材料加工新技術(shù)與新工藝-4課件

第4章金屬半固態(tài)加工§4.1概述1.半固態(tài)加工的概念與特點(1)

半固態(tài)加工的概念傳統(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)。第4章金屬半固態(tài)加工§4.1概述1目前，世界各國都有許多大學和公司的研究機構(gòu)在從事半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究和開發(fā)，主要應(yīng)用于汽車零部件的制造，同時在軍事、航空、電子及消費品等方面的產(chǎn)品開發(fā)也正在不斷擴大。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。

目前，世界各國都有許多大學和公司的研究機構(gòu)在從事2●定義

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?！穹椒á倭髯兂尚?rheoforming)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(rheoforming)；●定義3②觸變成形(thixoforming)如果將流變漿料凝固成錠，接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)，這時的金屬錠一般稱為半固態(tài)金屬坯料。利用金屬的半固態(tài)坯料進行成形加工，這種方法稱之為觸變成形(thixoforming)。半固態(tài)金屬的上述兩種成形方法合稱為金屬的半固態(tài)成形或半固態(tài)加工(semi-solidformingorprocessingofmetals)，目前在國際上，通常將半固態(tài)加工簡稱為SSM(semi-solidmetallurgy)。②觸變成形(thixoforming)4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?！裟碳庸つ碳庸だ靡簯B(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。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5◆塑性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。因此，塑性加工的發(fā)展方向是降低加工能耗和成本、減小變形阻力、提高成形件尺寸精度和表面與內(nèi)部質(zhì)量。由此出現(xiàn)了精密模鍛、等溫鍛造和超塑性加工等現(xiàn)代塑性加工方法?！羲苄约庸?◆半固態(tài)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?！舭牍虘B(tài)加工7材料加工新技術(shù)與新工藝-4課件8（2）半固態(tài)金屬的特點

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，圖4-2表示半固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（2）半固態(tài)金屬的特點9●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，如圖4-3所示；●半固態(tài)金屬的金屬學和力學主要有以下幾個特點：10材料加工新技術(shù)與新工藝-4課件11

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，如圖4-4所示：

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12

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，如圖4-5所示；

⑥即使是含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材料，也可通過半13

⑧上述現(xiàn)象在固相分數(shù)很高或很低或加工速度特別高的情況下都很難發(fā)生，主要是在中間固相分數(shù)范圍或低加工速度情況下顯著。

●半固態(tài)成形優(yōu)點合金制品半固態(tài)成形組織的力學性能指標比常規(guī)組織提高10%，抗疲勞性能提高5%，延伸率提高5%。與普通固態(tài)壓力加工和液態(tài)壓鑄成形相比，半固態(tài)成形技術(shù)獨特的優(yōu)點是利用了合金在半固態(tài)下的流變性和觸變性，可以形成復雜的薄壁零部件；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%；生產(chǎn)效率高，成品率可達100%；節(jié)約原材料和能源消耗，是一種綠色節(jié)能型冶金加工技術(shù)。⑧上述現(xiàn)象在固相分數(shù)很高或很低或加工速度特別高的情況下14●與普通的加工方法相比半固態(tài)金屬加工具有許多獨特的優(yōu)點：

①

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，可進行更高速的部件成形，改善表面光潔度，易實現(xiàn)自動化和形成新加工工藝；

②流動應(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，而且可進行復雜件成形，縮短加工周期，提高材料利用率，有利于節(jié)能節(jié)材，并可進行連續(xù)形狀的高速成形(如擠壓)，加工成本低；●與普通的加工方法相比半固態(tài)金屬加工具有許多獨特的優(yōu)點：15

③

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?？蛇m用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和鍛壓等，并可進行材料的復合及成形。③應(yīng)用范圍廣：162.半固態(tài)加工的基本工藝方法

半固態(tài)加工的基本工藝方法可分為：

▲流變成形(rheoforming)

▲觸變成形(thixoforming)如圖4-6所示。

2.半固態(tài)加工的基本工藝方法半固態(tài)加工的基本17材料加工新技術(shù)與新工藝-4課件18

流變成形(Rheoforming)是采用各種方法制備出合金半固態(tài)漿料，進行壓鑄或擠壓成形的一種工藝方法。半固態(tài)漿料與全液態(tài)合金熔體顯著不同，不能直接進行重力鑄造，必須依靠一定的壓力來完成漿料的流動充型成形。流變成形技術(shù)投入工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用的較少。一方面的原因是由于直接獲得的半固態(tài)合金漿料保存和輸送不方便，另一方面可能與采用攪拌法制備的半固態(tài)漿料質(zhì)量有關(guān)系。

流變成形(Rheoforming)是采用各種方法19

觸變成形(Thixoforming)是將制備的半固態(tài)合金錠料按工件體積切割成一定尺寸的坯料，重新加熱到半固態(tài)溫度區(qū)間，形成所需的漿料，進行壓鑄、擠壓或鍛造成形的工藝。由于半固態(tài)金屬坯料加熱、輸送方便，易于實現(xiàn)自動化操作，因此觸變成形是目前應(yīng)用最為廣泛的半固態(tài)金屬成形方法。在鋁合金半固態(tài)成形中應(yīng)用較多，

觸變成形(Thixoforming)是將制備的半固20●流變注射成形美國Concell大學WangK.K.等將半固態(tài)金屬流變鑄造同塑料注射成形結(jié)合起來，形成了一種稱為流變注射成形的半固態(tài)金屬成形新工藝，流變注射成形機結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。圖1-3WangK.K.的流變注射成形機結(jié)構(gòu)1.金屬液輸入管2.保溫爐3.螺桿4.筒體5.冷卻管6.加熱線圈8.半固態(tài)金屬累積區(qū)9.絕熱層10.注射嘴11.加熱線圈12.單向閥●流變注射成形圖1-3WangK.K.的流變注射成形21流變注射成形的工作原理是：液態(tài)金屬依靠重力從熔化及保溫爐中進入攪拌筒體，然后在螺旋的攪拌作用下冷卻至半固態(tài)，半固態(tài)金屬液中注射裝置注射成形，所有過程在保護氣氛下進行。在流變注射成形過程中，溫度控制精度很高，可高達±（0.5~1）℃，半固態(tài)金屬固相分數(shù)fs為0.3~0.5。該注射設(shè)備選用的材料性能要求較高，如高溫耐磨、耐蝕性能等，因此設(shè)備生產(chǎn)困難，此外，單螺旋桿攪拌產(chǎn)生的剪切效率不高。流變注射成形的工作原理是：液態(tài)金屬依靠重力從22●切屑旋壓注射成形半固態(tài)金屬切屑旋壓注射成形工藝是由美國DOW化學公司與Batelle研究所借鑒塑料注塑成形原理，于1988年發(fā)明切屑旋壓注射技術(shù)進行鎂合金半固態(tài)加工。工藝過程是將鎂合金鑄錠利用專用的裝置以機械的方式切成3～6mm左右的粒狀，將其加入料斗內(nèi)，在給料器和螺旋作用下向前推進，送入高溫螺旋混合機中加熱，在加熱區(qū)內(nèi)受到螺旋剪切，當材料加熱到570～590℃的液固兩相區(qū)時，進入定量觸變漿料(固相分數(shù)為30%～50%)收集器，達到定量后通過壓室高速射入模具內(nèi)成形。1991年取得專利?！袂行夹龎鹤⑸涑尚?3鎂合金切屑旋壓注射成形原理圖

