半固态加工课件

金属的半固态加工21.概述

2.半固态金属的组织特性

形成机理和力学行为

3.金属的半固态的制备方法

4.半固态金属触变成形

5.半固态金属的流变成形1.概述1.1半固态加工的概念与特点1.2半固态加工的基本工艺方法1.3半固态加工的研究及发展半固态成形在20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemings教授等提出了一种金属成形的新方法，即半固态加工技术。金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其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因相的固-液浆料(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(rheoforming)。半固态成形如果将流变浆料凝固成锭，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)至金属的半固态区，这时的金属锭一般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，称之为触变成形(thixoforming)。半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形或半固态加工(semi-solidformingorprocesingofmetals)，目前在国际上，通常将半固态加工简称为SSM(semi-solidmetallurgy)。液态加工（铸造成形）半固态加工(流变/触变成形)固态加工（塑性成形）

重力铸造精密铸造压力铸造

液态模锻液态铸轧连续铸挤半固态轧制半固态挤压半固态压铸半固态锻造

轧制锻压挤压超塑成形特种固体成形流变铸造高速连续铸造连续带液芯压下连铸轻压下半固态金属的特点半固态金属的内部结构高固相分数低固相分数在高固相分数时，液相成分仅限于部分晶界。在低固相分数时，因相颗粒游离在液相成分之中。

(5)由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可很容易地将分离的部位连接形成一体化而且与一般固态金属材料也容易形成很好的结合；半固态金属的金属学和力学特点半固态金属的分离(a)分离(b)结合（1）粘度比液态金属高，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，易实现自动化和形成新加工工艺；（2）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；（3）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。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。半固态金属的加工特点1.3半固态加工的研究及发展国外研究状况20世纪70年代初期，美国麻省理工学院的M.C.Flemings教授和DavidSpencer博士提出了半固态加工技术，由于该技本采用了非枝晶半固态浆料，打破了传统的枝晶凝固模式，具有许多独特的优点，因此关于半固态金属成形的理论和技术研究引起各国研究者的高度重视，半固态加工的产品及应用也随之得到迅速的发展。国外研究状况

20世纪80年代后期以来，半固态加工技术已得到了各国科技工作者的普遍承认，目前已经针对这种技术开展了许多工艺实验和一些理论研究。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。（1）有色金属及其合金的

低熔点材料半固态成形研究

20世纪70年代以来，美国、日本等国针对铝、镁、铅、铜等的合金进行了研究，其重点主要放在成形工艺的开发上。目前，国外进入工业应用的半固态金属主要是铝、镁合金，这些合金最成功的应用主要集中在汽车领域，如半固态模锻铝合金制动总泵体、挂架、汽缸头、轮载、压缩机活塞等。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。美国的Alumax公司1997年的两座半固态铝合金成形汽车零件生产工厂的生产能力分别达到每年5000万件。意大利的StampalSPA和FiatAuto公司生产的半固态铝合金汽车零件重达7kg，而且形状很复杂；意大利的MM公司（MagnetiMarelli）为汽车公司生产半固态铝合金成形零件，在2000年达到日产7500件。瑞士的Bubler公司已经生产出铝合金半固态触变成形的专用SC型压铸机（实时压射控制和单一压射缸）和铝合金半固态坯料的专用二次加热设备。日本的SpeedStarWheel公司已经利用半固态金属成形技术生产铝合金轮载（重约5Kg）。半固态研究加工实验浆料的制备：机械搅拌法；单辊旋转法；电磁搅拌法；超声振动法；直流脉冲法。成形工艺：压铸成形；模锻成形；注射成形；连铸成形。理论研究工艺的实现、组织性能；浆料固相分数的控制与测定、输送、工艺参数（变形抗力、成形线速度、铸型温度）对试样表明质量、内部成分和组织分布规律的影响。纤维和颗粒增强、与陶瓷的复合材料研究；凝固模型的建立和理论模型。（2）高熔点黑色金属的半固态成形研究

