半固态制坯方法及成形工艺

2013-8-13
半固态制坯方法
三、变形诱变激活方法（SIMA)
原理： 利用传统连铸方法预先连 续铸造出晶粒细小的金属坯料， 将该金属坯料在回复再结晶的温 度范围内进行大变形量的热态挤 压，通过变形破碎铸态组织，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，最后按需 要将经过变形的金属坯料切成一 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坏料。
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半固态成形工艺
半固态加工是利用金属从液态向固态转变或固态向液态 转变（液固共存）过程中所具有的特性进行成形的方法。这 一工艺综合了凝固加工和塑性加工的长处，与传统的全固态 锻造和全液态铸造相比，半固态成形工艺具有如下优点： 它是一种近净成形工艺，制品表面质量好，尺寸精度高， 可以获得形状复杂的零件。 制品显微组织细小、均匀，缺陷和偏析减少，成品机械性 能高。 工作温度低，模具热负荷小，因此模具的使用寿命得以延 长。 半固态金属在变形前保持固体形状，便于坯料传输，简化 了送料系统，生产率大大提高。 变形抗力低，因此能耗低，效率高，易于自动控制。
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半固态成形工艺
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半固态制坯方法
二、机械搅拌法
虽然电磁搅拌制备的半固态金属坯料在应用中 占主导地位，但是机械搅拌法却是最早应用于制备 半固态金属浆料的方法。机械搅拌法分为：
1）非连续机械搅拌法
2）连续机械搅拌法
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机械搅拌法
1）非连续机械搅拌法 原理：该方法利用机械旋转的叶片或搅拌棒
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半固态制坯方法
四、喷射沉积方法
原理： 喷射沉积是利用惰性气 体将液态金属雾化，这些极 细小的金属熔滴高速飞行， 在没有完全凝固之前被喷射 到激冷沉积基板上，快速凝 固成一定的几何形状。喷射 图1-11 沉积的工艺参数主要包括喷 射沉积时金属液的过热度、 喷射沉积原理示意图[3] 金属液的流率、雾化气体的1.沉积室；2.基板；3.喷射粒子流；4. 压力和熔滴的飞行距离等。气体雾化器；5.合金液；6.坩埚；
半固态制坯方法及成形工艺
目录
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半固态制坯方法 半固态成形工艺
英文文献综述
2013-8-13
半固态制坯方法
半固态加工技术结合了液态和固态金属 成形的有利条件，具有许多优良的特性， 近年来得到了迅速的发展，其金属浆料 的制备（简称制浆）是半固态成形的基 础和关键，也是半固态加工最基本，最 主要的工序。它要求原始组织为均匀细 小的非枝晶晶粒组织,以确保金属浆料 具有良好的流变性和触变性。【1】
图1-3 垂直连续电磁搅拌连铸示意图
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电磁搅拌法
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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
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机械搅拌法
2）连续机械搅拌法 该方法是美国麻省理工学 院Flemings等人发明的， 该装置结构较复杂，造价 较高，搅拌室上方的大金 属熔池可以防止卷入气体， 又可以保证连续供给金属 液。
图1-6 连续机械搅拌示意图
连续供给合金液 感应加热器 液态金属 冷却
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机械搅拌法
液相线连铸法
在实验室中已成功地制备出7075,2168,A356,112等铝 合金和AZ91D镁合金半固态坯料。近年来，对几种具有代 表性的铝合金，如铸造合金A356、耐热合金2618、高强合 金7075、压铸合金112的液相线半连续铸造制浆进行了系 统的研究工作，取得了一系列重要成果。 112合金是压铸 铝合金，具有良好的铸造性能和力学性能，很好的流动性、 气密性和热抗裂性，在汽车、电子等行业内有广泛地应用。 【5】
铸 造 温 度低， 比常规铸造温 度低1000C左 右，设 备 简 单，可利用传 统的半连续铸 造机，投资大 大减少;
浆料坯锭 的尺寸不受 限制(电磁搅 拌制浆锭的 最大尺寸150 mm左右);
可制备铸 造合金，也 可制备变形 合金半固态 浆料，适 合 于 大工业生 产，生产成 本低
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图1-8 变形诱变激活方法的工艺原理示意图[1]
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变形诱变激活法
新SIMA 法制备AZ91D 半固态坯[2]
在AZ91D 镁合金半固态坯制备工艺中，应 变诱导-熔化激活法(SIMA)在制备高固相 率半固态坯方面有一定优越性。但由于镁 合金塑性变形难的原因，其制备半固态坯 的晶粒大小和球化效果不是很理想。 等径道角挤压是借助于一种截面尺寸不变、 具有一定交角的模具对坯料实施大的剪切 变形 ，然后将等径道角挤压后的AZ91D镁 合金坯料在半固态区间等温处理制备半固 态坯料. 挤压温度为300°c，挤压道次为1-4 次， 图1-9 坯料每次放入模具再次挤压式旋转90°。 等径道角挤压示意图 挤压后的材料都加工成直径10x10的试样， 1.上模板2. 固定环3. 模架4.AZ91D铸 然后进行等温处理试验。等温处理温度范 坯5. 下模板 6.凹模7. 压板8. 凸模9. 围为515-580°，相应的固相率为85-28%； 垫板 保温时间为10-25min。
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液相线连铸法
临界晶核半径为：
在液相线温度，选择适当的保温时间可以大大地激发合 金的形核数量。从而抑制枝晶的形成和发展.增加等轴晶的 数量。
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液相线连铸法
特点
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避 免 了 搅拌， 可以有效降低 合金的吸气与 夹杂，提高了 浆锭的冶金质 量和产品质量 及成品率
7.雾化气体；8.沉积体；9.运动机构； 10.排气及取料室
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喷射沉积法
图1-12分别是Cu-9Ni-6Sn合金铸 态和喷射沉积态的金相组织。对 比图l(a)、(b)可见，熔铸法制 备的合金，其组织呈典型的树枝 状，晶粒粗大；而喷射喷射沉积 法制备的合金，其组织为细小、 均匀的近等轴晶粒。
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电磁搅拌法
图1-2 图1-1 电磁搅拌流变示意图 旋转磁场中合金熔体所受的洛伦兹力 感应电磁从熔池边到中心成衰减趋势目前仅能生产直径50～152 mm的铝棒料， 再大直径比较困难
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电磁搅拌法
1.搅拌器 2.结晶器 3.合金熔体 4.中间包 5.引流通道 6.半固态坯料 7.同步锯
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机械搅拌法
特点
机械搅拌装置 结构简单、造 价低、操作方 便、剪切速率 易于控制.
