第六章半固态金属加工

1、第六章 半固态金属加工技术6.1半固态金属加工技术概论20世纪70年代初，美国麻省理工学院(MIT)的Flemings教授等研究者们提出了一种金属成型新方法，即半固态加工技术(Semi-Solid Metal or Semi-Solid Forming，简称SSM 或SSF)。所谓半固态加工是指金属在凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌或扰动作用，得到一种均匀悬浮着一定量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固-液混合浆料，进而进行加工成型的一种新技术。这种固-液混合浆料具有很好的流变性能，因此称为流变浆料。依据流变料浆是否直接用于金属件的加工成形，半固态加工又分为半固态流变成型和半固态触变成型两类。前者

2、是将制备好的半固态浆料直接用于成型，后者是将流变浆料凝固成锭，在成形时，重新加热至金属的半固态温度区，恢复其流变特性，实现加工成型。流变料浆凝固成的金属锭一般称为半固态金属坯料。金属材料从形态来分，主要有两种状态，液态和固态。相应地传统的金属成形主要分为两类，金属液态凝固成形，如铸造、液态模锻、液态轧制、连铸等，和金属塑性加工成形，如轧制、拉拔、挤压、锻造、冲压等。凝固成形利用了液态金属的良好流动性，实现成形过程中的充填、补缩，并且可以借助机械压力充填型腔，改善成形件内部质量和尺寸精度。但从凝固机理知道，凝固加工要想完全消除成型件内部的缺陷是极其困难的，甚至是不可能的。塑性加工成形是利用固态金

3、属在高温下呈现的良好塑性流动性，在外力的作用下，完成成形过程中的形变和组织转变。与凝固加工相比，采用塑性加工成形的产品质量明显提高，但由于固态金属变形抗力高，所需变形力大，因此要消耗大量能源，对于复杂零件需要多道工序才能完成。半固态是金属介于液态和固态的中间态，是金属从液态向固态转变或从固态向液态转变的中间阶段，即金属固相和液相共存的一种状态，对于结晶温度区间宽的合金，半固态阶段较长。金属在半固态呈现出与液态金属、固态金属明显不同的物理特性，半固态加工技术正是利用这些特性，而发明的一种不同于传统的凝固加工、塑性加工的金属成形加工新方法。半固态加工综合了凝固加工和塑性加工的长处，其加工温度比液态

4、低、变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成型形状复杂且精度和性能要求较高的部件。半固态加工是21世纪最有前途的一种材料成形加工方法。金属三态成型加工方法的相互关系框图示于图6-1。图6-1金属三态成型加工方法的相互关系框图半固态加工技术打破了传统的枝晶凝固模式，开辟了强制均匀凝固的先河，与以往的金属成型方法相比，半固态金属成型在获得均匀细晶组织、提高力学性能、缩短加工工序、节约能源及成型件性能等方面具有明显的优势。目前已有包括中国在内的二十多个国家和地区开展了半固态成型研究。研究对象主要集中在铝合金和镁合金材料的成型。铝合金半固态成型方法主要有流变压铸、触变压铸、触变锻造等；而镁合金半固态成型

5、的成熟技术目前主要有半固态触变注射成型技术 。半固态成型技术在美国、日本和欧洲等国已进入规模工业生产阶段，主要应用于汽车、摩托车、通信、电器、兵器、航空航天和医疗器械等领域。近几年，我国的研究者在国家自然科学基金、国家“863”、“973”计划等的支持下，已经在铝合金半固态加工技术开发和应用方面具备了较好的基础。对铝合金半固态加工的关键技术，包括半固态材料制备技术、二次加热技术和半固态压铸技术等方面，具备了向产业化转化的技术基础。与铝合金、镁合金相比，钢铁材料的半固态成型加工技术无论在基础研究方面，还是在应用技术开发方面都存在很大的差距。由于高温半固态浆料制备、半固态浆料的输送和保温、半固态成

6、型工模具材料的耐高温性能等技术方面的难点，采用半固态加工方法所研究的钢铁材料仅涉及D2、HS62522高速工具钢、100Cr6钢、60Si2Mn弹簧钢、AISI3O4(Cr18Ni8)不锈钢、C80工具钢、铸铁等钢铁材料，半固态加工方法涉及触变压铸、触变锻压、触变挤压和流变轧制、流变锻造及喷铸成型等 。6.2 半固态金属料浆的特性半固态金属料浆中固液两相相混合共存，凝固的固相颗粒浸润在金属液体中。在低固相分数时，液相成连续相，固相成分布于液相之中。高固相分数时，液相成分仅分布于固相颗粒晶界，成非连续相。图6-2为半固态金属料浆的内部结构组织。图6-2 半固态金属料浆的内部结构组织示意图(a)高

