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1、铸造材料与工艺铸造材料与工艺 半固态铸造半固态铸造北京科技大学材料加工与控制工程系北京科技大学材料加工与控制工程系 毛卫民毛卫民半固态金属铸造的发展和应用半固态金属铸造的发展和应用Development and Application of Development and Application of SemiSemi- -Solid Metals castingSolid Metals casting一一 引言引言 1.11.11.11.1半固态金属及成形、半固态金属组半固态金属及成形、半固态金属组半固态金属及成形、半固态金属组半固态金属及成形、半固态金属组 织的特点织的特点织的特点织的特点
2、传统铸造：在传统的金属铸造中，浇注 的金属都是过热的金属液，如压铸（传统铸造：在传统的金属铸造中，浇注 的金属都是过热的金属液，如压铸（die casting）、金属型铸造、液态模锻 （）、金属型铸造、液态模锻 （liquid forging or squeeze casting）、 砂型铸造（湿型、干型、树脂砂型、水 玻璃砂型等）、连续铸造。）、 砂型铸造（湿型、干型、树脂砂型、水 玻璃砂型等）、连续铸造。半固态金属：半固态金属：若在金属凝固过程中，对 其施以剧烈的搅拌作用，得到一种液态 金属母液中均匀悬浮着一定量的球状初 生固相或退化的枝晶固相（degenerated dendrite）的
3、固液混合浆料（也称流变 浆料），这种固液混合浆料就是我们 所讲的半固态金属，即Semi-Solid Metal, 简称SSM。金属半固态成形：金属半固态成形：利用上述半固态金 属浆料进行成形加工，称之为金属的半 固态铸造或成形，即Semi-Solid Casting or Forming of Metals。注意：（1）金属半固态成形好比冰激 淋成形一般；（2）金属半固态成形与液 芯轧制、低温挤压铸造不同。半固态金属组织如下图所示半固态金属组织如下图所示半固态金属流变组织 (a)组织示意图，(b)Sn-15wt%Pb合金半固态组织，固相分数0.6，剪切速率 230s-1Structure ev
4、olution in Sn-15% wt pct Pb alloy,isothermally sheared at a rate of 230 s-1with 0.45 fraction solid:(a)730 s and (b) 2400 s.Comparison of (a) Dedritic and (b) Rheocast structure of stainless steel 440A.AlSi7Mg合金显微组织 左为传统凝固的枝晶组织，右为电磁搅拌的半固态组织半固态金属的组织特点：半固态金属的组织特点：（1）球状或类球状初生固相； （2）初生固相中夹裹着一些薄层液相 （3）初生
5、固相在母液中均匀分布。1.2 1.2 金属半固态成形的发现金属半固态成形的发现金属半固态成形的发现金属半固态成形的发现发现经过：发现经过：20世纪70年代初，美国MIT 的博士研究生D B Spencer在研究Sn- 15%wt Pb合金的高温热裂特性时，偶然 发现了金属的半固态力学行为和组织特 点。D B SpencerD B Spencer 研究仪器研究仪器研究计划的规定研究计划的规定首先让过热的金属液在双桶粘度计中冷 却凝固，在某个固相分数下，开始转动 外桶，剪切已经部分凝固的金属熔体， 检测剪切应力的变化规律。当按研究计 划进行实验时，金属熔体的剪切应力较 大，如当fs=0.41时，金
