材料制备新技术(许春香)__第四章_半固态金属加工技术

1、第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术学习的目的与要求：学习的目的与要求：通过本章的学习，帮助学生理解和掌握半固态金属成型技术的基通过本章的学习，帮助学生理解和掌握半固态金属成型技术的基本原理，半固态浆料的制备、贮存和运输；典型的两大类半固态本原理，半固态浆料的制备、贮存和运输；典型的两大类半固态金属成型方法、特点及应用范围；是学生基本熟悉工厂的生产特金属成型方法、特点及应用范围；是学生基本熟悉工厂的生产特点、工艺布置、设备布置、主机设备等；全面的认识和了解半固点、工艺布置、设备布置、主机设备等；全面的认识和了解半固态加工的工业化应用状

2、况和发展前景；为将来走向工作岗位打下态加工的工业化应用状况和发展前景；为将来走向工作岗位打下良好的基础。良好的基础。第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术4.1 半固态金属加工技术概述半固态金属加工技术概述半固态金属成形就是对处于半固半固态金属成形就是对处于半固-半液状态的金属进行加工成形，半液状态的金属进行加工成形，是一种介于金属的液态成形（如铸造、铸轧等）和金属的固态成是一种介于金属的液态成形（如铸造、铸轧等）和金属的固态成形（如挤压、轧制等）之间的新的加工成形方法。形（如挤压、轧制等）之间的新的加工成形方法。4.1.1 半固态金属成形基本原理半固态金属成形基本原理在金属凝固过程

3、中对其施加强烈搅拌，以抑制和充分破碎树枝状在金属凝固过程中对其施加强烈搅拌，以抑制和充分破碎树枝状初生相的形成和长大，在一定温度和时间条件下，获得一种液态初生相的形成和长大，在一定温度和时间条件下，获得一种液态金属中均匀的悬浮着一定球状初生相的固金属中均匀的悬浮着一定球状初生相的固-液相共存的混合浆料液相共存的混合浆料（固相组分一般在（固相组分一般在50%左右）。左右）。优势：优势：均匀细晶组织、提高性能、缩短加工工序、节约能源、提高模具均匀细晶组织、提高性能、缩短加工工序、节约能源、提高模具寿命寿命第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技

4、术半固态金属的金属学和力学特点：半固态金属的金属学和力学特点：1）溶质元素的局部浓度不断变化；）溶质元素的局部浓度不断变化；2）宏观流动变形抗力很低；）宏观流动变形抗力很低；3）随着固相含量的降低，呈现黏性）随着固相含量的降低，呈现黏性流体特征，在微小外力作用下即可流体特征，在微小外力作用下即可容易变形流动；容易变形流动；4）当固相含量在极限值（约）当固相含量在极限值（约75%）以下）以下时，浆料可以进行搅拌，并很容易的混时，浆料可以进行搅拌，并很容易的混入异种材料的粉末、纤维等，实现难加入异种材料的粉末、纤维等，实现难加工材料的（高温合金、陶瓷等）的成形；工材料的（高温合金、陶瓷等）的成形；

5、图图4-2 半固态金属和强化粒子半固态金属和强化粒子(纤维纤维)的的搅拌混合搅拌混合第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术半固态金属的金属学和力学特点：半固态金属的金属学和力学特点：5）与一般固态金属材料也容易形成很好的结合；）与一般固态金属材料也容易形成很好的结合；6）当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别的流动情况，通常，）当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别的流动情况，通常，存在液相成分先行流动的倾向和可能性；存在液相成分先行流动的倾向和可能性；7）上述现象在固相含量很高或很低或加工速率特别高的情况下都很）上述现象在固相含量很高或很低或加工速率特别高的情况下都很难发生，主

6、要是在中间固相分数范围或低加工速率情况下显著。难发生，主要是在中间固相分数范围或低加工速率情况下显著。第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术图图4-3 球形组织的演化过程示意图球形组织的演化过程示意图与常规铸造方法形成的支晶组织不同，利用流变成形生产的半固态金与常规铸造方法形成的支晶组织不同，利用流变成形生产的半固态金属零件具有独特的非支晶、近似球形的显微组织结构。属零件具有独特的非支晶、近似球形的显微组织结构。球形结构的最终形成要靠足够的冷却速率和足够高的剪切速率。球形结构的最终形成要靠足够的冷却速率和足够高的剪切速率。第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术与普通的加工成

7、形方法比较，半固态金属加工具有许多独特的优势：与普通的加工成形方法比较，半固态金属加工具有许多独特的优势：1）黏度比液态金属高，容易控制；）黏度比液态金属高，容易控制；2）流动应力比固态金属低；）流动应力比固态金属低；3）应用范围广。）应用范围广。4. 2 半固态金属关键成形技术半固态金属关键成形技术半固态流变成形：半固态流变成形：半固态浆料制备、流变成形半固态浆料制备、流变成形半固态金属触变成形：半固态金属触变成形：半固态浆料制备、二次加热、触变成形。半固态浆料制备、二次加热、触变成形。 图图4-4 半固态铸造装置示意图半固态铸造装置示意图 1金属液；金属液；2加热炉；加热炉；3冷却器；冷却

