第9章半固态成形技术 PPT

(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 成形加工的方法为触变成形
(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。
• 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；
①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。
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
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。
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。
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
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
第九章
半固态成形
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
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。
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 液压 芯下 压 下
轧制 锻压 挤压 超塑成形 特种固体成形
图1 金属在高温下三态成形加工方法的相互关系
• 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；
① 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；
图3 半固态金属和 强化粒子(纤维)的搅拌混合
• 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；
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
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(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
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
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 来自百度文库l-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。球形组织的形成过 程？
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。
图5 半固态金属变形时液相 成分和固相成分的流动
与普通加工方法相比，半固态金属加工的优点：
• 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；
二次加热
成形
触变成形
部件毛坯
(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(流变成形和触变成形)的工艺流程图
(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。
• 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
• 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。
• 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
图2 半固态金属的内部结构： (a) 高固相分数， (b) 低固相分数
半固态金属的金属学和力学 主要有以下几个特点：
• 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；
• 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；