材料分析與檢測

PAGEPAGE5金屬半固態(tài)概述1半固態(tài)加工的概念與特點1.1.1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70年代美國麻省理工學院的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程中，對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行成形加工的方法稱之為半固態(tài)金屬的流變成形(rheoforming)；如果將流變漿料凝固成錠，接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-solidformingorprocessingofmetals)，目前在國際上，通常將半固態(tài)加工簡稱為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，特別對于結(jié)晶溫度區(qū)間寬的合金，半固態(tài)階段較長。金屬材料在液態(tài)、固態(tài)和半固態(tài)三個階段均呈現(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。凝固加工利用液態(tài)金屬的良好流動性，以完成成形過程中的充填、補縮直至凝固結(jié)束。其發(fā)展趨勢是采用機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)的良好塑性流動性，以完成成形過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，設備也很龐大，因此要消耗大量能源，對于復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)加工是利用金屬從液態(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)過程中所具有的特性進行成形的方法。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雜且精度和性能質(zhì)量要求較高的零件。所以，國外有的專家將半固態(tài)加工稱為21世紀最有前途的材料成形加工方法。。1.2半固態(tài)金屬的特點半固態(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)固相分數(shù)不同，其狀態(tài)不同，圖4-2表示半固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在高固相分數(shù)時，液相成分僅限于部分晶界(見圖4-2(a))；在低固相分數(shù)時，固相顆粒游離在液相成分之中(見圖4-2(b))。半周態(tài)金屬的金屬學和力學主要有以下幾個特點。(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，其宏觀流動變形抗力很低；(3)隨著固相分數(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；(4)當固相分數(shù)在極限值(約75％)以下時，漿料可以進行攪拌，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，也可通過半熔融狀態(tài)在低加工力下進行成形加工；(7)當施加外力時，液相成分和固相成分存在分別流動的情況。雖然施加外力的方法和當時的邊界約束條件可能不同，但一般來說，存在液相成分先行流動的傾向或可能性，如圖4-5所示；(8)上述現(xiàn)象在固相分數(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數(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特的優(yōu)點：(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，可進行更高速的部件成形，改善表面光潔度，易實現(xiàn)自動化和形成新加工工藝；(2)流動應力比固態(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，而且可進行復雜件成形，縮短加工周期，提高材料利用率，有利于節(jié)能節(jié)材，并可進行連續(xù)形狀的高速成形(如擠壓)，加工成本低；(3)應用范圍廣：凡具有固液兩相區(qū)的合金均可實現(xiàn)半固態(tài)加工?？蛇m用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和鍛壓等，并可進行材料的復合及成形：1.3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機械攪拌、電磁攪拌或其他復合攪拌，在結(jié)晶凝固過程中形成半固態(tài)漿料，下面的工藝分兩種：其一是將半固態(tài)漿料直接壓入模具腔進而壓鑄成形或?qū)Π牍虘B(tài)漿料進行直接軋制、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)過重新加熱至半固態(tài)溫度，形成半固態(tài)坯料再進行成形加工，此即觸變成形。圖4-7為半固態(tài)流變成形和觸變成形工藝流程示意圖。