半固态成形技术ppt课件
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精确成型技术 第十三讲 半固态成形技术
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)
轻金属半固态成形技术-第5章
❖ 该加热系统设置了12个加热工位，4个高功率加热工位、4个中功率加 热工位、4个低功率加热工位；在该系统加热时，每通电加热36s，然 后间断14s，进行坯料加热工位轮换，再重复前面的动作，直至坯料从 最后一个感应加热器中轮换出来；每块坯料的总加热时间为7.2min， 但该半固态重熔加热系统在一个小时内却可以提供72块半固态A356 铝合金坯料，从而满足了半固态触变成形的工艺的需要。
5.1.2 金属坯料的电磁感应半固态重熔加热
❖ 从技术角度看，电磁感应加热固态金属坯料并不是新型技术，电 磁感应加热很早就得到比较普遍的应用，如锻造中钢坯或其他金 属坯料的电磁感应加热、轧制中金属坯料的电磁感应加热、轧辊 热处理的电磁感应加热等。这些电磁感应加热温度比较低、温度 控制精确度也低、加热工艺相对比较简单。
当感应电流在闭合回路中流动时，自由电子要克服各种阻力。 所以，自由电子必须消耗一部分能量做功来克服导体的电阻， 这部分能量就转变为热能。焦耳-楞茨定律就是描述这种电 能转变为热能的变化规律，即电流通过导体所生成的热量与 电流的平方、导体的电阻和通电时间的积成正比，其数学表 达式如下：
金属坯料在电磁感应加热时，金属坯料处于感应加热线圈中，当感应 线圈通以交变电流时，金属坯料就处于交变磁场中，在金属坯料内产 生交变感应电动势。
金属坯料可以看成是由一系列半径逐渐变化的圆柱状薄壳组成，每层 薄壳自成一个闭合回路，在每层薄壳中会产生感应电流。从金属坯料 的上端俯视，电流的流线呈闭合的涡旋状，因而，这种感应电流叫做 涡电流，简称涡流，如图6-1所示。
由于大块金属坯料的电阻 很小，因此，涡流的强度非 常大，产生大量的焦耳热， 金属坯料就是被这种焦耳热 不断加热和熔化。
❖ 当每块坯料顺序经过所有的感应加热器后，其温度或固相率应该达 到触变成形要求，每块坯料的总加热时间等于单个感应加热器的加 热时间乘以感应加热器的数量。从每块半固态坯料的加热时间看， 它的加热时间也可以达到数分钟，但从整个加热系统看，加热系统 可以在预定的时间内提供一块合适的半固态坯料，如图6-8所示。
第四章半固态金属加工技术PPT课件
图4-19 压射室制备半固态合金浆料和流变成形示意图
21.11.2020
材料成型及控制工程教研组
19
第4章 半固态金属加工技术
图4-20单螺旋流变射铸工艺原理示意图 1—金属液输入管；2—保温炉；3—螺杆；4—筒体；5—冷却管；6—绝热管；
7—加热线圈；8—半固态金属累积区；9—绝热层；10—注射嘴；11—加热线圈； 12—单向阀
图4-23 低过热度浇注和短时弱机械搅拌制备
半固态合金浆料示意图
21.11.2020
材料成型及控制工程教研组
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第4章 半固态金属加工技术
（a) 搅拌速度的影响
（b) 搅拌时间的影响
图4-24 搅拌速度和搅拌时间对半固态合金浆料初生固相形状因子的影响
21.11.2020
材料成型及控制工程教研组
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11—射嘴
21.11.2020
材料成型及控制工程教研组
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第4章 半固态金属加工技术
（a）各种通信设备的外壳
(b) 翻盖式手机外壳
(c) 相照机外壳，重量为98g
(d) 电脑显示器外壳
21.11.2020
材料成型及控制工程教研组
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第4章 半固态金属加工技术
(e) 摩托车轮毂，直径40cm，重量1.8kg (f) 汽车方向盘，重量560g
10—压铸合金
21.11.2020
材料成型及控制工程教研组
