半固態(tài)成形技術(shù)

半固態(tài)成形技術(shù)第1頁(yè)/共40頁(yè)半固態(tài)成形半固態(tài)成形概述半固態(tài)金屬的組織特性、形成機(jī)理與力學(xué)行為半固態(tài)金屬的制備方法半固態(tài)金屬觸變成形半固態(tài)金屬流變成形第2頁(yè)/共40頁(yè)

金屬材料在液態(tài)、固態(tài)和半固態(tài)三個(gè)階段均呈現(xiàn)出明顯不同的物理特性，利用這些特性，產(chǎn)生了凝固加工、塑性加工和半固態(tài)加工等多種金屬熱加工成形方法。圖1表示金屬在高溫下三態(tài)成形加工方法的相互關(guān)系。圖1金屬在高溫下三態(tài)成形加工方法的相互關(guān)系液態(tài)加工（鑄造成形）半固態(tài)加工(流變/觸變成形)固態(tài)加工（塑性成形）重力鑄造精密鑄造壓力鑄造液態(tài)模鍛液態(tài)鑄軋連續(xù)鑄擠半固態(tài)軋制半固態(tài)擠壓半固態(tài)壓鑄半固態(tài)鍛造軋制鍛壓擠壓超塑成形特種固體成形流變鑄造高速連續(xù)鑄造連續(xù)帶液芯壓下連鑄輕壓下1、概述第3頁(yè)/共40頁(yè)半固態(tài)成形原理利用非枝晶半固態(tài)金屬(Semi-SolidMetals，簡(jiǎn)稱SSM)獨(dú)有的流變性和攪熔性來(lái)控制鑄件的質(zhì)量。半固態(tài)成形方法流變成形rheoforming觸變成形thixoforming在金屬凝固過(guò)程中，對(duì)其施以劇烈的攪拌作用，充分破碎樹枝狀的初生固相，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的固-液混合漿料(固相組分一般為50%左右)，即流變漿料，利用這種流變漿料直接進(jìn)行成形加工的方法稱之為半固態(tài)金屬的流變成形。如果漿流變漿料凝固成錠，按需要將此金屬錠切成一定大小，然后重新加熱(即坯料的二次加熱)至金屬的半固態(tài)溫度區(qū)(金屬錠稱為半固態(tài)金屬坯料)。利用金屬的半固態(tài)坯料進(jìn)行成形加工的方法為觸變成形(1)半固態(tài)成形技術(shù)定義第4頁(yè)/共40頁(yè)第5頁(yè)/共40頁(yè)(2)半固態(tài)金屬的特點(diǎn)圖2半固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：(a)高固相分?jǐn)?shù)，(b)低固相分?jǐn)?shù)

