金屬半固態(tài)成形綜述

1、 題 目 ： 半固態(tài)制備雙金屬復(fù)合材料綜述 學(xué)生姓名 ： ） 學(xué) 號 ： 學(xué) 院 ： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) ： 材料成型 摘 要 本文簡述了半固態(tài)加工技術(shù)的優(yōu)點、工藝分類、坯料的制備及半固態(tài)加工技術(shù)與雙金屬材料的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞 半固態(tài)加工技術(shù)，坯料制備，雙金屬材料，應(yīng)用前景二十世紀七十年代初期，麻省理工學(xué)院的MCFlemings教授與David Spencer博士提出了一種新的加工技術(shù)，即半固態(tài)加工技術(shù)(SemiSolid Metal Processing，簡稱ssP)。SSP技術(shù)采用了非枝晶半固態(tài)漿料，與傳統(tǒng)的枝晶凝固模式相比，有著許多獨特的優(yōu)點，如變形抗力??；可以成形具有復(fù)雜外形的

2、零部件；結(jié)晶潛熱低，對模具的熱沖擊較?。凰苽涞牧慵M織均勻，氣孔縮孔少；而且，是一種凈成形加工技術(shù)，所得零件具有很好的表面質(zhì)量，減少了材料的浪費，縮短了生產(chǎn)周期，從而大大的節(jié)約了生產(chǎn)成本等等1.半固態(tài)加工技術(shù)是一種具有良好發(fā)展前景的技術(shù)l。在其加工過程中所使用的漿料是一種固液混合漿料，即液態(tài)金屬母液中均勻懸浮著一定的球狀初生固相的漿料。有著這種組織的半固態(tài)漿料具備良好的觸變性能及流變性能，并表現(xiàn)出假塑性行為，因此，半固態(tài)漿料在成形過程中既可以像固體一樣被移動，在受到剪切力的作用時又可以像液體一樣流動。半固態(tài)加工技術(shù)可以成形有著復(fù)雜形狀的零部件。與傳統(tǒng)的鑄造所得零件相比，半固態(tài)加工所制備的零件

3、的質(zhì)量更好；而與傳統(tǒng)的鍛造相比，其成本也更低。因此，很多SSP技術(shù)都取得了很大的發(fā)劇，如流變鑄造，觸變鑄造，觸變鍛造，應(yīng)變誘發(fā)熔化激活觸變鍛壓，觸變注射成形，流變注射成形，新型流變注射成形等。目前，半固態(tài)加工技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于許多的工程材料，如汽車工業(yè)用鋁合金2和鎂合金，航空領(lǐng)域所用的金屬基復(fù)合材料(MMC)，模具行業(yè)所需的鋼鐵材料。除了這些傳統(tǒng)材料的應(yīng)用外，半固態(tài)加工技術(shù)還可用于制備一些新型材料，如功能梯度材料，玻璃金屬連接產(chǎn)品。半固態(tài)加工技術(shù)的應(yīng)用還可以延伸到焊接領(lǐng)域3一、 半固態(tài)加工技術(shù)的工藝分類半固態(tài)加工技術(shù)通常分為兩種成形方法4。在金屬凝固的過程中，對金屬施以劇烈的攪拌作用，以充

4、分破碎樹枝狀的初生固相，從而可以獲得一種在液態(tài)金屬母液中均勻懸浮著一定的球狀初生固相的固液混合漿料(即流變漿料)，利用流變漿料直接進行成形加工的方法就是半固態(tài)金屬的流變成形(Rheoforming)；如果將流變漿料凝固成坯錠，按需要將此金屬坯錠切成一定的大小，然后重新加熱到半固態(tài)溫度區(qū)間進行成形加工，這種方法稱為觸變成形(Thixoforming)。流變成形包括流變壓鑄、流變注射成形及流變鍛造。由于流變壓鑄過程中，直接獲得的半固態(tài)金屬漿液不方便保存和輸送，難以工業(yè)化。英國布魯內(nèi)爾大學(xué)的ZFan等人將半固態(tài)金屬流變鑄造與塑料注射成形結(jié)合起來，開發(fā)了一種雙螺旋半固態(tài)流變注射成形技術(shù)5。而對于流變鍛

