第9章半固态成形技术 PPT

5.易于生产复合材料与新型合金。
金属半固态成形工艺可改善复合材料中非金属材料的漂浮、 偏析以及与基体金属不浸润的技术难题，为复合材料的制备与成 形提供了有利条件。控制固态合金黏度，可以均一地掺入非金属 材料与密度差大的金属材料，生产金属基复合材料与新成分合金。 利用半固态合金的高黏性，在搅拌剪切的过程中加入密度差大的 金属或非金属材料，可以生产其他工艺所不能生产的复合材料。 在生产粒子强化、纤维强化的复合材料方面，半固态成形有着独 特的优越性。半固态成形对复合材料的成形起到很大的推动作用。
关键区别在于？
半固态成形的基本工艺路线
半固态金属浆料具有流变与触变性能，因此有两条线 路，流变成形和触变成形。
流变成形
半固态浆料直接在压力作用下流变成形。
优缺点： 短流程
节能、节材
储存运输困难
触变成形
半固态浆料铸造成锭坯，根据产品尺寸需要下料， 经过二次加热（也叫重熔加热）后，在半固态温 度下压力加工成形，成为触变成形。
• 美国已利用半固态成形生产出许多电器连接元件。半固态 成形电器连接元件与传统的机械加工相比，也具形的特殊成形机理决定了成形产品的良好的内 部组织与整体性能。由于在半固态材料的制备过程中，对合金施 加剪切搅拌作用，可以消除多种缺陷。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。同时，半固态 铸造时有一个平滑的液态充模界面，减轻了气体包裹与气泡的产 生，也减轻了成分偏析，提高了材料的致密度、强度以及材料性 能的均匀性。实践证明，半固态铸件内部组织致密，内部气孔、 偏析等缺陷少，组织细小，力学性能提高，或者力学性能相当， 但塑性大大提高。
1.1 金属半固态成形（SSM）的定义

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第二节 小曲 的生产工艺 (xiǎo qǔ)
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一、小曲(xiǎo qǔ)的特点及生产概况
小曲是生产半固态发酵法白酒的糖化发酵剂，具有糖化与发酵的 双重作用。它是用米粉或米糠为原料，添加中草药并接种曲种培 养而成。小曲的制造为我国劳动人民创造性利用微生物独特发酵 工艺的具体表达。小曲中所含的微生物，主要有根霉、毛霉和酵 母等。就微生物的培养来说，是一种自然选育培养。在原料的处 理和配用中草药料上，能给有效微生物提供有利繁殖条件，且一 般采用经过长期自然培养的种曲进行(jìnxíng)接种。近来还有纯粹 培养根霉和酵母菌种进行(jìnxíng)接种，更能保证有效微生物的大 量繁殖。
发酵力：用小型试验测定得58°桂林三花酒在30公斤以上。
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2．纯种 药小曲 (chún zhǒnɡ)
种药小曲的特点是原料采用米粉，添加十几种中草药，接种纯种 根霉和酵母，混合培养而制成。它的生产(shēngchǎn)过程如下：
大米预先浸渍2—3小时，淘洗干净，磨成米浆，用布袋压干水分，至可捏成 粒状酒药坯为度。中草药配方(对大米用量计)如下：桂皮0.3％、香菇0.1％、 小茴0.1％、细辛0.2％、三利0.1％、苾发0.1％、红豆菀0.1％、无菌0.2％、 苏荷0.3％、川椒0.2％、皂角0.1％、排草0.2％、胡椒0.05％、香加皮0.6％、 甘草0.2％、甘松0.3％、良姜0.2％、九本0.05％、丁香0.05％。中草药预先枯 燥后，经粉碎、过筛、混合、即为中草药粉。压干的粉浆，按原料大米的用 量参加4-5％面盆米粉培养的根霉菌种，2.6—3％米曲汁三角瓶培养的酵母菌 种，中草药粉1.5％，拌掺均匀，捏成酒药坯。坯粒直径为3—3.5厘米，厚约 1.5厘米，整齐放于木格内。木格的底垫以新鲜稻草。装格后，即移入保温房 进行培养，培养过程要注意温度和湿度的控制。培养58—60小时，即可出房 枯燥，贮存备用。贮存时间雨季和夏天以一个月为宜，秋、冬季可适当延长。