1.4半固態(tài)加工的研究及發(fā)展1.4.1國外研究現(xiàn)狀20世紀70年代初期，美國麻省理工學院的M.C.Flemings教授和DavidSpener博士提出了半固態(tài)加工技術(shù)，由于該技術(shù)采用了非枝晶半同態(tài)漿料，打破了傳統(tǒng)的枝晶凝固模式，具有許多獨特的優(yōu)點，因此關(guān)于半固態(tài)金屬成形的理論和技術(shù)研究引起各國研究者的高度重視，半同態(tài)加工的產(chǎn)品及應用也隨之得到迅速的發(fā)展。20世紀80年代后期以來，半同態(tài)加工技術(shù)已得到了各國科技工作者的普遍承認，目前已經(jīng)針對這種技術(shù)開展了年多工藝實驗和一些理論研究。根據(jù)所研究的材料，可分為有色金屬及其合金的低熔點材料半固態(tài)加工和鋼鐵材料等高熔點黑色金屬材料半固態(tài)加工。(1)有色金屬及其合金的低熔點材料半固態(tài)成形研究20世紀70年代以來，美國、日本等國針對鋁、鎂、鉛、銅等的合金進行了研究，其重點主要放在成形工藝的開發(fā)上。目前，國外進入工業(yè)應用的半固態(tài)金屬主要是鋁、鎂合金，這些合金最成功的應用主要集中在汽車領(lǐng)域，如半固態(tài)模鍛鋁合金制動總泵體、掛架、汽缸頭、輪轂、壓縮機活塞等。鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)(觸變成形)已經(jīng)成熟并進入規(guī)模生產(chǎn)，主要應用于汽車、電器、航空航天等領(lǐng)域。如美國的Alunaxm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)能力分別達到每年5000萬件。意大利的StrampalSPA和FiatAuto公司生產(chǎn)的半固態(tài)鋁合金汽車零件重達7kg，而且形狀很復雜；意大利的MM公司(MagnetiMarelli)為汽車公司生產(chǎn)半同態(tài)鋁合金成形的FuelinjectionRail零件，在2000年達到日產(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(實時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備。日本的SpeedStarWheel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Thixomolding技術(shù)。1995年，美國的Thixomat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工藝制造移動通訊手機外殼、微型便攜式計算機外殼等。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)比較復雜、生產(chǎn)成本比較高。近年，英國布魯諾(Brunel)大學研制出低熔點合金雙螺旋半固態(tài)流變成形機，目前正在向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。另外，最近資料報道，一些發(fā)達國家正在開發(fā)鎂合金半固態(tài)連鑄坯料和觸變成形技術(shù)，這些情況說明鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)仍然處在不斷發(fā)展之中，將會出現(xiàn)新的技術(shù)突破。十幾年來，關(guān)于半固態(tài)加工實驗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)出了機械攪拌法、單輥旋轉(zhuǎn)法、電磁攪拌法、超聲振動法、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現(xiàn)和試樣組織、性能有關(guān)方面。在此研究成果基礎上，近年來又針對漿料固相分數(shù)的控制與測定、輸送、工藝參數(shù)如變形抗力、成形線速度和鑄型溫度等對試樣的表面質(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題開展了較為系統(tǒng)的理論研究，取得了一定的進展。另外，在纖維和顆粒增強材料、與陶瓷等的復合材料方面也進行了一些研究。但關(guān)于加工過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)高熔點黑色金屬的半固態(tài)成形研究到目前為止，國際上共召開了7次半固態(tài)加工方面的專題國際學術(shù)會議，從研究的材料來看，絕大多數(shù)是關(guān)于鋁合金、鎂合金等低熔點材料。如2000年9月底在意大利召開的第6屆半固態(tài)加工國際學術(shù)會議上，共發(fā)表學術(shù)論文134篇，但其中關(guān)于高熔點鋼鐵材料半固態(tài)加工的研究論文儀6篇。所涉及的鋼鐵材料為M2、共析鋼、H11鋼和不銹鋼等。由此可見鋼鐵材料半固態(tài)加工的有關(guān)基礎和應用研究任重道遠，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)加工國際學術(shù)會議，研究狀況有了一些新的發(fā)展。在此次學術(shù)交流會議上，共發(fā)表論文148篇，其中關(guān)于高熔點鋼鐵材料半固態(tài)加工的研究論文13篇，會議專設了一個鋼鐵材料半固態(tài)加工研討的分會場。