鋼鐵材料及有色合金構(gòu)件的多段半固態(tài)成形工藝研究

湯京軍，龐佳麗，潘成海，唐艷，陳穎，李茜，孟毅

（1.江南工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411100；2.重慶大學(xué)，重慶 400044；3.重慶大江杰信鍛造有限公司，重慶 401321；4.中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039）

半固態(tài)成形技術(shù)由Flemings 和其學(xué)生Spencer 于20 世紀(jì)70 年代在麻省理工學(xué)院發(fā)明[1]。半固態(tài)金屬漿料的流動(dòng)性和粘度可以通過(guò)控制液相的體積分?jǐn)?shù)來(lái)調(diào)節(jié)，因此半固態(tài)成形具有許多優(yōu)點(diǎn)[2]。歐洲和亞洲的研究人員以及工程師對(duì)鋼鐵材料和有色合金的半固態(tài)成形進(jìn)行了大量研究[3—6]，然而，半固態(tài)成形在工業(yè)制造中很難取代傳統(tǒng)的鍛造和鑄造技術(shù)，其主要障礙是半固態(tài)成形制造構(gòu)件的力學(xué)性能不均勻，構(gòu)件的力學(xué)性能不均勻源于半固態(tài)成形過(guò)程中發(fā)生了液相偏析，而液相偏析是由于在成形載荷作用下固相和液相的成形性能不同引起的。

為了抑制半固態(tài)成形構(gòu)件中的液相偏析，研究人員研究了成形參數(shù)對(duì)液相偏析的影響[8—9]。他們發(fā)現(xiàn)在較高的成形溫度下，以較低的成形速度進(jìn)行半固態(tài)成形時(shí)，液相的流出量增加[10]。雖然可以通過(guò)降低成形溫度和提高成形速度來(lái)抑制液相流出，但低成形溫度和高成形載荷會(huì)導(dǎo)致成形載荷增大，并縮短模具和工具壽命。東京大學(xué)和重慶大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了在具有柔性運(yùn)動(dòng)的機(jī)械伺服壓力機(jī)上進(jìn)行多段半固態(tài)成形[11—14]。根據(jù)不同的加熱方式，將半固態(tài)成形分為流變成形和觸變成形兩種。如圖1 所示，多段半固態(tài)成形也可分為多段流變成形和多段觸變成形。這兩種工藝都分為半固態(tài)坯/漿料制備、預(yù)成形、控溫凝固和終成形4 個(gè)階段。對(duì)于熔點(diǎn)較低的有色合金，多段流變成形是最理想的成形方法之一。多段觸變成形因其熔點(diǎn)高而更適合于鋼鐵材料。文中通過(guò)在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上對(duì)SKD11 鋼進(jìn)行多段半固態(tài)觸變壓縮試驗(yàn)，以及在機(jī)械伺服壓力機(jī)上對(duì)6061鋁合金制件進(jìn)行制造，分別驗(yàn)證了多段流變成形和多段觸壓成形在鋼鐵材料和有色金屬部件制造中的可行性，研究了SKD11 鋼和6061 鋁合金在多段半固態(tài)成形過(guò)程中的微觀組織演變，以及多段半固態(tài)成形的工藝參數(shù)對(duì)鋼鐵材料及有色合金構(gòu)件組織均勻性和力學(xué)性能的影響。

圖1 多段半固態(tài)成形和傳統(tǒng)半固態(tài)成形示意圖Fig.1 Illustration of conventional and multi-stage semisolid forming processes

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

選擇SKD11 鋼和6061 鋁合金的工業(yè)軋制棒材作為典型的鋼鐵材料和有色合金。這兩種合金的化學(xué)成分如表1 所示。

表1 SKD11 工具鋼和6061 鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical compositions of commercial SKD11 steel and 6061 aluminum alloy (mass fraction) %

1.2 多段半固態(tài)成形實(shí)驗(yàn)

由于鋼鐵材料觸變成形模具材料昂貴，文中采用多段壓縮試驗(yàn)的方法，對(duì)多段觸變成形進(jìn)行了物理模擬。材料加工的物理模擬是通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行熱加工和機(jī)械加工來(lái)準(zhǔn)確模擬材料在實(shí)際制造或最終使用過(guò)程中的經(jīng)歷。SKD11 工具鋼觸變成形和6061 鋁合金杯型件多段流變成形的物理模擬實(shí)驗(yàn)方案分別如圖2a 和2b 所示。以上實(shí)驗(yàn)分別在熱模擬試驗(yàn)機(jī)和機(jī)械伺服壓力機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。將原軋制棒直接加熱至半固態(tài)溫度區(qū)，得到SKD11 工具鋼半固態(tài)料漿。通過(guò)攪拌凝固過(guò)程中的熔融合金，得到了6061 鋁合金的半固態(tài)坯/漿料。

圖2 物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental schemes of physical simulation

表2 不同半固態(tài)成形工藝的成形參數(shù)Tab.2 Forming parameters of different semisolid forming processes

1.3 力學(xué)性能測(cè)試及微觀組織分析

采用維氏硬度試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和室溫拉伸試驗(yàn)，分別研究了多段觸變成形和多段流變成形制備的SKD11 工具鋼和6061 鋁合金試樣，不同區(qū)域的力學(xué)性能。采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)不同多段半固態(tài)成形工藝制備的SKD11 工具鋼和6061 鋁合金試樣，在不同區(qū)域的不同部位進(jìn)行了顯微組織分析。多段觸變成形制備的SKD11 工具鋼試樣的力學(xué)性能測(cè)量和微觀組織分析位置如圖3b 所示。圖4b 為多段流變法制備的6061 鋁合金杯型件的力學(xué)性能測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)分析位置。分別在Thermecmastor-Z 壓縮試驗(yàn)機(jī)、Shimazu 拉伸試驗(yàn)機(jī)和DUH-211 硬度計(jì)上進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和硬度測(cè)量。在力學(xué)性能測(cè)試中，每個(gè)條件下至少測(cè)試3 個(gè)樣本，并計(jì)算力學(xué)性能測(cè)試值的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼鐵材料的多段半固態(tài)觸變成形

