半固态成形技术(1)

1、 .2 半固态成形半固态成形 l半固态成形概述 l半固态金属的组织特性、形成机理 与力学行为 l半固态金属的制备方法 l半固态金属触变成形 l半固态金属流变成形 金属材料在液态、固态和半固态三个阶段均呈现出明显不同的物理特性，利 用这些特性，产生了凝固加工、塑性加工和半固态加工等多种金属热加工成形 方法。图1表示金属在高温下三态成形加工方法的相互关系。 图1 金属在高温下三态成形加工方法的相互关系 液态加工液态加工 （铸造成形）（铸造成形） 半固态加工半固态加工 (流变流变/触变成形触变成形) 固态加工固态加工 （塑性成形）（塑性成形） 重力铸造重力铸造 精密铸造精密铸造 压力铸造压力铸造 液

2、态模锻液态模锻 液态铸轧液态铸轧 连续铸挤连续铸挤 半固态轧制半固态轧制 半固态挤压半固态挤压 半固态压铸半固态压铸 半固态锻造半固态锻造 轧制轧制 锻压锻压 挤压挤压 超塑成形超塑成形 特种固体成形特种固体成形 流流 变变 铸铸 造造 高高 速速 连连 续续 铸铸 造造 连连 续续 带带 液液 芯芯 压压 下下 连连 铸铸 轻轻 压压 下下 1、概述、概述 半固态成形原理 利用非枝晶半固态金属(Semi-Solid Metals，简称SSM)独有的 流变性和搅熔性来控制铸件的质量。 半固态 成形方法 流变成形 rheoforming 触变成形 thixoforming 在金属凝固过程中，对其

3、施以剧烈的搅拌作用， 充分破碎树枝状的初生固相，得到一种液态金 属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固 -液混合浆料(固相组分一般为50%左右)，即 流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加 工的方法称之为半固态金属的流变成形。 如果浆流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭 切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次 加热)至金属的半固态温度区(金属锭称为半固 态金属坯料)。利用金属的半固态坯料进行成 形加工的方法为触变成形 (1)半固态成形技术定义 (2) 半固态金属的特点 图2 半固态金属的内部结构： (a) 高固相分数， (b) 低固相分数 半固态金属(合金)的内部特征是固液相混合共存，在晶

4、粒边界存在金属 液体，根据固相分数不同，其状态不同，图2为半固态金属内部结构示意 图。可见，高固相分数时，液相成分仅限于部分晶界；低固相分数时，固 相颗粒游离在液相成分之中。 半固态金属的金属学和力学 主要有以下几个特点： 由于固液共存，在两者界面不断 发生熔化、凝固，产生活跃的扩 散现象，因此，溶质元素的局部 浓度不断变化； 由于晶粒间或固相粒子间夹有液 相成分，固相粒子间几乎没有结 合力，因此，其宏观流动变形抗 力很低； 随着固相分数的降低，呈现黏性 流体特性，在微小外力作用下即 可很容易变形流动； 当固相分数在极限值(约75%)以下 时，浆料可以进行搅拌，并可很 容易混入异种材料的粉末、

5、纤维 等，如图3所示； 图3 半固态金属和 强化粒子(纤维)的搅拌混合 由于固相粒子间几何无结合力，在 特定部位虽然容易分离；但由于液 相成分的存在，又很容易地将分离 的部位连接形成一体化，特别是液 相成分很活跃，不仅半固态金属间 的结合，而且于一般固态金属材料 也容易形成很好的结合，如图4所示； 含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材 料也可通过半熔融状态在低加工力 下进行成形加工； 当施加外力时，液相成分和固相成 分存在分别流动的情况，如图5所示， 一般来说，存在液相成分先行流动 的倾向。 液相先行流动的现象在固相分数很 高、很低或加工速度特别高的情况 下很难发生，主要是在中间固相分 数范围或低加