采用半固態(tài)加工方法所研究的高熔點材料涉及D2、HS6-2-5高速工具鋼、100Cr6鋼、60Si2Mn彈簧鋼、AIS1304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)已有的文獻和研究結(jié)果來看，高熔點黑色金屬半固態(tài)加工之所以進展緩慢，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)定地制備；(3)熔體的溫度、固相的比率和分布難以準確控制；(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)展趨勢主要表現(xiàn)在兩個方面。1.5半固態(tài)金屬的流變成形如前所述，半固態(tài)加工的基本工藝方法可分為觸變成形(thixoforming)和流變成形(rheoforming)兩種(見圖4-6、圖4-7)，兩種成形方法各自特點都很明顯。觸變成形需將坯料進行二次加熱再進行成形加工，其工藝可控性強、過程較穩(wěn)定且易操作，因而較快進入了工業(yè)化生產(chǎn)，目前美國、日本、意大利、德國等國已建立了多個鋁合金、鎂合金觸變成形工廠進行大批量汽車及電器用部件生產(chǎn)，但觸變成形的生產(chǎn)流程較長、相對成本要高一些。相比較而言，流變成形省去了二次加熱，由半固態(tài)漿料直接進行成形，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、相對成本較低，受到國內(nèi)外許多研究者的重視，因而對流變成形方法從理論、實驗、技術(shù)和設備各方面都開展了大量的研究工作，并取得了迅速的進展，成為半固態(tài)加工領(lǐng)域的新熱點。最近，國際半固態(tài)加工領(lǐng)域的幾位著名學者Flemings、Hall、Apelian、Kiuchi、Okano。以及Kopp等都對半固態(tài)流變成形給予了高度的關(guān)注，并指出由于其經(jīng)濟性，在未來的幾年中，半固態(tài)流變成形將有更快的發(fā)展。實際上，在最近幾年中，半固態(tài)流變成形技術(shù)確實得到了很大的進步，如奧地利LKR公司的“新流變鑄造工藝NRC——newreheocastingprocess”，英國Z.Fan的雙螺旋流變技術(shù)，日本T.Haga等的采用傾斜板制備半固態(tài)漿料并直接鑄軋薄帶和流變擠壓成形方法以及中國康永林等的半固態(tài)直接軋制和錐桶式半固態(tài)流變成形技術(shù)等新的流變成形方法及技術(shù)不斷出現(xiàn)，有力地推動了半固態(tài)直接流變成形技術(shù)的進步，為該技術(shù)的工業(yè)化應用打下了堅實的技術(shù)基礎。1.5.1雙螺旋式半固態(tài)流變成形英國Brunel大學的Z.Fan等人，為克服單螺旋觸變成形機——Thixoforming的不足，發(fā)明了雙螺旋半固態(tài)金屬流變注射成形機(Twin-ScrewReheocasting，見圖4-37)。該設備的設計十分新穎獨特，其工作原理是利用雙螺旋的旋轉(zhuǎn)，使液態(tài)金屬產(chǎn)生劇烈的紊流，增加切變宰來達到細化晶粒，均勻成分的目的。雙螺旋的旋轉(zhuǎn)使其內(nèi)部金屬漿料產(chǎn)生“8”字形運動，并且使金屬漿料沿螺桿軸向向前運動，在螺紋的嚙合處及根部分別達到最大和最小的剪切變形。如圖4-37所示。該設備結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是剪切速率高，半固態(tài)顆粒細小均勻，可生產(chǎn)薄壁、斷面復雜的零件，不足之處是雙螺旋結(jié)構(gòu)存在螺桿工況差，消耗高，壽命短等問題，不通用大型零件生產(chǎn)。雙螺旋結(jié)構(gòu)放置可以采取斜置(圖4-37)、垂直和水平三種形式用于鋁合金、鎂合金的流變壓鑄、半固態(tài)制坯和流變擠壓成形。試驗結(jié)果表明，采用雙螺旋流變成形設備得到十分均勻的半固態(tài)組織。1.5.2錐桶式半固態(tài)流變成形在對目前半固態(tài)金屬漿料制備工藝與流變成形設備結(jié)構(gòu)及技術(shù)分析的基礎上，康永林等利用金屬漿料通過旋轉(zhuǎn)的斜錐形內(nèi)外筒之間的縫隙形成劇烈剪切應力場作用的原理，成功地研制開發(fā)了一種新型的具有獨特結(jié)構(gòu)的半固態(tài)金屬漿料制備與直接流變成形裝置——錐桶式半固態(tài)流變成形裝置，可用來對鎂合金等輕金屬及合金進行半固態(tài)漿料制備及直接流變成形。錐桶式半固態(tài)漿料制備與流變成形裝置主要由送料裝置、剪切機構(gòu)，射壓機構(gòu)、溫度控制裝置(PID控制儀表)和氣體保護系統(tǒng)組成。基工藝流程如圖4-38所示。該裝置構(gòu)造簡圖及實物照片如圖4-39，圖4-40所示。如圖4-39構(gòu)造簡圖所示，輕質(zhì)臺金原料經(jīng)熔化爐熔化，為半固態(tài)漿料的制備提供金屬熔液。剪切機構(gòu)由內(nèi)、外兩個同心圓錐筒組成，其中內(nèi)筒由電機帶動轉(zhuǎn)動，外筒固定。通過調(diào)整內(nèi)筒轉(zhuǎn)速和升降內(nèi)筒高度(即調(diào)整內(nèi)、外筒之間的縫隙)，使半固態(tài)金屬漿料在內(nèi)、外筒縫隙之間受到劇烈剪切應力作用，從而制備出晶粒細小、組織均勻的半