下载文档原格式
半固态金属成形技术的发展与应用70年代初美国麻省理工学院的M.Flemigs和D.Spencer发现，处于固-液相区间的合金经过连续搅拌后呈现出低的表观粘度，此时在结晶过程中形成的树枝晶被粒状晶代替。
这种浆料很容易变形，只要加很小的力就可以充填复杂的型腔，从而开发出一种新的金属成形方法—半固态金属成形。
半固态金属成形可以分为流变成形和触变成形两种。
前者是利用半固态金属的流变性能，将经过强烈搅拌的金属浆料加压成形。
后者则利用金属的触变性能，将凝固的搅拌金属浆料加热至半固态再加压成形。
半固态金属成形具有能消除气孔、缩孔，提高零件的机械性能及模具寿命，减少凝固收缩，提高零件尺寸精度等优点。
半固态金属易于搬运和输送，为连续高效的自动化生产创造了条件。
在节省能源、保护环境方面也较传统的铸造方法更为优越。
目前美国、西欧已将半固态加工成形技术应用于生产。
美国军方把用流变铸造法制造复合材料坦克零件列为五年工艺研制规划之一。
在川崎制铁等18家大型公司的资助下，日本从1988～1994年成立了专门研究机构，对半固态金属的性能、制造与加工技术进行了全面的研究，目前已着手工业化生产。
我国对半固态金属成形技术的研究基本上还处于实验室阶段，离工业性生产尚有一定距离。
1半固态金属的流变特性半固态金属的流变特性是指在外力作用下半固态金属的流动、变形性能。
研究半固态金属的流变特性对半固态金属的制备和成形技术具有重要的指导意义。
当金属液中固体金属颗粒的组分大于0.05～0.1时，其流变行为即呈现非牛顿体型。
在更高的固体组分（0.5～0.6）时，浆料呈非线性粘塑性，具有宾汉（Binghan）流体的特性。
虽然合金成份、半固态金属的制造条件、固体相的形状与大小等因素对半固态金属的流变性能都有影响，但固相组分的数量对流变性能的影响最大。
通常用半固态金属的表观粘度作为其流变性的指标。
通过在一定剪切变形速度及冷却条件下的搅拌试验，测定了在不同固体组分下的铝、铜、铁半固态金属的表观粘度，见图1，并采用悬浊液的粘度公式对表观粘度与固相率的关系进行回归分析，得到如公式（1）所示的半固态金属表观粘度表示式［1］：图1固相率与表观粘度间的关系（曲线为回归结果）（1）式中：ηa—半固态金属表观粘度，Pa.s，ηLa—金属液表观粘度（Pa.s），ρm—合金密度（kg.m-3），C—凝固速度，s-1，—剪切变形速度，s-1，f s—固相率。
凝固论文半固态加工技术研究现状及应用前景Research Situation and Application Prospect of Semi-solid Processing Technology课程：金属凝固理论半固态加工技术研究现状及应用前景Research Situation and Application Prospect of Semi-solid Processing Technology摘要：半固态金属成形技术具有高效、节能、近终形生产和成形件性能高等许多优点，是近年来金属加工技术研究的热点。
该工艺在钢铁及有色金属加工中都受到了相当的重视，关于这方面的专著、论文等也大量的涌现。
本文在众多的文献资料基础上通过作者的整合，思考将从半固态加工简介，基本原理，研究现状及应用前景四个方面进行阐述。
关键词：半固态加工；浆料制备；成形技术；数值模拟；应用前景Abstract: There are many advantages of semi-solid metal forming technology such as high efficiency, energy saving, and net-shaped processing. Thixo-formed products also have fine mechanical properties, it’s the hot topic of metal processing technology research in recent years. The process in iron and steel, non-ferrous metal processing is given great attention, a large number of monographs, papers about this aspect emerge very quickly. Based on lots of documentations, the author will discuss these aspects, introduction of semi-solid processing, basic principle, research situation and application prospect through her integration and thinking.Key Words: semi-solid processing; slurry making; forming technology; numerical simulation; application prospect.液体与固体是我们比较熟悉的两种物质存在形态，而液体与固体之间尚存在一种软物质，称为半固态物质或半固态金属，其流动时表现为粘塑性行为，结果产生永久变形。