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第4章 半固态金属加工技术
(a) 间歇式
(b) 连续式
图4-5 半固态机械搅拌装置示意图
21.11.2020
材料成型及控制工程教研组
4
第4章 半固态金属加工技术
图4-6 转轮式制浆装置
轻金属半固态成形技术-第3章
❖ 利用变形诱变激活工艺制备半固态金属坯料时，也可以 不进行冷变形，只进行大变形量的热变形，如锻造、挤 压，然后将变形后的坯料进行半固态重熔加热，也可以 得到近球状的半固态组织。
❖ 通过对仅热变形的7075铝合金坯料进行触变成形实验， 发现其合适的重熔加热温度为600-610oC，此时对应的 液相分数为15%~30%，但重熔加热组织形态和成形后 的组织形态均不太理想，存在长条状颗粒，触变成形性 也较差。
变形诱导激活工艺的优点与缺点：
该工艺方法制备的金属坯料纯净、生产效率高、产量大， 主要用于锻铝及铁基材料，是目前商用方法之一；
需要很大的挤压变形量，导致坯料价格昂贵、断面小， 只能制备小直径的半固态坯料，只能生产小型零件，如 美国阿卢马克斯工程金属工艺公司利用该法生产军用航 天器中的一种小型电器连接零件。
3.1 机ห้องสมุดไป่ตู้搅拌方法
3.1.1 非连续机械搅拌法
➢ 最早应用于制备半固态金属浆料的方法； ➢ 利用机械旋转的叶片或搅拌棒使金属熔体激烈流动，
获得球状初生固相的半固态金属浆料； ➢ 通过控制搅拌室的温度来控制半固态金属的固相率，
通过控制搅拌棒的转速来控制剪切速率，可以保证剪 切速率不变； ➢ 该装置结构简单，造价低，操作方便，可以添加各 种气体保护，但产量很小，只适用于实验室的小规模 试验研究工作，见下图。
变形诱变激活工艺制备A357铝合金坯料的显微组织 (a) 连铸坯组织 (b)挤压变形后的组织 (c) 重熔加热后的组织
•a是A357铝合金连铸棒坯的铸态组织，初生α-Al为发达的树枝晶； •b是经过大变形量的热挤压和小变形量的冷变形后的A357铝合金坯 料显微组织，初生α-Al呈现明显的变形状态； •c是经过快速半固态重熔加热的A357铝合金坯料显微组织，初生αAl已经变为球状晶粒，初生α-Al均匀分布在液相中。
材料工程基础课件-第四章 金属的液态成形与半固态成形
适用于中、小型铸件的成批、大批量生产。
七、 特种铸造
为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在 砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把 这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。
低压铸造
消失模 铸造
熔模铸造
压力铸造
七
种
常
见
特种铸造
金属型 铸造
的 特 种
铸
造
连续铸造
离心铸造
方 法
充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔 等缺陷。
2.液态合金的流动性
合金的流动性是： 液态合金本身的流动能力。
改善金属 有利于 的流动性
金属流动性 测试实验
实验如右图所示：
形成薄壁复杂的铸件 排除内部夹杂物和气体 加快凝固中液体的补缩
合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点
温度（℃）
（一）熔模铸造
熔模铸造又名“失蜡法铸造”是用易熔材料制成 模样，然后在模样上涂挂若干层耐火涂料制成型 壳，经硬化后再将模样熔化，排出型外，从而获 得无分型面的铸型。铸型经高温焙烧后即可进行 浇注。
1. 熔模铸造的工艺过程
蜡模制造 结壳
脱模
焙烧
浇注
熔模铸造过程示意图
2. 熔模铸造的主要特点及适用范围
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
铸造方法受零件的尺寸、重量和复杂程度的限制较少； 可铸壁厚：0.3~1m 长度范围：几个毫米到几十米 质量范围：几克到几百吨
用铸造方法可以生产铸钢、铸铁、各种铝合金、铜合金、 镁合金、钛合金、锌合金等铸件。
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
