半固態(tài)成形技術(shù)

1、 .2 半固態(tài)成形半固態(tài)成形 l半固態(tài)成形概述 l半固態(tài)金屬的組織特性、形成機(jī)理 與力學(xué)行為 l半固態(tài)金屬的制備方法 l半固態(tài)金屬觸變成形 l半固態(tài)金屬流變成形 金屬材料在液態(tài)、固態(tài)和半固態(tài)三個(gè)階段均呈現(xiàn)出明顯不同的物理特性，利 用這些特性，產(chǎn)生了凝固加工、塑性加工和半固態(tài)加工等多種金屬熱加工成形 方法。圖1表示金屬在高溫下三態(tài)成形加工方法的相互關(guān)系。 圖1 金屬在高溫下三態(tài)成形加工方法的相互關(guān)系 液態(tài)加工液態(tài)加工 （鑄造成形）（鑄造成形） 半固態(tài)加工半固態(tài)加工 (流變流變/觸變成形觸變成形) 固態(tài)加工固態(tài)加工 （塑性成形）（塑性成形） 重力鑄造重力鑄造 精密鑄造精密鑄造 壓力鑄造壓力鑄造 液

2、態(tài)模鍛液態(tài)模鍛 液態(tài)鑄軋液態(tài)鑄軋 連續(xù)鑄擠連續(xù)鑄擠 半固態(tài)軋制半固態(tài)軋制 半固態(tài)擠壓半固態(tài)擠壓 半固態(tài)壓鑄半固態(tài)壓鑄 半固態(tài)鍛造半固態(tài)鍛造 軋制軋制 鍛壓鍛壓 擠壓擠壓 超塑成形超塑成形 特種固體成形特種固體成形 流流 變變 鑄鑄 造造 高高 速速 連連 續(xù)續(xù) 鑄鑄 造造 連連 續(xù)續(xù) 帶帶 液液 芯芯 壓壓 下下 連連 鑄鑄 輕輕 壓壓 下下 1、概述、概述 半固態(tài)成形原理 利用非枝晶半固態(tài)金屬(Semi-Solid Metals，簡稱SSM)獨(dú)有的 流變性和攪熔性來控制鑄件的質(zhì)量。 半固態(tài) 成形方法 流變成形 rheoforming 觸變成形 thixoforming 在金屬凝固過程中，對(duì)其

3、施以劇烈的攪拌作用， 充分破碎樹枝狀的初生固相，得到一種液態(tài)金 屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的固 -液混合漿料(固相組分一般為50%左右)，即 流變漿料，利用這種流變漿料直接進(jìn)行成形加 工的方法稱之為半固態(tài)金屬的流變成形。 如果漿流變漿料凝固成錠，按需要將此金屬錠 切成一定大小，然后重新加熱(即坯料的二次 加熱)至金屬的半固態(tài)溫度區(qū)(金屬錠稱為半固 態(tài)金屬坯料)。利用金屬的半固態(tài)坯料進(jìn)行成 形加工的方法為觸變成形 (1)半固態(tài)成形技術(shù)定義 (2) 半固態(tài)金屬的特點(diǎn) 圖2 半固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)： (a) 高固相分?jǐn)?shù)， (b) 低固相分?jǐn)?shù) 半固態(tài)金屬(合金)的內(nèi)部特征是固液相混合共存，在晶

4、粒邊界存在金屬 液體，根據(jù)固相分?jǐn)?shù)不同，其狀態(tài)不同，圖2為半固態(tài)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意 圖?？梢?，高固相分?jǐn)?shù)時(shí)，液相成分僅限于部分晶界；低固相分?jǐn)?shù)時(shí)，固 相顆粒游離在液相成分之中。 半固態(tài)金屬的金屬學(xué)和力學(xué) 主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 由于固液共存，在兩者界面不斷 發(fā)生熔化、凝固，產(chǎn)生活躍的擴(kuò) 散現(xiàn)象，因此，溶質(zhì)元素的局部 濃度不斷變化； 由于晶粒間或固相粒子間夾有液 相成分，固相粒子間幾乎沒有結(jié) 合力，因此，其宏觀流動(dòng)變形抗 力很低； 隨著固相分?jǐn)?shù)的降低，呈現(xiàn)黏性 流體特性，在微小外力作用下即 可很容易變形流動(dòng)； 當(dāng)固相分?jǐn)?shù)在極限值(約75%)以下 時(shí)，漿料可以進(jìn)行攪拌，并可很 容易混入異種材料的粉末、