7、固相分数的半固态料浆；(b)低固相分数的地半固态料浆 半固态金属料浆具有以下特点：（1） 料浆中固液两相共存，固液界面的熔化和凝固处于动态平衡状态，因此，溶质元素的局部浓度不断变化。（2） 由于晶粒间或固相颗粒间夹有液相成分，固相粒子间几乎没有结合力，宏观流动变形抗力很低。（3） 随着固相分数的降低，呈现黏性流体特性，在微小外力作用下即可很容易变形流动。（4） 当固相分数在极限值以下时（约75%），浆料可以进行搅拌，并可很容易地混入异种材料的粉末、纤维等，如图4-3所示。利用半固态金属料浆的这种特性，可以制备金属相为连续基相的金属基复合材料。图6-3 半固态金属料浆易于通过搅拌混合实现金属基复

8、合材料的制备图6-4半固态金属料浆由于液相的存在易于(a)分离和(b)结合（5） 由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可很容易地将分离的部位连接形成一体，如图6-4所示。不仅半固态金属料浆间易于结合成一体，而且与固态金属材料也很容易形成很好的结合。（6） 即使半固态金属含有陶瓷颗粒、纤维等难以加工成形的材料，也可以通过半熔融状态在低加工力下进行成形加工.（7） 当施加外力时，存在液相成分和固相成分分别流动的情况，一般来说，液相成分比固相成分先行流动，如图6-5所示。（8） 以上现象在固相很高、很低或加工速度特别高的情况下都很难发生，主要是在中间固相分数范

9、围或低加工速度情况下表现显著。图6-5 半固态金属料浆变形时的液相先行流动倾向 半固态金属料浆的特性使得半固态加工技术与金属凝固成型和塑性成型等传统的加工方法相比具有许多独特的优点：（1） 黏度半固态金属比液态金属高，容易控制。模具夹带的气体少，减少氧化，改善加工性，减少模具粘结，可进行更高速的部件成形，改善表面光洁度，易实现自动化和形成新加工工艺。（2） 流动应力比固态金属低。半固态浆料具有流动性和触变性，变形抗力非常小，可以更高地速度成型部件，而且可以进行复杂件成形，缩短加工周期，提高材料利用率，有利于节能节材，并可进行连续性状的高速成形（如挤压），加工成本低。（3） 应用范围广。凡具有固

10、液两相区的合金均可实现半固态加工。可适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等，并可进行材料的复合及成形。6.3半固态合金的显微组织及其形成机理与常规铸造方法形成的枝晶组织不同，流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显微组织。并且，半固态金属的非枝晶、近球形的组织结构的形成和演化过程是一个不可逆的结构演化过程，即一旦球形的结构生成了，只要在液固区，无论怎样升降合金的温度，它也不会变成枝晶。半固态合金组织是由细小、等轴的非枝晶初始晶粒与后凝固的液相组成。半固态料浆制备结晶开始时，随温度的下降，晶核是以枝晶生长方式生长。但是，由于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体

11、对晶粒剧烈冲刷，枝晶臂被打断，形成了更多的细小晶粒，其自身结构也逐渐向蔷薇形演化。随着温度的继续下降，搅拌的作用最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单的球形结构。演化过程如图6-6所示。图6-6半固态合金组织球形晶粒演化过程示意图图6-7 枝晶臂根部熔断机制示意图国内外不少学者对球形晶粒形成机理及演化过程进行了大量研究。发现半固态料浆搅动时的组织演变受很多因素影响，如半固态料浆的温度、固相分数、搅拌速度等。目前，关于有色金属半固态组织演变机制，一般认为主要遵循以下几种机理。(1) 枝晶臂根部断裂机制。由于切变力的作用，枝晶臂在根部断裂。最初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶体，施加强力搅拌产生切变力