鎂合金切屑旋壓注射成形原理圖243.半固態(tài)加工的研究及發(fā)展（1）國外研究現(xiàn)狀20世紀70年代初期，美國麻省理工學院的M.C.Flemings教授和DavidSpencer博士提出了半固態(tài)加工技術(shù)，由于該技術(shù)采用了非枝晶半同態(tài)漿料，打破了傳統(tǒng)的枝晶凝固模式，具有許多獨特的優(yōu)點，因此關(guān)于半固態(tài)金屬成形的理論和技術(shù)研究引起各國研究者的高度重視，半同態(tài)加工的產(chǎn)品及應(yīng)用也隨之得到迅速的發(fā)展。20世紀80年代后期以來，半同態(tài)加工技術(shù)已得到了各國科技工作者的普遍承認，目前已經(jīng)針對這種技術(shù)開展了年多工藝實驗和一些理論研究。3.半固態(tài)加工的研究及發(fā)展25根據(jù)所研究的材料，可分為有色金屬及其合金的低熔點材料半固態(tài)加工和鋼鐵材料等高熔點黑色金屬材料半固態(tài)加工。

①有色金屬及其合金的低熔點材料半固態(tài)成形研究20世紀70年代以來，美國、日本等國針對鋁、鎂、鉛、銅等的合金進行了研究，其重點主要放在成形工藝的開發(fā)上。目前，國外進入工業(yè)應(yīng)用的半固態(tài)金屬主要是鋁、鎂合金，這些合金最成功的應(yīng)用主要集中在汽車領(lǐng)域，如半固態(tài)模鍛鋁合金制動總泵體、掛架、汽缸頭、輪轂、壓縮機活塞等。根據(jù)所研究的材料，可分為有色金屬及其合金的低26鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)(觸變成形)已經(jīng)成熟并進入規(guī)模生產(chǎn)，主要應(yīng)用于汽車、電器、航空航天等領(lǐng)域。如美國的Alunaxm公司1997年的兩座半固態(tài)鋁合金成形汽車零件生產(chǎn)工廠的生產(chǎn)能力分別達到每年5000萬件。意大利的StrampalSPA和FiatAuto公司生產(chǎn)的半固態(tài)鋁合金汽車零件重達7kg，而且形狀很復雜；意大利的MM公司(MagnetiMarelli)為汽車公司生產(chǎn)半同態(tài)鋁合金成形的FuelinjectionRail零件，在2000年達到日產(chǎn)7500件。瑞士的Bubler公司已經(jīng)生產(chǎn)出鋁合金半固態(tài)觸變成形的專用SC型壓鑄機(實時壓射控制和單一壓射缸)和鋁合金半固態(tài)坯料的專用二次加熱設(shè)備。日本的SpeedStarWheel公司已經(jīng)利用半固態(tài)金屬成形技術(shù)生產(chǎn)鋁合金輪轂(重約5kg)。鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)(觸變成形)已經(jīng)成熟并進入規(guī)27

與鋁合金半固態(tài)成形比較，鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)發(fā)展較晚，目前成熟的技術(shù)只有Thixomolding（觸變成形）技術(shù)。1995年，美國的Thixomat公司的子公司—Lindberg公司利用Thixomolding工藝，為一些汽車公司生產(chǎn)了50余萬件的半固態(tài)鎂合金鑄件。日本的一些公司利用Thixomolding工藝制造移動通訊手機外殼、微型便攜式計算機外殼等。但Thixomolding工藝必須要求提供合適的鎂合金屑，這就使得該技術(shù)比較復雜、生產(chǎn)成本比較高。與鋁合金半固態(tài)成形比較，鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)28近年，英國布魯諾(Brunel)大學研制出低熔點合金雙螺旋半固態(tài)流變成形機，目前正在向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。另外，最近資料報道，一些發(fā)達國家正在開發(fā)鎂合金半固態(tài)連鑄坯料和觸變成形技術(shù)，這些情況說明鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)仍然處在不斷發(fā)展之中，將會出現(xiàn)新的技術(shù)突破。十幾年來，關(guān)于半固態(tài)加工實驗方面的研究主要集中在漿料的制備和材料的成形兩方面：漿料制備方法：機械攪拌法、單輥旋轉(zhuǎn)法、電磁攪拌法、

超聲振動法、直流脈沖法等材料成形工藝：壓鑄成形、模鍛成形、注射成形、

連鑄成形等近年，英國布魯諾(Brunel)大學研制出低熔點29理論上的研究主要是圍繞與工藝實現(xiàn)和試樣組織、性能有關(guān)方面。在此研究成果基礎(chǔ)上，近年來又針對漿料固相分數(shù)的控制與測定、輸送、工藝參數(shù)如變形抗力、成形線速度和鑄型溫度等對試樣的表面質(zhì)量、內(nèi)部成分和組織分布規(guī)律的影響等較高層次的問題開展了較為系統(tǒng)的理論研究，取得了一定的進展。另外，在纖維和顆粒增強材料、與陶瓷等的復合材料方面也進行了一些研究。但關(guān)于加工過程中凝固模型的建立和理論模擬等方面的高層次研究還并不多見。

理論上的研究主要是圍繞與工藝實現(xiàn)和試樣組織、性能30

②高熔點黑色金屬的半固態(tài)成形研究到目前為止，國際上共召開了7次半固態(tài)加工方面的專題國際學術(shù)會議，從研究的材料來看，絕大多數(shù)是關(guān)于鋁合金、鎂合金等低熔點材料。如2000年9月底在意大利召開的第6屆半固態(tài)加工國際學術(shù)會議上，共發(fā)表學術(shù)論文134篇，但其中關(guān)于高熔點鋼鐵材料半固態(tài)加工的研究論文僅6篇。所涉及的鋼鐵材料為M2、共析鋼、H11鋼和不銹鋼等。由此可見鋼鐵材料半固態(tài)加工的有關(guān)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究任重道遠，但一旦取得突破，其前景將十分光明。②高熔點黑色金屬的半固態(tài)成形研究31到了2002年9月在日本筑波召開的第七屆半固態(tài)加工國際學術(shù)會議，研究狀況有了一些新的發(fā)展。在此次學術(shù)交流會議上，共發(fā)表論文148篇，其中關(guān)于高熔點鋼鐵材料半固態(tài)加工的研究論文13篇，會議專設(shè)了一個鋼鐵材料半固態(tài)加工研討的分會場。采用半固態(tài)加工方法所研究的高熔點材料涉及D2、HS6-2-5高速工具鋼、100Cr6鋼、60Si2Mn彈簧鋼、AIS1304不銹鋼、C80工具鋼、鑄鐵等鋼鐵材料，半固態(tài)加工方法涉及觸變鍛壓、擠壓、鑄造和直接流變軋制及噴鑄成形等等。

