第五部分下半固态加工.ppt

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1、半固态金属加工技术 一、半固态金属加工的概念 一切金属材料在进行其它成形（轧制、锻造）之前都要经历 液固相变的凝固过程。 凝固过程研究与凝固技术的进展在冶金过程、材质控制 中发挥着越来越大的作用，同时引发了各种新型材料及其加工 工艺的诞生和发展。 20世纪70年代，美国麻省理工学院D.B.Spencer等研究人员 在测量Sn-15%Pb合金高温粘度时，发现金属在凝固过程中特殊 的力学行为。 金属在凝固过程中强烈搅拌后，即使在较高固相体积分数 时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力，枝晶被打碎，生成 球状微粒结构，具有流变性和触变性，并冠以半固态金属加工 技术（Semi-Solid Metal F

2、orming），即SSM。 1.1 SSM定义 金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌， 或者控制固液态温度区间，得到一种液 态金属母液中均匀悬浮一定固相组分的固 液混合浆料，这种半固态金属浆料具有流 变特性，即半固态金属浆料具有很好的流 动性，易于通过普通加工方法制成产品， 采用这种既非完全液态，又非完全固态的 金属浆料加工成形的方法，就称为半固态 金属加工技术。 1.2 SSM的特点 1. 应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工， 适用于铸造、挤压、锻压和焊接等多种加工工艺。 2. SSM充形平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩小，铸件 尺寸精度高，凝固时间短，提高生产率。 3

3、.半固态合金已释放了部分结晶潜热，减轻了对模具等成形装置的热 冲击，大幅度提高其寿命。 4.SSM成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，晶粒小，气孔、偏 析等缺陷少，力学性能高，接近或达到变形材料。 5.改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析和与基体金属不润湿 性的技术难题，为复合材料的制备和成形提供有利条件。 6.与固态金属模锻相比，SSM流变应力显著降低，SSM模锻成形速度 高，可以成形十分复杂的零件。 7.节约能源。 二、SSM的理论研究 2.1 半固态金属的流变学行为 通常铸造条件下，合金固相分数为 2030%时，其宏观流动性已基本消失。但 对经受搅拌的部分凝固合金，即使固相分 数高

4、达5060%，固相呈分散粒状，仍具有 一定流动性。 2.1.1 表观粘度 半固态金属的流变学性质一般通过测 定合金的表观粘度来研究。 普通铸造过程浇铸温度高于液相线， 合金以全液态形式浇入铸型，全液态金属 属于牛顿液体，粘度是一常数。不随切变 速率变化。 部分凝固合金属于非牛顿流体，属于 伪塑性体，粘度不是常数，随切变速率的 变化而改变。用表观粘度的概念表征非牛 顿流体。 表观粘度为： a=/ a为表观粘度，Pas； 为切变速度，s-1； 为切应力，Pa 2.1.2 影响流变性的因素 部分凝固合金虽然具有流动性，但其 表观粘度远远高于全液态合金，这种高粘 度固液两相流体的铸造是困难的。 表观粘

5、度构成了凝固合金流变性的主 要方面，为使流变铸造顺利完成，对部分 凝固合金表观粘度的控制至关重要。 （1）固相体积分数对表观粘度的影响 不同搅拌转速下的afs曲线 （2）剪切速率对表观粘度的影响 在相同固相体积 分数下，表观粘度随 剪切速率的上升而下 降，满足Power定律 ： =kn-1 式中为表观粘度 ， 为剪切速率，k为 反映稠密度的常数， n为常数。剪切速率对表观粘度的影响 表观粘度与剪切速率的关系反映的是 粘性浆料的“伪塑性”(Pseudoplasticity)。 在固相分数不变时，表观粘度随转速 的增加而降低。对高粘度的部分凝固合金 的铸造特别有利。 铸造在不断搅动条件下进行。要求

6、在 流变铸造时保持一定的搅拌速度，使部分 凝固合金的表观粘度不致过高而无法进行 铸造。 （3）冷却速度对表观粘度的影响 不同冷却速度下afs曲线 （4）合金成分对表观粘度的影响 不同合金成分的afs曲线 2.2半固态金属的微观组织结构与特性 细小均匀的流变组织不但有利于改善 半固态合金的流变性，消除了普通铸锭中 存在的粗大树枝状晶，获得流变组织是半 固态成形的关键之一。 2.2.1 常规铸造枝晶组织的微观结构 常规铸造方法获得的铸造组织是典型枝晶组 织。 枝晶网形成示意图及Al-6.6%Si常规铸造组织 2.2.2 SSM微观组织的形成与演化 利用流变铸造方法生产的半固态金属具 有独特的非枝晶