5、造，現(xiàn)在研究較少，它與液態(tài)模鍛過程基本一樣，將制備好了的半固態(tài)漿料，不經(jīng)冷卻，直接放入模具內(nèi)，進行半固態(tài)鍛造。而與流變成形相比較，觸變成形法更為實際可行，它解決了半固態(tài)金屬漿料制備與成形設(shè)備相銜接的問題。由于半固態(tài)金屬及合金坯料的加熱、輸送很方便，并易于實現(xiàn)自動化操作，因此，觸變成形更加適合于工業(yè)化生產(chǎn)，目前，它已被廣泛地投入到商業(yè)化生產(chǎn)中。半固態(tài)金屬的觸變成形可以分為以下幾類4：觸變壓鑄(Thixodie-casting)，其成形設(shè)備采用壓鑄機；觸變鍛造(Thixoforging)，其成形設(shè)備采用模鍛機；觸變注射成形(Thixomoulding)，其成形設(shè)備采用專用的Thixomouldin

6、g機。二、 半固態(tài)金屬坯料的制備半固態(tài)金屬漿料的制備是金屬半固態(tài)成形的基礎(chǔ)，目前為止，人們普遍所采用的半固態(tài)金屬材料制備方法是：在金屬凝固的過程中，對熔融態(tài)的金屬施加劇烈的攪拌作用，使得樹枝狀的晶粒破碎，變?yōu)榻驙畹木Я！Ｖ饕C械攪拌法1，電磁攪拌法1、噴射成形法4、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法1，4等等，目前商業(yè)上比較實用的方法是電磁攪拌法和應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法。電磁攪拌(Electromagnetic Stirring，簡稱EMs)是借助電磁力強化鑄坯內(nèi)未凝固金屬溶液的流動，從而改變凝固過程的流動、傳熱和傳質(zhì)，達到晶粒細化、改善鑄坯質(zhì)量的目的6。電磁攪拌具有以下特點：a)非接觸性。借助電磁感應(yīng)實現(xiàn)

7、能量的無接觸轉(zhuǎn)換，因而不與金屬溶液接觸就能將電磁能直接轉(zhuǎn)換成金屬溶液的動能。b)可控制性。由于感應(yīng)線圈激發(fā)的磁場可以通過調(diào)節(jié)感應(yīng)電流來進行人為的控制，進而實現(xiàn)電磁力的人為控制，因此可以人為地控制金屬溶液的流動形態(tài)。c)無污染性。非接觸式的傳遞熱能和機械能給材料，因此是一種無污染的加工方法。電磁攪拌驅(qū)動的實質(zhì)是在流場內(nèi)產(chǎn)生一個附加的體積力。國內(nèi)外已有研究結(jié)果表明，大小及分布狀態(tài)不同的力作用于液態(tài)金屬時將使金屬熔體產(chǎn)生不同的運動狀態(tài)，進而影響凝固組織的形態(tài)。半固態(tài)電磁攪拌的實質(zhì)是用盡可能小的能耗提供使金屬熔體局部、整體溫度場及濃度場宏觀趨于紊流的旋轉(zhuǎn)力場。應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法是指先對常規(guī)金屬的鑄錠進

8、行預(yù)變形，如可以進行擠壓，滾壓等熱加工，預(yù)變形后制成的半成品坯料，其顯微組織具有明顯的變形拉長結(jié)構(gòu)，然后將半成品坯料加熱到金屬的固液兩相區(qū)進行等溫處理，等溫處理一段時間后，被拉長的晶粒將會轉(zhuǎn)變成為細小的顆粒，再經(jīng)快速冷卻，便可獲得具有非枝晶組織的半固態(tài)坯料。在等溫處理的過程當中，坯料內(nèi)部首先會發(fā)生再結(jié)晶，之后部分熔化，最后便可獲得近球形狀態(tài)的固相顆粒分布在液相中的半固態(tài)組織。其機理一般被認為是：熔化了的部分液相滲入小角度晶界，從而使固相顆粒分開，枝狀晶粒破碎。其特點是，制備的錠坯材質(zhì)與尺寸靈活多變，生產(chǎn)成本低，效率高，適合于實驗室研究。三、 半固態(tài)加工技術(shù)與雙金屬材料的的應(yīng)用前景3.1 半固態(tài)

