浅谈金属半固态成形技术
江苏理工学院
JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
材料先进制备与成形加工技术
课程论文
学院名称：材料工程学院
专业：机械工程
2013年04 月
浅谈金属半固态成形技术
摘要本文综述了半固态成形技术，介绍了半固态成形技术的定义及其成形工
艺，研究现状及发展应用，半固态浆料的制备方式及浆料的特点，最后对半固态技术进行了展望。
关键词半固态成形触变成形流变成形
1.半固态成形技术定义
金属半固态加工就是在金属凝固过程中，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；如果将流变浆料凝固成锭，接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，这时的金属锭一般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，这种方法称之为触变成形。半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形技术。如下图一所示。
图一半固态成形技术
2、半固态加工的成形工艺
目前，金属半固态成形的工艺路线主要有两种：一种是触变成形，把制浆与成形结合在一起；另一种是流变成形，将制坯和成形结合在一起。
2．1 触变成形
触变成形的工艺路线是将半固态合金浆料铸造成锭坯，根据产品尺寸需要进行下料，经二次加热后，在半固态温度下进行压力加工成形。由于半固态坯料的加热、输送工艺较为方便，并易于实现自动化操作，因而触变成形工艺在得到了广泛应用。如半固态金属触变压铸、触变锻造、触变挤压工艺目前都已成熟，并进入实际应用。随着触变成形工艺的推广和应用，生产实践中发现触变成形工艺也存在一些不足，如成本高，坯料损耗过多，坯料重熔时固相率难以精确控制。工艺图如图二所示。
2．2 流变成形
流变成形是将制备的半固态合金熔体直接转移到成形设备进行成形的工艺方法。Flemings在20纪70年代通过间歇式或连续式机械搅拌制备半固态金属浆料，通过流变铸造，在制备半固态浆料的同时也直接进行了流变压铸成形各种零件。由于直接获得的半固态金属浆料的保存和输送很不方便，因而流变成形技术进展很缓慢。但与触变成形相比，流变成形有工艺流程短、生产效率高等优点，近年来引起了人们的关注，从而出现了一些流变成形新技术。
半固态合金流变成形方法可分为两大类：一类是以半固态合金组织的形成基于“枝晶破碎球化”为核心理论，包括流变压铸成形、单螺旋机械搅拌式流变射铸工艺、压射室制备浆料式流变成形等；另一类是基于“球形组织的直接生长”的半固态组织形成机制，包括双螺旋机械搅拌式流变射铸工艺、低过热度倾斜板浇注式流变成形、低过热度浇注和弱机械搅拌式流变成形、低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变成形等，这些工艺方法便于控制、生产成本低，具有良好的发展前景。工艺图如图二所示。
图二金属半固态流变成形与触变成形工艺流程示意图
（a）流变成形（b）、（c）触变成形
3、金属半固态成形技术的研究现状与发展与应用
自从上个世纪七十年代以来，金属半固态成形技术已经经历了30多年，其发展经历了大致三个阶段：从七十年代初期到八十年代中期，主要是实验研究阶段；从八十年代中期到九十年代中期，主要为应用研究阶段；从九十年代中期到现在，为工业化应用阶段。近几年来，半固态金属成形技术在理论、工艺基础研究以及工业化研究等方面又有很多新的进展。
十几年来，关于半固态成形实验方面的研究主要集中在：浆料的制备，先后开发出了电磁搅拌法、超声振动法、直流脉冲法、液相线铸造法睁川等制备方法；半固态加工材料的成形，先后开发出了压铸成形、模锻成形、注射成形和连铸成形等加工工艺。美闲Conell大学的K．K．Wang等将半固态金属流变铸造与塑料注射成形(Injection Moulding)结合起来，形成了一种称之为“流变注射成形”(Rheomoulding)的半固态金属成形新工艺，开发了流变注射成形机。Kono Kaname 也发明了一种半固态金属注射成形系统，英国Brunel大学的z．Fan，S．Ji and M．J．Bevis等人在这些基础上开发了一种双螺旋半固态金属流变注射成形机。
理论上的研究丰要是围绕与工艺实现和试样组织、性能有关方面进行。在此研究成果上，近年来又针对浆料固相率的控制与测定、输送、半固态金属流变力学模型的研究、工艺参数如变形抗力、成形线速度和铸型温度对试样的表面质量、内部成分和组织分布规律的影响、半固态金属成形过程的数值模拟等较高层次的问题开展了较为系统的理论研究，取得了一定的进展。此外，在纤维和颗粒增强材料、与陶瓷等的复合材料方面也进行了一些研究。有代表性的研究单位如比利时的CRM公司、美同的麻省理工学院、康奈尔大学、DOW公司、hlumax公司、瑞士的Buhler公司、英国的Sheffield大学等。
我国在金属半固态成形技术研究方面起步较晚，但从80年代后期开始，在国家自然基金和“863”，“973”等项目的支持下，不少高等院校和科研机构在基础理论研究方面取得了可喜的进展，并自行设计和开发了不同类型的试验设备，如自行设计建成了100t／年铝合金半固态材料生产试验线，研制成功6工位中频感应二次加热设备等。全国机械工程学会锻压分会还专门设立了半固态加工学术委员会。
金属半固态成形以其技术与综合经济优势，很快就从实验研究进入工业应用。早在1978年，美国的AEMP公司就使用电磁搅拌技术生产出了供触变成形用的圆锭，随后建成了世界上第一条高度自动化的触变成形生产线，用于生产铝合金汽车零件，并且拥有相关专利60多项。从1988年开始，AEMP公司为Bendix牌小轿车生产了250多万件铝合金主制动缸，为Ford汽车公司生产了1500万件铝合金压缩机活塞，其成品率几乎为100％。Thixoma公司则是用半固态喷射成型专利技术生产镁合金汽车零件，并选择了三个典型零件：离合器片、油泵箱、齿轮箱。ITT 公司用半固态加工技术进行黄铜电解插件的生产，从1981年起应用于军用航空领域。Alumax公司于1994年建立了一个用半固态成形技术生产汽车零件的工厂，每年可以生产2400万个零部件。1996年在阿肯色州筹建了第二个半固态技术专业厂。目前该公司能生产质量从lOg到lOkg，直径为500mm的零件。该公司在1995年生产出了500多万件汽车零件，其中一个厂主要生产汽车空调箱体。另一个厂的主要产品为火箭支架底座，已生产了200多万件。该公司还为国内外用户提供刹车、发动机燃料输送系统、悬挂件等，已有几百万个零部件交付使用，并每年以生产百万件的速度增加。日本日立公司从1999年开始以流变铸造工艺生产零部件，与传统工艺相比，生产成本大幅度降低，生产周期缩短，产品质量提高。意大利的Stampal公司最先将源于日立UBE公司的新流变铸造(New Rheocasting)工艺用于工业生产，使铝合金(A356，A357)发动机托架，汽车悬挂件等零件质量提高，成本降低。比利时的C蹦、德国的EFU、法国的PechineySA、意大利的Fiat、IDRA、瑞士的Alusuisse—Lonza等国际知名公司已采用了半固态加工技术。另外，随着困防科技发展，对产品材质和成形技术的要求越来越严格。例如，轻型坦克的铝合金化。轻型坦克的轮毂、履带板等的成形，无论从品质还是从经济效益，半固态成形均是首选。
4 半固态合金浆料的制备
