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1、1第第5章章 半固态金属半固态金属流变成形技术流变成形技术u半固态金属的流变压铸是最早进行研究的半固态金属成形工艺。u半固态金属的流变压铸的困难：半固态金属浆料的保存、输送、定量浇注很不方便。因而，一直没有出现成熟的技术。u发展趋势：发展趋势：半固态金属流变成形的最大优势是工艺流程短、生产成本低。因此，近年来，半固态金属流变成形技术的研究越来越受到重视，一些新的流变成形方法正在取得突破性的进展。2半半固固态态金金属属加加工工的的工工艺艺流流程程图图 零件毛坯零件毛坯 熔炼、合金配制熔炼、合金配制半固态浆料的制备半固态浆料的制备流变铸造流变铸造 坯料的制备坯料的制备 下料下料局部重熔（二次加热）
2、局部重熔（二次加热）触变成形触变成形 半固态金属加工的工艺过程半固态金属加工的工艺过程3流变成形工艺流程示意图流变成形工艺流程示意图a a连续制备半固态浆料连续制备半固态浆料 b b将浆料送至压射室将浆料送至压射室 c c成形过程成形过程 d d制品制品 4触变成形工艺流程图触变成形工艺流程图 a a连续制备半固态浆料连续制备半固态浆料 b b制备半固态锭坯制备半固态锭坯 c c定量分割坯锭定量分割坯锭d d重重新新加加热热至至半半固固态态 e e送送至至压压射射室室 f f 成成形形过过程程 g g成品成品连续供给合金 感应加热 液态合金 冷却区 a b c d e f g5学习要求：学习要
3、求：掌握上述各种工艺的原理和特点。掌握上述各种工艺的原理和特点。主要介绍的流变成形工艺主要介绍的流变成形工艺：1. 传统机械扰拌式流变成形传统机械扰拌式流变成形 2. 压射室制备浆料式流变成形压射室制备浆料式流变成形3. 单螺旋机械搅拌式流变成形单螺旋机械搅拌式流变成形4. 双螺旋机械搅拌式流变成形双螺旋机械搅拌式流变成形5. 低过热度倾斜板浇注式流变成形低过热度倾斜板浇注式流变成形6. 低过热度浇注和弱机械搅拌式流变成形低过热度浇注和弱机械搅拌式流变成形7. 低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变成形低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变成形8. 流变轧制成形流变轧制成形6 5 . 1 传统机械扰拌式流变成
4、形传统机械扰拌式流变成形非连续机械搅拌非连续机械搅拌 连续机械搅拌连续机械搅拌制浆制浆压铸压铸半固态浆料制备方法半固态浆料制备方法7压铸试验装置压铸试验装置8现代压铸机现代压铸机9流变成形件的外观质量良好流变成形件的外观质量良好10流变成形件的微观组织与普通压铸差别明显流变成形件的微观组织与普通压铸差别明显11半固态成形组织中气孔缺陷被消除，内部致密度提高12传统机械搅拌流变压铸的缺点：传统机械搅拌流变压铸的缺点：机械搅拌制备的半固态合金浆料的保存比较麻烦，需要机械搅拌制备的半固态合金浆料的保存比较麻烦，需要对保存增塌或储存室进行预先加热和保温，这在实际应对保存增塌或储存室进行预先加热和保温，
5、这在实际应用中很不方便。用中很不方便。半固态合金浆料的输送也不方便，要么输送容器为一次半固态合金浆料的输送也不方便，要么输送容器为一次性消耗品，在流变成形时被压碎并混人浆料中而难以分性消耗品，在流变成形时被压碎并混人浆料中而难以分离；要么半固态合金浆料容易粘附在输送柑祸的内壁，离；要么半固态合金浆料容易粘附在输送柑祸的内壁，需要不断清理柑祸以及无法准确保证流变成形所需的浆需要不断清理柑祸以及无法准确保证流变成形所需的浆料体积，使流变成形很难顺利进行。料体积，使流变成形很难顺利进行。到目前为止，这种机械搅拌流变成形技术一直无法进入到目前为止，这种机械搅拌流变成形技术一直无法进入实际应用。实际应用
6、。135 . 2 压射室制备浆料式流变成形压射室制备浆料式流变成形 为了避免半固态合金浆料的存储和输送，日本为了避免半固态合金浆料的存储和输送，日本 Hitachi 金属金属有限公司提出了在立式压铸机的有限公司提出了在立式压铸机的压射室压射室压射室压射室中制备半固态合金浆中制备半固态合金浆料，然后直接压射成形的方案。料，然后直接压射成形的方案。制浆制浆压铸压铸14组织组织 性能性能经过经过 T6 处理（铸件在处理（铸件在 540C保温保温 4h ，淬人热水，又在，淬人热水，又在 160 时效时效 4h ) , 流变压铸件的比挤压件的流变压铸件的比挤压件的力学性能高力学性能高力学性能高力学性能高