12、使枝晶臂在根部断裂。(2) 枝晶臂根部熔断机制。如图6-7所示，枝晶臂根部熔断主要发生在使表面积减少的枝晶长大过程中。由于液体流动加速液体中的扩散，引起热振动和在根部产生有助于熔化的应力，同时在根部固体中较高质量分数的溶质也将降低熔点，促进枝晶臂根部熔断产生。(3) 枝晶弯曲机制。枝晶臂在流动应力作用下发生弯曲，产生位错导致发生塑性变形。在固相线以上温度，即两相区，位错间发生攀移并相互结合形成晶界，当相邻晶粒的倾角超过20o时，晶粒晶界能超过固-液界面能的两倍，液相将侵入晶界并迅速渗入，从而使技晶臂从主干分离。在了解了半固态铸造组织演变机制后，我们可以更深的认知其演化过程。在凝固开始时对液体进

13、行强烈搅拌，从较大的树枝晶脱离下来不是球状的枝晶臂。每一个枝晶臂结构继续枝状长大，然而在凝固过程中由于长大及与其他晶粒发生剪切、 磨损作用，枝状晶变成蔷薇状共晶组织。在进一步冷却过程中晶粒的蔷薇化继续加深，直至足够的过冷和高的剪切速度下，颗粒变成球状（图6-6）。随着切变速度、 凝固量的增加和冷却速度的降低，晶粒由枝晶形态转变为球形的趋势增加。在半固态金属铸造组织演化的过程中，也存在着可逆的“大结构”转化过程。所谓 “大结构”是指处于合适位向的固相微粒在相互碰撞中，会在接触点“焊合”在一起，并逐渐附聚成团。当剪切速率较低的时候， “焊合”在一起的固相微粒不易被打散，即发生 “有效碰撞”的几率较

14、高，容易形成 “大结构”。当剪切速率很高时，由于搅拌力大，固相微粒发生焊合很困难，而且原先焊合在一起的也容易被打散。在等温搅拌时，随剪切速率降低或上升， “大结构”也随着产生或消失。固相微粒尺寸大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快， 固相微粒尺寸越小，冷却速度越慢， 固相微粒尺寸越大。6.4 影响铝合金半固态凝固组织的因素半固态浆料是半固态加工成型的基础，其微观组织结构直接决定着半固态合金的凝固组织。而用于半固态加工成形的金属半固态浆料或坯料的主要是在合金的固液共存区温度范围内，通过电磁搅拌或机械搅拌扰动金属的凝固过程获得的。下面主要从合金组成、搅拌强度、搅拌温度和搅拌过程的冷却速度等方面分析

15、一下其对铝合金半固态凝固组织的影响。（一）合金成分的影响合金成分变化，部分凝固合金的流变组织会发生变化。图6-8是合金Al-5%Cu和Al-10%Cu的流变组织，比较可知Cu含量增加使固相中包裹的液相增多。这是因为，合金溶质浓度越高，越有利于产生成分过冷，从而使固-液界面越不稳定，导致固-液界面更加不光滑。而颗粒的固-液界面越不光滑，它包裹的液相越多。这部分液相不参加流动，而随包裹它的固相一起运动，因而使实际液相量减少固相分数增加。图6-8 (a) Al-5%Cu、(b)Al-10%Cu合金半固态流变组织（二）搅拌强度搅拌的一个重要作用就是细化晶粒。在电磁搅拌的作用下，铝液的湍流不断地将热脉冲

16、带到液固界面，加速了枝晶臂的熔化断裂过程。并且，熔体湍流在枝晶臂根部也造成应力集中，使得枝晶臂机械断裂。枝晶臂分离后，随湍流被带到稍微过冷的液体中，即形成一个新的晶体，产生精力倍增现象。晶粒倍增的程度与搅拌强度密切相关，一般认为搅拌强度越大晶粒倍增现象越明显，晶粒也越细小。但搅拌强度与晶粒细化程度并不是成正比关系，当搅拌强度比较小时，其细化晶粒的作用明显，搅拌强度达到某种程度后，再增加搅拌强度，细化晶粒的作用就不显著了。增大搅拌强度不仅可以促进晶粒的细化，还可有效抑制初生相的合并、聚集，使细化晶粒更均匀地分散于基体中。这是因为加大搅拌强度，使熔体的对流强度增大，聚集在一起的初生相被冲散，有效地

