第4章半固態(tài)加工

1、第4章 金屬半固態(tài)加工4.1 概述半固態(tài)加工的概念與特點(diǎn)一、半固態(tài)加工的概念傳統(tǒng)的金屬成形主要分為兩類： 一類是金屬的液態(tài)成形， 如鑄造、液態(tài)模鍛、 液態(tài)軋制、連鑄等；另一類是金屬的固態(tài)成形，如軋制、拉拔、擠壓、鍛造、沖壓等。在20世紀(jì) 70年代美國(guó)麻省理工學(xué)院的Flemimgs 教授等提出了一種金屬成形的新方法，即半固態(tài)加工技術(shù)。金屬半固態(tài)加工就是在金屬凝固過(guò)程中，對(duì)其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(rhe

2、oforming) ；如果將流變漿料凝固成錠，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)，這時(shí)的金屬錠一般稱為半固態(tài)金屬坯料。利用金屬的半固態(tài)坯料進(jìn)行成形加工，這種方法稱之為觸變成形(thixoforming) 。半固態(tài)金屬的上述兩種成形方法合稱為金屬的半固態(tài)成形或半固態(tài)加工(semi-solidforming or processing of metals)，目前在國(guó)際上，通常將半固態(tài)加工簡(jiǎn)稱為SSM(semi-solidmetallurgy) 。就金屬材料而言， 半固態(tài)是其從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變或從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的中間階段，特別對(duì)于結(jié)晶溫度區(qū)間寬的合金，半

3、固態(tài)階段較長(zhǎng)。 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1)。凝固加工利用液態(tài)金屬的良好流動(dòng)性，以完成成形過(guò)程中的充填、補(bǔ)縮直至凝固結(jié)束。其發(fā)展趨勢(shì)是采用機(jī)械壓力替代重力充填，從而改善成形件內(nèi)部質(zhì)量和尺寸精度，但從凝固機(jī)理角度看， 凝固加工要想完全消除成形件內(nèi)部缺陷是極其困難的，甚至是不可能的。 塑性加工利用固態(tài)金屬在高溫下呈現(xiàn)的良好塑性流動(dòng)性，以完成成形過(guò)程中的形變和組織轉(zhuǎn)變。與凝固加工相比， 采用塑性加工成形的產(chǎn)品質(zhì)量明顯好，但由于固態(tài)金屬變形抗力高， 所需變形力大， 設(shè)備也很龐大， 因

4、此要消耗大量能源， 對(duì)于復(fù)雜零件往往需要多道成形工序才能完成。 因此，塑性加工的發(fā)展方向是降低加工能耗和成本、減小變形阻力、提高成形件尺寸精度和表面與內(nèi)部質(zhì)量。由此出現(xiàn)了精密模鍛、 等溫鍛造和超塑性加工等現(xiàn)代塑性加工方法。半固態(tài)加工是利用金屬?gòu)囊簯B(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變或從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變(即液固共存)過(guò)程中所具有的特性進(jìn)行成形的方法。這一新的成形加工方法綜合了凝固加工和塑性加工的長(zhǎng)處，即加工溫度比液態(tài)低、變形抗力比固態(tài)小，可一次大變形量加工成形形狀復(fù)雜且精度和性能質(zhì)量要求較高的零件。所以，國(guó)外有的專家將半固態(tài)加工稱為21 世紀(jì)最有前途的材料成形加工方法。圖 41 表示金屬在高溫下三態(tài)成形加工方法的相互關(guān)系

5、。二、半固態(tài)金屬的特點(diǎn)半固態(tài)金屬 (合金 )的內(nèi)部特征是固液相混合共存，在晶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 42 表示半固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 4-2半固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(a)半固態(tài) (高固相分?jǐn)?shù) )；(b) 半固態(tài) (低固相分?jǐn)?shù) )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)：(1) 由于固液共存，在兩者界面熔化、凝固不斷發(fā)生，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；(2) 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；(3) 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)；(4) 當(dāng)固

6、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、纖維等，如圖 4-3 所示(5) 由于固相粒子間幾乎無(wú)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，又可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，而且與一般固態(tài)金屬材料也容易形成很好的結(jié)合，如圖4 4 所示；(6) 即使是含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材料，也可通過(guò)半熔融狀態(tài)在低加工力下進(jìn)行成形加工。(7) 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。雖然施加外力的方法和當(dāng)時(shí)的邊界約束條件可能不同， 但一般來(lái)說(shuō)， 存在液相成分先行流動(dòng)的傾向或可能性，

7、如圖4 5 所示。(8) 上述現(xiàn)象在固相分?jǐn)?shù)很高或很低或加工速度特別高的情況下都很難發(fā)生，主要是在中間固相分?jǐn)?shù)范圍或低加工速度情況下顯著。與普通的加工方法相比，半固態(tài)金屬加工具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)35：(1) 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，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和形成新加工工藝；(2) 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；(3) 應(yīng)用范圍廣：凡

8、具有固液兩相區(qū)的合金均可實(shí)現(xiàn)半固態(tài)加工。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。半固態(tài)加工的基本工藝方法半固態(tài)加工的基本工藝方法可分為流變成形(rheoforming) 和觸變成形(thixoforming) 兩種。如圖 4 6 所示，經(jīng)加熱熔煉的合金原料液體通過(guò)機(jī)械攪拌、電磁攪拌或其他復(fù)合攪拌，在結(jié)晶凝固過(guò)程中形成半固態(tài)漿料，下面的工藝分兩種：其一是將半固態(tài)漿料直接壓人模具腔進(jìn)而壓鑄成形或?qū)Π牍虘B(tài)漿料進(jìn)行直接軋制、擠壓等加工方式成形，即流變成形； 另一種是將半固態(tài)漿料制成坯料，經(jīng)過(guò)重新加熱至半固態(tài)溫度，形成半固態(tài)坯料再進(jìn)行成形加工，此即觸變成形。圖 4 7

9、 為半固態(tài)流變成形和觸變成形工藝流程示意圖。半固態(tài)加工的研究及發(fā)展一、國(guó)外研究現(xiàn)狀20 世紀(jì) 70 年代初期，美國(guó)麻省理工學(xué)院的教授和 SPencer博士提出了半固態(tài)加工技術(shù)， 由于該技采用了非枝晶半固態(tài)漿料， 打破了傳統(tǒng)的枝晶凝固模式， 具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)， 因此關(guān)于半固態(tài)金屬成形的理論和技術(shù)研究引起了各國(guó)研究者的高度重視， 半固態(tài)加工的產(chǎn)品及應(yīng)用也隨之迅速的發(fā)展。20 世紀(jì) 80 年代后期以來(lái)， 半固態(tài)加工技術(shù)已得到了各國(guó)科工作者的普遍承認(rèn)， 目前已經(jīng)針對(duì)這種技術(shù)開展了許多工藝實(shí)驗(yàn)和理論研究。 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

