精确成型技术 第十三讲 半固态成形技术
半固态金属成型
半固态成形应用
1.在铝合金制备中的应用 目前半固态金属成形应用最成功和最广泛的是在 铝合金的制备中。其原因不仅是因铝合金的熔点较低 和使用范围广泛，而且铝合金是具有较宽液固共存区 的合金体系。在铝合金工业中，包括Al-Cu合金、Al-Si 合金、Al-Pb合金和Al-Ni合金等，特别值得一提的是半 固态金属成形技术已开始应用于制备铝合金制品。图 所示是半固态成形的铝合金零件。目前，半固态成形 的铝合金零件重量可达7kg以上。。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 加强力搅拌产生的剪切力使得枝晶臂在根部断裂。 （2）枝晶根部熔断机制。晶体在表面积减小的正常长大过 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，有利于熔断。同时在根部固体中 较高质量分数的溶质也将降低熔点，促进了此机理的作用。 （3）枝晶弯曲机制。此机制认为，枝晶臂在流动应力下发 生弯曲，产生位错导致发生塑性变形。在固相线以上温度， 位错间发生攀移并相互结合形成晶界，当相邻晶粒的取向差 超过20°，晶粒晶界能超过固－液界面能的两倍时，液体将 润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，使枝晶臂与主干分离开。
2.在其它材料中的应用 对于镁合金和铜合金，也可以应用SSM成形技术，并且已经 取得了一些成果，可以用这种方法制造出质量优良的零件。 3.应用于复合材料的制备 半固态金属在液固两相区有很好的粘性和流动性，可以比较 容易地加入非金属填料，而且只要选择好适当的加入温度和搅拌 工艺，有利于提高非金属填料和半固态金属之间的界面结合强度。 非金属填料的加入也有效地阻止了球形微粒的簇集，如图所示。 非金属填料的加入对后续的部分重熔和触变成形非常有利。目前， 在金属基复合材料中应用SSM成形方法也是一个研究热点。
半固态制坯方法及成形工艺
变形诱变激活法
图1-10 等径道角挤压前后的微观组织形貌
新SIMA法制备AZ91D 镁合金半固态坯的微观组织晶粒 十分细小，平均晶粒尺寸在20-50mm 之间，晶粒更加 细小，球化程度高。
2013-8-13
变形诱变激活法
该方法制备半固态金属坯料纯净、生 产效率较高，是目前实际商业应用的方法 之一,但工艺比较复杂，需要增加一道挤压 变形工序，而且由于该方法需要很大的挤 压变形量，只能制备小直径的金属半固态 坯料。 变形诱变法不仅能制备铸造铝合金的 坯料，还能制造变形 铝合金的半固态坯料， 也能制备铜合金、黑色合金的半固态坯料。 目前美国的阿卢马克斯工程金属工艺公司 利用这种专有技术生产一种军用航天器中 的小型电器零件[2]
图1-3 垂直连续电磁搅拌连铸示意图
2013-8-13
电磁搅拌法
1
不存在类似于机械搅拌的叶片或搅拌棒， 不会污染半固态合金浆料 通过专门技术处理，避免铝合金熔体电磁 搅拌过程中的气体卷入
参数控制灵活方便，便于控制半固态铝合 金浆料的生产 但电磁搅拌设备复杂、能耗大、生产成本 高，最大的缺点是不能生产尺寸大的铸锭。 设备昂贵，另外工艺也比较复杂
该装置中，合金11放入融化 坩埚9中，坩埚9再放置在炉 体10中，通过电阻炉控制合 金的融化、降温和凝固；搅 拌器为反向转动的一对叶片7， 通过电动机2带动；坩埚9还 可以通过另一个电动机15带 动，强化合金熔体的搅拌作 用。
图1-5 非连续机械搅拌示意图 1-炉温控制器 2、15-电动机 3、4、12、14轴承 5-齿轮 6-浇勺 7-叶片8-热电偶 9-坩埚 10-炉体11-合金液13-传动轮
喷射沉积工艺制备的半固态坯 料质量好，便于半固态重熔加 热和触变成形，但坯料的制备 价格比较昂贵，只适合制备高 级或难熔合金坯料和成形高级 零件毛坯，尚不能大规模应用。
半固态成形
1)半固态金属成形( SMP ) 于20 世纪70 年代初研究开发的新一代金属加工技术[ 1] ,这种对半固态金属浆料进行成形的加工工艺称为半固态成形技术.这一技术综合了凝固加工和塑性加工的长处, 即加工温度比液态低, 变形抗力比固态小, 可一次大变形量加工形状复杂且精度和性能质量要求较高的零件。
