第四章半固態(tài)成型

第四章半固態(tài)成型半固態(tài)合金就是將合金熔化后,待她冷卻到液相線溫度以下,對(duì)合金進(jìn)行攪拌,在攪拌力得作用下,合金析出得樹(shù)枝狀晶被破壞,并在周?chē)饘僖旱媚Σ寥廴谧饔孟?晶粒和破碎得枝晶小塊形成卵球狀得顆粒,分布在整個(gè)液態(tài)金屬中。該合金即使固態(tài)組分達(dá)40%-60%,仍然像糊狀懸浮液,具有一定得流動(dòng)性。而在剪切力較小或?yàn)榱銜r(shí),她又具有固體性質(zhì),可以搬運(yùn)儲(chǔ)藏。利用半固體合金獨(dú)特得性質(zhì)實(shí)現(xiàn)澆注或壓注成形得方法,稱為半固態(tài)成形。2、半固態(tài)成形得特點(diǎn)半固態(tài)金屬(合金)得內(nèi)部特征就是固液相混合共存,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2為半固態(tài)金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。可見(jiàn),高固相分?jǐn)?shù)圖2半固態(tài)金屬得內(nèi)部結(jié)構(gòu):(a)高固相分?jǐn)?shù),(b)低固相分?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)金屬得金屬學(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)生活躍得擴(kuò)散現(xiàn)象,因此,溶質(zhì)元素得濃度不斷變化;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(méi)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)得降低,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);圖3半固態(tài)金屬和強(qiáng)化粒子(纖維)得攪拌混合當(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得粉末、纖維等,如圖3所示;由于固相粒子間幾何無(wú)結(jié)合力,在特定部位雖然容易分離;但由于液相成分得存在,又很容易地將分離得部位連接形成一體圖4半固態(tài)金屬得(a)分離,(b)結(jié)合化,特別就是液相成分很活躍,不僅半固態(tài)金屬間得結(jié)合,而且于一般固態(tài)金屬材料也容易形成很好得結(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(guò)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)得情況,如圖5所示,一般來(lái)說(shuō),存在液相成分先行流動(dòng)得傾向。液相先行流動(dòng)得現(xiàn)象在固相分?jǐn)?shù)很高、很低或加工速度特別高得情況下很難發(fā)生,主要就是在中間固相分?jǐn)?shù)范圍或低加工速度下比較顯著。圖5半固態(tài)金屬變形時(shí)液相成分和固相成分得流動(dòng)與普通加工方法相比,半固態(tài)金屬加工得優(yōu)點(diǎn):黏度比液態(tài)金屬高,容易控制:模具夾帶得氣體少,減少氧化、改善加工性,減少模具粘接,可進(jìn)行更高速得部件成形,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,可以更高得速度成形部件,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)形狀得高速成形(如擠壓),加工成本低;應(yīng)用范圍廣:凡具有固液兩相區(qū)得合金均可實(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)行材料得復(fù)合及成形。3、半固態(tài)成形得發(fā)展20世紀(jì)70年代初,美國(guó)MIT得博士研究生DBSpencer在研究Sn-15%wtPb合金得高溫特性時(shí),偶然發(fā)現(xiàn)金屬得半固態(tài)力學(xué)行為和組織特點(diǎn)。這些發(fā)現(xiàn)引起了MIT得MCFlemings教授得特別重視,投入大量人力、物力,進(jìn)行了深入、廣泛得研究,創(chuàng)立了金屬半固態(tài)鑄造技術(shù)。半固態(tài)流變鑄造(rheocasting)金屬液

攪拌、凝固

半固態(tài)漿料

輸送

成形大家有疑問(wèn)的，可以詢問(wèn)和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)二、半固態(tài)下合金得流動(dòng)性能非枝晶得形成與演化圖7Al-20Cu合金未攪拌和機(jī)械攪拌(流變鑄造)狀態(tài)得凝固組織

