金属半固态成形工艺概述

进行铸轧成形， 是将铸造和热轧两种工艺合为一体， 让铸轧辊把熔融浆料的大量热能带走， 使浆料在很短 时间内完成铸造结晶过程， 同时， 又对已形成铸造组 织的镁板进行了压力加工。
图 <! 双螺旋半固态金属流变注射成形机 "=>2 <! )?=8@ABCD? EDF=@A01=G ’HD0I0CF=8> J8KDBL=08 M01G=8> M7BH=8D
收稿日期： !""#$%"$%! ； & & 修订日期： !""’$%%$!( 作者简介： 杨& 妮 （ %)*!$& ） ， 女， 陕西西安人， 硕士生+ 研究方向： 材料 成型及冲压上下料弧面凸轮机械手+
［ !］
材料制备和成形， 当固相分数在极限值 （ 约 ?#D ） 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； 凡具有固液两相区的合金均 $应用广泛， 可实现半固态加工， 适用于多种加工工艺， 如铸造、 轧 制、 挤压和锻压， 也正是这个优点， 才产生了多种金属
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这种成形方法为许多难于铸造和塑性加工的特 殊材料， 如金属基复合材料、 脆性材料和易偏析材料。 该工艺是将半固态坯料由料口进入二次加热室， 经过 加热处理， 使半固态坯料变成浆状， 然后流入搅拌器， 搅拌后， 在液态金属中均匀悬浮着一定固相组分的固 液混合体， 最后通过模具型口得到理想形状的材料。 %’ #’ B! 触变锻造 （ ()*+, :,;1*01） #88C 年， 斯图加特大学的成形技术学院 （ <9D ） 开 始了对铝、 黄铜等金属的触变锻造研究， 将半固态金 属坯料移入锻压模具内， 利用感应加热器进行二次加 热， 使半固态坯料处于具有成分确定且均匀的液态和 固态之间， 然后模具的一部分向另一部分运动并加压 成形， 其成形原理及半固态金属向模具型腔流动的情 况如图 B 示。
图 B! 触变锻造 （ ()*+,） 图 #! 触变注射成形 ()*+,-,./*01 9*1’ #! ()*+,:,;-*01 <0=56>*,0 -,./*01 9*1’ B! ()*+,:,;-*01 :,;1*01 -,./*01
半固态锻造成形的优点是扩大了复杂成形件的 范围， 因半固态金属的流动性好， 又易于控制， 可准确 称量， 所以锻造耗能低， 切削量少， 材料利用率较高。 %’ %! 半固态金属的流变成形 %’ %’ #! 螺旋式半固态流变成形 美国 4,;05.. 大学 E701 F@, F 等人应用注射成形
［ 53 ］ 种全新的流变铸造工艺 （ 图 4） ， 与机械搅拌和电磁
搅拌依靠外力来打碎枝晶， 而获得球形非枝晶不同， 它是直接从球形晶粒形核、 长大的热力学和动力学条 件着手， 获得球形晶粒。
Leabharlann Baidu图 N! 锥桶式半固态流变成形装置 "=>2 N! +08D EDF=@A01=G CHD0I0CF=8> DOP=QFD8L
通常， 流变铸轧包括 R 个工序， 首先先将合金原料 加入到电阻坩埚中加热熔化， 进行质变处理。其次， 在室温下， 待温度降至固液两相区温度时， 对熔体进 行机械搅拌， 生成半固态浆料。最后， 在固相线温度 以上， 将半固态浆料导入铸轧辊进行铸扎成形。 32 32 S! 低过热度倾斜板浇注式流变铸造 非机械或非电磁搅拌的低过热度倾斜板浇注式 简称 %’+ ， 是一 流变铸造技术， 也称 %D? ’HD0B7AL=8> ，
中图分类号： 38!@)+ )& & 文献标识码： A& & 文章编号： %"""$*(’# （ !""? ） "%$"%@!$"@
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［ 55 ］ 铸轧成形工艺 （ 图 :） 。触变铸轧是对半固态金属
液态金属产生剧烈的紊流， 提高了浆料的制备效率， 同时， 能生成更细小的晶粒。该成形工艺最大的优势 是将浆料制备 过 程 与 注 射 充 型 过 程 分 开， 在工艺方 面， 控制更易实现， 且更具实用性， 如旧机改造， 在现 有的压铸机、 压轧机上， 只需添加半固态浆料制备装 置， 调整工艺参数， 就可以进行金属半固态成形， 这也 是小企业在投 资 不 太 大 的 情 况 下， 成功转型的好办 法。
［ (］ ； 变形流动， 但粘度比液态金属高， 容易控制 # 复合
， 它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， 其中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固 B 液混合浆料。该技术自问世以来， 一直倍受重视， 发展至今， 随着 金 属 半 固 态 成 形 理 论 研 究 的 日 臻 完 善， 金属半固体成形工艺也渐进成熟。本文在介绍成 形原理的基础上， 介绍了金属半固态成形工艺。
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铸造技术 ,-./012 3456/-7-82
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金属半固态成形工艺概述
杨& 妮， 葛正浩， 任& 威， 李晓芳
（ 陕西科技大学机电工程学院， 陕西 咸阳 ?%!"*% ）