2) 非枝晶半固态金属浆料的制备是半固态成形技术的关键环节之一, 关系到成形件的质量和成本。
半固态金属浆料的制备技术分为2 类: 液相过程和固相过程。
目前普遍采用的技术是在金属凝固过程中进行强烈搅拌, 破碎枝晶, 得到一种液态金属母液中均匀悬浮着近似球形微观结构的非枝晶半固态金属( Sem-i solid Metal, 简称SSM) , 在SSM 的液相基体中, 固相颗粒之间很容易产生相互移动, 从而使SSM 浆料具有一定流动能力, 以利于充型。
半固态金属浆料制备方法有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔体激活法、粉末冶金法.液相线铸造法,超声处理法等。
机械搅拌法是最早用于半固态浆料制备的方法。
其原理是在合金凝固过程中, 使用搅拌器对合金熔体进行强烈的机械搅拌, 树枝晶由于剪切力的作用而断裂成为颗粒状结构。
机械搅拌分间歇式和连续式两种.搅拌时产生的剪切速率一般为100~ 300/s。
剪切速率受搅拌器结构、材料耐腐蚀、耐高温磨损性能的制约。
浆料的质量主要由搅拌温度、搅拌速度以及冷却速度这3 个参数控制。
然而, 由于这些工艺参数不易控制, 容易发生卷气等缺陷; 搅拌器和合金熔体是直接接触的, 因而容易造成污染; 另外搅拌器与容器间存在搅拌死角, 影响浆料的质量。
机械搅拌法在工业生产中应用较少。
电磁搅拌法是应用最为广泛的一种方法。
它利用旋转磁场使金属液内部产生感应电流, 并在洛伦兹力的作用下发生强迫对流, 从而达到搅拌的目的。
产生旋转磁场的方法有两种, 一种是在感应线圈中通入交变电流, 另一种则采用旋转永磁体的方法。
半固态成型介绍
半固态成形1.引言材料的微观结构是材料科学和工程的核心内容,是材料加工和材料行为之间的关键纽带。
因此对材料在成形过程中微观结构的有效控制成为材料工作者孜孜追求的目标。
对于大多数材料来说,尤其是金属材料,凝固是最重要的成形途径。
在过去数十年中,凝固过程中微观结构形成这一领域的基础科学理论和实践均取得了重大进展.材料微观组织特征形貌的形成依赖于生长前沿液固相界面的形状和条件,以及在固态冷却时的相变过程。
在熔体中固相生长前沿是一个自由边界层问题,因此液固界面形状在凝固过程中的演化十分复杂.科研工作者们对于在凝固过程中外在因素,诸如微重力场、电磁场、超声场等对于微观组织的影响进行了广泛深入的研究。
其中由外场引起的强制对流对凝固组织的影响成为材料科学的基础研究领域之一,而强制对流在金属熔体凝固过程中对微观组织及其流变性能的影响同时促进了一门新兴加工技术的发展一一半固态金属加工工艺( SSM﹣Semi﹣solidmetal processing)。
由于半固态金属成形具有许多独特的优点,如近(净)终成形、产品高质量和高性能、工艺节能等,被誉为21世纪最具前途的金属材料加工技术之一。
20世70年代初，美国麻省理工大学的Flemings教授等提出了一种金属成形的新办法。
即半固态铸造技术。
由于半固态金属成形具有许多独特的优点，因此，近年来。
在理论和技术研究以及应用上引起各国的高度重视。
自1990年至今，国际上召开了多次半固态铸造专题的学术会议。
在美国、日本和意大利等国，采用半固态铸造技术生产铝合金、镁合金成形件的企业发展迅速。
半固态铸造金属部件产品在汽车、通信、电器、航空航天和医疗器械等领域得到应用。
国外有的学者将其称为追求省能、省资源、产品高质量化、高性能化的21世纪最有前途的技术材料加工技术之一。
由于半固态铸造工艺采用了非枝晶半固态浆液料，打破了传统的枝晶凝固模式，所以半固态金属与过热的液态金属相比，含有一定体积比率的球状初生固相，与固态金属相比，又含有一定比率的液相。
谢水生教授的半固态成形技术概述讲解
缺陷少，晶粒细小 • 力学性能高，可接近或达到锻件的性能 • SSM铸件凝固收缩小，尺寸精度高，能近净成形 • 节约能源。 • SSM凝固时间缩短，也有利于提高生产率
几种加工方法性能和特点的比较
零件毛坯的加工成本
重力铸造 压力铸造
半固态
很快意识到---这一特征具有潜在的利用价值
