3~4半固态成型
金属半固态成形
金属半固态成形一、引言金属半固态成形是一种新兴的金属成形技术，它是在半固态状态下对金属进行成形加工，具有高效、高精度、高质量等优点。
近年来，随着科技的不断进步和人们对产品质量的要求越来越高，金属半固态成形技术得到了广泛的应用和研究。
二、什么是金属半固态成形1.定义金属半固态成形是指在合适温度下，将金属材料加工到一定程度时，使其呈现出部分晶粒熔化和部分晶粒未熔化的状态。
这种状态被称为半固态状态。
在这个状态下进行成型加工可以得到具有优异性能的零件。
2.特点（1）高效：相比传统的铸造和锻造工艺，金属半固态成形具有更快的生产速度。
（2）高精度：由于采用了先进的数控技术和模具制造技术，使得加工精度更高。
（3）高质量：由于采用了先进的材料处理方法和模具制造技术，使得产品质量更高。
三、金属半固态成形的工艺流程1.原材料制备：将金属材料经过特殊处理，使其呈现出半固态状态。
2.模具设计：根据产品的形状和尺寸，设计出合适的模具。
3.加热处理：将金属材料加热到合适的温度，使其呈现出半固态状态。
4.成型加工：将半固态金属材料放入模具中进行成型加工。
5.冷却处理：将成型后的零件进行冷却处理，使其达到稳定状态。
6.后续加工：根据需要对零件进行后续加工和表面处理。
四、金属半固态成形的应用领域1.航空航天领域：由于航空航天领域对于零件质量和性能要求非常高，因此金属半固态成形技术在该领域得到了广泛应用。
例如飞机发动机叶片、涡轮叶片等高精度零部件都可以采用该技术进行生产。
2.汽车制造业：汽车制造业是金属半固态成形技术的另一个重要应用领域。
例如汽车发动机缸体、曲轴等高精度零部件都可以采用该技术进行生产。
3.医疗器械领域：金属半固态成形技术在医疗器械领域的应用也越来越广泛。
例如人工关节、牙科种植体等高精度零部件都可以采用该技术进行生产。
五、金属半固态成形的未来发展趋势1.智能化：随着科技的不断进步，金属半固态成形技术将更加智能化，通过计算机控制和自动化设备，使得生产效率更高、产品质量更稳定。
半固态成形分析
5.易于生产复合材料与新型合金。
金属半固态成形工艺可改善复合材料中非金属材料的漂浮、 偏析以及与基体金属不浸润的技术难题，为复合材料的制备与成 形提供了有利条件。控制固态合金黏度，可以均一地掺入非金属 材料与密度差大的金属材料，生产金属基复合材料与新成分合金。 利用半固态合金的高黏性，在搅拌剪切的过程中加入密度差大的 金属或非金属材料，可以生产其他工艺所不能生产的复合材料。 在生产粒子强化、纤维强化的复合材料方面，半固态成形有着独 特的优越性。半固态成形对复合材料的成形起到很大的推动作用。
关键区别在于？
半固态成形的基本工艺路线
半固态金属浆料具有流变与触变性能，因此有两条线 路，流变成形和触变成形。
流变成形
半固态浆料直接在压力作用下流变成形。
优缺点： 短流程
节能、节材
储存运输困难
触变成形
半固态浆料铸造成锭坯，根据产品尺寸需要下料， 经过二次加热（也叫重熔加热）后，在半固态温 度下压力加工成形，成为触变成形。
• 美国已利用半固态成形生产出许多电器连接元件。半固态 成形电器连接元件与传统的机械加工相比，也具形的特殊成形机理决定了成形产品的良好的内 部组织与整体性能。由于在半固态材料的制备过程中，对合金施 加剪切搅拌作用，可以消除多种缺陷。与传统铸造成形相比，半 固态金属浆料中包含有类球形的固相颗粒，减少了凝固收缩，并 提高了补缩能力，从而减轻或者消除了缩松倾向。同时，半固态 铸造时有一个平滑的液态充模界面，减轻了气体包裹与气泡的产 生，也减轻了成分偏析，提高了材料的致密度、强度以及材料性 能的均匀性。实践证明，半固态铸件内部组织致密，内部气孔、 偏析等缺陷少，组织细小，力学性能提高，或者力学性能相当， 但塑性大大提高。
1.1 金属半固态成形（SSM）的定义
半固态金属加工
半固态金属成型技术概述70年代初，Flemings等研究者们发展了一种搅动铸造新工艺。