七、 特种铸造
为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在 砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把 这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。
低压铸造
消失模 铸造
熔模铸造
压力铸造
七
种
常
见
特种铸造
金属型 铸造
的 特 种
铸
造
连续铸造
离心铸造
方 法
充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔 等缺陷。
2.液态合金的流动性
合金的流动性是： 液态合金本身的流动能力。
改善金属 有利于 的流动性
金属流动性 测试实验
实验如右图所示：
形成薄壁复杂的铸件 排除内部夹杂物和气体 加快凝固中液体的补缩
合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点
温度（℃）
（一）熔模铸造
熔模铸造又名“失蜡法铸造”是用易熔材料制成 模样，然后在模样上涂挂若干层耐火涂料制成型 壳，经硬化后再将模样熔化，排出型外，从而获 得无分型面的铸型。铸型经高温焙烧后即可进行 浇注。
1. 熔模铸造的工艺过程
蜡模制造 结壳
脱模
焙烧
浇注
熔模铸造过程示意图
2. 熔模铸造的主要特点及适用范围
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
铸造方法受零件的尺寸、重量和复杂程度的限制较少； 可铸壁厚：0.3~1m 长度范围：几个毫米到几十米 质量范围：几克到几百吨
用铸造方法可以生产铸钢、铸铁、各种铝合金、铜合金、 镁合金、钛合金、锌合金等铸件。
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
2-半固态成形
半固态成形工艺
流变成形
(a)连续搅拌制备 半固态浆料, (b)浆料被送入压 室, (c)压射成型, (d)压铸件 区别：1）多一个加热 工艺 2）运输方便
触变成型
a)连续搅拌制备半 固态浆料, (b)半固态浆料凝固 成坯料, (c)坯料切分 (d)坯料半固态重熔 加热 (e)坯料被送入射室 (f)压射成型 (g)压铸件
铝合金汽车制动总泵壳毛坯
左变为半固态铸造，右边为金属型铸造
半固态铝合金制造的汽车后悬挂架
半固态铝合金铸造的汽车制冷压缩机壳毛坯
半固态铝合金汽车零件毛坯
半固态铝合金汽车零件毛坯
半固态铝合金汽车零件毛坯
计算机类半固态铝合金成形零件
半固态铝合金汽车制动总泵壳毛坯
半固态铝合金铸造比例阀毛坯
半固态成形
半固态
1. 半固态的流变性 搅拌 枝晶断裂，晶体 变园，变小
树枝晶
圆形或半圆形的初晶 表观粘度减低
表 观 粘 度
剪切时间 恒温下二种物体的表观和剪切 时间的关系
• 半固态：随剪切时间的 延长，表观粘度下降至 一常数（液体性质－变 形容易），这个现象称 为剪切稀释效应；停止 剪切，表观粘度逐渐上 升（当固相占到一定比 例时可保持形状不会流 动－固体性质）。 • 牛顿体的粘度与剪切速 度，与剪切时间无关；
间歇式机械搅拌装置示意图
连续式机械搅拌装置示意图
电磁搅拌方法示意图
半固态铝合金坯料水平连铸机
80mm电磁搅拌连铸半固态铝合金 坯料 北京科技大学
3英寸的半固态铝合金坯料
应变激活工艺生产的军用航天器中的一种 小型电器连接零件
半固态射铸（Thixomolding）工艺示意图
双螺旋流变射注技术原理图
材料先进成形方法课件2
流
变
铸
造 熔
炼
、
合
制
金 配
浆
零 件
制
毛
坯
半
固
态
下
二
触
坯 料 制
料
次 加
变 成 形
备
热
半固态成形技术
流变加工技术主要是在合金凝固过程中施 加剪切制备半固态浆料并将所获浆料直接 转移到模具中成形零件； 触变加工技术则分为两步:首先制备具有触 变特性的坯料，再通过二次加热将坯料加 热至半固态温度进行零件成形。
半固态金属加工技术的出现和概念
枝晶
半固态
半固态组织的形成机理
(a) 凝固初期
（b）网状枝节
常规铸造方法凝固示意图
半固态组织的形成机理
(a) 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 。
