第四章半固态金属加工技术PPT课件
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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。
四、半固态金属加工技术
(b) 连续式
图4-5 半固态机械搅拌装置示意图
几种机械搅拌装置示意图 (a)棒式 (b)螺旋式 (c)底浇式 (d)倾转式
2、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 铸形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。
剪切速率对表观粘度的影响
（3）冷却速度对表观粘度的影响
不同冷却速度下ηa—fs曲线
（4）合金成分对表观粘度的影响
不同合金成分的ηa—fs曲线
3、流变性与组织的关系
半固态金属材料的性质（如表观粘度）必然受到材料内 部微观组织状态的影响。
部分凝固合金的内部组织状态由它的固相组织状态决定。
固相的数量、大小、形状和分布等参数决定了表观粘度的高 低。
（1） 固相分数
固相分数越高，部分凝固合金液相量越少，流动性 越差。表观粘度随固相分数增加而上升。 （2） 搅拌强度对半固态组织的影响
电磁搅拌用磁感应强度描述搅拌强度，电磁搅拌造 成“晶粒倍增”。
不同搅拌强度下Al-6.6%Si合金组织
在电磁搅拌作用下，铝液的湍流对流不断将热脉冲带到液 固界面，加速枝晶臂的熔化，枝晶臂被分离后，随湍流带到 稍微过冷的液体中，形成新的晶体，造成晶粒倍增。 搅拌强度越大，晶粒倍增现象越明显，晶粒越细小。
（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；
图4-2 半固态金属和强化粒子(纤维)的搅拌混合
(5)由于固相粒子间几乎无结合力， 在特定部位虽然容易分离，但由
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。
半固态成形
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 触变成形 thixoforming 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 成形加工的方法为触变成形
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
(7) 倾斜冷却板制备法 原理：如图10所示，金属液通过坩埚倾倒在内部具有水冷却装置的冷却 板上，金属液冷却后达到半固态。，流入模具中制备成半固态坯料。
图10 倾斜冷却板制备半固态坯料的工艺及设备图
4、半固态金属触变成形
(1) 触变成形工艺及设备 触变成形(Thixomolding)由美国的Dow公司开发的，1992年由日本引入 并完成成形机的研制开发。图11为Thixomolding工艺的简图，其设备由原 料入料与预热装置、螺旋注射机、加热装置以及压铸机等部分组成。 设备特点： ① 原料进入料斗后边加热边剪切 搅拌，最后形成半固态的状态 再射入模具中； ② 半固态浆料的固相分数可控性 强，成形件质量高、性能稳定 ③ 螺旋机内密闭性好，在成形过 程中不需要严格的保护性气氛 进行保护，仅在投料口处用少 量的Ar气保护即可。
(3) 应变诱导熔化激活法
利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯。
将该金属锭坯在回复再结晶的温度范围内进行大变形量 的热态挤压变形，通过变形破碎铸态组织。 再对热态挤压变形过的坯料加以少量的冷变形，在坯料的 组织中储存部分变形能力。
机械搅拌示意图
按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并 适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料。
《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。
半固态金属加工技术
改造技术推广
机械搅拌法 在 半 固态 金 属工艺 制 造 中机 械搅 拌 法是 其 中最 早使 用 的一 种方 法 ，常见 的是 在熔 融金 属 中放 入搅 拌棒 以 及通 过 两个同心圆筒组成 ，内部圆筒静止而外部圆筒旋转以产生
搅拌 效 果两 种方 式 。机 械搅 拌法 通 过控 制搅 拌 的速 度和 冷
和 触变 成型 的效 果 。 综 上 ，与普 通Ａ ｇ ， ） Ｊ Ｄ 工 铸造 方法 不 同 ，半 固 态金 属加 工
要是通过对金属凝固过程中进行搅拌而获得半固态浆料 ， 并让 其保 持一 定温 度而 直接 成型 ，该 工 艺生产 效率 高 、流 程短 而倍 受欢 迎 ；对于 后者 来说 ，则 较 为复 杂 ， 是 先要 把 半固态浆料制成坯料 ，然后再根据所需产品的尺寸重新加 热至半固态温度后成型 ，这～工艺虽然复杂但容易实现 自
改造技术推，
ＤＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ８ ９ ７ ２ 。 ２ ０ １ ５ ． ０ ８ ． ０ ３ ０
半 固态金属加工技术
改造者 ：李