10、態(tài)加工。(1) 有色金屬及其合金的低熔點(diǎn)材料半固態(tài)成形研究20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，美國(guó)、日本等國(guó)針對(duì)鋁、鎂、鉛、銅等的合金進(jìn)行了研究，其重點(diǎn)主要放在成形工藝的開發(fā)上。目前，國(guó)外進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的半固態(tài)金屬主要是鋁、鎂合金，這些合金最成功的應(yīng)用主要集中在汽車領(lǐng)域， 如半固態(tài)模鍛鋁合金制動(dòng)總泵體、 掛架、汽缸頭、輪轂、壓縮機(jī)活塞等。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、航空航天等領(lǐng)域。如美國(guó)的 Alumax 公司 1997 年的兩座半固態(tài)鋁合金成形汽車零件生產(chǎn)工廠的生產(chǎn)能力分別達(dá)到每年 5000 萬(wàn)件。意大利的 StampalSPA 和FiatAuto

11、公司生產(chǎn)的半固態(tài)鋁合金汽車零件重達(dá)7kg ，而且形狀很復(fù)雜；意大利的MM 公司(MagnetiMarelli) 為汽車公司生產(chǎn)半固態(tài)鋁合金成形的Fuelin jection Rail零件，在2000 年達(dá)到日產(chǎn) 7500 件。瑞士的 Bubler 公司已經(jīng)生產(chǎn)出鋁合金半固態(tài)觸變成形的專用SC 型壓鑄機(jī) (實(shí)時(shí)壓射控制和單一壓射缸)和鋁合金半固態(tài)坯料的專用二次加熱設(shè)備。日本的SpedStarWheel 公司已經(jīng)利用半固態(tài)金屬成形技術(shù)生產(chǎn)鋁合金輪轂(重約 5kg) 。與鋁合金半固態(tài)成形比較，鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)發(fā)展較晚，目前成熟的技術(shù)只有Tnixomolding技術(shù)。 1995 年，美國(guó)的Thi

12、xomat公司的子公司Lindberg公司利用Thixomolding工藝，為一些汽車公司生產(chǎn)了50 余萬(wàn)件的半固態(tài)鎂合金鑄件。日本的一些公司 利 用 Thixomolding 工 藝 制造 移 動(dòng) 通 訊 手 機(jī)外 殼 、 微 型便 攜 式 計(jì) 算 機(jī) 外 殼 等 。 但Thixomolding工藝必須要求提供合適的鎂合金屑，這就使得該技術(shù)比較復(fù)雜、 生產(chǎn)成本比較高。近年，英國(guó)布魯諾 (Brunel) 大學(xué)研制出低熔點(diǎn)合金雙螺旋半固態(tài)流變成形機(jī)，目前正在向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展 13j 。另外，最近資料報(bào)道，一些發(fā)達(dá)國(guó)家正在開發(fā)鎂合金半固態(tài)連鑄坯料和觸變成形技術(shù)， 這些情況說(shuō)明鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)

13、仍然處在不斷發(fā)展之中，將會(huì)出現(xiàn)新的技術(shù)突破。十幾年來(lái)，關(guān)于半固態(tài)加工實(shí)驗(yàn)方面的研究主要集中在漿料的制備和材料的成形兩方面，先后開發(fā)出了機(jī)械攪拌法、單輥旋轉(zhuǎn)法、電磁攪拌法、超聲振動(dòng)法、直流脈沖法等漿料制備方法以及壓鑄成形、 模鍛成形、 注射成形和連鑄成形等材料成形工藝。理論上的研究主要是圍繞與工藝實(shí)現(xiàn)和試樣組織、性能有關(guān)方面。 在此研究成果基礎(chǔ)上，近年來(lái)又針對(duì)漿料固相分?jǐn)?shù)的控制與測(cè)定、輸送、工藝參數(shù)如變形抗力、成形線速度和溫度等對(duì)試樣的表面質(zhì)量、內(nèi)部成分和組織分布規(guī)律的影響等較高層次的問(wèn)題開展了較為系統(tǒng)的理論研究， 取得了一定的進(jìn)展。另外，在纖維和顆粒增強(qiáng)材料、與陶瓷等的復(fù)合材料方面也進(jìn)行了一些

14、研究。但關(guān)于加工過(guò)程中凝固模型的建立和理論模擬等方面的高層次研究還并不多見。(2) 高熔點(diǎn)黑色金屬的半固態(tài)成形研究到目前為止，國(guó)際上共召開了7 次半固態(tài)加工方面的專題國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，從研究的材料來(lái)看，絕大多數(shù)是關(guān)于鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)材料。如2000 年 9 月底在意大利召開的第 6 屆半固態(tài)加工國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文134 篇，但其中關(guān)于高熔點(diǎn)鋼鐵材料半固態(tài)加工的研究論文僅6 篇。所涉及的鋼鐵材料為M2 、共析鋼、 Hll 鋼和不銹鋼等。由此可見鋼鐵材料半固態(tài)加工的有關(guān)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究任重道遠(yuǎn)，但一旦取得突破， 其前景將十分光明。但到了 2002 年 9 月在日本筑波召開的第七屆半固態(tài)

15、加工國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，研究狀況有了一些新的發(fā)展。 在此次學(xué)術(shù)交流會(huì)議上，共發(fā)表論文148 篇，其中關(guān)于高熔點(diǎn)鋼鐵材料半固態(tài)加工的研究論文13 篇，會(huì)議專設(shè)了一個(gè)鋼鐵材料半固態(tài)加工研討的分會(huì)場(chǎng)。采用半固態(tài)加工方法所研究的高熔點(diǎn)材料涉及D2、HS6 5-2 高速工具鋼、 100Ct6 鋼、60Si2Mn 彈簧鋼、AISl304 不銹鋼、 C80 工具鋼、鑄鐵等鋼鐵材料，半固態(tài)加工方法涉及觸變鍛壓、擠壓、鑄造和直接流變軋制及噴鑄成形等等。根據(jù)已有的文獻(xiàn)和研究結(jié)果來(lái)看，高熔點(diǎn)黑色金屬半固態(tài)加工之所以進(jìn)展緩慢，其中的重要原因在于以下困難：(1) 選擇的材料液固線溫度區(qū)間較??；(2) 高溫半固態(tài)漿料難以連續(xù)穩(wěn)