半固态组织的形成机理
(d) 枝晶弯曲机制： Vogel和Doherty 等人认为枝晶臂在流动应力作用下会发生弯曲，并且 位错的产生将导致塑性变形的产生。在固相线以上温度时，位错间 发生攀移并且互相结合形成晶界，当相邻晶粒的取相差超过20，晶 粒晶界能超过固-液界面能的两倍，液体就将润湿晶界并沿着晶界迅 速渗透，从而使枝晶臂与主干分离，其机制如图所示。
(a)初始枝晶碎片 (b)枝晶生长 (c)蔷薇形晶粒 (d)长大了的蔷薇形晶粒 (e) 球形晶粒
半固态金属加工技术的优点
半固态金属加工技术的优点
《半固态加工》课件
智能化与自动化
随着智能化和自动化技术的不断发 展，未来半固态加工将更加智能化 和自动化，提高生产效率和降低成 本。
扩大应用范围
随着应用的不断深入，半固态加工 技术的应用范围将不断扩大，从中 小型零件向大型零件和复杂结构件 拓展。
绿色制造与可持续发展
随着环保意识的不断提高，未来半 固态加工将更加注重绿色制造和可 持续发展，减少对环境的影响。
CHAPTER 05
半固态加工实例
汽车零件的半固态加工
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
汽车发动机零件
如活塞、连杆等，通过半固态加工技术可以获得高强度、低孔隙 率、高耐磨性的零件。
汽车底盘和悬挂系统零件
如转向节、控制臂等，通过半固态加工技术可以获得复杂的几何形 状，提高零件的精度和性能。
汽车车身覆盖件
如引擎盖、车门等，通过半固态加工技术可以获得高表面质量、低 翘曲变形和薄壁的零件。
半固态加工过程中，温度和应变速率对金 属的凝固行为和组织演变具有重要影响， 需要精确控制。
加工过程中的热力学和动力学
加工设备的研发
半固态加工过程中涉及到的热力学和动力 学问题，如相变、固液界面行为等，需要 深入研究。
半固态加工技术的实现需要相应的加工设 备，设备的性能和稳定性对加工质量和效 率具有重要影响，需要加强研发。
进行加工成所需形状的技术。
触变成形技术具有加工精度高、 材料利用率高等优点，广泛应用
于精密铸造、锻造等领域。
触变成形技术需要解决的关键问 题包括半固态金属的触变机制、
触变过程中的传热和传质等。
半固态加工中的关键技术问题
半固态金属的制备
温度和应变速率的控制
制备高质量的半固态金属是实现半固态加 工的前提条件，需要解决的关键问题包括 原料选择、熔炼工艺、冷却速度等。
随着智能化和自动化技术的不断发 展，未来半固态加工将更加智能化 和自动化，提高生产效率和降低成 本。
扩大应用范围
随着应用的不断深入，半固态加工 技术的应用范围将不断扩大，从中 小型零件向大型零件和复杂结构件 拓展。
绿色制造与可持续发展
随着环保意识的不断提高，未来半 固态加工将更加注重绿色制造和可 持续发展，减少对环境的影响。
CHAPTER 05
半固态加工实例
汽车零件的半固态加工
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
汽车发动机零件
如活塞、连杆等，通过半固态加工技术可以获得高强度、低孔隙 率、高耐磨性的零件。
汽车底盘和悬挂系统零件
如转向节、控制臂等，通过半固态加工技术可以获得复杂的几何形 状，提高零件的精度和性能。
汽车车身覆盖件
如引擎盖、车门等，通过半固态加工技术可以获得高表面质量、低 翘曲变形和薄壁的零件。
半固态加工过程中，温度和应变速率对金 属的凝固行为和组织演变具有重要影响， 需要精确控制。
加工过程中的热力学和动力学
加工设备的研发
半固态加工过程中涉及到的热力学和动力 学问题，如相变、固液界面行为等，需要 深入研究。
半固态加工技术的实现需要相应的加工设 备，设备的性能和稳定性对加工质量和效 率具有重要影响，需要加强研发。
进行加工成所需形状的技术。
触变成形技术具有加工精度高、 材料利用率高等优点，广泛应用
于精密铸造、锻造等领域。
触变成形技术需要解决的关键问 题包括半固态金属的触变机制、
触变过程中的传热和传质等。
半固态加工中的关键技术问题
半固态金属的制备
温度和应变速率的控制
制备高质量的半固态金属是实现半固态加 工的前提条件，需要解决的关键问题包括 原料选择、熔炼工艺、冷却速度等。
半固态成形技术课件
ppt课件.