半固態(tài)金屬(合金)的內(nèi)部特征是固液相混合共存，在晶粒邊界存在金屬液體，根據(jù)固相分?jǐn)?shù)不同，其狀態(tài)不同，圖2為半固態(tài)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖?？梢姡吖滔喾?jǐn)?shù)時(shí)，液相成分僅限于部分晶界；低固相分?jǐn)?shù)時(shí)，固相顆粒游離在液相成分之中。第6頁(yè)/共40頁(yè)半固態(tài)金屬的金屬學(xué)和力學(xué)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：由于固液共存，在兩者界面不斷發(fā)生熔化、凝固，產(chǎn)生活躍的擴(kuò)散現(xiàn)象，因此，溶質(zhì)元素的局部濃度不斷變化；由于晶粒間或固相粒子間夾有液相成分，固相粒子間幾乎沒有結(jié)合力，因此，其宏觀流動(dòng)變形抗力很低；隨著固相分?jǐn)?shù)的降低，呈現(xiàn)黏性流體特性，在微小外力作用下即可很容易變形流動(dòng)；當(dāng)固相分?jǐn)?shù)在極限值(約75%)以下時(shí)，漿料可以進(jìn)行攪拌，并可很容易混入異種材料的粉末、纖維等，如圖3所示；圖3半固態(tài)金屬和強(qiáng)化粒子(纖維)的攪拌混合第7頁(yè)/共40頁(yè)由于固相粒子間幾何無(wú)結(jié)合力，在特定部位雖然容易分離；但由于液相成分的存在，又很容易地將分離的部位連接形成一體化，特別是液相成分很活躍，不僅半固態(tài)金屬間的結(jié)合，而且于一般固態(tài)金屬材料也容易形成很好的結(jié)合，如圖4所示；含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材料也可通過(guò)半熔融狀態(tài)在低加工力下進(jìn)行成形加工；當(dāng)施加外力時(shí)，液相成分和固相成分存在分別流動(dòng)的情況，如圖5所示，一般來(lái)說(shuō)，存在液相成分先行流動(dòng)的傾向。液相先行流動(dòng)的現(xiàn)象在固相分?jǐn)?shù)很高、很低或加工速度特別高的情況下很難發(fā)生，主要是在中間固相分?jǐn)?shù)范圍或低加工速度下比較顯著。圖4半固態(tài)金屬的(a)分離，(b)結(jié)合圖5半固態(tài)金屬變形時(shí)液相成分和固相成分的流動(dòng)第8頁(yè)/共40頁(yè)與普通加工方法相比，半固態(tài)金屬加工的優(yōu)點(diǎn)：黏度比液態(tài)金屬高，容易控制：模具夾帶的氣體少，減少氧化、改善加工性，減少模具粘接，可進(jìn)行更高速的部件成形，改善表面光潔度，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和形成新加工工藝；流動(dòng)應(yīng)力比固態(tài)金屬低：半固態(tài)漿料具有流變性和觸變性，變形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且可進(jìn)行復(fù)雜件成形，縮短加工周期，提高材料利用率，有利于節(jié)能節(jié)材，并可進(jìn)行連續(xù)形狀的高速成形(如擠壓)，加工成本低；應(yīng)用范圍廣：凡具有固液兩相區(qū)的合金均可實(shí)現(xiàn)半固態(tài)加工、可適用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和鍛壓等，并可進(jìn)行材料的復(fù)合及成形。第9頁(yè)/共40頁(yè)(3)半固態(tài)成形的基本工藝方法半固態(tài)坯料制備二次加熱觸變成形合金原料設(shè)計(jì)、配制加熱、熔煉攪拌(機(jī)械或電磁等)半固態(tài)漿料流變壓鑄成形其他流變成形部件毛坯

經(jīng)加熱熔煉的合金原料液體通過(guò)機(jī)械攪拌、電磁攪拌或其他復(fù)合攪拌，在結(jié)晶凝固過(guò)程中形成半固態(tài)漿料。流變成形觸變成形第10頁(yè)/共40頁(yè)(3)半固態(tài)成形的基本工藝方法流變成形(流變鑄造)圖6半固態(tài)金屬加工兩種方法(流變成形和觸變成形)的工藝流程圖觸變成形(觸變鑄造)第11頁(yè)/共40頁(yè)(4)半固態(tài)成形的研究及進(jìn)展

最早于20世紀(jì)70年代初期，由美國(guó)麻省理工學(xué)院的M.C.Flemings教授和DavidSpencer博士提出。

根據(jù)所研究的材料，可分為有色金屬及其合金的低熔點(diǎn)材料半固態(tài)加工和鋼鐵材料等高熔點(diǎn)黑色金屬材料半固態(tài)加工。第12頁(yè)/共40頁(yè)①有色金屬及其合金的低熔點(diǎn)材料半固態(tài)成形研究鋁、鎂、鉛、銅研究重點(diǎn)在成形工藝的開發(fā)鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)（觸變成形）已經(jīng)成熟并進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)，主要應(yīng)用于汽車、電器、航空航天領(lǐng)域。②高熔點(diǎn)黑色金屬的半固態(tài)成形研究D2、HS6-5-2高速工具鋼、100Cr6鋼、60Si2Mn彈簧鋼、AISI304不銹鋼、C80工具鋼、鑄鐵等第13頁(yè)/共40頁(yè)高熔點(diǎn)黑色金屬半固態(tài)加工進(jìn)展緩慢

