半固态成形

1)半固态金属成形( SMP ) 于20 世纪70 年代初研究开发的新一代金属加工技术[ 1] ,这种对半固态金属浆料进行成形的加工工艺称为半固态成形技术.这一技术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形状复杂且精度和性能质量要求较高的零件。

2) 非枝晶半固态金属浆料的制备是半固态成形技术的关键环节之一, 关系到成形件的质量和成本。半固态金属浆料的制备技术分为2 类: 液相过程和固相过程。目前普遍采用的技术是在金属凝固过程中进行强烈搅拌, 破碎枝晶, 得到一种液态金属母液中均匀悬浮着近似球形微观结构的非枝晶半固态金属( Sem-i solid Metal, 简称SSM) , 在SSM 的液相基体中, 固相颗粒之间很容易产生相互移动, 从而使SSM 浆料具有一定流动能力, 以利于充型。 半固态金属浆料制备方法

有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔体激活法、粉末冶金法.液相线铸造法,超声处理法等。

机械搅拌法是最早用于半固态浆料制备的方法。其原理是在合金凝固过程中, 使用搅拌器对合金熔体进行强烈的机械搅拌, 树枝晶由于剪切力的作用而断裂成为颗粒状结构。机械搅拌分间歇式和连续式两种.

搅拌时产生的剪切速率一般为100~ 300/s。剪切速率受搅拌器结构、材料耐腐蚀、耐高温磨损性能的制约。浆料的质量主要由搅拌温度、搅拌速度以及冷却速度这3 个参数控制。然而, 由于这些工艺参数不易控制, 容易发生卷气等缺陷; 搅拌器和合金熔体是直接接触的, 因而容易造成污染; 另外搅拌器与容器间存在搅拌死角, 影响浆料的质量。机械搅拌法在工业生产中应用较少。

电磁搅拌法是应用最为广泛的一种方法。它利用旋转磁场使金属液内部产生感应电流, 并在洛伦兹力的作用下发生强迫对流, 从而达到搅拌的目的。产生旋转磁场的方法有两种, 一种是在感应线圈中通入交变电流, 另一种则采用旋转永磁体的方法。

电磁搅拌法不是靠机械力而是靠电磁力对凝固体系进行剧烈搅拌, 所以从根本上避免了搅拌棒损耗的问题。根据电磁场的特点不同, 电磁搅拌法分为交流电磁场搅拌法、直流电磁场搅拌法和旋转磁场搅拌法3 种。

J Winter 发明的旋转磁场搅拌法是在凝固体系的周围布置数台多级电动机定子, 从而产生与铸件轴垂直的旋转磁场, 因此在金属熔体内得到了大的切变速度, 搅拌效果很好。电磁搅拌法控制方便, 不卷入气体, 金属液纯净, 产量大, 是目前工业应用的主要方法之一。这种方法的主要缺点是电能消耗量大, 设备结构复杂而且成本高。

应变诱发熔化激活法( SIMA) 是对铸锭加压进行一定量的预变形, 使其组织具有强烈的拉伸形变机构, 然后将其加热到半固态温度保温一段时间, 熔化的部分液相渗入到小角度晶界中, 使固相粒子分开, 树枝晶破碎, 从而得到半固态组织。

预变形量、保温温度及保温时间是SIMA 法中的3 个最重要的工艺参数。增加预变形量及保温温度都可促进铸锭中相由枝晶组织向半固态颗粒状组织转化, 但过度提高预变形量及保温温度会使晶粒明显长大。SIMA 法主要适合于各种高、低熔点的合金系列, 尤其在制备高熔点合金的半固态铸锭方面具有独特的优越性。迄今为止, 该方法已成功地应用于不锈钢、工具钢和铜合金等金属的半固态浆料制备。然而它也存在缺点, 如需一道额外的变形工序, 且制备的半固态坯料尺寸较小。

粉末冶金法是通过将纯铁粉与共晶成分的铸铁粉混匀后压实, 在随后的快速加热过程中, 颗粒的碰撞、聚集机会比搅拌法小得多, 所以可以得到颗粒尺寸均匀细小( <50 Lm) 的非枝晶组织。

由于这种方法以工业粉体为原料, 将制坯与成形融为一体, 过程控制方便, 生产率高。其非枝晶组织形态主要取决于粉体的形状、尺寸。事实上, 粉体制备的现有技术水平还没有达到可以提供所有材料合适粒度粉体的水平, 所以这种技术的工业应用步伐也不会很快。其工艺过程为 粉料混制y 压制成块y 感应加热y 半固态坯料。

液相线铸造法是将合金熔体冷却至液相线温度附近保温一段时间后进行浇注, 获得所需的半固态组织。

超声处理法其原理为: 在液态金属中加入细化剂, 并使用超声处理, 由于超声的空化作用, 使枝晶组织变为半固态组织。超声在介质中传导的时候, 产生周期性的应力和声压变化, 在局部产生周期性高温高压效应, 使液体产生空化和搅动。

一般认为, 超声可产生气蚀作用, 促进形核, 且可使枝晶臂断裂, 成为新的形核核心, 促 进半固态颗粒状初生相的生长, 而抑制树枝晶的发展。超声处理法的优点是对熔体污染较小, 但其工艺较为复杂, 设备投资大。

半固态塑性加工包括半固态锻造、半固态 挤压和半固态轧制等。

1) 半固态锻造它介于固态成形和液态成形2 种工艺之间, 因此, 半固态锻造可以成形变形抗力较大的高固相率的半固态材料, 并达到一般锻造难以达到的复杂形状。用半固态模锻工艺生产少、无切削的黑色金属模锻件, 将为黑色金属塑性成形开辟一条新的途径。 2)

半固态挤压和其他半固态成形方法相比, 研究得最多的是各种铝合金和铜合金的

棒、线、管、型材等制品。制品的内部组织及力学性能容易制造均一, 也容易操作, 今后应用的前景十分广阔, 是难加工材料、粒子强化金属基复合材料、纤维强化金属基复合材料成形加工的不可缺少的技术。

流变铸造(压铸) ( Rheocast ing) 或称流变成形( Rheoforming)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。

由于直接获得的半固态金属浆料的保存和输送很不方便, 因而这种成形方法投入实际应用的较少

触变铸造(压铸)，( Thixocast ing)或称触变成形( Thixoforming )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，用户在压铸时将定量的坯料重新加热至半固态然后进行加工的方法。

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。

半固态压铸时, 可以通过调整半固态金属的粘度和固相率抑制气泡的产生, 因此可以加工容易产生气泡、普通压铸工艺难以成形的制品, 并可以经热处理提高性能, 从而有可能应用到重要零件上, 并可以制造锻造难以成形的复杂形状的制品。

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