17、抑制了晶粒的合并生长，防止大结构的出现。电磁搅拌法的搅拌强度与用于产生搅拌效应的磁感应强度成正比。图6-9是Al-6.6%Si合金在不同磁感应强度的旋转磁场的搅拌下所得到的凝固组织。经过较大磁感应强度（ 0.0759T 和 O.1153T ）电磁搅拌得到的半固态组织的初生相晶粒细小，在基体上分布比较均匀（图6-9b、c）。而经较小磁感应强度（0.0446T）搅拌得到的半固态组织的初生相微粒粗大，在基体上的分布很不均匀，而且合并生长的痕迹非常明显，众多的初生相微粒相互簇集在一起（图6-9a）。 图6-9 不同磁感应强度搅拌获得的Al-6.6%Si合金的组织(a) 0.0446T, (b)0.07

18、59T, (c) 0.1153T机械搅拌法的搅拌强度与搅拌速度成正比。图6-10是搅拌转速分别为2.38r/s和7.16r/s，制备的固相分数均为0.45的Al-10%Cu半固态合金微观组织。可以看出，在高速搅拌转速下，固相颗粒比较分散，而低转速下，固相颗粒聚集现象明显。图6-10 搅拌速度对Al-10%Cu半固态合金微观组织的影响(a) n=2.38r/s, (b) n=7.16 r/s（三）搅拌温度搅拌温度即凝固温度，一般选择在合金的液相线和固相线之间。以铝锡合金为例，其凝固发生在纯铝液相线和纯锡液相线之间的温度范围，凝固区间在 658 -230oC之间，其凝固温度或搅拌温度可在该区间选择

19、。图6-11为铝锡合金半固态浆料的固相分数与搅拌温度之间的关系曲线，可以看出固相和搅拌温度呈非线性关系，搅拌温度越低，其固相分数越大，搅拌温度越高，其固相分数越小。图6-11铝锡合金半固态浆料的固相分数与搅拌温度之间的关系曲线（四）冷却速度如果固相分数不变，低冷却速度的固相颗粒平均尺寸较大，高冷却速度的固相颗粒尺寸较小。产生这种现象的原因是低冷却速度达到同样固相分数所需的时间较长， 即低冷却速度下颗粒有较长的生长时间，故颗粒较大。高冷却速度时达到相同固相分数所需的时间较短，颗粒长大受到限制，所以颗粒尺寸较小。6.5 半固态料浆的加工方法金属半固态浆料或坯料的制备是半固态成形加工的基础，其制备方

20、法主要有电磁搅拌法、机械搅拌法、应变诱导熔化极活法、液态异步轧挤法、超声振动法、粉末冶金法、倾斜冷却板制备法、和低过热度铸造法等。但常用的方法主要是电磁搅拌法和机械搅拌法，其中电磁搅拌法占主导地位。（一）电磁搅拌法电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸形方向的强磁场对处于液-固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯料的制备。从搅拌金属液的流动方式来分，电磁搅拌有3种形式，见图6-12。一是垂直式，如图6-12a所示，电磁搅拌方向与铸坯的轴线方向平行。二是水平式，如图6-12b所示，电磁搅拌方向与铸坯的轴线方向垂直，围

21、绕铸坯轴线搅动。第3种是水平与垂直式的组合搅拌，如图6-12c所示。影响电磁搅拌效果的因素有：搅拌功率、搅拌时间、冷却速度、金属液温度、浇注速度等。(a) 垂直流动搅拌 (b) 水平流动搅拌 (c) 螺旋流动搅拌图6-12 电磁搅拌方法示意图电磁搅拌法不同于机械搅拌法，属于非接触式搅拌，不污染金属液，金属浆料纯净，不卷入气体，可以连续生产流变浆料或连铸锭坯，是目前工业应用的主要方法之一。美国Alumax公司、瑞士Alusuisse16nza公司以及法国Pechiney公司已经利用该技术进行商品化生产 。该法除可用于低熔点金属浆液制备外，还可用于高熔点金属如钢液的制备以及连铸过程生产大锭坯。但是

22、，由于加工过程的局限性，通常认为，直径大于 150mm (6英寸) 的铸坯不宜采用电磁搅拌法生产。图6-13搅拌棒连续机械搅拌法制备半固态浆料的工艺原理示意图（二）机械搅拌法机械搅拌法分为非连续机械搅拌法和连续机械搅拌法。非连续机械搅拌法是最早应用于制备半固态金属浆料的方法，该方法利用机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中的金属初晶的生长与演化，以获得球状或类球状的初生固相的半固态金属流变浆料。在搅拌过程中，通过控制搅拌室的温度来控制半固态金属的初生固相分数，通过改变叶片或搅拌棒的转速来控制剪切速率，影响半固态浆料的组织。该种搅拌装置结构简单、造价低、操作方便，但该种搅拌方法的半固态金属浆料的产量很