与传统铸造成形相比，半固态金属浆料中包含有类球形的固相颗粒，减少了凝固收缩，并提高了补缩能力，从而减轻或者消除了缩松倾向，因而组织优良的半固态金属浆料或坯料的制备是实现半固态金属加工技术的基础和关键。自从Flemings采用机械搅拌法制备出具有完整球形晶粒的半固态金属后，人们根据金属凝固理论对半固态金属浆料或坯料的工艺和技术，进行了研究与创新，目前半
固态成形浆料制备主要可分为搅拌法和非搅拌法两大类。
4．1 搅拌制备浆料技术
搅拌制备技术主要有机械搅拌法和电磁搅拌法。机械搅拌法是最早应用的一种半固态浆料制备方法，通过搅拌棒或者旋转的叶片对熔体直接施加搅拌，利用半固态金属流层速度不同产生的剪切应力或者采用采用螺旋式搅拌器，来强化凝固过程中金属液的流动，使枝晶折断，从而使凝固初期的枝晶破碎、变形，形成弥散球状固相颗粒的半固态合金。电磁搅拌法是通过电磁力改变凝固过程中熔体的流动、传质和传热，达到细化晶粒的目的。根据目前国内外研究结果表明，使用机械搅拌法与电磁搅拌法制备半固态浆料，在适当的搅拌及冷却条件下，均可获得半固态金属锭或成形件，其微观组织为细小球形或等轴的固相颗粒，最小粒径约为30到50微米。
机械搅拌法装置结构简单、造价低、操作方便，搅拌速度、搅拌温度和冷却速率等工艺参数易于控制，可获得很高的剪切速率，有利于形成细小的球形晶粒组织，是目前实验室应用最广泛的方法。但机械搅拌法的生产效率低，熔体易卷入气体，搅拌棒的寿命短，搅拌棒腐蚀易污染半固态金属浆料，使机械搅拌法不适宜半固态浆料的工业生产，无法制备高质量的半固态金属浆料或坯料。
电磁搅拌有效解决了机械搅拌的叶片或搅拌棒腐蚀污染半固态金属浆料的问题。另外，电磁搅拌参数控制灵活方便，便于控制半固态金属浆料的生产，这些都是电磁搅拌制备半固态金属浆料或坯料的独特优点。目前，电磁搅拌法制浆在半固态金属成形实际应用中占据主导地位。但电磁搅拌法也存在能耗大、漏磁严重、成本高、设计难度大的缺点，使其应用受到一定的限制。
4．2 非搅拌制备浆料技术
非搅拌制备技术的研究主要集中于以下几种工艺：应变诱导熔体活化法(SIMA)、喷射沉积法（Ospray）、粉末冶金法、冷却斜槽法、低过热度浇注法等。这些工艺各具特色，其中某些技术已成功应用于工业化生产。其中，应变诱发熔化激活技术是先将合金原材料进行足够冷变形，然后加热到固液两相区间，在加热过程中，先发生再结晶，然后部分融化，使初生相转变成颗粒状，形成半固态材料。该方法已成功应用于不锈钢、铜合金等较高熔点合金，但由于增加了预变形工序使生产成本提高，与电磁搅拌法相比，它仅仅用于生产小直径坯料。喷射沉积法的原理是金属融化成液态金属后，雾化为熔滴颗粒，在喷射气体作用下部分凝固的微滴直接沉积在收集基板上。当每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切力打碎熔滴内部形成的枝晶时，凝固后便成为颗粒状组织，加热到局部融化时，从而得到具有球形颗粒固相的半固态金属浆料。目前该方法已对铝合金、黑色金属以及金属基复合材料进行了成功的试验。与其他方法相比，该方法成本较高，只适用于制备有特殊要求的大尺寸坯料。低过热度浇注法工艺原理是降低浇注温度时，合金组织逐渐得到细化，当浇注温度接近合金的液相线温度时，可以获得半固态组织。低过热度浇注法制备半固态金属浆料或坯料的工艺简单，如果得到应用，将会进一步降低半固态成形件的价格，扩大半固态金属的应用范围。
5 搅拌浆料金属的特点
(1) 由于固液共存，在两者界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。因此溶质元素的局部浓度不断变化；
(2) 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；
(3) 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；
(4) 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；
(5) 由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可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，而且与一般固态金属材料也容易形成很好的结合；
(6) 即使是含有陶瓷颗粒、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；
(7) 当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别流动的情况。虽然施加外力的方法和当时的边界约束条件可能不同，但一般来说，存在液相成分先行流动的倾向或可能性；
(8) 上述现象在固相分数很高或很低或加工速度特别高的情况下都很难发生，主要是在中间固相分数范围或低加工速度情况下显著。
与普通的加工方法相比半固态金属加工具有许多独特的优点：
(1) 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，易实现自动化和形成新加工工艺；
(2) 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；
(3) 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。
6 半固态成形技术的发展趋势
半固态加工技术有很多的优点，虽然在国内外都有较多的研究，我国在半固态金属成形技术领域的研究和国外相比还相对落后，甚至在某些领域还是一片空白，为了国民经济的发展，特别是我国汽车工业的发展，提高我国汽车工业的水平和在国际市场上的竞争能力，需要采用各种新工艺和新材料来装备我国的汽车工业，而推动半固态金属成形技术在汽车工业中的应用是目前的关键。就国内外目前的研究现状来看，半固态金属成形技术的发展动向如下：
（1）触变成形存在产品成本高；生产过程控制任务重；设备投资大等缺点。而流变成形具有流程短、能耗低、设备投资小、连续性强、生产率高等优点，于是流变成形的研究和应用，目前重新成为半固态加工技术领域的热点，更多的研究人员会转向金属的半固态流变成形理论和应用方面的研究，以降低半固态产品成本，节约能源。
（2）目前国内外已经开发出了半固态成形过程数值模拟软件，但应用范围受到很大的限制。因此充分利用计算机技术，对流变成形和触变成形过程进行计算机模拟，促进半固态金属成形的理论研究将是另一热点。
7 总结
可以预见，金属半固态成形技术在2l世纪将会取得越来越重要的地位．在此
也要相信我国的金属半固态成形技术也必将取得究飞猛进的发展。
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金属半固态成型技术发展详解