到了2002年9月在日本筑波召開的第七屆半固態(tài)加32高熔點黑色金屬半固態(tài)加工之所以進展緩慢，其中的重要原因在于以下困難：

?。┻x擇的材料液固線溫度區(qū)間較?。?/p>

ⅱ）高溫半固態(tài)漿料難以連續(xù)穩(wěn)定地制備；

ⅲ）熔體的溫度、固相的比率和分布難以準確控制；

ⅳ）漿料在高溫下輸送和保溫困難；

ⅴ）成形溫度高，工具材料的高溫性能難以保證等等。高熔點黑色金屬半固態(tài)加工之所以進展緩慢，其中的重33目前研究的重點主要集中在某些鋼種的壓鑄、鍛造等非連續(xù)半固態(tài)成形加工方面。高熔點黑色金屬材料半固態(tài)漿料制備方法、成形的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在兩個方面。首先涉及高熔點黑色金屬半固態(tài)漿料或坯料的制備方法研究。獲得高熔點黑色金屬半固態(tài)漿料或坯料的方法主要有：機械攪拌法；電磁攪拌方法；應(yīng)變激活方法(SIMA)；粉末冶金方法；單輥旋轉(zhuǎn)。目前研究的重點主要集中在某些鋼種的壓鑄、鍛造等非34其次是有關(guān)黑色金屬半固態(tài)成形加工方法研究。最近幾年，國外有學者嘗試利用壓鑄機對Fe-2.5％C-3.1Si％鑄鑄鐵和AISI440A不銹鋼的半固態(tài)漿料直接進行流變成形，可以獲得初生固相分布均勻的優(yōu)質(zhì)成形件，木內(nèi)等還研究了鑄鐵的半固態(tài)鍛造。由于黑色金屬半固態(tài)漿料的保存和階段式輸送較為困難，其流變成形零件毛坯的進展緩慢。從黑色金屬半固態(tài)成形零件毛坯力學性能實驗結(jié)果可以看出：黑色金屬半固態(tài)成形零件毛坯的抗拉強度與傳統(tǒng)方法成形件的強度相當，成形件的塑性也有提高。其次是有關(guān)黑色金屬半固態(tài)成形加工方法研究。35（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國于20世紀70年代后期陸續(xù)開展了半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究，但這些嘗試大都利用機械攪拌法進行流變鑄造或觸變鑄造研究。中科院金屬研究所是國內(nèi)最早開展半固態(tài)加工研究的單位之一，較早進行了“鋁合金半固態(tài)鑄造”等的研究，自行設(shè)計制造了“半固態(tài)漿料制備設(shè)備”，研究了“半固態(tài)組織在凝固過程中析出規(guī)律”等等，并研制了“半固態(tài)壓鑄剎車器活塞毛坯直接連續(xù)成形”，“石墨鋁合金復合材料細紗錠盤”等。

（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀3620世紀80年代中期，我國研究者大多轉(zhuǎn)向半固態(tài)制備復合材料和個別通用牌號材料的流變特性的研究，取得了一些成果，如有的研究者利用晶粒細化首先獲得細小枝晶的ZAl2合金錠坯。20世紀90年代以后，一批研究院所和大學在有色金屬及其合金等低熔點材料半固態(tài)加工和鋼鐵等高熔點材料的半固態(tài)加工方面開展了較廣泛的研究。近幾年，我國的研究者在國家自然科學基金、國家“863”、“973”等計劃的支持下，已經(jīng)在鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用方面具備了較好的基礎(chǔ)。

20世紀80年代中期，我國研究者大多轉(zhuǎn)向半固態(tài)制37金屬半固態(tài)加工技術(shù)與傳統(tǒng)材料成形加工技術(shù)相比，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能、降低能耗和成本、縮短生產(chǎn)流程、利于環(huán)境保護以及提高產(chǎn)品市場競爭力等方面具有其獨特的優(yōu)勢，此技術(shù)在汽車、通訊電器、機械以及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域存在著巨大的現(xiàn)實的和潛在的應(yīng)用市場，十分需要從理論基礎(chǔ)、成形加工控制技術(shù)以及工藝裝備等方面開展系統(tǒng)的研究開發(fā)工作，以促進這一新技術(shù)的理論完善、技術(shù)成熟、實際應(yīng)用水平的提高和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，其理論和實際意義將十分重大。

金屬半固態(tài)加工技術(shù)與傳統(tǒng)材料成形加工技術(shù)相比，在38§4.2半固態(tài)金屬的組織特性，形成機理與力學行為1.非枝晶的形成與演化與常規(guī)鑄造方法形成的枝晶組織不同，利用流變鑄造方法生產(chǎn)的半固態(tài)金屬具有獨特的非枝晶、近似球形的顯徽結(jié)構(gòu)，如圖4-8所示。

流變鑄造:是指讓合金在劇烈攪拌的狀態(tài)下凝固。

§4.2半固態(tài)金屬的組織特性，形成機理與力學行為39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生長的。隨著溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長方式生長，但是由于攪拌的作用，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。形成了更多的細小晶粒，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)，演化過程如圖4-9所示。

結(jié)晶開始時，攪拌促進了晶核的產(chǎn)生，此時晶核是以枝40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，同時這是一個不可逆的結(jié)構(gòu)演化過程，即一旦球形的結(jié)構(gòu)生成了，只要在液固區(qū)，無論怎樣升降合金的溫度(但不能讓合金完全熔化)，它也不會變成枝晶。液態(tài)金屬在凝固過程中攪拌且激冷，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，枝晶會破碎，形成小的球形晶。

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41圖4-10給出半固態(tài)鑄造與常規(guī)鑄造的組織比較。

圖4-10給出半固態(tài)鑄造與常規(guī)鑄造的組織比較。42國內(nèi)外不少學者對球形晶粒形成機理及演變過程進行了研究。研究指出：半固態(tài)漿料攪動時的組織演變受很多因素影響，半固態(tài)漿料的溫度、固相分數(shù)和剪切速率是三個基本因素。但半固態(tài)鋼鐵材料在攪拌過程中初生晶粒究竟遵循怎樣的破碎、轉(zhuǎn)變機制，目前此方面已有一些初步的研究。關(guān)于有色金屬半固態(tài)組織的演變機制，從目前文獻來看，主要有以下幾種機理:①枝晶臂根部斷裂機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位錯和切口的理想晶體，很難依靠沿著自由浮動的枝晶臂的速度梯度方向產(chǎn)生的力來折斷。因此，必須加強力攪拌，在剪切力作用下從根部折斷。國內(nèi)外不少學者對球形晶粒形成機理及演變過程進行了43②枝晶臂根部熔斷機制晶體在表面積減小的正常長大過程中，枝晶臂由于受到流體的快速擴散、溫度漲落引起的熱振動及在根部產(chǎn)生應(yīng)力的作用，有利于熔斷；同時固相中根部熔質(zhì)含量較高，也降低熔點，促進此機制的作用。此機理示意圖如圖4-11所示。②枝晶臂根部熔斷機制44③

枝晶臂彎曲機制此機制認為，位錯的產(chǎn)生并累積導致塑性變形。在兩相區(qū)，位錯間發(fā)生攀移并結(jié)合成晶界，當相鄰晶粒的傾角超過20°時，界面能超過固液界面能的兩倍，液相將侵入晶界并迅速滲入，從而使枝晶臂從主干分離。

③枝晶臂彎曲機制45在凝固開始時對液體進行強烈攪拌，從較大的樹枝晶脫離下來的不是球狀的枝晶臂。每一個枝晶臂結(jié)構(gòu)繼續(xù)枝狀長大。然而在凝固過程中不斷的剪切，由于長大及與其他晶粒發(fā)生剪切、磨損作用，枝狀晶變成薔薇狀共晶組織，并在進一步冷卻過程中晶粒的薔薇化繼續(xù)加深，直至足夠的過冷和高的剪切速度下，顆粒變成球狀。隨著切變速度、凝固量的增加和冷卻速度的降低，晶粒由枝晶形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐蔚内厔菰黾印?/p>

以上三種假說都有一定的依據(jù)，但附加位錯如何發(fā)生恢復和再結(jié)晶或如何遷移、固液漿料的溫度起伏還缺乏必要的試驗依據(jù)，因此金屬半固態(tài)組織的演變機制還有許多基本理論及技術(shù)問題需要解決。