半固态加工技术、压力铸造和 液态模锻的比较
目的---共同的 获得高质量、高強度、高精度金属零件毛坯
方法---有差异 压力铸造--- 凝固过程中施加压力 液态模锻--- 提高模锻温度，充形性好 半固态加工----金属在凝固过程中， 进行剧烈搅拌或控制凝固过程。 將凝固过程中形成的枝晶打碎 或完全抑制枝晶的生长 然后直接進行流变铸造或制备半固态坯锭
制备半固态金属浆料的方法
• 械搅拌法 • 电磁搅拌法 • 近液相线铸造法 • 应变诱发熔化激活法 • 溅射沉积法 • 紊流效应法 •等
目前工业中应用最多的是电磁搅拌法
几种制备半固态金属浆料方法
械搅拌法
不同的电磁搅拌方式示意图
（a）垂直式
(b)水平式
SCR法—单辊剪切制备法
几种流变成形的方法 (Rheoforming)
不同加工方法下的材料力学性能
合金及状态
6061 铝合金（T6 态） 流变铸造锭 触变成形（模温 450C） 触变成形（模温 500C） 压力铸造
2024 铝合金 触变成形 压力铸造 锻造
屈服应力（MPa） 抗拉强度（MPa）
207
165
214
152
252
172
252
200
464
347
半固态金属成形技术
二、半固态成形技术的发展简史
起源和发展
半固态加工起源于美国。20世纪70年代初,麻省理工学院 Spencer和Flemings等人发现凝固过程中的金属材料经强力搅 拌,会生成近球状晶或球状晶组织。 30多年的发展历程中,SSM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金流变学研究 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 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 步阶段,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 冶金加工新技术。它虽然诞生晚, 但发展很快, 只用十几年的 时间就从试验室过渡到试生产, 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。
三、半固态金属加工的优缺点
优点：
（1） 由于在半固态, 合金具有独特的触变 行为, 可成型复杂的薄壁的零部件
（2）加工件的精度高, 几乎是近净成形, 尺 寸公差接近机加精度 （3）成形件表现平整光滑, 内部组织致密, 缺陷少, 晶粒细小, 力学性能高,可达锻 件性能
（4）节省原材料、能源, 生产同样的零部件, 它与普通铸造相比, 节能约35% （5）成品率高, 几乎达100%
半固态金属成形
一、概念
半固态金属成形技术（Semi-Solid Metal processing，SSM），它是利用在固-液态区间 获得一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固 相组分（50%-60%）合金的混合浆料进行加工 成形的方法。 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 性所实现的成形。
影响因素对结构影响的具体分析
1、板长固定，不同板角下的组织形貌
20度
5度
7.5度
半固态金属成形技术
半固态加工的主要成形手段有压铸和锻造
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
合金
铝、镁、锌、铜、镍、钢铁等有较宽液-固 共存区的合金体系均适用。尤其是低熔点的铝镁 最为适用, 因此, 目前铝合金及镁合金利用半固 态加工技术, 大批量生产其零部件并已获得广泛 应用。
六、具体应用实例
斜板法对球墨铸铁结构的影响
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。
影响因素和最佳工艺参数
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:冷却速率为67 K·s−1,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。
