半固態(tài)金屬成形技術(shù)

1、半固態(tài)金屬成形半固態(tài)金屬成形 一、概念一、概念 半固態(tài)金屬成形技術(shù)（半固態(tài)金屬成形技術(shù)（Semi-Solid Metal Semi-Solid Metal processingprocessing，SSMSSM），它是利用在固），它是利用在固- -液態(tài)區(qū)間液態(tài)區(qū)間獲得一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定固獲得一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定固相組分（相組分（50%-60%50%-60%）合金的混合漿料進(jìn)行加工）合金的混合漿料進(jìn)行加工成形的方法。成形的方法。 半固態(tài)成形是利用金屬材料從固態(tài)向液態(tài)半固態(tài)成形是利用金屬材料從固態(tài)向液態(tài), , 或從液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中具有半固態(tài)的特或從液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)

2、換過(guò)程中具有半固態(tài)的特性所實(shí)現(xiàn)的成形。性所實(shí)現(xiàn)的成形。二、半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史二、半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史起源和發(fā)展起源和發(fā)展 半固態(tài)加工起源于美國(guó)。半固態(tài)加工起源于美國(guó)。2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代初年代初, ,麻省理工學(xué)院麻省理工學(xué)院SpencerSpencer和和FlemingsFlemings等人發(fā)現(xiàn)凝固過(guò)程中的金屬材料經(jīng)強(qiáng)力攪等人發(fā)現(xiàn)凝固過(guò)程中的金屬材料經(jīng)強(qiáng)力攪拌拌, ,會(huì)生成近球狀晶或球狀晶組織。會(huì)生成近球狀晶或球狀晶組織。 3030多年的發(fā)展歷程中多年的發(fā)展歷程中,SSM,SSM技術(shù)在制坯、重熔加熱、零件成技術(shù)在制坯、重熔加熱、零件成形、組織與力學(xué)性能、加工環(huán)節(jié)數(shù)值模擬以及合

3、金流變學(xué)研究形、組織與力學(xué)性能、加工環(huán)節(jié)數(shù)值模擬以及合金流變學(xué)研究等許多方面取得重大進(jìn)展。目前等許多方面取得重大進(jìn)展。目前, ,這項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車這項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域, ,在航空、航天以及國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域也正處于應(yīng)用的起在航空、航天以及國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域也正處于應(yīng)用的起步階段步階段, ,具有廣闊的前景。具有廣闊的前景。 半固態(tài)金屬加工技術(shù)是近多年來(lái)才誕生和發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代半固態(tài)金屬加工技術(shù)是近多年來(lái)才誕生和發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代冶金加工新技術(shù)。它雖然誕生晚冶金加工新技術(shù)。它雖然誕生晚, , 但發(fā)展很快但發(fā)展很快, , 只用十幾年的只用十幾年的時(shí)間就從試驗(yàn)室過(guò)渡到試生產(chǎn)時(shí)間就從試驗(yàn)室過(guò)渡到

4、試生產(chǎn), , 又很快實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和商品化。又很快實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和商品化。被世人稱為新一代的合金成形工藝。被世人稱為新一代的合金成形工藝。半固態(tài)加工成形技術(shù)的應(yīng)用前景半固態(tài)加工成形技術(shù)的應(yīng)用前景 世界汽車工業(yè)正向著輕量化方向發(fā)展世界汽車工業(yè)正向著輕量化方向發(fā)展, ,采用采用SSMSSM技術(shù)技術(shù), ,不僅成不僅成形容易形容易, ,而且能保證材料性能充分發(fā)揮。從而且能保證材料性能充分發(fā)揮。從2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代初開(kāi)年代初開(kāi)始始,SSM,SSM技術(shù)在世界汽車工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用發(fā)展迅速。技術(shù)在世界汽車工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用發(fā)展迅速。 采用采用SSMSSM技術(shù)生產(chǎn)的汽車零件包括剎車制動(dòng)筒、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零

5、技術(shù)生產(chǎn)的汽車零件包括剎車制動(dòng)筒、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件、搖臂、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、輪轂、傳動(dòng)系統(tǒng)零件、燃油系統(tǒng)零件件、搖臂、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、輪轂、傳動(dòng)系統(tǒng)零件、燃油系統(tǒng)零件以及汽車空調(diào)零件等。目前以及汽車空調(diào)零件等。目前, ,這些零件已應(yīng)用在這些零件已應(yīng)用在FordFord、ChryslerChrysler、VolvoVolvo、BMWBMW、FiatFiat、AudiAudi等歐美名牌轎車上。等歐美名牌轎車上。 在航天航空領(lǐng)域在航天航空領(lǐng)域, ,先進(jìn)鋁合金是主要結(jié)構(gòu)材料先進(jìn)鋁合金是主要結(jié)構(gòu)材料, ,它具有高比它具有高比強(qiáng)度、高比模量、良好的斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度、較低的裂紋擴(kuò)強(qiáng)度、高比模量、良好的斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度