9、加工技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀由于半固態(tài)加工技術(shù)有很多的優(yōu)點，在國外，SSP技術(shù)在汽車零部件的制造上已經(jīng)有了多年的應(yīng)用，目前，美國、意大利、日本、英國、法國等國家的半固態(tài)成形技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，并已進入了工業(yè)應(yīng)用階段7,8。在中國，半固態(tài)技術(shù)的應(yīng)用目前還處在起步階段，而現(xiàn)在的中國已經(jīng)成為了世界汽車零部件的主要生產(chǎn)基地，因此，推動半固態(tài)加工技術(shù)的發(fā)展與成熟將會給中國的汽車行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，并對各個領(lǐng)域的材料的制備產(chǎn)生重大影響。具有非常廣闊的應(yīng)用前景。對于半固態(tài)技術(shù)在中國的理論研究及應(yīng)用，羅守靖教授等人在2010年國際半固態(tài)會議中做了總結(jié)9：中國一些大學(xué)和研究所大約于20世紀70年代后期陸續(xù)開展

10、了關(guān)于半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究，在這些研究院校中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、北京科技大學(xué)、上海大學(xué)、清華大學(xué)、大連科技大學(xué)、南昌大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)及有色金屬研究院等等一批研究機構(gòu)，在國家“863項目”、“985項目”及在第九個五年計劃和第十一個五年計劃“國家自然科學(xué)基金”的支持下，學(xué)者們在基礎(chǔ)理論研究及一些實驗設(shè)備的自主研發(fā)及制造方面取得了很大的進步。近年來，北京科技大學(xué)的康永林教授采用機械攪拌法制備了SiCA356的半固態(tài)坯料，并采用半固態(tài)觸變鍛壓的方法將所得坯料成功制成形狀復(fù)雜的電子封裝外殼10。除此之外，北京科技大學(xué)自主研發(fā)的TBR技術(shù)，能夠制備出非常細小的有著球狀晶粒的半固態(tài)坯料。，哈

11、爾濱工業(yè)大學(xué)首次提出了一種新的應(yīng)變誘發(fā)熔化激活技術(shù)，該工藝是先用等倒角擠壓的方法來對錠坯進行冷變形，接下來對材料進行半固態(tài)等溫處理。此方法成功地獲得了非常細小的半固態(tài)坯料，為半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展增添了一個新的方向11。3.2 半固態(tài)加工技術(shù)與雙金屬復(fù)合材料3.2.1 半固態(tài)加工雙金屬復(fù)合材料的優(yōu)點如果用半固態(tài)加工技術(shù)來成形雙金屬復(fù)合材料制件，用于復(fù)合的半固態(tài)材料中液體部分在壓力作用下可以相互融合，不同材料的半固態(tài)漿料在固液兩相區(qū)內(nèi)容易達到雙金屬之間的充分擴散，可以提高結(jié)合強度，使復(fù)合界面形成良好的復(fù)合組織結(jié)構(gòu)；而均勻分布的固相顆粒把相互融合的部分限制在表面很淺的一層，使不同的半固態(tài)材料具有相對

12、獨立性。除此之外，半固態(tài)材料流動性很好，所以采用半固態(tài)加工技術(shù)可以加工形狀復(fù)雜的雙金屬復(fù)合制件12。綜合上述優(yōu)點，通過半固態(tài)加工技術(shù)，把不同的半固態(tài)材料合在一起進行壓力成形，可使不同材料在受到控制的狀態(tài)下按性能要求分布到不同的位置，形成多金屬(多材料)復(fù)合制件。此外，由于半固態(tài)狀態(tài)下，材料的連接相對簡單，所以，對連接條件的要求也比較低，不需要專門的設(shè)備。3.2.2 半固態(tài)加工雙金屬復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀1997年，日本東京大學(xué)首次提出一種新的半固態(tài)連接技術(shù)，該技術(shù)采用半固態(tài)鋁合金作為基底，在各種形狀的基底上面嵌入棒材、線材、板材、管材等固態(tài)材料形成良好的接頭，可以用來制造各種形狀復(fù)雜的散熱片，成形