選擇的材料液固線溫度區(qū)間較小；高溫半固態(tài)漿料難以連續(xù)穩(wěn)定地制備；熔體的溫度、固相的比率和分布難以準(zhǔn)確控制；漿料在高溫下輸送和保溫困難；成形溫度高，工具材料的高溫性能難以保證等。第14頁(yè)/共40頁(yè)2、半固態(tài)金屬的組織特性、形成機(jī)理與力學(xué)行為(1)非枝晶的形成與演化圖7Al-20Cu合金未攪拌和機(jī)械攪拌(流變鑄造)狀態(tài)的凝固組織

液體金屬在凝固過(guò)程中攪拌且激冷，其結(jié)晶造成固體顆粒的初始形貌呈樹枝狀，然后在剪切力作用下，枝晶會(huì)破碎，形成小的球形晶，圖7未常規(guī)鑄造和半固態(tài)鑄造的組織對(duì)比，可見利用流變鑄造方法生產(chǎn)的半固態(tài)金屬具有獨(dú)特的非枝晶、近似球形的顯微結(jié)構(gòu)。球形組織的形成過(guò)程？第15頁(yè)/共40頁(yè)球形結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程：結(jié)晶開始時(shí)，攪拌促進(jìn)了晶核的產(chǎn)生，此時(shí)晶核是以枝晶生長(zhǎng)方式進(jìn)行的；隨著溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長(zhǎng)方式進(jìn)行，但由于攪拌的作用，造成晶粒之間互相磨損、剪切以及液體對(duì)晶粒劇烈沖刷，這樣，枝晶臂被打斷，形成了更多細(xì)小晶粒，其自身結(jié)構(gòu)也逐漸向薔薇形演化；隨著溫度的繼續(xù)下降，最終使得這種薔薇形結(jié)構(gòu)演化成更簡(jiǎn)單的球形結(jié)構(gòu)，演化過(guò)程如圖8所示。

球形結(jié)構(gòu)的最終形成要靠足夠的冷卻速度和足夠高的剪切速率，同時(shí)這是一個(gè)不可逆的結(jié)構(gòu)演化過(guò)程，即一旦球形的結(jié)構(gòu)生成了，只要在液固區(qū)，無(wú)論怎樣升降合金的溫度(不能讓合金完全熔化)，它也不會(huì)變成枝晶。圖8球形微粒固態(tài)金屬加工兩種方法(流變成形和觸變成形)的工藝流程圖第16頁(yè)/共40頁(yè)有色金屬半固態(tài)組織的演變機(jī)制主要有以下三種：枝晶臂根部斷裂機(jī)制。因剪切力的作用使枝晶臂在根部斷裂。最初形成的樹枝晶是無(wú)位錯(cuò)和切口的理想晶體，很難依靠沿著自由浮動(dòng)的枝晶臂的速度梯度方向產(chǎn)生的力來(lái)折斷。因此，必須加強(qiáng)力攪拌，在剪切力作用下從根部折斷。枝晶臂根部熔斷機(jī)制。晶體在表面積減小的正常長(zhǎng)大過(guò)程中，枝晶臂由于受到流體的快速擴(kuò)散、溫度漲落引起的熱震動(dòng)及在根部產(chǎn)生應(yīng)力的作用，有利于熔斷，同時(shí)固相中根部溶質(zhì)含量較高，也降低熔點(diǎn)，促進(jìn)此機(jī)制的作用，機(jī)理如圖9所示。圖9枝晶臂發(fā)生熔斷示意圖半固態(tài)漿料攪動(dòng)時(shí)的組織演變受很多因素影響，半固態(tài)漿料的溫度、固相分?jǐn)?shù)和剪切速率是三個(gè)基本因素。第17頁(yè)/共40頁(yè)枝晶臂彎曲機(jī)制。此機(jī)制認(rèn)為，位錯(cuò)的產(chǎn)生并積累導(dǎo)致塑性變形。在兩相區(qū)，位錯(cuò)間發(fā)生攀移并結(jié)合成晶界，當(dāng)相鄰晶粒的傾角超過(guò)20°時(shí)，界面能超過(guò)固液界面能的兩倍，液相將侵入晶界并迅速滲入，從而使枝晶臂從主干分離。注：以上三種機(jī)制都有一定的依據(jù)，但附加位錯(cuò)如何發(fā)生恢復(fù)和再結(jié)晶或如何遷移、固液漿料的溫度起伏還缺乏必要的試驗(yàn)依據(jù)，因此，金屬半固態(tài)組織的演變機(jī)制還有很多基本理論及技術(shù)問(wèn)題需要解決。第18頁(yè)/共40頁(yè)(2)半固態(tài)金屬的力學(xué)行為