图9 枝晶臂发生熔断示意图
17
③枝晶臂弯曲机制。 此机制认为，位错的产生并积累导致塑性变形。 在两相区，位错
间发生攀移并结合成晶界，当相邻晶粒的倾角超过20°时，界面能超 过固液界面能的两倍，液相将侵入晶界并迅速渗入，从而使枝晶臂 从主干分离。
注：以上三种机制都有一定的依据，但附加位错如何发生 恢复和再结晶或如何迁移、固液浆料的温度起伏还缺乏必 要的试验依据，因此，金属半固态组织的演变机制还有很 多基本理论及技术问题需要解决。
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。
？ 生产。 缺磁拌搅点 法：直径大于150mm的铸坯不宜采用电
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
ppt课件.
电磁搅拌示意图21
电磁搅拌
1.中间包底口 2.结晶器引流口 3.水 室隔墙 4.冷却水室 5.结晶器陶瓷内衬
第九章
半固态成形
ppt课件.
1
半固态成形
半固态成形概述
半固态金属的组织特性、形成机 理与力学行为
半固态金属的制备方法
半固态金属触变成形
半固态金属流变成形
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2
1、概述
金属材料在液态、固态和半固态三个阶段均呈现出明显不同的物理特性，利 用这些特性，产生了凝固加工、塑性加工和半固态加工等多种金属热加工成形 方法。图1表示金属在高温下三态成形加工方法的相互关系。
由浮动的枝晶臂的速度梯度方向产生的力来折断。因此，必须加强 力搅拌，在剪切力作用下从根部折断。
②枝晶臂根部熔断机制。
晶体在表面积减小的正常长大过
程中，枝晶臂由于受到流体的快速
半固态金属成形技术31页PPT
半固态金属成形技术
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上ຫໍສະໝຸດ 条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上ຫໍສະໝຸດ 条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
材料加工原理之半固态铸造成形PPT(32张)
半固态铸造成形
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。
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。
3半固态成形技术1
双螺旋搅拌 金属液在双螺旋强烈的 搅拌混合作用下，成分 场和温度场都非常均匀 一致，在强制对流作用 下连续冷却，异质形核 将在整个金属熔体中发 生，因而尽管实际形核 率并没有提高，但是由 于所有的晶核都能够存 活下来，因而有效形核 率大大提高。此外，强 烈的混和作用会引起潜 在晶坯的分散，从而增 加潜在形核位置。以上 作用只有在双螺旋提供 的强烈紊流作用下才能 实现 。
§2半固态组织形成原理
枝晶臂机械断裂机制
流动的熔体作用于固液界面的切应力超过枝晶臂的 剪切强度，或者熔体作用于枝晶臂上的弯曲应力超 过其抗弯强度时，枝晶臂发生断裂，断裂的碎片被 进入熔体中，成为非枝晶组织的结晶核心。
枝晶熔断机制
液相的流动引起了熔体温度分布和浓度分布的改 变，使固液相界面处的温度产生波动，可能导致局 部温度超过固相熔点，造成枝晶臂根部重熔，从枝 晶主体上分离下来形成非枝晶组织的晶核。
悬挂部件
发动机托架
日本18个成员组成的Rheotech公司
公司成员包括：三菱重工、川崎制铁、神户 制钢、古河电气等14家钢铁公司和4家有色 金属公司。在1988年3 月至1994年6月期 间共投资30亿日圆进行研究开发，下一步 转向工业应用阶段。
日本UBE于1996年发明的NRC法目前也 在汽车行业中获得了成功应用
再结晶机制 再结晶机制是指液相流动产生的应力使 枝晶臂弯曲，枝晶臂根部会形成大量的 位错，在高温下这些位错通过再结晶重 新排列成大角度晶界。晶界被熔体薄膜 完全浸润，导致枝晶臂由此脱落形成非 枝晶组织的晶核。
抑制生长机制 抑制生长机制是指通过控制熔体凝固形 核、改变生长的热力学及动力学条件， 抑制枝晶生长，使初生相在过冷熔体中 直接形核并按球状方式生长，最终形成 非枝晶组织
材料工程基础课件-第四章 半固态成形(2节)
原理：利用双螺旋的旋转，使液态金属产生剧烈的紊 流，增加切变率来达到细化晶粒，均匀成分的目的。