采用半固态加工方法所研究的高熔点材料涉及D2、HS6-5-2高速工具钢、100Cr6钢、60Si2Mn弹簧钢、AISI304不锈钢、C80工具钢、铸铁等钢铁材料；固态加工方法涉及触变锻压、挤压、铸造和直接流变轧制及喷铸成形等。20世纪70年代后期陆续开展了半固态金属成形技术的研究，但这些尝试大都利用机械搅拌法进行流变铸造或触变铸法研究。中科院金属研究所是国内最早开展半固态加工研究的单位之一，较早进行了“铝合金半固态铸造”等的研究，自行设计制造了“半固态浆料制备设备”，研究了“半固态组织在凝固过程中析出规律”等等，研制了“半固态压铸刹车器活塞毛坯直接连续成形”，“石墨铝合金复合材料细纱锭盘”等。国内研究状况国内研究状况20世纪80年代中期，我国研究者大多转向半固态制备复合材料和个别通用牌号材料的流变特性的研究，取得了一些成果，如有的研究者利用晶粒细化首先获得细小技晶的ZA12合金锭坯。20世纪90年代以后，一批研究院所和大学在有色金属及其合金等低熔点材料半固态加工和钢铁等高熔点材料的半固态加工方面开展了较广泛的研究。北京有色金属研究总院在国家“863”计划和院科研基金的支持下对铝合金半固态加工技术的研究和应用上取得了很大进展，通过与东风汽车公司合作，采用半固态压铸技术在生产现场实现了汽车空压机连杆和空调器涡轮两种汽车零件的批量生产。近年来，国内的一些大学在半固态合金的流变和触变行为、针对铝合金。镁合金的半固态金属加工技术、成形过程的计算机模拟等基础理论研究方面开展了卓有成效的工作。2半固态金属的组织特性

形成机理与力学行为2.1非枝晶的形成与演化2.2铝合金的半固态凝固组织及其影响因素2.3铸铁及钢的半固态凝固组织及影响因素2.4半固态金属的力学行为2.1非枝晶的形成与演化与常规铸造方法形成的枝晶组织不同，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。60Si2Mn合金的球形晶粒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（但不能让合金完全熔化），它也不会变成枝晶。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本因素。非枝晶的形成半固态铸造与常规铸造的组织比较（左）Sn-15％Pb合金的球形晶粒；（右）Al-6.6％Si合金的常规铸造组织关于有色金属半固

态组织的演变机制，主要有以下几种机理:(1)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。(2)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、温度涨落引起的热振动及在根部产生应力的作用，有利于熔断，同时固相中根部熔质含量较高,也降低熔点，促进此机制的作用。枝晶臂发生熔断示意图（3）枝晶臂弯曲机制此机制认为，位错的产生并累积导致塑性变形。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。

机械搅拌后，初生相由树枝晶转变成球状；搅拌速度降低，蔷薇状初生相增加。2.2铝/镁合金的半固态凝固组织

及其影响因素AlCu20合金共晶反应前的淬火组织(a)未搅拌(b)搅拌速率1000r/min(c)搅拌速度750r/minabc机械搅拌机械搅拌AZ91D镁合金的显微组织（a）未搅拌的铸态组织（b）机械搅拌组织（a）冷却速度1℃/min，剪切速度94.7/s（b）冷却速度5℃/min，剪切速度94.7/s

低冷却速度下的初生α-Mg比高冷却速度下的要粗大，但初生α-Mg颗粒的形态要圆整。影响半固态金属浆料中初生固相大小的主要因素是凝固时的冷却速度，冷却速度越大，初生固相的尺寸就越小。冷却速度过快，初生相的形貌不太完整，冷却速度慢，形貌比较完整。AlCu24合金初生固相大小与搅拌速度之间的关系AlMg10合金的半固态组织剪切速度200s-1，冷却速度1.5℃/min，搅拌时间：a)3minb)5min

搅拌时间的增加，初生相α-Al形貌更加完整，组织中蔷薇状初生α-Al的尺寸明显减小。3.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，但常用的方法主要是电磁搅拌法和机械搅拌法，其中电磁搅拌法占主导地位。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形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。该方法不污染金属液，金属浆料纯净，不卷入气体，可以连续生产流变浆料或连铸锭坯，产量可以很大。影响电磁搅拌效果的因素有搅拌功率、搅拌时间、冷却速度、金属液温度、浇注速度等。由于加工过程的局限性，通常认为，直径大于150mm(6英寸)的铸坯不宜采用电磁搅拌法生产。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

