謝水生教授的半固態(tài)成形技術(shù)概述課件

半固態(tài)金屬加工技術(shù)及其

在工業(yè)中的應(yīng)用

Semi-SolidMetalProcess(SSM)

北京有色金屬研究總院謝水生半固態(tài)金屬加工技術(shù)金屬在凝固過程中，進(jìn)行劇烈攪拌控制固-液態(tài)溫度區(qū)間得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定固相組分的固液混合漿料(固相組分甚至可高達(dá)60%)這種半固態(tài)金屬漿料具有流變特性，即具有很好的流動(dòng)性，易于通過普通加工方法制成產(chǎn)品。

采用這種既非完全液態(tài)、又非完全固態(tài)的金屬漿料進(jìn)行加工成形的方法，就稱為半固態(tài)金屬加工技術(shù)金屬半固態(tài)加工技術(shù)的萌發(fā)20世紀(jì)70年代初

美國麻省理工學(xué)院D.B.Spencer等

測量Sn-15%Pb合金高溫粘度計(jì)中，發(fā)現(xiàn)了金屬在凝固過程中的特殊力學(xué)行為時(shí)

金屬在凝固過程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，即使在較高固相體積分?jǐn)?shù)時(shí)，半固態(tài)金屬仍只有相當(dāng)?shù)偷募羟袘?yīng)力，這種特殊性能是由于基體中存在奇特的球狀微粒結(jié)構(gòu)。

很快意識(shí)到---這一特征具有潛在的利用價(jià)值目的---共同的

獲得高質(zhì)量、高強(qiáng)度、高精度金屬零件毛坯方法---有差異

壓力鑄造---凝固過程中施加壓力

液態(tài)模鍛---提高模鍛溫度，充形性好

半固態(tài)加工----金屬在凝固過程中，

進(jìn)行劇烈攪拌或控制凝固過程。將凝固過程中形成的枝晶打碎

或完全抑制枝晶的生長然后直接進(jìn)行流變鑄造或制備半固態(tài)坯錠半固態(tài)加工技術(shù)、壓力鑄造和液態(tài)模鍛的比較有較寬液固共存區(qū)的合金

如：鋁合金、鎂合金、鋅合金、鎳合金、銅合金以及鋼鐵合金其中鋁合金、鎂合金因其熔點(diǎn)低，已得到廣泛應(yīng)用SSM技術(shù)還被用于

制備復(fù)合材料

提純材料等半固態(tài)加工技術(shù)適用范圍半固態(tài)金屬加工的特點(diǎn)SSM充型平穩(wěn)、無湍流和噴濺加工溫度低，釋放了部分結(jié)晶潛熱，對(duì)成形裝置、模具的熱沖擊小SSM成形件表面平整光滑，鑄件內(nèi)部組織致密，缺陷少，晶粒細(xì)小力學(xué)性能高，可接近或達(dá)到鍛件的性能SSM鑄件凝固收縮小，尺寸精度高，能近凈成形節(jié)約能源。SSM凝固時(shí)間縮短，也有利于提高生產(chǎn)率幾種加工方法性能和特點(diǎn)的比較零件毛坯的加工成本壓力鑄造重力鑄造鍛造微觀組織結(jié)構(gòu)壓力鑄造重力鑄造半固態(tài)鍛造

成形的形狀精確度壓力鑄造重力鑄造半固態(tài)鍛造最終零件的加工成本壓力鑄造重力鑄造半固態(tài)鍛造機(jī)械特性壓力鑄造重力鑄造半固態(tài)鍛造低

高半固態(tài)壓力鑄造流變成形(Rheoforming)觸變成形(Thixoforming)流變鑄造(Rheocasting)---局部重熔（二次加熱）(Reheating)------觸變成形(Thixoforming)半固態(tài)金屬加工的主要工藝過程制備半固態(tài)金屬漿料的方法械攪拌法電磁攪拌法近液相線鑄造法應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法濺射沉積法紊流效應(yīng)法等目前工業(yè)中應(yīng)用最多的是電磁攪拌法幾種制備半固態(tài)金屬漿料方法械攪拌法（a）垂直式(b)水平式不同的電磁攪拌方式示意圖SCR法—單輥剪切制備法幾種流變成形的方法(Rheoforming)幾種流變成形的方法(Rheoforming)

半固態(tài)漿料直接鑄軋板坯（一）幾種流變成形的方法(Rheoforming)

半固態(tài)漿料直接鑄軋板坯（二）幾種流變成形的方法(Rheoforming)

單螺旋攪拌裝置直接成形零件

已應(yīng)用于鎂合金半固態(tài)成形幾種流變成形的方法(Rheoforming)

