第四章半固態(tài)成型

第四章半固態(tài)成型半固態(tài)合金就是將合金熔化后,待她冷卻到液相線溫度以下,對合金進行攪拌,在攪拌力得作用下,合金析出得樹枝狀晶被破壞,并在周圍金屬液得摩擦熔融作用下,晶粒和破碎得枝晶小塊形成卵球狀得顆粒,分布在整個液態(tài)金屬中。該合金即使固態(tài)組分達40%-60%,仍然像糊狀懸浮液,具有一定得流動性。而在剪切力較小或為零時,她又具有固體性質(zhì),可以搬運儲藏。利用半固體合金獨特得性質(zhì)實現(xiàn)澆注或壓注成形得方法,稱為半固態(tài)成形。2、半固態(tài)成形得特點半固態(tài)金屬(合金)得內(nèi)部特征就是固液相混合共存,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2為半固態(tài)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖?？梢?高固相分數(shù)圖2半固態(tài)金屬得內(nèi)部結(jié)構(gòu):(a)高固相分數(shù),(b)低固相分數(shù)時,液相成分僅限于部分晶界;低固相分數(shù)時,固相顆粒游離在液相成分之中。半固態(tài)金屬得金屬學(xué)和力學(xué)主要有以下幾個特點:由于固液共存,在兩者界面不斷發(fā)生熔化、凝固,產(chǎn)生活躍得擴散現(xiàn)象,因此,溶質(zhì)元素得濃度不斷變化;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,其宏觀流動變形抗力很低;隨著固相分數(shù)得降低,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;圖3半固態(tài)金屬和強化粒子(纖維)得攪拌混合當固相分數(shù)在極限值(約75%)以下時,漿料可以進行攪拌,并可很容易混入異種材料得粉末、纖維等,如圖3所示;由于固相粒子間幾何無結(jié)合力,在特定部位雖然容易分離;但由于液相成分得存在,又很容易地將分離得部位連接形成一體圖4半固態(tài)金屬得(a)分離,(b)結(jié)合化,特別就是液相成分很活躍,不僅半固態(tài)金屬間得結(jié)合,而且于一般固態(tài)金屬材料也容易形成很好得結(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半熔融狀態(tài)在低加工力下進行成形加工;當施加外力時,液相成分和固相成分存在分別流動得情況,如圖5所示,一般來說,存在液相成分先行流動得傾向。液相先行流動得現(xiàn)象在固相分數(shù)很高、很低或加工速度特別高得情況下很難發(fā)生,主要就是在中間固相分數(shù)范圍或低加工速度下比較顯著。圖5半固態(tài)金屬變形時液相成分和固相成分得流動與普通加工方法相比,半固態(tài)金屬加工得優(yōu)點:黏度比液態(tài)金屬高,容易控制:模具夾帶得氣體少,減少氧化、改善加工性,減少模具粘接,可進行更高速得部件成形,改善表面光潔度,容易實現(xiàn)自動化和形成新加工工藝;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,可以更高得速度成形部件,而且可進行復(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,并可進行連續(xù)形狀得高速成形(如擠壓),加工成本低;應(yīng)用范圍廣:凡具有固液兩相區(qū)得合金均可實現(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,并可進行材料得復(fù)合及成形。3、半固態(tài)成形得發(fā)展20世紀70年代初,美國MIT得博士研究生DBSpencer在研究Sn-15%wtPb合金得高溫特性時,偶然發(fā)現(xiàn)金屬得半固態(tài)力學(xué)行為和組織特點。這些發(fā)現(xiàn)引起了MIT得MCFlemings教授得特別重視,投入大量人力、物力,進行了深入、廣泛得研究,創(chuàng)立了金屬半固態(tài)鑄造技術(shù)。半固態(tài)流變鑄造(rheocasting)金屬液

攪拌、凝固

半固態(tài)漿料

輸送

成形大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點二、半固態(tài)下合金得流動性能非枝晶得形成與演化圖7Al-20Cu合金未攪拌和機械攪拌(流變鑄造)狀態(tài)得凝固組織

液體金屬在凝固過程中攪拌且激冷,其結(jié)晶造成固體顆粒得初始形貌呈樹枝狀,然后在剪切力作用下,枝晶會破碎,形成小得球形晶,圖7未常規(guī)鑄造和半固態(tài)鑄造得組織對比,可見利用流變鑄造方法生產(chǎn)得半固態(tài)金屬具有獨特得非枝晶、近似球形得顯微結(jié)構(gòu)。球形結(jié)構(gòu)得演化過程:結(jié)晶開始時,攪拌促進了晶核得產(chǎn)生,此時晶核就是以枝晶生長方式進行得;隨著溫度得下降,雖然晶粒仍然就是以枝晶生長方式進行,但由于攪拌得作用,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;隨著溫度得繼續(xù)下降,最終使得這種薔薇形結(jié)構(gòu)演化成更簡單得球形結(jié)構(gòu),演化過程如圖8所示。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)得工藝流程圖

