第四章 金屬的液態(tài)成形與半固態(tài)成形-2

1、第四章第四章 金屬的液態(tài)成形金屬的液態(tài)成形與半固態(tài)成形與半固態(tài)成形4.1 液態(tài)成形液態(tài)成形4.2 半固態(tài)成形半固態(tài)成形4.3 快速凝固成形快速凝固成形4.2 半固態(tài)成形半固態(tài)成形 1、定義：、定義： 半固態(tài)成形即半固態(tài)合金成形，是介于半固態(tài)成形即半固態(tài)合金成形，是介于液態(tài)液態(tài)成形成形和和固態(tài)固態(tài)成形之間的一種成形方法。成形之間的一種成形方法。 半固態(tài)合金是將合金熔化后，待它冷卻到液相線半固態(tài)合金是將合金熔化后，待它冷卻到液相線溫度以下，對(duì)合金進(jìn)行溫度以下，對(duì)合金進(jìn)行攪拌攪拌，在攪拌力的作用下，在攪拌力的作用下，合金析出的樹枝狀晶被破壞，并在周圍金屬液的合金析出的樹枝狀晶被破壞，并在周圍金屬液的

2、摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小塊形成摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小塊形成卵卵球球狀的顆粒，分布在整個(gè)液態(tài)金屬中。該合金即狀的顆粒，分布在整個(gè)液態(tài)金屬中。該合金即使固態(tài)組分達(dá)使固態(tài)組分達(dá)40%-60%，仍然像糊狀懸浮液，仍然像糊狀懸浮液，具有一定的流動(dòng)性。而在剪切力較小或?yàn)榱銜r(shí)，具有一定的流動(dòng)性。而在剪切力較小或?yàn)榱銜r(shí)，它又具有固體性質(zhì)，可以搬運(yùn)儲(chǔ)藏。它又具有固體性質(zhì)，可以搬運(yùn)儲(chǔ)藏。 利用半固體合金獨(dú)特的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)澆注或利用半固體合金獨(dú)特的性質(zhì)實(shí)現(xiàn)澆注或壓注成形的方法，稱為壓注成形的方法，稱為半固態(tài)成形半固態(tài)成形。2、半固態(tài)成形的特點(diǎn)、半固態(tài)成形的特點(diǎn) 應(yīng)用范圍廣。適合各種合金和復(fù)合材料，

3、應(yīng)用范圍廣。適合各種合金和復(fù)合材料，可采用鑄造、擠壓、鍛造和焊接等多種可采用鑄造、擠壓、鍛造和焊接等多種成形工藝。成形工藝。 鑄件質(zhì)量高，力學(xué)性能好，尺寸精度高。鑄件質(zhì)量高，力學(xué)性能好，尺寸精度高。 對(duì)成形裝置的熱沖擊小，能耗低。對(duì)成形裝置的熱沖擊小，能耗低。 便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，勞動(dòng)生產(chǎn)率高。便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，勞動(dòng)生產(chǎn)率高。 生產(chǎn)成本低。生產(chǎn)成本低。 3、半固態(tài)成形的發(fā)展、半固態(tài)成形的發(fā)展 20世紀(jì)世紀(jì)70年代初，美國年代初，美國MIT的博士研究生的博士研究生D B Spencer在研究在研究Sn-15%wt Pb合金的高溫特性時(shí)，合金的高溫特性時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)金屬的半固態(tài)力學(xué)行為和組織特點(diǎn)。偶然發(fā)現(xiàn)

4、金屬的半固態(tài)力學(xué)行為和組織特點(diǎn)。這些發(fā)現(xiàn)引起了這些發(fā)現(xiàn)引起了MIT的的M C Flemings 教授的特教授的特別重視，投入大量人力、物力，進(jìn)行了深入、別重視，投入大量人力、物力，進(jìn)行了深入、廣泛的研究，創(chuàng)立了金屬半固態(tài)鑄造技術(shù)。廣泛的研究，創(chuàng)立了金屬半固態(tài)鑄造技術(shù)。 半固態(tài)半固態(tài)流變鑄造（流變鑄造（rheocasting） 金屬液金屬液 攪拌、凝固攪拌、凝固半固態(tài)漿料半固態(tài)漿料 輸送輸送 成成形形 4、半固態(tài)合金的制備方法、半固態(tài)合金的制備方法 半固態(tài)合金的制備常用半固態(tài)合金的制備常用機(jī)械攪拌法機(jī)械攪拌法、電電磁攪拌法磁攪拌法和和應(yīng)變激活工藝應(yīng)變激活工藝。間歇式機(jī)械攪拌間歇式機(jī)械攪拌連續(xù)式機(jī)

