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“节能减排”促进半固态加工技术发展(二)

浏览:157 发表时间:2020-04-29 10:32:35

对几种工艺方法节材的评价

  1 压力铸造工艺技术

  压力铸造工艺主要指压力补缩的特种工艺,如压力铸造、低压铸造、挤压铸造等。其材料质量利用率均在40%~70%范围内。但其材料性能利用率不高。由于靠液态充填,完成尺寸、形状的成形,后靠凝固定形。凝固存在3大缺陷:①液态金属热量的输出,靠模具导热。导热存在方向,其形核和长大亦存在方向性,故其形成枝晶不可避免;②凝固即收缩,易产生缩孔和缩松缺陷;③高熔点物质先凝固,低熔点物质后凝固,易产生成分和组织偏析。基于这些,铸造后的材料性能,很难达到材料本身应具有的性能。虽然,衍生出了多种特种铸造工艺,也只能使晶粒细小,枝晶程度弱化,消除缩孔和缩松等。但枝晶组织很难消除,甚至无法消除。

  2 锻造工艺技术

  锻造工艺是以铸坯为加工对象,进行塑性加工,使其坯料中枝晶组织获得破碎,然后经再结晶、加工成变形组织的过程。通常称之为第一次塑性加工,其制件可能是棒材、板材和型材。然后,根据产品形状、尺寸需要,进行第二次塑性加工。经第一次塑性加工,材料性能获得大幅度提高,甚至可达到材料本身所具有的性能水平。第二次塑性加工,只是成形,获得所需形状尺寸的锻件。尽管塑性加工,使其材料性能利用率可达到很高水平,但其材料质量利用率却不高,而成形能耗亦高,其机制也在于塑性变形本身。使材料产生塑性变形,必须消耗大量的变形能和采用大吨位锻造设备,这是一。塑性变形实现固态充填,需要耗费大量材料,如锻造飞边,这是二。即所谓“成者塑料变形”——提高材料性能利用率;“败者塑性变形”——增加能耗和材料质量消耗。

  3 半固态加工技术

  半固态加工与铸锻工艺相比具有明显优势。首先,与铸造工艺比,它获得的组织是“无枝晶”的细等轴晶组织。若成形时,有较大的塑性流动,即成形存在枝晶破碎和再结晶过程,其组织有望达到锻造变形组织的水平;若成形时,塑性流动有限,后续半固态浆料中的液相凝固的枝晶组织,未获到很好的破坏,其组织可称为准锻造变形组织。显然,其材料性能利用率大大高于铸造工艺,达到或接近锻造工艺水平。与锻造工艺相比,其材料质量利用率接近铸造工艺,远远高于锻造工艺。其机制缘于半固态材料存在“剪切变稀”的流动效应,充填性高于锻造工艺所致。

  因此,评价一种制造工艺的优势,不仅要看到材料本身的利用率,而且更要看到材料性能的极大发挥,才能实现材料的极大节约。比较3种工艺,显然,半固态加工有着明显的综合优势,表现在成形时,有铸造工艺相近的流动性,而成形后,可热处理,接近或达到锻件的性能水平。

  4 “节能减排”与加工方法选择

  节材首先体现在材料自身的节约,使其成形件在形状和尺寸上,尽量接近零件,减少后续机械加工,或不再加工,这是有形的节能; 其次,制件自身的性能,达到制件材料本身的最佳水平,从而可使零件截面积减小,或者可用较低廉材料(自身性能不高),取代昂贵的优质材料,实现材料的节约,即以消耗较少的资源,达到同一个制造目标。通常是改变设计,使其结构轻型、合理,再就是研制开发新的材料加工的工艺和设备,提高其质量利用率和性能利用率。

  “节能减排”趋势,使人们重新思考现有的和正在研制开发的材料加工方法 。寄希望对现存工艺进行某些变革,如铸造工艺的高速高压成形、精密铸造等,锻造工艺的小飞边或无飞边模锻、局部锻造等。有成效,但也要以增加加工工序或辅助材料的消耗为代价。人们更寄希望于寻求一种新型加工方法,兼有铸造的低成本、锻造的高性能的优异特征,并为“节能减排”所接受。无疑的,半固态加工应是首选,其理由是:①半固态加工,与铸造和锻造加工,乃是一种金属不同状态下的加工,即液态、半固态和固态,同属金属加工链上的3个链,应是一种基本的金属加工,与铸锻一起同在;②半固态加工具有较高的质量利用率(与锻造相比),较高的性能利用率(与铸造相比),具有明显的节材优势。因此,“节能减排”趋势,为半固态加工的研究和应用,构筑了一个坚实的平台。


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