6、属熔体的最大剪 切应力约为200 kPa，如下图所示。研究计划的偶然改变研究计划的偶然改变研究计划的偶然改变研究计划的偶然改变从液相线温度以上开始搅拌，边搅拌边 降温，金属熔体的剪切应力显著下降， 降低约3个数量级，如当fs=0.41时，金属 熔体的最大剪切应力约为0.2kPa，如下图 所示。金属半固态铸造或成形的诞生金属半固态铸造或成形的诞生金属半固态铸造或成形的诞生金属半固态铸造或成形的诞生经过组织检查，发现了奇特的半固态金 属的组织。这些发现引起了MIT的M C Flemings 教授的特别重视，投入大量人 力、物力，进行了深入、广泛的研究， 创立了金属半固态铸造或成形技术。M C Fl
7、emings , Professor of MIT1.3 1.3 金属半固态成形的基本分类金属半固态成形的基本分类金属半固态成形的基本分类金属半固态成形的基本分类流变铸造（流变铸造（rheocasting）金属液 搅拌、凝固半固态浆料 输 送 成形流变压铸工艺示意图 (a)连续搅拌制备半固态浆料,(b)浆料被送入压室,(c)压射成型,(d)压铸件触变铸造（Thixocasting）金属液 搅拌、凝固 半固态浆料 铸 锭 切分 半固态重熔加热输送 成 形半固态触变压铸成型(a)连续搅拌制备半固态 浆料,(b)半固态浆料凝固 成坯料, (c)坯料切分,(d) 坯料半固态重熔加热,(e) 坯料被送入
8、射室,(f)压射 成型,(g)压铸件小刀切割重熔加热的半固态金属坯料半固态金属挤压成形半固态金属挤压成形半固态金属轧制成形半固态金属轧制成形二二二二 金属半固态成形的理论基础金属半固态成形的理论基础金属半固态成形的理论基础金属半固态成形的理论基础半固态金属理论研究的重点之一是：组 织形成与演化机制；表观粘度（apparent viscosity ）与剪切速率（shear rate ）、 冷却速率、固相率之间的关系；表观粘 度与时间的关系。通过上述研究可以加 深对半固态金属本质的认识。2.1 2.1 组织形成与演化机制组织形成与演化机制组织形成与演化机制组织形成与演化机制2.1.1 Flemin
9、gs2.1.1 Flemings观点观点观点观点在搅拌的作用下，初生枝晶由于熟化作用， 也由于初生枝晶之间以及它们与液体之间发生 碰撞、摩擦和冲刷作用，初生枝晶逐渐转变为 玫瑰花状，最后转变为球状，如图所示： （a）折断的枝晶碎块；（b）枝晶碎块长大； （c）枝晶臂弯曲变形；（d）枝晶臂进一步弯 曲、熟化（ripening）；（e）接近密实的球状 固相。从（a）到（e），随着剪切速率的提高 和冷却速率的降低而加快。2.1.2 Vogel2.1.2 Vogel等人的观点等人的观点等人的观点等人的观点假设在接近熔点温度下，初生的-Al枝晶具有 一定的韧性；虽然此温度下的-Al枝晶较脆 弱，但这种假
10、定的韧性使得-Al枝晶在搅拌的 紊流之中只发生弯曲而不至于断裂。 在搅拌过程中，如果一个-Al枝晶臂相对于枝 晶主干弯曲了角，就要求枝晶臂中必须存在 附加的位错（extra dislocation），这些位错将 会因为回复和再结晶过程的发生而转变成晶 界，那么该晶界就具有角大小的取向错误。由于晶界的能量随着晶界取向错误的增 加而增加，此外大角度晶界的能量一般 都比固液相的界面能大两倍以上，如Al 的晶界界面能量约为0.6Jm-2，而Al的固 液界面能量约为0.09Jm-2，那么这种晶界 完全会被液体薄膜所浸润。最后该枝晶 臂就会由于晶界引发的熔化作用而从枝 晶主干上脱落下来。2.1.3 2.1
11、.3 DoheryDohery等人的观点等人的观点等人的观点等人的观点由于剪切作用，柔软的初生枝晶臂将会发生塑 性弯曲，弯曲将以位错（geometrically necessary dislocations）的形式使枝晶臂发生取 向错误，这些位错的迁移会形成晶界。大于20 取向错误的晶界所具有的能量比固液界面能量 的二倍还要大。如果这种高能量晶界在枝晶臂 中形成并与液相接触，晶界就会被液体薄膜所 取代，枝晶臂便会最终从初生晶粒的主干上脱 落下来。2.1.4 2.1.4 作者等人的观点作者等人的观点作者等人的观点作者等人的观点作者认为：在电磁搅拌下，连铸坯料组 织中蔷薇状初生-Al的二次臂不发生