16、定地制備；(3) 熔體的溫度、固相的比率和分布難以準(zhǔn)確控制；(4) 漿料在高溫下輸送和保溫困難；(5) 成形溫度高，工具材料的高溫性能難以保證等等。目前研究的重點(diǎn)主要集中在某些鋼種的壓鑄、鍛造等非連續(xù)半固態(tài)成形加工方面, 高熔點(diǎn)黑色金屬材料半固態(tài)漿料制備方法、成形的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先涉及高熔點(diǎn)黑色金屬半固態(tài)漿料或坯料的制備方法研究。獲得高熔點(diǎn)黑色金屬半固態(tài)漿料或坯料的方法主要有：美國(guó)麻省理工學(xué)院Flemings 等人發(fā)明的機(jī)械攪拌法，該方法利用機(jī)械攪拌打碎樹枝枝晶使其成為顆粒狀粒子；電磁攪拌方法， 該方法利用交流電磁感應(yīng)力使金屬漿料產(chǎn)生劇烈的流動(dòng)，使金屬凝固析出的枝晶充

17、分破碎并球化，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)流變漿料或連鑄錠坯，產(chǎn)量可以很大。還有利用應(yīng)變激活方法 (SIMA) 、粉末冶金方法和單輥旋轉(zhuǎn)方法嘗試制備鑄鐵、AISl4340 碳鋼、 440C 和304 不銹鋼、 H11、H13 鋼、 M2高速鋼舊 31j ，以及 X40 、Ti-20Co 等合金的半固態(tài)漿料或制造出優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)零件毛坯坯料。但是，目前關(guān)于高熔點(diǎn)黑色金屬和合金半固態(tài)漿料的交流感應(yīng)電磁攪拌基本規(guī)律研究未見公開的報(bào)道，所以目前電磁攪拌制備高熔點(diǎn)金屬和合金半固態(tài)漿料缺乏重要的理論指導(dǎo)，應(yīng)該對(duì)電磁攪拌制備黑色金屬半固態(tài)漿料或坯料的應(yīng)用基礎(chǔ)和技術(shù)進(jìn)行深入的研究，推動(dòng)

18、黑色金屬半固態(tài)成形技術(shù)的應(yīng)用。其次是有關(guān)黑色金屬半固態(tài)成形加工方法研究。最近幾年， 國(guó)外有學(xué)者嘗試?yán)脡鸿T機(jī)對(duì) Fe-2 5 C-3 1 Si 鑄鐵和 AISl440A不銹鋼的半固態(tài)漿料直接進(jìn)行流變成形，可以獲得初生固相分布均勻的優(yōu)質(zhì)成形件L32J，木內(nèi)等還研究了鑄鐵的半固態(tài)鍛造33J。由于黑色金屬半固態(tài)漿料的保存和階段式輸送較為困難，其流變成形零件毛坯的進(jìn)展緩慢。從黑色金屬半固態(tài)成形零件毛坯力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出nj ：黑色金屬半固態(tài)成形零件毛坯的抗拉強(qiáng)度與傳統(tǒng)方法成形件的強(qiáng)度相當(dāng)，成形件的塑性也有提高。Hemin 等人曾利用機(jī)械攪拌方法制備的半固態(tài)Sn-15 Pb 漿料連續(xù)軋制薄帶，他們

19、的研究表明， 金屬半固態(tài)漿料直接軋制薄帶是可行的。但機(jī)械攪拌方法的固有缺點(diǎn)使其不能用于工業(yè)性連續(xù)軋制半固態(tài)高熔點(diǎn)金屬薄帶，最有可能的方法是電磁攪拌， 而電磁攪拌漿料中的固相分?jǐn)?shù)不可能達(dá)到0.5 0.7，所以 Flemings 的結(jié)果對(duì)電磁攪拌高熔點(diǎn)金屬半固態(tài)連續(xù)軋制薄帶的參考價(jià)值有限。近年來(lái)，日本學(xué)者嘗試了將黑色金屬半固態(tài)漿料與軋機(jī)直接相接合來(lái)連續(xù)軋制金屬薄帶，雖然研究結(jié)果沒有詳細(xì)報(bào)道，但粗略表明： 薄帶的晶粒細(xì)小、表面裂紋少、鑄造速度加快、模具的熱負(fù)荷降低；低熔點(diǎn)Cu-Sn合金的半固態(tài)漿料連續(xù)軋制薄帶比較容易，而熔點(diǎn)高的SUS310 的半固態(tài)漿料連續(xù)軋制薄帶還有許多基本問(wèn)題需要研究。二、國(guó)內(nèi)

20、研究現(xiàn)狀我國(guó)于 20 世紀(jì) 70 年代后期陸續(xù)開展了半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究，但這些嘗試大都利用機(jī)械攪拌法進(jìn)行流變鑄造或觸變鑄造研究。中科院金屬研究所是國(guó)內(nèi)最早開展半固態(tài)加工研究的單位之一，較早進(jìn)行了“鋁合金半固態(tài)鑄造”等的研究，自行設(shè)計(jì)制造了“半固態(tài)漿料制備設(shè)備” ，研究了“半固態(tài)組織在凝固過(guò)程中析出規(guī)律”等等，并研制了“半固態(tài)壓鑄剎車器活塞毛坯直接連續(xù)成形”，“石墨鋁合金復(fù)合材料細(xì)紗錠盤”等。20 世紀(jì) 80 年代中期，我國(guó)研究者大多轉(zhuǎn)向半固態(tài)制備復(fù)合材料和個(gè)別通用牌號(hào)材料的流變特性的研究，取得了一些成果，如有的研究者利用晶粒細(xì)化首先獲得細(xì)小枝晶的ZA2 合金錠坯 o) 。20 世紀(jì) 90

21、 年代以后，一批研究院所和大學(xué)在有色金屬及其合金等低熔點(diǎn)材料半固態(tài)加工和鋼鐵等高熔點(diǎn)材料的半固態(tài)加工方面開展了較廣泛的研究。近幾年，我國(guó)的研究者在國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家“863" 、“ 973”等計(jì)劃的支持下，已經(jīng)在鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用方面具備了較好的基礎(chǔ)。對(duì)鋁合金半固態(tài)加工的基本關(guān)鍵技術(shù)， 包括半固態(tài)材料制備技術(shù)、二次加熱技術(shù)和半固態(tài)壓鑄技術(shù)等方面，具備了向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的技術(shù)基礎(chǔ)36 x 。北京科技大學(xué)和中科院金屬所等單位合作在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下開展了鋼鐵材料半固態(tài)直接成形基礎(chǔ)研究，在鑄鐵、彈簧鋼、不銹鋼和高碳鋼等高熔點(diǎn)材料的半固態(tài)坯料制備、半固態(tài)噴鑄成形和直接軋制等

