半固态金属成形技术

1、半固态金属成形半固态金属成形 一、概念一、概念 半固态金属成形技术（半固态金属成形技术（Semi-Solid Metal Semi-Solid Metal processingprocessing，SSMSSM），它是利用在固），它是利用在固- -液态区间液态区间获得一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固获得一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分（相组分（50%-60%50%-60%）合金的混合浆料进行加工）合金的混合浆料进行加工成形的方法。成形的方法。 半固态成形是利用金属材料从固态向液态半固态成形是利用金属材料从固态向液态, , 或从液态向固态的转换过程中具有半固态的特或从液态向固态的转

2、换过程中具有半固态的特性所实现的成形。性所实现的成形。二、半固态成形技术的发展简史二、半固态成形技术的发展简史起源和发展起源和发展 半固态加工起源于美国。半固态加工起源于美国。2020世纪世纪7070年代初年代初, ,麻省理工学院麻省理工学院SpencerSpencer和和FlemingsFlemings等人发现凝固过程中的金属材料经强力搅等人发现凝固过程中的金属材料经强力搅拌拌, ,会生成近球状晶或球状晶组织。会生成近球状晶或球状晶组织。 3030多年的发展历程中多年的发展历程中,SSM,SSM技术在制坯、重熔加热、零件成技术在制坯、重熔加热、零件成形、组织与力学性能、加工环节数值模拟以及合

3、金流变学研究形、组织与力学性能、加工环节数值模拟以及合金流变学研究等许多方面取得重大进展。目前等许多方面取得重大进展。目前, ,这项技术已广泛应用于汽车这项技术已广泛应用于汽车工业领域工业领域, ,在航空、航天以及国防工业领域也正处于应用的起在航空、航天以及国防工业领域也正处于应用的起步阶段步阶段, ,具有广阔的前景。具有广阔的前景。 半固态金属加工技术是近多年来才诞生和发展起来的现代半固态金属加工技术是近多年来才诞生和发展起来的现代冶金加工新技术。它虽然诞生晚冶金加工新技术。它虽然诞生晚, , 但发展很快但发展很快, , 只用十几年的只用十几年的时间就从试验室过渡到试生产时间就从试验室过渡到

4、试生产, , 又很快实现了产业化和商品化。又很快实现了产业化和商品化。被世人称为新一代的合金成形工艺。被世人称为新一代的合金成形工艺。半固态加工成形技术的应用前景半固态加工成形技术的应用前景 世界汽车工业正向着轻量化方向发展世界汽车工业正向着轻量化方向发展, ,采用采用SSMSSM技术技术, ,不仅成不仅成形容易形容易, ,而且能保证材料性能充分发挥。从而且能保证材料性能充分发挥。从2020世纪世纪9090年代初开年代初开始始,SSM,SSM技术在世界汽车工业领域的工业化应用发展迅速。技术在世界汽车工业领域的工业化应用发展迅速。 采用采用SSMSSM技术生产的汽车零件包括刹车制动筒、转向系统零

5、技术生产的汽车零件包括刹车制动筒、转向系统零件、摇臂、发动机活塞、轮毂、传动系统零件、燃油系统零件件、摇臂、发动机活塞、轮毂、传动系统零件、燃油系统零件以及汽车空调零件等。目前以及汽车空调零件等。目前, ,这些零件已应用在这些零件已应用在FordFord、ChryslerChrysler、VolvoVolvo、BMWBMW、FiatFiat、AudiAudi等欧美名牌轿车上。等欧美名牌轿车上。 在航天航空领域在航天航空领域, ,先进铝合金是主要结构材料先进铝合金是主要结构材料, ,它具有高比它具有高比强度、高比模量、良好的断裂韧性和疲劳强度、较低的裂纹扩强度、高比模量、良好的断裂韧性和疲劳强度

6、、较低的裂纹扩展速率以及良好的耐蚀性等特点。展速率以及良好的耐蚀性等特点。与传统金属加工的方法比较与传统金属加工的方法比较 传统的金属加工方法主要分为传统的金属加工方法主要分为压力加工压力加工和和铸造加工铸造加工, ,而而半固态加工半固态加工被世人称为现代冶金被世人称为现代冶金加工新技术加工新技术, , 以上三种方法分别利用了金属固以上三种方法分别利用了金属固有的特性进行加工成形。有的特性进行加工成形。压力加工压力加工是利用金属的塑性是利用金属的塑性, , 在外力作用下的塑性在外力作用下的塑性加工加工。铸造加工铸造加工是利用液态金属流动性是利用液态金属流动性, , 实现凝固加工成实现凝固加工成

7、形。形。半固态加工半固态加工利用具有非枝晶组织的金属在半固态条利用具有非枝晶组织的金属在半固态条件下的流变性和触变性进行流变成形或触变成形。件下的流变性和触变性进行流变成形或触变成形。三、半固态金属加工的优缺点三、半固态金属加工的优缺点优点：优点：（1 1） 由于在半固态由于在半固态, , 合金具有独特的触变合金具有独特的触变行为行为, , 可成型复杂的薄壁的零部件可成型复杂的薄壁的零部件（2 2）加工件的精度高）加工件的精度高, , 几乎是近净成形几乎是近净成形, , 尺尺寸公差接近机加精度寸公差接近机加精度（3 3）成形件表现平整光滑）成形件表现平整光滑, , 内部组织致密内部组织致密,