6、、較低的裂紋擴(kuò)展速率以及良好的耐蝕性等特點(diǎn)。展速率以及良好的耐蝕性等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)金屬加工的方法比較與傳統(tǒng)金屬加工的方法比較 傳統(tǒng)的金屬加工方法主要分為傳統(tǒng)的金屬加工方法主要分為壓力加工壓力加工和和鑄造加工鑄造加工, ,而而半固態(tài)加工半固態(tài)加工被世人稱為現(xiàn)代冶金被世人稱為現(xiàn)代冶金加工新技術(shù)加工新技術(shù), , 以上三種方法分別利用了金屬固以上三種方法分別利用了金屬固有的特性進(jìn)行加工成形。有的特性進(jìn)行加工成形。壓力加工壓力加工是利用金屬的塑性是利用金屬的塑性, , 在外力作用下的塑性在外力作用下的塑性加工加工。鑄造加工鑄造加工是利用液態(tài)金屬流動(dòng)性是利用液態(tài)金屬流動(dòng)性, , 實(shí)現(xiàn)凝固加工成實(shí)現(xiàn)凝固加工成

7、形。形。半固態(tài)加工半固態(tài)加工利用具有非枝晶組織的金屬在半固態(tài)條利用具有非枝晶組織的金屬在半固態(tài)條件下的流變性和觸變性進(jìn)行流變成形或觸變成形。件下的流變性和觸變性進(jìn)行流變成形或觸變成形。三、半固態(tài)金屬加工的優(yōu)缺點(diǎn)三、半固態(tài)金屬加工的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1 1） 由于在半固態(tài)由于在半固態(tài), , 合金具有獨(dú)特的觸變合金具有獨(dú)特的觸變行為行為, , 可成型復(fù)雜的薄壁的零部件可成型復(fù)雜的薄壁的零部件（2 2）加工件的精度高）加工件的精度高, , 幾乎是近凈成形幾乎是近凈成形, , 尺尺寸公差接近機(jī)加精度寸公差接近機(jī)加精度（3 3）成形件表現(xiàn)平整光滑）成形件表現(xiàn)平整光滑, , 內(nèi)部組織致密內(nèi)部組織致密,

8、, 缺陷少缺陷少, , 晶粒細(xì)小晶粒細(xì)小, , 力學(xué)性能高力學(xué)性能高, ,可達(dá)鍛可達(dá)鍛 件性能件性能（4 4）節(jié)省原材料、能源）節(jié)省原材料、能源, , 生產(chǎn)同樣的零部件生產(chǎn)同樣的零部件, , 它與普通鑄造相比它與普通鑄造相比, , 節(jié)能約節(jié)能約35%35%（5 5）成品率高）成品率高, , 幾乎達(dá)幾乎達(dá)100%100%（6 6）生產(chǎn)效率很高）生產(chǎn)效率很高（7 7）模具壽命長(zhǎng)）模具壽命長(zhǎng)（8 8）生產(chǎn)成本低）生產(chǎn)成本低, , 零部件價(jià)格很有競(jìng)爭(zhēng)力零部件價(jià)格很有競(jìng)爭(zhēng)力（9 9）生產(chǎn)環(huán)境得到改善）生產(chǎn)環(huán)境得到改善存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題（1 1）目前最大的半固態(tài)加工坯料還只能）目前最大的半固態(tài)加工坯料還

9、只能做到中直徑為做到中直徑為152mm , 152mm , 如想制造更大尺寸如想制造更大尺寸的零部件目前仍無(wú)能為力。的零部件目前仍無(wú)能為力。（2 2）興建這種生產(chǎn)線的投資要比鑄造大。）興建這種生產(chǎn)線的投資要比鑄造大。四、半固態(tài)金屬加工工藝流程四、半固態(tài)金屬加工工藝流程半固態(tài)加工一般分為原料加工，再加熱和成形三個(gè)步驟半固態(tài)加工一般分為原料加工，再加熱和成形三個(gè)步驟半固態(tài)加工的主要成形手段有半固態(tài)加工的主要成形手段有壓鑄壓鑄和和鍛造鍛造其工藝路線有兩條：一是將半固態(tài)金屬漿料冷卻凝固后下料, 再將此半固態(tài)金屬坯料重新加熱到半固態(tài)溫度進(jìn)行成形, 通常稱為觸變成形。另一條是將攪拌獲得的半固態(tài)漿料在保持其