4 金属半固态加工 4.1概述 4.1.1半固态加工的概念与特点 4.1.1.1半固态加工的概念 传统的金属成形主要分为两类：一类是金属的液态成形，如铸造、液态模锻、液态轧制、连铸等；另一类是金属的固态成形，如轧制、拉拔、挤压、锻造、冲压等。在20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemimgs教授等提出了一种金属成形的新方法，即半固态加工技术。金属半固态加工就是在金属凝固过程中，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(rheoforming)；如果将流变浆料凝固成锭，接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，这时的金属锭一般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，这种方法称之为触变成形(thixoforming)。半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形或半固态加工(semi-solid forming or processing of metals)，目前在国际上，通常将半固态加工简称为SSM(semi-solid metallurgy)。 就金属材料而言，半固态是其从液态向固态转变或从固态向液态转变的中间阶段，特别对于结晶温度区间宽的合金，半固态阶段较长。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。 凝固加工利用液态金属的良好流动性，以完成成形过程中的充填、补缩直至凝固结束。其发展趋势是采用机械压力替代重力充填，从而改善成形件内部质量和尺寸精度．但从凝固机理角度看，凝固加工要想完全消除成形件内部缺陷是极其困难的，甚至是不可能的。 塑性加工利用固态金属在高温下呈现的良好塑性流动性，以完成成形过程中的形变和组织转变。与凝固加工相比，采用塑性加工成形的产品质量明显好，但由于固态金属变形抗力高，所需变形力大，设备也很庞大，因此要消耗大量能源，对于复杂零件往往需要多道成形工序才能完成。因此，塑性加工的发展方向是降低加工能耗和成本、减小变形阻力、提高成形件尺寸精度和表面与内部质量。由此出现了精密模锻、等温锻造和超塑性加工等现代塑性加工方法。 半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变(即液固共存)过程中所具有的特性进行成形的方法。这一新的成形加工方法综合了凝固加工和塑性加工的长处。即加工温度比液态低、变形抗力比固 态小，可一次大变形量加工成形形 状复杂且精度和性能质量要求较高 的零件。所以，国外有的专家将半 固态加工称为21世纪最有前途的材 料成形加工方法。 图4-l表示金属在高温下 三态成形加工方法的相互关系。
材料加工作业3
1.比较半固态加工、铸造成型、塑性加工。 答：金属材料,从固态向液态或从液态向固态的转换过程中,均经历着半固态阶段。特别对于结晶温度区间宽的合金,尤为明显。由于三个阶段中,金属材料呈现出不同特性,利用这些特性,产生了塑性加工、铸造加工和半固态加工等多种热加工成形方法。 将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法，称为铸造。铸造加工利用了液态金属呈现出良好的流动性,以完成成形过程中的充填、补缩,直至凝固的结束。为了提高铸件的质量和尺寸精度,不断向快速、精密、高压方向发展,先后出现了高速连续铸造、差压铸造、压力铸造及至双柱塞精密压铸法。其发展趋势是采用机械压力替代重力充填,从而改善制件内部质量和尺寸精度。但从凝固机理角度看,铸造加工要想完全消除铸件内部缺陷是极其困难的。 金属塑性成形（传统叫锻压，是锻造和冲压工艺的总称），其本质是利用金属材料所具有的塑性，在工具或模具作用下施加外力，使其发生塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸及力学性能的零件或毛坯的工艺方法，工业生产中一般称为金属塑性加工或压力加工。 塑性加工利用了固态金属在高温下呈现较好的塑性流动性,以完成成形过程充填。采用塑性加工生产的制件,其质量高于铸造方法生产的制件。但固态金属变形抗力高,需要消耗较多的能源。对于稍复杂的零件,往往需要多道工步或工序成形才能完成。因此降低能耗和成本,减小变形抗力,提高制件的尺寸精度,保证制件的质量,就成为塑性加工的发展方向。因而先后出现了精密模锻、等温锻造、超塑性加工等。 半固态加工利用了金属从液态向固态或固态向液态过渡(即固液共存)时的特性,具有特殊意义。金属半固态加工就是在金属凝固过程中，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因相的固-液浆料（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。
半固态成型技术
半固态成形技术及其应用 【摘要】本文介绍了半固态成形技术的基本原理、技术优点，重点论述了搅拌、非搅拌浆料制备方法的优缺点及触变、流变、注射成形工艺的特点，并阐述了半固态成形技术工业化应用的现状和发展前景. 【关键词】半固态成形技术原理浆料制备成形方法应用 1前言 20世纪70年代，美国麻省理工学院的Flemimgs提出了金属半固态成形技术(SSM)，就是金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控制固一液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分甚至可高达60%)，这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种即非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态成形技术。 2半固态成形工艺的基本原理 2.1半固态组织的形成机理 2.1.1枝晶断裂机制 在合金的凝固过程中，当结晶开始时晶核是以枝晶方式生长的。在较低温度下结晶时，经搅拌的作用，晶粒之间将产生相互碰撞，由于剪切作用致使枝晶臂被打断，这些被打断的枝晶臂将促进形核，形成许多细小的晶粒。随着温度的降低，这些小晶粒从蔷薇形结构将逐渐演化成更简单的球形结构。 2.1.2 枝晶熔断机制 在剧烈的搅拌下，晶粒被卷入高温区后，较长的枝晶臂容易被热流熔断，这是由于枝晶臂根部的直径要比其它部分小一些，而且二次枝晶臂根部的溶质含量要比它表面稍微高一些，因此枝晶臂根部的熔点要低一些，所以搅拌引起的热扰动容易使枝晶臂根部发生熔断。枝晶碎片在对流作用下，被带入熔体内部，作为新的长大核心而保存下来，晶粒逐渐转变为近球形。 2.1.3 晶粒漂移、混合—抑制机制 在搅拌的作用下，熔体内将产生强烈的混合对流，凝固过程是就在激烈运动的条件下进行，因而是一种动态的凝固过程。结晶过程是晶体的形核与长大的过程，强烈的对流使熔体温度均匀，在较短的时间内大部分熔体温度都降到
铝合金半固态锻造工艺研究