8、器；4流变铸锭；流变铸锭；5料坯料坯；6软度指软度指示仪；示仪；7坯料二次加热器；坯料二次加热器；8压射室；压射室；9压压铸模；铸模；10压铸合金压铸合金4.1.2 半固态金属成形方法半固态金属成形方法根据工艺流程不同：根据工艺流程不同：1）流变成形）流变成形（工艺流程短、生产成（工艺流程短、生产成本低，可控性差）本低，可控性差）2）触变成形）触变成形（可控性高，提高成形（可控性高，提高成形合金的综合性能）合金的综合性能） (a) 间歇式间歇式 (b) 连续式连续式 图图4-5 半固态机械搅拌装置示意图半固态机械搅拌装置示意图4. 2 .1 半固态金属浆料制备半固态金属浆料制备1）机械搅拌式半

9、固态浆料制备装置）机械搅拌式半固态浆料制备装置图图4-6 转轮式制浆装置转轮式制浆装置4. 2 .1 半固态金属浆料制备半固态金属浆料制备1）机械搅拌式半固态浆料制备装置）机械搅拌式半固态浆料制备装置 (a)垂直搅拌式垂直搅拌式 (b)水平搅动式水平搅动式 (c)螺旋搅动式螺旋搅动式 图图4-7 电磁搅拌制备半固态坯料的三种搅拌方式示意图电磁搅拌制备半固态坯料的三种搅拌方式示意图2）电磁搅拌式半固态浆料制备装置）电磁搅拌式半固态浆料制备装置4. 2 .1 半固态金属浆料制备半固态金属浆料制备图图4-8 带内部转子的电磁流变铸造示意图带内部转子的电磁流变铸造示意图2）电磁搅拌式半固态浆料制备装置

10、）电磁搅拌式半固态浆料制备装置4. 2 .1 半固态金属浆料制备半固态金属浆料制备浇浇口口杯杯金金属属液液上上搅搅拌拌器器下下搅搅拌拌器器液液流流方方向向图图4-9 半固态浆料复合电磁搅拌连续制备技术示意图半固态浆料复合电磁搅拌连续制备技术示意图4. 2 .1 半固态金属浆料制备半固态金属浆料制备1）机械搅拌式半固态浆料制备装置）机械搅拌式半固态浆料制备装置北京有色金属研究总院北京有色金属研究总院图图4-10 超声波振动半固态浆料制备原理示意图超声波振动半固态浆料制备原理示意图2）电磁搅拌式半固态浆料制备装置）电磁搅拌式半固态浆料制备装置4. 2 .1 半固态金属浆料制备半固态金属浆料制备超声

11、波振动半固态浆料制备超声波振动半固态浆料制备 图图4-11 一种二次加热装置的原理图一种二次加热装置的原理图 图图4-12 半固态金属重熔硬度半固态金属重熔硬度 测定装置测定装置4. 2 .2 半固态金属坯料的二次加热半固态金属坯料的二次加热(a)柸料二次加热柸料二次加热 (b) 坯料放入压制室型腔坯料放入压制室型腔 (c) 压射成型压射成型 (d)压铸件压铸件 图图413 半固态金属触变压铸示意图半固态金属触变压铸示意图4. 3 半固态金属的触变成形半固态金属的触变成形4. 3.1 半固态金属的触变压铸成形半固态金属的触变压铸成形第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术 图图4-14

12、 半固态金属触变压铸设备平面布置图半固态金属触变压铸设备平面布置图 1压铸机；压铸机；2压铸件抓取机械手；压铸件抓取机械手；3锯切机构；锯切机构；4压铸件冷却箱；压铸件冷却箱； 5涂料喷涂装置；涂料喷涂装置；6加热系统；加热系统；7坯料搬运机械手坯料搬运机械手第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术(a) 柸料二次加热柸料二次加热 (b) 坯料放人锻模型腔坯料放人锻模型腔 (c) 锻压成形锻压成形 (d) 锻件锻件 图图4-15 半固态金属触变锻造示意图半固态金属触变锻造示意图第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术 图图4-16 闭模锻造示意图闭模锻造示意图第第4章章 半固态

13、金属加工技术半固态金属加工技术 图图4-17 触变注射成形原理示意图触变注射成形原理示意图1模具架；模具架；2模型；模型；3半固态镁合金累积器；半固态镁合金累积器；4加热器；加热器；5镁粒料斗；镁粒料斗； 6 给料器：给料器：7旋转驱动及注射系统；旋转驱动及注射系统；8螺旋给进器；螺旋给进器；9筒体；筒体； 10单向阀；单向阀； 11射嘴射嘴第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术（a）各种通信设备的外壳）各种通信设备的外壳 (b) 翻盖式手机外壳翻盖式手机外壳 (c) 相照机外壳，重量为相照机外壳，重量为98g (d) 电脑显示器外壳电脑显示器外壳第第4章章 半固态金属加工技术半固态