6、工速度下比较显著。 图4 半固态金属的 (a) 分离， (b) 结合 图5 半固态金属变形时液相 成分和固相成分的流动 与普通加工方法相比，半固态金属加工的优点： 黏度比液态金属高，容易控制：模具夹带的气体少，减 少氧化、改善加工性，减少模具粘接，可进行更高速的 部件成形，改善表面光洁度，容易实现自动化和形成新 加工工艺； 流动应力比固态金属低：半固态浆料具有流变性和触变 性，变形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且 可进行复杂件成形，缩短加工周期，提高材料利用率， 有利于节能节材，并可进行连续形状的高速成形(如挤 压)，加工成本低； 应用范围广：凡具有固液两相区的合金均可实现半固态 加工

7、、可适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和 锻压等，并可进行材料的复合及成形。 (3) 半固态成形的基本工艺方法 半固态坯料制备 二次加热 触变成形 合金原料设计、配制 加热、熔炼 搅拌(机械或电磁等) 半固态浆料 流变压铸成形 其他流变成形 部件毛坯 经加热熔炼的合金原料液体 通过机械搅拌、电磁搅拌或 其他复合搅拌，在结晶凝固 过程中形成半固态浆料。 流变 成形 触变 成形 (3) 半固态成形的基本工艺方法 流变成形 (流变铸造) 图6 半固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)的工艺流程图 触变成形 (触变铸造) (4) 半固态成形的研究及进展 最早于20世纪70年代初期， 由美国麻省

8、理工 学院的M.C.Flemings教授和David Spencer博士提 出。 根据所研究的材料，可分为有色金属及其合 金的低熔点材料半固态加工和钢铁材料等高熔点 黑色金属材料半固态加工。 有色金属及其合金的低熔点材料半固态成形研究 铝、镁、铅、铜 研究重点在成形工艺的开发 铝合金半固态加工技术（触变成形）已经成熟并进入 规模生产，主要应用于汽车、电器、航空航天领域。 高熔点黑色金属的半固态成形研究 D2、HS6-5-2高速工具钢、100Cr6钢、60Si2Mn弹簧钢、 AISI304不锈钢、C80工具钢、铸铁等 选择的材料液固线温度区间较小； 高温半固态浆料难以连续稳定地制备； 熔体的温度

9、、固相的比率和分布难以准确控制； 浆料在高温下输送和保温困难； 成形温度高，工具材料的高温性能难以保证等。 2、半固态金属的组织特性、形成机理与力学行为、半固态金属的组织特性、形成机理与力学行为 (1) 非枝晶的形成与演化 图7 Al-20Cu合金未搅拌和机械搅拌(流变铸造)状态的凝固组织 液体金属在凝固过程中搅拌且激冷，其结晶造成固体颗粒的初始形貌 呈树枝状，然后在剪切力作用下，枝晶会破碎，形成小的球形晶，图7 未常规铸造和半固态铸造的组织对比，可见利用流变铸造方法生产的半 固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显微结构。球形组织的形成过 程？ 球形结构的演化过程： 结晶开始时，搅拌促进了晶核

10、的产生，此时晶核是以枝晶生长方式 进行的； 随着温度的下降，虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式进行，但由于搅 拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷， 这样，枝晶臂被打断，形成了更多细小晶粒，其自身结构也逐渐向 蔷薇形演化； 随着温度的继续下降，最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单的球 形结构，演化过程如图8所示。 球形结构的最终形成要靠足够的冷却速度和足够高的剪切速率，同时这 是一个不可逆的结构演化过程，即一旦球形的结构生成了，只要在液固区， 无论怎样升降合金的温度(不能让合金完全熔化)，它也不会变成枝晶。 图8 球形微粒固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)的工艺流程图 有

