《材料工程基礎(chǔ)》課件-第四章 半固態(tài)成形（2節(jié)）

第二節(jié)半固態(tài)成形一、概述二、半固態(tài)下合金流動性能三、半固態(tài)成形方法傳統(tǒng)的金屬成形主要分為兩類：一類是金屬的液態(tài)成形，如鑄造、液態(tài)模鍛、液態(tài)軋制、連鑄等；另一類是金屬的固態(tài)成形，如軋制、拉拔、擠壓、鍛造、沖壓等。在20世紀70年代美國麻省理工學院的Flemimgs教授等提出了一種金屬成形的新方法，即半固態(tài)加工技術(shù)。一、概述

半固態(tài)成形技術(shù)的研究始于鋁合金，至今已有30多年的歷史。比較成功的是鋁合金的半固態(tài)壓鑄、模鍛及注射成形，生產(chǎn)出形狀復雜的零部件如汽車用剎車制動缸體和鋁合金輪轂、轉(zhuǎn)向與傳動系統(tǒng)部件、活塞、機器人手臂以及航空航天上使用的電子器件的連接部件等。

半固態(tài)金屬成形技術(shù)（Semi-SolidMetalForming，簡稱SSM）是指將金屬凝固過程中形成的樹枝晶組織變?yōu)榍蛐尉Я?，或者完全抑制枝晶生長，然后直接進行流變成形，或者在制備得到半固態(tài)坯料后局部重熔和觸變成形。定義就金屬材料而言，半固態(tài)是其從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變或從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的中間階段，特別對于結(jié)晶溫度區(qū)間寬的合金，半固態(tài)階段較長。金屬材料在液態(tài)、固態(tài)和半固態(tài)三個階段均呈現(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。什么是半固態(tài)？凝固加工利用液態(tài)金屬的良好流動性，以完成成形過程中的充填、補縮直至凝固結(jié)束。其發(fā)展趨勢是采用機械壓力替代重力充填，從而改善成形件內(nèi)部質(zhì)量和尺寸精度。但從凝固機理角度看，凝固加工要想完全消除成形件內(nèi)部缺陷是極其困難的，甚至是不可能的。凝固加工塑性加工利用固態(tài)金屬在高溫下呈現(xiàn)的良好塑性流動性，以完成成形過程中的形變和組織轉(zhuǎn)變。與凝固加工相比，采用塑性加工成形的產(chǎn)品質(zhì)量明顯好，但由于固態(tài)金屬變形抗力高，所需變形力大，設(shè)備也很龐大，因此要消耗大量能源，對于復雜零件往往需要多道成形工序才能完成。塑性加工半固態(tài)加工是利用金屬從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變或從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變(即液固共存)過程中所具有的特性進行成形的方法。這一新的成形加工方法綜合了凝固加工和塑性加工的長處。即加工溫度比液態(tài)低、變形抗力比固態(tài)小，可一次大變形量加工成形形狀復雜且精度和性能質(zhì)量要求較高的零件。所以，國外有的專家將半固態(tài)加工稱為21世紀最有前途的材料成形加工方法。半固態(tài)加工半固態(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)固相分數(shù)不同，其狀態(tài)不同。半固態(tài)金屬的特點半固態(tài)金屬的金屬學和力學主要有以下幾個特點：①由于固液共存，在兩者界面熔化、凝固不斷發(fā)生，產(chǎn)生活躍的擴散現(xiàn)象。因此溶質(zhì)元素的局部濃度不斷變化；②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，其宏觀流動變形抗力很低；③隨著固相分數(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；④當固相分數(shù)在極限值(約75％)以下時，漿料可以進行攪拌，并可很容易混人異種材料的粉末、纖維等。⑤由于固相粒子間幾乎無結(jié)合力，在特定部位雖然容易分離，但由于液相成分的存在，又可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，而且與一般固態(tài)金屬材料也容易形成很好的結(jié)合。⑥即使是含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材料，也可通過半熔融狀態(tài)在低加工力下進行成形加工；⑦當施加外力時，液相成分和固相成分存在分別流動的情況。雖然施加外力的方法和當時的邊界約束條件可能不同，但一般來說，存在液相成分先行流動的傾向或可能性。應(yīng)用范圍廣，凡具有固液兩相區(qū)的合金均可實現(xiàn)半固態(tài)加工。鑄件質(zhì)量高，力學性能好，尺寸精度高，加工精度高，幾乎是近凈成形，對典型零件可減少機加工量50%。減小對成型裝置的熱沖擊，節(jié)約能源。便于實現(xiàn)自動化。生產(chǎn)成本低。半固態(tài)成形優(yōu)點金屬半固態(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：機械攪拌法電磁攪拌法應(yīng)變激活法1、金屬半固態(tài)的制備方法二、半固態(tài)下合金流動性能機械攪拌法是利用機械旋轉(zhuǎn)的葉片或攪拌棒改變凝固中金屬初晶的生長與演化，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。

機械攪拌法

優(yōu)點：攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作方便。

缺點：生產(chǎn)的半固態(tài)漿料的產(chǎn)量小，只適用于實驗室的小規(guī)模試驗研究工作。影響因素：攪拌室的溫度，攪拌葉片或棒的轉(zhuǎn)速。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磁場對處于液-固相線之間的金屬液形成強烈的攪拌作用，產(chǎn)生劇烈的流動，使金屬凝固析出的枝晶充分破碎并球化，進行半固態(tài)漿料或坯料的制備。