5、纖維 等，如圖3所示； 圖3 半固態(tài)金屬和 強(qiáng)化粒子(纖維)的攪拌混合 由于固相粒子間幾何無結(jié)合力，在 特定部位雖然容易分離；但由于液 相成分的存在，又很容易地將分離 的部位連接形成一體化，特別是液 相成分很活躍，不僅半固態(tài)金屬間 的結(jié)合，而且于一般固態(tài)金屬材料 也容易形成很好的結(jié)合，如圖4所示； 含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材 料也可通過半熔融狀態(tài)在低加工力 下進(jìn)行成形加工； 當(dāng)施加外力時(shí)，液相成分和固相成 分存在分別流動(dòng)的情況，如圖5所示， 一般來說，存在液相成分先行流動(dòng) 的傾向。 液相先行流動(dòng)的現(xiàn)象在固相分?jǐn)?shù)很 高、很低或加工速度特別高的情況 下很難發(fā)生，主要是在中間固相分 數(shù)范圍或低加

6、工速度下比較顯著。 圖4 半固態(tài)金屬的 (a) 分離， (b) 結(jié)合 圖5 半固態(tài)金屬變形時(shí)液相 成分和固相成分的流動(dòng) 與普通加工方法相比，半固態(tài)金屬加工的優(yōu)點(diǎn)： 黏度比液態(tài)金屬高，容易控制：模具夾帶的氣體少，減 少氧化、改善加工性，減少模具粘接，可進(jìn)行更高速的 部件成形，改善表面光潔度，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和形成新 加工工藝； 流動(dòng)應(yīng)力比固態(tài)金屬低：半固態(tài)漿料具有流變性和觸變 性，變形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且 可進(jìn)行復(fù)雜件成形，縮短加工周期，提高材料利用率， 有利于節(jié)能節(jié)材，并可進(jìn)行連續(xù)形狀的高速成形(如擠 壓)，加工成本低； 應(yīng)用范圍廣：凡具有固液兩相區(qū)的合金均可實(shí)現(xiàn)半固態(tài) 加工

7、、可適用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和 鍛壓等，并可進(jìn)行材料的復(fù)合及成形。 (3) 半固態(tài)成形的基本工藝方法 半固態(tài)坯料制備 二次加熱 觸變成形 合金原料設(shè)計(jì)、配制 加熱、熔煉 攪拌(機(jī)械或電磁等) 半固態(tài)漿料 流變壓鑄成形 其他流變成形 部件毛坯 經(jīng)加熱熔煉的合金原料液體 通過機(jī)械攪拌、電磁攪拌或 其他復(fù)合攪拌，在結(jié)晶凝固 過程中形成半固態(tài)漿料。 流變 成形 觸變 成形 (3) 半固態(tài)成形的基本工藝方法 流變成形 (流變鑄造) 圖6 半固態(tài)金屬加工兩種方法(流變成形和觸變成形)的工藝流程圖 觸變成形 (觸變鑄造) (4) 半固態(tài)成形的研究及進(jìn)展 最早于20世紀(jì)70年代初期， 由美國麻省

8、理工 學(xué)院的M.C.Flemings教授和David Spencer博士提 出。 根據(jù)所研究的材料，可分為有色金屬及其合 金的低熔點(diǎn)材料半固態(tài)加工和鋼鐵材料等高熔點(diǎn) 黑色金屬材料半固態(tài)加工。 有色金屬及其合金的低熔點(diǎn)材料半固態(tài)成形研究 鋁、鎂、鉛、銅 研究重點(diǎn)在成形工藝的開發(fā) 鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)（觸變成形）已經(jīng)成熟并進(jìn)入 規(guī)模生產(chǎn)，主要應(yīng)用于汽車、電器、航空航天領(lǐng)域。 高熔點(diǎn)黑色金屬的半固態(tài)成形研究 D2、HS6-5-2高速工具鋼、100Cr6鋼、60Si2Mn彈簧鋼、 AISI304不銹鋼、C80工具鋼、鑄鐵等 選擇的材料液固線溫度區(qū)間較?。?高溫半固態(tài)漿料難以連續(xù)穩(wěn)定地制備； 熔體的溫度

