6061合金半固态触变模锻成形工艺研究

论文摘要

在汽车轻量化的发展趋势下,铸造铝合金轮毂以其价格相对低廉、性能优良、外形美观等特点,已经在轿车行业得到普及。但是在跑车等对轮毂性能有特殊要求的领域则需采用锻造铝合金轮毂,铸造铝合金轮毂已经不能满足要求。但锻造铝合金轮毂生产工艺复杂,成本较高。半固态模锻作为一种近终成形技术,其制件性能与普通锻件相近,轻量化效果优于铸造件,而生产成本低于普通锻件。因此,将其应用于汽车轮毂的生产具有重要的经济与环保意义。本文对半固态成形技术、有限元模拟、6061合金等作了介绍,阐述了采用6061合金半固态模锻成形方法生产汽车轮毂的优势及发展前景。实验部分以工业纯铝等为原料,采用电磁半连续铸造法获得半固态坯料；研究铸锭组织特点,并进行二次加热实验,分析淬火组织,确定最佳二次加热工艺；应用DEFORM-3D有限元模拟平台,对6061合金轮毂半固态模锻过程进行模拟,得到不同条件下的金属流动特点,温度、应变和应力场的分布特点及模具载荷的变化规律,进而确定合适的成形工艺；最后采用正交实验法研究了固溶温度、固溶时间、时效温度和时效时间对成形件组织和性能的影响,得到最优热处理工艺并进行了验证实验。主要结果如下：（1）采用电磁半连续铸造法制得6061合金半固态铸锭表面质量良好,组织分布均匀,呈近球形蔷薇状；边部、中部、心部的平均等积圆直径分别达到了64.0μm,84.1μm,80.5μm,最小圆度达到1.5；所得合金的固液相线分别为580.34℃和658.70℃,650℃下的液相率为53.08%；（2）在630℃保温5～10min所得二次加热淬火组织变化明显,为均匀的多边形等轴晶；650℃保温5min也可获得类似组织,晶粒有所长大,但此温度下具有较高的液相率,适于模锻成形；（3）有限元模拟研究表明,压下速度为25mm/s时,局部区域在充填和愈合的最后阶段温度低于固相线,形成折叠和充填不足缺陷的可能性较大；所得最佳成形工艺为：模具工作温度400℃,以50mm/s速度压下,终锻时刻上模垂直方向载荷为382kN；（4）材料强度随固溶温度的升高和固溶时间的增长均有明显的提高；随时效温度的升高,也有一定提高；在时效时间超过10h后强度有下降趋势,出现了过时效现象；延伸率随固溶温度的升高先下降后上升,变化明显；随固溶时间的增长而提高,但是随着时效温度的升高及时效时间的延长均出现了明显的降低；（5）6061合金半固态触变模锻成形件的热处理强化相主要为Mg2Si相；随着固溶温度的升高和固溶时间的增加,Mg2Si相在基体内逐渐弥散分布,沿晶界出现明显的沉淀带；晶界处存在少量β（Fe2Si2Al9）相；（6）通过正交实验法确定的最佳热处理工艺为：555℃下固溶65min后常温水淬,立即在165℃下时效8h后空冷；验证实验所得试样的硬度为142.3HV,抗拉强度达到392MPa,延伸率达到11.5%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 半固态成形技术概述
• 1.2.1 半固态金属成形技术的优点
• 1.2.2 半固态浆料的制备技术
• 1.2.3 金属的半固态非枝晶凝固组织与形成机制
• 1.2.4 半固态金属成形工艺
• 1.2.5 半固态金属成形技术国内外发展概况
• 1.3 有限元法基础
• 1.3.1 数值模拟与有限元法
• 1.3.2 有限元法在半固态成形过程中的应用
• 1.4 6061合金的特点及应用
• 1.5 本课题的研究内容及目的
• 第2章 坯料制备及二次加热工艺研究
• 2.1 坯料制备
• 2.1.1 配料
• 2.1.2 熔炼及铸锭
• 2.1.3 铸锭组织
• 2.2 二次加热工艺研究
• 2.2.1 DSC简介
• 2.2.2 DSC曲线分析
• 2.2.3 实验方案
• 2.2.4 二次加热淬火组织
• 2.3 本章小结
• 第3章 半固态模锻有限元模型的建立
• 3.1 刚粘塑性有限元法
• 3.2 DEFORM-3D简介
• 3.3 有限元模型的建立
• 3.3.1 几何模型的建立
• 3.3.2 模拟条件的假设
• 3.3.3 材料模型的建立
• 3.3.4 摩擦模型的确定
• 3.3.5 热传递模型的确定
• 3.4 本章小结
• 第4章 数值模拟及结果分析
• 4.1 模拟方案的确定
• 4.2 前处理
• 4.3 后处理及结果分析
• 4.3.1 充填过程
• 4.3.2 温度场分布
• 4.3.3 应变场分布
• 4.3.4 应力场分布
• 4.3.5 成形条件对坯料温度场的影响
• 4.3.6 成形条件对坯料应变场的影响
• 4.3.7 成形条件对坯料应力场的影响
• 4.3.8 成形条件对模具载荷的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 热处理工艺研究
• 5.1 实验方案的确定
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 热处理
• 5.2.2 拉伸
• 5.2.3 硬度
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 力学性能正交分析
• 5.3.2 断口分析
• 5.3.3 金相组织
• 5.4 最佳热处理工艺验证实验
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间论文发表情况