電磁攪拌法優(yōu)點：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：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，攪拌時間，冷卻速度，金屬液溫度，澆注速度。應(yīng)變激活法再對熱態(tài)擠壓變形過的坯料加以少量的冷變形，在坯料的組織中儲存部分變形能力。按需要將經(jīng)過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再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)進行大變形量的熱態(tài)擠壓變形，通過變形破碎鑄態(tài)組織。利用傳統(tǒng)連鑄方法預(yù)先連續(xù)鑄造出晶粒細小的金屬錠坯。金屬液通過坩堝傾倒在內(nèi)部具有水冷卻裝置的冷卻板上，金屬液冷卻后達到半固態(tài)，流入模具中制備成半固態(tài)坯料。傾斜冷卻板制備法普通鑄造組織中初晶呈發(fā)達的樹枝晶。半固態(tài)合金其初晶組織呈球狀，近球狀或半樹枝狀。

液態(tài)壓鑄樹枝晶組織半固態(tài)壓鑄非枝晶組織（Mg-9%Al合金）（Mg-9%Al合金）2、半固態(tài)合金合金凝固組織與組織演化球形結(jié)構(gòu)的演化過程：結(jié)晶開始時，攪拌促進了晶核的產(chǎn)生，此時晶核是以枝晶生長方式進行的；隨著溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長方式進行，但由于攪拌的作用，造成晶粒之間互相磨損、剪切以及液體對晶粒劇烈沖刷，這樣，枝晶臂被打斷，形成了更多細小晶粒，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)演化成更簡單的球形結(jié)構(gòu)。1）合金在熔融態(tài)和凝固過程中的流變性①熔融合金在一般過熱時是牛頓流體τ=η·τ-剪切應(yīng)力Pa-剪切速率（s-1）η-動力黏度系數(shù)（Pa·s）②在結(jié)晶溫度范圍內(nèi)合金變形具有彈性、粘彈性和塑性等特征。3、半固態(tài)合金的流變性能2）半固態(tài)合金的流變性能1、流變成形（Rheoforming）2、觸變成形（Thixoforming）3、鑄鍛成形4、復合鑄造三、半固態(tài)成形方法圖6

半固態(tài)金屬加工兩種方法(流變成形和觸變成形)的工藝流程圖流變成形(流變鑄造)觸變成形(觸變鑄造)流變成形與觸變成形流變成形在金屬凝固過程中，對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行成形加工的方法稱之為半固態(tài)金屬的流變成形。1、流變成形圖流變成形工藝示意圖(a)半固態(tài)制漿

（b）移送至壓室內(nèi)

(c)壓鑄或擠壓成形

與觸變成形相比，流變成形省去了二次加熱，由半固態(tài)漿料直接進行成形，但其工藝過程控制難度要大一些。近年來，由于流變成形的生產(chǎn)流程短、相對成本較低，受到國內(nèi)外許多研究者的重視奧地利LKR公司的“新流變鑄造工藝”英國Z.Fan的雙螺旋流變技術(shù)日本T.Haga的傾斜板制備半固態(tài)漿料并直接鑄軋薄帶和流變擠壓成形中國康永林等的半固態(tài)直接軋制和錐桶式半固態(tài)流變成形技術(shù)原理：利用雙螺旋的旋轉(zhuǎn)，使液態(tài)金屬產(chǎn)生劇烈的紊流，增加切變率來達到細化晶粒，均勻成分的目的。雙螺旋式半固態(tài)流變成形1-加熱元件；2-熔化爐；3-塞棒；4-缸體；5-加熱元件；6-冷卻元件；7-缸體內(nèi)套；8-單向閥；9-模塊；10-模腔；11-加熱元件；12-射壓缸；13-雙螺旋；14-射壓活塞；15-尾蓋；16-驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點：設(shè)備的剪切速率高，半固態(tài)顆粒細小均勻，可生產(chǎn)薄壁、斷面復雜的零件。缺點：雙螺旋結(jié)構(gòu)存在螺桿工況差，消耗高，壽命短等問題，不適用大型零件生產(chǎn)。優(yōu)缺點指將用漿料連續(xù)制備器生產(chǎn)的半固態(tài)漿料鑄成一定形狀的鑄錠，可以搬運、切塊、儲藏，（或等軸細晶的預(yù)鑄錠），使用時重新加熱到半固態(tài)溫度范圍，裝入成型機進行成形（鑄造、擠壓、軋制、模鍛）的成形方法。2、觸變成形液態(tài)金屬澆入金屬模中，在高壓下凝固并產(chǎn)生半固態(tài)塑性流變的成形方法。是金屬凝固（鑄造）和塑性成形（鍛壓）兩個過程的復合。工藝簡單，成本低，成形產(chǎn)品的性能好，質(zhì)量可靠，應(yīng)用廣泛。

3、鑄鍛成形主要方法：介于壓力鑄造與模鍛之間的工藝。其發(fā)展歷史較長，工藝較成熟應(yīng)用廣泛。液態(tài)模鍛具有液態(tài)模鍛和熱擠壓變形特點的方法。在高壓下→發(fā)生流動、結(jié)晶凝固→擠壓至成形?？凇笏苄宰冃巍尚纬芍破罚绻懿?、棒材。液態(tài)擠壓將已凝固和待凝固的金屬一起擠壓變形，實現(xiàn)半固態(tài)加工。連續(xù)鑄擠將液態(tài)金屬直接澆入兩軋輥組成的輥縫之間，隨軋輥旋轉(zhuǎn)帶入變形區(qū)，實現(xiàn)半固態(tài)軋制。液態(tài)軋制指對處于液固兩相區(qū)的金屬進行強烈攪拌，同時加入陶瓷顆?；蚨汤w維等增強相，形成復合材料半固態(tài)漿料，再進行流變成形，觸變成形和鑄鍛成形的工藝。半固態(tài)合金的觸變性能使增強相分散存在。4、復合鑄造半固態(tài)金屬加工樣品（a）各種通信設(shè)