13、過程近乎凈成形。東京大學(xué)所還研究了一些用半固態(tài)加工方法成形的散熱產(chǎn)品13。2002年第七屆國際半固態(tài)成型及復(fù)合材料會議上首次提出了用半固態(tài)擠壓制備梯度組織材料14，并對半固態(tài)技術(shù)制備具有梯度組織的高鉻鑄鐵耐磨，抗沖擊材料進行了研究，得到了較好的效果。德國亞琛工業(yè)大學(xué)的金屬成形研究所也于2002年用半固態(tài)加工技術(shù)制備了一種由不同鋼鐵材料連接組成的一種新的功能材料，并驗證了用半固態(tài)加工技術(shù)來成形梯度復(fù)合材料的可行性15。日本學(xué)者研究了用離心鑄造法加工半固態(tài)A1.A13Ni，A1.A13Fe材料，制備出了具有梯度組織的高韌性的金屬金屬陶瓷復(fù)合材料16。2003年，東京大學(xué)采用半固態(tài)連接技術(shù)制備了不同

14、材料連接的工藝品17。2006年，西安交通大學(xué)將鋁和不銹鋼在半固態(tài)狀態(tài)下成功連接，其結(jié)合強度達到106.17MPa18。四、 總結(jié)半固態(tài)加工技術(shù)是一種具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。雙金屬材料是把兩種性能不同的材料復(fù)合在一起形成功能部位由指定材料構(gòu)成的復(fù)合材料。正確地設(shè)計雙金屬材料制件可以得到所需要的兩種材料性能的良好結(jié)合，并在最大程度上降低他們各自的使用限制。金屬半固態(tài)加工技術(shù)與傳統(tǒng)成形加工技術(shù)相比，在很多方面都有其獨特的優(yōu)勢，如提高產(chǎn)品的質(zhì)量、性能，降低能耗和成本以及提高產(chǎn)品市場競爭力等。此項技術(shù)在汽車、通信電器、機械和航空航天等領(lǐng)域存在著很大的潛在應(yīng)用市場，這就要求研究者們從理論基礎(chǔ)、成形加工控

15、制技術(shù)和工藝裝備等方面來開展較為系統(tǒng)的研究工作，以促進這項技術(shù)的理論完善和技術(shù)成熟。參考文獻【1】 Flemings M CBehavior of metal alloys in the semisolid stateMetallurgical Transactions B，1 99 1，22B：269293.【2】 Lakshmi HInduction reheating of A3562 aluminum alloy and thixocasting as automobile componentTransaction of Nonferrous Metals Society of Chi

16、na,2010，20：961967.【3】 劉洪偉，郭成，程羽半固態(tài)技術(shù)在材料連接和復(fù)合材料制備中的應(yīng)用焊接技術(shù)，2006(1)：1720.【4】 康永林，毛衛(wèi)民，胡壯麒金屬材料半固態(tài)加工理論與技術(shù)北京：科學(xué)出版社2004【5】 Fan ZA novel approach to produce A1-alloy foamsMaterials Science and Engineering，2007，42：7894-7898.【6】 王玉陶，游曉紅. 電磁攪拌制備半固態(tài)漿料的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀. 山西科技.2008（1）：1-3.【7】 王翔鵬偽半固態(tài)觸變成形A1A1203復(fù)合材料工藝基礎(chǔ)研究：博士

17、學(xué)位論文哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.【8】 吳炳堯半固態(tài)金屬鑄造工藝的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景鑄造，1999，3：4552.【9】 Luo S JTheory and application research development of semi-solid forming in ChinaTransaction of Nonferrous Metals Society of China，20 1 0，20：18051814.【10】 Wang KK，Kang YL，SongP GPreparation of SiCpA3 56 electronic packaging materials

18、and its thixo-forgingTransaction of Nonferrous Metals Society of China,201 0，20：988-992.【11】 Jiang J F，Wang YApplication of equal channel angular extrusion to semisolid processing ofmagnesium alloyMaterials Characterization，2007，58：190196.【12】 Jiang J F，Wang YApplication of equal channel angular ext

19、rusion to semisolid processing ofmagnesium alloyMaterials Characterization，2007，58：190196.【13】 Manabu J Y，Kiuchi S SMashy MetalAlloy Joining a New Process for Manufacturing New ProductsAnnals of the CIRP，1 998，47：227230.【14】 Yang Z，Zhang H F，Wang A MFormation of the High Chromium White Iron Parts with Graded Structure via the SSM Compression，The 7th Conference of Semisolid Metal Process and Composi