在凝固開始時對液體進行強烈攪拌，從較大的樹枝晶脫46與此同時，也存在著可逆的“大結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)換過程。所謂“大結(jié)構(gòu)”是指處于合適位向的固相微粒在相互碰撞中，會在接觸點“焊合”在一起，并逐漸附聚成團。當剪切速率較低的時候，“焊合”在一起的固相微粒不易被打散，即發(fā)生“有效碰撞”的幾率較高，容易形成“大結(jié)構(gòu)”。當剪切速率很高時，由于攪拌力大，固相微粒發(fā)生焊合很困難，而且原先焊合在一起的也容易被打散。在等溫攪拌時，隨剪切速率降低或上升，“大結(jié)構(gòu)”也隨著產(chǎn)生或消失。固相微粒尺寸大小與冷卻速度密切相關(guān)。冷卻速度越快，固相微粒尺寸越小，冷卻速度越慢，固相微粒尺寸越大。與此同時，也存在著可逆的“大結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)換過程。所謂472.鋁合金的半固態(tài)凝固組織及其影響因素（1）攪拌強度對半固態(tài)組織的影響攪拌強度是很難直接測定或計算出來的，但是可以通過其他參數(shù)來描述。對于機械攪拌，攪拌強度是攪拌轉(zhuǎn)速的函數(shù)。因此，常用攪拌轉(zhuǎn)速來描述攪拌強度。對于電磁攪拌，常用磁感應(yīng)強度來描述攪拌強度。2.鋁合金的半固態(tài)凝固組織及其影響因素48①磁感應(yīng)強度的影響圖4-12是A1-6.6％Si合金在磁感應(yīng)強度不同的旋轉(zhuǎn)磁場的攪拌作用下，所得到的凝固組織。圖4-12(b)和圖4-12(c)所示的半固態(tài)組織是經(jīng)過磁感應(yīng)強度為0.0759T和0.1153T的電磁攪拌得到的，其初生相晶粒細小，基體上分布比較均勻。

①磁感應(yīng)強度的影響49從顯微組織可以明顯地看到，當磁感應(yīng)強度小時，它的初生相微粒最為粗大，而且合并生長的痕跡非常明顯，初生相微粒在基體上的分布很不均勻，眾多的初生相微粒相互簇集在一起。電磁攪拌的一個重要作用就是細化晶粒，而晶粒細化的主要原因之一就是電磁攪拌造成了“晶粒倍增”現(xiàn)象。晶粒倍增首先是由于枝晶的再熔化，在電磁攪拌的作用下，鋁液的湍流不斷地將熱脈沖帶到了液固界面，這種熱脈沖加速了枝晶臂的熔化過程。枝晶臂被分離后，一旦隨湍流被帶到稍微過冷的液體中，即可形成一個新的晶體。此外，熔體流動在枝晶臂根部造成了應(yīng)力集中，導致枝晶臂的機械斷裂，斷裂的枝晶臂也可以形成一個新的晶體，這樣也會造成晶粒倍增。

從顯微組織可以明顯地看到，當磁感應(yīng)強度小時，50晶粒倍增的程度與電磁攪拌強度密切相關(guān)，總的說來，攪拌強度越大，晶粒倍增現(xiàn)象越明顯，晶粒也就越細小。但是攪拌強度與晶粒細化程度并不是成正比的，當電磁攪拌強度比較小的時候，其細化晶粒的作用比較明顯，如果電磁攪拌強度大到某種程度后，細化晶粒的作用就不顯著了。對于半固態(tài)鑄造，合并生長也是晶粒長大的一種方式。加大電磁攪拌強度可以有效抑制晶粒的合并生長。這主要是由于熔體的對流強度越大，越容易將聚集在一起的初生相沖散。同時避免了初生相微粒的聚集，使其更均勻地分散在基體中。晶粒倍增的程度與電磁攪拌強度密切相關(guān)，總的說51

②攪拌轉(zhuǎn)速的影響實驗發(fā)現(xiàn)，攪拌轉(zhuǎn)速可使固相組織發(fā)生變化，圖4-13是攪拌轉(zhuǎn)速為2.38r／s和7.16r／s、固相分數(shù)均為0.45的Al-10％Cu合金金相照片。由圖可以看出高攪拌轉(zhuǎn)速下，固相顆粒比較分散，而低轉(zhuǎn)速下固相顆粒聚集現(xiàn)象明顯(白色為固相)。②攪拌轉(zhuǎn)速的影響52(2)攪拌溫度對半固態(tài)組織的影響以鋁錫合金為例，其凝固發(fā)生在純鋁液相線和純錫液相線之間的溫度范圍，凝固區(qū)間在658～230℃之間，因此鋁錫合金的固相分數(shù)主要與凝固溫度即攪拌溫度有關(guān)。攪拌溫度越低，其固相分數(shù)越大；攪拌溫度越高，其固相分數(shù)越小。

圖4-14為鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相分數(shù)與攪拌溫度之間的關(guān)系。

(2)攪拌溫度對半固態(tài)組織的影響圖4-1453表4-l為攪拌溫度與鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相分數(shù)的實驗數(shù)據(jù)。

表4-1鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相分數(shù)與攪拌溫度表4-l為攪拌溫度與鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相54根據(jù)固相分數(shù)與攪拌溫度之間的關(guān)系，對其進行理論回歸分析，得到回歸方程為

y=1683－4.86x+0.0035x2

式中y——鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相分數(shù)；

x——攪拌溫度?；貧w相關(guān)系數(shù)Rl為0.99839，說明回歸方程已正確地反映了鋁錫合金半固態(tài)漿料地固相分數(shù)與攪拌溫度之間的非線性關(guān)系。根據(jù)固相分數(shù)與攪拌溫度之間的關(guān)系，對其進行理55（3）合金成分對半固態(tài)組織的影響合金成分變化，部分凝固合金的流變組織會發(fā)生變化，圖4-15是Al-5％Cu合金的流變組織與Al-10％Cu合金的流變組織，由二者對比可知，Cu含量增加使固相中包裹的液相增多。

（3）合金成分對半固態(tài)組織的影響56根據(jù)成分過冷理論，合金濃度越高，越有利于產(chǎn)生成分過冷，從而使固／液界面越不穩(wěn)定，其結(jié)果是界面更加不光滑。不難看出，顆粒的固／液界面越不光滑，它包裹的液相越多，這部分液相不參加流動，而隨包裹它的固相一起運動，因而使實際液相量減少，固相分數(shù)增加。

根據(jù)成分過冷理論，合金濃度越高，越有利于產(chǎn)57（4）冷卻速度對半固態(tài)組織的影響如果固相分數(shù)不變，低冷卻速度的固相顆粒平均尺寸較大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是低冷卻速度達到同樣固相分散所需的時間較長，即低冷卻速度下顆粒有較長的生長時間，故顆粒較大。高冷卻速度時達到相同固相分數(shù)所需的時間較短，顆粒長大受到限制，所以顆粒尺寸較小。

（4）冷卻速度對半固態(tài)組織的影響583.鑄鐵及鋼的半固態(tài)凝固組織及影響因素（1）鑄鐵的半固態(tài)凝固組織以亞共晶白口鐵為例，該種鑄鐵的碳、硅含量很低，一般含碳最控制在2.4％～2.6％的范圍內(nèi)，含硅量控制在1.4％以下，碳、硅總量控在3.8％～4.2％之間，因此該合金在凝固過程中將處于很寬的液固兩相區(qū)內(nèi)，其初生奧氏體枝晶在一般的鑄造條件下很發(fā)達。3.鑄鐵及鋼的半固態(tài)凝固組織及影響因素59圖4-16是在等溫條件下經(jīng)不同的攪拌時間的組織演變過程。

圖4-16是在等溫條件下經(jīng)不同的攪拌時間的組織演變過程。60圖4-16(a)是經(jīng)5s時的組織形貌，可以看到在流動的液流沖刷下，枝晶的方向性已不很明顯。且一次枝晶已發(fā)生了明顯的彎曲，有的二次枝晶與一次枝晶發(fā)生了分離，有的二次枝晶間發(fā)生了合并，也有的一次枝晶的某些端部相互靠近，此時顆粒大小不均，方向各異，堆積混雜。