随后，此法被美国麻省技术研究院 (MIT) 定义为流变铸造、触变铸造或搅动铸造——即半固态金属成形技术 (SSM forming)。
在金属凝固过程中，进行强烈搅拌，使普通铸造易于形成的树枝晶网络被打碎，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定颗粒状固相组分的固-液混合浆料，这种半固态金属具有某种流变特性，因而可易于用常规加工技术如压铸、挤压、模锻等实现成形。
采用这种既非液态、又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，称为金属的半固态加工。
可见，与以往的金属成形方法相比，半固态金属成形技术就是集铸造、塑性加工等多专业学科于一体制造金属制品的又一独特领域，其特点主要表现在(1) 由于SSM本身具有均匀的细晶粒组织及特殊的流变特性，加之在压力下成形，使工件具有很高的综合力学性能；由于其成形温度比全液态成形温度低，不仅减少铸造缺陷，提高铸件质量，还可拓宽压铸合金的使用范围。
(2) 能够减轻成形件重量，实现金属制品的近净成形。
(3) 能够制造用常规铸造方法不可能制造的合金，例如某些金属基复合材料的制备。
因此，半固态金属成形技术以其诸多的优越性而被视为划时代的金属加工新工艺。
迄今，该技术经过近20年的研究与发展，在国外已进入工业应用阶段。
SSM国内外发展概况国外研究状况20世纪70年代初期，美国麻省理工学院的Flemings教授和David Spencer 博士提出了半固态加工技术，由于该技本采用了非枝晶半固态浆料，打破了传统的枝晶凝固模式，具有许多独特的优点，因此关于半固态金属成形的理论和技术研究引起各国研究者的高度重视，半固态加工的产品及应用也随之得到迅速的发展。
20世纪80年代后期以来，半固态加工技术已得到了各国科技工作者的普遍承认，目前已经针对这种技术开展了许多工艺实验和一些理论研究。
根据所研究的材料，可分为有色金属及其合金的低熔点材料半固态加工和钢铁材料等高熔点黑色金属材料半固态加工。
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。
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
不同斜板角度下固态颗粒的长宽比
最佳角度为7.5度
2、不同加热时间和保温时间
最佳再加热时间为13min
15min后样品的液态分数达到了本质上的稳定状态
3、不同条件下再加热球墨铸铁样品的微观结构
1160℃下不同保温时间下的组织形貌
交通运输行业
特别是汽车行业,许多零部件用半固态成形 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21世纪采用这一新 技术的最热点。
总的来说，该技术适用于低熔点的铝镁及其 合金。
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,近年来,SSM技术 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,已进入 应用阶段，但在我国还未产业化。
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。
半固态镁合金成型用镁合金原材料
半固态镁合金成型用镁合金原材料半固态镁合金成型用镁合金原材料，这个听起来复杂的名词其实跟我们的生活息息相关。
想象一下，手里拿着一个轻巧的手机壳，还是一台炫酷的笔记本电脑，哎呀，那可都是镁合金的功劳！镁合金这种材料，虽然名字不算响亮，但在现代科技中可谓是“隐形英雄”。
它的特点就是轻、强、耐用，简直就是为现代制造业量身定制的。
你要知道，镁合金的密度可比铝还低，强度却高得多，简直让人想大喊一声“太牛了”。
先说说这个半固态成型的技术。