下表為用不同加工方法獲得的A356鋁合金的力學(xué)性能，從表中可以看出，半固態(tài)金屬加工技術(shù)的優(yōu)越性。如觸變成形并在T6狀態(tài)下的性能較金屬型鑄造所獲得的合金有更好的力學(xué)性能，并與鍛件的性能相近。合金加工方法熱處理狀態(tài)屈服應(yīng)力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%硬度/HBA356(Al7Si0.3Mg)SSM鑄態(tài)1102201460SSMT41302502070SSMT51802555~1080SSMT624032012105PMT6186262580PMT511381862——CDFT62803409——注：SSM為半固態(tài)加工；PM為金屬型鑄造；CDF為閉模鍛造第19頁(yè)/共40頁(yè)幾種鑄造方法鑄件性能比較第20頁(yè)/共40頁(yè)3、金屬半固態(tài)的制備方法

金屬半固態(tài)漿料或坯料的制備是半固態(tài)成形加工的基礎(chǔ)，目前半固態(tài)漿料或坯料的制備方法很多，常用的方法是有電磁攪拌法和機(jī)械攪拌法。(1)電磁攪拌法電磁攪拌法是利用感應(yīng)線圈產(chǎn)生的平行于或者垂直于鑄型方向的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)處于液-固相線之間的金屬液形成強(qiáng)烈的攪拌作用，產(chǎn)生劇烈的流動(dòng)，使金屬凝固析出的枝晶充分破碎并球化，進(jìn)行半固態(tài)漿料或坯料的制備。

優(yōu)點(diǎn)：不污染金屬液，金屬漿料純凈，不卷入氣體，可以連續(xù)生產(chǎn)流變漿料或連續(xù)鑄錠坯，產(chǎn)量可以很大。

缺點(diǎn)：直徑大于150mm的鑄坯不宜采用電磁攪拌法生產(chǎn)。影響因素：攪拌功率，攪拌時(shí)間，冷卻速度，金屬液溫度，澆注速度電磁攪拌示意圖？第21頁(yè)/共40頁(yè)電磁攪拌電磁攪拌垂直半連續(xù)鑄造示意圖1.中間包底口2.結(jié)晶器引流口3.水室隔墻4.冷卻水室5.結(jié)晶器陶瓷內(nèi)襯6.結(jié)晶器外壁7.坯料的固液前沿8.攪拌器9.坯料10.引錠底托11.引錠桿12.引錠機(jī)13.引錠絲杠