8、, 缺陷少缺陷少, , 晶粒细小晶粒细小, , 力学性能高力学性能高, ,可达锻可达锻 件性能件性能（4 4）节省原材料、能源）节省原材料、能源, , 生产同样的零部件生产同样的零部件, , 它与普通铸造相比它与普通铸造相比, , 节能约节能约35%35%（5 5）成品率高）成品率高, , 几乎达几乎达100%100%（6 6）生产效率很高）生产效率很高（7 7）模具寿命长）模具寿命长（8 8）生产成本低）生产成本低, , 零部件价格很有竞争力零部件价格很有竞争力（9 9）生产环境得到改善）生产环境得到改善存在的问题存在的问题（1 1）目前最大的半固态加工坯料还只能）目前最大的半固态加工坯料还

9、只能做到中直径为做到中直径为152mm , 152mm , 如想制造更大尺寸如想制造更大尺寸的零部件目前仍无能为力。的零部件目前仍无能为力。（2 2）兴建这种生产线的投资要比铸造大。）兴建这种生产线的投资要比铸造大。四、半固态金属加工工艺流程四、半固态金属加工工艺流程半固态加工一般分为原料加工，再加热和成形三个步骤半固态加工一般分为原料加工，再加热和成形三个步骤半固态加工的主要成形手段有半固态加工的主要成形手段有压铸压铸和和锻造锻造其工艺路线有两条：一是将半固态金属浆料冷却凝固后下料, 再将此半固态金属坯料重新加热到半固态温度进行成形, 通常称为触变成形。另一条是将搅拌获得的半固态浆料在保持其

10、半固态温度条件下, 直接成形, 称为流变铸造。五、半固态金属加工的适用范围五、半固态金属加工的适用范围合金合金 铝、镁、锌、铜、镍、钢铁等有较宽液铝、镁、锌、铜、镍、钢铁等有较宽液- -固固共存区的合金体系均适用。尤其是低熔点的铝镁共存区的合金体系均适用。尤其是低熔点的铝镁最为适用最为适用, , 因此因此, , 目前铝合金及镁合金利用半固目前铝合金及镁合金利用半固态加工技术态加工技术, , 大批量生产其零部件并已获得广泛大批量生产其零部件并已获得广泛应用。应用。交通运输行业交通运输行业 特别是汽车行业特别是汽车行业, ,许多零部件用半固态成形许多零部件用半固态成形技术来生产十分理想、性能好、成

11、本低又可轻技术来生产十分理想、性能好、成本低又可轻量化。所以交通运输业将是量化。所以交通运输业将是2121世纪采用这一新世纪采用这一新技术的最热点。技术的最热点。 总的来说，该技术适用于总的来说，该技术适用于低熔点的铝镁及其低熔点的铝镁及其合金。合金。 国外利用该新技术已大批量的生产汽车、国外利用该新技术已大批量的生产汽车、家用电器等铝镁合金的零部件家用电器等铝镁合金的零部件, ,近年来近年来,SSM,SSM技术技术的工业化应用进展迅速，美国、意大利、瑞士、的工业化应用进展迅速，美国、意大利、瑞士、法国、英国、日本等国家处于领先地位法国、英国、日本等国家处于领先地位, ,已进入已进入应用阶段，

12、但在我国还未产业化。应用阶段，但在我国还未产业化。六、具体应用实例六、具体应用实例 斜板法对球墨铸铁结构的影响斜板法对球墨铸铁结构的影响 什么是斜板法？什么是斜板法？ 斜板法是一种将剪切应力应用于生产具有球状半固态铸件的新方法。在这种方法中，适当过热的融化的金属在流过斜板后被浇注进模具中。由于在金属和斜板之间的热转移，固态形核发生了。然后，由于剪切应力和金属流动，形核颗粒从表面分离。这些颗粒进而分散到金属中。在斜板法中，像过热，斜板长度，模具材料，倾斜，斜板材料这些因素都影响最后的微观结构。 斜板法中，板的长度和倾斜度对铸件结构有比较大的影响 最佳的石墨球形化和固态颗粒球形化的条件为:冷却速率

13、为67 Ks1,倾斜板的倾斜角度为7.5度,倾斜板的长度为560mm。结果还显示,当全部的加工时间很短的时候,倾斜板很容易阻止变质剂失效。影响因素和最佳工艺参数影响因素和最佳工艺参数 与压铸方法和传统的铸造方法相比，这种方法有更好的机械性能，并且减少孔隙率，这是由于缩减体积的减少以及更能均匀的填充模具。优点：优点：影响因素对结构影响的具体分析影响因素对结构影响的具体分析1 1、板长固定，不同板角下的组织形貌、板长固定，不同板角下的组织形貌20度度5度度7.5度度不同斜板角度下固态颗粒的长宽比不同斜板角度下固态颗粒的长宽比最佳角度为最佳角度为7.57.5度度2 2、不同加热时间和保温时间、不同加热时间和保温时间最佳再加热时间为13min15mi