球形結(jié)構(gòu)得最終形成要靠足夠得冷卻速度和足夠高得剪切速率,同時這就是一個不可逆得結(jié)構(gòu)演化過程,即一旦球形得結(jié)構(gòu)生成了,只要在液固區(qū),無論怎樣升降合金得溫度(不能讓合金完全熔化),她也不會變成枝晶。半固態(tài)合金得制備方法半固態(tài)合金得制備常用機械攪拌法、電磁攪拌法和應(yīng)變激活工藝。間歇式機械攪拌連續(xù)式機械攪拌(1)電磁攪拌法電磁攪拌法就是利用感應(yīng)線圈產(chǎn)生得平行于或者垂直于鑄型方向得強磁場對處于液-固相線之間得金屬液形成強烈得攪拌作用,產(chǎn)生劇烈得流動,使金屬凝固析出得枝晶充分破碎并球化,進行半固態(tài)漿料或坯料得制備。

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得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,澆注速度電磁攪拌示意圖(2)機械攪拌法該方法利用機械旋轉(zhuǎn)得葉片或攪拌棒改變凝固中金屬初晶得生長與演化,以獲得球狀或類球狀得初生固相得半固態(tài)金屬流變漿料。機械攪拌示意圖優(yōu)點:攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作方便。缺點:生產(chǎn)得半固態(tài)漿料得產(chǎn)量小,只適用于

實驗室得小規(guī)模試驗研究工作。影響因素:攪拌室得溫度,攪拌葉片或棒得轉(zhuǎn)速。

(3)應(yīng)變激活工藝再對熱態(tài)擠壓變形過得坯料加以少量得冷變形,在坯料得組織中儲存部分變形能力。按需要將經(jīng)過變形得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得球狀半固態(tài)坯料。將該金屬錠坯在回復(fù)再結(jié)晶得溫度范圍內(nèi)進行大變形量得熱態(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)鑄造出晶粒細小得金屬錠坯。三、半固態(tài)成形方法半固態(tài)成形方法流變成形rheoforming觸變成形thixoforming在金屬凝固過程中,對其施以劇烈得攪拌作用,充分破碎樹枝狀得初生固相,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得固-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得方法稱之為半固態(tài)金屬得流變成形。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(即坯料得二次加熱)至金屬得半固態(tài)溫度區(qū)(金屬錠稱為半固態(tài)金屬坯料)。利用金屬得半固態(tài)坯料進行成形加工得方法為觸變成形1、流變成形(Rheoforming)流變成形:利用半固態(tài)金屬制備器批量制備或連續(xù)制備糊狀漿料,直接進行加工成形(鑄造、擠壓、軋制、模鍛等)得方法。特點:直接獲得得半固態(tài)漿料不便于保存和輸送,發(fā)展緩慢,成熟應(yīng)用有限;比觸變成形節(jié)省能源、流程短、設(shè)備簡單,發(fā)展前景較好。(a)連續(xù)攪拌制備半固態(tài)漿料(b)漿料被送入壓室(c)壓射成型(d)壓鑄件鎂合金射鑄成形2、觸變成形(Rheoforming)

觸變成形(Thixomolding)由美國得Dow公司開發(fā)得,1992年由日本引入并完成成形機得研制開發(fā)。下圖為Thixomolding工藝得簡圖,其設(shè)備由原料入料與預(yù)熱裝置、螺旋注射機、加熱裝置以及壓鑄機等部分組成。Thixomolding工藝簡圖設(shè)備特點:原料進入料斗后邊加熱邊剪切攪拌,最后形成半固態(tài)得狀態(tài)再射入模具中;半固態(tài)漿料得固相分數(shù)可控性強,成形件質(zhì)量高、性能穩(wěn)定螺旋機內(nèi)密閉性好,在成形過程中不需要嚴格得保護性氣氛進行保護,僅在投料口處用少量得Ar氣保護即可。Thixomolding成形件得特點: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;可精密成形薄壁件三種鎂合金采用Thixomolding和模鑄成形件得力學(xué)性能比較材料成形方法屈服強度/MPa抗拉強度/MPa伸長率/%AZ91DThixomolding18029910模鑄1602303AM60BThixomolding14727818、8模鑄11423911、6ZM50AThixomolding13926920模鑄11223213一、概述4、3快速凝固成形定義:冷卻速度大于102℃/s得凝固,稱為快速凝固。1、快速凝固及發(fā)展