圖4-16(a)是經(jīng)5s時的組織形貌，可以看61局部的一些粗大一次枝晶在攪拌過程中像攔水的橫木一樣阻礙液流的流動而成為攪拌的主要阻力(圖4-16(b))，圖中的二次枝晶已發(fā)生了明顯的隨流轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，并且顆粒已經(jīng)分離。雖然可以看出一次晶沿液流方向也發(fā)生了傾轉(zhuǎn)，但迎流方向有突出生長跡象，而背流方向較為光滑，在低的激磁電流作用下或在短時間內(nèi)這種一次枝晶很難變?yōu)閳A整的顆粒。

局部的一些粗大一次枝晶在攪拌過程中像攔水的橫62隨攪拌時間的延長，在晶粒的碰撞及液體的對流作用下，在枝晶的脖頸處產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，因此枝晶的彎曲程度增大，特別是枝晶分化成顆粒狀形態(tài)，顆粒間的縫隙大小不等，有的顆粒間的縫隙較大，也有的縫隙正在形成，在形態(tài)上一次枚晶和二次枝晶已難以區(qū)別，已基本具備了顆粒狀組織的基本形貌(圖4-16(c))?？梢钥闯?，顆粒間縫隙較為光滑，大部分不像是斷裂形成而像是流體潺蝕的結(jié)果。

隨攪拌時間的延長，在晶粒的碰撞及液體的對流作63在第一等溫階段攪拌過程中，攪拌的溫度較高，同時攪拌過程和結(jié)晶過程又是放熱過程而使凝固后的晶體接近熔點，其強度小、塑性好。因此隨著攪拌過程的進行，枝晶的彎曲是必然的，彎曲會使薄弱的地方潺蝕加劇。當然也會出現(xiàn)某些薄弱環(huán)節(jié)的斷裂。

圖4-16(d)是攪拌120s時的情況，可以看出，枝晶已不存在，顆粒大小比較一致，只是圓整程度欠佳。在第一等溫階段攪拌過程中，攪拌的溫度較高，同時64為了增加固相分數(shù)，進一步增加顆粒間碰撞的幾率，可將等溫溫度進一步降低，即在第二等溫過程中繼續(xù)攪拌，攪拌溫度的降低導致顆粒細小、圓整和固相分數(shù)的增多。圖4-17(a)是轉(zhuǎn)入第二階段后再攪拌，30s(即累積攪拌時間為150s)時的情況，顆粒的圓整度增加，分布較為均勻，但在組織中形成了許多白亮的顆粒簇，當將攪拌器的激磁電流提高近一倍時，這種顆粒簇才消失。

為了增加固相分數(shù)，進一步增加顆粒間碰撞的幾率65圖4-17(b)是在攪拌力提高并攪拌120s(即累積攪拌時間為240s)后的組織形貌。由于枝晶間的摩擦、磨損、剪切以及液體對固相的劇烈的沖刷，小的顆粒由于能量高而在碰撞過程中易長大，大的顆粒因碰撞的兒率多而減小，最后獲得顆粒園整、大小比較一致的組織形貌。圖4-17(b)是在攪拌力提高并攪拌120s(66在第二等溫攪拌過程中顆粒簇的形成不是偶然的，顆粒簇是初生相微粒的相互碰撞并“焊合”在一起形成的。當剪切速率較低時，“焊合”在一起的固相顆粒不易被打散，即發(fā)生“有效碰撞”的幾率較高，容易形成“大結(jié)構(gòu)”。而當攪拌速度較高時，由于攪拌力大。剪切作用強，固相顆粒發(fā)生焊合很困難，而且原先焊合在一起的也容易被打散。因此在等溫攪拌時，隨剪切速率的降低或升高，“大結(jié)構(gòu)”也隨著產(chǎn)生或消失。

當微粒簇被保留下來時，由于其內(nèi)部缺乏低熔點的基體相，在部分重熔時，仍然會“焊合”在一起。這會干擾后續(xù)的觸變成形過程，只能通過更大的變形力將其抵消。因此，半固態(tài)漿料的制作不希望形成初生相的微粒簇。在第二等溫攪拌過程中顆粒簇的形成不是偶然的，67從圖4-18可以看到，雖然組織形貌也發(fā)生了明顯的變化，初生的枝晶組織已消失并在一定程度上細化，但顆粒大小不一，形狀各異，顆粒圓整度也比較差，在大顆粒上可明顯看到二次枝晶折斷的痕跡。顆粒間的斷痕不是很光滑，說明攪拌對枝晶的斷裂作用大于流體的潺蝕作用。

從圖4-18可以看到，雖然組織形貌也發(fā)生了明68從等溫的組織演化進程來看，一次枝晶臂的彎曲占有一定地位，當然這種彎曲可能是已生長的一次枝晶臂在流場中的彎曲，也可能是眾多枝晶在流場中的彎曲生長，而更多的是二者兼有之，因為在攪拌初期就可以分辨出枝晶彎曲。另一方面在液固兩相共存的情況下，凝固顆粒的生長和熔化消失都在不斷地進行，攪拌的溫度、速度及坩堝內(nèi)不同徑向處的速度差對熔體流態(tài)的改變及對上述過程的影響還有待研究。而枝晶在彎曲過程中的?；饕c枝晶內(nèi)成分起伏有關(guān)。

從等溫的組織演化進程來看，一次枝晶臂的彎曲占69第4章金屬半固態(tài)加工§4.1概述1.半固態(tài)加工的概念與特點2.半固態(tài)加工的基本工藝方法3.半固態(tài)加工的研究及發(fā)展§4.2半固態(tài)金屬的組織特性，形成機理與力學行為1.非枝晶的形成與演化2.鋁合金的半固態(tài)凝固組織及其影響因素3.鑄鐵及鋼的半固態(tài)凝固組織及影響因素球形的初生相微粒第4章金屬半固態(tài)加工球形的初生相微粒70(2)鋼的半固態(tài)凝固組織以彈簧鋼60Si2Mn為例，其一次結(jié)晶組織與一般鑄鋼件或鑄鋼錠相似，存在發(fā)達的柱狀樹枝晶和中心粗大的等軸晶，見圖4-19所示。

(2)鋼的半固態(tài)凝固組織71圖4-20(a)～(d)分別是該彈簧鋼經(jīng)電磁攪拌，攪拌功率分別為2kw、7kw、12kw、20kw，其一次結(jié)晶組織的金相照片，可以看出它們的一次結(jié)晶組織中不存在柱狀枝晶層。

圖4-20(a)～(d)分別是該彈簧鋼經(jīng)電磁攪72從試樣的表面到試樣的心部基本是由等軸晶(如圖4-20(d))、或退化枝晶(dedendrite，如圖4-20(c)、(b))、或不同取向的短枝晶所組成(如圖4-20(a))。這說明電磁攪拌能有效地消除彈簧鋼60Si2Mn中發(fā)達的柱狀晶層。出現(xiàn)這種結(jié)果必然與電磁攪拌改變了一次結(jié)晶的奧氏體的形核和生長條件有關(guān)。

攪拌功率對60Si2Mn的一次結(jié)晶組織產(chǎn)生很大的影響。在攪拌功率為2kW的試樣中，一次結(jié)晶的奧氏體為具有不同取向的短樹枝晶。隨著攪拌功率的增加，短枝晶的一次臂變小，當攪拌功率增加到20kW，一次結(jié)晶的奧氏體轉(zhuǎn)化為等軸晶，且變得細小，其晶粒大小約為未經(jīng)電磁攪拌試樣的柱狀樹枝晶的一次臂間距。