半固态成形利用金属材料在固液共存状态下所特有的流变特性进行成形的技术。
首先要制造含有一定体积比例的非枝晶固相的固液混合浆料，成形方法有流变成形和触变成形两种。
优点：1、在工艺方面：成型温度低，延长模具寿命（热冲击小）；节省能源；改善生产条件和环境。
2、在产品方面：铸件质量提高（减少气孔和凝固收缩）；减少加工余量；零件的尺寸和精度能达到近终形；扩大压铸合金的范围并可以发展金属复合材料。
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]。
1半固态金属成形的发展及现状（半固态成形铝合金材料研究）半固态金属(SSM)成形技术自DavidSpencer于1971年首次提出至今，已有30多年历史【2-5】。
综观整个历史过程，其发展可以分为实验研究、应用研究和工程化应用三个阶段。
从20世纪70年代初开始，实验研究工作大约延续了15年。
这一阶段的研究主要集中在探索具有流变性和触变性的有色金属合金半固态试样的组织特征与制备方法上。
主要成果包括：①揭示了流变性和触变性坯料的组织特征；②提出了枝晶组织向非枝晶组织转变的物理模型：③研究了搅拌速度、强度以及温度等工艺参数对非枝晶化过程的影响规律：④初步探讨了半固态微观组织与流变性能的关系；⑤测试了半固态合金流变性能，并建立了相关的数学模型。
上世纪80年代中期是半固态成形技术应用研究的迅速发展阶段，并且从早期的有色金属合金扩展到高熔点合金以及复合材料的半固态成形。
这期间，开发与研制了包括电磁搅拌在内的多种半固态制坯技术与连铸设备；利用计算机模拟技术揭示了半固态合金充型过程；深入细致研究了成形工艺对产品组织性能影响的规律。
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:AR esearch and Development of Semi2solid Metal Processing T echnologyZHAO 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,Rheoforming1 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)。
南昌大学科技成果——金属材料半固态加工智能控
制的研究
研究内容
金属半固态成型技术是21世纪材料科学与工程领域热门研究方向之一。
本项目主要是研究金属半固态浆料制备的新工艺、新装备，实现对该装备工艺过程的智能控制，以高效、稳定地获得具有良好微观组织性能的金属半固态浆料。
技术特点
1、自主开发了新型金属半固态浆料制备新工艺装置，探索了该装置制备铝合金半固态浆料的优化工艺参数；
2、提出了材料智能处理在金属半固态成形技术的应用方向；
3、研制了新型的基于新型智能控制技术和PC平台的温度控制系统，具有超调精度高、动态响应较快和鲁棒性好等特性。
应用前景
项目所研究的剪切低温浇注式半固态浆料制备工艺（LSPSF），通过对该装备工艺过程的智能控制，经过大量的试验和在企业实际产品的验证，能高效、稳定地获得具有良好微观组织性能的金属半固态浆料，具有良好的应用前景。
而半固态金属导电率和微观组织关系的研究，为新型传感器的研制和新型控制系统的建立，具有重大意义。
合作方式
合作开发。
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:AR esearch and Development of Semi2solid Metal Processing T echnologyZHAO 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,Rheoforming1 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、超声振动方法、晶粒细化和半固态重熔处理方法、单辊旋转方法、粉末冶金方法、喷射沉积方法、低过热度浇注和弱机械搅拌法等,但只有电磁搅拌法和应变诱导熔体激活法获得了商业应用,其他方法主要用于各种合金的实验室研究。
目前,电磁搅拌法是制备半固态铝合金坯料最成功的方法[4]。
金属坯料电磁搅拌最早应用于钢坯的连铸工艺中,可以改善氧化物、硫化物的分布,削弱柱状晶并细化晶粒,提高铸锭的内外质量,因此,电磁搅拌技术现已广泛应用于黑色金属的连铸工艺中。
在20世纪70年代末期,电磁搅拌技术应用于半固态金属浆料或坯料的制备,利用电磁感应力使金属熔体激烈流动,获得球状初生固相的半固态金属浆料(即Magetohydrodynamic 工艺,简称M HD )。