轻金属半固态模锻工艺研究 1、前言 20世纪70年代初，美国麻省理工学院研究人员发现，金属材料在凝固过程中施 加强烈的搅拌，可以打破传统的枝晶凝固模式，形成近球状的组织，从而得到一 种液态金属母液中均匀悬浮着一定球状或类球状初生固相的固—液混合浆料，即半固 态浆料，这种浆料具有良好的流变性和触变性，采用这种既非液态又非完全固态 的金属浆料跟常规加工方法如压铸、挤压、模锻等结合实现成形加工的方法称为 半固态金属加工(Semi-Solid Metal Processing，简称SSM)。从理论上讲，凡具有 两相区的合金及其复合材料均可以实现半固态成形加工。该方法之所以能够发展成 为一种先进的成形加工技术，完全基于半固态金属材料所具有的特殊流变学性能， 即触变性：当半固态金属坯料所受的剪切力不大时，坯料具有很高的粘度近似固态，可以方便地放置和搬运；而当受到较大剪切变形时，坯料便表现出较小的粘度可以 像液态一样随意流动成形。但是采用具有枝晶状初生相组织的固—液混合体成形加工时，由于枝晶状组织的相互搭结、缠绕，变形阻力大，流动性很差，固液相极易分离，产生严重的热裂与宏观偏析。因此，半固态金属成形具有多方面的优点：相对于 普通液态成形（如压力铸造或挤压铸造，）由于半固态浆料中已有一半左右的固相存 在而且温度低于液态金属近100℃，因此可以消除常规铸件固有的皮下气孔和疏松等 缺陷，而且模具寿命成倍提高；相对于常规固态成形（如模锻或挤压），由于半固态 浆料具有很好的流动性，因此变形抗力极低，可以一次加工成形复杂的零件，减少 了成形道次、模具投入及后续机加工量，而力学性能则与固态锻造相当。正是半固态金属锻造技术具有高效、优质、节能和近终成形等突出优点，可以满足现代汽车 制造业对有色合金铸件高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重视。 半固态金属锻造与半固态金属触变压铸实质上并无明显差别，其主要不同 之处在于前者是用半固态金属在锻造设备上加工成形。锻造半固态金属可以在 较低的压力下进行，这使得一些传统锻造无法成形的形状复杂构件可以在半固 态金属锻造方法来生产，其锻造设备可分为立式和卧式压力机两种。半固态锻 造是将加热到半固态的坯料，在锻模中进行以压缩变形为主的模锻以获得所需
第六章半固态金属加工
第六章半固态金属加工技术 6.1半固态金属加工技术概论 20世纪70年代初，美国麻省理工学院(MIT)的Flemings教授等研究者们提出了一种金属成型新方法，即半固态加工技术(Semi-Solid Metal or Semi-Solid Forming，简称SSM 或SSF)。所谓半固态加工是指金属在凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌或扰动作用，得到一种均匀悬浮着一定量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固-液混合浆料，进而进行加工成型的一种新技术。这种固-液混合浆料具有很好的流变性能，因此称为流变浆料。依据流变料浆是否直接用于金属件的加工成形，半固态加工又分为半固态流变成型和半固态触变成型两类。前者是将制备好的半固态浆料直接用于成型，后者是将流变浆料凝固成锭，在成形时，重新加热至金属的半固态温度区，恢复其流变特性，实现加工成型。流变料浆凝固成的金属锭一般称为半固态金属坯料。 金属材料从形态来分，主要有两种状态，液态和固态。相应地传统的金属成形主要分为两类，金属液态凝固成形，如铸造、液态模锻、液态轧制、连铸等，和金属塑性加工成形，如轧制、拉拔、挤压、锻造、冲压等。凝固成形利用了液态金属的良好流动性，实现成形过程中的充填、补缩，并且可以借助机械压力充填型腔，改善成形件内部质量和尺寸精度。但从凝固机理知道，凝固加工要想完全消除成型件内部的缺陷是极其困难的，甚至是不可能的。塑性加工成形是利用固态金属在高温下呈现的良好塑性流动性，在外力的作用下，完成成形过程中的形变和组织转变。与凝固加工相比，采用塑性加工成形的产品质量明显提高，但由于固态金属变形抗力高，所需变形力大，因此要消耗大量能源，对于复杂零件需要多道工序才能完成。 半固态是金属介于液态和固态的中间态，是金属从液态向固态转变或从固态向液态转变的中间阶段，即金属固相和液相共存的一种状态，对于结晶温度区间宽的合金，半固态阶段较长。金属在半固态呈现出与液态金属、固态金属明显不同的物理特性，半固态加工技术正是利用这些特性，而发明的一种不同于传统的
半固态流变铸造和触变铸造
半固态流变铸造和触变铸造 所谓流变铸造(压铸)是将液态金属制备成半固态浆糊料然后将其压铸成形的方法，主要设备由一台流变浆液连续制备器和一台压铸机组成。 所谓触变铸造(压铸)，是将由浆液连续制备器出来的浆液不直接压铸成形，而先制成料锭，并将料锭熔成一定的尺寸，可作为商品出售，用户在使用时先将其加热，并送入压铸机内压铸成型的方法。整个系统包括压铸机、感应炉和刚玉质的料锭软度指示计组成。 1970年，美国马萨诸塞州技术研究所在研究部分凝固合金的流动性时，意外地发现了应用半凝固金属糊状浆料进行压铸的可能性。这种糊状浆料的初生固体颗粒包含有粗化的树枝晶或是球形的团块。它们彼此不连结，并且冷在液态基质中，其固相体积比可高达80%，可以在任意长的搅拌时间内阻止这些固相颗粒进行接触，得到具有流变性和触变性的半固态糊浆料(其粘度随剪切速率或随时间的增加而减小，并有可逆性)。近30年来，有关流变铸造和触变铸造压铸专利技术的报道不断涌现。 由于二次加热能耗大，工艺过程较复杂，加之具有触变性的金属材料种类不多。因此，半固态金属铸造的工业应用受到限制。近年来，世界各国的研究人员们在研究新的半固态金属压铸工艺技术时，将塑料的注射成形原理应用于固态金属铸造工艺中，形成了流变注射成形(1theo.moulding)和触变注射成形(1~ixomoulding)新工艺，它们集半固态金属浆料的制备、输送、成形等过程于一体，较好地解决了半固态金属浆料的保存、输送、成形控制困难等问题，使得半固态金属铸造技术的大量工业应用出现了光明的前景。 (一)触变注射成形 由美国’Fhixomat公司提出的半固态金属触变注射成形工艺(‘rhixomoulding)，采用了塑料注射成型的方法和原理，它由给料器、驱动及注射系统、剪切螺旋、加热剪切镁合金的粒料或屑料可变成含固相率在60%以上的半固态浆料，剪切螺旋的平移速度为380cra/s。 其成形过程为：被制成粒料、屑料或细块料的镁合金原料从料斗中加入;一定量的半固态金属液在螺旋的前端累积;最后在注射缸的作用下，半固态金属液被注射入模具成形。 (二)流变注射成形 美国(~onell大学的K.K.Wang等，首先将半固态金属流变铸造(sSM.Rheocasting)结合起来，形成了一种 称之为“流变注射成形”(]Rheomoulding)的半固态金属成形新工艺。 流变注射成形的工作原理是：液态金属依靠重力从熔化保温炉中进入搅拌筒体，然后在螺旋的搅拌作用下(螺旋没有向下的推压力)冷却至半固态，积累至一定量的半固态金属液后，由注射装置注射成形。上述过程全在保护气体下进行。 温度控制精度是半固态金属成形的关键因素之一。
半固态金属成形应用的新进展与前景展望
半固态金属成形应用的新进展与前景展望 毛卫民赵爱民钟雪友 摘要论述了半固态金属坯料制备工艺、成形工艺、半固态金属成形件的性能和半固态金属成形在一些发达国家应用的最新进展，并展望了半固态金属成形在我国应用的前景及意义。 关键词：半固态金属流变成形触变成形力学性能 在传统的铸造中，浇注的金属都是过热的金属液，如压铸、挤压铸造(液态模锻)；而在传统的金属锻造中，坯料都是固态金属。但从70年代至今，国外研究开发出一种崭新的零件成形工艺，称为金属的半固态加工。所谓的金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈地搅拌作用，充分打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%)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工，这种方法称之为半固态金属的流变成形(rheoforming);如果将流变浆料凝固成铸锭，再按需要将此金属铸锭分切成一定大小，使其重新加热(坯料的二次加热)至金属的半固态区，这时的金属铸锭一般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，这种方法称之为触变成形(thixoforming)。