逐步熔融凝固加工

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.05.009 第18卷第5期 北京科技大学学报 Vo1.18No.5 1996年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1996 逐步熔融凝固加工 贾成厂) 佐佐木信义2) I)北京科技大学材料系，北京1000832)日本神奈川科学城CADIC公司 摘要介绍逐步熔融加工的原理，即向非诱导性的成形模内连续提供诱导性的颗粒或粉末状的 原材料，利用高频加热使模内的材料榕化并保持一个较窄的区域，通过成形模与加热源的相对 移动，使材料自下而上逐步地熔融和凝固，达到一次成形的目的.此外还介绍了它适用范围宽， 及制品的优良的物理和力学性能等优点。 关键词逐步熔融凝固、高频加热，一次成形 中图分类号TG249.5 材料最终是以所需要的形状来使用的在材料成形加工领域，有多种方法，各有其优缺 点在同时满足材料的高性能、复杂形状、低成本以及良好的工作环境等方面，尚缺乏完整 的加工方法和技术.逐步熔融凝固加工是基于上述情况提出的.应用此加工方法，可将材料 经过一个工序直接加工成具有最终形状的制品，得到微细均匀的组织、优异的物理和力学 性能 1原理与特点 逐步熔融凝固加工是向非诱导性的成形模(mold)内连续提供导电性的金属或金属基复 合材料的颗料或粉未状原材料，在模外施以高频加热，使原材料从成形模的底部开始熔化， 而模内材料的熔融区域保持一个较窄的范围并逐渐由成形模的底部向上移动.离开加热源 的区域的熔体则在填充满模腔的情况下逐渐凝固.熔融区则由上部所提供原材料的逐步熔 化而维持其所需的量.持续此过程直至凝固 到成形模的顶部，则可以得到与成形模内腔 -供料器 形状相同的成形加工部件， 颗粒或粉末· 逐步熔融凝固加工的原理图如图1.移动 熔融区 的方式可以是成形模向下移动，也可以是加 a 吾←一感应加热 热源逐步向上移动（图中未表示）.制品垂直 成形模 疑固体 升降面可以比较复杂，即制品的横截面积和 形状都可以变化.但示意图图1中仅表示了简 升降机 单的形状 图1逐步熔融凝固加工原理 1995-11-12收稿第一作者男46岁副教授

5 第 卷 第 期 8 1 9 9 年 月 6 0 1 1 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u a o l r n U f n i v s r e y i t o f S c i a d g y T c o o l e n e n e e h n e B j i g i n 0 V 1 . 0 N 8 1 . 5 o e t 。 9 9 6 1 逐步熔融 凝固加工 贾成厂 ` ) 佐佐木信 义 2 ) ) 北京科技大学材料系 l , 北京 10 0 0 83 2 ) 日本神奈川科学城 c A D Ic 公司 摘 要 介绍 逐 步熔融加 工的原理 , 即 向非诱 导性 的成形模 内连续提供 诱 导性 的颗粒 或粉末状 的 原 材料 , 利用 高频 加热使模 内的材 料熔 化并保持一个较窄 的区 域 , 通 过成形模 与 加热源 的相 对 移 动 , 使材料 自下而上 逐步地熔融和 凝固 , 达到一次成形 的 目的 . 此外还介绍 了它 适用 范围宽 , 及制 品的优 良的物理和力学性能等优点 . 关键词 逐步熔融凝 固 , 高频加热 , 一 次成形 中图分类号 T G 2 4 9 . 5 材料 最终 是 以 所 需要 的形 状来 使用 的 . 在材 料成 形 加工 领 域 , 有多 种 方法 , 各有 其 优 缺 点 . 在 同时满 足 材料 的高性 能 、 复 杂形 状 、 低成 本 以 及 良好 的 工作 环境 等方 面 , 尚缺乏 完 整 的加 工方 法 和技 术 . 逐步 熔 融凝 固加 工 是基 于上 述情 况提 出的 . 