22、方面進(jìn)行了較深入研究，并取得了階段性成果，北京有色金屬研究總院在國(guó)家“863”計(jì)劃和院科研基金的支持下對(duì)鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)的研究和應(yīng)用上取得了很大進(jìn)展，通過(guò)與東風(fēng)汽車公司合作， 采用半固態(tài)壓鑄技術(shù)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了汽車空壓機(jī)連桿和空調(diào)器渦輪兩種汽車零件的批量生產(chǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)在半固態(tài)合金的流變和觸變行為、針對(duì)鋁合金、 鎂合金的半固態(tài)金屬加工技術(shù)、 成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬等基礎(chǔ)理論研究方面開展了卓有成效的工作。如開發(fā)了 “高剪切速率半固態(tài)金屬漿料制備與直接成形工藝與設(shè)備、“液相線鑄造制漿技術(shù)” ，并試制了488 型發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦蓋、汽車輪轂?zāi)M件等試樣。綜上所述， 金屬半固態(tài)加工技術(shù)與傳統(tǒng)材

23、料成形加工技術(shù)相比， 在提高產(chǎn)品質(zhì)量、 性能、降低能耗和成本、 縮短生產(chǎn)流程、 利于環(huán)境保護(hù)以及提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)， 此技術(shù)在汽車、 通訊電器、 機(jī)械以及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域存在著巨大的現(xiàn)實(shí)的和潛在的應(yīng)用市場(chǎng)， 十分需要從理論基礎(chǔ)、 成形加工控制技術(shù)以及工藝裝備等方面開展系統(tǒng)的研究開發(fā)工作， 以促進(jìn)這一新技術(shù)的理論完善、 技術(shù)成熟、 實(shí)際應(yīng)用水平的提高和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，其理論和實(shí)際意義將十分重大。4.2 半固態(tài)金屬的組織特性、形成機(jī)理與力學(xué)行為非枝晶的形成與演化與常規(guī)鑄造方法形成的枝晶組織不同，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)，如圖4-8

24、 所示。所謂流變鑄造就是讓合金在劇烈攪拌的狀態(tài)下凝固。 結(jié)晶開始時(shí)， 攪拌促進(jìn)了晶核的產(chǎn)生，此時(shí)晶核是以枝晶生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)的。隨著溫度的下降， 雖然晶粒仍然是以枝晶生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)，但是由于攪拌的作用，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，形成了更多的細(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(jiǎn)單的球形結(jié)構(gòu)， 演化過(guò)程如圖所示。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(guò)程，即一旦球形的結(jié)構(gòu)生成了，只要在液固區(qū)，無(wú)論怎樣升降合金的溫度(但不能讓合金完全熔化)，它也不會(huì)變成枝晶。

25、圖 4-9球形微粒的演化過(guò)程示意圖液態(tài)金屬在凝固過(guò)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 4 10 給出半固態(tài)鑄造與常規(guī)鑄造的組織比較。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)球形晶粒形成機(jī)理及演變過(guò)程進(jìn)行了研究。研究指出： 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)基本因素。但半固態(tài)鋼鐵材料在攪拌過(guò)程中初生晶粒究竟遵循怎樣的破碎、轉(zhuǎn)變圖 4-10 半固態(tài)鑄造與常規(guī)鑄造的組織比較(a) Sn-15Pb 合金的球形晶粒； (b) A1 -6 6 Si 合金的常規(guī)鑄造組織機(jī)制，從目前文獻(xiàn)來(lái)看，主要有以下幾種機(jī)

26、理。(1)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(wú)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(lái)折斷。因此， 必須加強(qiáng)力攪拌，在剪切力作用下從根部折斷。(2)枝晶臂根部熔斷機(jī)制晶體在表面積減小的正常長(zhǎng)大過(guò)程中， 枝晶臂由于受到流體的快速擴(kuò)散、 溫度漲落引起的熱振動(dòng)及在根部產(chǎn)生應(yīng)力的作用， 有利于熔斷， 同時(shí)固相中根部熔質(zhì)含量較高， 也降低熔點(diǎn)，促進(jìn)此機(jī)制的作用。此機(jī)理示意圖如圖 4 11 所示。(3)枝晶臂彎曲機(jī)制此機(jī)制認(rèn)為，位錯(cuò)的產(chǎn)生并累積導(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(guò)200 時(shí)，界面能超過(guò)

27、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。在凝固開始時(shí)對(duì)液體進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，從較大的樹枝晶脫離下來(lái)的不是球狀的枝晶臂。每一個(gè)枝晶臂結(jié)構(gòu)繼續(xù)枝狀長(zhǎng)大。然而在凝固過(guò)程中不斷的剪切，由于長(zhǎng)大及與其他晶粒發(fā)生剪切、 磨損作用， 枝狀晶變成薔薇狀共晶組織，并在進(jìn)一步冷卻過(guò)程中晶粒的薔薇化繼續(xù)加深，直至足夠的過(guò)冷和高的剪切速度下，顆粒變成球狀。 隨著切變速度、凝固量的增加和冷卻速度的降低，晶粒由枝晶形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐蔚内厔?shì)增加。以上三種假說(shuō)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)制還有許多基本理論及技術(shù)

28、問(wèn)題需要解決。與此同時(shí)，也存在著可逆的“大結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)換過(guò)程。所謂“大結(jié)構(gòu)”是指處于合適位向的固相微粒在相互碰撞中，會(huì)在接觸點(diǎn)“焊合”在一起，并逐漸附聚成團(tuán)。當(dāng)剪切速率較低的時(shí)候，“焊合”在一起的固相微粒不易被打散，即發(fā)生“有效碰撞”的幾率較高，容易形成“大結(jié)構(gòu)”。當(dāng)剪切速率很高時(shí)，由于攪拌力大，固相微粒發(fā)生焊合很困難，而且原先焊合在一起的也容易被打散。在等溫?cái)嚢钑r(shí)，隨剪切速率降低或上升， “大結(jié)構(gòu)”也隨著產(chǎn)生或消失。固相微粒尺寸大小與冷卻速度密切相關(guān)， 冷卻速度越快， 固相微粒尺寸越小， 冷卻速度越慢，固相微粒尺寸越大。鋁合金的半固態(tài)凝固組織及其影響因素一、攪拌強(qiáng)度對(duì)半固態(tài)組織的影響攪拌強(qiáng)度是很