7、一些一些，伸长率提伸长率提伸长率提伸长率提高一倍高一倍高一倍高一倍。15进一步发展：进一步发展：uHitachi金属有限公司用金属有限公司用电磁泵和热管电磁泵和热管将熔化炉中将熔化炉中的铝合金液直接送入压铸机压射室，避免与空气的铝合金液直接送入压铸机压射室，避免与空气接触，再通过氢气保护，进一步接触，再通过氢气保护，进一步减少浆料中的氧减少浆料中的氧化夹杂物化夹杂物。uu从从从从 1999 1999 年开始，该技术已经用于汽车零件的生年开始，该技术已经用于汽车零件的生年开始，该技术已经用于汽车零件的生年开始，该技术已经用于汽车零件的生产。产。产。产。16压射室制浆流变成形技术的问题：压射室制浆
8、流变成形技术的问题：u在压铸机压射室中制备半固态铝合金浆料的制备效率较低；在压铸机压射室中制备半固态铝合金浆料的制备效率较低；u电磁搅拌仍然容易引起合金熔体的飞溅和氧化；电磁搅拌仍然容易引起合金熔体的飞溅和氧化；u压铸机压射室的结构也过于复杂，降低了压铸机的生产效压铸机压射室的结构也过于复杂，降低了压铸机的生产效率，压铸机压射室的寿命也不可能太长；率，压铸机压射室的寿命也不可能太长；u非搅拌制备半固态铝合金浆料时压射室边缘处的组织仍然非搅拌制备半固态铝合金浆料时压射室边缘处的组织仍然不理想，这也可能影响流变成形及成形件的力学性能。不理想，这也可能影响流变成形及成形件的力学性能。以上这些技术上的
9、不足仍然需要继续完善。以上这些技术上的不足仍然需要继续完善。175. 3 单螺旋机械搅拌式流变成形单螺旋机械搅拌式流变成形uu背景：背景：背景：背景： 触变射铸（Thixomolding ）技术已经获得实际商业应用，生产近终形的镁合金铸件，如汽车零件、笔记本电脑外壳、手机外壳等。这些零件的致密度比普通压铸件高，生产安全可靠、环境污染小因此触变射铸技术具有较强的竞争力。uu触变射铸的问题：触变射铸的问题：触变射铸的问题：触变射铸的问题：l需要使用固态镁合金屑，原料的制造较为麻烦、成本较高；l触变射铸件的气孔率仍然较高，可达 1 - 1.7%左右；l触变射铸的设备投资及设备维护成本较高；l与普通压
10、铸相比，触变射铸的生产周期较长。18uThixomolding工艺是由美国工艺是由美国 Dow Chemical 公司开发的公司开发的技术，技术，1992年由日本制钢所引入并完成成形机的研制开发，年由日本制钢所引入并完成成形机的研制开发，以成为目前半固态领域中最成功的、应用最广泛的技术之以成为目前半固态领域中最成功的、应用最广泛的技术之一。一。触变射铸（Thixomolding ）技术19半固态成形的镁合金3C产品205. 3 单螺旋机械搅拌式流变成形单螺旋机械搅拌式流变成形提出：提出： 美国康乃尔大学提出了美国康乃尔大学提出了流变射铸技术流变射铸技术流变射铸技术流变射铸技术，并于，并于 19
11、93 年制造了年制造了 l00kN 的立式流变射铸原型机。随后，在的立式流变射铸原型机。随后，在 1994 年年 6 月，月，康乃尔研究基金公司又将该康乃尔研究基金公司又将该流变射铸技术流变射铸技术申报了美国专利，申报了美国专利，并在并在 1996 年年 3 月获得专利授权月获得专利授权 。21美国的立式流变射铸工艺：美国的立式流变射铸工艺：工艺过程：工艺过程：u流变射铸不使用固态合金屑，而是使用过热的液态合金；u液态合金从浇注漏斗中流入搅拌桶和螺旋杆的缝隙中。以氢气保护浇注漏斗，防止合金的氧化；u合金熔体在向下流动过程中，不断被搅拌剪切和冷却，当合金熔体到达出口时，半固态合金浆料达到预定的固
12、相分数，初生固相已经转变为球状；u在射铸时，螺旋杆先后退一定的距离，使螺旋杆前端积聚足量的半固态合金浆料，然后螺旋杆以一定的轴向速度（ 0.15 m/s）将其前端的半固态合金浆料压入模具型腔；u随后，螺旋杆再次旋转搅拌合金熔体，准备下一次射铸。22立式流变射铸示意图立式流变射铸示意图23立式流变射铸工艺控制特点：立式流变射铸工艺控制特点：u在流变射铸中，对整个设备的温度控制要求很严格设备的温度控制要求很严格设备的温度控制要求很严格设备的温度控制要求很严格，为此设备分成数段，分别设置了加热、冷却和控温装置，进行自动控制，最终射铸的半固态合金浆料控温精度可以达到0.5 。u液态合金从浇注漏斗流入搅