优点：
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。
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压力加工和 铸造加工,而半固态加工被世人称为现代冶金 加工新技术, 以上三种方法分别利用了金属固 有的特性进行加工成形。
半固态成形技术及应用
半固态成形技术及应用摘要介绍了半固态成形技术的工艺原理,分析了机械搅拌、电磁搅拌、应变诱导、冷却斜坡等浆料制备方法和流变加工、触变加工、注射加工等成形方法。
分析了各种计算机模拟技术和模拟方法在半固态成形方面的应用,论述了目前国内外半固态成形技术的应用状况和发展趋势。
随着半固态成形技术研究水平的不断提高,成形产品及应用不断增多,发展前景广阔。
关键词: 半固态加工; 浆料制备; 成形工艺; 计算机模拟0引言20世纪70年代初,美国麻省理工学院D.B.Sepcner等研究人员在自制的高温粘度计中测量Sn-15Pb合金高温粘度时,发现了金属在凝固过程中的特殊力学行为图,即金属在凝固过程中进行强力搅拌,使枝晶破碎,得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相率甚至可高达60%),具有很好的流动性,易于通过普通加工方法制成产品,并冠以半固态加工[1],人们一直沿用至今。
半固态成形技术与其它的成行技术的区别在于：①半同态浆料具有流变性和触变性，变形抗力小，可提高成形速度，进行复杂件成形，缩短加工周期，利于节能节材，也可进行连续形状的高速成形；②与液态金属加工相比，半固态浆料随着同相分数的降低，呈现粘性流体特性，在微小外力作用下可发生变形流动，但粘度比液态金属高，容易控制；③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的粉末、纤维，完成复合材料制备和成形；④应用广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压，也正是这个优点，才产生了多种金属半固态成形工艺[2]，所以被誉为2l世纪最有发展前景的现代加工新技术。
半固态金属成形过程的模拟仿真，如半同态材料的二次加热过程、凝固过程的温度场的模拟仿真，充型过程流动场的模拟仿真，触变成形过程工件应力应变场的模拟仿真和组织变化的模拟仿真等，通过对这些单一或复合过程的模拟仿真技术的研究，可以对SSM过程中产生的诸如裂纹、气孔缺陷等各种品质问题进行分析，对工艺方案进行优化，对产品品质和性能进行预测，从而达到改善产品品质、提高生产率和降低成本的目的。
半固态成型技术
半固态成形技术及其应用【摘要】本文介绍了半固态成形技术的基本原理、技术优点，重点论述了搅拌、非搅拌浆料制备方法的优缺点及触变、流变、注射成形工艺的特点，并阐述了半固态成形技术工业化应用的现状和发展前景.【关键词】半固态成形技术原理浆料制备成形方法应用1前言20世纪70年代，美国麻省理工学院的Flemimgs提出了金属半固态成形技术(SSM)，就是金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控制固一液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分甚至可高达60%)，这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种即非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态成形技术。
2半固态成形工艺的基本原理2.1半固态组织的形成机理2.1.1枝晶断裂机制在合金的凝固过程中，当结晶开始时晶核是以枝晶方式生长的。
在较低温度下结晶时，经搅拌的作用，晶粒之间将产生相互碰撞，由于剪切作用致使枝晶臂被打断，这些被打断的枝晶臂将促进形核，形成许多细小的晶粒。
随着温度的降低，这些小晶粒从蔷薇形结构将逐渐演化成更简单的球形结构。