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。
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。
四金属的液态成形与半固态成形PPT课件
1）熔化合格合金液体： 成分合格，温度合适；
2）制作合理的铸型： 造型材料，造型方法，
铸造工艺，尺寸，型板，
砂箱，分型面，浇注系
统；
3）浇注成型以及清理： 浇注方法（重力，加
压），清理；
4）凝固成合格的铸件 ： 内部质量，尺寸。
液态成形基本工艺流程
11
3、铸造金属的熔炼
熔炼是液态金属铸造成形技术过程中的一个重 要环节，与铸件的品质、生产成本、产量、能 源消耗以及环境保护等密切相关。 在熔炼中，多种固态金属的炉料（废钢、生铁 、回炉料、铁合金、有色金属等）按比例搭配 装入相应的熔炉中加热熔化，通过冶金反应， 转变成具有一定化学成分和温度的符合铸造成 形要求的液态金属。
31
(2) 合金的收缩 铸造合金从液态冷却到室温的过程中， 其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。
32
收缩包括以下三个阶段： Ⅰ 液态收缩 （浇注温度-液相线） 特点：体积收缩； 浇注温度升高，液态收缩增加。 Ⅱ 凝固收缩 （液相线-固相线） 特点：体积收缩；结晶温度范围增大，凝固收缩增加。 Ⅲ 固态收缩 （固相线-室温 ） 特点：引起铸件外部尺寸变化。
分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理 使用，可造成铸件的顺序凝固，有效地消除缩孔、 缩松。
43
顺序凝固，就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部 位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口 的部位先凝固（如图Ⅲ ），而后是靠近冒口部位 凝固（图中Ⅱ、І），最后才是冒口本身的凝固。
按照这样的凝固顺序，先凝 固部位的收缩，由后凝固部 位的金属液来补充；后凝固 部位的收缩，由冒口中的金 属液来补充，从而使铸件各 个部位的收缩均能得到补充， 而将缩孔转移到冒口之中。 冒口为铸件的多余部分，在 铸件清理时将其去除。
任新凯半固态课件13
水平式单螺旋流变注射成形机
半固态流变铸造成形
第9章 铁基半固态合金的制备和性能 章
9.1 电磁搅拌制备铁基半固态合金及其性质
感应电磁搅拌及影响因素 感应电磁搅拌力的产生 电压与磁场强度之间的关系
9.1.2 FC20半固态合金的研究 半固态合金的研究
FC20半固态合金组织演变 半固态合金组织演变
冷却速度对FC20半固态合金组织的 半固态合金组织的 冷却速度对 影响
Ostwald熟化 熟化
Ostwald熟化 熟化Wilhelm Ostwald 熟化 在1896年发现的的一种描述固溶体中 年发现的的一种描述固溶体中 多相结构随着时间的变化而变化的一 种现象。当一相从固体中析出的时候， 种现象。当一相从固体中析出的时候， 一些具有高能的因素会导致大的析出 物长大，而小的析出物萎缩。 物长大，而小的析出物萎缩。 即在成分接近平衡的基体相a中 即在成分接近平衡的基体相 中 脱溶粒子的竞争性长大。 脱溶粒子的竞争性长大
பைடு நூலகம்
应力状态对半固态钢铁材料流变轧制 的影响
轧制产品的质量
缺陷
缩孔 夹层组织 表面裂纹 边裂
8.4 其他几种半固态流变成形技术
单螺旋流变注射成形机
其优点是： 其优点是：半固态浆料制备与流变成形一次 完成；生产率较高，成本低；结构简单； 完成；生产率较高，成本低；结构简单；可为触 变成形制备坯料；兼容现有压铸设备。 变成形制备坯料；兼容现有压铸设备。 不足之处： 不足之处：注射设备螺旋杆的材料性能要求 较高(满足高温下的耐磨 耐蚀性能等)； 满足高温下的耐磨、 较高 满足高温下的耐磨、耐蚀性能等 ；由于搅 拌螺旋没有泵的推进作用，设备必须垂直安装； 拌螺旋没有泵的推进作用，设备必须垂直安装； 由单螺旋搅拌产生的剪切速率不高。 由单螺旋搅拌产生的剪切速率不高。
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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。
ppt课件.
