金属半固态成形的现状与未来发展

《金属半固态成形的现状与未来发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属半固态成形的现状与未来发展（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、金属半固态成形的现状与未来发展(*， 河南 451191)摘 要：本文从半固态成形技术的背景、半固态金属的特性、成形工艺、非枝晶锭料的 制备1及其机理、二次加热、应用等方面论述了金属半固态成形技术的发展史及研究现状并 叙述了我国半固态成形技术的研究状况与应用前景。关键词：半固态成形技术；半同态金属；成形工艺；工业应用；发展前景Status of semi-solid metal forming and its futuredevelopmentLI Ji-lei(Henan Institute of Engineering, Henan 451191 China)Abstract：The hi

2、story 8nd status of metals semi solid forming technology were reviewed from its background， semi-solid metals characteristics， forming operations production methods of non-dendritic structural billet and their mechanisms， reheating and applicationsThe present status and application perspective of th

3、is technology in China is also discussedKey word：semisolid forming technology ； semi-solid metals； forming technology； industrial application；future development2 0世纪7 0年代美国麻省理工学院的M. C. Flemings教授等发 现了材料的半固态现象，首次提出了材料的半固态成形技术。【1】，并对半固态合 金球状晶的形成机制、浆料的力学和成形性进行了深入研究，创立了金属半固态 成形的概念、理论和技术。由于材料在半固态状态下独特的加工

4、特性，如变形抗 力小，加工温度较低，生产效率高，制品尺寸精度高，表面质量好，铸件缺陷少， 能够实现近净成形，适用于多种加工工艺，半固态成形技术引起了国内外学者的 广泛关注，但大量实验和研究都集中在铝、镁等低熔点合金。到2 0世纪9 0年 代，铝镁合金的半固态研究已经发展到了一个比较成熟的阶段，在工业应用上也 取得了较大的进展。由于钢铁材料熔点高，受加工设备高温性能局限性影响较大， 半固态浆料的制备、储存、输送困难、流变学行为不易测定，国内外对钢铁材料 的研究相对较少，起步也比较晚，对它的研究和工业应用还处在一个开发、探索 阶段2。 对现阶段钢铁材料半固态成形研究而言，制备合格的半固态浆料是半固

5、 态技术的关键。本文综述了目前钢铁材料半固态成形的理论研究、浆料制备方法 的研究现状，并对该领域的研究发展方向做出了展望。1非枝晶半固态金属的特性非枝晶半固态金属不同于传统凝固所得的半固态金属，它是一种由低熔点的 液态金属和悬浮于其中的球状非枝晶初生晶粒组成的混合物，具有许多特性。表观粘度低。经强烈搅拌的固相分数为0. 40. 5的半固态金属.其表 观粘度在0. 110Pas之间，与黄油(0. 1Pas)、甘油(1Pas)和蜂蜜(10Pas) 的表观粘度相当”，仅比水或纯液态金属高出24个数量级，在重力下仍具有 流动性，这是引发半同态成形技术最重要的特点，保证了在一定压力下半固态金 属良好的充

6、型能力，能够获得形状复杂的零件。而在普通铸造条件下，初生品以 枝晶方式长大，当同相分数达到 0. 2 左右时，技晶就形成网络骨架，从而失去 宏观流动性。(2) 触变性。非枝晶半固态金属静置一段时间后，粘度将急剧增大。研究表 明,当某种材料的粘度达到106Pa s时，就可以进行搬运，而固相分数为0. 4 0. 5 的非枝晶半固态金属经静氍后.是很容易达到此值的，所以就可以象固态 金属一样进行搬运。当施加剪切力或搅拌时，叉会恢复到原态，象液态金属一样 具有很好的流动性3。正是利用这一点，半固态成形可以实现全自动化控制。(3) 比液态金属的热容量低。由于半固态金属中已有相当分数的已凝固金属 存在，因

7、而成形时金屑的凝固速度快，生产率高；另外，与传统的铸造相比，半 固态金属未达到熔点温度，成形温度低，对模具的热冲击小，不仅能延长模县寿 命，而且还可以成形高熔点的金属，并能节约能源。(4) 比液态金属的粘度高。以层流方式充型，减少或消除r充型时的气体卷入。 半固态金属的粘度可以根据需要进行凋整.粘度公式为n =d-exp(BvjY RvP+d4式中n，b，c，d常数vp固相分数Y剪切率当 y 一定时，即压头压下速度、坯料和模具进料口尺寸一定时，口主要与 Vp 有关，而 VP 与温度有关：温度越高， VP 越小，反之，则 VP 越大，也就是说， 可以通过调节坯料的加热温度而获得所需的粘度。 3(

8、5) 有相当比例的球状固相存在。即与传统的铸造相比，已有一部分金属凝 固，且为球状颗粒，这一方面减少 r 铸件的凝固收缩，另一方面提高了补缩能力。 从而减少或消除了缩松倾向，可以制得无缩松、少偏析、组织细小的近净形零件。2 半固态成形应用技术水平半固态成形分触变成形、流变成形和射注成形 3 种。触变成形和流变成形主 要区别在于：前者把制坯与成形结合在一起，而后者则把制浆与成形结合一起 如图1 所示。触变：|制浆T铸成坯H切割IT二迭加热成形流变孑制浆一成形图1 触变与流变工艺流程Fig1 Flowchart of thixotropy and rheology technology显然，触变工