2.1.2 枝晶熔断机制在剧烈的搅拌下，晶粒被卷入高温区后，较长的枝晶臂容易被热流熔断，这是由于枝晶臂根部的直径要比其它部分小一些，而且二次枝晶臂根部的溶质含量要比它表面稍微高一些，因此枝晶臂根部的熔点要低一些，所以搅拌引起的热扰动容易使枝晶臂根部发生熔断。
枝晶碎片在对流作用下，被带入熔体内部，作为新的长大核心而保存下来，晶粒逐渐转变为近球形。
2.1.3 晶粒漂移、混合—抑制机制在搅拌的作用下，熔体内将产生强烈的混合对流，凝固过程是就在激烈运动的条件下进行，因而是一种动态的凝固过程。
结晶过程是晶体的形核与长大的过程，强烈的对流使熔体温度均匀，在较短的时间内大部分熔体温度都降到凝固温度，再由于成分过冷，熔体中存有大量的有效形核质点，在适宜条件下能以非均匀形核的方式形成大量晶核，而混合对流引起的晶粒漂移又极大的增大了形核率。
半固态成形
日本在20世纪80年代后期就组成了半固志成形公司， Speed Star Wheel公司已应用半固态成形技术牛产铝台金轮 毂。Rheotech公司包括了14个钢铁企业和4个有色金属公司， 从1988年到1994年共投资30亿日元进行开发研究半固态成形 技术。日本制钢所已批量生产镁合金半固态触变铸造机，可 以铸造壁厚为0.5mm的零件，据报道该公司已为全球制造了 100台。另外，日本宇部公司设计制造的新型流变铸造机既 可以进行半固态模锻，又可以进行触变铸造与流变铸造，该 机已出售给奥地利，在2000年投产。
(3)工艺参数控制严格，不利于实现工业生产。
由于半固态成形对固相率控制严格，这就要求温度及冷 却条件等因素控制在较小的波动范围内，这样对于工业生产 的实现提出了更高的要求。同时，利用机械搅拌制备高固相 率的半固态材料比较困难。另外，二次（重熔）加热技术是 半固态成形技术中一个重要的技术环节，在二次加热过程中 要求加热速度较快才能达到理想的效果，这样就对设备提出 了更高的要求。因此，在工业生产中某个参数稍有波动，或 者操作工人的疏忽等，都会对成形工艺有重大影响。因此， 不但技术条件要求严格，而且对操作者的素质提出了更高的 要求对操作者的素质一套严格的控制系统，并对工人的素质 进行提高，才能较好地实现工业化生产。
2. 成形性能好，可实现短流程生产。
半固态材料流动性能与变形性能良好，经过强烈搅拌的固相 分数为40% - 60%的半固态金属的表观黏度在0.1-10Pa.s之间，与 黄油(0.1 Pa.s)、甘油(l Pa.s)及蜂蜜( 10 Pa.s)的表观黏度相当，仅 比水或者液态金属的黏度高出2-4个数量级，表现出很好的流动 性。与固态成形相比，半固态金属中存在液相组元，塑性变形机 理不同于固态塑性成形。塑性变形主要是由于晶粒之间的旋转和 相对滑移引起的，液相起到“润滑”作用，金属流动阻力显著降 低，复杂的零件也可用很少的工步成形。由于半固态合金材料具 有特殊的流变性能，易于加工成形，半固态铸造直接可以生产出 精度较高的产品。与传统生产方法相比，半固态成形可实现近终 形生产，提高了生产率、节约了原材料。与常规金属模铸造相比， 半固态成形汽车零件生产率与成材率高的特点尤为突出。
半固态成形技术
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高熔点黑色金属半固态加工进展缓慢
• 选择的材料液固线温度区间较小； • 高温半固态浆料难以连续稳定地制备； • 熔体的温度、固相的比率和分布难以准确控制； • 浆料在高温下输送和保温困难； • 成形温度高，工具材料的高温性能难以保证等。
固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显微结构。球形组织的形成过
程？
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球形结构的演化过程：
① 结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，此时晶核是以枝晶生长方式进 行的；
② 随着温度的下降，虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式进行，但由于搅拌 的作用，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；