应 用此 加 工方 法 , 可将 材 料 经 过 一个 工 序 直接 加 工成 具 有最 终 形 状的 制 品 , 得 到 微 细均 匀 的组 织 、 优 异 的物 理 和力 学 性 能 . 1 原理 与特点 逐步 熔 融凝 固加 工是 向非 诱导性 的成形 模 (m ol d) 内连 续 提供 导电性 的金 属 或金 属基 复 合材 料 的颗料 或粉末 状 原材 料 , 在模 外施 以 高频加 热 , 使 原材 料从成形 模 的底 部 开始熔 化 , 而模 内材 料 的 熔 融 区 域 保 持 一个 较 窄 的范 围 并逐 渐 由成 形 模 的底 部 向上 移 动 . 离 开 加 热 源 的 区 域 的 熔 体则 在填 充 满模 腔 的情 况下 逐 渐凝 固 . 熔 融 区 则 由上部 所 提 供 原材 料 的逐步 熔 化 而 维 持 其 所 需 的量 . 持 续 此 过 程 直 至凝 固 到成 形 模 的顶 部 , 则 可 以 得 到 与 成形 模 内腔 形状 相 同的 成形 加工 部件 . 逐步 熔 融凝 固加 工 的原理 图 如 图 1 . 移动 的方 式 可 以 是 成 形模 向下 移 动 , 也 可 以 是 加 热 源 逐 步 向上 移 动 ( 图 中 未 表 示 ) . 制 品 垂 直 升 降 面 可 以 比 较 复 杂 , 即制 品 的 横截 面积 和 形 状 都可 以 变化 . 但 示 意 图 图 l 中仅 表示 了 简 单 的 形状 . 供料器 颗粒或粉 熔融 区 一 感应加热 成形模 凝 固体 图1 逐步熔 融凝固加工原理 19 9 5 一 l 卜 1 2 收 稿 第 一作 者 男 4 6 岁 副教 授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 05. 009

Vol.18 No.5 贾成厂等：逐步熔融凝固加工 ·437* 逐步熔融加工具有以下的特点： (1)由于熔融金属与成形模的接触时闻较短，可以减少或避免熔体与成形模的反应以及 来自成形模的夹杂物. (2)由于凝固的速度比较快，可以控制结晶的成长，得到微细的结晶粒和细小的枝晶间 距的金相组织. (3)可以同时达到高密度和均匀的成分和组织，避免普通铸造容易产生的成分偏析和组 织缺陷 (4)从原材料到制品可由一个工序完成，可以提高生产率，降低成本 (5)采用永久水冷金属成形模，可以进一步降低成本，模型可与复杂制品形状相对应， (6)可以有效地利用型芯来加工中空的制品，并且由于加工过程中热冲击很小，可以采 用无烧结的压力成形型芯，降低成本，提高制品性能. 2 结果与讨论 2.1设备简介 组成本系统各部分的规格如下： (1)高频加热电源.电源：3相，200V, 冷却 电源 成形装 50Hz;规格：50kW/400kHz;装置方式： 水槽 置本体 真空泵 电压、电流调整是可控位相方式，发振采用 自励方式，通电采用诱导方式.真空加热 控制装置 时，有放电的危险性；一旦发生放电，电源 图2装置构成示意图 自动断开. (2)成形腔体.成形腔体由本体和操作台构成.本体为圆筒型，直径400mm,高 900mm,上部有原材料注人口和观察窗口各1个，侧面设有高频线圈连接器、真空排气、 真空计接口、保护气用接口、空气进人口等. 操作台呈圆盘状，用专门的汽缸驱动，可上下移动(500mm).固定在上部时，它起盖 的作用，与圆简形成封闭系统，可以进行成形加工操作；固定在下部位置时，成形腔体呈 打开状态，可以进行成形模的设置或取出.操作台的中央部分设有可驱动成形模上下动作的 升降机.真空度在非操作状态下可达13Pa. (3)材料供给装置.使用美国ERIEZ公司生产的供料器（供料能力30~800g/min).此 供料器设置在真空成形腔体之内，原材料从设在成形腔体外的大漏斗经由注人口流入供料 器的漏斗内，注入口关闭.成形过程中由供料器向成形模以设定的速度将原材料注入. (4)操作台用升降装置.使用气缸驱动，行程500mm,速度大于50mms. (5)成形模用升降装置.使用无级变速马达，行程500mm,速度0~400mm/min. (6)真空排气、测定装置.采用机械泵，30s内使成形腔体的真空度达到13P.测定压 力用绝对压力计 2.2实验材料及制品性能

