第四章半固态成型

第四章半固态成型半固态合金就是将合金熔化后,待她冷却到液相线温度以下,对合金进行搅拌,在搅拌力得作用下,合金析出得树枝状晶被破坏,并在周围金属液得摩擦熔融作用下,晶粒和破碎得枝晶小块形成卵球状得颗粒,分布在整个液态金属中。该合金即使固态组分达40%-60%,仍然像糊状悬浮液,具有一定得流动性。而在剪切力较小或为零时,她又具有固体性质,可以搬运储藏。利用半固体合金独特得性质实现浇注或压注成形得方法,称为半固态成形。2、半固态成形得特点半固态金属(合金)得内部特征就是固液相混合共存,在晶粒边界存在金属液体,根据固相分数不同,其状态不同,图2为半固态金属内部结构示意图。可见,高固相分数图2半固态金属得内部结构:(a)高固相分数,(b)低固相分数时,液相成分仅限于部分晶界;低固相分数时,固相颗粒游离在液相成分之中。半固态金属得金属学和力学主要有以下几个特点:由于固液共存,在两者界面不断发生熔化、凝固,产生活跃得扩散现象,因此,溶质元素得浓度不断变化;由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分,固相粒子间几乎没有结合力,因此,其宏观流动变形抗力很低;随着固相分数得降低,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;图3半固态金属和强化粒子(纤维)得搅拌混合当固相分数在极限值(约75%)以下时,浆料可以进行搅拌,并可很容易混入异种材料得粉末、纤维等,如图3所示;由于固相粒子间几何无结合力,在特定部位虽然容易分离;但由于液相成分得存在,又很容易地将分离得部位连接形成一体图4半固态金属得(a)分离,(b)结合化,特别就是液相成分很活跃,不仅半固态金属间得结合,而且于一般固态金属材料也容易形成很好得结合,如图4所示;含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料也可通过半熔融状态在低加工力下进行成形加工;当施加外力时,液相成分和固相成分存在分别流动得情况,如图5所示,一般来说,存在液相成分先行流动得倾向。液相先行流动得现象在固相分数很高、很低或加工速度特别高得情况下很难发生,主要就是在中间固相分数范围或低加工速度下比较显著。图5半固态金属变形时液相成分和固相成分得流动与普通加工方法相比,半固态金属加工得优点:黏度比液态金属高,容易控制:模具夹带得气体少,减少氧化、改善加工性,减少模具粘接,可进行更高速得部件成形,改善表面光洁度,容易实现自动化和形成新加工工艺;流动应力比固态金属低:半固态浆料具有流变性和触变性,变形抗力非常小,可以更高得速度成形部件,而且可进行复杂件成形,缩短加工周期,提高材料利用率,有利于节能节材,并可进行连续形状得高速成形(如挤压),加工成本低;应用范围广:凡具有固液两相区得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,并可进行材料得复合及成形。3、半固态成形得发展20世纪70年代初,美国MIT得博士研究生DBSpencer在研究Sn-15%wtPb合金得高温特性时,偶然发现金属得半固态力学行为和组织特点。这些发现引起了MIT得MCFlemings教授得特别重视,投入大量人力、物力,进行了深入、广泛得研究,创立了金属半固态铸造技术。半固态流变铸造(rheocasting)金属液

搅拌、凝固

半固态浆料

输送

成形大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点二、半固态下合金得流动性能非枝晶得形成与演化图7Al-20Cu合金未搅拌和机械搅拌(流变铸造)状态得凝固组织

液体金属在凝固过程中搅拌且激冷,其结晶造成固体颗粒得初始形貌呈树枝状,然后在剪切力作用下,枝晶会破碎,形成小得球形晶,图7未常规铸造和半固态铸造得组织对比,可见利用流变铸造方法生产得半固态金属具有独特得非枝晶、近似球形得显微结构。球形结构得演化过程:结晶开始时,搅拌促进了晶核得产生,此时晶核就是以枝晶生长方式进行得;随着温度得下降,虽然晶粒仍然就是以枝晶生长方式进行,但由于搅拌得作用,造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷,这样,枝晶臂被打断,形成了更多细小晶粒,其自身结构也逐渐向蔷薇形演化;随着温度得继续下降,最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单得球形结构,演化过程如图8所示。图8球形微粒固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)得工艺流程图