14、金属加工技术(e) 摩托车轮毂，直径摩托车轮毂，直径40cm，重量，重量1.8kg (f) 汽车方向盘，重量汽车方向盘，重量560g第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术 (g) 家用设备家用设备 (h) 休闲运动器件休闲运动器件 图图4-18 以触变注射成形工艺制造的镁合金零件实例以触变注射成形工艺制造的镁合金零件实例第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术(a)浇注浇注 (b)电磁搅拌电磁搅拌 (c)调整压射室位置调整压射室位置 (d)压射成形压射成形 图图4-19 压射室制备半固态合金浆料和流变成形示意图压射室制备半固态合金浆料和流变成形示意图第第4章章 半固态金属加工

15、技术半固态金属加工技术 图图4-20单螺旋流变射铸工艺原理示意图单螺旋流变射铸工艺原理示意图 1金属液输入管；金属液输入管；2保温炉；保温炉；3螺杆；螺杆；4筒体；筒体；5冷却管；冷却管；6绝热管；绝热管； 7加热线圈；加热线圈；8半固态金属累积区；半固态金属累积区；9绝热层；绝热层；10注射嘴；注射嘴；11加热线圈；加热线圈； 12单向阀单向阀第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术A-出浆区段出浆区段 B-浆料熟化区段浆料熟化区段 C-搅拌、挤压、剪切和搓碾制浆区段搅拌、挤压、剪切和搓碾制浆区段 D-导向区段导向区段 E-加料区加料区段段 图图4-21 双螺旋流变成型工艺原理示意图

16、双螺旋流变成型工艺原理示意图 1-出浆阀出浆阀 2-双螺杆双螺杆 3-筒体筒体 4-加热器加热器 5-加料口加料口 6-驱动系统驱动系统第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术1 12 23 34 45 56 67 7第二步第二步第三步第三步第四步第四步第一步第一步 图图4-22 低过热度倾斜板浇注式流变成形工艺原理示意图低过热度倾斜板浇注式流变成形工艺原理示意图1-熔化坩埚；熔化坩埚；2-合金液；合金液；3-倾斜板；倾斜板；4-收集坩埚；收集坩埚；5-压射室；压射室；6-压铸型；压铸型；7-铸件铸件第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术图图4-23 低过热度浇注和短时弱机械

17、搅拌制备低过热度浇注和短时弱机械搅拌制备 半固态合金浆料示意图半固态合金浆料示意图第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术 （a) 搅拌速度的影响搅拌速度的影响 （b) 搅拌时间的影响搅拌时间的影响 图图4-24 搅拌速度和搅拌时间对半固态合金浆料初生固相形状因子的影响搅拌速度和搅拌时间对半固态合金浆料初生固相形状因子的影响第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术 图图4-25 低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变压铸示意图低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变压铸示意图 1熔化炉；熔化炉；2合金液；合金液；3电磁搅拌器；电磁搅拌器；4半固态合金浆料；半固态合金浆料；5坩埚；坩埚；6加热；加

18、热；7压铸机压射；压铸机压射；8压铸；压铸；9压铸型腔；压铸型腔；10压铸机压铸机第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术图图4-26 半固态半固态SnPbl5合金浆料直接轧制工艺原理示意图合金浆料直接轧制工艺原理示意图 1主轧辊；主轧辊；2硅橡胶面；硅橡胶面；3流变器；流变器；4半固态半固态SnPbl5合金浆料；合金浆料；5销钉；销钉；6、8张紧轮；张紧轮；7硅橡胶带；硅橡胶带； 9支撑辊；支撑辊； 10杠杆；杠杆； 11校直点；校直点； 12合金薄带；合金薄带； 13驱动轮；驱动轮； 14弹簧秤；弹簧秤；15载荷调节螺母载荷调节螺母第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术（

19、a) 双轮牵引式薄板坯连铸机双轮牵引式薄板坯连铸机 （b) 带轮牵引式薄板坯连铸机带轮牵引式薄板坯连铸机 图图4-27 半固态铝合金薄板坯连铸工艺原理示意图半固态铝合金薄板坯连铸工艺原理示意图第第4章章 半固态金属加工技术半固态金属加工技术 (a)浇注浇注 (b)搅拌搅拌 (c)浆料输送和轧制浆料输送和轧制图图4-28 半固态钢铁浆料轧制过程示意图半固态钢铁浆料轧制过程示意图1浇口；浇口；2电磁搅拌器；电磁搅拌器；3搅拌室；搅拌室；4水冷轧辊水冷轧辊表表4-1 半固态金属触变压铸机的选择半固态金属触变压铸机的选择坯料规格坯料规格42/ 54N型型66/ 84N型型105/ 140N型型180 /220N型型直径直径/ mm长度长度/ mm重量重量/ kg最大压射力最大压射力 bar动态动态静态静态动态动态静态静态动态动态静态静态动态动态静态静态63.512020011.61060260076.21302201.42.580020001200270088.91402302.23.68501900101.615025035.270015809202200114.31703004.48700165012718034061160013008002000139.720037081548011507001750152.422040010197014001bar=10kpa 表表4-