半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形或半固态加工(semi-solid forming or processing of metals)［1～3］。 半固态金属成形具有许多独特的优点：铸件凝固收缩减少，成形不易裹气，因此铸件致密，可以热处理强化；铸件晶粒细小，不存在宏观偏析，性能更均匀；半固态金属成形速度高，且易于近终化(net-shape)成形，机加工量减少；模具寿命长，所以半固态金属成形技术在国外获得了广泛的应用。 1半固态金属坯料的生产 半固态金属坯料的制备是金属半固态成形的基础，目前进入工业应用的制备工艺主要有电磁搅拌、应变激活方法。 1.1电磁搅拌工艺 电磁搅拌方法则利用电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促使金属固液浆料激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织。电磁搅拌不
金属半固态加工技术的研究进展
金属半固态加工技术的研究进展3 赵艳君,李逸泰,胡治流 (广西大学材料科学与工程学院,广西南宁530004) 摘 要:金属半固态加工技术是21世纪前沿性金属加工技术,具有高效、节能、近终型生产和成型件性能高等许多优点。本文从金属半固态浆料和坯料制备、半固态金属及合金坯料的二次加热以及半固态成型3个方面论述了半固态加工技术的现状,并指出了当前金属半固态加工技术的研究重点和发展前景。 关键词:半固态浆料;二次加热;触变成型;流变成型 中图分类号:T G146 文献标志码:A R esearch and Development of Semi2solid Metal Processing T echnology ZHAO Yanjun,L I Y itai,HU Zhiliu (College of Materials Science and Engineering,Guangxi University,Nanning530004,China) Abstract:The Semi2solid metal processing technology is an advanced processing technology in21st century,it has mang aolvantages such as saving energy,high efficiency,and net2shaped processing.Research and development of semi2solid form2 ing were described systematically in this paper f rom the following respects:the preparation of semi2solid slurry,remelting technique and semi2solid metal processing technology.Finally,f urthermore research emphasises and prospects are introduced for the semi2solid metal forming at present. K ey w ords:Semi2solid slurry,Remelting,Thixoforming,Rheoforming 1 金属半固态加工技术简介 20世纪70年代初,美国麻省理工学院(M IT)的Flemings等研究者们提出了一种金属成型新方法,即半固态加工技术(Semi2Solid Metal or Semi2 Solid Forming,简称SSM或SSF)。所谓半固态加工是指金属在凝固过程中,对其施以剧烈的搅拌作用或扰动作用,得到一种液态金属母液,其中均匀悬浮着一定量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固2液混合浆料(也称流变浆料),对这种浆料进行的加工成型的方法。半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成型两类,前者是将制备好的半固态浆料直接用于成型,如压铸成型(称为半固态流变压铸成型);后者是对制备好的半固态坯料进行重新加热使其达到半熔融状态,然后进行成型,如挤压成型(称为半固态触变挤压)[1]。 半固态成型方法打破了传统的枝晶凝固模式,开辟了强制均匀凝固的先河,与以往的金属成型方法相比,半固态金属成型在获得均匀细晶组织、提高力学性能、缩短加工工序、节约能源及成型件性能等方面具有明显的优势。目前已有包括中国在内的二十多个国家和地区开展了半固态成型研究。研究对象主要集中在铝合金和镁合金材料的成型。铝合金半固态成型方法主要有流变压铸、触变压铸、触变锻造等;而镁合金半固态成型的成熟技术目前主要有半固态触变注射成型技术[2]。半固态成型技术在美国、日本和欧洲等国已进入规模工业生产阶段,主要应用于汽车、摩托车、通信、电器、兵器、航空航天和医疗器械等领域。近几年,我国的研究者在国家自然科学基金、国家“863”、“973”计划等的支持下,已经在铝合金半固态加工技术开发和应用方面具备了较好的基础。对铝合金半固态加工的关键技术,包括半固态材料制备技术、二次加热技术和半固态压铸技术等方面,具备了向产业化转化的技术基础。 与铝合金、镁合金相比,钢铁材料的半固态成型加工技术无论在基础研究方面,还是在应用技术开发方面都存在很大的差距。由于高温半固态浆料制备、半固态浆料的输送和保温、半固态成型工模具材料的耐高温性能等技术方面的难点,采用半固态加工方法所研究的钢铁材料仅涉及D2、HS62522高速工具钢、100Cr6钢、60Si2Mn弹簧钢、A ISI304 (Cr18Ni8)不锈钢、C80工具钢、铸铁等钢铁材料,半固态加工方法涉及触变压铸、触变锻压、触变挤压和流变轧制、流变锻造及喷铸成型等[3]。 2 金属半固态浆料和坯料制备方法的进展 从经济角度和过程稳定性角度看,半固态金属及合金浆料或坯料的生产都处于非常重要的地位。目前,已研究开发出多种半固态金属浆料或坯料的制备方法,主要有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱导熔体激活法、低过热度浇注方法、紊流效应方法、
(工艺技术)半固态金属铸造工艺