V lo . 18 N .o 5 贾成厂 等 :逐步熔融凝 固加工 · 4 37 · 逐 步 熔融 加 工具 有 以 下 的特 点 : ( )l 由于 熔融 金 属 与成形 模 的接 触时 间较短 , 可 以减 少 或避 免熔 体与成形 模 的反应 以 及 来 自成形 模的夹 杂物 . (2 ) 由于 凝 固的 速度 比较 快 , 可 以 控制结 晶 的成 长 , 得 到 微细 的结晶 粒和细 小 的枝 晶 间 距 的金相 组 织 . ( 3) 可 以 同时达 到高 密度 和均 匀 的成分 和组 织 , 避 免普 通铸造容 易 产生 的成 分偏 析 和组 织缺 陷 . (4 )从原材料 到制 品 可 由一个工 序 完成 , 可 以 提 高生 产率 , 降低成 本 . ( 5 ) 采 用永久 水冷 金 属成形 模 , 可 以 进 一步 降低 成本 , 模 型 可与复 杂 制 品 形状 相对 应 . ( 6) 可 以 有 效地利 用 型芯来 加 工 中空 的制 品 , 并 且 由于 加工 过程 中热冲 击很 小 , 可 以 采 用无 烧 结 的压力成 形 型芯 , 降低 成 本 , 提 高 制 品性能 2 结 果 与讨论 2 . 1 设 备简介 组成 本 系统各 部分 的规格如 下 : (l ) 高频加 热 电源 . 电源 : 3 相 , 2 0 v , 5 0 H z ; 规格 : 50 k w / 4 0 0 k H z ; 装 置方 式 : 电压 、 电 流调整 是可 控位 相方 式 , 发 振采 用 自励 方式 , 通 电采 用诱导方 式 . 真 空加 热 时 , 有放 电的危 险性 ; 一旦 发生 放 电 , 电源 自动 断开 . 冷却 电源 成形装 真空 水槽 置本体 泵 图2 装置构 成示意图 (2 ) 成 形 腔 体 . 成 形 腔 体 由本 体 和 操 作 台 构 成 . 本 体 为 圆 筒 型 , 直 径 4 0 0 m m , 高 90 0 ~ , 上部 有 原材 料 注人 口 和 观 察 窗 口 各 l 个 , 侧 面设有 高 频 线 圈 连 接 器 、 真 空排 气 、 真 空计 接 口 、 保 护气 用 接 口 、 空 气进 人 口 等 . 操作 台呈 圆盘 状 , 用 专 门的 汽缸 驱 动 , 可 上下 移 动 ( 5 0 0 m m ) . 固定 在 上部 时 , 它 起 盖 的作 用 , 与 圆筒 形成 封 闭 系 统 , 可 以 进 行 成 形加 工 操 作 ; 固 定在 下 部 位置 时 , 成 形腔 体 呈 打开 状 态 , 可 以 进行 成 形模 的设置 或 取 出 . 操 作台 的 中央 部 分设 有 可驱 动 成形模 上 下 动作 的 升降 机 . 真 空度 在 非操作 状 态下 可 达 13 P a . (3) 材料 供给 装置 . 使 用 美 国 E RI E Z 公 司生产 的供料 器 (供料 能力 30 一 8 0 0 9 / m in) . 此 供料 器设 置 在 真 空成 形 腔 体 之 内 , 原材 料 从设 在 成形 腔体 外 的大 漏 斗 经 由注人 口 流人 供 料 器的 漏斗 内 , 注入 口 关 闭 . 成形 过程 中由供 料器 向成 形模 以 设定 的 速度 将原 材料 注人 . (4) 操 作 台用 升降 装置 . 使 用气 缸驱 动 , 行 程 5 0 ~ , 速 度大 于 50 m m .s/ (5 ) 成 形模 用 升降 装置 . 使 用无 级变 速 马达 , 行 程 5 0 m m , 速 度 。 一 4 0 m m / m i.n (6 ) 真 空排 气 、 测 定 装置 . 采 用机 械 泵 , 30 5 内使 成形 腔 体 的真 空度 达到 13 aP . 测 定压 力 用 绝对压 力计 . 2 . 2 实验 材 料及 制品 性能