球形结构得最终形成要靠足够得冷却速度和足够高得剪切速率,同时这就是一个不可逆得结构演化过程,即一旦球形得结构生成了,只要在液固区,无论怎样升降合金得温度(不能让合金完全熔化),她也不会变成枝晶。半固态合金得制备方法半固态合金得制备常用机械搅拌法、电磁搅拌法和应变激活工艺。间歇式机械搅拌连续式机械搅拌(1)电磁搅拌法电磁搅拌法就是利用感应线圈产生得平行于或者垂直于铸型方向得强磁场对处于液-固相线之间得金属液形成强烈得搅拌作用,产生剧烈得流动,使金属凝固析出得枝晶充分破碎并球化,进行半固态浆料或坯料得制备。

优点: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续铸锭坯,产量可以很大。缺点:直径大于150mm得铸坯不宜采用电磁搅拌法生产。影响因素:搅拌功率,搅拌时间,冷却速度,金属液温度,浇注速度电磁搅拌示意图(2)机械搅拌法该方法利用机械旋转得叶片或搅拌棒改变凝固中金属初晶得生长与演化,以获得球状或类球状得初生固相得半固态金属流变浆料。机械搅拌示意图优点:搅拌装置结构简单、造价低、操作方便。缺点:生产得半固态浆料得产量小,只适用于

实验室得小规模试验研究工作。影响因素:搅拌室得温度,搅拌叶片或棒得转速。

(3)应变激活工艺再对热态挤压变形过得坯料加以少量得冷变形,在坯料得组织中储存部分变形能力。按需要将经过变形得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得球状半固态坯料。将该金属锭坯在回复再结晶得温度范围内进行大变形量得热态挤压变形,通过变形破碎铸态组织。利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小得金属锭坯。三、半固态成形方法半固态成形方法流变成形rheoforming触变成形thixoforming在金属凝固过程中,对其施以剧烈得搅拌作用,充分破碎树枝状得初生固相,得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相得固-液混合浆料(固相组分一般为50%左右),即流变浆料,利用这种流变浆料直接进行成形加工得方法称之为半固态金属得流变成形。如果浆流变浆料凝固成锭,按需要将此金属锭切成一定大小,然后重新加热(即坯料得二次加热)至金属得半固态温度区(金属锭称为半固态金属坯料)。利用金属得半固态坯料进行成形加工得方法为触变成形1、流变成形(Rheoforming)流变成形:利用半固态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、挤压、轧制、模锻等)得方法。特点:直接获得得半固态浆料不便于保存和输送,发展缓慢,成熟应用有限;比触变成形节省能源、流程短、设备简单,发展前景较好。(a)连续搅拌制备半固态浆料(b)浆料被送入压室(c)压射成型(d)压铸件镁合金射铸成形2、触变成形(Rheoforming)

触变成形(Thixomolding)由美国得Dow公司开发得,1992年由日本引入并完成成形机得研制开发。下图为Thixomolding工艺得简图,其设备由原料入料与预热装置、螺旋注射机、加热装置以及压铸机等部分组成。Thixomolding工艺简图设备特点:原料进入料斗后边加热边剪切搅拌,最后形成半固态得状态再射入模具中;半固态浆料得固相分数可控性强,成形件质量高、性能稳定螺旋机内密闭性好,在成形过程中不需要严格得保护性气氛进行保护,仅在投料口处用少量得Ar气保护即可。Thixomolding成形件得特点:表面质量和内部质量改善;成形件尺寸精度提高;力学性能提高;耐蚀性提高;可精密成形薄壁件三种镁合金采用Thixomolding和模铸成形件得力学性能比较材料成形方法屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%AZ91DThixomolding18029910模铸1602303AM60BThixomolding14727818、8模铸11423911、6ZM50AThixomolding13926920模铸11223213一、概述4、3快速凝固成形定义:冷却速度大于102℃/s得凝固,称为快速凝固。1、快速凝固及发展