29、難直接測(cè)定或計(jì)算出來(lái)的，但是可以通過(guò)其他參數(shù)來(lái)描述。對(duì)于機(jī)械攪拌，攪拌強(qiáng)度是攪拌轉(zhuǎn)速的函數(shù)。因此， 常用攪拌轉(zhuǎn)速來(lái)描述攪拌強(qiáng)度。而對(duì)于電磁攪拌， 常用磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)描述攪拌強(qiáng)度。(1) 磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響圖 4-12 是 Al-6 6 Si組織。合金在磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的攪拌作用下，所得到的凝固圖 4-12 (b) 和 圖 4-12 (c) 所示的半固態(tài)組織是經(jīng)過(guò)磁感應(yīng)強(qiáng)度為00759T 和 01153T的電磁攪拌得到的，其初生相晶粒細(xì)小，基體上分布比較均勻。圖 4-12(c) 中的初生相微粒比圖4-12(b) 中的更為細(xì)小一些，但并不是很明顯。然而圖4-12(a) 所示的半固態(tài)組織與圖4-

30、12(b) 和圖 4-12(c)相比，有明顯的差別，它所采用的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0.0446T ?？梢悦黠@地看到，它的初生相微粒最為粗大，而且合并生長(zhǎng)的痕跡非常明顯，初生相微粒在基體上的分布很不均勻，眾多的初生相微粒相互簇集在一起。造成以上差別的主要原因是由于磁感應(yīng)強(qiáng)度的不同。電磁攪拌的一個(gè)重要作用就是細(xì)化晶粒，而晶粒細(xì)化的主要原因之一就是電磁攪拌造成了“晶粒倍增”現(xiàn)象。晶粒倍增首先是由于枝晶的再熔化，在電磁攪拌的作用下，鋁液的湍流不斷地將熱脈沖帶到了液固界面，這種熱脈沖加速了枝晶臂的熔化過(guò)程。枝晶臂被分離后，一旦隨湍流被帶到稍微過(guò)冷的液體中，即可形成一個(gè)新的晶體。此外，熔體流動(dòng)在枝晶臂根部造成了

31、應(yīng)力集中，導(dǎo)致枝晶臂的機(jī)械斷裂，斷裂的枝晶臂也可以形成一個(gè)新的晶體，這樣也會(huì)造成晶粒倍增。晶粒倍增的程度與電磁攪拌強(qiáng)度密切相關(guān)，總的說(shuō)來(lái)，攪拌強(qiáng)度越大，晶粒倍增現(xiàn)象越明顯， 晶粒也就越細(xì)小。但是攪拌強(qiáng)度與晶粒細(xì)化程度并不是成正比的，當(dāng)電磁攪拌強(qiáng)度比較小的時(shí)候， 其細(xì)化晶粒的作用比較明顯，如果電磁攪拌強(qiáng)度大到某種程度后，細(xì)化晶粒的作用就不顯著了。對(duì)于半固態(tài)鑄造，合并生長(zhǎng)也是晶粒長(zhǎng)大的一種方式。從圖4-12 中可以看到，加大電磁攪拌強(qiáng)度可以有效抑制晶粒的合并生長(zhǎng)。這主要是由于熔體的對(duì)流強(qiáng)度越大，越容易將聚集在一起的初生相沖散。同時(shí)避免了初生相微粒的聚集，使其更均勻地分散在基體中。(2) 拌轉(zhuǎn)速的影

32、響實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，攪拌轉(zhuǎn)速可使固相組織發(fā)生變化，圖4-13 是攪拌轉(zhuǎn)速為2.38r s 和 7.16r s、固相分?jǐn)?shù)均為0.45 的 Abl0 Cu 合金金相照片。由圖可以看出高攪拌轉(zhuǎn)速下，固相顆粒比較分散，而低轉(zhuǎn)速下固相顆粒聚集現(xiàn)象明顯(白色為固相 )。根據(jù)兩相流動(dòng)原理，高轉(zhuǎn)速下的固相組織易于流動(dòng)，而低轉(zhuǎn)速下由于固相的聚集使其不呈粒狀，所以流動(dòng)困難。二、攪拌溫度對(duì)半固態(tài)組織的影響以鋁錫合金為例，其凝固發(fā)生在純鋁液相線和純錫液相線之間的溫度范圍，凝固區(qū)間在658230之間， 因此鋁錫合金的固相分?jǐn)?shù)主要與凝固溫度即攪拌溫度有關(guān)，攪拌溫度越低，其固相分?jǐn)?shù)越大；攪拌溫度越高，其固相分?jǐn)?shù)越小。表4-1 為攪

33、拌溫度與鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖4-14 為鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)與攪拌溫度之間的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行理論回歸分析，得到回歸方程為y=1683-4.86x+0.0035x2(4 1)式中y鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)；x 攪拌溫度?；貧w相關(guān)系數(shù)R 為 0.99839，說(shuō)明回歸方程已正確地反映了鋁錫合金半固態(tài)漿料地固相分?jǐn)?shù)與攪拌溫度之間的非線性關(guān)系。三、合金成分對(duì)半固態(tài)組織的影響合金成分變化，部分凝固合金的流變組織會(huì)發(fā)生變化，圖4 15 是 Al-5 Cu 合金的流變組織與Al-10 Cu 合金的流變組織，由二者對(duì)比可知，Cu 含量增加使固相中包裹的液相增多。 根據(jù)成分過(guò)冷理論

34、，合金濃度越高，越有利于產(chǎn)生成分過(guò)冷，從而使固液界面越不穩(wěn)定， 其結(jié)果是界面更加不光滑。不難看出，顆粒的固液界面越不光滑，它包裹的液相越多，這部分液相不參加流動(dòng)，而隨包裹它的固相一起運(yùn)動(dòng)，因而使實(shí)際液相量減少，固相分?jǐn)?shù)增加。四、冷卻速度對(duì)半固態(tài)組織的影響如果固相分?jǐn)?shù)不變，低冷卻速度的固相顆粒平均尺寸較大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是低冷卻速度達(dá)到同樣固相分?jǐn)?shù)所需的時(shí)間較長(zhǎng)，即低冷卻速度下顆粒有較長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間，故顆粒較大。 高冷卻速度時(shí)達(dá)到相同固相分?jǐn)?shù)所需的時(shí)間較短，顆粒長(zhǎng)大受到限制，所以顆粒尺寸較小。鑄鐵及鋼的半固態(tài)凝固組織及影響因素一、鑄鐵的半固態(tài)凝固組織以亞共晶白口鐵為例，該種鑄鐵的碳、硅含量很低