随后,电磁搅拌技术又与连铸技术相结合,生产半固态金属的连铸坯料,极大地推动了金属半固态成型技术的应用。
从搅拌金属液的流动方式来分,电磁搅拌有3种形式[5]:第1种是垂直式,即电磁搅拌方向与铸坯的轴线方向平行,如图1a 所示;第2种是水平式,即电磁搅拌方向与铸坯的轴线方向垂直,围绕铸坯轴线搅动,如图1b 所示;第3种是水平与垂直式的组合搅拌,如图1c 所示。
图1 电磁搅拌方法示意图在2006年召开的第9次半固态合金和复合材料加工的国际会议上,泰国Songkla 大学的Wanna 2sin 、Martinez 和Flemings 等提出了一种气泡搅拌(Gas bubbles agitation )制备半固态铝合金浆料的新方法,如图2所示[6]。
制备工艺的控制要点:1)气体流量要大(试验流量为2L/min ),以引起合金熔体足够的对流,但不能过大,以免引起合金熔体飞溅;2)合金熔体的冷却速度要适当快(试验冷速为0.2～0.8℃/s ),以形成大量的初生晶核;3)合金液的浇注温度不宜过高,比如A357合金的试验浇注温度为630℃(其液相线温度为615℃)。
制备工艺的特点:制备过程较为简单、制备成本可较低,半固态铝合金浆料的组织形态很好,部分气泡有可能滞留在合金熔体中。
图2 气泡搅拌法工艺原理示意图3 半固态金属及合金坯料的二次加热近年来,国内外对半固态金属二次加热进行了广泛的研究,主要内容包括:坯料的下料、二次加热设备、二次加热制度、二次加热组织及合金的触变性能。
主要采用的加热技术有中频感应穿透加热、电阻恒温加热和盐浴恒温加热等。
目前真正投入工业应用的二次加热方法只有电磁感应法。
对于半固态成型,金属及合金坯料的半固态重熔加热是一个重要过程,由于触变成型过程对半固态坯料的固相分数要求很严,一般要求二次加热时控温精确,在±1～3℃(与坯料固相分数有关),因此,采用电磁感应二次加热的控制过程是相当复杂的[7]。
在实际生产中,采用多工位分段感应加热的方法进行半固态坯料二次加热,一方面可以解决加热不均匀问题,另一方面,可以满足工业生产率的需要。
半固态金属坯料重熔加热时的固相分数控制很重要,但目前仍然没有很精确、适用的在线测量方法,仍然靠工艺控制。
已经发明的能量测量法、感应圈涡电流法、尖针侵入法和直接测温法各有优缺点。
4 金属半固态成型当前,金属半固态成型的基本工艺方法可分为流变成型和触变成型。
流变成型是利用流变浆料直接进行成型。
而触变成型是将流变浆料凝固成锭,按需要将此金属锭切成一定大小,然后重新加热至金属的半固态温度区,这时的金属锭称为半固态金属坯料,再利用金属的半固态坯料进行成型加工。
4.1 半固态金属的触变成型由于半固态金属坯料的加热、输送很方便,并易于实现自动化操作,因此半固态金属触变成型是当今金属半固态成型中主要的工艺方法。
半固态金属的触变成型可以分为几种:1)触变压铸(t hixodie 2casting ),其成型设备是压铸机;2)触变锻造(t hixoforging ),其成型设备是压力机;3)触变挤压,其成型设备是挤压机;4)触变轧制,其成型设备是轧机。
以上成型方法中前2种工艺在目前实际生产中已经成熟,并已推广应用到一定规模,而后2种工艺尚不成熟[8]。
图3 触变注射成型触变注射(t hixo 2molding )成型是目前一种重要的半固态镁合金触变成型方法。
触变注射成型工艺(图3)是由美国Dow Chemical 公司开发的技术,1992年由日本制钢所引入并完成成型机的研制开发,现在是半固态加工领域中最成功、应用最广的技术之一。
触变注射成型技术采用了一种所谓“一体化”的成型方式,将压铸和注塑工艺合二为一,其中模具和成型材料与压铸工艺相似,而工艺过程接近于注塑成型。
此外,该方法集半固态金属浆料的制备、输送和成型过程于一体,较好解决了半固态浆料的保存和输送难题,提高了生产效率。
对于镁合金来说,利用触变注射工艺可以生产高品质的零件,但工艺流程较长、特殊的镁合金原料价格较高,因为需要采用特殊设备和坯料制造镁合金颗粒,制备工艺比较复杂。
4.2 半固态金属的流变成型与半固态触变成型相比,流变成型省去了二次加热,由半固态浆料直接进行成型加工,缩短了工艺流程,但其工艺过程控制难度也相应增加了许多。
尽管如此,流变成型所具有的生产流程短、相对成本较低的优势,受到国内外许多研究者的重视。
最近几年,半固态流变成型技术得到了很大的进步,如美国康奈尔大学研究人员提出的单螺旋型流变成型法[9],该成型方法已经被用于Sn -Pb 合金和Zn -Al -Cu 合金,并被改进为水平注射形式,用于Mg 合金部件的成型。
英国Brunel 大学的Fan 等开发的双螺杆流变射铸TSR (twin 2screw rheomould 2ing )工艺[10],该成型方法可以用于铝合金、镁合金、锌合金的直接流变成型。
