半固态金属铸造的新进展——注射成形

为 380 cm/ s。 表 1 几种半固态金属成形方法的比较
成形方法
成形材料
成形状况
比 较
流变铸造 ( Rheocasting)
分开 制 备 的 半 固态金属浆料
恒温 、无剪切
二步法 (需要制 备半 固 态 金 属 浆料)
触变铸造 ( Thixocastin)
部分 重 熔 的 半 固态金属料坯
恒温 、无剪切
二步法 (需要制 备半 固 态 金 属 浆料)
触变注射成形 ( Thixomoulding) 流变注射成形 ( Rheomoulding)
金属粒料 液态金属
加热 、剪切 一步法 冷却 、剪切 一步法
图 1 触变注射成形原理示意图 11 模具 架 21 模 型 31 半 固 态 镁 合 金 累 积 器 41 加 热 器 51 镁粒料斗 61 给料器 71 旋转驱动及注射系统 81 螺旋给 进器 91 筒体 101 单向阀 111 射嘴 其成形过程为 :被制成粒料 、稍料或细块料的镁合金原料从 料斗中加入 ;在螺旋的作用下 ,粒 、稍状镁合金材料被向前推进 并加热至半固态 ;一定量的半固态金属液在螺旋的前端累积 ;最 后在注射缸的作用下 ,半固态金属液被注射入模具内成形 。 该成形方法的主要优点是 :成形温度低 (比镁合金压铸温度 低约 100 ℃) 、制件的气孔隙率较低 (可低于 0. 1 %) 、尺寸精度 高 、重复性好 (制件的质量误差为 ±0. 2 %) 。此方法是目前国外 成功地用于实际生产的唯一的“一步法”半固态金属成形工艺方
molding. Proceedings of the Second International Conference on the Semi2Solid Processings of Alloys and Composites ,1992 (6) :159～169 8 Wang N ,Peng H ,Wang K K. Rheomolding2A One2Step Process for Producing Semi2Solid Metal Castings with Lowest Porosity. Light Metals Proceedings of the 125th TMS Annual Meeting ,feb 1996. 781～786 9 Kono K. Method and Apparatus for Manufacturing Light Metal Alloy. US Patent ,5836372 (Nov. 17 ,1998) .
(1) 半固态金属注射成形 ,将半固态金属浆料的制备、输送、成 形一体化 ,在最短的时间内将半固态金属浆料注射成形 ,较好地解 决了半固态金属浆料的保持输送和成形控制问题 ,工艺简单、成本 低 ,是最有可能实现半固态金属铸造大量工业应用的工艺方法之 一 ,对较低熔点的有色合金(Mg ,Zn ,Pb ,Sn 等) 铸件尤其适宜。
法。
该方法的主要缺点是 :所用原材料为粒料 、稍料或细块料 , 通常需要预加工 ,原材料的成本高 ;机器内螺杆及内衬等构件与 固体粒料直接接触 ,材料的磨损严重 、使用寿命短 ,加之半固态 金属的工作温度较高 ,故在较高工作温度下构件材料的耐磨性 、 耐蚀性问题一直使用户感到头痛 。
X 樊自田 ,男 ,1962 年出生 ,副教授 ,博士 ,华中科技大学材料科学与工程学院 ,武汉武昌关山口 (430074) ,电话 :027 - 87543876 收稿日期 :2000 - 09 - 01 修回日期 :2000 - 11 - 01
中图分类号 :TG249. 9 文献标识码 :B 文章编号 :1001 - 2449( 2001) 02 - 0022 - 02
1 概 述
根据工艺流程的不同 ,半固态金属铸造通常分为流变铸造 (Rheocasting) 和触变铸造 (Thixocasting) 两类 。