半固态金属铸造工艺 3.1 概述 自1971 年美国麻省理工学院的D.B.Spencer 和M.C.Flemings 发明了一种搅动铸造（stir cast ）新工艺，即用旋转双桶机械搅拌法制备出Sr15% Pb 流变浆料以来，半固态金 属（SSM铸造工艺技术经历了20余年的研究与发展。搅动铸造制备的合金一般称为非枝晶 组织合金或称部分凝固铸造合金（Partially Solidified Casting Alloys ）。由于采用该 技术的产品具有高质量、高性能和高合金化的特点，因此具有强大的生命力。除军事装备上的应用外，开始主要集中用于自动车的关键部件上，例如，用于汽车轮毂，可提高性能、减轻重量、降低废品率。此后，逐渐在其它领域获得应用，生产高性能和近净成形的部件。半固态金属铸造工艺的成形机械也相继推出。目前已研制生产出从600吨到2000吨的半固态 铸造用压铸机，成形件重量可达7kg 以上。当前，在美国和欧洲，该项工艺技术的应用较为广泛。半固态金属铸造工艺被认为是21 世纪最具发展前途的近净成形和新材料制备技术之 一。 3.2 工艺原理 在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0.2 左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达0.5-0.6 时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形。 3.3 合金制备 制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁搅拌法，电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、应变诱发熔化激活法 （SIMA）、喷射沉积法（Spray）、控制合金浇注温度法等。其中，电磁搅拌法、控制合金浇注温度法和SIMA法，是最具工业应用潜力的方法。 3.3.1 机械搅拌法 机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。Flemings 等人用一套由同心带齿内外筒组成的搅拌装置（外筒旋转，内筒静止），成功地制备了锡- 铅合金半固态浆液；H.Lehuy 等人用搅拌桨制备了铝-铜合金、锌- 铝合金和铝- 硅合金半固态浆液。后人又对搅拌器进行了改进，采用螺旋式搅拌器制备了ZA-22合金半固态浆液。通过改进，改善了浆液的搅拌效 果，强化了型内金属液的整体流动强度，并使金属液产生向下压力，促进浇注，提高了铸锭的力学性能。 3.3.2 电磁搅拌法电磁搅拌是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦磁力的作用 下产生 运动，从而达到对金属液搅拌的目的。目前，主要有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应线圈内通交变电流的传统方法；另一种是1993 年由法国的C.Vives 推出的旋转永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能的永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。 3.3.3 应变诱发熔化激活法（SIMA） 应变诱发熔化激活法（SIMA是将常规铸锭经过预变形，如进行挤压、滚压等热加工制成半成品棒料，这时的显微组织具有强烈的拉长形变结构，然后加热到固液两相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却获得非枝晶组织铸锭。 SIMA工艺效果主要取决于较低温度的热加工和重熔两个阶段，或者在两者之间再加一
半固态成形技术及应用
半固态成形技术及应用 摘要 介绍了半固态成形技术的工艺原理,分析了机械搅拌、电磁搅拌、应变诱导、冷却斜 坡等浆料制备方法和流变加工、触变加工、注射加工等成形方法。分析了各种计算机模拟技术和模拟方法在半固态成形方面的应用,论述了目前国内外半固态成形技术的应用状况和发展趋势。随着半固态成形技术研究水平的不断提高,成形产品及应用不断增多,发展前景广阔。 关键词: 半固态加工; 浆料制备; 成形工艺; 计算机模拟 0引言 20世纪70年代初,美国麻省理工学院D.B.Sepcner等研究人员在自制的高温粘度计中测量Sn-15Pb合金高温粘度时,发现了金属在凝固过程中的特殊力学行为图,即金属在凝固过程中进行强力搅拌,使枝晶破碎,得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相率甚至可高达60%),具有很好的流动性,易于通过普通加工方法制成产品,并冠以半固态加工[1],人们一直沿用至今。 半固态成形技术与其它的成行技术的区别在于：①半同态浆料具有流变性和触变性，变形抗力小，可提高成形速度，进行复杂件成形，缩短加工周期，利于节能节材，也可进行连续形状的高速成形；②与液态金属加工相比，半固态浆料随着同相分数的降低，呈现粘性流体特性，在微小外力作用下可发生变形流动，但粘度比液态金属高，容易控制；③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，完成复合材料制备和成形；④应用广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压，也正是这个优点，才产生了多种金属半固态成形工艺[2]，所以被誉为2l世纪最有发展前景的现代加工新技术。 半固态金属成形过程的模拟仿真，如半同态材料的二次加热过程、凝固过程的温度场的模拟仿真，充型过程流动场的模拟仿真，触变成形过程工件应力应变场的模拟仿真和组织变化的模拟仿真等，通过对这些单一或复合过程的模拟仿真技术的研究，可以对SSM过程中产生的诸如裂纹、气孔缺陷等各种品质问题进行分析，对工艺方案进行优化，对产品品质和性能进行预测，从而达到改善产品品质、提高生产率和降低成本的目的。 半固态金属成形技术在许多发达国家如美国、意大利、瑞士、法国、德国、日本等已进入了工业应用阶段。半固态金属成形制品的主要市场是汽车工业，如空压机、制动器、发动机、燃料供给装置、悬挂装置及汽车轮毂等。由于制品质量优异，大量用于安全性能要求较高的地方。另外，在电子、军事和娱乐设施等方面也有着广泛的用途。而我国的半固态金属加工技术起步较晚，开始于20世
铝合金半固态锻造工艺研究
铝合金半固态锻造工艺研究
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轻金属半固态模锻工艺研究 1、前言 2０世纪70年代初,美国麻省理工学院研究人员发现，金属材料在凝固过程中施加强烈的搅拌,可以打破传统的枝晶凝固模式，形成近球状的组织,从而得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定球状或类球状初生固相的固—液混合浆料,即半固态浆料，这种浆料具有良好的流变性和触变性,采用这种既非液态又非完全固态的金属浆料跟常规加工方法如压铸、挤压、模锻等结合实现成形加工的方法称为半固态金属加工(Seｍｉ-Solid MetaｌProcｅssinｇ,简称ＳSM)。从理论上讲，凡具有两相区的合金及其复合材料均可以实现半固态成形加工。该方法之所以能够发展成为一种先进的成形加工技术，完全基于半固态金属材料所具有的特殊流变学性能，即触变性：当半固态金属坯料所受的剪切力不大时,坯料具有很高的粘度近似固态,可以方便地放置和搬运；而当受到较大剪切变形时,坯料便表现出较小的粘度可以像液态一样随意流动成形。但是采用具有枝晶状初生相组织的固—液混合体成形加工时,由于枝晶状组织的相互搭结、缠绕，变形阻力大,流动性很差，固液相极易分离，产生严重的热裂与宏观偏析。因此,半固态金属成形具有多方面的优点：相对于普通液态成形（如压力铸造或挤压铸造）,由于半固态浆料中已有一半左右的固相存在而且温度低于液态金属近1０0℃，因此可以消除常规铸件固有的皮下气孔和疏松等缺陷，而且模具寿命成倍提高;相对于常规固态成形(如模锻或挤压），由于半固态浆料具有很好的流动性,因此变形抗力极低，可以一次加工成形复杂的零件，减少了成形道次、模具投入及后续机加工量,而力学性能则与固态锻造相当。正是半固态金属锻造技术具有高效、优质、节能和近终成形等突出优点,可以满足现代汽车制造业对有色合金铸件高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重视。 半固态金属锻造与半固态金属触变压铸实质上并无明显差别，其主要不同之处在于前者是用半固态金属在锻造设备上加工成形。锻造半固态金属可以在较低的压力下进行，这使得一些传统锻造无法成形的形状复杂构件可以在半固态金属锻造方法来生产,其锻造设备可分为立式和卧式压力机两种。半固态锻造是将加热到半固态的坯料，在锻模中进行以压缩变形为主的模锻以获得所需形状、性能制品的加工方法。半固态锻造可以成形变形力较大的高固相率的半固态材料，并