图6-8 半固态成形技术的两种工艺路线
对于流变成形，由于把浆料制备和加工成形相承接，具有生产效率高 、整体流程短的特点，近年来发展十分迅速，不过浆料的保存和输送难度 大，设备自动化控制复杂，成本相对高。对于触变成形，浆料的制备和最 终成形可分开进行，成形厂方甚至可以不参与熔炼制浆，只需提供二次 加热，工业污染小，而且半固态坯料输送方便，易于实现自动化，因而在 国外较早得到了广泛应用，不过这种方式的缺点是坯料经过冷却和再加热 的过程，能源消耗有所增加。
图6-9 机械搅拌制备半固态浆料
b、电磁搅拌法
电磁搅拌法是目前半固态成形工业生产上最成熟最广泛被应用的制浆 方法，它是在感应线圈中通入一定相位的交变交流，从而产生变换旋转的 磁场，而金属液中便有感应电流产生，洛伦兹力就驱使金属熔体产生剧烈 运动，使非枝晶凝固模式取代传统的枝晶凝固趋势，从而获得含有球形固 相的半固态浆料。如图6-10所示，按熔体被搅拌力驱动的流动方式，一般 分为垂直式、水平式、螺旋式。电磁搅拌采用无接触式地对合金熔体进行 搅动，对合金污染极大降低，且通过调节电流、磁场强度和频率等参数就 能实现搅拌效果的控制，可以连续高效地制备坯料，适用于工业化的生产 应用。但由于电磁搅拌的集肤效应，通常认为，直径大于150mm的铸坯 不宜采用电磁搅拌法。
c、注射成型法
注射成型法是将低熔点金属颗粒进行加热至半固态成型，尺寸为几毫米的合金 粒子在料筒中边被加热边被螺旋体剪切推进，通过螺旋强制对流的搅拌作用，得 到细小均匀球状晶的半固态浆料组织，然后以高速（注塑十倍速度）注入模腔里 。这种方法非常适于相对较活泼的镁合金材料，在整个浆料制备和成型工艺中可 以不使用保护气体和防氧化剂，不需要配备熔化炉，而且不会产生浮渣、炉渣等 ，兼顾安全性和环保。

半固态铸造生产线及自动化
半固态流变成形生产线 该系统由铝合金熔化炉、挤压铸造机、转盘式制 浆机、自动浇注装置、坩埚自动清扫、喷涂料装置等 组成。其工艺过程为：浇注机械手3将铝液从熔化炉2 中浇入制浆机4的金属容器中冷却；同时浆料搬运机 械手5从制浆机的感应加热工位抓取小坩埚，搬运至 挤压铸造机并浇人压射室中成形；随后继续旋转将空 坩埚返回送至回转式清扫装置上的空工位，并从另一 个工位抓去一个清扫过的小坩埚旋转放置到制浆机上； 制浆机和清扫机同时旋转一个角度，进入下一个循环。
半固态铸造成形装备
半固态铸造成形装备主要包括半固态浆料 制备装备、半固态成形装备、辅助装置等。 按流变铸造和触变铸造分类，又有流变铸 造装备和触变铸造装备。 半固态浆料的制备方法主要有机械搅拌、 电磁搅拌、单辊旋转冷却、单／双螺杆法等。 其基本原理都是利用外力将固液共存体中的固 相树枝晶打碎、分散，制成均匀弥散的糊状金 属浆料。最新发展的还有倾斜冷却板法、冷却 控制法、新MIT法等。
半固态铸造成形装备
一步法— 流变铸造 半固态铸造成形是在液态金属凝固的过程中进行强烈 的搅动，使普通铸造凝周易于形成的树枝晶网络骨架被打 碎而形成分散的颗粒状组织形态，从而制得半固态金属液， 然后将其铸成坯料或压成铸件。 根据其工艺流程的不同，半固态铸造可分为流变铸造 二步法— 和触变铸造两大类。 触变铸造 流变铸造是将从液相到固相冷却过程中的金属液进行 强烈搅动，在一定的固相分数下将半固态金属浆料压铸或 挤压成形，又称“一步法”； 触变铸造是先由连续铸造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，再压铸或 挤压成形，又称“二步法”。
半固态铸造的其他装置
流变铸造采用“一步法”成形，半 固态浆料制备与成形联为一体，装备 较为简单； 触变铸造采用“二步法”成形，除 有半固态浆料制备及坯料成形装备外， 还有下料装置、二次加热装置、坯料 重熔测定控制装置等。