.ห้องสมุดไป่ตู้
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2、半固态金属的组织特性、形成机理与力学行为
(1) 非枝晶的形成与演化
图7 Al-20Cu合金未搅拌和机械搅拌(流变铸造)状态的凝固组织
液体金属在凝固过程中搅拌且激冷，其结晶造成固体颗粒的初始形貌
呈树枝状，然后在剪切力作用下，枝晶会破碎，形成小的球形晶，图7
未常规铸造和半固态铸造的组织对比，可见利用流变铸造方法生产的半
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图5 半固态金属变形时液8相 成分和固相成分的流动
与普通加工方法相比，半固态金属加工的优点：
①黏度比液态金属高，容易控制：模具夹带的气体少，减 少氧化、改善加工性，减少模具粘接，可进行更高速的 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；
②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，可以更高的速度成形部件，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，并可进行连续形状的高速成形(如挤 压)，加工成本低；
半固态金属成形技术
半固态金属成形技术1. 引言半固态金属成形技术是一种新兴的金属加工技术，它将固态和液态的金属材料的优点结合在一起，可以制造出具有高强度、高精度、复杂形状的金属零件，具有极高的应用价值。
本文将介绍半固态金属成形技术的基本原理、应用范围、优点和发展前景。
2. 基本原理半固态金属成形技术的基本原理是将铸造过程中合金中铸晶的分布状态控制在半固态状态，通过控制合金的热状态和机械变形来实现金属成形。
具体而言，就是将合金熔融后，在一定的时间和温度范围内，控制其冷却速度，使合金中的铸晶呈现出部分熔化和形变状态，从而达到半固态的状态。
3. 应用范围半固态金属成形技术可以应用于航空航天、汽车、船舶、机械等领域的制造。
具有如下优点：（1）可以直接制造出高强度、高精度、复杂形状的零件，避免了加工中的残余应力和失真；（2）可以大幅减少加工成本，节约了材料和时间成本；（3）可以提高金属材料的性能和质量，增加产品寿命和安全性；（4）可以生产大尺寸、高质量的零件，提高了生产效率和产能。
4. 优点半固态金属成形技术具有以下优点：（1）成形精度高，可以实现微米级的精度控制；（2）成本低，可以节省大量人力、物力和时间成本；（3）高性能材料制造，可以生产出高强度、高耐热、高耐腐蚀的材料，扩展了金属材料的应用范围；（4）可持续发展，可以对既有材料进行再加工和再利用。
5. 发展前景半固态金属成形技术是一种有前途的金属制造技术，目前已经进入实际应用阶段。
未来，它将逐步替代传统的金属成形工艺，成为重要的先进制造技术之一。
同时，随着科学技术的不断发展，半固态金属成形技术也将不断创新和完善，提高成形速度和效率，扩大应用范围。
预计在未来的十年内，半固态金属成形技术将会取得重要的技术突破，推动金属制造行业的成型和发展。
6. 结论半固态金属成形技术是一种健康、可持续发展的金属制造技术。
它具有高效、高精度、高性能、低成本等优点，可以适应不同的金属制造领域的需求。
半固态成形技术的工艺流程
半固态成形技术的工艺流程半固态成形技术（Semi-Solid Forming Technology）是一种将合金材料由液态逐渐转变为半固化状态进行成形的高效率制造技术。
下面我将详细介绍半固态成形技术的工艺流程。
半固态成形技术的工艺流程主要包括以下几个步骤：1. 材料准备：选择适合半固态成形的合金材料，通常是金属合金。
合金的主要成分、比例和杂质控制对成品的质量有重要影响。
合金材料经过预处理、熔炼、再结晶等工艺，制备成符合要求的原料。
2. 半固态化处理：原料合金通过加热，使其处于半固态状态。
半固态是指合金同时具有液相成分和固相成分，且两者之间呈现出部分固相悬浮的混合状态。
通过控制半固态化温度和时间，使合金材料达到理想的半固态状态。