嘿，听起来像个高大上的名词，其实就是把镁合金加热到一种介于固态和液态之间的状态。
就像咱们在厨房里做饭，锅里的水刚开始冒泡，那种状态。
这时候，镁合金的流动性好，能很轻松地被模具塑形，想变成什么形状就变成什么形状，真是“随心所欲”啊！这个过程可大大提高了产品的成型精度，省去了不少后期加工的麻烦。
嘿，谁不想轻松一点呢？说到原材料，那可就有讲究了。
优质的镁合金原材料就像选菜一样，得挑得精挑细选。
纯度得高，杂质越少，成型出来的产品就越坚固。
想象一下，你吃的每一口食物，都是精挑细选的结果，好的原材料直接决定了你的餐桌上能端出什么。
就像镁合金一样，只有选对了原材料，才能让最终的产品在市场上脱颖而出，赢得消费者的青睐。
你知道吗？在生产过程中，温度的控制也是至关重要。
就像你煮饭时要掌握火候，太小了饭不熟，太大了锅就容易烧焦。
半固态成型同样讲究，温度稍微不对，可能就会出现气泡、裂纹，简直是大煞风景。
工人们就像厨房里的大厨，要时刻关注着温度，确保每一个环节都做到最好。
可别小看这些细节，往往正是这些微小的变化，决定了最终产品的质量。
除了这些，镁合金的应用场景也是五花八门。
无论是汽车、飞机，还是电子产品，镁合金都能找到它的位置。
在汽车制造中，镁合金不仅能减轻车身重量，还能提高燃油效率。
说白了，镁合金就像汽车的减肥药，吃了之后，车子轻快得像风一样，驾驶起来更顺畅。
谁不想在路上飞驰的时候，感受那种畅快淋漓的感觉呢？除了性能出色，镁合金在环保方面也是不容小觑。
2.2 半固态成型
2．2．2 半固态下合金流动性能 1．半固态合金的制备方法 机械搅拌法：搅拌棒法、 1) 机械搅拌法：搅拌棒法、旋 转简法 电磁搅拌法：感应线圈法、 2) 电磁搅拌法：感应线圈法、 旋转永磁体法 紊流效应法。 3) 紊流效应法。特制多流装置 产生紊流效应打碎枝晶 应变激活工艺： 4) 应变激活工艺：常规铸锭预 变形（20%）， ），然后加热到半 变形（20%），然后加热到半 固态并适当保温得之。 固态并适当保温得之。
2．半固态合金搅拌过程的组织演化与合金凝固组织
普通铸造组织中初晶呈发达的树枝晶。 普通铸造组织中初晶呈发达的树枝晶。 半固态合金其初晶组织呈球状，近球状或半树枝状。 半固态合金其初晶组织呈球状，近球状或半树枝状。
3．半固态合金的流变性能表达 （1）合金在熔融态和凝固过程中的流变性 ） ① 熔融合金在一般过热时是牛顿流体 τ=ηγ γ
（3）半固态合金的变形特性 ）
用应力一应变曲线可以说明变形特性，如图表4 18所示。 18所示 用应力一应变曲线可以说明变形特性，如图表4—18所示。
合金半固态变形过程是一个从塑性变形到超塑性变形的过程
2．2．3 半固态成形方法 ． ． 流变成形、触变成形、铸锻成形以及复合铸造。 流变成形、触变成形、铸锻成形以及复合铸造。 流变成形（ 1. 流变成形（Rheocasting or Rheoforming） ） 利用半固态金属制备器批量 利用半固态金属制备器批量 制备、或连续制备糊状浆料， 制备、或连续制备糊状浆料，并 糊状浆料 直接加工成形（铸造、挤压、轧 直接加工成形（铸造、挤压、 制、模锻等）的方法。 模锻等）的方法。
半固态注射成形
7半固态注射成形7.1概述世界各国科研工作者在研究新的半固态金属成形工艺时，将塑料的注射成形原理，应用于半固态金属加工过程，形成半固态注射成形工艺。
注射成形工艺将半固态金属浆料的制备、输送和成形过程融为一体，是一种一步成形生产最终产品的新工艺，它较好地解决半固态成形过程中金属浆料的保存输送、成形控制困难等难题，为半固态金属成形技术的应用开辟新的前景，因此有的学者将注射成形技术看作是镁合金结构件生产的最好方法。
半固态注射成形技术首先由美国的DOW Chemical Co.公司于1988年开发成功。
1990年后，在密执安的Ann Arbor成立了独立的Thixomat Inc.，从事该项技术的商业性开发。
第二代设备于1991年10月投入使用。