10、半固態(tài)溫度條件下, 直接成形, 稱為流變鑄造。五、半固態(tài)金屬加工的適用范圍五、半固態(tài)金屬加工的適用范圍合金合金 鋁、鎂、鋅、銅、鎳、鋼鐵等有較寬液鋁、鎂、鋅、銅、鎳、鋼鐵等有較寬液- -固固共存區(qū)的合金體系均適用。尤其是低熔點(diǎn)的鋁鎂共存區(qū)的合金體系均適用。尤其是低熔點(diǎn)的鋁鎂最為適用最為適用, , 因此因此, , 目前鋁合金及鎂合金利用半固目前鋁合金及鎂合金利用半固態(tài)加工技術(shù)態(tài)加工技術(shù), , 大批量生產(chǎn)其零部件并已獲得廣泛大批量生產(chǎn)其零部件并已獲得廣泛應(yīng)用。應(yīng)用。交通運(yùn)輸行業(yè)交通運(yùn)輸行業(yè) 特別是汽車行業(yè)特別是汽車行業(yè), ,許多零部件用半固態(tài)成形許多零部件用半固態(tài)成形技術(shù)來(lái)生產(chǎn)十分理想、性能好、成

11、本低又可輕技術(shù)來(lái)生產(chǎn)十分理想、性能好、成本低又可輕量化。所以交通運(yùn)輸業(yè)將是量化。所以交通運(yùn)輸業(yè)將是2121世紀(jì)采用這一新世紀(jì)采用這一新技術(shù)的最熱點(diǎn)。技術(shù)的最熱點(diǎn)。 總的來(lái)說(shuō)，該技術(shù)適用于總的來(lái)說(shuō)，該技術(shù)適用于低熔點(diǎn)的鋁鎂及其低熔點(diǎn)的鋁鎂及其合金。合金。 國(guó)外利用該新技術(shù)已大批量的生產(chǎn)汽車、國(guó)外利用該新技術(shù)已大批量的生產(chǎn)汽車、家用電器等鋁鎂合金的零部件家用電器等鋁鎂合金的零部件, ,近年來(lái)近年來(lái),SSM,SSM技術(shù)技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展迅速，美國(guó)、意大利、瑞士、的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展迅速，美國(guó)、意大利、瑞士、法國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家處于領(lǐng)先地位法國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家處于領(lǐng)先地位, ,已進(jìn)入已進(jìn)入應(yīng)用階段，

12、但在我國(guó)還未產(chǎn)業(yè)化。應(yīng)用階段，但在我國(guó)還未產(chǎn)業(yè)化。六、具體應(yīng)用實(shí)例六、具體應(yīng)用實(shí)例 斜板法對(duì)球墨鑄鐵結(jié)構(gòu)的影響斜板法對(duì)球墨鑄鐵結(jié)構(gòu)的影響 什么是斜板法？什么是斜板法？ 斜板法是一種將剪切應(yīng)力應(yīng)用于生產(chǎn)具有球狀半固態(tài)鑄件的新方法。在這種方法中，適當(dāng)過(guò)熱的融化的金屬在流過(guò)斜板后被澆注進(jìn)模具中。由于在金屬和斜板之間的熱轉(zhuǎn)移，固態(tài)形核發(fā)生了。然后，由于剪切應(yīng)力和金屬流動(dòng)，形核顆粒從表面分離。這些顆粒進(jìn)而分散到金屬中。在斜板法中，像過(guò)熱，斜板長(zhǎng)度，模具材料，傾斜，斜板材料這些因素都影響最后的微觀結(jié)構(gòu)。 斜板法中，板的長(zhǎng)度和傾斜度對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)有比較大的影響 最佳的石墨球形化和固態(tài)顆粒球形化的條件為:冷卻速率

13、為67 Ks1,傾斜板的傾斜角度為7.5度,傾斜板的長(zhǎng)度為560mm。結(jié)果還顯示,當(dāng)全部的加工時(shí)間很短的時(shí)候,傾斜板很容易阻止變質(zhì)劑失效。影響因素和最佳工藝參數(shù)影響因素和最佳工藝參數(shù) 與壓鑄方法和傳統(tǒng)的鑄造方法相比，這種方法有更好的機(jī)械性能，并且減少孔隙率，這是由于縮減體積的減少以及更能均勻的填充模具。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：影響因素對(duì)結(jié)構(gòu)影響的具體分析影響因素對(duì)結(jié)構(gòu)影響的具體分析1 1、板長(zhǎng)固定，不同板角下的組織形貌、板長(zhǎng)固定，不同板角下的組織形貌20度度5度度7.5度度不同斜板角度下固態(tài)顆粒的長(zhǎng)寬比不同斜板角度下固態(tài)顆粒的長(zhǎng)寬比最佳角度為最佳角度為7.57.5度度2 2、不同加熱時(shí)間和保溫時(shí)間、不同加熱時(shí)間和保溫時(shí)間最佳再加熱時(shí)間為13min15mi