液體金屬在凝固過(guò)程中攪拌且激冷,其結(jié)晶造成固體顆粒得初始形貌呈樹(shù)枝狀,然后在剪切力作用下,枝晶會(huì)破碎,形成小得球形晶,圖7未常規(guī)鑄造和半固態(tài)鑄造得組織對(duì)比,可見(jiàn)利用流變鑄造方法生產(chǎn)得半固態(tài)金屬具有獨(dú)特得非枝晶、近似球形得顯微結(jié)構(gòu)。球形結(jié)構(gòu)得演化過(guò)程:結(jié)晶開(kāi)始時(shí),攪拌促進(jìn)了晶核得產(chǎn)生,此時(shí)晶核就是以枝晶生長(zhǎng)方式進(jìn)行得;隨著溫度得下降,雖然晶粒仍然就是以枝晶生長(zhǎng)方式進(jìn)行,但由于攪拌得作用,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;隨著溫度得繼續(xù)下降,最終使得這種薔薇形結(jié)構(gòu)演化成更簡(jiǎn)單得球形結(jié)構(gòu),演化過(guò)程如圖8所示。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)得工藝流程圖

球形結(jié)構(gòu)得最終形成要靠足夠得冷卻速度和足夠高得剪切速率,同時(shí)這就是一個(gè)不可逆得結(jié)構(gòu)演化過(guò)程,即一旦球形得結(jié)構(gòu)生成了,只要在液固區(qū),無(wú)論怎樣升降合金得溫度(不能讓合金完全熔化),她也不會(huì)變成枝晶。半固態(tài)合金得制備方法半固態(tài)合金得制備常用機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法和應(yīng)變激活工藝。間歇式機(jī)械攪拌連續(xù)式機(jī)械攪拌(1)電磁攪拌法電磁攪拌法就是利用感應(yīng)線圈產(chǎn)生得平行于或者垂直于鑄型方向得強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)處于液-固相線之間得金屬液形成強(qiáng)烈得攪拌作用,產(chǎn)生劇烈得流動(dòng),使金屬凝固析出得枝晶充分破碎并球化,進(jìn)行半固態(tài)漿料或坯料得制備。

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)流變漿料或連續(xù)鑄錠坯,產(chǎn)量可以很大。缺點(diǎn):直徑大于150mm得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(2)機(jī)械攪拌法該方法利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)得葉片或攪拌棒改變凝固中金屬初晶得生長(zhǎng)與演化,以獲得球狀或類(lèi)球狀得初生固相得半固態(tài)金屬流變漿料。機(jī)械攪拌示意圖優(yōu)點(diǎn):攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作方便。缺點(diǎn):生產(chǎn)得半固態(tài)漿料得產(chǎn)量小,只適用于

實(shí)驗(yàn)室得小規(guī)模試驗(yàn)研究工作。影響因素:攪拌室得溫度,攪拌葉片或棒得轉(zhuǎn)速。

(3)應(yīng)變激活工藝再對(duì)熱態(tài)擠壓變形過(guò)得坯料加以少量得冷變形,在坯料得組織中儲(chǔ)存部分變形能力。按需要將經(jīng)過(guò)變形得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,即可獲得具有觸變性得球狀半固態(tài)坯料。將該金屬錠坯在回復(fù)再結(jié)晶得溫度范圍內(nèi)進(jìn)行大變形量得熱態(tài)擠壓變形,通過(guò)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)小得金屬錠坯。三、半固態(tài)成形方法半固態(tài)成形方法流變成形rheoforming觸變成形thixoforming在金屬凝固過(guò)程中,對(duì)其施以劇烈得攪拌作用,充分破碎樹(shù)枝狀得初生固相,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得固-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)行成形加工得方法稱之為半固態(tài)金屬得流變成形。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(即坯料得二次加熱)至金屬得半固態(tài)溫度區(qū)(金屬錠稱為半固態(tài)金屬坯料)。利用金屬得半固態(tài)坯料進(jìn)行成形加工得方法為觸變成形1、流變成形(Rheoforming)流變成形:利用半固態(tài)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、擠壓、軋制、模鍛等)得方法。特點(diǎn):直接獲得得半固態(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)省能源、流程短、設(shè)備簡(jiǎn)單,發(fā)展前景較好。(a)連續(xù)攪拌制備半固態(tài)漿料(b)漿料被送入壓室(c)壓射成型(d)壓鑄件鎂合金射鑄成形2、觸變成形(Rheoforming)