而后英国的Z.Fan等人又发明了双螺旋注射成形机，扩大了注射成形设备的种类和应用范围，为半固态注射成形技术的应用开辟了更为广泛的前景。
7.2注射成形工艺路线及特点7.2.1注射成形工艺路线目前，镁合金在注射成形工艺中应用较多，其成形工艺过程可分为两种方式：一是直接把熔化的金属液而不是处理后的半固态浆液冷却至适宜的温度，并辅以一定的工艺条件压射进入型腔后成形；另一种工艺是将小块枝状晶合金送入螺旋推进系统，合金被加热推进、压射进入模具型腔后成形。
后者是本章需要进行详细讨论的方法。
7.2.2注射成形设备及工艺过程[1-3]图7-1则是注射成形机组的示意图。
注射成形机组，除注射成形主机外，还包括：1-加料机；2-模具温控机；3-脱模剂稀释和传送装置；4-真空机；5-脱模剂喷雾机和产品取出机械手。
图7-1镁合金注射成形辅助设备示意图(1)加料机：通常镁合金原料是装在圆筒内。
加料机将园筒内的镁屑送到成形机的原料漏斗内，也可以将原料集中在一个地方，分别向各台成形机送原料；(2)模具温控机：铝合金压铸成形时金属模具需用水冷却，而镁合金的凝固时间非常短，所以要在金属模具上加热以延长熔融镁合金的流动长度。
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。
半固态压铸工艺过程
半固态压铸工艺（ Semi-Solid（Metal（Casting，简称SSM或SSMC）是一种介于传统铸造和锻造之间的先进金属成型技术。
它利用金属在半固态状态下的流变特性进行成型，结合了铸造和锻造的优点。
半固态压铸工艺过程主要包括以下几个步骤：
1.（金属熔炼：首先将金属原料加热至熔点，形成液态金属。
2.（半固态处理：将液态金属冷却至半固态，即部分凝固状态。
这一过程可以通过搅拌、振动或其他方法实现，目的是使金属在半固态时形成均匀的微观结构，包括细小的固态颗粒和液态金属相。
3.（半固态金属的预热：将半固态金属加热至适当的温度，以确保其具有良好的流动性和可塑性。
这一步骤对于保证成型质量至关重要。
4.（压铸成型：将预热后的半固态金属注入压铸模具中。
由于半固态金属的流动性好，可以在较低的压力下填充模具，减少成型缺陷。
5.（冷却与凝固：半固态金属在模具中冷却并凝固，形成所需的零件形状。
6.（脱模与后处理：冷却后的零件从模具中取出，进行必要的后处理，如去毛刺、热处理、表面处理等，以满足最终产品的性能要求。
半固态压铸工艺的优点包括：
提高材料利用率：由于半固态金属的流动性好，可以减少材料浪费，提高材料利用率。
减少成型缺陷：半固态金属的流动性和可塑性有助于减少成型过程中的缺陷，如气孔、缩孔等。
提高生产效率：半固态压铸工艺可以在较低的压力下成型，缩短了生产周期，提高了生产效率。
改善产品性能：半固态压铸工艺可以产生细小的晶粒结构，提高材料的力学性能和耐磨性。
半固态压铸工艺广泛应用于汽车、航空航天、电子和消费品等领域，用于生产各种复杂的金属零件。
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。
材料加工原理之半固态铸造成形PPT(32张)
铸造
• 砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失 模铸造、石膏型铸造等
• 重力铸造、低压铸造、挤压铸造
利用凝固结晶过程来控制组织的变化
金属液温度在液相线以上进行成形
铸造、 液态模锻
半固态成形
锻造、 挤压
• 20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings 与Spencer等人发现了金属凝固过程中的特殊力 学行为，根据强力搅拌半凝固金属所呈现的流变 学性质．成功用搅拌方法制备出了半固态金属并 进行了铸造成形，称之为流变铸造 (Rheocasting)。
5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。