23、小，只适用于实验室的小规模试验研究工作。连续机械搅拌方法也是最早应用于制备半固态金属浆料的方法。利用连续机械搅袢方法，可以提供半固态金属浆料，也可以在连续搅拌器的出口安放一个结晶器和牵引机构来生产半固态金属锭料。该装置结构较复杂，造价较高，但搅拌室上方的金属熔池既可以防止卷入气体，又可保证连续供给金属液。图6-13是搅拌棒连续机械搅拌法制备半固态浆料的工艺原理示意图。机械搅拌法的搅拌翅或搅拌棒与金属液直接接触，易于引起对金属浆料的污染，对坯料质量带来不利的影响，所以机械搅拌法目前更多的是用于实验研究。（三）应变诱导熔化极活法应变诱导熔化激活法是完全不同于前两种方法制备半固态金属坯料的方法，英文

24、名称为stain-induced melt activation process，简称SIMA。SIMA的工艺要点是：（1）利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯；（2）将该金属锭坯在回复再结晶的温度范围内进行大变形量的热态挤压变形，通过变形破碎铸态组织；（3）然后再对热态挤压变形过的坯料加以少量的冷变形，在坯料的组织中储存部分变形能量；（4）最后按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料。应用应变诱导熔化极活法制备的半固态金属纯净、产量大，是目前工业上进行半固态成形的主要方法之一。但是由于它增加了预变形工序，使产品

25、的生产成本提高。而且，由于挤压设备的限制，目前该方法仅限于小型零件的生产。（四）液态异步轧挤法液态异步轧挤法实质是剪切-冷却-轧制 (shearing-cooling-rolling)，简称SCR法。其工艺原理是：利用一个机械旋转的辊轮把静止的弧状结晶壁上生长的初晶不断碾下、破碎，并与剩余的液体一起混合，形成流变金属浆料，是一种高效制备半固态坯料的方法。（五）超声振动法超声振动法的基本工艺原理就是，利用超声机械振动波扰动金属的凝固过程，细化金属晶粒，获得球状初晶的金属浆料。超声振动波作用于金属熔体的方法一般有两种，一种是将振动器的一面作用在模具上，模具再将振动直接作用在金属熔体上。另一种方法也

26、是采用更多的方法是振动器的一面直接作用于金属熔体。实验证明，对合金液施加超声振动，不仅可以获得球状晶粒，还可以使合金的晶粒直径减小，获得非枝晶坯料。（六）粉末冶金法粉末冶金是利用快速凝固方法制备金属粉末，然后利用压制方法将粉末成型，经过高温烧结，获得晶粒细小、球状，性能优异的一种金属材料制备技术。粉末冶金法制备半固态金属坯料的一般工艺路线是：首先制备金属粉未，然后进行不同种类金属粉末的混合，再进行粉末预成形。将预成形坯料重新加热至半固态区，进行适当保温，即可获得半固态金属坯料。图6-14倾斜冷却板法制备半固态浆料的工艺原理图（七）倾斜冷却板法图6-14是倾斜冷却板法制备半固态浆料的设备工艺原理

27、图。金属液体通过坩埚倾倒在内部具有水冷装置的冷却板上，金属液冷却后达到半固态，流入模具中制备成半固态坯料。固相分数的大小由金属熔体与冷却板接触的时间决定。接触时间越长，固相分数越高。接触时间随着接触长度的增加和倾斜角的减小而增加。一般情况下，通过这种方法得到的半固态坯料的固相分数一般为10%-20%。倾斜冷却板装置设备简单、占地面积小，可方便地安装 在挤压、轧制等成形设备的上方。目前此工艺 已成功地应用在半固态铝合金坯料的制备上。（八）低过热度铸造法低过热度铸造法是通过控制合金的浇注温度和凝固中的冷却 速度来制备半固态金属坯料的。该方法一般不采用任何搅拌，所以制备工艺简单。图6-15气泡搅拌法