虽然流变铸造的工艺更简单 、能耗更低 (不需二次加热) 、铸 件的成本也更低 ,但由于流变铸造中半固态金属浆料的保持及 输送的要求严格而困难 ,流变铸造的实际应用较少 。目前 ,国内 外工业应用的半固态金属铸造主要是指触变铸造 ,但由于触变 铸造首先需要生产半固态金属坯料 ,成本高 (坯料的成本占零件 的成本约 50 %) ,二次加热能耗大 ,工艺过程较复杂 ,加之具有触 变性能的金属材料种类不多 。因此 ,半固态金属铸造的工业应 用受到不少的限制[1～4] 。
参 考 文 献
1 蒋鹏. 半固态成形在工业中的应用现状与前景. 模具技术 ,1998(5) :15～23 2 苏华钦 ,朱鸣芳 ,高志强. 半固态铸造的现状与发展前景. 特种铸造及
有色合金 ,1998 (5) :1～6 3 毛卫民 ,钟雪友. 半固态金属成形应用的新进展与前景展望. 特种铸造
专题论述
特种铸造及有色合金 2001 年第 2 期
半固态金属铸造的新进展 ———注射成形
华 中 科 技 大 学 樊自田 X 黄乃瑜 罗吉荣 吴树森
摘 要 介绍了半固态金属铸造的最新发展趋势 ———注射成形 ,它将塑料的注射成形原理应用于半固态金属铸造中 ,集
半固态金属浆料的制备 、输送 、成形等过程于一体 ,较好地解决了半固态金属浆料的保存输送和成形控制等问题 。通过简 述几种半固态金属注射成形工艺方法的原理及特点 ,试图展示半固态金属铸造技术工程应用的关键及发展方向 。 关键词 : 半固态金属成形 流变铸造 触变铸造 注射成形
图 3 Kono Kaname 的流变注射成形原理图 11 加热元件 21 球阀 31 搅拌器 Ⅰ 41 金属液给料器 51 加 热元件 61 搅拌器 Ⅱ 71 筒体 81 加热元件 91 活塞 101 加 热元件 111 缸体 121 密封圈 131 半固态金属累积室
3 讨 论
(2) 温度变化对半固态金属浆料成形有极大的影响 ,成形过 程中温度的严格准确控制[ ±(1～2) ℃]是实现半固态金属流变 铸造工业应用的另一关键 ,为此必须研究开发高精度的温控系 统和装置 。
(3) 半固态金属的注射成形装备 ,需要采用高温下有良好的耐 磨、耐蚀性能的构件材料 ,因此 ,开发和研究新型耐温、耐磨、耐蚀的 构件材料 ,是实现半固态金属流变铸造工业应用的基本保障。
总之 ,流变注射成形技术的优势是 : 金属以液态供料 ,原材 料可以是锭 、棒 、回炉料等 ,它节省了材料的预处理时间和成本 ; 液态金属中的气体析出容易 (特别是成形机垂直或倾斜安装 时) ,故可获得低孔隙率 、高密度的制件 “; 一步法”成形 ,过程简 单 ,易于自动化 。
图 2 K. K. Wang 的流变注射成形机原理图 11 金属液输入管 21 保温炉 31 螺杆 41 筒体 51 冷却管 61 绝热管 71 加热线圈 81 半固态金属累积区 91 绝热层 101 注射嘴 111 加热线圈 121 单向阀 流变注射成形的工作原理是 :液态金属依靠重力从熔化及 保温炉中进入搅拌筒体 ,然后在螺旋的搅拌作用下 (螺旋没有向 下的推进压力) 冷却至半固态 ,积累至一定量的半固态金属液 后 ,由注射装置注射成形 。上述过程全在保护气体下进行 。 温度控制精度是半固态金属成形的关键因素之一 ,该设备 的温度控制精度可高达 ±(0. 5～1) ℃,半固态金属的固相率为 0. 3 %～0. 5 %。测试表明 ,对 Sn215 %Pb 的半固态金属浆料 ,在 剪切速度为 200 s- 1下 ,注射的流动速度达 1. 128 ×104 m3/ s。 上述方法的不足之处是 :注射设备的材料的性能要求较高 (高温下的耐磨 、耐蚀性能等) ,设备的生产循环也存在某些问 题 ;且由于搅拌螺旋没有类似于泵的推进作用 ,故设备必须垂直 安装 ;另外 ,由单螺旋搅拌产生的剪切速率不高 。 Kono Kaname[9]也发明了一种半固态金属注射成形系统 (如 图 3 所示) 。其工作过程是 :金属液被送入给料器内保温搅拌 ;