從試樣的表面到試樣的心部基本是由等軸晶(如圖73這是由于攪拌功率的加大，金屬熔體的旋轉(zhuǎn)速度加快，紊流作用加劇，合金凝固時液相區(qū)、液固兩相區(qū)的溫度場和溶質(zhì)濃度場更趨于平緩，各個微區(qū)的晶核條件和生長條件基本相同，晶核在各方向的生長速度基本相等，凝固后得到等軸晶組織。除了攪拌功率外，其他工藝參數(shù)對半固態(tài)組織也有一定的影響，表4-2為60Si2Mn彈簧鋼的電磁攪拌工藝參數(shù)。這是由于攪拌功率的加大，金屬熔體的旋轉(zhuǎn)速度加74材料加工新技術(shù)與新工藝-4課件75在1450℃進行等溫攪拌2min試樣的見圖4-21(a)，凝固組織絕大部分是等軸晶，但仍能觀察到枝晶的跡象；在1450℃等溫攪拌5min試樣和等溫攪拌l0min試樣的凝固組織見圖4-21(b)，凝固組織中，沒有枝晶存在，并且原奧氏體的晶粒更為圓整。在1450℃進行等溫攪拌2min試樣的見圖476在不同的溫度區(qū)間內(nèi)對60Si2Mn彈簧鋼進行連續(xù)的電磁攪拌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1510～1460℃的溫度范圍內(nèi)進行電磁攪拌試樣的凝固組織中存存枝晶，見圖4-2l(c)；在1510～1440℃和1510～1420℃的溫度范圍內(nèi)進行電磁攪拌凝固組織為等軸晶，見圈4-2l(d)。在不同的溫度區(qū)間內(nèi)對60Si2Mn彈簧鋼進行774.半固態(tài)金屬的力學行為半固態(tài)金屬加工主要是采用流變鑄造的鑄錠重新加熱到液固兩相區(qū)之間的溫度，再擠壓或鍛造成形件。實踐證明，由于半固態(tài)金屬具有觸變性，所以鑄坯在成形過程中具有明顯的超塑性效應(yīng)和充填性能，而且變形抗力也小，可在較高速度下變形。從變形機理分析，其變形過程是一個從塑性變形到超塑性變形的過程。表4-3所示為鋁合金在不同的加工方法與熱處理狀態(tài)下的力學性能。4.半固態(tài)金屬的力學行為78從表中可以清晰地看出，半固態(tài)金屬加工技術(shù)的優(yōu)越性。譬如，經(jīng)過觸變成形的A356合金在T6熱處理狀態(tài)下，比經(jīng)過普通金屬型鑄造所獲得的鋁合金具有更優(yōu)良的力學性能，并與鍛件的性能相近。

從表中可以清晰地看出，半固態(tài)金屬加工技術(shù)的優(yōu)79試驗還得到了不同加工方法獲得的AZ91D鎂合金和鋁合金的力學性能，如表4-4和表4-5所示。試驗還得到了不同加工方法獲得的AZ91D鎂合80材料加工新技術(shù)與新工藝-4課件81半固態(tài)合金最重要的特點是具有球形的初生相微粒，在液固兩相溫度區(qū)間內(nèi)，其球形的初生相仍然保持為固相顆粒。因此，半固態(tài)合金的變形有自己獨特的性質(zhì)，它不同于液態(tài)金屬的流動，也不同于固態(tài)合金的高溫塑性變形。在實際應(yīng)用中，主要是科用這一特性來成形零件。為了進一步促進半固態(tài)合金成形技術(shù)的應(yīng)用，需對其在半固態(tài)下的力學特性進行研究，即流變應(yīng)力的變化規(guī)律。半固態(tài)合金最重要的特點是具有球形的初生相微粒82（1）低熔點半固態(tài)鋁鎂合金的力學特性以工業(yè)用變形鋁合金2618和7075為例，其在半固態(tài)下變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖4-22所示。在熱分析儀DT-30上由差熱分析（DTADifferentialthermalanalysis）測定合金的液相線溫度和固相線溫度分別為：Tl=638℃、Ts=549℃；結(jié)晶溫度區(qū)間：△T=89℃。（1）低熔點半固態(tài)鋁鎂合金的力學特性在熱分析83從圖中可以看出，半固態(tài)試樣在固態(tài)或液固兩相區(qū)壓縮變形抗力均遠遠小于常規(guī)鑄造組織固態(tài)壓縮變形抗力，并且半固態(tài)試樣在液固兩相區(qū)的壓縮變形抗力均小于固態(tài)壓縮變形抗力。隨著溫度的升高，變形抗力降低；同時隨著變形程度的增加，在液固兩相區(qū)的壓縮變形抗力與固態(tài)壓縮變形抗力相反，應(yīng)變在

=0.05左右達到最大值后降低，發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

從圖中可以看出，半固態(tài)試樣在固態(tài)或液固兩相區(qū)84圖4-23為半固態(tài)試樣在液固相溫度區(qū)間T=600℃時不同變形速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可以看出，隨著變形速率的升高，變形抗力增加，而隨著變形程度的增加，應(yīng)變在

=0.05左右達到最大值后同樣發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象。圖4-23為半固態(tài)試樣在液固相溫度區(qū)間T=85在液固兩相區(qū)壓縮變形時，常規(guī)鑄造組織中的枝晶形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)骨架，承受應(yīng)力的能力較強，因而壓縮變形時變形抗力較高。半固態(tài)試樣在此溫度區(qū)間壓縮變形時，變形機制主要為初始晶粒的旋轉(zhuǎn)、滑動，而晶粒變形很小，因而半固態(tài)試樣變形抗力明顯降低。隨著溫度的升高，合金中液相比例增多，變形抗力又有所下降。而常規(guī)鑄造組織在液固兩相區(qū)變形時，雖然也有液相存在，但其粗大的枝晶組織互相參叉交錯阻礙變形的進行，同時變形時枝晶臂要發(fā)生變形，枝晶臂為固態(tài)特性，因而枝晶臂的變形也使流動應(yīng)力增加。在液固兩相區(qū)壓縮變形時，常規(guī)鑄造組織中的枝晶86圖4-24為常規(guī)鑄造及半固態(tài)鋁合金7075在變形速率

=5×10-3s-1時，不同變形溫度(490℃、560℃、580℃，600℃)下的流動應(yīng)力曲線。由DTA（差熱分析）可知，鋁合金7075的固相線和液相線溫度分別為477℃和635℃，因此所有變形溫度均在液固線溫度范圍內(nèi)。圖4-24為常規(guī)鑄造及半固態(tài)鋁合金707587由上圖可以看出，半固態(tài)試樣的流動應(yīng)力均遠遠小于相應(yīng)溫度的常規(guī)鑄造組織的流動應(yīng)力，并且由圖還可以看出，無論是常規(guī)鑄造組織還是半固態(tài)組織，在液固兩相區(qū)變形時，隨著變形溫度的升高，流動應(yīng)力降低，并且隨著變形程度的增大，與鋁合金2618的相同，鋁合金7075液固兩相區(qū)變形同樣呈現(xiàn)與固態(tài)變形應(yīng)變-硬化相反的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，應(yīng)力在