28、工艺原理示意图 （九）气泡搅拌法 在2006年召开的第9次半固态合金和复合材料加工的国际会议上，泰国Songkla大学的Wanna-sin、Martinez和Flemings等提出了一种气泡搅拌(Gas bubbles agitation)制备半固态铝合金浆料的新方法，如图6-15所示。制备工艺的控制要点：(1)气体流量要大(试验流量为2 Lmin)，以引起合金熔体足够的对流，但不能过大，以免引起合金熔体飞溅；(2)合金熔体的冷却速度要适当快(试验冷速为0.20.8 s)，以形成大量的初生晶核；(3)合金液的浇注温度不宜过高，比如A357合金的试验浇注温度为630(其液相线温度为615oC)。

29、该方法制备过程较为简单、制备成本较低，半固态铝合金浆料的组织形态很好，但部分气泡有可能滞留在合金熔体中。 除了以上介绍的半固态浆料或坯料制备方法外， 还有喷射沉 积法、 紊流效应法以及晶粒细化和半固态重熔法。 目前，这些方法在某些合金中的研究取得了一定程度的进展。6.6 半固态金属的流变成形半固态加工的基本工艺方法可分为触变成形 thixoformation 和流变成形rheoformation。这两种成形方法各自特点都很明显，触变成形需将坯料进行二次加热再进行成形加工，工艺可控性强、过程较稳定、易操作，但生产流程较长、相对成本较高。目前美国、 日本、 意大利、 德 国等国已建立了多个铝合金、

30、 镁合金触变成形工厂进行大批量汽车及电器用部件生产。而流变成形省去了二次加热，由半固态浆料直接进行成形，生产流程短、相对成本较低，但其工艺过程控制难度相对较大。最近， 国际半固态加工领域的几位著名学者对半固态流变成形给予了高度的关注，并指出由于其经济性，在 未来的几年中，半固态流变成形将有更快的发展。常见的几种半固态流变成形技术有，双螺旋式半固态流变成形、锥桶式半固态流变成形、半固态金属直接轧制成形等。（一）双螺旋式半固态流变成形双螺旋半固态金属流变注射成形法是英国Bmnel大学开发的一种双螺旋注射流变成形技术 ，主要用于镁合金的成形。图6-16是双螺旋注射成形法工作原理示意图，包括4个基本单

31、元：液态金属处理系统、双螺旋挤压器、注射系统、锁模机构，其中，双螺旋挤压器既是半固态浆料制备器，又是流变注射成形的推进器。双螺旋的旋转，使液态金属产生剧烈的紊流，在螺纹的啮合处及根部分别达到最大和最小的剪切变形，细化晶粒和均匀成分。同时，双螺旋的旋转使其内部金属浆料产生“8”字形运动，使金属浆料沿螺杆轴向前运动，形成一定的挤压力和挤压速度，在挤压模具中使半固态浆料成形。在整个流变挤压过程中如何制备一定固相体积分数的半固态浆料，并以一定速度送入挤压模具是关键。进行流变挤压的固相体积分数一般在60 70之间。如果固相体积分数太低，挤压出来的制品不能保持一定形状；如果固相分数太高，会使制品产生表面裂

32、纹。如果所需挤压力高于齿轮泵所能提供的最大挤压力，会造成成形过程中断。双螺旋流变挤压工艺在固相分数较低的情况下(大约15)可以制备出1 mm厚的薄板。 双螺旋半固态金属流变注射成形的优点是剪切速率高，半固态颗粒细小均匀，可生产薄壁、断面复杂的部件。但是双螺旋结构存在螺杆工况差，消耗高，寿命短等问题，不适用大型零件生产。图6-16 双螺旋流变注射机工艺原理图1-加热元件；2-熔化炉；3-塞棒；4-缸体；5-加热元件；6-冷却件；7-缸体内套；8-单向阀；9-模块；10-模腔；11-加热元件；12-射压舱；13-双螺旋；14-射压活塞；15-尾盖；16-驱动系统 （二）锥桶式半固态流变成形锥桶式半

33、固态流变成形机是我国北京科技大学康永林教授等利用金属浆料通过旋转的斜锥形内外筒之间的缝隙形成剧烈剪切应力场作用的原理，研制开发的一种新型的具有独特结构的半固态金属浆料制备与直接流变成形装置，可用来对镁合金等轻金属及合金进行半固态浆料制备及直接流变成形。锥桶式半固态浆料制备与流变成形装置简图示于图6-17，主要构件包括，送料装置、剪切机构、射压机构、温度控制装置、气体保护系统等。轻质合金原料经熔化炉熔化，为半固态浆料的制备提供金属熔液。剪切机构由内、外两个同心圆锥筒组成，其中内筒由电机带动转动，外筒固定。通过调整内筒转速和升降内筒高度，以调整内、外筒之间的缝隙，使半固态金属浆料在内、外筒缝隙之间