·438· 北京科技大学学报 1996年No.5 对不锈钢、铸铁、铜合金、Ti-A(质量比1：1)等多种材质进行了实验，均获得成功 用逐步熔融凝固加工的制品，在以拉伸强度和延伸率为代表的基本力学性能方面显示 出了明显的优越，成为其特色之一. 从表I可以看出，各项指标都明显高于JIS(Japanese Industry Standard,日本工业标准)， 特别是延伸率，比S标准提高了1倍.与同等材质的铸造组织相比，逐步熔融凝固加工的 组织的晶粒明显细化，均匀 表1 不锈钢制品的力学性能 试样 标点距离 直径 截面积 屈服强度 拉伸强度 延伸率 No. //mm d/mm s/mm2 N/mm N/mm 6(%) 35 6.42 32.37 280 600 62 25 6.42 32.37 280 570 70 JS标准 >186 >441 >30 2 3与传统材料成形加工技术的比较 表2和表3分别为逐步熔融凝固加工与传统材料成形加工技术及传统复合加工技术的 表2各种加工工艺生产铁基制品的比较 零件设计内容铸造 锻造 压力加工 粉末冶金 注射成形 逐步加工 平面复杂性 0 ⊙ ⊙ 立体复杂性 0 ⊙ 0 形状 三次元曲面 0 鼓状与空洞 ⊙ + 复合一体化 ⊙ 0 尺寸 精级±1% ⊙ 精度 中级±2% ⊙ 0 0 0 0 ⊙ 粗级 0 0 0 0 0 500g以上 ⊙ 0 0 0 0 ⊙ 质量 500-5g ⊙ 5g以下 × 0 ⊙ ⊙ 材质自由度 0 0 0 0 ⊙ 静态强度 0 0 0 动态强度 ⊙ 0 0 0 回 特性 韧性 L 0 硬度 0 0 0 0 ◇ 0 耐磨性 0 0 0 0 100个 ⊙ × 0 成本 1000个 0 L L 0 0 5000个 ⊙ 0 注：⊙有利○可能L一般×困难

. 4 3 8 . 北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 6年 N o . 5 对不 锈钢 、 铸铁 、 铜合 金 、 iT 一 A l( 质 量 比 1: 1) 等多 种材 质进 行 了实验 , 均 获得 成 功 . 用 逐步 熔 融凝 固加 工 的 制 品 , 在 以 拉伸 强度 和 延 伸率 为代 表 的基本 力学 性 能方 面 显示 出了 明显 的优 越 , 成 为其 特色 之 一 从 表 l 可 以 看 出 , 各项 指标 都 明显 高于 Jls (J ap an es e nI d us ytr S tan d ar d , 日本 工 业标 准 ) , 特 别 是延 伸 率 , 比 JIS 标 准提 高 了 1 倍 . 与 同等材 质 的铸 造 组织 相 比 , 逐步 熔 融凝 固加 工 的 组 织 的晶 粒 明显细 化 , 均 匀 . 表 1 不锈钢 制品的力学性 能 试样 标点距离 l / 幻口r o 直径 d/ 们D 们O 6 . 4 2 6 . 4 2 截面 积 s / m r Q Z 3 2 . 3 7 3 2 . 3 7 屈 服 强度 N / m r D Z 拉伸强度 N / n u n z 2 8 0 2 8 0 ) 1 8 6 6 0 0 5 7 0 > 4 4 1 延 伸率 d (% ) 6 2 7 0 ) 3 0 ō、 àù 坐 ,` 、 21 J I S标准 3 与传统材料成 形 加工 技术的 比较 表 2 和表 3 分别 为逐 步熔 融凝 固加 工 与传 统材料 成 形加 工技 术及 传统复合 加 工技 术 的 表 2 各种加工工艺 生产铁基制 品 的比较 零件 设计 内容 铸 造 锻造 压力加 工 粉末 冶金 注射成形 逐步加 工 平面 复杂性 乙0 O △汽OXX 0也乙 匕0O 0△0 立体复杂性 形状 三次元 曲面 鼓 状与 空 洞 复合一体化 尺 寸 。O 0 0 △。O 精度 。OX 0 0 0 0 OX0 质量 精级月 % 中级士 2 % 粗级 5 0 0 9 以 上 5 0 0一 5 9 5 9 以 下 材质 自由度 0 0 0乙 O 特性 O 静态强度 动态强度 韧性 硬度 耐磨性 1 0 0个 成本 1 0 0 0个 0 乙 △ 0 0 。 5 0 0 0个 x 0 0 0 0 0 注 : 。 有 利 。 可能 乙 一般 x 困难

