材料加工原理之半固态铸造成形

1、半固态铸造成形半固态铸造成形铸造铸造 砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失模铸造、石膏型铸造等模铸造、石膏型铸造等 重力铸造、低压铸造、挤压铸造重力铸造、低压铸造、挤压铸造利用利用凝固结晶过程凝固结晶过程来控制组织的变化来控制组织的变化金属液温度在金属液温度在液相线液相线以上进行成形以上进行成形铸造、铸造、液态模锻液态模锻锻造、锻造、挤压挤压半固态成形半固态成形 20世纪世纪70年代初，美国麻省理工学院年代初，美国麻省理工学院Flemings与与Spencer等人发现了金属凝固过程中的特殊力等人发现了金属凝固过程中的特殊力学行为，根据强力搅拌半凝固金属所呈现

2、的学行为，根据强力搅拌半凝固金属所呈现的流变流变学学性质成功用搅拌方法制备出了半固态金属并性质成功用搅拌方法制备出了半固态金属并进行了铸造成形，称之为流变铸造进行了铸造成形，称之为流变铸造(Rheocasting)。半固态成形定义？半固态成形定义？利用金属从固态向液态或从液态向固态两相转变过利用金属从固态向液态或从液态向固态两相转变过程中的半固态区的金属具有良好的流变特性而进行的金程中的半固态区的金属具有良好的流变特性而进行的金属成形。属成形。 流变性：流变性：搅拌过程中，固相分数增加使金属浆料的粘性提搅拌过程中，固相分数增加使金属浆料的粘性提高，但仍能保持流动的特性。高，但仍能保持流动的特性

3、。 搅熔性：搅熔性：流变成型的锭坯在加热到一定程度后，其粘度随流变成型的锭坯在加热到一定程度后，其粘度随着剪切速率的增加而降低的特性着剪切速率的增加而降低的特性。技术核心：技术核心：固液混合浆料获得固液混合浆料获得非枝晶组织非枝晶组织，固，固相必须球化和细化，相必须球化和细化，近球形晶或等轴晶近球形晶或等轴晶非常小的非常小的流动阻力流动阻力和良好的和良好的成形性能成形性能。枝晶枝晶工艺如何实现？工艺如何实现？半固态金属半固态金属坯料坯料制备方式制备方式1、机械搅拌法：、机械搅拌法：是最早用于制备非枝晶组织金属的方法。是最早用于制备非枝晶组织金属的方法。一种是由两个同心带齿的圆筒组成，内筒保持静

4、一种是由两个同心带齿的圆筒组成，内筒保持静止，外筒旋转；另一种是在熔融的金属中利用搅止，外筒旋转；另一种是在熔融的金属中利用搅拌棒进行搅动。拌棒进行搅动。存在问题：存在问题：生产效率低、固相分数生产效率低、固相分数30%60%、搅拌棒会造成熔融金属的污染。搅拌棒会造成熔融金属的污染。间歇式间歇式连续式连续式2、电磁搅拌法：、电磁搅拌法：利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，感应电流产生的洛伦兹力驱动金属液运动，从而感应电流产生的洛伦兹力驱动金属液运动，从而达到对金属液搅拌的目的。达到对金属液搅拌的目的。两种产生旋转磁场的方法：两种产生旋转磁场的方法：一种是

5、在感应圈内通交流电的方法一种是在感应圈内通交流电的方法另一种是旋转永磁体法，通过改变永磁体的排列另一种是旋转永磁体法，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，从而提方式，可使金属液产生明显的三维流动，从而提高了搅动效果。高了搅动效果。缺点：缺点：设备投资大，工艺较复杂，成本高。设备投资大，工艺较复杂，成本高。电磁搅拌示意图电磁搅拌示意图3、应力诱发熔化激活工艺：、应力诱发熔化激活工艺：S.I.M.A.(Strain Induced Metl Activated)常铸锭经过常铸锭经过20%左右的预形变，然后加热至左右的预形变，然后加热至半固态。半固态。加热过程组织变化：加热过程组

6、织变化：首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒分散首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒分散在液相基体中，得到半固态金属成型所需的原材在液相基体中，得到半固态金属成型所需的原材料。料。特点：特点：对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有其独特对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有其独特的优越性，如不锈钢，铜合金。的优越性，如不锈钢，铜合金。增加了一道预变形工序，成本提高，锭坯尺寸增加了一道预变形工序，成本提高，锭坯尺寸受限制。受限制。 4、等温处理组织变化：组织变化：枝晶枝晶短枝晶短枝晶枝晶碎块枝晶碎块颗粒颗粒均匀化均匀化颗粒长大颗粒长大还有什么其它方法？还有什么其它方法？ 晶粒细化晶粒细化 超声波

7、细化超声波细化半固态成形工艺半固态成形工艺主要有两种：流变成形和触变成形主要有两种：流变成形和触变成形 流变成形是将获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度流变成形是将获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度下下直接直接送往成形设备进行成形加工，通常称为半固态金属送往成形设备进行成形加工，通常称为半固态金属的流变成形的流变成形(Rheoforming) 触变成形是将半固态金属浆料进一步触变成形是将半固态金属浆料进一步凝固凝固成坯料后，再按成坯料后，再按需要将坯料分切成一定大小，把这种切分的半固态坯料需要将坯料分切成一定大小，把这种切分的半固态坯料重重新加热新加热到半固态温度，然后将半固态坯料送往成

8、形设备进到半固态温度，然后将半固态坯料送往成形设备进行成形加工行成形加工 (Thixoforming)高温合金半固态组织高温合金半固态组织a 铜合金铜合金b 不锈钢不锈钢c 低合金钢低合金钢 铝合金铝合金铝基复合材料铝基复合材料SIMA加工过程组织变化a 原始组织b 挤压预变形后C 挤压预变形后再加热至半固态重力铸造重力铸造半固态铸造半固态铸造ZL101A合金不同成型方式显微组织对比液态成形液态成形半固态成形半固态成形ZL101AZL101A合金力学性能对比合金力学性能对比合金状态抗拉强度（MPa）屈服强度(MPa)延伸率（%）ZL101A普通铸造普通铸造（T6T6）310310 提高量 27

9、MPa27MPa248248提高量20MPa3 3提高量 300%300%半固态压铸半固态压铸（T6T6）3373372682681212半固态成形技术应用 1978年，美国年，美国Alumax公司建成了世界上第一条公司建成了世界上第一条汽车零部件的触变生产线。汽车零部件的触变生产线。 19881998年间，生产的铝合金汽缸，用于年间，生产的铝合金汽缸，用于Volve、BMW 、Audi等汽车等汽车 为为Ford汽车公司生产的汽车公司生产的1500万件铝合金压缩机活万件铝合金压缩机活塞，成品率几乎为塞，成品率几乎为100。 此外，应用于铝合金轮毂此外，应用于铝合金轮毂生产效率与经济性生产效率与

10、经济性半固态主要特点半固态主要特点 凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。可适用于铸造、挤压、锻压、焊接多种加工工艺。可适用于铸造、挤压、锻压、焊接多种加工工艺。 充型平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收充型平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩小。缩小。 铸件尺寸精度高，成形尺寸与成品零件几乎相同，铸件尺寸精度高，成形尺寸与成品零件几乎相同，极大减少了机械加工量。极大减少了机械加工量。 凝固时间短，有利于提高生产效率。凝固时间短，有利于提高生产效率。 主要缺点：主要缺点：半固态成形技术对金属的合金成分有一定适用半固态成形技术对金属的合金成分有一定适用范围。需具有足够大的半固态区间，并且固相率范围。需具有