✓ 适用各种合金铸件，尤其高熔点，难加工件
③✓应工用艺：复杂，成本高。
适用于各类零部件
（2）金属型铸造 指用自由浇注的方法将熔融金属浇入由铸铁或钢制造的铸
型中而获得铸件的一种铸造方法。
① 金属型结构
② 铸造工艺
1) 预热（200～350℃） 2) 型腔和金属芯表面喷涂料0.1～0.5mm 3) 开型取件温度高：
防止措施：减少铸造应力，采取反变形法等。
（3） 裂纹：
• 铸造应力超过材料强度极限产生的裂纹，分为热裂和冷裂 • 常发生在铸件拐角、截面突变处等应力集中处或最后凝固
部位。
✓ 热裂：结晶温度范围内固相线附
近形成。断口氧化严重，无金属 光泽。裂口沿晶界产生发展，外 形曲折而不规则。
✓ 冷裂：铸件处于弹性或较低温度
（4） 实型铸造 用泡沫聚苯乙烯塑料模代替木模或金属模，在其上涂一层
涂料，干燥后造型，造型后不取出模样而直接浇注金属液，在 金属液作用下模样汽化消失，金属液取代了模样，冷却凝固后 即可获得铸件的方法。
① 实型铸造工艺过程
见图4-10
② 造型方法
• 普通铸造造型 • 干砂造型 • 磁型造型 • 干砂负压造型
• 反应性气孔。浇入铸形的金属液与铸形材料冷铁、熔渣间
反应或金属液内部成分间发生化学反应形成。前者又称皮 下气孔，直径为1～3mm，分布于铸件表皮下1～3mm处； 后者在铸件内部均匀分布。
2.1.3 液态成形方法
基本工艺流程 见图4-1
主要方法包括：
• 砂型铸造 • 特种铸造
1．砂型铸造
（1）粘土型砂
晶长大，枝晶分割成的许多小熔池，在凝固最后收缩得不到 补充形成的分散性孔洞。
防止缩孔与缩松的措施

显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭

流
变
铸
造 熔
炼
、
合
制
金 配
浆
零 件
制
毛
坯
半
固
态
下
二
触
坯 料 制
料
次 加
变 成 形
备
热
半固态成形技术
流变加工技术主要是在合金凝固过程中施 加剪切制备半固态浆料并将所获浆料直接 转移到模具中成形零件； 触变加工技术则分为两步:首先制备具有触 变特性的坯料，再通过二次加热将坯料加 热至半固态温度进行零件成形。
半固态金属加工技术的出现和概念
枝晶
半固态
半固态组织的形成机理
(a) 凝固初期
（b）网状枝节
常规铸造方法凝固示意图
半固态组织的形成机理
(a) 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 。
半固态组织的形成机理
(d) 枝晶弯曲机制： Vogel和Doherty 等人认为枝晶臂在流动应力作用下会发生弯曲，并且 位错的产生将导致塑性变形的产生。在固相线以上温度时，位错间 发生攀移并且互相结合形成晶界，当相邻晶粒的取相差超过20，晶 粒晶界能超过固-液界面能的两倍，液体就将润湿晶界并沿着晶界迅 速渗透，从而使枝晶臂与主干分离，其机制如图所示。
(a)初始枝晶碎片 (b)枝晶生长 (c)蔷薇形晶粒 (d)长大了的蔷薇形晶粒 (e) 球形晶粒
半固态金属加工技术的优点
半固态金属加工技术的优点