3. 成型形式选择：根据产品的形状、尺寸和结构等要求，选择最适合的成型形式。
常用的成型形式有温锻、挤压、注射等。
挤压是其中最常用的成型形式，特点是简单、成本低、生产效率高。
4. 成型设备准备：根据选择的成型形式，准备相应的设备。
例如，在挤压成型中，需要准备好挤压机，根据产品的尺寸和结构确定模具的设计。
5. 成型过程：将半固态合金材料装填到成型模具中，然后施加压力进行成型。
成型过程中，合金材料由半固态状态逐渐变形为固态状态。
压力的大小、速度和时间等参数需要根据具体产品要求进行调控。
6. 去除模具和后处理：成型完成后，将产品从模具中取出，并进行必要的后处理。
后处理包括去除余温、切割、打磨、喷漆等工艺，以使产品满足要求的精度和表面质量。
7. 检测与质量控制：通过一系列的检测手段，对成品进行质量控制。
常用的检测方法包括尺寸测量、化学分析、金相显微镜观察等。
根据产品要求和行业标准，对成品进行合格与否的判定。
整个工艺流程中，原料准备、半固态化处理和成型过程是关键环节，因为这些环节直接影响到成品的质量和性能。
精确控制半固态化温度和时间，以及成型过程中的温度、压力和速度等参数，能够使成品达到精密度高、尺寸稳定、表面质量好的要求。
材料加工原理之半固态铸造成形
•
枝晶
球形晶或 等轴晶
工艺如何实现？
半固态金属坯料制备方式
1、机械搅拌法： 是最早用于制备非枝晶组织金属的方法。
一种是由两个同心带齿的圆筒组成，内筒保持静 止，外筒旋转；另一种是在熔融的金属中利用搅 拌棒进行搅动。 存在问题：
生产效率低、固相分数30%－60%、 搅拌棒会造成熔融金属的污染。
间歇式 连续式
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5、You have to believe in yourself. That's the secret of success. ----Charles Chaplin人必须相信自己，这是成功的秘诀。-Thursday, June 17, 2021June 21Thursday, June 17, 20216/17/2021
• 为Ford汽车公司生产的1500万件铝合金压缩机活 塞，成品率几乎为100％。
• 此外，应用于铝合金轮毂
生产效率与经济性
半固态主要特点
• 凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。 可适用于铸造、挤压、锻压、焊接多种加工工艺。
• 充型平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收 缩小。
• 铸件尺寸精度高，成形尺寸与成品零件几乎相同， 极大减少了机械加工量。
2、电磁搅拌法： 利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，
感应电流产生的洛伦兹力驱动金属液运动，从而 达到对金属液搅拌的目的。 两种产生旋转磁场的方法： 一种是在感应圈内通交流电的方法 另一种是旋转永磁体法，通过改变永磁体的排列 方式，可使金属液产生明显的三维流动，从而提 高了搅动效果。 缺点：
设备投资大，工艺较复杂，成本高。
•
3、Patience is bitter, but its fruit is sweet. (Jean Jacques Rousseau , French thinker)忍耐是痛苦的，但它的果实是甜蜜的。10:516.17.202110:516.17.202110:5110:51:196.17.202110:516.17.2021
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合金制备方法 紊流效应法
紊流效应法和粉末法 研究开发之中，应用少。
半固态成形方法
➢流变成形 ➢触变成形
✓铸造成形 ✓锻造成形 ✓挤压成形 ✓轧制成形
流变触变成形工艺过程
成形方法
流变成形:利用经搅拌等工艺获得的近球 状晶半固态浆料，在保持其处于固液两 相区温度时直接进行成形。
➢ 流变压铸
➢ 流变锻造 ➢ 流变轧制
应变诱发熔化激活法