=0.06左右達到最大值后降低。由上圖可以看出，半固態(tài)試樣的流動應(yīng)力均遠遠小88（2）高熔點半固態(tài)鋼鐵材料的力學特性以彈簧鋼60Si2Mn為研究對象。從圖4-25可以看出，在1200℃下，半固態(tài)坯料(a)與常規(guī)鑄造坯料(b)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線基本相同。但由于半固態(tài)坯料的組織均勻，晶粒較小，因此，其屈服強度()要比常規(guī)鑄造坯料高2MPa。（2）高熔點半固態(tài)鋼鐵材料的力學特性89圖4-28表明在固液兩相區(qū)，60Si2Mn鋼常規(guī)料的整體應(yīng)力水平比半固態(tài)坯料的高，這主要是由于常規(guī)料在固液兩相區(qū)壓縮變形，不但有枝晶之間的相互滑動，而且有枝晶本身的變形和破碎，而固相枝晶的變形力比同相晶粒之間的摩擦力大，造成常規(guī)料的整體應(yīng)力水平比半固態(tài)坯料的高。圖4-28表明在固液兩相區(qū)，60Si2Mn90§4.3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，但常用的方法主要是電磁攪拌法和機械攪拌法，其中電磁攪拌法占主導地位，下面分別簡要介紹一些半固態(tài)制備方法。

§4.3金屬半固態(tài)的制備方法911.電磁攪拌法電磁攪拌法是利用旋轉(zhuǎn)電磁場在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，金屬液在洛化茲力作用下產(chǎn)生運動，實現(xiàn)攪拌。這是一種非接觸式的攪拌方法，它可以克服機械攪拌法所存在的不足之處而成為一種主要的攪拌方式。從攪拌時金屬液的流動方式來分有水平式和垂直式兩種；從旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的方式可分為交變電磁場和永磁場兩種。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。

1.電磁攪拌法92通常，影響電磁攪拌效果的因素有攪拌功率、攪拌時間、冷卻速度、金屬液溫度、澆注速度等。電磁攪拌能使金屬液產(chǎn)生三維流動，增加攪拌效果，所制備的鑄錠晶粒尺寸一般可達60μm，為球狀等軸晶組織。電磁攪拌法克服了機械攪拌的大部分缺點，不污染金屬漿料，不會卷入氣體，可實現(xiàn)連鑄，生產(chǎn)效率高，且電磁參數(shù)控制方便靈活，是目前工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的方法。但是設(shè)備投資大，工藝復雜，成本高。另外，這種攪拌方法僅限于小直徑（150mm以下的）錠坯的制備，錠坯內(nèi)外組織不均勻。國外已應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)半固態(tài)鑄錠。通常，影響電磁攪拌效果的因素有攪拌功率、攪拌932.機械攪拌法機械攪拌法分為非連續(xù)機械攪拌法和連續(xù)機械攪拌法。非連續(xù)機械攪拌法是最早應(yīng)用于制備半固態(tài)金屬漿料的方法。該法利用機械旋轉(zhuǎn)的葉片或攪拌棒改變凝固中的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。在攪拌過程中，通過控制攪拌室的溫度來控制半固態(tài)金屬的初生固相分數(shù)，通過改變?nèi)~片或攪拌棒的轉(zhuǎn)速來控制剪切速率，并可以保證整個攪拌過程中的剪切速率不變。該種攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作方便，但該種攪拌方法的半固態(tài)金屬漿料的產(chǎn)量很小，只適用于實驗室的小規(guī)模試驗研究工作。2.機械攪拌法94半固態(tài)機械攪拌裝置示意圖半固態(tài)機械攪拌裝置示意圖95連續(xù)機械攪拌方法也是最早應(yīng)用于制備半固態(tài)金屬漿料的方法，其攪拌工藝原理參見圖4-7。該裝置結(jié)構(gòu)較復雜，造價較高，但攪拌室上方的金屬熔池可以防止卷入氣體，又可保證連續(xù)供給金屬液。利用連續(xù)機械攪拌方法，可以提供半固態(tài)金屬漿料，也可以在連續(xù)攪拌器的出口安放一個結(jié)晶器和牽引機構(gòu)來生產(chǎn)半固態(tài)金屬錠料。連續(xù)機械攪拌方法也是最早應(yīng)用于制備半固態(tài)金屬963.應(yīng)變誘導熔化激活法應(yīng)變誘導熔化激活法是制備半固態(tài)金屬坯料的另一種方法，它是以下英文單詞的意譯，即strain-inducedmeltactivationprocess，簡稱SIMA。此方法的工藝要點是：利用傳統(tǒng)連鑄方法預先連續(xù)鑄造出晶粒細小的金屬錠坯，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，然后再對熱態(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量，最后按需要將經(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。

3.應(yīng)變誘導熔化激活法97應(yīng)變誘導熔化激活法是一種靜態(tài)枝晶碎化工藝。工藝過程是把常規(guī)鑄錠經(jīng)過預形變，如進行擠壓、滾壓等制成半成品棒料，得到具有強烈的拉長形變結(jié)構(gòu)組織，然后加熱到固液兩相區(qū)保溫一定時間，隨后快速冷卻獲得具有觸變性的非枝晶組織坯錠。其機理可能是熔化的部分液相滲入小角度晶界中，使固相粒子分開，從而使樹枝晶破碎。在銅合金、鋁合金及不銹鋼、工具鋼中的試驗表明，晶粒尺寸可達20μm左右，工藝效果主要取決于較低溫度下的熱加工和重熔兩個階段。

應(yīng)變誘導熔化激活法是一種靜態(tài)枝晶碎化工藝。工98由于在半固態(tài)保溫，避免了合金的熔化過程，工藝操作性強，已成功地應(yīng)用于不銹鋼、銅合金、鋁合金及鋅合金等。其工藝流程如下圖所示。

圖應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法工藝流程熔化鑄造預熱變形室溫二次加熱TLTSTR成形由于在半固態(tài)保溫，避免了合金的熔化過程，工藝操994.液態(tài)異步軋擠法液態(tài)異步軋擠法實質(zhì)是剪切-冷卻-軋制(shearing-cooling-rolling)，簡稱SCR法。其工藝原理是：利用一個機械旋轉(zhuǎn)的輥輪把靜止的弧狀結(jié)晶壁上生長的初晶不斷碾下、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。4.液態(tài)異步軋擠法1005.超聲振動法超聲振動法制備半固態(tài)金屬漿料的基本原理是：利用超聲機械振動波擾動金屬的凝固過程，細化金屬晶粒，獲得球狀初晶的金屬漿料。超聲振動波作用于金屬熔體的方法一般有兩種，一種是將振動器的一面作用在模具上，模具再將振動直接作用在金屬熔體上，但更多的是振動器的一面直接作用于金屬熔體。經(jīng)過實驗證明，對合金液施加超聲振動，不僅可以獲得球狀晶粒，還可以使合金的晶粒直徑減小，獲得非枝晶坯料。5.超聲振動法1016.粉末冶金法粉末冶金是一種金屬或合金快速凝固技術(shù)，它利用金屬霧化技術(shù)的方法制備細小的金屬粉末。霧化技術(shù)就是利用離心力、機械力或高速流體沖擊力等外力的作用使金屬熔體分散成尺寸很小的霧狀熔滴，并使熔滴在與流體或冷模接觸中迅速冷卻凝固。金屬粉末的一般制備方法有：雙流氣體霧化、雙流水霧化、超聲波氣體霧化、高速旋轉(zhuǎn)筒霧化(RSS)等，其中雙流氣體霧化、雙流水霧化、超聲波氣體霧化應(yīng)用最為廣泛。粉末冶金法制備半固態(tài)金屬坯料的一般工藝路線是：首先制備金屬粉末，然后進行不同種類金屬粉末的混合，再進行粉末預成形，并將預成形坯料重新加熱至半固態(tài)區(qū)，進行適當保溫，即可獲得半固態(tài)金屬坯料。6.粉末冶金法1027.傾斜冷卻板制備法用傾斜冷卻板(coolingslope)制備半固態(tài)坯料的工藝及設(shè)備如圖4-29所示。金屬液體通過坩堝傾倒在內(nèi)部具有水冷裝置的冷卻板上，金屬液冷卻后達到半固態(tài)，流人模具中制備成半固態(tài)坯料。

