yh第四章半固态成型全解

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)的工艺流程图
球形结构的最终形成要靠足够的冷却速度和足
够高的剪切速率，同时这是一个不可逆的结构演
化过程，即一旦球形的结构生成了，只要在液固
区，无论怎样升降合金的温度(不能让合金完全熔
化)，它也不会变成枝晶。
半固态合金的制备方法
• 半固态合金的制备常用机械搅拌法、电磁搅拌
第四章
金属的液态成形与半固态成形 4.1 液态成形 4.2 半固态成形 4.3 快速凝固成形
一、概述
1、定义： • 半固态形成利用金属材料在固液共存状态下所特有的流
变特性进行成形的技术。首先要制造含有一定体积比例
的非枝晶固相的固液混合浆料
• 半固态合金是将合金熔化后，待它冷却到液相线温度以下，
对合金进行搅拌，在搅拌力的作用下，合金析出的树枝状 晶被破坏，并在周围金属液的摩擦熔融作用下，晶粒和破
好的结合，如图4所示；
图4 半固态金属的 (a) 分离， (b) 结合
⑤ 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； ⑥ 当施加外力时，液相成分和固相成分 存在分别流动的情况，如图 5 所示， 一般来说，存在液相成分先行流动的 倾向。
⑦ 液相先行流动的现象在固相分数很高、 图5
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； ③ 随着温度的继续下降，最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单 的球形结构，演化过程如图8所示。
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 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。
图2 半固态金属的内部结构： (a) 高固相分数， (b) 低固相分数
半固态金属的金属学和力学主 要有以下几个特点：
① 由于固液共存，在两者界面不断发 生熔化、凝固，产生活跃的扩散现 象，因此，溶质元素的浓度不断变 化； ② 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； ③ 随着固相分数的降低，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；
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；
③ 应用范围广：凡具有固液两相区的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 材料的复合及成形。
法和应变激活工艺。
连续式机械搅拌
间歇式机械搅拌
(1) 电磁搅拌法
电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸型方向
的强磁场对处于液-固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产
生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半 固态浆料或坯料的制备。
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。
实验室的小规模试验研究工作。
影响因素：搅拌室的温度，搅拌叶片或棒的转速。
机械搅拌示意图
(3) 应变激活工艺
ห้องสมุดไป่ตู้
利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯。
很低或加工速度特别高的情况下很难 发生，主要是在中间固相分数范围或 低加工速度下比较显著。
半固态金属变形时液相 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；
图3 半固态金属和 强化粒子(纤维)的搅拌混合
④ 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、纤维等，如图3所示；
⑤ 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 由于液相成分的存在，又很容易地将分离的部位连接形成一体 化，特别是液相成分很活跃，不 仅半固态金属间的结合，而且于 一般固态金属材料也容易形成很
二、半固态下合金的流动性能
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固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的 显微结构。
缺点：直径大于150mm的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的叶片或搅拌棒改变凝固中金属初晶 的生长与演化，以获得球状或类球状的初生固相的半固态金
属流变浆料。
优点：搅拌装置结构简单、造价低、操作方便。 缺点：生产的半固态浆料的产量小，只适用于
• 3、半固态成形的发展
• 20世纪70年代初，美国MIT的博士研究生DB Spencer在
研究Sn-15%wt Pb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。这些发现引起了MIT的M C Flemings 教授的特别重视，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。 • 半固态流变铸造（rheocasting） 金属液 搅拌、凝固半固态浆料 输送 成形
碎的枝晶小块形成卵球状的颗粒，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。 • 利用半固体合金独特的性质实现浇注或压注成形的方法， 称为半固态成形。
2、半固态成形的特点 • 半固态金属(合金)的内部特征是固液相混合共存，在晶