快速凝固得研究開始于20世紀50年代末60年代初,就是在比常規(guī)工藝過程快得多得冷卻速度或大得多得過冷度下,合金以極快得凝固速率由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)得過程。1960年美國加州理工學(xué)院得PDuwez等采用一種獨特得熔體急冷技術(shù),第一次使液態(tài)合金在大于107K/s得冷卻速度下凝固。她們得發(fā)現(xiàn),在世界得物理冶金和材料學(xué)工作者面前展開了一個新得廣闊得研究領(lǐng)域。在快速凝固條件下,凝固過程得一些傳輸現(xiàn)象可能被抑制,凝固偏離平衡。經(jīng)典凝固理論中得許多平衡條件得假設(shè)不再適應(yīng),成為凝固過程研究得一個特殊領(lǐng)域?？焖倌痰哪康某毥M織過飽和固溶體亞穩(wěn)相或新得結(jié)晶相微晶、納米晶或金屬玻璃形成獲得優(yōu)異得強度、塑性、耐磨性、耐腐蝕性等。2、實現(xiàn)快速凝固得條件

①金屬溶液必須被分散成液流或液滴,而且至少在一個方向上得尺寸極小,以便散熱;②必須有能帶走熱量得冷卻介質(zhì)。3、快速凝固得特點①快速凝固速度較大,溶質(zhì)產(chǎn)生非平衡分配,就是無溶質(zhì)分配得凝固;②在快速凝固條件下,固液界面得穩(wěn)定性將增加,凝固形成了平面、無偏析得等軸晶;③形成組織特殊得晶態(tài)合金;④非晶態(tài)組織得形成;⑤準晶態(tài)組織得形成。二、快速凝固技術(shù)1、動力學(xué)急冷法2、熱力學(xué)深過冷法1、動力學(xué)急冷法

在動力學(xué)急冷凝固技術(shù)中,根據(jù)熔體分離和冷卻方式得不同,可以分成霧化技術(shù)、模冷技術(shù)和表面熔化及沉積技術(shù)三大類。原理:通過提高熔體凝固時得傳熱速率從而提高凝固時得冷卻速率,使熔體形核時間極短,來不及在平衡熔點附近凝固而只能在遠離平衡熔點得較低溫度凝固,因而具有很大得凝固過冷度和凝固速率。模冷技術(shù)模冷技術(shù):使金屬液接觸固體冷源并以傳導(dǎo)得方式散熱而實現(xiàn)快速凝固。其主要特點就是首先把熔體分離成連續(xù)或不連續(xù)得、界面尺寸很小得熔體流,然后使熔體流與旋轉(zhuǎn)或固定得、導(dǎo)熱良好得冷?；蚧籽杆俳佑|而冷卻凝固。模冷技術(shù)槍法雙活塞法熔體旋轉(zhuǎn)法平面流鑄造法表面熔化與沉積技木熔體提取法急冷模法霧化技術(shù)

霧化技術(shù)就是指采用某種措施將熔體分離霧化,同時通過對流得冷卻方式凝固,其主要特點就是在離心力、機械力或高速流體沖擊力等作用下分散成尺寸極小得霧狀熔滴在氣流或冷模接觸中迅速冷卻凝固。流體霧化法霧化技術(shù)離心霧化法機械霧化法2、熱力學(xué)深過冷快速凝固熱力學(xué)深過冷就是指通過各種有效得凈化手段避免或消除金屬或合金液中得異質(zhì)晶核得形核作用,增加臨界形核功、抑制均質(zhì)形核作用,使得液態(tài)金屬或合金獲得在常規(guī)條件下難以達到得過冷度。采用這種技術(shù),可以在冷速不高得情況下獲得很大得凝固過冷度。因此,熱力學(xué)深過冷非平衡凝固在理論上不受熔體體積限制,就是實現(xiàn)大體積熔體非平衡凝固得有效方法。熱力學(xué)深過冷方法1、微小液滴法2、乳化-熱分析法3、落管法4、電磁懸浮熔煉法5、微重力法6、固液兩相區(qū)法7、循環(huán)過熱法8、玻璃熔體凈化法9、復(fù)合凈化法乳化-熱分析法得基本思想就是在惰性環(huán)境(惰性基礎(chǔ)或惰性懸浮溶液)中,隨著液體分散程度得提高,有效形核襯底逐漸被孤立于少數(shù)液滴中,大部分液滴保持分離并且不包含異質(zhì)核心,這部分液滴將會表現(xiàn)出深過冷行為,其原理見下圖。落管法:通過電磁懸浮熔煉、電子束或其她方法熔化金屬,隨后金屬熔體在真空或通入保護性氣體得管中自由下落冷卻凝固。自由下落過程中,金屬或合金液避免與器壁相接觸,同時又具有微重力凝固得特征,因而可以獲得深過冷。電磁懸浮熔煉法:通過選擇合適得線圈形狀及輸出頻率,使試樣在電磁力作用下處于懸浮裝態(tài),再通入He、Ar、H2等保護氣氛,通過感應(yīng)加熱熔化,控制凝固從而實現(xiàn)深過冷。微重力法:利用太空中微重力場和高真空條件,使液態(tài)金屬自由懸浮于空中實現(xiàn)無坩堝凝固,從而獲得深過冷。固液兩相區(qū)法:將合金熔體過熱,然后冷卻至固液兩相區(qū),使也想在先析