摘要： 分析了非枝晶半固态金属的特性和半固态金属的成形特征， 在此基础上， 较详细介绍了金属半固态成形工艺， 包括触变 成形和流变成形技术。同时， 分析了各种成形工艺的优、 缺点以及应用范围。 关键词： 金属半固态成形； 非枝晶半固态金属； 触变成形； 流变成形
@ & 金属半固态成形机理
%+ %& 非枝晶半固态金属的特性 实验表明， 这种液、 固相共存的状态， 使非枝晶半 固态金属具有以下优点 ： ! 表面粘度低。在普通铸 造条件下， 初生晶以枝晶方式长大， 当固相分数达到 "+ ! 左右时， 枝晶就形成连续的网络骨架， 从而失去宏 观流动性， 而球状非枝晶仍能运动， 这一点保证了在 一定压力下半固态金属良好的充型能力， 能够获得形 状复杂的零件； "触变性好。固相分数为 "+ @ C "+ # 的 非枝晶半固态金属静置后， 很容易形成固态， 可以像 固态金属一样进行搬运， 搅拌后， 又会恢复流动性， 这 一特性是半固态金属触变成形的理论基础； # 比液态
［ ?］ 艺 （ 图 %） 。触变挤压成形是注塑和挤压成形过程的
（图 C ） ， 将高温液态合金通过进料口注入到搅拌室， 液 态合金在重力和螺旋杆的搅拌作用下， 缓慢冷却， 形 成半固态浆料， 当在注射口堆积一定体积时， 由注射 装置注射成形。
结合。半固态浆料的二次加热类似于注塑成形， 而模 具则为挤压成形模具。
& & 金属半固态成形技术是 !" 世纪 ?" 年代产生的新 技术
［ %］
金属的热容量低。与传统的液态成形相比， 半固态金 属未达熔点温度， 成形温度低， 对模具的热冲击小， 并 且由于半固态金属中已有相当分数的已凝固金属存 在， 所以凝固速度快， 生产效率高。 %+ !& 金属半固态成形的特点 凭借非枝晶半固态金属的优良特性， 使得金属半 固态加工与传统的加工方式相比， 具有几点明显的优 势： !与固态金属加工比较。半固态浆料具有流变性 和触变性， 变形抗力小， 提高成形速度， 进行复杂件成 形， 缩短加工周期， 利于节能节材， 可进行连续形状的 高速成形； "与液态金属加工比较。随着固相分数的 降低， 呈现粘性流体特性， 在微小外力作用下可发生
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［ ;］ 变注射成形机 （ 图 <） ， 双螺旋杆旋转剪切力大， 并使
统构成。剪切机构由内、 外两个同心圆锥筒构成， 其 内筒由电机带动转动， 外筒固定， 通过调整内筒转速 和升降内筒高度 （ 即调整内、 外筒之间的缝隙） ， 使半 固态金属浆料 在 内、 外筒缝隙之间受到剧烈剪切作 用， 从而制备出晶粒细小、 组织均匀的半固态金属浆 料， 可进行后续的压铸、 挤压、 压轧或锻造加工。 32 32 R! 流变铸轧 半固态镁合金板带连续铸扎是比较典型的触变
［ H］ （ <0=56>*,0 G,@./*01） 原理研制了流变射铸成形技术
该设备由原料料斗、 预热装置、 螺旋注射机、 加热 装置以及压铸机等组成。触变注射成形过程首先将 碎化的颗粒状原料， 由料斗送入高速螺旋注射机进行 加热、 搅拌到半固态状态， 在靠近喷嘴端处， 将半固态 浆料温度控制在固相线温度以上， 最后通过喷嘴将半 固态浆料高速注射到压铸模具中， 凝固成形得到成形 件。 %’ #’ %! 触变挤压 仿照 ()*+,-,./*01 模型， 产生了触变挤压成形工
［ @］ 半固态成形工艺 。
A & 金属半固态成形工艺
当前， 金属半固态成形的基本工艺方法可分为流 变成形和触变成形。流变成形是利用流变浆料直接 进行成形。而触变成形是将流变浆料凝固成锭， 按需
! 《 铸造技术》 "# $ %""&
! 杨! 妮等： 金属半固态成形工艺概述
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要将此金属锭切成一定大小， 然后重新加热至金属的 半固态温度区， 这时的金属锭称为半固态金属坯料， 再利用金属的半固态坯料进行成形加工。 %’ #! 半固态金属的触变成形 %’ #’ #! 触变注射成形 （ ()*+,-,./*01） 触变注射成形工艺 （ 图 #） 是由美国 2,3 4)5-*67. 公司开发的技术， #88% 年由日本制钢所引入并完成成 形机的研制开发， 现在是半固态加工领域中最成功、 应用最广的技术之一。触变注射成形技术采用了一 种所谓 “ 一体化” 的成形方式， 将压铸和注塑工艺合二 为一， 其中模具和成形材料与压铸工艺相似， 而工艺 过程接近于注塑成形。此外， 该方法集半固态金属浆 料的制备、 输送和成形过程于一体， 较好解决了半固 态浆料的保存和输送难题， 提高了生产效率。
图 C! 流变射铸成形 9*1’ C! I)5,:,;-*01 <0=56>*,0 -,./*01
随后， 英国 J;@05. 大学范仲云等人用双螺旋杆替
图 %! 触变挤压成形 9*1’ %! ()*+,:,;-*01 5+>;@A*,0 -,./*01
代了搅拌室的单螺旋杆， 发明了双螺旋半固态金属流
32 32 3! 锥桶式半固态流变成形 北京科技大学的孙建林等人利用金属浆料通过 旋转的斜锥形内外筒之间的缝隙时， 受到剧烈剪切应 力场作用的原理， 成功地研制开发了一种新型的具有 独特结构的半固态金属浆料制备与直接流变成形装
［ 59 ］ 置— — —锥桶式半固态流变成形装置 （ 图 N） 。
图 :! 流变铸轧 "=>2 :! ’HD0I0CF=8> H0L F=11=8>