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半固態配件對幾種工藝方法節材的評價

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半固態配件對幾種工藝方法節材的評價

2021-03-05

       1 壓力鑄造工藝技術

  壓力鑄造工藝主要指壓力補縮的特種工藝,如壓力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造等。其材料質量利用率均在40%~70%范圍內。但其材料性能利用率不高。由于靠液態充填,完成尺寸、形狀的成形,后靠凝固定形。凝固存在3大缺陷:

       ①液態金屬熱量的輸出,靠模具導熱。導熱存在方向,其形核和長大亦存在方向性,故其形成枝晶不可避免;

       ②凝固即收縮,易產生縮孔和縮松缺陷;

       ③高熔點物質先凝固,低熔點物質后凝固,易產生成分和組織偏析。

       基于這些,鑄造后的材料性能,很難達到材料本身應具有的性能。雖然,衍生出了多種特種鑄造工藝,也只能使晶粒細小,枝晶程度弱化,消除縮孔和縮松等。但枝晶組織很難消除,甚至無法消除。

       2 鍛造工藝技術

  鍛造工藝是以鑄坯為加工對象,進行塑性加工,使其坯料中枝晶組織獲得破碎,然后經再結晶、加工成變形組織的過程。通常稱之為一次塑性加工,其制件可能是棒材、板材和型材。然后,根據產品形狀、尺寸需要,進行第二次塑性加工。經一次塑性加工,材料性能獲得大幅度提高,甚至可達到材料本身所具有的性能水平。

       第二次塑性加工,只是成形,獲得所需形狀尺寸的鍛件。盡管塑性加工,使其材料性能利用率可達到很高水平,但其材料質量利用率卻不高,而成形能耗亦高,其機制也在于塑性變形本身。使材料產生塑性變形,必須消耗大量的變形能和采用大噸位鍛造設備,這是一。塑性變形實現固態充填,需要耗費大量材料,如鍛造飛邊,這是二。即所謂“成者塑料變形”——提高材料性能利用率;“敗者塑性變形”——增加能耗和材料質量消耗。


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       3 半固態加工技術

  半固態加工與鑄鍛工藝相比具有明顯優勢。首先,與鑄造工藝比,它獲得的組織是“無枝晶”的細等軸晶組織。若成形時,有較大的塑性流動,即成形存在枝晶破碎和再結晶過程,其組織有望達到鍛造變形組織的水平;若成形時,塑性流動有限,后續半固態漿料中的液相凝固的枝晶組織,未獲到很好的破壞,其組織可稱為準鍛造變形組織。

       顯然,其材料性能利用率大大高于鑄造工藝,達到或接近鍛造工藝水平。與鍛造工藝相比,其材料質量利用率接近鑄造工藝,遠遠高于鍛造工藝。其機制緣于半固態材料存在“剪切變稀”的流動效應,充填性高于鍛造工藝所致。

  因此,評價一種制造工藝的優勢,不僅要看到材料本身的利用率,而且更要看到材料性能的極大發揮,才能實現材料的極大節約。比較3種工藝,顯然,半固態加工有著明顯的綜合優勢,表現在成形時,有鑄造工藝相近的流動性,而成形后,可熱處理,接近或達到鍛件的性能水平。

       4 “節能減排”與加工方法選擇

  節材首先體現在材料自身的節約,使其成形件在形狀和尺寸上,盡量接近零件,減少后續機械加工,或不再加工,這是有形的節能;其次,制件自身的性能,達到制件材料本身的水平,從而可使零件截面積減小,或者可用較低廉材料(自身性能不高),取代昂貴的優質材料,實現材料的節約,即以消耗較少的資源,達到同一個制造目標。通常是改變設計,使其結構輕型、合理,再就是研制開發新的材料加工的工藝和設備,提高其質量利用率和性能利用率。

  “節能減排”趨勢,使人們重新思考現有的和正在研制開發的材料加工方法 。寄希望對現存工藝進行某些變革,如鑄造工藝的高速高壓成形、精密鑄造等,鍛造工藝的小飛邊或無飛邊模鍛、局部鍛造等。有成效,但也要以增加加工工序或輔助材料的消耗為代價。人們更寄希望于尋求一種新型加工方法,兼有鑄造的低成本、鍛造的高性能的優異特征,并為“節能減排”所接受。無疑的,半固態加工應是比較好的選擇,其理由是:

       ①半固態配件加工,與鑄造和鍛造加工,乃是一種金屬不同狀態下的加工,即液態、半固態和固態,同屬金屬加工鏈上的3個鏈,應是一種基本的金屬加工,與鑄鍛一起同在;

       ②半固態配件加工具有較高的質量利用率(與鍛造相比),較高的性能利用率(與鑄造相比),具有明顯的節材優勢。因此,“節能減排”趨勢,為半固態配件加工的研究和應用,構筑了一個堅實的平臺。

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