第9章半固态成形技术(4)

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。图1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轧制锻压挤压超塑成形特种固体成形流变铸造高速连续铸造连续带液芯压下连铸轻压下1、概述半固态成形原理利用非枝晶半固态金属(Semi-SolidMetals，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触变成形thixoforming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。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(1)半固态成形技术定义(2)半固态金属的特点图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(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。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； 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； 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； 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； 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4半固态金属的(a)分离，(b)结合图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； 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； 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。(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。流变成形触变成形(3)半固态成形的基本工艺方法流变成形(流变铸造)图6半固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)的工艺流程图触变成形(触变铸造)(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DavidSpencer博士提出。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。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7Al-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？球形结构的演化过程： 结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，此时晶核是以枝晶生长方式进行的； 随着温度的下降，虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式进行，但由于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷，这样，枝晶臂被打断，形成了更多细小晶粒，其自身结构也逐渐向蔷薇形演化； 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。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)的工艺流程图有色金属半固态组织的演变机制主要有以下三种： 枝晶臂根部断裂机制。因剪切力的作用使枝晶臂在根部断裂。最初形成的树枝晶是无位错和切口的理想晶体，很难依靠沿着自由浮动的枝晶臂的速度梯度方向产生的力来折断。因此，必须加强力搅拌，在剪切力作用下从根部折断。 枝晶臂根部熔断机制。晶体在表面积减小的正常长大过程中，枝晶臂由于受到流体的快速扩散、温度涨落引起的热震动及在根部产生应力的作用，有利于熔断，同时固相中根部溶质含量较高，也降低熔点，促进此机制的作用，机理如图9所示。图9枝晶臂发生熔断示意图半固态浆料搅动时的组织演变受很多因素影响，半固态浆料的温度、固相分数和剪切速率是三个基本因素。 枝晶臂弯曲机制。此机制认为，位错的产生并积累导致塑性变形。在两相区，位错间发生攀移并结合成晶界，当相邻晶粒的倾角超过20°时，界面能超过固液界面能的两倍，液相将侵入晶界并迅速渗入，从而使枝晶臂从主干分离。注：以上三种机制都有一定的依据，但附加位错如何发生恢复和再结晶或如何迁移、固液浆料的温度起伏还缺乏必要的试验依据，因此，金属半固态组织的演变机制还有很多基本理论及技术问题需要解决。(2)半固态金属的力学行为下表为用不同加工方法获得的A356铝合金的力学性能，从表中可以看出，半固态金属加工技术的优越性。如触变成形并在T6状态下的性能较金属型铸造所获得的合金有更好的力学性能，并与锻件的性能相近。注：SSM为半固态加工；PM为金属型铸造；CDF为闭模锻造 合金 加工方法 热处理状态 屈服应力/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 硬度/HB A356(Al7Si0.3Mg) SSM 铸态 110 220 14 60 SSM T4 130 250 20 70 SSM T5 180 255 5~10 80 SSM T6 240 320 12 105 PM T6 186 262 5 80 PM T51 138 186 2 —— CDF T6 280 340 9 ——几种铸造方法铸件性能比较3、金属半固态的制备方法金属半固态浆料或坯料的制备是半固态成形加工的基础，目前半固态浆料或坯料的制备方法很多，常用的方法是有电磁搅拌法和机械搅拌法。