電磁攪拌是工業(yè)制備鋁合金半固態(tài)坯料的主要工藝方法，與連鑄相結(jié)合進(jìn)行高效率坯料連續(xù)制備。第22頁(yè)/共40頁(yè)電磁攪拌水平電磁攪拌連續(xù)鑄造示意圖1.拉撥機(jī)構(gòu)2.坯料3.攪拌繞組4.冷卻水閥5.攪拌控制器6.流量控制器7.澆口盆8.中間包9.熔化爐10.導(dǎo)流管11.陶瓷環(huán)12.冷卻水箱13.結(jié)晶器第23頁(yè)/共40頁(yè)(2)機(jī)械攪拌法該方法利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的葉片或攪拌棒改變凝固中金屬初晶的生長(zhǎng)與演化，以獲得球狀或類球狀的初生固相的半固態(tài)金屬流變漿料。

優(yōu)點(diǎn)：攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。

缺點(diǎn)：攪拌棒材質(zhì)要求嚴(yán)格，易造成合金污染。影響因素：攪拌室的溫度，攪拌葉片或棒的轉(zhuǎn)速。機(jī)械攪拌示意圖(3)應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法（SIMA）再對(duì)熱態(tài)擠壓變形過(guò)的坯料加以少量的冷變形，在坯料的組織中儲(chǔ)存部分變形能力。按需要將經(jīng)過(guò)變形的金屬錠坯切成一定大小，迅速將其加熱到固液兩相區(qū)并適當(dāng)保溫，即可獲得具有觸變性的球狀半固態(tài)坯料。將該金屬錠坯在回復(fù)再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行大變形量的熱態(tài)擠壓變形，通過(guò)變形破碎鑄態(tài)組織。利用傳統(tǒng)連鑄方法預(yù)先連續(xù)鑄造出晶粒細(xì)小的金屬錠坯。第24頁(yè)/共40頁(yè)(4)液態(tài)異步軋擠法原理：利用一個(gè)極限旋轉(zhuǎn)的輥輪把靜止的弧狀結(jié)晶壁上生長(zhǎng)的初晶不斷碾下、破碎，并與剩余的液體一起混合，形成流變金屬漿料，是一種高效制備半固態(tài)坯料的方法。(5)超聲振動(dòng)法原理：利用超聲機(jī)械振動(dòng)波擾動(dòng)金屬的凝固過(guò)程，細(xì)化金屬晶粒，獲得球狀初晶的金屬漿料。(6)粉末冶金法原理：首先制備金屬粉末，然后進(jìn)行不同種類金屬粉末的混合，再進(jìn)行粉末預(yù)成形，并將預(yù)成形坯料重新加熱至半固態(tài)區(qū)，進(jìn)行適當(dāng)保溫，即可獲得半固態(tài)金屬坯料。要求粉末的粒度十分細(xì)?。〉?5頁(yè)/共40頁(yè)(7)傾斜冷卻板制備法原理：如圖10所示，金屬液通過(guò)坩堝傾倒在內(nèi)部具有水冷卻裝置的冷卻板上，金屬液冷卻后達(dá)到半固態(tài)。，流入模具中制備成半固態(tài)坯料。圖10傾斜冷卻板制備半固態(tài)坯料的工藝及設(shè)備圖第26頁(yè)/共40頁(yè)4、半固態(tài)金屬觸變成形(1)觸變射鑄工藝及設(shè)備

