第四章 金属的液态成形与半固态成形-2

1、第四章第四章 金属的液态成形金属的液态成形与半固态成形与半固态成形4.1 液态成形液态成形4.2 半固态成形半固态成形4.3 快速凝固成形快速凝固成形4.2 半固态成形半固态成形 1、定义：、定义： 半固态成形即半固态合金成形，是介于半固态成形即半固态合金成形，是介于液态液态成形成形和和固态固态成形之间的一种成形方法。成形之间的一种成形方法。 半固态合金是将合金熔化后，待它冷却到液相线半固态合金是将合金熔化后，待它冷却到液相线温度以下，对合金进行温度以下，对合金进行搅拌搅拌，在搅拌力的作用下，在搅拌力的作用下，合金析出的树枝状晶被破坏，并在周围金属液的合金析出的树枝状晶被破坏，并在周围金属液的

2、摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小块形成摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小块形成卵卵球球状的颗粒，分布在整个液态金属中。该合金即状的颗粒，分布在整个液态金属中。该合金即使固态组分达使固态组分达40%-60%，仍然像糊状悬浮液，仍然像糊状悬浮液，具有一定的流动性。而在剪切力较小或为零时，具有一定的流动性。而在剪切力较小或为零时，它又具有固体性质，可以搬运储藏。它又具有固体性质，可以搬运储藏。 利用半固体合金独特的性质实现浇注或利用半固体合金独特的性质实现浇注或压注成形的方法，称为压注成形的方法，称为半固态成形半固态成形。2、半固态成形的特点、半固态成形的特点 应用范围广。适合各种合金和复合材料，

3、应用范围广。适合各种合金和复合材料，可采用铸造、挤压、锻造和焊接等多种可采用铸造、挤压、锻造和焊接等多种成形工艺。成形工艺。 铸件质量高，力学性能好，尺寸精度高。铸件质量高，力学性能好，尺寸精度高。 对成形装置的热冲击小，能耗低。对成形装置的热冲击小，能耗低。 便于实现自动化，劳动生产率高。便于实现自动化，劳动生产率高。 生产成本低。生产成本低。 3、半固态成形的发展、半固态成形的发展 20世纪世纪70年代初，美国年代初，美国MIT的博士研究生的博士研究生D B Spencer在研究在研究Sn-15%wt Pb合金的高温特性时，合金的高温特性时，偶然发现金属的半固态力学行为和组织特点。偶然发现

4、金属的半固态力学行为和组织特点。这些发现引起了这些发现引起了MIT的的M C Flemings 教授的特教授的特别重视，投入大量人力、物力，进行了深入、别重视，投入大量人力、物力，进行了深入、广泛的研究，创立了金属半固态铸造技术。广泛的研究，创立了金属半固态铸造技术。 半固态半固态流变铸造（流变铸造（rheocasting） 金属液金属液 搅拌、凝固搅拌、凝固半固态浆料半固态浆料 输送输送 成成形形 4、半固态合金的制备方法、半固态合金的制备方法 半固态合金的制备常用半固态合金的制备常用机械搅拌法机械搅拌法、电电磁搅拌法磁搅拌法和和应变激活工艺应变激活工艺。间歇式机械搅拌间歇式机械搅拌连续式机

5、械搅拌连续式机械搅拌 电磁搅拌法电磁搅拌法是利用旋转磁场使是利用旋转磁场使金属液产生运动，达到搅拌金金属液产生运动，达到搅拌金属液的目的。属液的目的。 目前有两种方法。一种是在感目前有两种方法。一种是在感应线圈内通交变电流，另一种应线圈内通交变电流，另一种是旋转永磁体法。是旋转永磁体法。 电磁搅拌法不会污染金属液，电磁搅拌法不会污染金属液，控制方便灵活，但设备投资大，控制方便灵活，但设备投资大，成本高。成本高。电磁搅拌电磁搅拌 应变激活工艺应变激活工艺（Strain-induced melt activation process，SIMA) 预先连续铸造出晶粒预先连续铸造出晶粒细小的金属锭细小

6、的金属锭, 再将金属再将金属锭热态挤压变形，锭热态挤压变形，变形变形量要大量要大，通过变形破碎，通过变形破碎铸态组织，随后再加以铸态组织，随后再加以小量冷变形，在组织中小量冷变形，在组织中储存部分变形能量，最储存部分变形能量，最后按需要将变形的金属后按需要将变形的金属锭切成一定大小锭切成一定大小, 加热到加热到固液区并适当保温，即固液区并适当保温，即可获得可获得半固态坯料半固态坯料。 9、半固态合金组织、半固态合金组织 半固态合金组织的形态和大小与半固态合金组织的形态和大小与合金的合金的温度温度、剪切速率剪切速率和和固态比例固态比例有关。有关。 随合金温度下降，初晶枝晶间距和质点随合金温度下降