半固态金属加工成形
半固态金属加工成形 s2*******材料国重 摘要:半固态金属成形技术是现代工业发展的一个新领域。本文主要对半固态金属成形技术进行了简单的分析、归纳和论述。然后根据半固态金属加工成形技术的特点展望半固态金属加工的发展趋势及应用前景。 关键词：半固态成形，加工技术，趋势及前景 1．前言 半固态成形工艺，泛指对温度处于固相线温度与液相线温度之间的半固态金属坯料进行的成形工艺。该工艺的基本理念及工艺于20世纪70年代由美国麻省理工学院的弗莱明斯教授以及他的科研团队所提出和创立。其工艺特征是对正在凝固的金属进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，抑制树枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶，制备具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料。此种浆料在外力的作用下，即使固相率达到60%。仍具有较好的触变流动性，可以利用压铸、挤压、模锻、铸轧等工艺进行加工成形。 目前，大部分金属构件的制造依赖于传统的铸造和锻造工艺，然而，在全球倡导“节能减排”、“绿色制造”的今天，传统的铸造和锻造工艺在材料质量利用率和材料性能利用率的双重标准的考量下，都显示出了一定的局限性。 2.半固态金属加工的特点 2.1半固态金属的特点 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。 在高固相分数时，液相成分仅限于部分晶界；在低固相分数时，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：（1）由于固液共存，在两者界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。因此溶质元素的局部浓度不断变化 （2）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 （3）随着固相分数的降低，呈现黏性流体特征，在微笑外力作用下即可很容易变形流动。 （4）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 （5）由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可很容易地将分离的部位连接形成一体，特别是液相成分很活跃，不仅半固态金属间的结合，而且与一般固态金属材料也很容易形成很好的结合。 （6）即使是含有陶瓷颗粒、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。 （7）当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别流动的情况。虽然施加外力的方法和当时的边界约束条件可能不同，但一般来说，存在液相成分先行流动的倾向或可能性 （8）上述现象在固相分数很高或很低的情况下都很难发生，主要是在中间
金属基复合材料半固态加工的研究及应用现状
１ 半固态技术在金属基复合材料制备中的应用 利用半固态技术制备金属基复合材料的方法主要有：半固态机械搅拌铸造法、电磁搅拌法，半固态压力浸渗法、喷射沉积法、半固态压力复合法以及应力诱导熔化 激活法［５～９］ 等，下面介绍其中的四种方法。 １．１ 半固态搅拌铸造法 搅拌铸造包括机械搅拌和电磁搅拌，其原理是将基体金属熔体的温度控制在液相线与固相线之间，同时对其施加搅拌。在搅拌过程中，将增强物颗粒加入半固态熔体中，加入的增强颗粒在半固态的铝合金熔体中与金属粒子相互碰撞、摩擦，使得增强颗粒与基体金属熔体的润湿复合，在搅拌的作用下逐步分散在半固态熔体中，最终形成均匀的金属基复合材料。半固态搅拌铸造法主要用于制造颗粒细小的、含量较高的颗粒增强金属基复合材料。 １．２ 半固态压力浸渗法 压力下浸参半固态致密制备复合材料的方法是在压力下液态浸渗制备基础上提出的一种新的复合材料制备方法，其原理是首先使用压力液态浸渗法制备出复合材料，然后对仍处于固液区间的复合材料继续施加大的压力，进行半固态加压，从而提高复合材料的致密度，消除缺陷，改善其组织和力学性能。哈工大的杜之明等在总结金属基复合材料各种制备方法的优缺点的基础上，提出了压力下浸渗－半固态致密法制备金属基复合材料，并成功地制备出混杂增强Ａｌ２Ｏ３ｓｆ ?ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料。该方法具有生产效率高、产品质量稳定、成本低等优点，而且既可制备整体复合材料又可和常规的液态模锻（挤压铸造）工艺压铸工艺结合制备局部增强复合材料，在国防工业和汽车行业中具有广阔的应用前景。 １．３ 半固态压力复合法 该方法可以用于制备颗粒增强金属基复合材料和多层复合板状材料。制备颗粒增强金属基复合材料时，先将需要复合的材料制备成粉末并均匀混合，然后加热到一定的温度，使其处于半固态温度区间，在一定的压力下保温一段时间，便可制得分布均匀、基体组织致密、界面结合良好的复合材料；用于制备多层复合板状材料，首先 金属基复合材料半固态加工的研究及应用现状 洪小英 四川信息职业技术学院 ６２８０１７ 半固态加工技术作为一种近净形技术， 被认为是２１世纪的一种先进制造技术。它具有产品质量高、性能好，模具寿命长，生产效率高等优点，在金属加工领域，特别是航空航天以及汽车行业，有着广阔的应用 前景［１，２］ 。复合材料由多种异种材料复合而成，具有单种材料所不具备的特殊性能，能够满足航空航天、国防工业等领域对材料的多功能或某种特殊功能的需要，因而也有着重要的应用价值。 现在，金属基复合材料的制备方法主要有常规铸造法、粉末烧结法和浸透法等，这些方法虽然有着普遍的应用，但是仍然存在着一些亟待解决的问题，比如液态基体金属与非金属增强相之间润湿难、增强相分布不均匀，容易聚集等等，这样就阻碍了金属基复合材料的广泛应用。半固态金属在液固两相区具有良好的流动性，相对于液态金属其粘度较大，并且其粘度随搅拌强度的增加而减小。利用这些特点，通过搅拌等方法，就可以克服了大部分增强材料与金属母液不润湿而难以复合的缺点，并能够阻止增强相的上浮、下沉以及聚集， 成功地制备出均匀的复合材料［３，４］ 。而将半固态成形技术用于复合材料的成形，可以消除缺陷，增加制件的致密度，使增强相与基体界面结合得较为紧密，得到性能优良的制件。 目前，半固态技术在复合材料的制备以及成形中的应用是国内外研究人员研究的热点。 将其中的一种或多种板料的表面进行清理并预热到一定温度，然后将其它需要复合的材料制备成半固态浆料，在压力下将这两种或多种材料焊合，最终形成界面稳定、结合强度较高的复合材料。