《四、半固态金属加工技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四、半固态金属加工技术（82页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 半固态金属加工技术,一、 半固态加工的概念与特点,金属的液态成形:铸造；液态模锻；液态轧制；连铸等,传统的金属成形,金属的固态成形：轧制；拉拔；挤压；锻造；冲压等,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,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
2、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。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-solid forming or procesing of metals)，目前在国际上，通常将半固态加工简称为SSM(semi-solid metallurgy)。,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,
3、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，固相颗粒游离在液相成分之中 。,半固态的金属学和力学特点,（1）由于固液共存，在两者界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象，因此溶质元素的局部浓度不断变化；（2）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；（3）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；（4）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、纤维等；,图4-2 半固态金属和强化粒子(纤维)的搅
4、拌混合,(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；,半固态金属的分离,(a)分离 (b)结合,(6)即使是含有陶瓷颗粒、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； (7)当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别流动的情况，一般情况下，存在液相成分先行流动的倾向或可能性；,半固态金属变形时液相成分和固相成分的流动,半固态合金搅拌过程的组织演化,普通铸造组织中初晶呈发达的树枝晶。半固态合金其初晶组织呈球状，近球状或半树枝状。,（1）粘度比液态金属高，容易控制
5、：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,半固态合金成形的发展,20世纪70年代初，美国科学家发现部分凝固的合金(partially sol
6、idified alloy)仍具有流动性，并发明了流变铸造法（Rheocasting）。之后美国和其它国家进行了深入研究，并逐渐应用于生产。目前，该方法已有许多新的发展，国外已大量用于工业生产，国内仍处于研究和试验阶段。近几年开发了许多半固态合金制备方法，如等温处理法、超声波处理法、SCR（shearing cooling rolling）法、粉末冶金法和控制浇注温度法等。,成形工艺有较大发展，触变成形工艺已很成熟，在工业中应用广泛。而流变成形工艺发展较慢。目前只有射铸成形(injection molding or thixmolding)技术应用于镁合金零件生产。但与触变成形相比，流变成形有
7、诸多优点，因而是未来成形技术的发展方向。计算机技术在工艺中得到广泛应用，包括成形过程的数值模拟及软件。半固态合金的流变性能研究，流变性能与组织的关系及性能的影响。,二、半固态金属的流变学行为 通常铸造条件下，合金固相分数为20-30%时，其宏观流动性已基本消失。但对经受搅拌的部分凝固合金，即使固相分数高达50-60%，固相呈分散粒状，仍具有一定流动性。,1、表观粘度,半固态金属的流变学性质一般通过测定合金的表观粘度来研究。 普通铸造过程浇铸温度高于液相线，合金以全液态形式浇入铸型，全液态金属属于牛顿液体，粘度是一常数。不随切变速率变化。,部分凝固合金属于非牛顿流体，属于伪塑性体，粘度不是常数，
8、随切变速率的变化而改变。用表观粘度的概念表征非牛顿流体。表观粘度为：a=/a为表观粘度，Pas；为切变速度，s-1；为切应力，Pa,2、影响流变性的因素,部分凝固合金虽然具有流动性，但其表观粘度远远高于全液态合金，这种高粘度固液两相流体的铸造是困难的。 表观粘度构成了凝固合金流变性的主要方面，为使流变铸造顺利完成，对部分凝固合金表观粘度的控制至关重要。,（1）固相体积分数对表观粘度的影响,不同搅拌转速下的afs曲线,（2）剪切速率对表观粘度的影响,在相同固相体积分数下，表观粘度随剪切速率的上升而下降，满足Power定律：=kn-1式中为表观粘度， 为剪切速率，k为反映稠密度的常数，n为常数。,