生产效率低、 搅拌室和搅拌 棒的寿命短， 且易污染半固 态金属浆料
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机械搅拌法
应用
在实验室条件下，研究工作者曾制备出几乎 所有的半固态浆料或坯料。如铝合金、铜合 金、复合材料等，但是机械搅拌方法只适合 于实验室的研究工作，无法制备高质量的半 固态金属浆料或坯料，也无法满足商业生产 的需要。
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。
(b)喷射沉积态 图1-12【1】
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半固态制坯方法
五、液相线铸造法【4】
液相线铸造法是由东北大学与澳大利亚墨尔本大学合作开 发的一种新型制浆技术。与传统的铸造方式不同，液相线铸造 法是采用低温浇铸即在合金的液相线温度进行浇铸，通过控制 浇注温度、保温时间、冷却速率等因素，可获得与传统铸造枝 晶组织不同的细小、等轴、非枝晶晶粒。 液相线铸造制浆原理 根据经典形核理论，形核时体系自由能变化为:
改变凝固中金属初生晶粒的生长，获得球状 或类球状的初生晶粒的半固态金属流变浆料， 这些球状或类球状的初生晶粒均匀悬浮在母 液中，在搅拌过程中，通过控制搅拌室温度 来控制半固态金属的固相分数，通过改变叶 片或搅拌棒的转速来控制剪切速度，并可以 保证搅拌过程中的剪切速度不变。
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机械搅拌法
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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。
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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]
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半固态制坯方法
六、紊流效应方法 七、低过热度浇注方法
八、超声振动法
九、单辊旋转法 十、晶粒细化及半固态重熔法
这些工艺尚处于研究开发阶段，未能得到大规模的应用
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半固态成形工艺
半固态金属加工技术作为一种新型的金属成形工艺， 极大地改变了传统的材料加工概念和手段，对于各种 固液两相温度间隔比较大的合金材料特别具有吸引力， 可以获得性能优异的各种金属材料和复合材料，被许 多世界著名的专家称为21世纪新兴的金属制造关键技 术之一，是“21世纪最有发展前景的进净成形技术”， 在国外获得了越来越广泛的应用，对半固态加工技术 的研究成为当今各发达国家竞相发展的一个领域。【6】
图1-7 连续机械搅拌法示意图[1]
1-金属液 2-中间包 3-感应加 热器 4-中间包出口 5-挡板 6搅拌室 7-螺杆 8-传动轴 9-感 应加热器 10-冷却 11-冷却箱 入口 12-冷却箱出口 13-半固 态金属浆料出口 14-塞头
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机械搅拌法
首先将过热的金属液浇人到中间包2内，中间包2周围 环绕着感应加热器3，中间包2的底部开设3个小间包出 口4，这些出口的大小由挡板5控制，搅拌室6安装在中 间包出口4的下方，并要防止气体从接缝进入搅拌室； 当金属液1处于过热状态时，可以打开挡板5，让金属液 1进入搅拌室6；搅拌室外分别设量感应加热器9和冷却 箱10，冷却箱的人口和出口分别为11和12，这些措施便 于控制搅拌室的传热和金属熔体的温度；搅拌螺杆7安 装在传动轴8上。当过热金属液1进入搅拌室6时，就可 以开动传动轴，带动螺杆7搅拌金属熔体；搅拌室6的下 方设置出口13，半固态金属浆料在重力或外加压力的作 用下排出搅拌室，半固态金属浆料流量的大小由搅拌螺 杆7的下端塞头14与出口的距离来控制。
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
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半固态制坯方法
液相线半连 续方法制备
电磁搅拌 方法制备
粉末冶金 方法制备
坯料 制备
机械搅拌 方法制备
喷射沉积 方法制备
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变形诱变激 活方法制备
半固态制坯方法 一、电磁搅拌法
原理：利用电磁感应在金属液中产生感应电流， 感应电流在外加磁场的作用下促使金属固液浆料 激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的 搅拌组织。 主要有两种方法产生旋转磁场： 一种是在感应线圈内通交变电流的传统方法； 一种是旋转永磁体法。
特 点
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电磁搅拌法
◆美国 Alumax 公司的铝合金电磁搅拌连铸生产线。 ◆北京有色金属研究总院利用电磁搅拌设备已能够连续 生产直径为80mm 的铝合金半固态坯料，并与东风汽车公 司合作，试验用半固态铝合金生产汽车空压机连杆及车 水泵盖。 ◆北京科技大学用电磁搅拌法成功制备出半固态AlSi7Mg 合金连铸坯料。