合金制备方法
合金制备方法
变形诱导熔化激活法 金属坯料纯净度高，生产效率较高。增 加了预变形工序，生产成本提高，且坯 料直径受到限制。是在实际备方法
倾斜体冷却法
合金制备方法
倾斜冷却体法 是一种从球形晶核形核和长大的热力学 和动力学条件着手（晶粒游离理论）的 浆料制备方法，装置简单，成本低、效 率高，占地面积小。搅拌和剪切作用弱。 特别适合于高熔点铁合金的半固态浆料 的制备。
《材料精确成形技术》 第十三讲
半固态成形技术
➢原理与工艺特点 ➢半固态合金制备方法 ➢半固态成形方法
技术的起源
1971年美国麻省理工学院的D.B.Spencer 和M.C.Flemings发明了一种搅动铸造 (stir cast)新工艺，用旋转双桶机械搅拌 法制备出Sn-15%Pb流变浆料。
工艺原理
工艺特点
➢ 生产成本低。成形温度低，近净成形节省能 源和节约金属；充型平稳、热负荷小，热疲 劳强度下降使模具寿命延长。
➢ 有利于制造金属基复合材料。利用半固态金 属的高粘度，使密度差大、固溶度小的金属 制成合金，可有效地使不同材料混合，制成 新的复合材料。
工艺特点
半固态合金制备方法
➢机械搅拌法 ➢电磁搅拌法 ➢应变诱发熔化激活法(SIMA) ➢喷射沉积法(Ospray)
半固态金属的特性
具有高粘度流体的流体力学特性
半固态金属的特性
从图中看出什么规律？
半固态金属的特性
从图中看出 什么规律？
工艺特点
综合了熔铸成形和塑性成形的优点: ➢ 应用范围广。适合于所有具有固液两相区的
合金，如铝、镁、锌、锡、铜、镍基合金， 以及不锈钢、低合金钢等；适用于铸造、挤 压、锻造等成形工艺。 ➢ 铸件质量高。晶粒细化、组织分布均匀、热 裂倾向和缩松倾向下降，力学性能大幅度提 高；尺寸精度高，表面平整光洁。
在外力作用下半固态金属的流动、变 形性能。
半固态金属浆料的触变性
当切变速率很小或等于零时，半固态 金属的粘度很高，可以像固体一样夹持及 搬运，而当其受到较高剪切应力，产生较 大切变速率时，粘度迅速降低，变得与流 体一样很容易成形。
在给定的结构下，半固态浆料的瞬时 结构特性为随着剪切率的增加表观粘度有 所增加。
案例
案例
案例
半固态压制成型 轻金属轮毂
作业题
➢ 与液态压铸、固态锻造相比，半固态成形有何 优势？
➢ 哪些合金适合用半固态成形方法成形零件，哪 些合金不适合，为什么？
➢ 试分析电磁搅拌法制备半固态金属浆料的优缺 点各有哪些？
➢ 什么是半固态金属浆料，什么是半固态金属坯 料？流变成形与触变成形各有什么优点？
➢紊流效应法 ➢粉末法 ➢倾斜冷却体法 ➢……
合金制备方法
机械搅拌法
合金制备方法
机械搅拌法 搅拌装置结构简单，造价低、操作方便， 参数易于控制。在实验室条件下曾制备 出所有的半固态浆料或坯料，但由于搅 拌棒和叶片的寿命以及对浆料的污染等 问题，难以保证质量，商业生产中应用 少。
合金制备方法
电磁搅拌法
节省能源
➢ 流变挤压
成形方法
流变成形
成形方法
触变成形:利用所制备的合金坯料， 通过 截取适当大小的坯锭，重新加热至固液 两相区温度，然后进行成形。
➢ 触变压铸
➢ 触变锻造 ➢ 触变轧制
易于过程控制
➢ 触变挤压
成形方法
触变成形
案例
过共晶高铬铸铁的半固态砂型铸造
案例
案例
过共晶高铬铸铁的半固态离心铸造
合金制备方法
电磁搅拌法 不需要类似机械搅拌法中使用的搅拌棒 和叶片，减少了对浆料的污染；参数控 制灵活方便。设备复杂，能耗高，成本 高；由于电磁感应的集肤效应，即电磁 感应强度由熔池壁到中心逐渐减弱，一 般认为直径大于150mm的铸坯不宜采用 电磁搅拌法。是目前商业生产中应用最 多的方法。
合金制备方法
在普通铸造过程中，当金属液中固相率达到0.2 左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观 流动性。如果进行强烈搅拌，使树枝晶网络骨 架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮 于剩余液相中。则在固相率达0.5-0.6时仍具有 一定的流变性，从而可利用压铸、挤压、模锻、 轧制等实现金属的成形。
半固态金属浆料的流变性