13、拌桶时几乎不会卷入气体几乎不会卷入气体几乎不会卷入气体几乎不会卷入气体，合金又是在密封的通道中被搅拌剪切，任何气体及惰性气体都不可能进入合金熔体中，因此，流变射铸半固态合金浆料的气体含量气体含量气体含量气体含量(气孔率1%)比触变射铸和普通压铸件中的低低低低；uu压射速度压射速度压射速度压射速度对射铸件的密度影响较大。随着压射速度的降低，射铸件的密度增大，射铸件的气孔率下降；uu流变射铸周期流变射铸周期流变射铸周期流变射铸周期对率固态合金浆料的组织状况有较大的影响，射铸周期短，初生固相颗粒细小，但球形较差；射铸周期长，初生固相颗粒较粗大，但球形较好。24卧式卧式(水平式水平式)流变射铸工艺：流
14、变射铸工艺：u1997年，台湾新竹工业技术研究院在立式流变射铸基础上，研制出1000KN卧式流变 射铸原型机。uu设计要点：设计要点：设计要点：设计要点：设计面临 的最大难题是防止各部件结合处的合金液泄露和压射机构的温度偏差；采用SF6保护浇口处金属液； 进一步改进目标：改进动力系统，获得更高压射速度；采用可变螺距，缩小螺旋搅拌桶的长径比，降低设备及维护费；寻找 SF6 的替代品，减轻对环境的污染；开发适合薄壁铝合金射铸件的流变射铸机；用电磁搅拌代替螺旋机械搅拌和缩短搅拌桶的长度。2526流变射铸技术的特点和发展现状：流变射铸技术的特点和发展现状：与触变射铸相比，单螺旋流变射铸工艺的最大优点单
15、螺旋流变射铸工艺的最大优点：工艺流程短，生产成本低；废品和铸件余料回收方便；流变射铸件气孔率低。 目前，单螺旋流变射铸工艺尚未达到实际应用水平，目前，单螺旋流变射铸工艺尚未达到实际应用水平，正处在设备完善和生产工艺优化阶段。正处在设备完善和生产工艺优化阶段。27 5. 4 双螺旋机械搅伴式流变成形双螺旋机械搅伴式流变成形 1999 年年, 英国英国 Brunel 大学的大学的ZY Fan，提出了双螺，提出了双螺旋机械搅拌流变射铸工艺。旋机械搅拌流变射铸工艺。其原理如下：其原理如下：其原理如下：其原理如下：u双螺旋机械搅拌流变射铸设备主要包括液态合金供料机构、双螺旋机械搅拌流变射铸设备主要包括液
16、态合金供料机构、双螺旋机械搅拌机构、压射机构和中央控制机构。双螺旋机械搅拌机构、压射机构和中央控制机构。u液态合金进入搅拌系统，一边被双螺旋搅拌桶强烈地搅拌，液态合金进入搅拌系统，一边被双螺旋搅拌桶强烈地搅拌，一边被快速冷却到预期的固相分数；当半固态合金浆料到一边被快速冷却到预期的固相分数；当半固态合金浆料到达输送阀时，初生固相已经转变为球状颗粒，并均匀分布达输送阀时，初生固相已经转变为球状颗粒，并均匀分布在低熔点的液相中；当输送阀打开时，半固态合金浆料进在低熔点的液相中；当输送阀打开时，半固态合金浆料进入成形压射室，被压入压铸型型腔，成型零件。入成形压射室，被压入压铸型型腔，成型零件。u在双
17、螺旋搅拌机构中设置了许多的加热和冷却通道，可以在双螺旋搅拌机构中设置了许多的加热和冷却通道，可以准确的控制合金桨料的温度，控温精度可达土准确的控制合金桨料的温度，控温精度可达土 1 。2829 双螺旋结构布置除双螺旋结构布置除采取倾斜布置外，还可采取倾斜布置外，还可以采取垂直和水平两种以采取垂直和水平两种形式。形式。30双螺旋流变射铸工艺的最大优点：双螺旋流变射铸工艺的最大优点： 可以获得很高的剪切速率，或获得高强度的紊流。在大剪可以获得很高的剪切速率，或获得高强度的紊流。在大剪切速率或高强度紊流下，半固态合金浆料中的初生固相尺切速率或高强度紊流下，半固态合金浆料中的初生固相尺寸非常细小、圆整、分布均匀，很少发现初生固相的集聚寸非常细小、圆整、分布均匀，很少发现初生固相的集聚现象。现象。31 目前，双螺旋流变射铸工艺尚未达到实际应用目前，双螺旋流变射铸工艺尚未达到实际应用水平，正处在设备完善和生产工艺优化阶段。水平，正处在设备完善和生产工艺优化阶段。32Any Questions？