7、，初晶枝晶间距和质点尺寸减小；剪切力越高，则质点形状越尺寸减小；剪切力越高，则质点形状越趋于趋于球形球形；质点尺寸随固相比例增大而；质点尺寸随固相比例增大而增大。增大。 10、半固态合金的流变性能、半固态合金的流变性能 研究材料成形过程中的研究材料成形过程中的流动和变形流动和变形规律规律即即流变学流变学； 合金在熔融态和凝固过程中的流变性：合金在熔融态和凝固过程中的流变性：剪切力、剪切速率、弹性、粘弹性和塑剪切力、剪切速率、弹性、粘弹性和塑性；性； 11、半固态成形方法、半固态成形方法 （1）流变成形流变成形（Rheoforming)流变成形流变成形：利用半固态金属制备器批量制备或：利用半固态

8、金属制备器批量制备或连续制备糊状浆料，直接进行加工成形（铸造、连续制备糊状浆料，直接进行加工成形（铸造、挤压、轧制、模锻等）的方法。挤压、轧制、模锻等）的方法。特点特点：直接获得的半固态浆料不便于保存和输：直接获得的半固态浆料不便于保存和输送，发展缓慢，成熟应用有限；比触变成形节送，发展缓慢，成熟应用有限；比触变成形节省能源、流程短、设备简单，发展前景较好。省能源、流程短、设备简单，发展前景较好。(a)连续搅连续搅拌制备半固拌制备半固态浆料态浆料(b)浆料被浆料被送入压室送入压室(c)压射成型压射成型(d)压铸件压铸件镁合金射铸成形镁合金射铸成形 （2）触变成形触变成形（Thixoformin

9、g）触变成形：触变成形：利用浆料连续制备器生产的半固态浆利用浆料连续制备器生产的半固态浆料铸成一定形状的铸锭的成形方法，它像软的固料铸成一定形状的铸锭的成形方法，它像软的固体一样可以搬运、切块、储藏，使用时将其重新体一样可以搬运、切块、储藏，使用时将其重新加热到半固态温度范围，装入成形机进行成形加热到半固态温度范围，装入成形机进行成形（铸造、挤压、轧制、模锻等）。（铸造、挤压、轧制、模锻等）。特点特点：输送方便，易于实现自动化，应用广泛。：输送方便，易于实现自动化，应用广泛。a)连续搅拌制备半固态浆料连续搅拌制备半固态浆料b)半固态浆料凝固成坯料半固态浆料凝固成坯料c)坯料切分坯料切分d)坯料

10、半固态坯料半固态重熔重熔加热加热e)坯料被送入射室坯料被送入射室f)压射成型压射成型g)压铸件压铸件区别：区别：1）多一个加热工艺）多一个加热工艺2）运输方便）运输方便 （3 3）铸锻成形）铸锻成形-铸造和锻压的复合 液态模锻、挤压、铸挤、轧制等半固态金属挤压成形半固态金属挤压成形半固态金属轧制成形半固态金属轧制成形半固态铝合金坯料水平连铸机半固态铝合金坯料水平连铸机3英寸的半固态铝合金坯料80mm电磁搅拌连铸半固态铝合金坯料北京科技大学应变激活应变激活工艺生产的军用航天器中的一种工艺生产的军用航天器中的一种小型电器连接零件小型电器连接零件 铝合金汽车制动总泵壳毛坯铝合金汽车制动总泵壳毛坯左边

11、为半固态铸造，右边为金属型铸造左边为半固态铸造，右边为金属型铸造半固态铝合金汽车零件毛坯半固态铝合金汽车零件毛坯半固态射铸（半固态射铸（Thixomolding）工艺示意图）工艺示意图4.3 快速凝固成形快速凝固成形 定义：冷却速度大于定义：冷却速度大于102/s的凝固，称的凝固，称为快速凝固。为快速凝固。 1、快速凝固及发展、快速凝固及发展 2、实现快速凝固的条件、实现快速凝固的条件 金属溶液必须被分散成液流或液滴，金属溶液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，以而且至少在一个方向上的尺寸极小，以便散热；便散热；必须有能带走热量的冷却介必须有能带走热量的冷却介质。质。3、快

12、速凝固、快速凝固的特点的特点 快速凝固速度较大，溶质产生非平衡快速凝固速度较大，溶质产生非平衡分配，是无溶质分配的凝固；分配，是无溶质分配的凝固； 在快速凝固条件下，固液界面的稳定在快速凝固条件下，固液界面的稳定性将增加，凝固形成了平面、无偏析的性将增加，凝固形成了平面、无偏析的等轴晶；等轴晶； 形成组织特殊的晶态合金；形成组织特殊的晶态合金； 非晶态组织的形成；非晶态组织的形成； 准晶态组织的形成。准晶态组织的形成。双活塞法平面流铸造法快速凝固雾化法落管法二相法“枪”法熔体旋转法电子束急冷淬火法熔体提取法双流雾化离心雾化机械雾化和其它雾化法水雾化与气体雾化法高速旋转筒雾化法滚筒急冷雾化法旋转电极雾化法双辊雾化法电-流体力学雾化法表面熔化法表面喷涂沉积技术等离子喷涂沉积雾化沉