Vo1.18No.5 贾成厂等：逐步熔融凝固加工 ·439· 表3逐步熔融凝固加工与传统复合加工技术的比较 加工方法 原理与方法 要点 优点 缺点 将预成形和烧结的 预成形管理，锻造 无切削，成品率高 尺寸精度，经 粉末锻造 坯材在保护气氛下 温度与压力 表面状态好，噪音 济性不好，粉 锻造成最终形状 低，性能提高 末成本高 熔体凝固过程中施 开始与保压时间，熔 缩孔，宏观.微观气孔 合金偏析，成 熔体锻造 加压力去除缺陷得 化条件，铸模条件 的去除组织的微细化 本较高，适用 到高品质制品 ,均质化，性能提高 范围较窄 电碴重熔的同时将 电碴重熔技术形成 清洁，均度，品粒度 工艺较复杂， 焊造 熔体填充铸模的空 模的设计与格质 可与压材同等，焊接 批量生产困难 隙而成形 性好，防止与模的反应，成本高 热等静压 加热升温与加压同 温度，压力，密封 去除铸造缺陷烧结缺 成本高 时进行 技术 陷，性能提高 使工具或蔽加工材 装置小，低噪音振动，制品形状了限 旋转加工 旋转，达到要形空 与机械加工娄似 材料成品率高 于轴对称，精 状的塑性加工 度不良 连续铸造 熔融金属直接冷却 熔体，中间包，铸 节能，成品率上升，自仅适用于二维 和凝固成所需形状 模，切断 动化容易 型材加工 固液共存加工 固相与熔融金属混 复杂 比固相加工容易 工艺控制困难 合状肪下加工 逐步熔融凝固加工 投入原材料的同时 最适参数的确定，成 组织改善，性能提高， 加热熔化，成形模 形模的设计与制作 综合成本下降及自动 开发中 相对于加热源向下 控制容易 移动 参考文献 1日本粉末冶金工业会.烧结机械部品.东京：技术书院，1987.11 2复合加工研究会编.复合加工技术.东京：产业图书，1982 Incremental Melting and Solidification Molding Process Jia Chengchang Nobuyoshi Sasaki2) 1)Department of Materials Science and Engineering USTB,Beijing,100083.PRC 2)CADIC Corporation,Kawasaki,213,Japan ABSTRACT The material in mold is melt by using induction heating and maintained a small height.Incrementally melting and solidification take place from bottom to top,by the motion between mold and heating source,reaching the molding purpose.This process can reach a near net shape and get excellent properties. KEY WORDS incremental melting and solidification molding process,Induction heating, near net shape