5、械攪拌連續(xù)式機(jī)械攪拌 電磁攪拌法電磁攪拌法是利用旋轉(zhuǎn)磁場使是利用旋轉(zhuǎn)磁場使金屬液產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，達(dá)到攪拌金金屬液產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，達(dá)到攪拌金屬液的目的。屬液的目的。 目前有兩種方法。一種是在感目前有兩種方法。一種是在感應(yīng)線圈內(nèi)通交變電流，另一種應(yīng)線圈內(nèi)通交變電流，另一種是旋轉(zhuǎn)永磁體法。是旋轉(zhuǎn)永磁體法。 電磁攪拌法不會(huì)污染金屬液，電磁攪拌法不會(huì)污染金屬液，控制方便靈活，但設(shè)備投資大，控制方便靈活，但設(shè)備投資大，成本高。成本高。電磁攪拌電磁攪拌 應(yīng)變激活工藝應(yīng)變激活工藝（Strain-induced melt activation process，SIMA) 預(yù)先連續(xù)鑄造出晶粒預(yù)先連續(xù)鑄造出晶粒細(xì)小的金屬錠細(xì)小

6、的金屬錠, 再將金屬再將金屬錠熱態(tài)擠壓變形，錠熱態(tài)擠壓變形，變形變形量要大量要大，通過變形破碎，通過變形破碎鑄態(tài)組織，隨后再加以鑄態(tài)組織，隨后再加以小量冷變形，在組織中小量冷變形，在組織中儲(chǔ)存部分變形能量，最儲(chǔ)存部分變形能量，最后按需要將變形的金屬后按需要將變形的金屬錠切成一定大小錠切成一定大小, 加熱到加熱到固液區(qū)并適當(dāng)保溫，即固液區(qū)并適當(dāng)保溫，即可獲得可獲得半固態(tài)坯料半固態(tài)坯料。 9、半固態(tài)合金組織、半固態(tài)合金組織 半固態(tài)合金組織的形態(tài)和大小與半固態(tài)合金組織的形態(tài)和大小與合金的合金的溫度溫度、剪切速率剪切速率和和固態(tài)比例固態(tài)比例有關(guān)。有關(guān)。 隨合金溫度下降，初晶枝晶間距和質(zhì)點(diǎn)隨合金溫度下降

7、，初晶枝晶間距和質(zhì)點(diǎn)尺寸減??；剪切力越高，則質(zhì)點(diǎn)形狀越尺寸減小；剪切力越高，則質(zhì)點(diǎn)形狀越趨于趨于球形球形；質(zhì)點(diǎn)尺寸隨固相比例增大而；質(zhì)點(diǎn)尺寸隨固相比例增大而增大。增大。 10、半固態(tài)合金的流變性能、半固態(tài)合金的流變性能 研究材料成形過程中的研究材料成形過程中的流動(dòng)和變形流動(dòng)和變形規(guī)律規(guī)律即即流變學(xué)流變學(xué)； 合金在熔融態(tài)和凝固過程中的流變性：合金在熔融態(tài)和凝固過程中的流變性：剪切力、剪切速率、彈性、粘彈性和塑剪切力、剪切速率、彈性、粘彈性和塑性；性； 11、半固態(tài)成形方法、半固態(tài)成形方法 （1）流變成形流變成形（Rheoforming)流變成形流變成形：利用半固態(tài)金屬制備器批量制備或：利用半固態(tài)

8、金屬制備器批量制備或連續(xù)制備糊狀漿料，直接進(jìn)行加工成形（鑄造、連續(xù)制備糊狀漿料，直接進(jìn)行加工成形（鑄造、擠壓、軋制、模鍛等）的方法。擠壓、軋制、模鍛等）的方法。特點(diǎn)特點(diǎn)：直接獲得的半固態(tài)漿料不便于保存和輸：直接獲得的半固態(tài)漿料不便于保存和輸送，發(fā)展緩慢，成熟應(yīng)用有限；比觸變成形節(jié)送，發(fā)展緩慢，成熟應(yīng)用有限；比觸變成形節(jié)省能源、流程短、設(shè)備簡單，發(fā)展前景較好。省能源、流程短、設(shè)備簡單，發(fā)展前景較好。(a)連續(xù)攪連續(xù)攪拌制備半固拌制備半固態(tài)漿料態(tài)漿料(b)漿料被漿料被送入壓室送入壓室(c)壓射成型壓射成型(d)壓鑄件壓鑄件鎂合金射鑄成形鎂合金射鑄成形 （2）觸變成形觸變成形（Thixoformin