9、、固相的比率和分布難以準(zhǔn)確控制； 漿料在高溫下輸送和保溫困難； 成形溫度高，工具材料的高溫性能難以保證等。 2、半固態(tài)金屬的組織特性、形成機(jī)理與力學(xué)行為、半固態(tài)金屬的組織特性、形成機(jī)理與力學(xué)行為 (1) 非枝晶的形成與演化 圖7 Al-20Cu合金未攪拌和機(jī)械攪拌(流變鑄造)狀態(tài)的凝固組織 液體金屬在凝固過程中攪拌且激冷，其結(jié)晶造成固體顆粒的初始形貌 呈樹枝狀，然后在剪切力作用下，枝晶會(huì)破碎，形成小的球形晶，圖7 未常規(guī)鑄造和半固態(tài)鑄造的組織對(duì)比，可見利用流變鑄造方法生產(chǎn)的半 固態(tài)金屬具有獨(dú)特的非枝晶、近似球形的顯微結(jié)構(gòu)。球形組織的形成過 程？ 球形結(jié)構(gòu)的演化過程： 結(jié)晶開始時(shí)，攪拌促進(jìn)了晶核

10、的產(chǎn)生，此時(shí)晶核是以枝晶生長方式 進(jìn)行的； 隨著溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長方式進(jìn)行，但由于攪 拌的作用，造成晶粒之間互相磨損、剪切以及液體對(duì)晶粒劇烈沖刷， 這樣，枝晶臂被打斷，形成了更多細(xì)小晶粒，其自身結(jié)構(gòu)也逐漸向 薔薇形演化； 隨著溫度的繼續(xù)下降，最終使得這種薔薇形結(jié)構(gòu)演化成更簡單的球 形結(jié)構(gòu)，演化過程如圖8所示。 球形結(jié)構(gòu)的最終形成要靠足夠的冷卻速度和足夠高的剪切速率，同時(shí)這 是一個(gè)不可逆的結(jié)構(gòu)演化過程，即一旦球形的結(jié)構(gòu)生成了，只要在液固區(qū)， 無論怎樣升降合金的溫度(不能讓合金完全熔化)，它也不會(huì)變成枝晶。 圖8 球形微粒固態(tài)金屬加工兩種方法(流變成形和觸變成形)的工藝流程圖 有

11、色金屬半固態(tài)組織的演變機(jī)制主要有以下三種： 枝晶臂根部斷裂機(jī)制。因剪切力的作用使枝晶臂在根部斷裂。 最初形成的樹枝晶是無位錯(cuò)和切口的理想晶體，很難依靠沿著自 由浮動(dòng)的枝晶臂的速度梯度方向產(chǎn)生的力來折斷。因此，必須加強(qiáng) 力攪拌，在剪切力作用下從根部折斷。 枝晶臂根部熔斷機(jī)制。 晶體在表面積減小的正常長大過 程中，枝晶臂由于受到流體的快速 擴(kuò)散、溫度漲落引起的熱震動(dòng)及在 根部產(chǎn)生應(yīng)力的作用，有利于熔斷， 同時(shí)固相中根部溶質(zhì)含量較高，也 降低熔點(diǎn)，促進(jìn)此機(jī)制的作用，機(jī) 理如圖9所示。 圖9 枝晶臂發(fā)生熔斷示意圖 半固態(tài)漿料攪動(dòng)時(shí)的組織演變受很多因素影響，半固態(tài)漿料的 溫度、固相分?jǐn)?shù)和剪切速率是三個(gè)基

12、本因素。 枝晶臂彎曲機(jī)制。 此機(jī)制認(rèn)為，位錯(cuò)的產(chǎn)生并積累導(dǎo)致塑性變形。在兩相區(qū)，位錯(cuò) 間發(fā)生攀移并結(jié)合成晶界，當(dāng)相鄰晶粒的傾角超過20時(shí)，界面能 超過固液界面能的兩倍，液相將侵入晶界并迅速滲入，從而使枝晶 臂從主干分離。 注：以上三種機(jī)制都有一定的依據(jù)，但附加位錯(cuò)如何發(fā)生 恢復(fù)和再結(jié)晶或如何遷移、固液漿料的溫度起伏還缺乏必 要的試驗(yàn)依據(jù)，因此，金屬半固態(tài)組織的演變機(jī)制還有很 多基本理論及技術(shù)問題需要解決。 (2) 半固態(tài)金屬的力學(xué)行為 下表為用不同加工方法獲得的A356鋁合金的力學(xué)性能，從表中可以看出， 半固態(tài)金屬加工技術(shù)的優(yōu)越性。如觸變成形并在T6狀態(tài)下的性能較金屬型 鑄造所獲得的合金有更好