V o 1 . 1 8 N o . 5 贾 成厂 等: 逐步熔融凝 固加工 . 4 3 9 . 表3 逐步熔融凝固加工与传统复合加工技术的比较 加工方法 原理与方法 要点 优点 缺点 经粉 粉末锻造 将预成形和烧 结的 坯材 在保 护气 氛下 锻造成最 终形状 熔体凝 固过程 中施 加压力 去 除缺 陷得 到高品质 制品 电碴 重熔 的同时将 熔体填充铸模 的空 隙而 成形 加热升温 与加压 同 时进行 使工具或被加工材 旋转 , 达到要形空 状 的塑性加工 熔融金属直接冷却 和 凝 固成所需形状 固相 与熔 融金属混 合状肪下加工 投入原材料 的 同时 加热熔化 , 成形模 相 对于加 热源 向下 移动 预成形管理 , 锻造 温度 与压力 无切削 , 成品 率高 表面 状态好 , 噪音 低 , 性能提高 缩孔 , 宏观 、 微观气孔 的 去 除组织的微细化 , 均质化 , 性 能提高 尺 寸精度 , 济性 不好 , 末成 本高 熔体 锻造 开始与 保压时间 , 熔 化条件 , 铸模条件 合金偏 析 , 成 本较 高 , 适用 范围 较窄 焊造 电碴重 熔技术形成 模的设计 与格质 热等静压 温度 , 压力 , 密封 技术 旋转加工 与 机械加工娄似 连续铸造 熔体 , 中间包 , 铸 模 , 切断 固液共存加工 复杂 清洁 , 均度 , 晶粒度 工艺 较复 杂 , 可与 压材同等 , 焊接 批量 生产 困难 性好 , 防止 与模 的反应 , 成本高 去除铸造缺陷烧结缺 成本 高 陷 , 性能提高 装置小 , 低噪音振动 , 制品 形状 了 限 材料成品 率高 于 轴对称 , 精 度不 良 节能 , 成品 率上 升 , 自 仅适用 于 二维 动化容易 型 材加工 比固 相加工容易 工艺控制困难 逐 步熔融凝固加工 最 适参数的确定 , 成 组织改善 , 性 能提 高 , 形模的设计 与制作 综合成本 「降及 自动 开发中 控制容易 参 考 文 献 1 日本粉末冶金 工业 会 . 烧结机械部品 . 东京 : 技 术书院 , 19 87 . H 2 复合加工研究 会编 . 复合加工技术 . 东京 : 产业 图 书 , 1 9 8 2 I n e r e m e n t a l M e lt i n g a n d S o l i d i if c a t i o n M o l d i n g P r o e e s s iJ a hC e n 群入a n g l ) 脚吞叮 0 5 人1 as s a 石 2 ) l ) D e P alt m e n t o f M a t e r i a l s S e , e n e e an d E n g in e e r in g U S T B , B e ij i n g , 10 0 0 8 3 , P R C 2 ) C A D I C C o rp o r a ri o n , K a w a s ak i , 2 13 , J ap an A B S T R A C T T h e m a t e r i a l i n m o ld 1 5 m e l t b y u s i n g i n d u e t 一o n h e a t i n g a n d m a i n at i n e d a s m a ll h e i g h t . I n e r e m e n ta l l y m e l t i n g a n d s o li d iif c a t i o n t a k e P l a c e fr o m b o t o m t o t o P , b y th e m o t i o n b e wt e e n m o ld a n d h e a t i n g s o u r e e , r e a e h i n g t h e m o ld i n g P u 印 o s e . T h i s P r o e e s s e a n r e a e h a n e a r n e t s h a P e a n d g e t e x e e ll e n t P r o P e rt i e s . K E Y W O R D S i n e r e m e n t a l m e l t i n g a n d s o li d iif e a t i o n m o l d i n g P r o e e s s , ih d u e t i o n h e a t i n g , n e ar n e t s h ap e