雙螺旋攪拌裝置已應(yīng)用于鎂合金半固態(tài)成形

直接成形零件觸變成形(Thixoforming)流變鑄造(Rheocasting)局部重熔（二次加熱）(Reheating)觸變成形(Thixoforming)立式連續(xù)制備半固態(tài)金屬坯料的生產(chǎn)線布置圖電磁攪拌水平連續(xù)流變鑄造結(jié)構(gòu)示意圖局部重熔（二次加熱）電阻加熱感應(yīng)加熱二次加熱裝置溫控原理圖局部重熔(二次加熱)EFU公司的半固態(tài)金屬坯錠的加熱設(shè)備加熱坯錠最大直徑可達(dá)100mm，坯錠最大高度可達(dá)250mm。加熱電流的頻率可調(diào)，可從300HZ至550HZ。如連續(xù)加熱直徑3英寸，長度180mm的AlSi7Mg坯錠，加熱速率為25個(gè)錠/小時(shí)，耗電量為110KW觸變成形金屬半固態(tài)加工后的

組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬半固態(tài)加工后的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

AlA357普通鑄造的組織半固態(tài)加工的組織50μm50μm初生相的形狀特征

球形微粒的演化過程二次加熱后的組織結(jié)構(gòu)

LS2618610C2min60min20min高熔點(diǎn)合金的半固態(tài)金相照片a）銅合金Cu-10Sn-2Znb)不銹鋼A1S1304c)鈷基高溫合金HS31半固態(tài)金屬的變形特性應(yīng)力應(yīng)變IncreasinglydendriticIncreasingparticlesizeDecreasingtemperatureIncreasingstrainrate半固態(tài)金屬加工過程的數(shù)值模擬流變鑄造過程的模擬二次加熱過程的模擬觸變成形過程模擬

電磁攪拌半連續(xù)流變鑄造過程三維速度場和流場模擬

半固態(tài)鈦合金觸變成形閥體時(shí)金屬流動(dòng)前沿位置和流線觸變成形過程的數(shù)值模擬利用固體力學(xué)的理論進(jìn)行數(shù)值模擬考慮為粘塑性本構(gòu)關(guān)系利用流體力學(xué)的理論進(jìn)行數(shù)值模擬

提出新的理論進(jìn)行數(shù)值模擬如：認(rèn)為液態(tài)產(chǎn)生靜水壓固態(tài)為多孔材料粘塑性本構(gòu)關(guān)系通過壓縮實(shí)驗(yàn)獲得粘塑性本構(gòu)關(guān)系

實(shí)驗(yàn)GLEEBLE1500熱模擬機(jī)上進(jìn)行

不同應(yīng)變速率時(shí)半固態(tài)Al-6.6%Si合金在液固兩相區(qū)壓縮變形的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

指形模的流變成形的模擬和實(shí)驗(yàn)研究模擬結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果金屬半固態(tài)加工后的

機(jī)械性能特點(diǎn)不同加工方法所獲得鋁合金的機(jī)械性能比較不同鑄造方法獲得的AZ91Ｄ鎂合金的力學(xué)性能一些高熔點(diǎn)合金在不同條件下機(jī)械特性的比較機(jī)械零件不同位置的機(jī)械性能AlSi7Mg鑄造鋁合金在觸變成形和熱處理后不同位置的機(jī)械性能AlMgSi1鍛造鋁合金在觸變成形和熱處理后不同位置的機(jī)械性能半固態(tài)加工工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀在全世界許多國家都進(jìn)行研究、開發(fā)、應(yīng)用，應(yīng)用日益廣泛、已工業(yè)化應(yīng)用目前處于領(lǐng)先地位國家美國、意大利、瑞士、法國、英國、德國、日本等Alumax在Jackson工廠的半固態(tài)加工車間瑞士Buhler工廠的半固態(tài)金屬成形機(jī)（630T）半固態(tài)成形的鋁合金另件半固態(tài)成形的鎂合金零件半固態(tài)流變鑄造成型的鋁合金汽車零件汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)車的齒輪盤發(fā)動(dòng)機(jī)支架半固態(tài)加工成形汽車零件半固態(tài)加工成形的渦型輪MotorBracket(MercuryMarine,Inc.,FondduLac,WILeftPhoto:ProfilesSSFproducedmastercylinder,RightPhotoshowscompletedfuelrailsmanufacturedbyAEMPA-MoldCorporation,asubsidiaryofUBEIndustries,

UbeCity,Japan

AnnArbor,MI-basedThixomat

LightweightnotebookcomputerDigitalvideocameraVarioussmallmetalcomponentsproducedbyFormcast,Inc.VarietyofmetalcomponentsproducedbyTHTpresses

AviewofTHT’s