of Semi2Solid Metals. US Patent ,5501266 (Mar. 26 ,1996) 6 Carnahan R D. Influence of Solid Fraction on the Shrinkage and Physical Prop2
erties of Thixomolded Mg Alloys. Die Casting Engineer ,1996 (5/ 6) :54～59 7 Pasternak L. Semi2Solid Production Processing of Magnesium Alloys by Thixo2
2 几种半固态金属注射成形方法的原理及特点
半固态金属铸造成形与半固态金属注射成形的主要区别如 表 1 所示[5] 。就工艺过程而言 ,前者通常需要先制得半固态金 属浆料或坯料后再成形 (二步法) ,而后者是将半固态金属浆料 的制备及成形连续完成 (一步法) 。
2. 1 触变注射成形
由美国 Thixomat 公司提出的半固态金属触变注射成形工艺 (Thixomoulding) ,采用了塑料注射成形的方法和原理 ,其结构如 图 1 所示[3 ,4 ,6 ,7] ,它由给料器 、驱动及注射系统 、螺旋 、加热器 、半 固态金属累积器 、射嘴等组成 。目前该设备系统主要用于镁合 金零件的半固态注射成形 ,通过加热剪切镁合金的粒料或稍料 可变成含固相率在 60 %以上的半固态浆料 ,系统通过温控装置 使机筒内的温度控制在 (560～590 ±2) ℃,剪切螺旋的平移速度
及有色合金 ,1998 (6) :33～36 4 吴炳尧. 半固态金属铸造工艺的研究现状及发展前景. 铸造 ,1999 (3) :
45～52 5 Wang K K. Peng H ,Wang N et al . Method and Apparatus for Injection Molding
22ห้องสมุดไป่ตู้
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半固态金属铸造的新进展 ———注射成形
2. 2 流变注射成形
美国 Conell 大学的 K. K. Wang 等[5] ,首先将半固态金属流变 铸造 (SSM2Rheocasting) 与塑料注射成形 ( Injection2Moulding) 结合起 来 ,形成了一种称之为“流变注射成形”( Rheomoulding) 的半固态 金属成形新工艺 ,所发明的流变注射成形机 ( Rheomoulding Ma2 chine) 的结构原理如图 2 所示[5 ,8] 。
开启给料阀时 ,金属液被送入筒体内搅拌器的作用下推进并冷 却至半固态 ;球阀有选择地开闭 ,使半固态金属浆料在累积室内 积累 ;一定量后 ,由液压缸体完成零件的注射成形 。对于半固态 Mg 合金 ,其控制温度为 (550～580 ±1) ℃(沿筒体方向呈温度梯 度) 。
它与 K. K. Wang 专利的主要区别在于 :采用叶片式搅拌装置 (搅拌叶片具有类似于泵的推进作用) ,搅拌筒体的前端为半固 态浆料累积室 ,并在筒体与半固态浆料累积室之间设有一球形 控制阀 。该控制阀有选择地打开和关闭 ,可以适应或调节搅拌 筒体与半固态浆料累积室之间的压力变化 。但设备的构造材料 的性能要求仍然较高 ,叶片搅拌产生的剪切速率也不高 。
近年来 ,世界各国的研究人员们在研究新的半固态金属铸 造工艺技术时 ,将塑料的注射成形原理 ,应用于半固态金属铸造 工艺中 ,形成了流变注射成形 ( Rheomoulding) 和触变注射成 形 (Thixomoulding) 新工艺 ,它们集半固态金属浆料的制备 、输送 、成 形等过程于一体 ,较好地解决了半固态金属浆料的保存输送 、成 形控制困难等问题 ,使得半固态金属铸造技术的大量工业应用 出现了光明的前景 。