觸變射鑄(Thixomolding)由美國(guó)的Dow公司開發(fā)的，1992年由日本引入并完成成形機(jī)的研制開發(fā)。圖11為Thixomolding工藝的簡(jiǎn)圖，其設(shè)備由原料入料與預(yù)熱裝置、螺旋注射機(jī)、加熱裝置以及壓鑄機(jī)等部分組成。圖11Thixomolding工藝簡(jiǎn)圖設(shè)備特點(diǎn)：原料進(jìn)入料斗后邊加熱邊剪切攪拌，最后形成半固態(tài)的狀態(tài)再射入模具中；半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)可控性強(qiáng)，成形件質(zhì)量高、性能穩(wěn)定螺旋機(jī)內(nèi)密閉性好，在成形過(guò)程中不需要嚴(yán)格的保護(hù)性氣氛進(jìn)行保護(hù)，僅在投料口處用少量的Ar氣保護(hù)即可。第27頁(yè)/共40頁(yè)第28頁(yè)/共40頁(yè)Thixomolding成形件的特點(diǎn)：表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量改善；成形件尺寸精度提高；力學(xué)性能提高；耐蝕性提高；可精密成形薄壁件表2三種鎂合金采用Thixomolding和模鑄成形件的力學(xué)性能比較材料成形方法屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%AZ91DThixomolding18029910模鑄1602303AM60BThixomolding14727818.8模鑄11423911.6ZM50AThixomolding13926920模鑄11223213第29頁(yè)/共40頁(yè)(2)觸變壓鑄(Thixo-casting)瑞士BüHLER公司推出的觸變壓鑄設(shè)備

與普通壓鑄成形工藝相比，半固態(tài)壓鑄具有成形溫度低，凝固時(shí)間短，成形周期短，部件質(zhì)量好，微觀組織均勻，高度自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。第30頁(yè)/共40頁(yè)半固態(tài)觸變壓鑄成形件第31頁(yè)/共40頁(yè)(3)觸變鍛造(Thixo-forging)

觸變鍛造是將半固態(tài)金屬坯料移入鍛壓模具內(nèi)，然后模具的一部分向另一部分運(yùn)動(dòng)并加壓成形，其原理如圖12所示。圖12觸變鍛造原理半固態(tài)鍛造成形的優(yōu)點(diǎn)：

顯著降低鍛造過(guò)程中的變形抗力，擴(kuò)大了復(fù)雜成形件的范圍，可實(shí)現(xiàn)近終成形(如薄壁件、底切槽件、孔形件和刃形輻射件等)，顯著減少工藝環(huán)節(jié)，加工成本低，切削量少，材料利用率高。第32頁(yè)/共40頁(yè)半固態(tài)鍛壓成形件第33頁(yè)/共40頁(yè)(4)觸變擠壓(Thixo-extrusion)

觸變擠壓是將半固態(tài)金屬坯料移入擠壓腔內(nèi)，然后通過(guò)模具孔擠出成形，其原理如圖13所示。觸變擠壓成形的優(yōu)點(diǎn)：

顯著降低變形抗力，擴(kuò)大了復(fù)雜件成形件的范圍，改善了產(chǎn)品的成形性，Al、Mg輕質(zhì)高強(qiáng)合金、MMC以及鋼等都可以擠壓成形。圖13觸變擠壓原理圖第34頁(yè)/共40頁(yè)(5)觸變軋制(Thixo-rolling)

觸變軋制是將半固態(tài)金屬坯料送入軋輥輥縫中進(jìn)行軋制成形的方法，其原理如圖14所示。觸變擠壓成形的特點(diǎn)：在半固態(tài)金屬坯料的固相分?jǐn)?shù)很高時(shí)(如80%以上)，其變形與熱軋時(shí)的情況基本相同，板坯內(nèi)的固相和液相變形均勻，可得到沿板厚方向固相顆粒均勻的產(chǎn)品。但當(dāng)固相分?jǐn)?shù)較低時(shí)(如70%以下)，則變形時(shí)會(huì)出現(xiàn)固液相偏析。圖14觸變軋制成形原理示意圖第35頁(yè)/共40頁(yè)5、半固態(tài)金屬流變成形

與觸變成形相比，流變成形省去了二次加熱，由半固態(tài)漿料直接進(jìn)行成形，但其工藝過(guò)程控制難度要大一些。近年來(lái)，由于流變成形的生產(chǎn)流程短、相對(duì)成本較低，受到國(guó)內(nèi)外許多研究者的重視，如奧地利LKR公司的“新流變鑄造工藝”，英國(guó)Z.Fan