第六节-半固态金属流变

1、液态金属的停流机理液态金属的停流机理SLTTT0结晶温度间隔结晶温度间隔12铸造铸造液态模锻液态模锻锻造锻造挤压挤压液态液态固态固态34Sn-15%Pb合金高温力学性能Spencer知识产权知识产权5液固两相区液固两相区-流动性流动性如何？如何？ 固分增加，粘度增加固分增加，粘度增加 固体组分达固体组分达50%时，如果停止搅拌，时，如果停止搅拌，粘度可达粘度可达106Pas 被被剪切剪切时，其时，其粘度迅速下降粘度迅速下降，仍能保持流动的特性，可象粘仍能保持流动的特性，可象粘性液体一样以极低的粘度进行性液体一样以极低的粘度进行成形加工（触变性流体）成形加工（触变性流体）20世纪世纪70年代初，

2、年代初，MIT-Flemings与与Spencer6像固体一样可以像固体一样可以搬运搬运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液态液态固态固态7半固态半固态半固态粘度为什么会变小？半固态粘度为什么会变小？89枝晶枝晶10如何获得？如何获得？11半固态成形半固态成形 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。 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。

3、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，固相必须，固相必须球化和细化，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。12间歇式间歇式连续式连续式存在问题：存在问题：生产效率低、固相分数生产效率低、固相分数30%30%60%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。半固态金属半固态金属坯料坯料制备方式制备方式13之一机械搅拌法之一机械搅拌法电磁搅拌示意图电磁搅拌示意图半固态金属半固态金属坯料坯料制备方式制备方式之二电磁搅拌法之二电磁搅拌法两种产生旋转磁场的方法：两种产生旋转磁场

4、的方法：一种是在感应圈内通交流电的一种是在感应圈内通交流电的方法方法另一种是旋转永磁体法，通过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，从而属液产生明显的三维流动，从而提高了搅动效果。提高了搅动效果。缺点：缺点：设备投资大，工艺较复杂，设备投资大，工艺较复杂，成本高。成本高。14铸锭经过铸锭经过20%20%左右的预形变，然后加热至半固态。左右的预形变，然后加热至半固态。半固态金属半固态金属坯料坯料制备方式制备方式之三应力诱发熔化激活之三应力诱发熔化激活工艺：工艺：S.I.M.AS.I.M.A法法15特点：特点：l 对制备较高熔点对

5、制备较高熔点的非枝晶组织合金的非枝晶组织合金具有其独特的优越具有其独特的优越性，如不锈钢，铜性，如不锈钢，铜合金。合金。l 增加了一道预变增加了一道预变形工序，成本提高，形工序，成本提高，锭坯尺寸受限制。锭坯尺寸受限制。16连铸组织连铸组织挤压预变形后组织挤压预变形后组织SIMASIMA半固态半固态组织组织SIMASIMA加工过程组织变化加工过程组织变化组织变化：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半固态金属半固态金属坯料坯料制备方式制备方式之四等温处理之四等温处理17还有什么其它方法？还有什么其它方法？晶粒细化晶粒细化18 喷射成形技术雾化阶段喷

6、射阶段沉积阶段凝固阶段20倾斜式冷却剪切技术倾斜式冷却剪切技术 212223半固态成形工艺半固态成形工艺主要有两种：主要有两种：24触变成形触变成形流变成形流变成形25Thixocasting26Thixoforging半固态技术的其它应用2728半固态典型显微组织半固态典型显微组织2930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 31铝合金铝合金铝基复合材料铝基复合材料32重力铸造重力铸造ZL101A合金不同成型方式显微组织对比33半固态铸造半固态铸造3435ZL101AZL101A合金力学性能对比合金力学性能对比合金合金状态状态抗拉强度（抗拉

7、强度（MPaMPa）屈服强度屈服强度(MPa)(MPa)延伸率（延伸率（% %）ZL101AZL101A普通铸造普通铸造（T6T6）310310 提高量提高量 27MPa27MPa248248提高量提高量20MPa20MPa3 3提高量提高量 300%300%半固态压铸半固态压铸（T6T6）337337268268121236半固态力学性能优点半固态力学性能优点3738性能、生产效率及与经济性性能、生产效率及与经济性39液液态态成成形形半半固固态态成成形形40半固态对于铸造缺陷的影响（卷气、缩孔）（卷气、缩孔）414243半固态对于零件壁厚的影响半半固固态态成成形形半固态主要特点半固态主要特点

8、 适应范围广适应范围广 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、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。挤压、锻压、焊接多种加工工艺。 充型平稳。充型平稳。 无湍流和喷溅，气孔减少。无湍流和喷溅，气孔减少。 凝固收缩小凝固收缩小。减少了缩松、缩孔。减少了缩松、缩孔。 铸件尺寸精度高铸件尺寸精度高。 成形尺寸与成品零件几乎相同，极大减少了机械加工量。成形尺寸与成品零件几乎相同，极大减少了机械加工量。 模具使用寿命长模具使用寿命长。加工温度低。加工温度低。 生产效率提高生产效率提高。 凝固时间短。凝固时间短。 变形抗力小。变形抗力小。

9、难加工材料易于成形难加工材料易于成形 高粘度。高粘度。易于复合材料的合成易于复合材料的合成 力学性能提高。力学性能提高。44 主要缺点主要缺点成分适应性成分适应性 半固态成形技术对金属的合金成分有一定适用范围。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，纯金属、共晶合金不适合。需具有足够大的半固态区间，纯金属、共晶合金不适合。固相率控制难固相率控制难 固相率随温度变化比较缓慢，固相率随温度变化比较缓慢，精确监控精确监控半固态合金的半固态合金的固相率，保证成形过程充型能力。固相率，保证成形过程充型能力。45半固态成形技术应用半固态成形技术应用 19781978年，美国

10、年，美国AlumaxAlumax公司建成了世界上第一条汽车零公司建成了世界上第一条汽车零部件的触变生产线。部件的触变生产线。每年可生产2400万个零部件，零件单重从10g到10kg，直径最大达500mm。 1988198819981998年间，生产的年间，生产的铝合金汽缸铝合金汽缸，用于，用于VolvoVolvo、BMW BMW 、AudiAudi等汽车。等汽车。 为为FordFord汽车公司生产的汽车公司生产的15001500万件万件铝合金铝合金压缩机压缩机活塞活塞，成，成品率几乎为品率几乎为100100。 此外，还应用于此外，还应用于铝合金轮毂铝合金轮毂。46 瑞士的瑞士的BuhlerBu

11、hler公司于公司于19931993年生产出了第一台适用于铝合年生产出了第一台适用于铝合金半固态压铸的金半固态压铸的SCSC压铸机。压铸机。 美国的美国的EOPCOEOPCO，HPM Corp., Prince Machine, THT HPM Corp., Prince Machine, THT Presses,Presses,意大利的意大利的IDRA IDRA ，日本的，日本的Toshiba Machine Toshiba Machine CorpCorp和和UBE Machinery ServicesUBE Machinery Services等均已能生产半固态等均已能生产半固态铝合金触变成形专用设备。铝合金触变成形专用设备。47半固态成形技术应用半固态成形技术应用4849505152 国内预期应用53如何如何提高提高效率，效率，降低降低成本成本54搅拌时间搅拌时间15min，温度温度607ZL101原始原始组织组织等温处理，等温处理，10min，温度温度585本科毕业设计本科毕业设计（20092009年）年）55设备、模具设备、模具自主设计自主设计565758585保温不同保温不同时间的时间的显微显微组织组织a-5min；b-10min；c-15min5min10min15min59复合材料坯料触变前料触变前后显微组织对