(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。缺点：直径大于150mm的铸坯不宜采用电磁搅拌法生产。影响因素：搅拌功率，搅拌时间，冷却速度，金属液温度，浇注速度电磁搅拌示意图电磁搅拌电磁搅拌垂直半连续铸造示意图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　　电磁搅拌是工业制备铝合金半固态坯料的主要工艺方法，与连铸相结合进行高效率坯料连续制备。电磁搅拌水平电磁搅拌连续铸造示意图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(2)机械搅拌法该方法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。优点：搅拌装置结构简单、操作方便。缺点：搅拌棒材质要求严格，易造成合金污染。影响因素：搅拌室的温度，搅拌叶片或棒的转速。机械搅拌示意图(3)应变诱导熔化激活法（SIMA）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。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。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。利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯。(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。(6)粉末冶金法原理：首先制备金属粉末，然后进行不同种类金属粉末的混合，再进行粉末预成形，并将预成形坯料重新加热至半固态区，进行适当保温，即可获得半固态金属坯料。要求粉末的粒度十分细小！(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)触变射铸工艺及设备触变射铸(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。图11Thixomolding工艺简图设备特点： 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； 半固态浆料的固相分数可控性强，成形件质量高、性能稳定 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。Thixomolding成形件的特点： 表面质量和内部质量改善； 成形件尺寸精度提高； 力学性能提高； 耐蚀性提高； 可精密成形薄壁件表2三种镁合金采用Thixomolding和模铸成形件的力学性能比较 材料 成形方法 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% AZ91D Thixomolding 180 299 10 模铸 160 230 3 AM60B Thixomolding 147 278 18.8 模铸 114 239 11.6 ZM50A Thixomolding 139 269 20 模铸 112 232 13(2)触变压铸(Thixo-casting)瑞士BÜHLER公司推出的触变压铸设备与普通压铸成形工艺相比，半固态压铸具有成形温度低，凝固时间短，成形周期短，部件质量好，微观组织均匀，高度自动化等优点。半固态触变压铸成形件(3)触变锻造(Thixo-forging)触变锻造是将半固态金属坯料移入锻压模具内，然后模具的一部分向另一部分运动并加压成形，其原理如图12所示。图12触变锻造原理半固态锻造成形的优点：显著降低锻造过程中的变形抗力，扩大了复杂成形件的范围，可实现近终成形(如薄壁件、底切槽件、孔形件和刃形辐射件等)，显著减少工艺环节，加工成本低，切削量少，材料利用率高。半固态锻压成形件(4)触变挤压(Thixo-extrusion)触变挤压是将半固态金属坯料移入挤压腔内，然后通过模具孔挤出成形，其原理如图13所示。触变挤压成形的优点：显著降低变形抗力，扩大了复杂件成形件的范围，改善了产品的成形性，Al、Mg轻质高强合金、MMC以及钢等都可以挤压成形。图13触变挤压原理图(5)触变轧制(Thixo-rolling)触变轧制是将半固态金属坯料送入轧辊辊缝中进行轧制成形的方法，其原理如图14所示。触变挤压成形的特点：在半固态金属坯料的固相分数很高时(如80%以上)，其变形与热轧时的情况基本相同，板坯内的固相和液相变形均匀，可得到沿板厚方向固相颗粒均匀的产品。但当固相分数较低时(如70%以下)，则变形时会出现固液相偏析。图14触变轧制成形原理示意图5、半固态金属流变成形与触变成形相比，流变成形省去了二次加热，由半固态浆料直接进行成形，但其工艺过程控制难度要大一些。近年来，由于流变成形的生产流程短、相对成本较低，受到国内外许多研究者的重视，如奥地利LKR公司的“新流变铸造工艺”，英国Z.Fan的双螺旋流变技术，日本T.Haga的倾斜板制浆流变成形技术，国内的锥桶式半固态流变成形技术、管道制浆流变成形技术等不断出现，为该技术的工业化应用打下了坚实的基础。(1)双螺旋式半固态流变成形图15双螺旋流变注射机原理图1-加热元件；2-熔化炉；3-塞棒；4-缸体；5-加热元件；6-冷却元件；7-缸体内套；8-单向阀；9-模块；10-模腔；11-加热元件；12-射压缸；13-双螺旋；14-射压活塞；15-尾盖；16-驱动系统工作原理：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)锥桶式半固态流变成形锥桶式半固态浆料制备与流变成形装置主要由送料装置、剪切机构、射压机构、温度控制装置(PID控制仪表)和气体保护系统组成，图16和17分别为工艺流程图和装置构造简图图17锥桶式半固态金属制备与流变成形装置简图轻质合金原料熔化液态半固态浆料制备流变成形部件图16锥桶式半固态金属制备与流变成形工艺流程简图(3)管道制浆流变成形管道制浆流变成形装置主要由熔化装置、自动浇注装置、管式制浆通道、浆料承接与保温装置、温度控制装置等组成，图18和19分别为制浆流程图和流变成形示意图。图19管道制浆与流变成形装置简图图18管道制浆流程图