材料加工作业3

1.比较半固态加工、铸造成型、塑性加工。

答：金属材料,从固态向液态或从液态向固态的转换过程中,均经历着半固态阶段。特别对于结晶温度区间宽的合金,尤为明显。由于三个阶段中,金属材料呈现出不同特性,利用这些特性,产生了塑性加工、铸造加工和半固态加工等多种热加工成形方法。

将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法，称为铸造。铸造加工利用了液态金属呈现出良好的流动性,以完成成形过程中的充填、补缩,直至凝固的结束。为了提高铸件的质量和尺寸精度,不断向快速、精密、高压方向发展,先后出现了高速连续铸造、差压铸造、压力铸造及至双柱塞精密压铸法。其发展趋势是采用机械压力替代重力充填,从而改善制件内部质量和尺寸精度。但从凝固机理角度看,铸造加工要想完全消除铸件内部缺陷是极其困难的。

金属塑性成形（传统叫锻压，是锻造和冲压工艺的总称），其本质是利用金属材料所具有的塑性，在工具或模具作用下施加外力，使其发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸及力学性能的零件或毛坯的工艺方法，工业生产中一般称为金属塑性加工或压力加工。

塑性加工利用了固态金属在高温下呈现较好的塑性流动性,以完成成形过程充填。采用塑性加工生产的制件,其质量高于铸造方法生产的制件。但固态金属变形抗力高,需要消耗较多的能源。对于稍复杂的零件,往往需要多道工步或工序成形才能完成。因此降低能耗和成本,减小变形抗力,提高制件的尺寸精度,保证制件的质量,就成为塑性加工的发展方向。因而先后出现了精密模锻、等温锻造、超塑性加工等。

半固态加工利用了金属从液态向固态或固态向液态过渡(即固液共存)时的特性,具有特殊意义。金属半固态加工就是在金属凝固过程中，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因相的固-液浆料（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。

2.分析讨论利用半固态加工技术制备非金属材料颗粒增强金属基复

合材料需要注意的技术关键。

答：触变材料半固态加工的工艺特点:

1)制件显微组织细化、缺陷和偏析减少,力学性能高;

2)成形力小,可成形接近最终形状(NNS)复杂制件;

3)成形温度低,对模具热冲击小,有利于提高模具寿命。

本技术关键在于加工坯料的获得,目前最有效、有应用前景的有:电磁搅拌、SIMA两种,国外有多家公司能商品化供应这种坯料,如瑞士Alusuisse-Lonza公司、法国Pechineg公司和美国Alumax公司。在半固态料浆的制备过程中，料浆的搅拌时间、搅拌强度和搅拌温度都会对晶粒形状产生影响，也是需要注意的技术关键之一。

利用液态法制备金属基复合材料有多种制备工艺，搅拌铸造法存在陶瓷颗粒的偏聚，陶瓷颗粒在液体中分布的均匀性和界面反应问题。另外易产生气孔，熔体浸渗法存在预制块的变形，微观结构不均匀，晶粒尺寸粗大和界面反应问题，原位复合技术虽然颗粒表面无污染无界面反应发生，但工艺过程要求很严格，不容易控制。熔融的基体合金对增强相颗粒不润湿,增强相颗粒和基体合金之间有可能发生的界面反应等。为了降低润湿角必须增加颗粒的表面能或减小液态金属的表面张力。

3.溶质含量较高的合金要获得流变性较好的半固态金属料浆，相比

溶质较低的合金，所需要的搅拌强度是大还是小？为什么？

答：需要更小的搅拌强度。金属熔液开始结晶时，伴随着强烈的搅拌，晶核快速形成并长大。随着温度的下降，虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式生长，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，形成了更多的细小晶粒，其自身结构也逐渐相蔷薇形演化。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。

从枝晶断裂机制来看，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，经搅拌作用，晶粒之间讲产生相互碰撞，以致枝晶臂被打断，溶质含量高，会使成型温度更低，因此枝晶臂更容易被打断，需要的搅拌强度更小。从枝晶的熔断机制来看，由于枝晶臂根部的直径要比其他部分要小一些，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发生熔断，因此溶质含量更高时需要更小的搅拌强度。

4.相比机械搅拌法，电磁搅拌法制备半固态料浆有哪些缺点？

答：机械搅拌法由于搅拌器寿命低、易污染熔体、生产效率低的缺点，使其应用受到限制。电磁搅拌法还具有下述缺点：

1）影响坩埚的使用寿命

增加钢液对坩埚的冲刷，熔蚀缩短坩埚的使用寿命。

2）加剧了驼峰现象

降低了炉渣的复盖作用，增加了大气对钢液的污染，降低了精炼效果。

3）加快真空感应炉坩埚壁的厚度

驼峰现象使熔渣推向坩埚壁并粘附在内表面，增加坩埚壁厚度，降低冶炼电效率还污染钢液。这种缺点在真空感应炉内尤为明显。

二者优缺点对比如下：

5.应变诱导熔化法和搅拌法制备半固体料浆，从原理上讲有什么不

同？

应变诱导熔化法主要是通过足够的热变形或冷变形破碎铸态组织，获得诱发应变，再加热到固液温度区间并适当保温。在加热过程中，合金首先发生再结晶形成亚晶粒和亚晶界，随后境界处低熔点物质熔化，导致近球形固相被低熔点液相包围，获得具有触变性的半固态坯料。

电磁搅拌是借助电磁力的作用强化金属熔液的流动,从而改变凝固过程的流动、传热、传质,制备出所需要的浆料。它主要有以下几个特点：1.非接触性,借助电磁感应实现能量的无接触转换,因而不与金属熔液接触就能将电磁能直接转换成金属熔液的动能,避免了金属熔体的二次污染;2.可控制性,由于可以人为地控制感应磁场强度的电参数,可以方便地控制金属熔液的流动状态和半固态浆料的质量;3.无污染性,非接触式地传递热能和机械能给材料,因此是一种无污染的加工方法。

参考文献：

1、罗守靖,杜之明，半固态金属加工(SSP)分类及新发展，热加工工艺，1999，5.

2、郝斌，孙淼等，一种制备颗粒增强金属基复合材料的新工艺，铸造技术，

2005,26（8）

3、黄晓锋，田载友等，非枝晶半固态浆料制备技术的研究进展，专题综述，2008,5

4、于霄，应变诱发熔化激活法制备7A09铝合金半固态材料的研究，2008.6