9、艺流程长，但它可以组织专业化生产，质量便于控制，因此成 为半固态成形应用于生产主要工艺之一。而流变成形，涉及生产节拍及过程稳定、 质量控制等问题，应用还有限。但由于其工艺流程短，有显著节能效益，成为当 前研究的热点4，并期望有新的突破。目前应用生产领域：主要有铝合金触变压 铸、铝合金触变模锻和镁合金射注 3 种5。3半固态合金的流变性能影响半固态合金流变性能的主要因素是浆料的固相分数等温温度和剪切速 率当剪切速率一定时，表观粘度随固相分数的增加而增加，流型变化为牛顿流 体）拟塑性流体）宾汉姆流体。研究表明:当流体组织随剪切历程、时间变化较小时 其等温稳态的流变规律为：当固相分数一定!则表观粘度

10、随剪切速率的增大和冷 却速率的降低而下降，即呈假塑性特征，而当剪切速率一定，固相分数增加时则 相应的剪切力随之增加当浆料处于实际工艺条件下如压铸，其充型过程持续时 间只有0.01s0.2s，属于等温动态流变范畴，其流变行为则属于胀流型。国内外对半 固态Sn-15%pb ZA-12合金的动态流变行为的试验研究表明!浆料表观粘度随剪切 速率增加而增加,与稳态时流变特性相差远。例如：在半固态合金的等应变速率 压缩实验中直接得到的数据是压力和夹头位移的关系!经过转换，得到其真应力 （真应变曲线如图所示图1【6】可知，在压缩变形刚开始的时候，即应变值从0 增 加到 0.01 左右时!随着应变的增加，应力

11、是急剧增加的，并上升到峰值应力达到 峰值以后，随着应变的增加!应力会在峰值水平维持一段时间!这可以称作稳定触 变流动阶段在触变流动初始化阶段，由固相颗粒搭成的结构框架在压力的作用 下逐渐被扭曲变形!直至被彻底击破，从而进入后期的稳定触变流动过程 因此，在设计具体的半固态合金触变成形工艺时，可以使半固态合金坯料在进入模具腔 体之前，先经历一个触变流动的初始化过程，这样就可以使坯料更容易地在模具 腔体内流动。同时流动过程也更加稳定!有利于半固态合金填充模腔中空间狭小 的部位进入稳定触变流动阶段，以后尽管真应力有一定程度的波动，但总的来说 在逐渐下降，这一特点对于实际成形工艺中的金属充型是非常有利的

12、。0-5 |-Ii - 0.0010.20.30.4I 临cut 0.7真应变图 2 半固态 AL-6.6%Si 合金在液固两相区压缩变形的真应力 - 真应变曲线从应力（应变曲线还可以看到：当应变达到 0.4 左右以后!应力又开始缓慢回 升这主要是由于大变形使试样出现侧翻，夹头与试样的接触面积增加而使摩擦 力增加所致。4 半固态合金的触变特性相比半固态合金的流变性!触变性强调的是表观粘度与剪切时间的依赖关系 它表征半固态浆液的依时行为 即在剪切作用下 !合金液的表观粘度随时间连续 下降静止时表观粘度随之恢复。M.C.Flemings 研究半固态 AL-6.6%Si 合金表观粘度与剪切速率下关系

13、时指出! 当剪切速率恒定时,瞬态表观粘度较稳态要低这是因为!微观组织结构还没有足 够的时间来调整以适应新的剪切速率,随着剪切时间的延长!固相颗粒的聚集程度 减弱,在一定剪切速率延时搅动 !表观粘度趋于稳定值,停止搅动时固相颗粒的聚 集程度加剧,表观粘度随之恢复由此可见!半固态合金的微观组织形态直接影响 其触变行为!揭示非枝晶组织与触变性能之间的关系是研究半固态合金触变行为 的重要途径.【7】5 半固态成形后的力学性能半固态成形主要是采用流变铸造的铸锭重新加热到固两相之间的温度，再挤 压或锻造成零件实践证明!由于半固态金属具有触变性 !铸坯在成形中具有明显的超塑效应和 充填性能!而且变形抗力也小

14、!可在较高速度下变形从变形机理分析!其，变形过程是一个从塑性变形 到超塑性变形的过程，表 1 所示为铝合金在不同的加工方法与热处理状态下机械 性能8从表中可以清晰地看出：半固态成形技术的优越性。譬如：经过触变成形 的 A356 合金在 T6 热处理状态下，比经过普通砂型铸造所得的铝合金具有更优良 的机械性能!并且可与锻件的性能相近。不少学者还研究了一些高熔点合金材料 经过半固态加工后的力学性能，如表 2【9】所示：表 1 ：不同加工方法获得铝合金的机械性能比较合金加工 方法热处理 状态屈脈应力CMNm 2)抗拉强度(Miii 3)挺伸率 (%)硬度(HB)铸造合金A356SSM铸造110220

15、1460CAl7SiO,3Mg5SMT41302502070SSMT5180饭5-10SSMT624032012105SSMT7颁3109100PMT61貓却吕30PMTS11382CDFT62B03409A3575SM铸造11522075(Al7SiO,6kfe)SSMT41502751535SSMT52002R55-1090SSMT6颁妙9115SSMT7却0330,ri110PMT62S63595100PMTS114 E却。4锻造合金3017SSMT4276S, K甜CAI ICuMg)WT427542722105益甬SSMT829035玄5珈(AlflCu)WT6275400839M3T6旳405& 61Q4(Al G