•
6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。
•
7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。
•
8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。
• 凝固时间短，有利于提高生产效率。
• 主要缺点： 半固态成形技术对金属的合金成分有一定适用
范围。需具有足够大的半固态区间，并且固相率 随温度变化比较缓慢，以便于监控半固态合金的 固相率，从而实现对半固态材料制备与成形过程 的控制。
液一固相线区间范围小的合金不适合。 如纯金属、共晶合金
•
1、有时候，我们活得累，并非生活过于刻薄，而是我们太容易被外界的氛围所感染，被他人的情绪所左右。
设备投资大，工艺较复杂，成本高。
电磁搅拌示意图
3、应力诱发熔化激活工艺：S.I.M.A.(Strain Induced Metl Activated) 常铸锭经过20%左右的预形变，然后加热至 半固态。
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。
材料工程基础课件-第四章 半固态成形(2节)
优缺点
优点： 设备的剪切速率高，半固态颗粒细小均匀， 可生产薄壁、断面复杂的零件。
缺点： 双螺旋结构存在螺杆工况差，消耗高，寿 命短等问题，不适用大型零件生产。
2、触变成形
• 指将用浆料连续制备器生产的半固态浆料 铸成一定形状的铸锭，可以搬运、切块、 储藏，（或等轴细晶的预铸锭），使用时 重新加热到半固态温度范围，装入成型机 进行成形（铸造、挤压、轧制、模锻）的 成形方法。
流变成形与触变成形
流变成形 (流变铸造) 触变成形 (触变铸造)
图6 半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
1、流变成形
流变成形在金属凝固过程中，对其施以 剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生 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的固-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的方法 称之为半固态金属的流变成形。
第二节 半固态成形
一 、 概述 二 、半固态下合金流动性能 三 、半固态成形方法
一、概述
传统的金属成形主要分为两类： • 一类是金属的液态成形，如铸造、液态模
锻、液态轧制、连铸等； • 另一类是金属的固态成形，如轧制、拉拔、
挤压、锻造、冲压等。 在 20 世 纪 70 年 代 美 国 麻 省 理 工 学 院 的 Flemimgs教授等提出了一种金属成形的新 方法，即半固态加工技术。
• 机械搅拌法 • 电磁搅拌法 • 应变激活法
机械搅拌法
机械搅拌法是利 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。
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。
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半固态铸造生产线及自动化
半固态流变成形生产线 该系统由铝合金熔化炉、挤压铸造机、转盘式制 浆机、自动浇注装置、坩埚自动清扫、喷涂料装置等 组成。其工艺过程为：浇注机械手3将铝液从熔化炉2 中浇入制浆机4的金属容器中冷却；同时浆料搬运机 械手5从制浆机的感应加热工位抓取小坩埚，搬运至 挤压铸造机并浇人压射室中成形；随后继续旋转将空 坩埚返回送至回转式清扫装置上的空工位，并从另一 个工位抓去一个清扫过的小坩埚旋转放置到制浆机上； 制浆机和清扫机同时旋转一个角度，进入下一个循环。