35、，一般含碳量控制在2 4 -2 6的范圍內(nèi)，含硅量控制在1 4以下，碳、硅總量控制在3 8 4 2之間，因此該合金在凝固過(guò)程中將處于很寬的液固兩相區(qū)內(nèi)，其初生奧氏體枝晶在一般的鑄造條件下很發(fā)達(dá)。圖 4-16 是在等溫條件下經(jīng)不同的攪拌時(shí)間的組織演變過(guò)程。 圖 4-16(a)是經(jīng) 5s 時(shí)的組織形貌， 可以看到在流動(dòng)的液流沖刷下， 枝晶的方向性已不很明顯， 且一次枝晶已發(fā)生了明顯的彎曲， 有的二次枝晶與一次枝晶發(fā)生了分離， 有的二次枝晶間發(fā)生了合并， 也有的一次枝晶的某些端部相互靠近， 此時(shí)顆粒大小不均， 方向各異， 堆積混雜。但局部的一些粗大一次枝晶在攪拌過(guò)程中像攔水的橫木一樣阻礙液流的流動(dòng)而

36、成為攪拌的主要阻力(圖 4-16(b) ，圖中的二次枝晶已發(fā)生了明顯的隨流轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，并且顆粒已經(jīng)分離。雖然可以看出一次晶沿液流方向也發(fā)生了傾轉(zhuǎn)，但迎流方向有突出生長(zhǎng)跡象，而背流方向較為光滑，在低的激磁電流作用下或在短時(shí)間內(nèi)這種一次枝晶很難變?yōu)閳A整的顆粒。隨攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)， 在晶粒的碰撞及液體的對(duì)流作用下，在枝晶的脖頸處產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，因此枝晶的彎曲程度增大， 特別是枝晶分化成顆粒狀形態(tài)，顆粒間的縫隙大小不等，有的顆粒間的縫隙較大， 也有的縫隙正在形成， 在形態(tài)上一次枝晶和二次枝晶已難以區(qū)別，已基本具備了顆粒狀組織的基本形貌 (圖 4-16(c) ，可以看出，顆粒間縫隙較為光滑，大部分不像是

37、斷裂形成而像是流體潺蝕的結(jié)果， 這是一尚未見到報(bào)道的很奇特的現(xiàn)象。在第一等溫階段攪拌過(guò)程中，攪拌的溫度較高， 同時(shí)攪拌過(guò)程和結(jié)晶過(guò)程又是放熱過(guò)程而使凝固后的晶體接近熔點(diǎn)，其強(qiáng)度小、 塑性好。 因此隨著攪拌過(guò)程的進(jìn)行，枝晶的彎曲是必然的，彎曲會(huì)使薄弱的地方潺蝕加劇。 當(dāng)然也會(huì)出現(xiàn)某些薄弱環(huán)節(jié)的斷裂。如果考慮隨后冷卻所帶來(lái)的組織恢復(fù)，上述攪拌時(shí)的情況會(huì)更明顯。圖4-16(d) 是攪拌120s 時(shí)的情況，可以看出，枝晶已不存在，顆粒大小比較一致，只是圓整程度欠佳，同時(shí)前一階段的晶粒粗大程度由于不斷碰撞和摩擦而降低，當(dāng)然這與一定溫度下的固相分?jǐn)?shù)有關(guān)，即前一階段的結(jié)晶潛熱已散失完畢，升溫過(guò)程已結(jié)束，攪拌

38、過(guò)程則主要是顆粒細(xì)化和球化的過(guò)程。為了增加固相分?jǐn)?shù)， 進(jìn)一步增加顆粒間碰撞的幾率，可將等溫溫度進(jìn)一步降低， 即在第二等溫過(guò)程中繼續(xù)攪拌，攪拌溫度的降低導(dǎo)致顆粒細(xì)小、圓整和固相分?jǐn)?shù)的增多，如圖4-17(a)、 (b)所示。圖 417(a)是轉(zhuǎn)入第二階段后再攪拌30s(即累積攪拌時(shí)間為150s)時(shí)的情況，顆粒的圓整度增加，分布較為均勻，但在組織中形成了許多白亮的顆粒簇，當(dāng)將攪拌器的激磁電流提高近一倍時(shí)，這種顆粒簇才消失。 圖 4-17(b)是在攪拌力提高并攪拌120s(即累積攪拌時(shí)間為2408)后的組織形貌。由于枝晶間的摩擦、磨損、 剪切以及液體對(duì)固相的劇烈的沖刷，小的顆粒由于能量高而在碰撞過(guò)程中

39、易長(zhǎng)大，大的顆粒因碰撞的幾率多而減小，最后獲得顆粒圓整、大小比較一致的組織形貌。在第二等溫?cái)嚢柽^(guò)程中顆粒簇的形成不是偶然的，顆粒簇是初生相微粒的相互碰撞并“焊合” 在一起形成的。當(dāng)剪切速率較低時(shí)， “焊合”在一起的固相顆粒不易被打散，即發(fā)生“有效碰撞”的幾率較高，容易形成“大結(jié)構(gòu)”。而當(dāng)攪拌速度較高時(shí)，由于攪拌力大，剪切作用強(qiáng)，固相顆粒發(fā)生焊合很困難，而且原先焊合在一起的也容易被打散。因此在等溫?cái)嚢钑r(shí)， 隨剪切速率的降低或升高， “大結(jié)構(gòu)”也隨著產(chǎn)生或消失。當(dāng)微粒簇被保留下來(lái)時(shí)， 由于其內(nèi)部缺乏低熔點(diǎn)的基體相，在部分重熔時(shí)，仍然會(huì) “焊合”在一起。這會(huì)干擾后續(xù)的觸變成形過(guò)程，只能通過(guò)更大的變形