半固态压力复合的方法具有一定的应用。有人用粉末混合－半固态挤压方法成功地制备出ＳｉＣｐ／２０２４Ａｌ复合材料，其半固态挤压的成形力仅为固态挤压力的１／５～１／３，所制备的复合材料基体合金相比力学性能得到很大改善，屈服强度提高６６～１３１ＭＰａ，抗拉强度提４３～８７ＭＰａ，弹性模量提高１８．３～３６ＧＰａ；也有人使用半固态压力复合的方法制备了钢－ＱＴｉ３．５－３．５石墨复合材料，所得材料的初生固相颗粒与石墨颗粒分布非常均匀。钢板与ＱＴｉ３．５－３．５石墨覆层的交接处为复合界面，接触得相当紧密，而且不存在明显的缺陷。 １．４ 喷射沉积法 喷射共沉积工艺的基本原理是：在喷射沉积过程中， 将具有一定动量的颗粒增强相强制喷入雾化液流中， 使熔融金属和颗粒增强相共同沉积到运动基体上， 制备近成形颗粒增强金属基复合材料沉积坯的一种方法。采用喷射共沉积法制备颗粒增强金属基复合材料具有如下优点：用该法制备的复合材料增强相颗粒分布均匀， 增强相与基体结合良好， 同时由于在雾化过程中液相存在的时间极短， 可以避免有害界面反应的发生， 氧含量及夹杂物污染均低， 材料具有优良的综合性能。在喷射共沉积过程中， 除惰性在喷射共沉积过程中，除惰性气体能吸收大量热量， 提高熔体凝固速度， 抑制基体合金偏析和组织粗化外增强颗粒的加入也可增加基体冷速， 同时对晶界迁移产生拖曳力， 阻碍晶界迁移， 晶粒度明显减小。喷射共沉积工艺能制备难成形的材料，如Ｔｉ－Ａｌ、Ｎｉ－Ａｌ等金属间化合物及各种非平衡态基体复合材料的接近最终形状的零部件。其特点是工序少、效率高， 能直接制备大尺寸近形坯， 成本较低。 ２ 半固态技术在金属基复合材料成形中的应用 金属基复合材料由于增强相的存在，在压力下基体与增强相变形不协调，导致其存在较高的局部应力。因而较之基体金属材料，金属基复合材料的塑性较差，室温下的延伸率一般都低于１０％，即使是在高温下，采用普通的成形工艺其延伸率亦没有明显地提高，这使得金属基复合材料加工成形比较困难，成为阻碍金属基复合材 料进一步开发应用的主要因素之一［１０，１１］ 。而使用半固态成形，与固态和液态成形等成形相比，具有诸多优点： （１）胚料在成形的时候处于液、固共存的温度区间，所需的成形力较小，材料变
半固态金属铸造工艺
精心整理 半固态金属铸造工艺 3.1概述 3.2工艺原理 在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0.2左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达0.5-0.6时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形。 3.3合金制备 制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁搅拌法，电磁脉冲加载法、超声振动搅 -铝合金和铝-1993SIMA 状组织。该方法的特点是，不需要加入合金元素也无需搅拌。V.Dobatkin 等人提出了在液态金属中加细化剂，并进行超声处理后获得半固态铸锭的方法，称之为超声波处理法，如图1所示。 图1超声波处理法示意图 3.4成形方法 半固态合金成形方法很多，主要有： （1）流变铸造（Rheoforming,Rheocast ） 图2触变铸造工艺示意图 1压铸合金2连续供给合金液3感应加热器4冷却器5流变铸锭6压射室7压铸模 在金属液从液相到固相冷却过程中进行强烈搅动，在一定固相分数下，直接将所得到的半固态金属浆液压铸或挤压成形，见图2。
如R.Shibata等人曾将用电磁搅拌方法制备的半固态合金浆液直接送入压铸机射室中成形。该方法生产的铝合金铸件的力学性能较挤压铸件高，与半固态触变铸件的性能相当。问题是，半固态金属浆液的保存和输送难度较大，故实际投入应用的不多。 （2）触变铸造（Thixoforming,Thixocast） 将已制备的非枝晶组织锭坯重新加热到固液两相区达到适宜粘度后，进行压铸或挤压成形，如图3所示。 图3触变铸造工艺示意图 1坯料2软度指示计3坯料重新加热装置4压射室5压铸模 美国的EOPCO、HPMCorp.、PrinceMachine、THTPresses以及瑞士的Buhler公司、意大利的IDRAUSA、ItalpresseofAmerica、加拿大的ProducerUSA、日本的ToshibaMachineCorp和UBEMachineryServices等均已能生产半固态铝合金触变成形专用设备。该方法对坯料的加热、输送易于实现自动化，故是当今半固态铸造的主要工艺方法。 （3 （4 4所示。 （5 (1) 1 2 3 4 5 6 7 (2) 1）铸件质量高。因晶粒细化、组织分布均匀、体收缩减少、热裂倾向下降，基体上消除了缩松倾向，力学性能大幅度提高。 2）凝固收缩小，故成形后尺寸精度高，加工余量小，近净成形。 3）成形合金范围广。非铁合金有铝、镁、锌、锡、铜、镍基合金；铁基合金有不锈钢、低合金钢等。 4）制造金属基复合材料。利用半固态金属的高粘度，可使密度差大、固溶度小的金属制成合金，也可有效地使用不同材料混合，制成新的复合材料。 3.6半固态铸造技术的最新发展 3.6.1镁合金半固态温度区间扰动和浇温对铸态组织的影响 AZ91HP镁合金在不锈钢坩埚电阻炉中升温至720℃保温10分进行精炼处理后，在液相线附近进行短时保温处理，可减小枝晶组织形成趋势；降低处理温度、对熔体进行扰动均加速晶粒向等轴形乃至球形发展；在半固态温度区间对熔体吹氩（Ar）处理，使熔体扰动，提高了形核率，加速了
半固态加工技术
半固态金属加工技术 摘要: 半固态加工技术是一种新的材料成形技术。作者综述了半固态金属的成形工艺、坯料制备工艺、微观组织、国内外研究应用情况, 展望了半固态金属加工技术的前景, 并提出了应对措施。 关键词: 半固态; 成形工艺; 浆料; 加工技术 Abstract: Semi-solid metal forming is a new process for metal form ing.The forming process, block preparation, mi-crostructure and its internal and external application are described in the paper.The prospect of semi-solid metal forming is displayed. Key words: semi-solid; forming process; serous material; forming 引言:半固态金属加工技术(semi- solid metal forming ), 简称SSM。它是利用半固态金属相当低的剪切应力以及很好流动性的特点, 将这种既非完全液态, 又非固态的金属浆料加工成型的一种新型加工方法。SSM应用范围广, 存在固液两相区的合金均可实现, 并能适用于铸造、挤压、锻压、焊接等多种加工工艺。其充型平稳, 加工温度低, 凝固收缩小, 因而铸件尺寸精度高, 表面平整光滑, 铸件内部组织致密, 气孔、偏析等缺陷少, 晶粒细小, 力学性能高。另外, 半固态合金流动应力低, 成形速度快, 由于成形温度低, 对模具的热冲击低, 因而铸模寿命大幅提高, 并且与普通铸造相比可节约能源。因此, 半固态金属成形技术得到了国际上的普遍重视, 成为材科学科的研究热点。 一、半固态成形工艺