半固态铸造成形装备
半固态铸造成形装备主要包括半固态浆料 制备装备、半固态成形装备、辅助装置等。 按流变铸造和触变铸造分类，又有流变铸 造装备和触变铸造装备。 半固态浆料的制备方法主要有机械搅拌、 电磁搅拌、单辊旋转冷却、单／双螺杆法等。 其基本原理都是利用外力将固液共存体中的固 相树枝晶打碎、分散，制成均匀弥散的糊状金 属浆料。最新发展的还有倾斜冷却板法、冷却 控制法、新MIT法等。
半固态铸造成形装备
一步法— 流变铸造 半固态铸造成形是在液态金属凝固的过程中进行强烈 的搅动，使普通铸造凝周易于形成的树枝晶网络骨架被打 碎而形成分散的颗粒状组织形态，从而制得半固态金属液， 然后将其铸成坯料或压成铸件。 根据其工艺流程的不同，半固态铸造可分为流变铸造 二步法— 和触变铸造两大类。 触变铸造 流变铸造是将从液相到固相冷却过程中的金属液进行 强烈搅动，在一定的固相分数下将半固态金属浆料压铸或 挤压成形，又称“一步法”； 触变铸造是先由连续铸造方法制得具有半固态组织的 锭坯，然后切成所需长度，再加热到半固态状，再压铸或 挤压成形，又称“二步法”。
半固态铸造的其他装置
流变铸造采用“一步法”成形，半 固态浆料制备与成形联为一体，装备 较为简单； 触变铸造采用“二步法”成形，除 有半固态浆料制备及坯料成形装备外， 还有下料装置、二次加热装置、坯料 重熔测定控制装置等。
ห้องสมุดไป่ตู้ 二次加热装置
目前，半固态金属加热普遍采用感应加热，它能够根 据需要快速调整加热参数，加热速度快，温度控制准确。 半固态金属加热装备利用传感器信号来控制感应加热 器，得到所要求的液固相体积分数。 其工作原理为：当金属由固态传化为液态时，金属的 电导率明显减小(如铝合金液态的电导率是固态的 0.4~0.5)；同时，坯锭从固态逐步转变为液态时，电磁场 在加热坯锭上的穿透深度也将变化，这种变化将会引起加 热回路的变化，因此可通过安装在靠近加热锭坯底部的测 量线圈测出回路的变化。比较测量线圈的信号与标定信号 之间的差别，就可计算出坯锭的加热温度，从而实现控制 加热温度(即控制液相体积分数)的目的。
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(7)与固态塑性成形相比变形力小。由于半固态 金属塑性成形变形力显著降低，成形速度比固态模 锻高，因此可成形很复杂的锻件，缩短了加工周期， 降低了成本。 半固态金属塑性成形变形抗力低，消耗能量小， 减少了对模具的镦挤作用，提高了模具的寿命。
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3.半固态金属塑性成形适用范围 3.半固态金属塑性成形适用范围
电磁搅拌式制浆装置
该装备是用电磁场力的作用来 打碎或破坏凝固过程中树枝晶网 络骨架，形成分散的颗粒状组织 形态，从而制得半固态金属液。 为保证破碎枝晶所必需的剪切 力，电磁搅拌应有足够大的磁场。 电磁搅拌制备装置在铝合金半固 态成形工艺中获得了工业化应用。 电磁搅拌制备半固态浆料，构 件的磨损少，但搅拌的剪切速率 慢，电磁损耗大。
(1)适用于半固态加工的合金。包括铝合金、 镁合金、锌合金、镍合金、铜合金和钢铁合金等。 其中铝合金、镁合金、锌合金因熔点低，生产易于 实现，获得广泛应用。 (2)制造金属基复合材料。利用半固态金属的 高黏度，可有效使不同材料混合，制成新的复合材 料。
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机械搅拌式制浆装置
金属液在冷却槽中冷却至液、固相 区间的同时，电动机带动搅拌头旋转， 搅拌头对液体施以切线方向上的剪切 力，将固相枝晶破碎并混合到液相中。 半固态浆料从下端的出料口排出。调 整浆料的出料量就能控制其固相率。 机械搅拌式适合于所有金属液体半固 态浆料的制备。 设备结构简单、搅拌的剪切速度 率快，有利于形成细小的球状微观组 织结构；但机械搅拌对设备的构件材 料(搅拌叶片等)耐热性要求和耐热蚀 性要求高，