40、力將其抵消l 別。因此，半固態(tài)漿料的制作不希望形成初生相的微粒簇。從圖 4 18 可以看到， 雖然組織形貌也發(fā)生了明顯的變化，初生的枝晶組織已消失并在一定程度上細(xì)化，但顆粒大小不一，形狀各異，顆粒圓整度也比較差，在大顆粒上可明顯看到二次枝晶折斷的痕跡，顆粒間的斷痕不是很光滑， 說(shuō)明攪拌對(duì)枝晶的斷裂作用大于流體的潺蝕作用。從等溫的組織演化進(jìn)程來(lái)看，一次枝晶臂的彎曲占有一定地位，當(dāng)然這種彎曲可能是已生長(zhǎng)的一次枝晶臂在流場(chǎng)中的彎曲，也可能是眾多枝晶在流場(chǎng)中的彎曲生長(zhǎng)，而更多的是二者兼有之， 因?yàn)樵跀嚢璩跗诰涂梢苑直娉鲋澢?。另一方面在液固兩相共存的情況下，凝固顆粒的生長(zhǎng)和熔化消失都在不斷地進(jìn)行，攪

41、拌的溫度、 速度及坩堝內(nèi)不同徑向處的速度差對(duì)熔體流態(tài)的改變及對(duì)上述過(guò)程的影響還有待研究。而枝晶在彎曲過(guò)程中的?；饕c枝晶內(nèi)成分起伏有關(guān)。二、鋼的半固態(tài)凝固組織以彈簧鋼60Si2Mn 為例，經(jīng)過(guò)金相觀察發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)電磁攪拌的試樣的一次結(jié)晶組織與一般鑄鋼件或鑄鋼錠相似， 存在發(fā)達(dá)的柱狀樹枝晶和中心粗大的等軸晶，柱狀枝晶層的厚度約為 20 30mm，柱狀晶內(nèi)平行排布多個(gè)枝晶，且枝晶的一次臂的方向基本上與傳熱方向相同，由表面伸向試樣的中心，枝晶的一次臂十分發(fā)達(dá)，其長(zhǎng)度約為10 20mm，幾乎與柱狀晶層的厚度相當(dāng)，見圖4-19 所示。圖 4-20(a)-(d) 分別是該彈簧鋼經(jīng)電磁攪拌，攪拌功率分別為2

42、kW 、7kW 、12kW 、20kW ，其一次結(jié)晶組織的金相照片， 看出它們的一次結(jié)晶組織中不存在柱狀枝晶層，從試樣的表面到心部基本是由等軸晶(如圖 4-20(d) 、或退化枝晶如圖 4-20(c)、圖 4-20(b) 、或不同取向的短枝晶 (如圖 4-20(a)。這說(shuō)明電磁攪拌能有效地消除彈簧鋼發(fā)達(dá)的柱狀晶層。出現(xiàn)這種結(jié)果必然與電磁攪拌改變一次結(jié)晶的奧氏體的形核和生長(zhǎng)條件有關(guān)。從圖 4-20 中還可以看出，攪拌功率對(duì)60Si2Mn 的一次結(jié)晶組織產(chǎn)生很大的影響。在攪拌功率為2kW 的試樣中，一次結(jié)晶的奧氏體為具有不同取向的短樹枝晶，其一次臂最大尺寸可達(dá)到 lmm 左右，如圖 4-20(a)

43、 所示；隨著攪拌功率的增加，短枝晶的一次臂變小，在攪拌功率為 7kW 的試樣中，一次結(jié)晶的奧氏體的枝晶形態(tài)沒有試樣明顯，但仍能觀察到少量的短的樹枝晶，如圖4-20(b) 所示；而在攪拌功率為12kW 的試樣中，觀察不到短樹枝晶，但仍能看出枝晶的跡象，稱之為退化枝晶(dedendrite) ，如圖4-20(c)所示；當(dāng)攪拌功率增加到 20kW ，一次結(jié)晶的奧氏體轉(zhuǎn)化為等軸晶，且變得細(xì)小，其晶粒大小約為未經(jīng)電磁攪拌試樣的柱狀樹枝晶的一次臂間距。 這是由于攪拌功率的加大， 金屬熔體的旋轉(zhuǎn)速度加快， 紊流作用加劇， 合金凝固時(shí)液相區(qū)、液固兩相區(qū)的溫度場(chǎng)和溶質(zhì)濃度場(chǎng)更趨于平緩，各個(gè)微區(qū)的晶核條件和生長(zhǎng)條

44、件基本相同，晶核在各方向的生長(zhǎng)速度基本相等，凝固后得到等軸晶組織。除了攪拌功率外，其他工藝參數(shù)對(duì)半固態(tài)組織也有一定的影響，表4-2 為 60Si2Mn 彈簧鋼的電磁攪拌工藝參數(shù)。 在 1450進(jìn)行等溫?cái)嚢瑁?結(jié)果表明等溫?cái)嚢?2min 試樣的凝固組織絕大部分是等軸晶， 但仍能觀察到枝晶的跡象， 見圖 4-21(a)；而在 1450等溫?cái)嚢?5min 試樣和等溫?cái)嚢?l0min 試樣的凝固組織中，沒有枝晶存在，并且原奧氏體的晶粒更為圓整，見圖4-21(b) 。在電壓為I00V 、功率為 8.5kW 的條件下，分別在不同的溫度區(qū)間內(nèi)對(duì)60Si2Mn 彈簧鋼進(jìn)行連續(xù)的電磁攪拌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1510-1

45、460的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行電磁攪拌試樣的凝固組織中存在枝晶，見圖4-21(c)；在 15101440C 和 1510 1420C 的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行電磁攪拌凝固組織為等軸晶，見圖4-21(d) 。半固態(tài)金屬的力學(xué)行為半固態(tài)金屬加工主要是采用流變鑄造的鑄錠重新加熱到液固兩相區(qū)之間的溫度，再擠壓或鍛造成形件。 實(shí)踐證明， 由于半固態(tài)金屬具有觸變性，所以鑄坯在成形過(guò)程中具有明顯的超塑性效應(yīng)和充填性能，而且變形抗力也小，可在較高速度下變形。從變形機(jī)理分析，其變形過(guò)程是一個(gè)從塑性變形到超塑性變形的過(guò)程。表 4-3 所示為鋁合金在不同的加工方法與熱處理狀態(tài)下的力學(xué)性能。半固態(tài)合金最重要的特點(diǎn)是具有球形的初生相微