觸變成形(Thixomolding)由美國(guó)得Dow公司開(kāi)發(fā)得,1992年由日本引入并完成成形機(jī)得研制開(kāi)發(fā)。下圖為T(mén)hixomolding工藝得簡(jiǎn)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。Thixomolding工藝簡(jiǎn)圖設(shè)備特點(diǎn):原料進(jìn)入料斗后邊加熱邊剪切攪拌,最后形成半固態(tài)得狀態(tài)再射入模具中;半固態(tài)漿料得固相分?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(guò)程中不需要嚴(yán)格得保護(hù)性氣氛進(jìn)行保護(hù),僅在投料口處用少量得Ar氣保護(hù)即可。Thixomolding成形件得特點(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;可精密成形薄壁件三種鎂合金采用Thixomolding和模鑄成形件得力學(xué)性能比較材料成形方法屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%AZ91DThixomolding18029910模鑄1602303AM60BThixomolding14727818、8模鑄11423911、6ZM50AThixomolding13926920模鑄11223213一、概述4、3快速凝固成形定義:冷卻速度大于102℃/s得凝固,稱為快速凝固。1、快速凝固及發(fā)展

快速凝固得研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代末60年代初,就是在比常規(guī)工藝過(guò)程快得多得冷卻速度或大得多得過(guò)冷度下,合金以極快得凝固速率由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)得過(guò)程。1960年美國(guó)加州理工學(xué)院得PDuwez等采用一種獨(dú)特得熔體急冷技術(shù),第一次使液態(tài)合金在大于107K/s得冷卻速度下凝固。她們得發(fā)現(xiàn),在世界得物理冶金和材料學(xué)工作者面前展開(kāi)了一個(gè)新得廣闊得研究領(lǐng)域。在快速凝固條件下,凝固過(guò)程得一些傳輸現(xiàn)象可能被抑制,凝固偏離平衡。經(jīng)典凝固理論中得許多平衡條件得假設(shè)不再適應(yīng),成為凝固過(guò)程研究得一個(gè)特殊領(lǐng)域?？焖倌痰哪康某?xì)組織過(guò)飽和固溶體亞穩(wěn)相或新得結(jié)晶相微晶、納米晶或金屬玻璃形成獲得優(yōu)異得強(qiáng)度、塑性、耐磨性、耐腐蝕性等。2、實(shí)現(xiàn)快速凝固得條件

①金屬溶液必須被分散成液流或液滴,而且至少在一個(gè)方向上得尺寸極小,以便散熱;②必須有能帶走熱量得冷卻介質(zhì)。3、快速凝固得特點(diǎn)①快速凝固速度較大,溶質(zhì)產(chǎn)生非平衡分配,就是無(wú)溶質(zhì)分配得凝固;②在快速凝固條件下,固液界面得穩(wěn)定性將增加,凝固形成了平面、無(wú)偏析得等軸晶;③形成組織特殊得晶態(tài)合金;④非晶態(tài)組織得形成;⑤準(zhǔn)晶態(tài)組織得形成。二、快速凝固技術(shù)1、動(dòng)力學(xué)急冷法2、熱力學(xué)深過(guò)冷法1、動(dòng)力學(xué)急冷法