7.傾斜冷卻板制備法103傾斜冷卻板裝置設(shè)備簡單、占地面積小，可方便地安裝在擠壓、軋制等成形設(shè)備的上方。目前此工藝已成功地應(yīng)用在半固態(tài)鋁合金坯料的制備上。一般情況下，通過這種方法得到的半固態(tài)坯料的固相分數(shù)一般為10％～20％。固相分數(shù)的大小由金屬熔體與冷卻板接觸的時間決定。接觸時間越長，固相分數(shù)越高。接觸時間隨著接觸長度的增加和傾斜角的減小而增加。

傾斜冷卻板裝置設(shè)備簡單、占地面積小，可方便地1048.低過熱度鑄造法制備半固態(tài)金屬漿料或坯料低過熱度鑄造法是通過控制合金的澆注溫度和凝固中的冷卻速度來制備半固態(tài)金屬坯料的，該方法一般不采用任何攪拌，所以制備工藝簡單。目前，這方面的研究已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，可望取得較大的進展。除了以上介紹的半固態(tài)漿料或坯料制備方法外，還有噴射沉積法、紊流效應(yīng)法以及晶粒細化和半固態(tài)重熔法。目前，這些方法在某些合金中的研究取得了一定程度的進展。8.低過熱度鑄造法制備半固態(tài)金屬漿料或坯料105§4.4半固態(tài)金屬觸變成形1.Thixomolding成形工藝及設(shè)備

Thixomolding（觸變成形）工藝是由美國Dowchemical公司開發(fā)的技術(shù)，1992年由日本制鋼所引人并完成成形機的研制開發(fā)，已成為目前半固態(tài)加工領(lǐng)域中最成功的、應(yīng)用最廣的技術(shù)之一。觸變成形(Thixoforming)是將制備的半固態(tài)合金錠料按工件體積切割成一定尺寸的坯料，重新加熱到半固態(tài)溫度區(qū)間，形成所需的漿料，進行壓鑄、擠壓或鍛造成形的工藝。圖4-30為Thixomolding工藝的簡圖，其設(shè)備由原料入料與預熱裝置、螺旋注射機及加熱裝置以及壓鑄機等部分組成。

§4.4半固態(tài)金屬觸變成形106材料加工新技術(shù)與新工藝-4課件107該技術(shù)類似于塑料的注射成形法，利用碎化的顆粒狀鎂合金作為原料，通過料斗送人高速螺旋機進行混合、加熱到半固態(tài)狀態(tài)，通過噴嘴高速注射到壓鑄模具中，經(jīng)充模、壓鑄、凝固成形得到成形件。該設(shè)備的特點是預制顆粒狀鎂合金原料，使原料進人料斗后邊加熱邊剪切攪拌，最后形成半固態(tài)的狀態(tài)再射人模具中。半固態(tài)漿料的固相分數(shù)可控性強，成形件質(zhì)量高、性能穩(wěn)定，因螺旋機內(nèi)密閉性好，在成形過程中不需要嚴格的保護性氣氛進行保護，僅在投料口處用少量的Ar氣保護即可，工作環(huán)境得到明顯改善。

該技術(shù)類似于塑料的注射成形法，利用碎化的顆粒108目前Thixomolding設(shè)備的合模力從75t至850t有6種機型系列，特殊機種也有合模力1600t機型，到2000年在世界上已銷售120余臺，現(xiàn)在正在計劃開發(fā)2000～4000t級的超大型機。其所用原料為將普通鎂合金錠用專用設(shè)備切削成長軸為3～5mm的米粒狀顆粒，利用抽吸式裝料器自動地供給料斗，不需要模鑄那樣的熔化爐、液態(tài)金屬罐及其搬運裝置。Thixomolding成形件有以下主要特點：(1)表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量改善；(2)成形件尺寸精度提高；(3)力學性能提高；(4)耐蝕性提高；(5)可精密成形薄壁件。目前Thixomolding設(shè)備的合模力從7109表4-8為三種鎂合金分別采用Thixomolding工藝和普通模鑄工藝成形件的力學性能比較。表4-8為三種鎂合金分別采用Thixomol1102.觸變壓鑄(Thixo-casting)

觸變壓鑄是半固態(tài)金屬通過一定截面的孔洞注入閉合的模具內(nèi)并合模、加壓，其成形原理如圖4-7(c)所示。觸變壓鑄是目前在工業(yè)上制造半固態(tài)金屬零件應(yīng)用最多的半固態(tài)成形方法。2.觸變壓鑄(Thixo-casting)111圖4-31為德國阿亨工業(yè)大學鑄造研究所的半固態(tài)壓鑄設(shè)備。

圖4-31為德國阿亨工業(yè)大學鑄造研究所的半固態(tài)壓鑄設(shè)備。112圖4-32為鋁合金半固態(tài)壓鑄成形汽車用部件樣品。與普通壓鑄成形工藝相比，半固態(tài)壓鑄具有成形溫度低，凝同時間短，成形周期短，部件質(zhì)量好(更少的縮孔和疏松)，微觀組織均勻，高度自動化等優(yōu)點。

圖4-32為鋁合金半固態(tài)壓鑄成形汽車用部件樣1133.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動并加壓成形，其成形原理如圖4-7(b)所示。

3.觸變鍛造(Thixo-forging)114圖4-33表示在鍛壓成形過程中，半固態(tài)金屬向模具形腔流動的情況。圖4-33表示在鍛壓成形過程中，半固態(tài)金屬向115圖4-34為四種半固態(tài)鍛壓成形鋁合金件(a)、(b)、(c)及鋼部件(d)實例。

圖4-34為四種半固態(tài)鍛壓成形鋁合金件(a)116半固態(tài)鍛造成形的優(yōu)點是：擴大了復雜成形件的范圍，可實現(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，鍛造耗能低，切削量少，材料利用率高等。半固態(tài)鍛造成形的優(yōu)點是：擴大了復雜成形件的1174.觸變擠壓（Thixo-extrusion）觸變擠壓是將半固態(tài)金屬坯料移人擠壓腔內(nèi)，然后通過模具孔擠出成形，其成形原理如圖4-35所示。4.觸變擠壓（Thixo-extrusion）118觸變擠壓成形的優(yōu)點是：擴大了復雜成形件的范圍，改善了產(chǎn)品的成形性，無鍛壓效應(yīng)(無織構(gòu))，Al、Mg輕質(zhì)高強合金、MMC（金屬基復合材料MetalMatrixComposites）以及鋼等都可以擠壓成形(如復雜的幾何形狀，薄壁構(gòu)件等)。觸變擠壓成形的優(yōu)點是：擴大了復雜成形件的范1195.觸變軋制(Thixo-rolling)觸變軋制是將半固態(tài)金屬坯料送人軋輥輥縫中進行軋制成形的方法，其成形原理如圖4-36所示。

5.觸變軋制(Thixo-rolling)120觸變軋制成形的特點是：在半固態(tài)金屬坯料的固相分數(shù)很高時(如80％以上)，其變形與熱軋時的情況基本相同，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。但當坯料的固相分數(shù)較低時(如70％以下)，則變形時會出現(xiàn)固液相偏析，這種固液相偏析有時是需要的，但不需要時，需采取措施進行控制，這是觸變軋制需解決的課題。

觸變軋制成形的特點是：在半固態(tài)金屬坯料的固相121§4.5半固態(tài)金屬的流變成形如前所述，半固態(tài)加工的基本工藝方法可分為觸變成形(thixoforming)和流變成形(rheoforming)兩種，兩種成形