13、的力學(xué)性能，并與鍛件的性能相近。 注：SSM為半固態(tài)加工；PM為金屬型鑄造；CDF為閉模鍛造 幾種鑄造方法鑄件性能比較幾種鑄造方法鑄件性能比較 3、金屬半固態(tài)的制備方法、金屬半固態(tài)的制備方法 金屬半固態(tài)漿料或坯料的制備是半固態(tài)成形加工的基礎(chǔ)，目前半固態(tài)漿 料或坯料的制備方法很多，常用的方法是有電磁攪拌法和機(jī)械攪拌法。 (1) 電磁攪拌法 電磁攪拌法是利用感應(yīng)線圈產(chǎn)生的平行于或者垂直于鑄型方向的強(qiáng)磁場 對(duì)處于液-固相線之間的金屬液形成強(qiáng)烈的攪拌作用，產(chǎn)生劇烈的流動(dòng)， 使金屬凝固析出的枝晶充分破碎并球化，進(jìn)行半固態(tài)漿料或坯料的制備。 優(yōu)點(diǎn)：不污染金屬液，金屬漿料純凈，不卷入氣體， 可以連續(xù)生產(chǎn)流變

14、漿料或連續(xù)鑄錠坯，產(chǎn)量 可以很大。 缺點(diǎn)：直徑大于150mm的鑄坯不宜采用電磁攪拌法 生產(chǎn)。 影響因素：攪拌功率，攪拌時(shí)間，冷卻速度， 金屬液溫度，澆注速度 電磁攪拌示意圖 電磁攪拌 電磁攪拌垂直半連續(xù)鑄造示意圖 1.中間包底口2.結(jié)晶器引流口3. 水室隔墻 4.冷卻水室5.結(jié)晶器陶瓷 內(nèi)襯6.結(jié)晶器外壁7.坯料的固液前沿 8.攪拌器9.坯料10.引錠底托11. 引錠桿12.引錠機(jī)13.引錠絲杠 電磁攪拌是工業(yè)制備鋁合金半固 態(tài)坯料的主要工藝方法，與連鑄相結(jié) 合進(jìn)行高效率坯料連續(xù)制備。 電磁攪拌 水平電磁攪拌連續(xù)鑄造示意圖 1.拉撥機(jī)構(gòu) 2.坯料 3.攪拌繞組 4.冷卻 水閥 5.攪拌控制器

15、6.流量控制器 7.澆口盆 8.中間包 9.熔化爐 10.導(dǎo)流管 11.陶瓷環(huán) 12.冷卻水箱 13.結(jié)晶器 (2) 機(jī)械攪拌法 該方法利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的葉片或攪拌棒改變凝固中金屬初晶的生長與演化， 以獲得球狀或類球狀的初生固相的半固態(tài)金屬流變漿料。 優(yōu)點(diǎn)：攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。 缺點(diǎn)：攪拌棒材質(zhì)要求嚴(yán)格，易造成合金污染。 影響因素：攪拌室的溫度，攪拌葉片或棒的轉(zhuǎn)速。 機(jī)械攪拌示意圖 (3) 應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法（SIMA） 再對(duì)熱態(tài)擠壓變形過的坯料加以少量的冷變形，在坯料的 組織中儲(chǔ)存部分變形能力。 按需要將經(jīng)過變形的金屬錠坯切成一定大小，迅速將其加熱到固液兩相區(qū)并 適當(dāng)保溫，即可獲得具有觸

16、變性的球狀半固態(tài)坯料。 將該金屬錠坯在回復(fù)再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行大變形量 的熱態(tài)擠壓變形，通過變形破碎鑄態(tài)組織。 利用傳統(tǒng)連鑄方法預(yù)先連續(xù)鑄造出晶粒細(xì)小的金屬錠坯。 (4) 液態(tài)異步軋擠法 原理：利用一個(gè)極限旋轉(zhuǎn)的輥輪把靜止的弧狀結(jié)晶壁上生長的初晶不斷 碾下、破碎，并與剩余的液體一起混合，形成流變金屬漿料，是一種高效 制備半固態(tài)坯料的方法。 (5) 超聲振動(dòng)法 原理：利用超聲機(jī)械振動(dòng)波擾動(dòng)金屬的凝固過程，細(xì)化金屬晶粒，獲得 球狀初晶的金屬漿料。 (6) 粉末冶金法 原理：首先制備金屬粉末，然后進(jìn)行不同種類金屬粉末的混合，再進(jìn)行 粉末預(yù)成形，并將預(yù)成形坯料重新加熱至半固態(tài)區(qū)，進(jìn)行適當(dāng)保溫，即可