11、色金属半固态组织的演变机制主要有以下三种： 枝晶臂根部断裂机制。因剪切力的作用使枝晶臂在根部断裂。 最初形成的树枝晶是无位错和切口的理想晶体，很难依靠沿着自 由浮动的枝晶臂的速度梯度方向产生的力来折断。因此，必须加强 力搅拌，在剪切力作用下从根部折断。 枝晶臂根部熔断机制。 晶体在表面积减小的正常长大过 程中，枝晶臂由于受到流体的快速 扩散、温度涨落引起的热震动及在 根部产生应力的作用，有利于熔断， 同时固相中根部溶质含量较高，也 降低熔点，促进此机制的作用，机 理如图9所示。 图9 枝晶臂发生熔断示意图 半固态浆料搅动时的组织演变受很多因素影响，半固态浆料的 温度、固相分数和剪切速率是三个基

12、本因素。 枝晶臂弯曲机制。 此机制认为，位错的产生并积累导致塑性变形。在两相区，位错 间发生攀移并结合成晶界，当相邻晶粒的倾角超过20时，界面能 超过固液界面能的两倍，液相将侵入晶界并迅速渗入，从而使枝晶 臂从主干分离。 注：以上三种机制都有一定的依据，但附加位错如何发生 恢复和再结晶或如何迁移、固液浆料的温度起伏还缺乏必 要的试验依据，因此，金属半固态组织的演变机制还有很 多基本理论及技术问题需要解决。 (2) 半固态金属的力学行为 下表为用不同加工方法获得的A356铝合金的力学性能，从表中可以看出， 半固态金属加工技术的优越性。如触变成形并在T6状态下的性能较金属型 铸造所获得的合金有更好

13、的力学性能，并与锻件的性能相近。 注：SSM为半固态加工；PM为金属型铸造；CDF为闭模锻造 几种铸造方法铸件性能比较几种铸造方法铸件性能比较 3、金属半固态的制备方法、金属半固态的制备方法 金属半固态浆料或坯料的制备是半固态成形加工的基础，目前半固态浆 料或坯料的制备方法很多，常用的方法是有电磁搅拌法和机械搅拌法。 (1) 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸型方向的强磁场 对处于液-固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动， 使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯料的制备。 优点：不污染金属液，金属浆料纯净，不卷入气体， 可以连续生产流变

14、浆料或连续铸锭坯，产量 可以很大。 缺点：直径大于150mm的铸坯不宜采用电磁搅拌法 生产。 影响因素：搅拌功率，搅拌时间，冷却速度， 金属液温度，浇注速度 电磁搅拌示意图 电磁搅拌 电磁搅拌垂直半连续铸造示意图 1.中间包底口2.结晶器引流口3. 水室隔墙 4.冷却水室5.结晶器陶瓷 内衬6.结晶器外壁7.坯料的固液前沿 8.搅拌器9.坯料10.引锭底托11. 引锭杆12.引锭机13.引锭丝杠 电磁搅拌是工业制备铝合金半固 态坯料的主要工艺方法，与连铸相结 合进行高效率坯料连续制备。 电磁搅拌 水平电磁搅拌连续铸造示意图 1.拉拨机构 2.坯料 3.搅拌绕组 4.冷却 水阀 5.搅拌控制器

15、6.流量控制器 7.浇口盆 8.中间包 9.熔化炉 10.导流管 11.陶瓷环 12.冷却水箱 13.结晶器 (2) 机械搅拌法 该方法利用机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中金属初晶的生长与演化， 以获得球状或类球状的初生固相的半固态金属流变浆料。 优点：搅拌装置结构简单、操作方便。 缺点：搅拌棒材质要求严格，易造成合金污染。 影响因素：搅拌室的温度，搅拌叶片或棒的转速。 机械搅拌示意图 (3) 应变诱导熔化激活法（SIMA） 再对热态挤压变形过的坯料加以少量的冷变形，在坯料的 组织中储存部分变形能力。 按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并 适当保温，即可获得具有触