12、弯 曲，也可以通过二次臂根部熔断转变为 球状，因为搅拌会使熔体产生强烈的温 度起伏，引起二次臂的熔断。初生枝晶在电磁搅拌下的演化 (a)610淬火,未搅拌,(b)599 淬火,搅拌216S作者假说成立的理由如下：首先，电 磁搅拌使熔体中的温度场和溶质场变得 很均匀，整个合金熔体几乎在同一时刻 被冷却到相同或很相近的形核和生长温 度，整个断面的熔体几乎获得相同的形 核速率，即初生固相晶粒几乎在整个断 面处处形核，抑制了初生固相晶体的择 优生长，消除了一次臂很长的树枝晶， 而是形成细小的蔷薇状初生固相，细化 了晶粒，而尺寸细小的晶粒便于随熔体 一起运动将有利于二次臂根部的熔断。未电磁搅拌下的熔体温
13、度场电磁搅拌下的熔体温度场 搅拌条件：50Hz，4116W电磁搅拌会引起蔷薇状初生-Al枝晶出 现强烈的温度起伏。 搅拌功率是形成 球状初生-Al 的又一重要影响因素。 搅拌时间是形成球状初生-Al的重要影 响因素。电磁搅拌引起的流动特点 (a)电磁搅拌引起液穴,(b)金属熔体的流动方式电磁搅拌时形成的细小蔷薇状晶粒 (a)614淬火,搅拌71s,(b)595 淬火,搅拌1035s2.1.52.1.5球状初生固相晶粒大小的影响因素球状初生固相晶粒大小的影响因素球状初生固相晶粒大小的影响因素球状初生固相晶粒大小的影响因素球状初生固相晶粒的大小与冷却速率密 切相关，冷速越大，球状初生固相晶粒 越小
14、，而冷速越小，球状初生固相晶粒 越大；大，则可达几百m，小，则可达 3040m。球状初生固相晶粒的大小与 剪切速率关系不太密切，总趋势是：剪 切速率越大，球状初生固相变小。2.2 2.2 表观粘度的变化表观粘度的变化表观粘度的变化表观粘度的变化粘度是描述液体粘性大小的物理量，单 位Pas 或Ns/m2，用表示，即 =dv/dy。对于牛顿体，为常量，称 之为液体的粘度。对于半固态金属，它 是非牛顿体，为变量，与剪切速率有 关，所以称之为表观粘度，此处用表 示。2.2.1 2.2.1 表观粘度与剪切速率和固相分数的关表观粘度与剪切速率和固相分数的关表观粘度与剪切速率和固相分数的关表观粘度与剪切速率
15、和固相分数的关系系系系通过对Sn-15wt%Pb合金、Al-4.5wt%Cu- 1.5wt%Mg合金、Al-6.5wt%Si合金、Al- 7wt%Si-0.3wt%Mg合金、440C不锈钢、 AISI4340低合金钢等半固态浆料的表观 粘度研究，其表观粘度都有类似的规 律，即表观粘度随平均剪切速率的增加 而下降，随浆料固相分数的增加而增 大，如下图所示。2.2.22.2.2表观粘度与固相分数和冷却速率的关表观粘度与固相分数和冷却速率的关表观粘度与固相分数和冷却速率的关表观粘度与固相分数和冷却速率的关系系系系通过对Sn-15wt%Pb合金、Al-4.5wt%Cu- 1.5wt%Mg合金、Al-6
16、.5wt%Si合金、Al- 7wt%Si-0.3wt%Mg合金、440C不锈钢、 AISI4340低合金钢等半固态浆料的表观 粘度研究，其表观粘度都有类似的规 律，即表观粘度随平均冷却速率的增加 而增大，随浆料固相分数的增加而增 大，如下图所示。2.2.3 2.2.3 球状半固态金属表观粘度与其它物质球状半固态金属表观粘度与其它物质球状半固态金属表观粘度与其它物质球状半固态金属表观粘度与其它物质 表观粘度的比较表观粘度的比较表观粘度的比较表观粘度的比较通过研究证明：与液态金属相比，虽然 球状半固态金属的表观粘度要高三个数 量级，但在一定的剪切作用下，球状半 固态金属的表观粘度仍然很小，与牙 膏、蜂蜜、橄榄油类似，所以，在一定 的剪切作用下，球状半固态金属的成型 性很好，如下图所示。不同材料的表观粘度的比较2.32.3半固态金属的触变性半固态金属的触变性半固态金属的触变性半固态金属的触变