7、、近球形的显微结构。 Sn-15%Pb合金的球形晶粒 结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生 ，晶核以枝晶生长方式生长，但由于搅拌 的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切及 液体对晶粒剧烈冲刷，枝晶臂被打断，形 成更多细小晶粒，其自身结构逐渐向蔷薇 形演化，随温度下降，最终演化称为简单 的球形结构。 一旦球形的结构生成。只要在液固区 ，无论怎样升降合金的温度（不能让合金 熔化），也不会变成枝晶。 球形微粒的演化过程 固相微粒尺寸大小与冷却速度密切相 关，冷却速度越高，固相微粒尺寸越小， 冷却速度越低，固相微粒尺寸越大。 2.2.3半固态组织形成机理探讨 晶粒长大的初期，固相颗粒非常细小 ，由于对熔体剧烈

8、的搅拌，固相颗粒分散 在液相中，熔体以粥状形态存在，此时固 相颗粒基本是枝晶状的。 在流变铸造中，金属液被强制对流， 对流强度非常大，因此当晶粒长大到一定 尺寸时，较长的枝晶臂在流动液体的冲刷 和其它晶粒碰撞下，会发生弯曲。在枝晶 的勃颈处产生很大的弯曲应力。 晶体在接近熔点时，强度很低，枝晶 臂发生断裂。 剧烈搅拌导致合金熔体中热流梯度小 ，而且固相颗粒的转动使各个方向热流梯 度趋向一致，因此单个结晶颗粒是等轴生 长的。 无论枝晶臂弯曲融合，或是熔断，或 是机械断裂，都阻止初始形成的小枝晶相 粗大的形式发展，同时晶体的等轴生长和 合并生长也促使合金初生相向球形或椭圆 形发展。 2.2.4半固

9、态合金的金相组织 镁合金的半固态组织 铜合金的半固态组织 M2工具钢的半固态组织 高熔点合金的半固态组织 (a)Cu-10Sn-2Zn (b)AlS1304不锈钢(c)HS31钴基合金 2.3流变性与组织的关系 半固态金属材料的性质（如表观粘度 ）必然受到材料内部微观组织状态的影响 。 部分凝固合金的内部组织状态由它的 固相组织状态决定。固相的数量、大小、 形状和分布等参数决定了表观粘度的高低 。 2.3.1 固相分数 固相分数越高，部分凝固合金液相量 越少，流动性越差。表观粘度随固相分数 增加而上升。 2.3.2 搅拌强度对半固态组织的影响 电磁搅拌用磁感应强度描述搅拌强度 ，电磁搅拌造成“

10、晶粒倍增”。 不同搅拌强度下Al-6.6%Si合金组织 在电磁搅拌作用下，铝液的湍流对流 不断将热脉冲带到液固界面，加速枝晶臂 的熔化，枝晶臂被分离后，随湍流带到稍 微过冷的液体中，形成新的晶体，造成晶 粒倍增。 搅拌强度越大，晶粒倍增现象越明显 ，晶粒越细小。 搅拌速度越高，固相颗粒比较分散， 而低搅速下固相颗粒聚集现象明显。 Al-10%Cu在不同搅拌速度下的流变组织 (a)n=2.38r/s (b)n=7.16r/s 2.3.3 冷却速度 固相分数一定时，低冷却速度的固相 颗粒平均尺寸较大。原因是达到同样固相 分数所需的时间较长，颗粒生长的时间长 ；高冷却速度，达到同样固相分数所需时 间