9
(3) 半固态成形的基本工艺方法
经加热熔炼的合金原料液体 通过机械搅拌、电磁搅拌或 其他复合搅拌，在结晶凝固 过程中形成半固态浆料。
合金原料设计、配制 加热、熔炼
ppt课件.
14
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
搅拌(机械或电磁等)
半固态浆料
流变 成形
流变压铸成形 其他流变成形
半固态坯料制备 触变
二次加热
成形
触变成形
部件毛坯
ppt课件.
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(3) 半固态成形的基本工艺方法
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p(流pt课变件成. 形和触变成形)的工艺流程图
11
(4) 半固态成形的研究及进展
最早于20世纪70年代初期， 由美国麻省理工 学院的M.C.Flemings教授和David Spencer博士提 出。
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。
ppt课件.
12
①有色金属及其合金的低熔点材料半固态成形研究
铝、镁、铅、铜 研究重点在成形工艺的开发
⑥ 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；
图4 半固态金属的 (a) 分离， (b) 结合
⑦ 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。
⑧ 液相先行流动的现象在固相分数很 高、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。
铝合金半固态加工技术（触变成形）已经成熟并进入 规模生产，主要应用于汽车、电器、航空航天领域。
②高熔点黑色金属的半固态成形研究
D2、HS6-5-2高速工具钢、100Cr6钢、60Si2Mn弹簧钢、 AISI304不锈钢、C80工具钢、铸铁等
ppt课件.
13
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。
3
(1)半固态成形技术定义
半固态成形原理
利用非枝晶半固态金属(Semi-Solid Metals，简称SSM)独有的 流变性和搅熔性来控制铸件的质量。
半固态 成形方法
流变成形 rheoforming
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。
触变成形 thixoforming
如果浆流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭
切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次
加热)至金属的半固态温度区(金属锭称为半固
态金属坯料)。利用金属的半固态坯料进行成
形加pp工t课的件.方法为触变成形
4
ppt课件.
5
(2) 半固态金属的特点
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。
液态加工 （铸造成形）
半固态加工 (流变/触变成形)
固态加工 （塑性成形）
重力铸造 精密铸造 压力铸造
高流 速变 连铸 续造
铸 造
液态模锻 液态铸轧 连续铸挤 半固态轧制 半固态挤压 半固态压铸 半固态锻造
连连 续铸 带轻 液固体成形
图1 金属在高温下三pp态t课成件.形加工方法的相互关系
ppt课件.
图5成半分固和态固金相属成变分形的时流液动8相
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；
图2 半固态金属的内部结构： (a) 高固相分数， (b) 低固相分数
ppt课件.
6
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，溶质元素的局部 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；
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；
ppt课件.
图3 半固态金属和 强化粒子(纤维)的搅拌混合
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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 也容易形成很好的结合，如图4所示；
第九章
半固态成形
ppt课件.
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半固态成形
半固态成形概述
半固态金属的组织特性、形成机 理与力学行为
半固态金属的制备方法
半固态金属触变成形
半固态金属流变成形
ppt课件.
2
1、概述
金属材料在液态、固态和半固态三个阶段均呈现出明显不同的物理特性，利
用这些特性，产生了凝固加工、塑性加工和半固态加工等多种金属热加工成形 方法。图1表示金属在高温下三态成形加工方法的相互关系。