第四章-半固态金属加工技术

•半固态金属成形在获得均匀细晶组织、提高性能、缩短加工工序、节约能源、提高模具寿命等方面具有明显的优势。•4.1.1半固态金属成形基本原理•半固态金属成形的基本原理是在金属凝固过程中对其施加强烈搅拌，以抑制和充分破碎树枝状初生相的形成和长大，在一定的温度和时间条件下，获得一种液态金属中均匀地悬浮着的一定球状初生相的固液共存的混合浆料（固相组分一般在50%左右，然后将其压铸成坯料或铸件。•1第4章半固态金属加工技术•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，根据固相含量的不同，其状态不同，如图4-1所示。图4-1半固态金属(合金)的内部结构•半固态金属的金属学和力学特点主要有如下几点：（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）由于晶间或固相粒子间有液相成分，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）随着固相含量的降低，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）当固相含量在极限值（约为75%）已下时，浆料可以进行搅拌，并很容易的混入异种材料的粉末、纤维等，图4-2，实现难加工材料的成形；（5）由于固相粒子间几乎没有结合力，在特定部位虽然容易分离，但因液相成分的存在，又可很容易的将分离的部位连接成一体，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容易形成很好的结合；（6）当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别流动的情况，通常，存在液相成分先行流动的倾向和可能性；5图4-2半固态金属和强化粒子(纤维)的搅拌混合（7）上述现象在固相很凉很高或很低或加工速率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地加工速率情况下显著。6图4-3球形组织的演化过程示意图与常规铸造方法形成的枝晶组织不同，利用流变成形生产的半固态金属零件具有独特的非枝晶、近似球行的显微组织结构。由于是在强烈的搅拌下凝固结晶，造成枝晶之间互相磨损、剪切，液体对晶粒的剧烈冲刷，这样枝晶臂被打断，形成了更多的细小晶粒，其自身结构也逐渐向蔷薇形演化。而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行结构，如图4-3所示。球行结构的最终形成要靠足够的冷却速率和足够高的剪切速率。与普通加工方法成形比较，半固态金属加工具有许多独特的优势：�①黏度比较高，容易控制。模具夹带的气体少，减少氧化、改善加工性能，减少模具粘接，可以实现零件加工成形的高速化，改善零件的表面精度，易实现成形自动化。‚②流动应力比固态金属低。半固态浆料具有流动性和触变性，变形抗力小，可以更高的速率成形原件，而且可进行复杂零件的成形；缩短了加工周期，提高了材料利用率，并可连续形状的高速成形，加工成本低。ƒ③应用范围广。凡是具有固液两相区的合金均可实现半固态加工成形，适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻造等，还可进行复杂零件的成形加工。4.1.2半固态金属成形方法根据工艺流程的不同，半固态金属可以分为流变成形和触变成形两类。流变成形是将从液相到固相冷却过程中的金属液进行强烈胶东，在一定的固相分数下将半固态金属浆料直接送往成形设备进行成形，又称“一步法”，如图4-4（a）所示。触变成形是先由连铸等方法制得具有半固态组织的锭坯，然后切成所需长度，再加热到半固态状，然后将该半固态坯料送往成形设备进行成形，又称“二步法”，如图4-4（b）所示。图4-4半固态铸造装置示意图1—金属液；2—加热炉；3—冷却器；4—流变铸锭；5—料坯；6—软度指示仪；7—坯料二次加热器；8—压射室；9—压铸模；10—压铸合金在成形的过程中，触变成形包括半固态浆料制备、半固态坯料的二次加热、触变成形三个工艺过程，这种加工路线的优点是可控性高、易于实现工业化规模生产并明显提高成形合金的综合性能，目前在工业上以得到应用；而流变成形是将制备出的半固态金属浆料直接成形，与触变成形工艺相比，其优点是工艺流程短、生产成本低，但这种工艺路线的可控性差，目前还处于研究阶段。