在動(dòng)力學(xué)急冷凝固技術(shù)中,根據(jù)熔體分離和冷卻方式得不同,可以分成霧化技術(shù)、模冷技術(shù)和表面熔化及沉積技術(shù)三大類(lèi)。原理:通過(guò)提高熔體凝固時(shí)得傳熱速率從而提高凝固時(shí)得冷卻速率,使熔體形核時(shí)間極短,來(lái)不及在平衡熔點(diǎn)附近凝固而只能在遠(yuǎn)離平衡熔點(diǎn)得較低溫度凝固,因而具有很大得凝固過(guò)冷度和凝固速率。模冷技術(shù)模冷技術(shù):使金屬液接觸固體冷源并以傳導(dǎo)得方式散熱而實(shí)現(xiàn)快速凝固。其主要特點(diǎn)就是首先把熔體分離成連續(xù)或不連續(xù)得、界面尺寸很小得熔體流,然后使熔體流與旋轉(zhuǎn)或固定得、導(dǎo)熱良好得冷模或基底迅速接觸而冷卻凝固。模冷技術(shù)槍法雙活塞法熔體旋轉(zhuǎn)法平面流鑄造法表面熔化與沉積技木熔體提取法急冷模法霧化技術(shù)

霧化技術(shù)就是指采用某種措施將熔體分離霧化,同時(shí)通過(guò)對(duì)流得冷卻方式凝固,其主要特點(diǎn)就是在離心力、機(jī)械力或高速流體沖擊力等作用下分散成尺寸極小得霧狀熔滴在氣流或冷模接觸中迅速冷卻凝固。流體霧化法霧化技術(shù)離心霧化法機(jī)械霧化法2、熱力學(xué)深過(guò)冷快速凝固熱力學(xué)深過(guò)冷就是指通過(guò)各種有效得凈化手段避免或消除金屬或合金液中得異質(zhì)晶核得形核作用,增加臨界形核功、抑制均質(zhì)形核作用,使得液態(tài)金屬或合金獲得在常規(guī)條件下難以達(dá)到得過(guò)冷度。采用這種技術(shù),可以在冷速不高得情況下獲得很大得凝固過(guò)冷度。因此,熱力學(xué)深過(guò)冷非平衡凝固在理論上不受熔體體積限制,就是實(shí)現(xiàn)大體積熔體非平衡凝固得有效方法。熱力學(xué)深過(guò)冷方法1、微小液滴法2、乳化-熱分析法3、落管法4、電磁懸浮熔煉法5、微重力法6、固液兩相區(qū)法7、循環(huán)過(guò)熱法8、玻璃熔體凈化法9、復(fù)合凈化法乳化-熱分析法得基本思想就是在惰性環(huán)境(惰性基礎(chǔ)或惰性懸浮溶液)中,隨著液體分散程度得提高,有效形核襯底逐漸被孤立于少數(shù)液滴中,大部分液滴保持分離并且不包含異質(zhì)核心,這部分液滴將會(huì)表現(xiàn)出深過(guò)冷行為,其原理見(jiàn)下圖。落管法:通過(guò)電磁懸浮熔煉、電子束或其她方法熔化金屬,隨后金屬熔體在真空或通入保護(hù)性氣體得管中自由下落冷卻凝固。自由下落過(guò)程中,金屬或合金液避免與器壁相接觸,同時(shí)又具有微重力凝固得特征,因而可以獲得深過(guò)冷。電磁懸浮熔煉法:通過(guò)選擇合適得線圈形狀及輸出頻率,使試樣在電磁力作用下處于懸浮裝態(tài),再通入He、Ar、H2等保護(hù)氣氛,通過(guò)感應(yīng)加熱熔化,控制凝固從而實(shí)現(xiàn)深過(guò)冷。微重力法:利用太空中微重力場(chǎng)和高真空條件,使液態(tài)金屬自由懸浮于空中實(shí)現(xiàn)無(wú)坩堝凝固,從而獲得深過(guò)冷。固液兩相區(qū)法:將合金熔體過(guò)熱,然后冷卻至固液兩相區(qū),使也想在先析