半 固态 金属加 工技 术是 当前一 项热 门研 究领域 ，本文 通过对 Ｍｌ Ｔ 工艺 、 ＮＲ Ｃ工艺和冷却斜槽法三种半固态金属加工工艺的论述 ， 并就半 固态金属加工工艺 的核心环节——坯料 制备 方法进行了详细 论述 ，并对该工艺的应用和需要解决的难题作了探讨。
冷却斜槽 法
半 固态金属 加工工艺
半 固态金 属加 工 成型主 要 有压 铸和 锻造 两种 手段 ，此 外 ，现 在也 有人 通过 挤压 或 者轧 制等方 法进 行生 产 ，其 工
冷却斜 槽 法是 用于 铝合 金和 镁合 金 的一种 半 固态 坯料 新 工艺 ，冷 却斜槽 ｉ ： Ｚ － － Ａ ９ 工 艺原 理是 把高 于液相 温 度线 之上 的熔融金属直接倒在冷却斜槽上 ，通过冷却斜槽的作用 ， 在斜槽的表壁上生成许多细小晶粒 ，然后再通过金属流体
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。
金属加工工艺培训课件(PPT-69页)
三、淬火
❖ 把工件加热到一定温度（临界温度以上）， 经过一定时间保温后，在水、油或盐水中急 速冷却的操作过程叫淬火。
❖ 按加热程度不同分为： ❖ 整体淬火和表面淬火。
❖一般分为自由锻和模锻。 ❖常用于生产大型材、开坯等。
一、自由锻
利用冲击力或压力使金属在上下两个 抵铁之间产生变形，从而得到所需形状 及尺寸的锻件。分手工锻造、机械锻造 两种。 工具简单，通用性强，应用广泛。
二、模锻
❖ 按设备不同分为： ❖ 锤上模端、胎膜锻、 压力机上模锻 ❖ 锤上模锻设备有： ❖ 蒸汽空气锤、五砧座锤、高速锤
激光焊接法
某些物质原子中的粒子受光或电刺激， 使
低能级的原子变成高能级原子，辐射出相位 、
频率、方向完全相同的光，具有颜色单纯、
特点： (1)焊接速度快，加工时间短暂 (2)准确性高，被焊金属无需包埋固定，无变
形 (3)不受电磁于扰，可直接在大气中进行焊接
， 操作方便 (4)热影响区小，激光焊接加热区域小、热量
冲孔：利用特殊工具在金属片上冲剪出一定 造型的工艺，大，小批量生产都可以适用。
冲切：与冲孔工艺基本类似，不同之处在于 前者利用冲下部分，而后者利用冲切之后金属 片剩余部分。
切屑成型：当对金属进行切割的时候有切 屑生产的切割方式统称为切屑成型，包括铣 磨，钻孔，车床加工以及磨，锯等工艺。
无切屑成型：利用现有的金属条或者金属 片等进行造型。没有切屑产生。这类工艺包 括化学加工，腐蚀，放电加工，喷砂加工， 激光切割，喷水切割以及热切割等。
优点： 成本低，可用价廉易得的 CO2代替焊剂，焊接成本仅是埋弧 自动焊和手弧焊的40%左右。生产 效率高、操作性好、质量较好。
缺点： CO2的氧化作用使溶滴飞溅 较为严重，因此焊缝成型不够光滑 ，另外焊接烟雾较大，弧光强烈， 如果控制或操作不当，容易产生气
液态金属加工中的半固态加工技术
半固态加工技术，一种基于新型液态金属的先进加工方法，近年来在制造业中受到了广泛的关注。
该技术不仅革新了传统加工方式，还在很大程度上提升了加工效率和质量。
首先，半固态加工技术的基础是液态金属。
这种新型液态金属在常温下表现出类似固态的物理特性，如高强度、易成型，同时又具有液体的流动性。
这种特性使得它能够在保持一定流动性的同时，实现像固态一样的成型和加工。
这为制造业提供了一种全新的材料加工方式。
在半固态加工技术中，这种液态金属被用作模具和工具，通过挤压、压制、注射等手段，制造出各种形状和尺寸的产品。
相比于传统的加工方法，这种技术具有许多优势。
首先，由于半固态金属的高强度和高流动性，产品在加工过程中能保持更高的精度和稳定性，大大减少了废品率。
其次，半固态金属的快速凝固特性，使得它可以实现快速冷却和固化，极大地提高了生产效率。
最后，由于其独特的物理特性，半固态金属可以更容易地实现自动化生产，降低了对人工的依赖。
然而，尽管半固态加工技术具有许多优点，但它并不是无懈可击的。
在实际应用中，如何控制液态金属的流动性和凝固速度，如何保证产品的质量和精度，都是需要解决的问题。
这就需要我们进一步研究和探索半固态金属的物理和化学特性，以及如何利用这些特性来优化加工过程。
总的来说，半固态加工技术是一种具有巨大潜力的新型加工技术。
它以液态金属为基础，通过改变金属的物理和化学特性，实现了更高的加工精度和效率。
然而，这项技术还有许多需要解决的问题和挑战。
只有通过不断的研究和探索，我们才能更好地利用这种技术，推动制造业的发展。
yh第四章半固态成型.
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。
Thixomolding工艺简图
Thixomolding成形件的特点： ① 表面质量和内部质量改善； ② 成形件尺寸精度提高； ③ 力学性能提高； ④ 耐蚀性提高； ⑤ 可精密成形薄壁件
三种镁合金采用Thixomolding和模铸成形件的力学性能比较 材料 AZ91D AM60B ZM50A 成形方法 Thixomolding 模 模 模 铸 铸 铸 屈服强度/MPa 180 160 抗拉强度/MPa 299 230 伸长率/% 10 3
• 1960年美国加州理工学院的 P Duwez等采用一种
独特的熔体急冷技术，第一次使液态合金在大于
10 7 K/s 的冷却速度下凝固。他们的发现，在世界
的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的
广阔的研究领域。在快速凝固条件下，凝固过程