•半固态金属的金属学和力学特点主要有如下几点：（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）由于晶间或固相粒子间有液相成分，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）随着固相含量的降低，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。12半固态金属关键成形技术半固态金属流变成形的关键技术包括半固态浆料制备、流变成形，半固态金属触变成形的关键技术是半固态浆料制备、半固态坯料制备、二次加热、触变成形。4.2.1半固态金属浆料制备（1）机械搅拌式半固态浆料制备装备机械搅拌式是最早采用的半固态浆料制备方式，可分为连续式和间歇式两种，如图4-5所示。如图4-6所示，是准轮式半固态制浆装置，他既可以获得较高的剪切速率，又可连续制得半固态金属浆料，可以用于商业生产。13(a)间歇式(b)连续式图4-5半固态机械搅拌装置示意图图4-6转轮式制浆装置14(a)垂直搅拌式(b)水平搅动式(c)螺旋搅动式图4-7电磁搅拌制备半固态坯料的三种搅拌方式示意图（2）电磁搅拌式半固态浆料制备装置从搅拌金属液的流动方式来分，电磁搅拌有三种形式：第一种是垂直搅拌式，即电磁搅拌方向与铸坯的轴线方向平行；第二种是水平搅拌式，即电磁搅拌方向垂直铸坯轴线，围绕铸坯轴线搅动；第三种是水平与垂直式的组合搅动，如图4-7所示。15图4-8带内部转子的电磁流变铸造示意图20世纪90年代，法国的Vives发明了新的电磁搅拌流变铸造机，采用旋转永久磁铁磁场对凝固过程中的铝熔体进行强力搅拌，其原理如图4-8所示。16北京有色金属研究总院针对现有电磁搅拌法制备半固态浆料和坯料技术的不足，研究开发出一种复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料的方法。如图4-9所示是施加复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料设备。其优点在于如下。①施加复合电磁场制备半固态金属浆料技术。②可以实现流变成形技术。③半固态浆料具有良好的触变性能。④制浆设备简单、应用范围广、实用性强。浇口杯金属液上搅拌器下搅拌器液流方向图4-9半固态浆料复合电磁搅拌连续制备技术示意图18图4-10超声波振动半固态浆料制备原理示意图（3）超声波振动半固态浆料制备制备原理是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，如图4-10所示。（4）应变诱导熔化激活法制备半固态坯料19图4-11一种二次加热装置的原理图图4-12半固态金属重熔硬度测定装置4.2.2半固态金属坯料的二次加热1）二次加热装置二次加热的目的是获得不同的工艺所需的固相体积分数，使半固态金属棒料中细小的枝晶碎片转化成球状结构，为触变成形提供了有利条件。其工作原理为当金属由固态转化为液态时，金属的电导率明显减小（如铝合金液态的电导率是固态的0.4~0.5）；同时，当坯锭从固态逐步转化为液态时，电磁场在加热坯锭上的穿透深度也将变化，这种变化将会引起加热回路的变化，因此可通过安装在靠近加热锭坯底部的测量线圈测出回路的变化。2）重熔程度测定装置半固态金属重熔硬度测定装置如图4-12所示。21半固态金属的触变成形4.3.1半固态金属的触变压铸成形半固态触变压铸是将制好的半固态坯料重新加热到固液两相区，获得所需固相组分后进行压铸的成形技术。其工作原理如图4-13所示。半固态金属的触变压铸是在一般的液态金属压铸的基础上发展起来的一种新型压铸工艺，这种新型压铸工艺克服了传统液态压铸的最大缺点，即可获得非常致密和可进行热处理强化的压铸件。半固态金属触变压铸工艺主要包含三个工艺流程：半固态金属原始坯料的制备、原始金属坯料的半固态重熔加热和半固态坯料的触变压铸成形。