快速凝固得研究开始于20世纪50年代末60年代初,就是在比常规工艺过程快得多得冷却速度或大得多得过冷度下,合金以极快得凝固速率由液态转变为固态得过程。1960年美国加州理工学院得PDuwez等采用一种独特得熔体急冷技术,第一次使液态合金在大于107K/s得冷却速度下凝固。她们得发现,在世界得物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新得广阔得研究领域。在快速凝固条件下,凝固过程得一些传输现象可能被抑制,凝固偏离平衡。经典凝固理论中得许多平衡条件得假设不再适应,成为凝固过程研究得一个特殊领域。快速凝固的目的超细组织过饱和固溶体亚稳相或新得结晶相微晶、纳米晶或金属玻璃形成获得优异得强度、塑性、耐磨性、耐腐蚀性等。2、实现快速凝固得条件

①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得尺寸极小,以便散热;②必须有能带走热量得冷却介质。3、快速凝固得特点①快速凝固速度较大,溶质产生非平衡分配,就是无溶质分配得凝固;②在快速凝固条件下,固液界面得稳定性将增加,凝固形成了平面、无偏析得等轴晶;③形成组织特殊得晶态合金;④非晶态组织得形成;⑤准晶态组织得形成。二、快速凝固技术1、动力学急冷法2、热力学深过冷法1、动力学急冷法

在动力学急冷凝固技术中,根据熔体分离和冷却方式得不同,可以分成雾化技术、模冷技术和表面熔化及沉积技术三大类。原理:通过提高熔体凝固时得传热速率从而提高凝固时得冷却速率,使熔体形核时间极短,来不及在平衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点得较低温度凝固,因而具有很大得凝固过冷度和凝固速率。模冷技术模冷技术:使金属液接触固体冷源并以传导得方式散热而实现快速凝固。其主要特点就是首先把熔体分离成连续或不连续得、界面尺寸很小得熔体流,然后使熔体流与旋转或固定得、导热良好得冷模或基底迅速接触而冷却凝固。模冷技术枪法双活塞法熔体旋转法平面流铸造法表面熔化与沉积技木熔体提取法急冷模法雾化技术

雾化技术就是指采用某种措施将熔体分离雾化,同时通过对流得冷却方式凝固,其主要特点就是在离心力、机械力或高速流体冲击力等作用下分散成尺寸极小得雾状熔滴在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。流体雾化法雾化技术离心雾化法机械雾化法2、热力学深过冷快速凝固热力学深过冷就是指通过各种有效得净化手段避免或消除金属或合金液中得异质晶核得形核作用,增加临界形核功、抑制均质形核作用,使得液态金属或合金获得在常规条件下难以达到得过冷度。采用这种技术,可以在冷速不高得情况下获得很大得凝固过冷度。因此,热力学深过冷非平衡凝固在理论上不受熔体体积限制,就是实现大体积熔体非平衡凝固得有效方法。热力学深过冷方法1、微小液滴法2、乳化-热分析法3、落管法4、电磁悬浮熔炼法5、微重力法6、固液两相区法7、循环过热法8、玻璃熔体净化法9、复合净化法乳化-热分析法得基本思想就是在惰性环境(惰性基础或惰性悬浮溶液)中,随着液体分散程度得提高,有效形核衬底逐渐被孤立于少数液滴中,大部分液滴保持分离并且不包含异质核心,这部分液滴将会表现出深过冷行为,其原理见下图。落管法:通过电磁悬浮熔炼、电子束或其她方法熔化金属,随后金属熔体在真空或通入保护性气体得管中自由下落冷却凝固。自由下落过程中,金属或合金液避免与器壁相接触,同时又具有微重力凝固得特征,因而可以获得深过冷。电磁悬浮熔炼法:通过选择合适得线圈形状及输出频率,使试样在电磁力作用下处于悬浮装态,再通入He、Ar、H2等保护气氛,通过感应加热熔化,控制凝固从而实现深过冷。微重力法:利用太空中微重力场和高真空条件,使液态金属自由悬浮于空中实现无坩埚凝固,从而获得深过冷。固液两相区法:将合金熔体过热,然后冷却至固液两相区,使也想在先析