金属熔体所受的电磁力F与金属熔体的感应电流密度I和旋转磁场的磁感应强度B有如下的关系：

F=I×B式中:F一金属熔体所受的电磁力；

I—金属熔体的感应电流密度；

B—旋转磁场的磁感应强度。金属熔体的感应电流密度的大小可用下式表示：I＝λ（v×B）电磁搅拌式中：I—金属熔体的感应电流密度；

v—旋转磁场相对于金属熔体的运动速度；

B—旋转磁场的磁感应强度；

λ—金属熔体的电导率。

影响金属熔体搅拌强度的主要因素有旋转磁场的磁感应强度、旋转磁场与金属熔体的相对速度、金属熔体电导率。电磁搅拌功率

随着搅拌功率的提高，初生α-Al由枝晶向球状晶过渡，并逐步变得理想。AlSi6Cu3Mg合金电磁搅拌组织电磁搅拌连铸速度（a）3mm/s（b）3mm/s（c）4mm/s（d）5mm/sabbc电磁搅拌功率对半固态AZ91D镁合金显微组织的影响

搅拌频率200Hz，搅拌功率(a)0.5Kw(b)1.0Kw(c)2.0Kw电源频率对半固态AZ91D镁合金组织的影响搅拌功率2kW，频率(a)20Hz(b)30Hz(c)50Hz(d)150Hz2.机械搅拌法

机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中的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。机械搅拌法分为非连续机械搅拌法和连续机械搅拌法。3.应变诱导熔化激活法strain-inducedmeltactivationprocess，SIMA。

利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯，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，然后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量，最后按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，迅速其加热到固液两相区并适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料。4.液态异步轧挤法

液态异步轧挤法实质是剪切-冷却-轧制(shearing-coolin-rolling)，简称SCR法，其工艺原理是：利用一个机械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

超声振动法制备半固态金属浆料的基本原理是：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。超声振动波作用于金属熔体的方法一般有两种，一种是将振动器的一面作用在模具上，模具再将振动直接作用在金属熔体上，但更多的是振动器的一面直接作用于金属熔体。试验证明，对合金液施加超声振动，不仅可以获得球状晶粒，还可以使合金的晶粒直径减小，获得非枝晶坯料。6.粉末冶金法

粉末冶金是一种金属或合金快速凝固技术，它利用金属雾化技术的方法制备细小的金属粉末。雾化技术就是利用离心力、机械力或高速流体冲击力等外力的作用使金属熔体分散成尺寸很小的雾状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固。粉末冶金法制备半固态金属坯料的一般工艺路线是：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，即可获得半固态金属坯料。7.倾斜冷却板制备法

金属液体通过坩埚倾倒在内部具有水冷装置的冷却板上，金属液冷却后达到半固态，流入模具中制备成半固态坯料。倾斜冷却板装置设备简单、占地面积小，可方便地安装在挤压、轧制等成形设备的上方。倾斜冷却板（Coolingslope）制备半固态坯料的工艺及设备图4半固态金属触变成形

4.1Thixomolding成形工艺及设备

Thixomolding工艺是由美国DowChemical公司开发的技术，1992年由日本制钢所引入并完成成形机的研制开发，已成为目前半固态加工领域中最成功的、应用最广的技术之一。目前Thixomolding设备的合模力从75t至850t有6种机型系列，特殊机种也有合模力1600t机型，到2000年在世界上已销售120余台，现在正在计划开发2000～4000t级的超大型机。Thixomolding工艺(a)总体设备简图(b)螺旋搅拌及注射部分简图

设备由原料入料与预热装置、螺旋注射机及加热装置、以及压铸机等部分组成。该技术类似于塑料的注射成形法，利用碎化的颗粒状镁合金作为原料，通过料斗送人高速螺旋机进行混合、加热到半固态状态，通过喷嘴高速注射到压铸模具中，经充模、压铸、凝固得到成形件。

4.2触变压铸(Thixo-casting)

触变压铸是半固态金属通过一定截面的孔洞注入闭合的模具内并合模、加压。触变压铸是目前在工业上制造半固态金属零件应用最多的半固态成形方法。铝合金半固态压铸成形汽车用部件样品。与普通压铸成形工艺相比，半固态压铸具有成形温度低，凝固时间短，成形周期短，部件质量好(更少的缩孔和疏松)；微观组织均匀，高度自动化等优点。铝合金半固态压铸成形件(a)控制臂；(b)后门合页；(c)发动机固定架；(d)制动盘4.3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。特点是：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、孔型件和刃形辐射件等)，显著减少工艺环节，加工成本低，锻造耗能低，切削量少，材料利用率高等。半固态锻压成形铝合金及钢件实例触变挤压是将半固态金属坯料移入挤压腔内，通过模具孔挤出成形。扩大了复杂成形的范围，