半固态压铸 （Semi-Solid Casting）
原理：在合金液冷却过程中 施加剧烈的搅拌，使枝晶破 碎，得到一种悬浮一定量球 状固相的浆料，进行成形。
（一）流变压铸（Rheocasting） 金属锭→液态→制备浆料 （搅拌→ 冷却）→半固态浆 料→压铸
三、半固态成形方法
特点：
由于金属浆料的良好的流动性能，可以得到尺 寸精确、形状复杂、组织致密的高质量铸件；
半固态压铸工艺过程
特点： 充型平稳，铸件尺寸精度高，表 面质量优良，气孔、缩孔、缩松缺 陷少，组织致密。可以热处理、可 以焊接。压铸模寿命长。 但触变压铸首先需要生产半固态 金属坯料，成本高；另外，二次加 热能耗大，工艺过程较复杂，具有 触变性能的材料种类也不多等
三、射铸成形 （Injection Molding）
原理：把镁合金颗粒投入料斗，原 料经过加热到高温的料筒，螺杆的 转动对镁合金产生剪切作用，使其 成为具有触变物理性能的半固态浆 料，快速注射到模具内成形。
成形原理
射铸成形过程(1)
射铸成形过程(2)
射铸成形机
射铸成形产品图
完
由于在流变压铸中，半固态金属浆料的保持及 输控制严格而困难，目前的实际应用较少。 流变成形比触变成形工艺更简单、能耗更低 ， 流程短，铸件的成本也更低，是未来重要的发展 方向。
镁合金半固态流变压铸零件图
汽车制动器推盘 （已表面钝化处理）
（带浇注系统的零件）
（二）触变压铸（Thixocasting） 金属锭→液态→制备浆料 （搅拌→ 冷却）→半固态浆 料→淬冷→铸锭→ 切割胚料 → 重新加热→触变压铸

16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
铝合金半固态压铸成形过程的模拟讲解 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。

1）熔化合格合金液体： 成分合格，温度合适；
2）制作合理的铸型： 造型材料，造型方法，
铸造工艺，尺寸，型板，
砂箱，分型面，浇注系
统；
3）浇注成型以及清理： 浇注方法（重力，加
压），清理；
4）凝固成合格的铸件 ： 内部质量，尺寸。
液态成形基本工艺流程
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3、铸造金属的熔炼
熔炼是液态金属铸造成形技术过程中的一个重 要环节，与铸件的品质、生产成本、产量、能 源消耗以及环境保护等密切相关。 在熔炼中，多种固态金属的炉料（废钢、生铁 、回炉料、铁合金、有色金属等）按比例搭配 装入相应的熔炉中加热熔化，通过冶金反应， 转变成具有一定化学成分和温度的符合铸造成 形要求的液态金属。
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(2) 合金的收缩 铸造合金从液态冷却到室温的过程中， 其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。
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收缩包括以下三个阶段： Ⅰ 液态收缩 （浇注温度-液相线） 特点：体积收缩； 浇注温度升高，液态收缩增加。 Ⅱ 凝固收缩 （液相线-固相线） 特点：体积收缩；结晶温度范围增大，凝固收缩增加。 Ⅲ 固态收缩 （固相线-室温 ） 特点：引起铸件外部尺寸变化。
分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理 使用，可造成铸件的顺序凝固，有效地消除缩孔、 缩松。
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顺序凝固，就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部 位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口 的部位先凝固（如图Ⅲ ），而后是靠近冒口部位 凝固（图中Ⅱ、І），最后才是冒口本身的凝固。
按照这样的凝固顺序，先凝 固部位的收缩，由后凝固部 位的金属液来补充；后凝固 部位的收缩，由冒口中的金 属液来补充，从而使铸件各 个部位的收缩均能得到补充， 而将缩孔转移到冒口之中。 冒口为铸件的多余部分，在 铸件清理时将其去除。