34、受到剧烈剪切应力作用，从而制备出晶粒细小、组织均匀的半固态金属浆料。内、外转筒带有一定锥度，可以提高它的使用效率，延长其寿命。挤压机构将半固态金属浆料挤压入模具腔中，快速加压成形。图6-17 锥桶式半固态浆料制备与流变成形装置简图（三）半固态金属直接轧制成形流变轧制就是将半固态浆料的制备与轧制衔接起来，直接轧制成形的方法。与触变轧制相比，流变轧制不仅有利于节约能源，而且工艺流程更短，因此具有实际应用的潜力。半固态金属流变轧制成形工艺包括浆料的制备和流变轧制两大部分。 第一部分的主要任务是连续定量提供固相分数稳定的半固态钢铁浆料，笫二部分的主要任务是实现半固态浆料的流变轧制成形和组织、性能控制。

35、Haga等人首先将半固态金属直接流变轧制用于低熔点铅锡合金、铝合金的金属板带轧制。图6-18是Haga等人设计的半固态金属直接轧制设备简图。图6-18 Haga等人设计的半固态金属直接轧制设备简图由于制备温度较高，钢铁材料半固态浆料的制备和流变轧制相比有色金属合金的半固态流变轧制实现起来相对困难的多，因此，目前有关半态钢铁材料轧制成形工艺的设计资料很少。我国康永林教授对弹簧钢河不锈钢的半固态浆料流变轧制的设备设计和工艺进行了探索性研究，图6-19 是我国康永林教授设计的用于半固态钢铁材料流变直接轧制设备简图。实验揭示，这种流变轧制装置在轧制过程中，常常出现半固态浆料输送不连续、浆料堆积轧辊表面

36、、钢液外漏等现象，工艺稳定性尚需要改进提高。由于半固态浆料定量输送受搅拌参数、冷却速度、固相分数和轧制速度等工艺因素影响，提高工艺稳定性可以从这几方面考虑。图6-19 康永林教授设计的半固态钢铁直接流变轧制装置简图1-电磁搅拌绕组；2-浇口杯；3-钢液；4-塞杆；5-半固态浆料；6-搅拌坩埚；7-水冷空心辊6.7 半固态金属触变成形触变成形加工，首先将制备的半固态金属浆料冷却凝固、制成锭坯，并按生产工艺所需的尺寸下料，然后将定量的坯料重新加热至半固态成形温度，再利用半固态流体触变性能好的特点对其进行压铸或挤压成形。触变成形的成形方法主要有5种：(1) 触变注射成形，(2) 触变压铸，其成形设备

37、是压铸机；(3) 触变锻造，其成形设备是压力机；(4) 触变挤压，其成形设备是挤压机，(5) 触变轧制。其中，触变注射成形是出现最早的一种触变成形工艺。与流变成形法相比，触变成形法更为切实可行，它解决了半固态金属浆料制备与成形设备的衔接问题以及半固态金属浆料的保存、输送问题。另外，触变成形把半固态加工过程中两个重要的部分(半固态材料的制备和成形加工)彻底分开，这样铸造人员只负责生产各种具有特殊显微组织要求的半固态铸棒(铸锭)，而成形人员可以在异时异地进行成形加工，不必处理熔融液态金属。因此，成形过程易于控制，便于实现自动化生产。因此，触变成形从一开始便为工业界所注目，进行了大量的工业开发和研究。目前世界上已形成了一定商业规模的触变成形工业，包括专门生产半固态合金铸棒的公司和专门进行触变成形加工的企业。（一）触变注射成形（Thixomolding）工艺及设备图6-20Thixomolding成形工艺设备简图触变注射成形Thixo-Molding工艺是由美国 Dow Chsmical 公司开发的技术， 1992年由日本制钢所引入并完成成形机的研制开发，已成为 目前半固态加工领域中最成功的、应用最广的技术之一。图6-20是Thixomolding成形工艺设备简图。该技术类似于塑料的注射成形，主要由原料入料、预热装置、螺旋注射机、加热装置和压铸机等部分构成。颗粒状的半固态金属坯料通过料斗