半固态触变注射成形机
半固态触变注射成形机已成功地用于镁 合金，其成形过程为：细块状的镁合金从料 斗加入，在螺旋的作斥下向前推进，镁粒在 前进的过程中逐渐被加热至半固态，贮存于 螺旋的前端至规定的容积后，注射缸动作， 将半固态浆料压人模具凝固成形。
半固态流变注射成形机
半固态流变注射 成形机与触变注射成 形不同点在于：加入 料为液态镁合金；在 垂直安装的螺旋的搅 拌作用下冷却至半固 态，积累至一定量后， 由注射装置注射成形。
新流变铸造法的半固态浆料制备 原理
半固态金属塑性成形
半固态金属成形技术主要有两条成形线路：一 是半固态铸造成形，即半固态流变成形和半固态触 变铸造成形；二是半固态压力加工成形，即采用半 固态流变和半固态触变塑性成形。 半固态塑性成形方法是将半固态浆料制备成坯 料，根据产品尺寸下料，重新加热到半固态温度后， 再塑性加工成形。对于触变成形，由于半固态坯料 便于输送，易于实现自动化，因而，在工业中较早 得到了广泛应用。
触变模锻工艺过程
进入模膛的半固态合 金坯料，只有初生相之间 （5～30μm）薄层。由于是 低熔点物质，呈熔融态，在 压力下，以黏性流动方式填 充模膛，随后产生高压凝固 和塑性变形，从而获得精密 制件。
半固态金属塑性成形工艺特点
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(1)黏度可调整。半固态坯料含有一半左右初生相，在重力下 可以机械搬运,在机械压力下黏度迅速下降便于充填。 (2)成形速度高。如美国阿卢马克斯工程金属工艺公司半固态 锻造铝合金汽车制动总泵体，每小时成形150件，而利用金属型 铸造同样的制件，每小时仅24件。 (3)改善充填条件。成形过程不易喷溅，减轻金属裹气和氧化， 提高制件的致密性。制件可热处理强化，强度比压铸件高。 (4)减少凝固收缩。坯料充填前，已有近一半固相，因此制件 精度高，加工余量小，易实现近净成形。 (5)充型温度低。减轻了模具热冲力，提高了模具寿命。 (6)减少环境污染。成形车间不需处理液态金属，操作安全。
重熔程度测定装置
理论上，对于二元合 金，重熔后的固相体积分 数可以根据加热温度由相 图计算得出。但实际中， 常采用硬度检测法，即用 一个压头压入部分重熔坯 料的截面，以测加热材料 的硬度来判定是否达到了 要求的液相体积分数。
半固态铸造生产线及自动化
半固态触变成形生产线 立式半固态触变成形生产线的平面布置如图2108所示。其工作过程为：机器人将(冷)半固态坯料装入 位于立式成形机的加热圈内(图2-109)，位于机器下部平 台上的感应加热圈将料坯加热到合适的成形温度，在完成 模具润滑以后，两半模下降并锁定在注射口处；在一个液 压圆柱冲头作用下，将坯料垂直地压入封闭模具的下模内； 在压入过程中能使坯料在加热时产生的氧化表面层从原金 属表面剥去，当冲头在垂直方向上运动时，剥去氧化皮的 金属被挤入模具型腔内，零件凝固后，两半模分开，移出 上次成形件；留在下半模内的铸件残渣由清除系统自动清 除回收；进入下一零件循环。
单辊旋转冷却式制浆装置
在机械和电磁搅拌装 置中，当浆料的固相率较 高时，浆料的粘度迅速增 加，流动性下降，使得浆 料的出料非常困难。 单辊旋转冷却制浆设 备，利用辊子的回转产生 的剪切力在制备浆料的同 时强制出料，因此能获得 高固相率的半固态浆料。
半固态铸造成形装备
目前半固态铸造的成形装备主要有压铸机 (即半固态压铸)、挤压铸造机(即半固态挤 压)，以及利用塑料注射成形的方法和原理开发 的半固态注射成形机等。 压铸机的结构及其工作原理在前面已有详 述；挤压铸造机的结构及工作原理较为简单， 其实质为将半固态金属浆料浇人金属模具中， 在压力机压力的作用下冷却凝固成形。 下面主要介绍新近发展起来的半固态注射 成形机。