22(a)柸料二次加热(b)坯料放入压制室型腔(c)压射成型(d)压铸件图4—13半固态金属触变压铸示意图23为了提高半固态金属触变压铸的生产效率和生产工艺的控制水平，稳定地进行触变压铸生产，还需要一些配套的辅助设备，如抓取坯料机器人，共同完成半固态金属的触变压铸生产，如图4-14所示为一种形式的半固态金属触变压铸设备的平面布置图。图4-14中设置了两个机器人：一个机器人的作用是将电磁感应加热转盘上的达到预定温度的半固态坯料送入压铸机的压射室；另一个机器人的作用是将压铸件从压铸机中搬走，并依次将铸件放在冷却箱内和浇道切割锯上。图4-14半固态金属触变压铸设备平面布置图1—压铸机；2—压铸件抓取机械手；3—锯切机构；4—压铸件冷却箱；5—涂料喷涂装置；6—加热系统；7—坯料搬运机械手25半固态金属在充型流动时的特点与液态金属不同，半固态金属的表观黏度比液态金属的黏度高的多，并且随着充性的进行，半固态金属的表观黏度还在不断发生变化，因而其流动阻力较大。因此，为了满足触变压铸的要求，所用压铸机应该具备以下功能：具有较高的压射压力和增压压力，便于半固态金属充满型腔和获得较高的强度的压铸件；具有实时数字化控制压射压力和压射速率的能力，可以任意改变压射曲线，以满足稳定的层流充填型腔和减少紊流与裹气，获得致密的压铸件；具有放置半固态金属坯料的特殊压射室，满足触变压铸的基本工艺要求。根据半固态铝合金坯料的规格、压铸机的压射力（动态和静态）和压铸型锁型力，瑞士Buhler公司还提出了半固态触变压铸机的具体选择方案，见表4-1。IdraPresse公司也能提供两款金属半固态触变压铸机，其性能参数见表4-2。表4-1半固态金属触变压铸机的选择27坯料规格42/54N型66/84N型105/140N型180/220N型直径/mm长度/mm重量/kg最大压射力bar①动态静态动态静态动态静态动态静态63.5120~2001~1.61060260076.2130~2201.4~2.580020001200270088.9140~2302.2~3.68501900101.6150~2503~5.270015809202200114.3170~3004.4~87001650127180~3406~1160013008002000139.7200~3708~1548011507001750152.4220~40010~19701400①1bar=10kpa表4-2典型的标准压铸机与半固态触变压铸机性能参数的比较28压铸机性能参数标准型OL-320半固态压铸型OL-320标准型OL-700半固态压铸型OL-700最大动态射压力/kN177224277444最大增压射压力/kN345395669745冲头行程/mm400650600835冲头直径/mm50~9050~8070~12080~105坯料长度/mm≈160≈220坯料直径/mm50.8~76.276.2~101.6294.3.2半固态金属的触变锻造成形半固态金属的触变锻造成形是在较低的压力下，半固态触变锻造可以成形非常复杂的锻件。与半固态金属触变压铸相类似，半固态金属触变锻造工艺也包含三个主要工艺流程：半固态金属原始坯料的制备、原始金属坯料的半固态重熔加热和半固态坯料的触变锻造成形，如图4-17所示。前两个工艺流程的技术控制规律与半固态触变压铸相同，只是当金属坯料各处的固相分数达到预定数值时，将半固态金属坯料送入锻造机的锻模型腔内，进行锻压成形，并进行适当的保压，然后卸压开模，取出锻件，清理锻模型腔和喷刷涂料，这就完成了一次半固态金属的触变锻造。半固态金属触变锻造的主要设备与如图4-15所示的半固态金属触变压铸主要设备相类似，只需将压铸机改换为压力机。在触变锻造中，将半固态铝合金坯料先放入一个压室，通过压力作用使半固态铝合金浆料经浇道进入锻模型腔，就可以将坯料的氧化皮去除，这种锻造方法也可称为闭模锻造或挤压锻造，已经获得较大规模的实际应用，如图4-16所示。31(a)柸料二次加热(b)坯料放人锻模型腔(c)锻压成形(d)锻件图4-15半固态金属触变锻造示意图图4-16闭模锻造示意图32图4-17触变注射成形原理示意图1—模具架；2—模型；3—半固态镁合金累积器；4