多段觸變成形的SKD11 工具鋼不同區(qū)域的微觀組織掃描電子顯微鏡照片如圖3 所示。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)和多段觸變成形的SKD11 工具鋼的不同區(qū)域進(jìn)行圖像分析和力學(xué)測(cè)量，得到的觸變成形SKD11 鋼試樣中液相分布和力學(xué)性能的分布情況如圖4 所示。由液相轉(zhuǎn)化而來(lái)的共晶化合物主要分布在多段觸變成形SKD11 鋼試樣的邊緣區(qū)域。由于共晶化合物的體積分?jǐn)?shù)較高，在距觸變成形SKD11 鋼試樣中心區(qū)域較遠(yuǎn)的區(qū)域硬度較高，屈服強(qiáng)度較低。利用A 區(qū)和D區(qū)的液相體積分?jǐn)?shù)的差異來(lái)量化觸變成形中發(fā)生的液相偏析。如圖4a 所示，SKD11 鋼在多段觸變成形過(guò)程中發(fā)生的液相偏析要比傳統(tǒng)觸變成形過(guò)程中發(fā)生的液相偏析輕微。多段半固態(tài)觸變成形制造的SKD11 鋼試樣中，由液相和固相轉(zhuǎn)變而來(lái)的共晶化合物和奧氏體晶粒分布更加均勻，導(dǎo)致該試樣的力學(xué)性能分布更加均勻。

圖3 多段觸變成形SKD11 工具鋼試樣不同區(qū)域的微觀組織的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM micrographs of different positions in the multi-stage thixoformed SKD11 tool steel specimens

圖4 多段觸變成形SKD11 鋼試樣中液相分、維氏硬度和拉伸屈服強(qiáng)度Fig.4 Distributions of former liquid fraction,Vickers hardness and tensile yield strength in the multi-stage thixoformed SKD11 tool steel specimens

2.2 鋁合金的多段半固態(tài)流變成形

多段觸變成形的SKD11 工具鋼不同區(qū)域的微觀組織掃描電子顯微鏡照片如圖5 所示。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)和多段流變成形工藝制造的6061 鋁合金杯型件的不同區(qū)域進(jìn)行圖像分析和力學(xué)測(cè)量，得到6061 鋁合金杯型件的液相分?jǐn)?shù)和力學(xué)性能的分布情況如圖6 所示。由液相轉(zhuǎn)化而來(lái)的共晶化合物主要分布在6061 鋁合金杯型件的頂部區(qū)域。由于共晶化合物的體積分?jǐn)?shù)較高，在距6061 鋁合金杯型件底部較遠(yuǎn)的區(qū)域硬度較高，但屈服強(qiáng)度較低。結(jié)果表明，6061 鋁合金杯型件頂部區(qū)域共晶化合物體積分?jǐn)?shù)較高的原因是在傳統(tǒng)流變和多段流變過(guò)程中發(fā)生了液相偏析。與傳統(tǒng)流變法制備的6061 鋁合金杯型件相比，多段流變法制備的6061 鋁合金杯型件中存在輕微的液相偏析，因此，多段流變法制備的6061 鋁合金杯型件的力學(xué)性能分布更加均勻。

圖5 多段觸變成形6061 鋁合金杯型件微觀組織的掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM micrographs in the cup-shaped 6061 aluminum components by multi-stage thixoforming

圖6 多段流變成形法制備的6061 鋁合金杯型件的液相分?jǐn)?shù)、維氏硬度與壓縮屈服強(qiáng)度的分布Fig.6 Distributions of former liquid fraction,Vickers hardness,and compressive yield strength in the cup-shaped 6061 aluminum components manufactured by multi-stage rheoforming

2.3 多段半固態(tài)成形機(jī)理

半固態(tài)坯/漿料在傳統(tǒng)和多段半固態(tài)成形過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變?nèi)鐖D7 所示。半固態(tài)成形過(guò)程中，液相流出受到局部凝固的干擾。由于半固態(tài)坯/漿料中的液相分?jǐn)?shù)在局部凝固過(guò)程中降低，二次成形時(shí)液相流出變得困難，因此，在多段半固態(tài)成形構(gòu)件的構(gòu)件中，液相偏析要輕得多。在二次成形過(guò)程中，固體顆粒的塑性變形改善了多段半固態(tài)成形構(gòu)件中心區(qū)域的力學(xué)性能。

圖7 半固態(tài)坯/漿料在不同半固態(tài)成形過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖Fig.7 Microstructural evolutions of semisolid slurry during different semisolid forming processes.

3 結(jié)論

1）提出了包括多段流變成形和多段觸變成形在內(nèi)的多段半固態(tài)成形工藝。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這兩種多段半固態(tài)成形工藝在鋼鐵材料和有色金屬構(gòu)件加工中的可行性。

2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了SKD11 工具鋼和6061 鋁合金在多段半固態(tài)成形過(guò)程中的微觀組織演變行為，研究了不同階段半固態(tài)成形工藝中成形條件對(duì)SKD11工具鋼和6061 鋁合金構(gòu)件的微觀組織和力學(xué)性能的影響。

3）采用多段半固態(tài)成形工藝制備的SKD11 工具鋼和6061 鋁合金構(gòu)件，其組織和力學(xué)性能的分布比傳統(tǒng)半固態(tài)成形工藝制備的組織和力學(xué)性能的分布更為均勻。