液态模锻件的非均质现象及均质化条件研究

Homogenization in chemical composition and microstructure is an essential requirement in the manufacturing field，but the heterogeneity phenomina in chemical composition or microstructure are often seen in the melted metal die forging. Especially in the pressing casting processes such as squeeze casting, die casting and lower pressure casting,the heterogeneity becomes heavier than that in the traditional casting process because of the additional pressure and the strong rheologic behaviours(flowing and deformation).In the project,taking Fe-C alloy and Al-Si alloy for examples,the main tasks are firstly to explore the forming mechanism of the heterogeneity in chemical composition and the microstructure ；secondly to set up the relationship between the heterogeneity and the processing perameters,the geometric characteristics and materals characteristics; and finally to find out the control conditions to obtain homogenization components.There are four innovations in the project,the first one is to select the ferrous alloy as the objects of the study ;the second is to explore heterogeneity machanism by sumarring the solidification , heat transfering and the rheological behaviors;the third is ot obtain the homogenization condition considering the geometry of the compnents and process parameters;the fourth is to use a multifunctional die to create varous kinds of the squeeze casting process such as directly,indirectly and partly pressing.

均质化是零件成形制造领域的一个基本要求，而非固态体积成形零件又都存在一定的组织、成分和性能的不均质现象。在液态模锻（即挤压铸造）、压铸、低压铸造等加压铸造成形的零件中，这种不均质现象会因压力和流变作用而更加明显和复杂。本项目以铁碳合金和铝硅合金的液态模锻为对象，揭示加压铸造条件下非均质现象的形成机理，探明加压模式、工艺参数和零件几何特征与非均质程度之间的相关关系，最终建立起综合考虑工件几何特征、加压模式、工艺参数和材质特征的均质化条件，对非均质现象进行有效控制,为实现零件的均质化、近净形、绿色铸造提供理论根据。项目的主要创新点是：以钢铁合金液锻为研究对象；将金属熔体的加压流变和传热凝固进行耦合来研究非均质现象的形成机理；基于综合考虑零件的几何特征、材料特性、加压模式和工艺参数的非均质控制模型来研究均质化条件；采用一个多功能模具来进行直接、间接和局部加压多种形式的液态模锻成形试验。

项目设计制造了一套具有上加压、下加压、直接液锻、间接液锻的多功能实验模具，采用试验和计算机模拟相结合的路线，研究了液态模锻件的非均质现象及其均质化条件，取得了如下主要成果：.1..提出了液态模锻的流变与凝固耦合的偏析机理：金属熔体的凝固、流动与凝固壳的变形耦合是偏析形成的根本因素，流变造成溶质的宏观输送和转移，决定了偏析的类型；凝固行为决定界面溶质再分配的程度。据此，进一步建立起了液态模锻成分偏析程度预测和控制的理论模型，可以定量预测偏析比和偏析性质；.2..揭示了轮形液锻件的偏析规律：（1）液锻件的宏观偏析形式主要为反常偏析。无论直接液锻区（轮毂）还是间接液锻区（轮缘），最早凝固位置（激冷区）的溶质含量均大于最后凝固的热节位置。（2） 液态模锻轮形件组织、成分和性能的非均质程度最小，低压铸造较高，铸旋（低压铸造+旋压）成形的轮毂最严重；.3..证实了液态模锻件的偏析具有明显的区域效应。在间接液态模锻热节区域内各溶质元素(k0<1)均为负偏析，而激冷区域为正偏析;在直接液态模锻热节区域内各元素也表现出负偏析，其激冷区为正偏析。在不同区域，对偏析程度影响最显著的因素也不同。热节区的显著影响因素是冷却速度，而激冷区的显著影响因素是挤压压力与冷却速度的交互作用；添加稀土金属铒，可以改变直接液锻区内热节区与激冷区的偏析性质和偏析程度。.4..发现了液态模锻件偏析的流程效应：在开放式流动中，合金元素沿程发生变化，其变化规律与过热度关系密切。过热度较大时，随着流程长度的变化，k0<1的合金元素含量先降后增，始末端均为正偏析，而流程的绝大部分范围内，均表现为负偏析；低过热度时，则在整个流程长度方向上k0<1的溶质均为负偏析，而且质量分数随流程长度增加而逐渐降低。在限阻式流程时， 无论过热度大小，随着流动长度的增大，溶质元素含量变化都比开放式流程小。.5..探明了液锻工艺参数对偏析程度的影响规律。间接液锻的偏析程度主要受控于冷却速度、浇注温度和挤压压力，而直接液锻则主要受控于冷却速度以及挤压压力和挤压速度的交互作用；激冷区的偏析程度随着挤压压力的提高而减小，但热节区的偏析程度则随挤压压力的提高而加重。.6..得到了促进液锻件均质化的条件是：（1）多点加压，促进同时凝固；（2）尽量实现低压高速或高压低速液锻；（3）降低过热度、提高模具冷却能力；（4）尽量实现限阻式充型。