46、粒，在液固兩相溫度區(qū)間內(nèi)，其球形的初生相仍然保持為固相顆粒。 因此，半固態(tài)合金的變形有自己獨(dú)特的性質(zhì)， 它不同于液態(tài)金屬的流動(dòng)， 也不同于固態(tài)合金的高溫塑性變形。 在實(shí)際應(yīng)用中， 主要是應(yīng)用這一特性來(lái)成形零件。為了進(jìn)一步促進(jìn)半固態(tài)合金成形技術(shù)應(yīng)用，需對(duì)其在半固態(tài)下的力學(xué)特性進(jìn)行研究，即流變應(yīng)力的規(guī)律。一、低熔點(diǎn)半固態(tài)鋁鎂合金的力學(xué)特性以工業(yè)用變形鋁合金2618 和 7075 為例，其在半固態(tài)下變形在熱分析儀 DT-30 上由 DTA 差熱分析測(cè)定合金的液相線溫度和固相線溫度分別為638和 549，結(jié)晶溫度區(qū)間為 89。從圖中可以看出，半固態(tài)試樣在固態(tài)或液固兩相區(qū)壓縮變形抗力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)鑄造組

47、織固態(tài)壓縮變形抗力， 并且半固態(tài)試樣在液固兩相區(qū)的壓縮變形抗力均小于固態(tài)壓縮變形抗力。 隨著溫度的升高， 變形抗力降低； 同時(shí)隨著變形程度的增加， 在液固兩相區(qū)的壓縮變形抗力與固態(tài)壓縮變形抗力相反， 應(yīng)變?cè)?左右達(dá)到最大值后降低，發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象。圖 4-23 為半固態(tài)試樣在液固相溫度區(qū)間T=600 時(shí)不同變形速率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，由圖可以看出，隨著變形速率的升高，變形抗力增加，而隨著變形程度的增加，應(yīng)變?cè)? 05 左右達(dá)到最大值后同樣發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象。在液固兩相區(qū)壓縮變形時(shí)，常規(guī)鑄造組織中的枝晶形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)骨架，承受應(yīng)力的能力較強(qiáng)， 因而壓縮變形時(shí)變形抗力較高。半固態(tài)試樣在此溫度區(qū)間壓縮變

48、形時(shí)，變形機(jī)制主要為初始晶粒的旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)， 而晶粒變形很小，因而半固態(tài)試樣變形抗力降低。隨著溫度的升高，合金中液相比例增多，變形抗力又有所下降。而常規(guī)鑄造組織在液固兩相區(qū)變形時(shí)，雖然也有液相存在， 但其粗大的枝晶組織互相參叉交錯(cuò)阻礙變形的進(jìn)行， 同時(shí)變形時(shí)枝晶臂要發(fā)生變形，枝晶臂為固態(tài)特性，因而枝晶臂的變形也使流動(dòng)應(yīng)力增加。圖 4-24 為常規(guī)鑄造及半固態(tài)鋁合金7075在變形速率不同變形溫度(490'E 、560C 、580'E、600C) 下的應(yīng)力曲線。由 DTA 差熱分析可知，鋁合金7075 的固相線和液相線溫度分別為477和 635，因此所有變形溫度均在液固溫度范圍內(nèi)。由

49、圖可以看出， 半固態(tài)試樣的流動(dòng)應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小相應(yīng)溫度的常規(guī)鑄造組織的流動(dòng)應(yīng)力，并且由圖還可以看出，無(wú)論是常規(guī)鑄造組織還是半固態(tài)組織，在液固兩相區(qū)變形時(shí)，隨變形溫度的升高，流動(dòng)應(yīng)力降低。根據(jù)常規(guī)鑄造及半固態(tài)鑄造鋁合金7075 在液固兩相區(qū)T=560 時(shí)不同變形速率下的流動(dòng)應(yīng)力曲線可以看出， 無(wú)論是常規(guī)鑄造組織還是半固態(tài)鑄造組織在液固兩相區(qū)變形時(shí)均隨著變形速率的升高，流動(dòng)應(yīng)力增加， 隨著變形程度的增加，應(yīng)力在左右達(dá)到最大值后同樣發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象，流動(dòng)應(yīng)力降低，并且變形速率越高，流動(dòng)應(yīng)力降低越明顯。這主要是由于在變形初期液相流動(dòng)和組織結(jié)構(gòu)的密集化導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力增加，而隨著變形程度的增加，液相流動(dòng)加劇，試

50、樣表面產(chǎn)生液相偏析，導(dǎo)致表面裂紋產(chǎn)生，促使流動(dòng)應(yīng)力降低。二、高熔點(diǎn)半固態(tài)鋼鐵材料的力學(xué)特性以彈簧鋼60Si2Mn 為研究對(duì)象，半固態(tài)下的變形溫度為1420、 1400 、 1380和熱軋狀態(tài)下的變形溫度為1200 ；工程應(yīng)變?yōu)?0 6，真應(yīng)變?yōu)? 9；變形速率分別取01、05 和 1 。從圖 4-25 可以看出，在1200下，半固態(tài)坯料(a)與常規(guī)坯料 (b) 的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線基本相同。但由于半固態(tài)坯料組織均勻，晶粒較小，因此，其屈服強(qiáng)度要高2MPa 。水田傘 Z1 加 t 溫度下，半固態(tài)坯料(a)與常規(guī)鑄造坯料(b) 的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線社梳由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有液相擠出，不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置直接得

51、到實(shí)驗(yàn)所需的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線，只能得到壓力戶和夾頭位移厶扣關(guān)系。如果試樣的原始高度為o，半徑為r。，根據(jù)每一時(shí)刻夾頭的位移量和體積不變定律，試樣的瞬時(shí)平均橫截面積S 為s：亡主義(42)瞬時(shí)的真應(yīng)力為口：言(4 3)瞬時(shí)的真應(yīng)變?yōu)槎?h(h 云 M)(4-4)由此得到真應(yīng)力應(yīng)變曲線。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試樣的變形量很小 (c：0 2 之前 )時(shí)，由于沒有液相擠出，真應(yīng)力應(yīng)變滿足上述關(guān)系式。當(dāng)變形量逐漸增大，有液相擠出時(shí)，在隨后的變形過(guò)程中，夾頭與試樣之間的接觸面積并不發(fā)生改變，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了如下處理 “ 1：在變形量超過(guò) c： 02 之后，把 c： 0， 2 時(shí)的接觸面積作為常數(shù)，代人式 (4 3)中，算出隨后的瞬時(shí)真4 3 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， 但常用的方法主要是電磁攪拌法和機(jī)械攪拌法，其中電磁攪拌法占主導(dǎo)地位，下面分別簡(jiǎn)要介紹一些半固態(tài)制備方法。4 3 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形方向的強(qiáng)磁場(chǎng)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)