9、剪切速率对表观粘度的影响,（3）冷却速度对表观粘度的影响,不同冷却速度下afs曲线,（4）合金成分对表观粘度的影响,不同合金成分的afs曲线,3、流变性与组织的关系,半固态金属材料的性质（如表观粘度）必然受到材料内部微观组织状态的影响。 部分凝固合金的内部组织状态由它的固相组织状态决定。固相的数量、大小、形状和分布等参数决定了表观粘度的高低。,（1） 固相分数 固相分数越高，部分凝固合金液相量越少，流动性越差。表观粘度随固相分数增加而上升。（2） 搅拌强度对半固态组织的影响 电磁搅拌用磁感应强度描述搅拌强度，电磁搅拌造成“晶粒倍增”。,不同搅拌强度下Al-6.6%Si合金组织,在电磁搅拌作用下
10、，铝液的湍流对流不断将热脉冲带到液固界面，加速枝晶臂的熔化，枝晶臂被分离后，随湍流带到稍微过冷的液体中，形成新的晶体，造成晶粒倍增。 搅拌强度越大，晶粒倍增现象越明显，晶粒越细小。,搅拌速度越高，固相颗粒比较分散，而低搅速下固相颗粒聚集现象明显。Al-10%Cu在不同搅拌速度下的流变组织(a)n=2.38r/s (b)n=7.16r/s,（3） 冷却速度 固相分数一定时，低冷却速度的固相颗粒平均尺寸较大。原因是达到同样固相分数所需的时间较长，颗粒生长的时间长；高冷却速度，达到同样固相分数所需时间较短，颗粒长大受到限制，颗粒较小。,（4）合金成分 合金浓度越高，越有利于产生成分过冷，使固液界面不
11、稳定，结果使界面不光滑，颗粒包裹的液相多，表观粘度增加。Al-Cu合金流变组织(fs=46%)(a)Al-5%Cu合金 (b)Al-10%Cu合金,三、半固态加工的基本方法,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,1、流变成形：将制备出的半固态金属浆料直接成形；优点是工艺流程短，生产成本低，但工艺路线的可控性差，目前还处于研究阶段。2、触变成形：包括半固态浆料制备、半固态坯料的二次加热、触变成形三个工艺过程；优点是可控性高、易于实现工业化规模生产并明显提高成形合金的综合性能。,3、铸锻成形,液态金属浇入金属模中，在高压
12、下凝固并产生半固态塑性流变的成形方法。是金属凝固（铸造）和塑性成形（锻压）两个过程的复合。,工艺简单，成本低，成形产品的性能好，质量可靠，应用广泛。,主要方法：,(1) 液态模锻,介于压力铸造与模锻之间的工艺。,（2） 液态挤压,具有液态模锻和热挤压变形特点的方法。 在高压下发生流动、结晶凝固挤压至成形模口大塑性变形成形成制品。,（3）连续铸挤,将已凝固和待凝固的金属一起挤压变形，实现半固态加工。,（4）液态轧制,将液态金属直接浇入两轧辊组成的辊缝之间，随轧辊旋转带入变形区，实现半固态轧制。,4、复合铸造,指对处于液固两相区的金属进行强烈搅拌，同时加入陶瓷颗粒或短纤维等增强相，形成复合材料半固
13、态浆料，再进行流变成形，触变成形和铸锻成形的工艺。半固态合金的触变性能使增强相分散存在。,四、半固态金属关键成形技术,（一）半固态金属浆料的制备1、机械搅拌法优点：是最早采用的方法，设备构造简单，操作方便；通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝状晶破碎成为颗粒结构。缺点:高温下机械搅拌构件的热损耗大，被热蚀的构件材料对半固态浆料会产生污染，因此对搅拌构件材料的高温性能要求较高。,(a) 间歇式 (b) 连续式 图4-5 半固态机械搅拌装置示意图,几种机械搅拌装置示意图(a)棒式 (b)螺旋式 (c)底浇式 (d)倾转式,2、电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或
14、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。,(a)垂直搅拌式 (b)水平搅动式 (c)螺旋搅动式 图4-7 电磁搅拌制备半固态坯料的三种搅拌方式示意图,3、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
15、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。,图4-10 超声波振动半固态浆料制备原理示意图,4、应变诱导熔化激活法,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。,（二）半固态金属坯料的二次加热 合金坯料的半固态重熔加热是一个重要过程，要求坯料的加热温控精度很高，即使1-2K的误差就会显著影响坯料的组织和搬运性，同时要求坯料的重熔加热有一定的速度。1、二次加热装置 目的：获得不同工艺所需要的固相体积分数，是半固态金 属棒料中细小的枝晶碎片转化成球状结构，为触变 成形创造有利条件。 加热装置：感应加热。,