17、獲得半固態(tài)金屬坯料。要求粉末的粒度十分細(xì)小！ (7) 傾斜冷卻板制備法 原理：如圖10所示，金屬液通過坩堝傾倒在內(nèi)部具有水冷卻裝置的冷卻 板上，金屬液冷卻后達(dá)到半固態(tài)。，流入模具中制備成半固態(tài)坯料。 圖10 傾斜冷卻板制備半固態(tài)坯料的工藝及設(shè)備圖 4、半固態(tài)金屬觸變成形、半固態(tài)金屬觸變成形 (1) 觸變射鑄工藝及設(shè)備 觸變射鑄(Thixomolding)由美國的Dow公司開發(fā)的，1992年由日本引入 并完成成形機(jī)的研制開發(fā)。圖11為Thixomolding工藝的簡圖，其設(shè)備由原 料入料與預(yù)熱裝置、螺旋注射機(jī)、加熱裝置以及壓鑄機(jī)等部分組成。 圖11 Thixomolding工藝簡圖 設(shè)備特點(diǎn)：

18、原料進(jìn)入料斗后邊加熱邊剪切 攪拌，最后形成半固態(tài)的狀態(tài) 再射入模具中； 半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)可控性 強(qiáng)，成形件質(zhì)量高、性能穩(wěn)定 螺旋機(jī)內(nèi)密閉性好，在成形過 程中不需要嚴(yán)格的保護(hù)性氣氛 進(jìn)行保護(hù)，僅在投料口處用少 量的Ar氣保護(hù)即可。 Thixomolding成形件的特點(diǎn)： 表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量改善； 成形件尺寸精度提高； 力學(xué)性能提高； 耐蝕性提高； 可精密成形薄壁件 表2 三種鎂合金采用Thixomolding和模鑄成形件的力學(xué)性能比較 (2) 觸變壓鑄(Thixo-casting) 瑞士瑞士 BHLER 公司推出的觸變壓鑄設(shè)備公司推出的觸變壓鑄設(shè)備 與普通壓鑄成形工藝相比，半固態(tài)壓鑄具有成形

19、溫度低，凝固時(shí)間短， 成形周期短，部件質(zhì)量好，微觀組織均勻，高度自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。 半固態(tài)觸變壓鑄成形件 (3) 觸變鍛造(Thixo-forging) 觸變鍛造是將半固態(tài)金屬坯料移入鍛壓模具內(nèi)，然后模具的一部分向 另一部分運(yùn)動(dòng)并加壓成形，其原理如圖12所示。 圖12 觸變鍛造原理 半固態(tài)鍛造成形的優(yōu)點(diǎn)： 顯著降低鍛造過程中的變形抗力，擴(kuò)大了復(fù)雜成形件的范圍，可實(shí)現(xiàn)近 終成形(如薄壁件、底切槽件、孔形件和刃形輻射件等)，顯著減少工藝環(huán) 節(jié)，加工成本低，切削量少，材料利用率高。 半固態(tài)鍛壓成形件 (4) 觸變擠壓(Thixo-extrusion) 觸變擠壓是將半固態(tài)金屬坯料移入擠壓腔內(nèi)，然后通過模具

20、孔擠出成 形，其原理如圖13所示。 觸變擠壓成形的優(yōu)點(diǎn)： 顯著降低變形抗力，擴(kuò)大 了復(fù)雜件成形件的范圍，改 善了產(chǎn)品的成形性，Al、Mg 輕質(zhì)高強(qiáng)合金、MMC以及鋼 等都可以擠壓成形。 圖13 觸變擠壓原理圖 (5) 觸變軋制(Thixo-rolling) 觸變軋制是將半固態(tài)金屬坯料送入軋輥輥縫中進(jìn)行軋制成形的方法， 其原理如圖14所示。 觸變擠壓成形的特點(diǎn)： 在半固態(tài)金屬坯料的 固 相 分 數(shù) 很 高 時(shí) ( 如 80%以上)，其變形與 熱軋時(shí)的情況基本相同， 板坯內(nèi)的固相和液相變 形均勻，可得到沿板厚 方向固相顆粒均勻的產(chǎn) 品。但當(dāng)固相分?jǐn)?shù)較低 時(shí)(如70%以下)，則變 形時(shí)會(huì)出現(xiàn)固液相偏析。 圖14 觸變軋制成形原理示意圖 5、半固態(tài)金屬流變成形、半固態(tài)金屬流變成形 與觸變成形相比，流變成形省去了二次加熱，由半固態(tài)漿料 直接進(jìn)行成形，但其工藝過程控制難度要大一些。近年來，由 于流變成形的生產(chǎn)流程短、相對(duì)成本較低，受到國內(nèi)外許多研 究者的重視，如奧地利LKR公司