9、g）觸變成形：觸變成形：利用漿料連續(xù)制備器生產(chǎn)的半固態(tài)漿利用漿料連續(xù)制備器生產(chǎn)的半固態(tài)漿料鑄成一定形狀的鑄錠的成形方法，它像軟的固料鑄成一定形狀的鑄錠的成形方法，它像軟的固體一樣可以搬運(yùn)、切塊、儲(chǔ)藏，使用時(shí)將其重新體一樣可以搬運(yùn)、切塊、儲(chǔ)藏，使用時(shí)將其重新加熱到半固態(tài)溫度范圍，裝入成形機(jī)進(jìn)行成形加熱到半固態(tài)溫度范圍，裝入成形機(jī)進(jìn)行成形（鑄造、擠壓、軋制、模鍛等）。（鑄造、擠壓、軋制、模鍛等）。特點(diǎn)特點(diǎn)：輸送方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，應(yīng)用廣泛。：輸送方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，應(yīng)用廣泛。a)連續(xù)攪拌制備半固態(tài)漿料連續(xù)攪拌制備半固態(tài)漿料b)半固態(tài)漿料凝固成坯料半固態(tài)漿料凝固成坯料c)坯料切分坯料切分d)坯料

10、半固態(tài)坯料半固態(tài)重熔重熔加熱加熱e)坯料被送入射室坯料被送入射室f)壓射成型壓射成型g)壓鑄件壓鑄件區(qū)別：區(qū)別：1）多一個(gè)加熱工藝）多一個(gè)加熱工藝2）運(yùn)輸方便）運(yùn)輸方便 （3 3）鑄鍛成形）鑄鍛成形-鑄造和鍛壓的復(fù)合 液態(tài)模鍛、擠壓、鑄擠、軋制等半固態(tài)金屬擠壓成形半固態(tài)金屬擠壓成形半固態(tài)金屬軋制成形半固態(tài)金屬軋制成形半固態(tài)鋁合金坯料水平連鑄機(jī)半固態(tài)鋁合金坯料水平連鑄機(jī)3英寸的半固態(tài)鋁合金坯料80mm電磁攪拌連鑄半固態(tài)鋁合金坯料北京科技大學(xué)應(yīng)變激活應(yīng)變激活工藝生產(chǎn)的軍用航天器中的一種工藝生產(chǎn)的軍用航天器中的一種小型電器連接零件小型電器連接零件 鋁合金汽車制動(dòng)總泵殼毛坯鋁合金汽車制動(dòng)總泵殼毛坯左邊

11、為半固態(tài)鑄造，右邊為金屬型鑄造左邊為半固態(tài)鑄造，右邊為金屬型鑄造半固態(tài)鋁合金汽車零件毛坯半固態(tài)鋁合金汽車零件毛坯半固態(tài)射鑄（半固態(tài)射鑄（Thixomolding）工藝示意圖）工藝示意圖4.3 快速凝固成形快速凝固成形 定義：冷卻速度大于定義：冷卻速度大于102/s的凝固，稱的凝固，稱為快速凝固。為快速凝固。 1、快速凝固及發(fā)展、快速凝固及發(fā)展 2、實(shí)現(xiàn)快速凝固的條件、實(shí)現(xiàn)快速凝固的條件 金屬溶液必須被分散成液流或液滴，金屬溶液必須被分散成液流或液滴，而且至少在一個(gè)方向上的尺寸極小，以而且至少在一個(gè)方向上的尺寸極小，以便散熱；便散熱；必須有能帶走熱量的冷卻介必須有能帶走熱量的冷卻介質(zhì)。質(zhì)。3、快

12、速凝固、快速凝固的特點(diǎn)的特點(diǎn) 快速凝固速度較大，溶質(zhì)產(chǎn)生非平衡快速凝固速度較大，溶質(zhì)產(chǎn)生非平衡分配，是無溶質(zhì)分配的凝固；分配，是無溶質(zhì)分配的凝固； 在快速凝固條件下，固液界面的穩(wěn)定在快速凝固條件下，固液界面的穩(wěn)定性將增加，凝固形成了平面、無偏析的性將增加，凝固形成了平面、無偏析的等軸晶；等軸晶； 形成組織特殊的晶態(tài)合金；形成組織特殊的晶態(tài)合金； 非晶態(tài)組織的形成；非晶態(tài)組織的形成； 準(zhǔn)晶態(tài)組織的形成。準(zhǔn)晶態(tài)組織的形成。雙活塞法平面流鑄造法快速凝固霧化法落管法二相法“槍”法熔體旋轉(zhuǎn)法電子束急冷淬火法熔體提取法雙流霧化離心霧化機(jī)械霧化和其它霧化法水霧化與氣體霧化法高速旋轉(zhuǎn)筒霧化法滾筒急冷霧化法旋轉(zhuǎn)電極霧化法雙輥霧化法電-流體力學(xué)霧化法表面熔化法表面噴涂沉積技術(shù)等離子噴涂沉積霧化沉