通铸态相比，半固态ZA27合金在二次加热后，蔷薇状的a相分离球化，尺寸变得明显细化，近球形的a相长大，边缘变得光滑园整，利于挤压成形；挤压变形过程中产生的动态再结晶，能够得到更为均匀细小的组织，更利于挤压变形的进行；此外，文中还提出了适宜半固态ZA27合金的二次加热温度应该在390~425°C之间。
    西安仪表厂的潘宪曾先生围绕着半固态冶金和缺陷等问题展开了分析工作。着重讨论了半固态棒材所需要的组织、短坯的重新加热等问题，并对产生氧化皮、共晶偏析、硅晶体集聚和显微缩松等缺陷的原因进行了分析。作者指出，为了保证形成半固态所需要的组织，应合理设置搅拌工艺，否则将产生不良的组织形态，从而引起缺陷的产生；二次加热时，为了获得所需的液相分数，又要保证得到的细枝晶碎片粗化成球状，应注意固相形状系数的大小。根据试验结果，固相形状系数小于5时，细枝晶碎片能快速发育成半固态所需要的球状结构。此外，半固态缺陷的产生与搅拌和二次加热工艺有关，合理地控制这些工艺参数可防止缺陷的产生。
    液态挤压工艺参数是影响挤压合金铸件组织结构和力学性能的重要因素，开展相应的理论研究工作十分必要。为此，沈阳工业大学的李荣德先生，从理论上对挤压工艺参数与挤压过程的关系进行了研究。研究时，首先假设凝固层增厚是已有晶核生长的结果，微小区域包含固液两相区；所研究的区域内宏观凝固界面是始终以平面形式向液相区推进。在此基础上推导了挤压铸件局部凝固时间与凝固层厚度的关系，保压时间与凝固时间的关系，最终得到了挤压工艺参数、铸件参数、凝固热力学与动力学条件之间的关系。另外，沈阳工业大学的于海朋先生，针对液态挤压ZA43合金不同部位宏观及微观组织不同的问题，通过研究挤压过程中金属的流动及变形特点，从理论上推导计算了挤压过程金属的等效应变和变形速度分布，解释了组织形成的原因。此外，通过理论分析，作者提出增加固相率的均匀性，可改变金属变形速度和等效应变分布，使挤压合金获得均匀的组织，而具体措施是适当提高模温和坯料的纵向温度梯度。上述研究丰富了挤压理论，为实际生产中确定合理的挤压铸造工艺参数提供了依据。
    武汉科技大学的罗继相先生，也对间接立式液态挤压铸造液流充型特性进行了研究。通过分析液流的充填特性和充填过程中的压力变化，探讨了液流流速、液流压力对制件质量的影响。结果表明，液流充填型腔将出现喷射阶段、压力流阶段和补缩阶段及相应的流动方式；喷射流充填的部位比有压力流充填的部位表面质量好，如果在相同的时间内金属液充填完毕，则压力流成形的制件比喷射流形成的制件内部缺陷少；压力流可使晶粒细化；液流的流动压力可保证制件成形，流体动压力可使制件轮廓更清晰、表面光洁、尺寸精确，静压力可对内浇道附近的金属液凝固收缩进行强制补缩。这项研究有利于指导制定改善液态挤压铸件内在质量的工艺方案。
    此外，日本UBE公司的内田正志先生通过对比各种挤压、压铸工艺生产的铸件性能参数，对UBE公司的挤压工艺进行了优化，并介绍了该公司的半固态挤压铸造的特点。
    近几年，利用压力铸造制备复合材料的技术得到了发展，研究成果不断涌现，为复合材料的制备提供了一条新途径。西北工业大学的齐乐华女士利用液态挤压技术进行了Al2O3/LY12复合材料管、棒材的制备研究。这种新工艺直接将非连续物增强金属基复合材料制备成管、棒等型材类制品，省去了液态模锻法所需的挤压、轧制等二次成形工序。通过对成形后的管材组织和断口分析发现，采用该工艺制备的复合材料型材，增强纤维沿挤压变形方向均匀分布，纤维与基体之间的结合是机械结合，断口呈韧性断裂特征。这说明采用该工艺可制备出高性能的复合材料制件。
    广西大学的曾健民先生采用低压铸造技术制备了碳化硅颗粒增强复合材料。这项研究内容较系统地分析了充型的动力学，模拟了影响充型过程的因素。结果表明，粘度因素的影响大于重力因素，因而熔体充型更平稳，产生的涡流和液面波动小，温度分布的方向性好，便于采用更快的加压速度。这项研究为低压铸造生产复合材料制件提供了指导和借鉴。
    在国际压铸会议上，部分作者介绍了本单位取得成功的压铸设计或生产工艺的经验。广东鸿图科技股份有限公司的严卓荣先生，介绍了该公司生产压铸铝合金整体梯级的成功工艺。东风本田发动机有限公司的李建华也介绍了该公司生产轿车缸体的压铸生产工艺，以及质量管理方法等。