11、较短，颗粒长大受到限制，颗粒较小。 2.3.4 合金成分 合金浓度越高，越有利于产生成分过 冷，使固液界面不稳定，结果使界面不光 滑，颗粒包裹的液相多，表观粘度增加。 Al-Cu合金流变组织(fs=46%) (a)Al-5%Cu合金 (b)Al-10%Cu合金 三、SSM的力学性能 不同加工方法获得的铝合金力学性能比较 不同加工方法获得的AZ91D镁合金力学性能 不同加工方法获得的钛合金力学性能 某些高熔点合金不同条件下力学性能比较 四、SSM的制备及形成机制 半固态加工技术中一个关键问题是如 何制备优质的半固态合金坯料或浆料，制 备工艺直接影响半固态锭坯组织结构的均 匀性。 半固态材料的制备

12、方法大致有液态法 、控制凝固法和固态法三种。 4.1 液态法 液态法是指对正在凝固的液态金属进 行机械、电磁或振动处理，使枝晶破碎， 逐步球化成非枝晶组织。 4.1.1 机械搅拌法 是最早采用的方法，设备构造简单， 通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度 等工艺参数，使初生树枝状晶破碎成为颗 粒结构。 几种机械搅拌装置示意图 (a)棒式 (b)螺旋式 (c)底浇式 (d)倾转式 4.2.2 电磁搅拌法 电磁搅拌有两种形式，一是水平式， 二是垂直式。 不同电磁搅拌方式示意图 4.2 控制凝固法 控制金属液凝固速度，或加入某种添 加剂抑制枝晶生成，形成细小非枝晶组织 。 4.1.3 固相法 应变诱发

13、熔化激活技术(Strain-Induced Melt Activation),即SIMA法。将合金原材料 进行足够冷变形，然后加热到半固态，加 热过程中，先发生再结晶，然后部分熔化 。成功应用于不锈钢、铜合金等高熔点合 金。 金属熔化成液态金属后，雾 化成溶滴颗粒，在喷射气体 作用下部分凝固的微滴直接 沉积在收集板上，每个溶滴 的冲击能够产生足够剪切力 打碎滴内形成枝晶，凝固后 成为颗粒状组织，加热到局 部熔化，获得具有球形颗粒 固相的半固态金属浆料。 4.1.4 喷射成形法 喷射沉积法示意图 4.2 半固态坯料重熔加热 合金坯料的半固态重熔加热是一个重 要过程，要求坯料的加热温控精度很高，

14、即使12K的误差就会显著影响坯料的组织 和搬运性，同时要求坯料的重熔加热有一 定的速度。 为保证坯料的重熔加热精度和加热速 度，生产中一般采用连续式电磁感应加热 工艺。但电磁感应加热能源效率低。 此外，半固态合金坯料的重熔加热可 以采用电阻炉或盐浴炉，加热温度控制精 确，坯料不易坍塌，但加热时间长，坯料 表面氧化加重。 4.3 半固态成形技术 半固态金属成形工艺主要分为流变成 形和触变成形。 将经过搅拌获得的半固态金属浆料保 持在其半固态温度条件下直接进行半固态 加工，称为流变铸造（Rheocasting）。 将半固态浆料冷却凝固成坯料后，再 重新加热到半固态温度，然后进行成形加 工，称为触变

15、成形（Thixoforming）。 4.3.1 射铸技术(Thixomolding) 射铸技术主要应用于镁合金的流变压 铸，成形件为汽车、计算机和照相机零件 毛坯。 射铸技术是唯一实际应用的流变成形 技术，与触变成形技术比较，更节约能源 、流程更短，设备更简单。 流变成形技术是半固态金属成形技术 的重要发展方向。 射铸成形示意图 4.3.2 触变锻造(Thixoforging) 是当今金属半固态成形主要工艺。成形 设备主要是压铸机、压力机并配有机器人 搬运坯料。 触变锻造分两个过程，一是半固态坯料 在剪切力作用下粘度降低，以较小能耗完 成流动充填；二是密实过程。前者是成形 的需要，后者是产品质量的需要。 半固态触变成形示意图 五 SSM研究应用现状和前景 半固态金属加工技术工业应用已取得 很大进展。 半固态金属成形技术源于美国，目前 美国的半固态成形技术处于全球领先地位 。 Alumax公司适用电磁搅拌技术生产出触变 成形用圆锭，建成世界上第一条高容量和 高自动化触变成形生产线。 半固态成形产品 半固态流变铸造成形的铝合金汽车零件 SSM法生产的轮毂精密零件 半固态加工成形的涡型轮 汽车转向节 汽车齿轮盘、发动机支架