的一些传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。经
典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应，
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。
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。
半固态成形技术
适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料。
(4) 液态异步轧挤法
原理：利用一个极限旋转的辊轮把静止的弧状结晶壁上生长的初晶不断 碾下、破碎，并与剩余的液体一起混合，形成流变金属浆料，是一种高效 制备半固态坯料的方法。
(5) 超声振动法
原理：利用超声机械振动波扰动金属的凝固过程，细化金属晶粒，获得 球状初晶的金属浆料。
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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
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
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 6.结晶器外壁7.坯料的固液前沿 8.搅拌器 9.坯料 10.引锭底托11.引 锭杆 12.引锭机 13.引锭丝杠
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电磁搅拌垂直半连续铸造示意2图2
电磁搅拌
1.拉拨机构 2.坯料 3.搅拌绕组 4.冷却 水阀 5.搅拌控制器 6.流量控制器 7.浇口盆 8.中间包 9.熔化炉 10.导流管 11.陶瓷环 12.冷却水箱 13.结晶器
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。
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。
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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
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图4-19 压射室制备半固态合金浆料和流变成形示意图
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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
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
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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
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11—射嘴
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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
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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
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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
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第4章 半固态金属加工技术
图4-6 转轮式制浆装置
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第4章 半固态金属加工技术
第4章 半固态金属加工技术
图4-25 低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变压铸示意图 1—熔化炉；2—合金液；3—电磁搅拌器；4—半固态合金浆料；5—坩埚； 6—加热；7—压铸机压射；8—压铸；9—压铸型腔；10—压铸机
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第4章 半固态金属加工技术
图4-26 半固态SnPbl5合金浆料直接轧制工艺原理示意图
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第4章 半固态金属加工技术
1 第一步 2
第二步 3
第三步
第四步 7
4
6
5