16、变性的球状半固态坯料。 将该金属锭坯在回复再结晶的温度范围内进行大变形量 的热态挤压变形，通过变形破碎铸态组织。 利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯。 (4) 液态异步轧挤法 原理：利用一个极限旋转的辊轮把静止的弧状结晶壁上生长的初晶不断 碾下、破碎，并与剩余的液体一起混合，形成流变金属浆料，是一种高效 制备半固态坯料的方法。 (5) 超声振动法 原理：利用超声机械振动波扰动金属的凝固过程，细化金属晶粒，获得 球状初晶的金属浆料。 (6) 粉末冶金法 原理：首先制备金属粉末，然后进行不同种类金属粉末的混合，再进行 粉末预成形，并将预成形坯料重新加热至半固态区，进行适当保温，即可

17、获得半固态金属坯料。要求粉末的粒度十分细小！ (7) 倾斜冷却板制备法 原理：如图10所示，金属液通过坩埚倾倒在内部具有水冷却装置的冷却 板上，金属液冷却后达到半固态。，流入模具中制备成半固态坯料。 图10 倾斜冷却板制备半固态坯料的工艺及设备图 4、半固态金属触变成形、半固态金属触变成形 (1) 触变射铸工艺及设备 触变射铸(Thixomolding)由美国的Dow公司开发的，1992年由日本引入 并完成成形机的研制开发。图11为Thixomolding工艺的简图，其设备由原 料入料与预热装置、螺旋注射机、加热装置以及压铸机等部分组成。 图11 Thixomolding工艺简图 设备特点：

18、原料进入料斗后边加热边剪切 搅拌，最后形成半固态的状态 再射入模具中； 半固态浆料的固相分数可控性 强，成形件质量高、性能稳定 螺旋机内密闭性好，在成形过 程中不需要严格的保护性气氛 进行保护，仅在投料口处用少 量的Ar气保护即可。 Thixomolding成形件的特点： 表面质量和内部质量改善； 成形件尺寸精度提高； 力学性能提高； 耐蚀性提高； 可精密成形薄壁件 表2 三种镁合金采用Thixomolding和模铸成形件的力学性能比较 (2) 触变压铸(Thixo-casting) 瑞士瑞士 BHLER 公司推出的触变压铸设备公司推出的触变压铸设备 与普通压铸成形工艺相比，半固态压铸具有成形

19、温度低，凝固时间短， 成形周期短，部件质量好，微观组织均匀，高度自动化等优点。 半固态触变压铸成形件 (3) 触变锻造(Thixo-forging) 触变锻造是将半固态金属坯料移入锻压模具内，然后模具的一部分向 另一部分运动并加压成形，其原理如图12所示。 图12 触变锻造原理 半固态锻造成形的优点： 显著降低锻造过程中的变形抗力，扩大了复杂成形件的范围，可实现近 终成形(如薄壁件、底切槽件、孔形件和刃形辐射件等)，显著减少工艺环 节，加工成本低，切削量少，材料利用率高。 半固态锻压成形件 (4) 触变挤压(Thixo-extrusion) 触变挤压是将半固态金属坯料移入挤压腔内，然后通过模具

20、孔挤出成 形，其原理如图13所示。 触变挤压成形的优点： 显著降低变形抗力，扩大 了复杂件成形件的范围，改 善了产品的成形性，Al、Mg 轻质高强合金、MMC以及钢 等都可以挤压成形。 图13 触变挤压原理图 (5) 触变轧制(Thixo-rolling) 触变轧制是将半固态金属坯料送入轧辊辊缝中进行轧制成形的方法， 其原理如图14所示。 触变挤压成形的特点： 在半固态金属坯料的 固 相 分 数 很 高 时 ( 如 80%以上)，其变形与 热轧时的情况基本相同， 板坯内的固相和液相变 形均匀，可得到沿板厚 方向固相颗粒均匀的产 品。但当固相分数较低 时(如70%以下)，则变 形时会出现固液相偏析。 图14 触变轧制成形原理示意图 5、半固态金属流变成形、半固态金属流变成形 与触变成形相比，流变成形省去了二次加热，由半固态浆料 直接进行成形，但其工艺过程控制难度要大一些。近年来，由 于流变成形的生产流程短、相对成本较低，受到国内外许多研 究者的重视，如奥地利LKR公司