图4-22 低过热度倾斜板浇注式流变成形工艺原理示意图
1-熔化坩埚；2-合金液；3-倾斜板；4-收集坩埚；5-压射室；6-压铸型；7-铸件
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第4章 半固态金属加工技术
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第4章 半固态金属加工技术
(g) 家用设备
(h) 休闲运动器件
图4-18 以触变注射成形工艺制造的镁合金零件实例
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第4章 半固态金属加工技术
(a)浇注
(b)电磁搅拌 (c)调整压射室位置 (d)压射成形
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(d) 锻件
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第4章 半固态金属加工技术
图4-16 闭模锻造示意图
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第4章 半固态金属加工技术
图4-17 触变注射成形原理示意图 1—模具架；2—模型；3—半固态镁合金累积器；4—加热器；5—镁粒料斗； 6 —给料器：7—旋转驱动及注射系统；8—螺旋给进器；9—筒体； 10—单向阀；
上 搅 拌 器 下 搅 拌 器
液 流 方 向
图4-9 半固态浆料复合电磁搅拌连续制备技术示意图
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第4章 半固态金属加工技术
图4-10 超声波振动半固态浆料制备原理示意图
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第4章 半固态金属加工技术
图4-11 一种二次加热装置的原理图
图4-12 半固态金属重熔硬度 测定装置
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第4章 半固态金属加工技术
(a)柸料二次加热 (b) 坯料放入压制室型腔 (c) 压射成型
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图4—13 半固态金属触变压铸示意图
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(d)压铸件
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第4章 半固态金属加工技术
(a)垂直搅拌式
(b)水平搅动式
(c)螺旋搅动式
图4-7 电磁搅拌制备半固态坯料的三种搅拌方式示意图
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第4章 半固态金属加工技术
图4-8 带内部转子的电磁流变铸造示意图
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第4章 半固态金属加工技术
浇 口 杯 金 属 液
1—主轧辊；2—硅橡胶面；3—流变器；4—半固态SnPbl5合金浆料；5—销钉； 6、8—张紧轮；7—硅橡胶带； 9—支撑辊； 10—杠杆； 11—校直点； 12—合金薄带；
13—驱动轮； 14—弹簧秤；15—载荷调节螺母
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第4章 半固态金属加工技术
（a) 双轮牵引式薄板坯连铸机
第4章 半固态金属加工技术
图4-1 半固态金属(合金)的内部结构
图4-2 半固态金属和强化粒子(纤维) 的搅拌混合
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第4章 半固态金属加工技术
图4-3 球形组织的演化过程示意图
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材料成型半固态铸造装置示意图 1—金属液；2—加热炉；3—冷却器；4—流变铸锭；5—料坯； 6—软度指示仪；7—坯料二次加热器；8—压射室；9—压铸模；
图4-14 半固态金属触变压铸设备平面布置图
1—压铸机；2—压铸件抓取机械手；3—锯切机构；4—压铸件冷却箱；
5—涂料喷涂装置；6—加热系统；7—坯料搬运机械手
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第4章 半固态金属加工技术
(a) 柸料二次加热 (b) 坯料放人锻模型腔
(c) 锻压成形
图4-15 半固态金属触变锻造示意图
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第4章 半固态金属加工技术
A-出浆区段 B-浆料熟化区段 C-搅拌、挤压、剪切和搓碾制浆区段 D-导向区段 E-加料区 段
图4-21 双螺旋流变成型工艺原理示意图 1-出浆阀 2-双螺杆 3-筒体 4-加热器 5-加料口 6-驱动系统
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