材料加工原理之半固态铸造成形

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半固态铸造成形,铸造,砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失模铸造、石膏型铸造等,重力铸造、低压铸造、挤压铸造,利用,凝固结晶过程,来控制组织的变化,金属液温度在,液相线,以上进行成形,铸造、,液态模锻,锻造、挤压,半固态成形,20,世纪,70,年代初，美国麻省理工学院,Flemings,与,Spencer,等人发现了金属凝固过程中的特殊力学行为，根据强力搅拌半凝固金属所呈现的,流变学,性质成功用搅拌方法制备出了半固态金属并进行了铸造成形，称之为流变铸造,(Rheocasting),。,半固态成形定义？,利用金属从固态向液态或从液态向固态两相转变过程中的半固态区的金属具有良好的流变特性而进行的金属成形。,通过金属液搅拌产生的,流变性,与,搅熔性,来控制铸件的质量。,流变性：,搅拌过程中，固相分数增加使金属浆料的粘性提高，但仍能保持流动的特性。,搅熔性：,流变成型的锭坯在加热到一定程度后，其粘度随着剪切速率的增加而降低的特性,。,技术核心：,固液混合浆料获得,非枝晶组织,，固相必须球化和细化，,近球形晶或等轴晶,非常小的,流动阻力,和良好的,成形性能,。,枝晶,球形晶或等轴晶,工艺如何实现？,半固态金属,坯料,制备方式,1,、机械搅拌法：,是最早用于制备非枝晶组织金属的方法。,一种是由两个同心带齿的圆筒组成，内筒保持静止，外筒旋转；另一种是在熔融的金属中利用搅拌棒进行搅动。,存在问题：,生产效率低、固相分数,30%,60%,、,搅拌棒会造成熔融金属的污染。,间歇式,连续式,2,、电磁搅拌法：,利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，感应电流产生的洛伦兹力驱动金属液运动，从而达到对金属液搅拌的目的。,两种产生旋转磁场的方法：,一种是在感应圈内通交流电的方法,另一种是旋转永磁体法，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，从而提高了搅动效果。,缺点：,设备投资大，工艺较复杂，成本高。,电磁搅拌示意图,3,、应力诱发熔化激活工艺：,S.I.M.A.(Strain Induced Metl Activated),常铸锭经过,20%,左右的预形变，然后加热至半固态。,加热过程组织变化：,首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒分散在液相基体中，得到半固态金属成型所需的原材料。,特点：,对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有其独特的优越性，如不锈钢，铜合金。,增加了一道预变形工序，成本提高，锭坯尺寸受限制。,4,、等温处理,组织变化：,枝晶,短枝晶,枝晶碎块,颗粒,均匀化,颗粒长大,还有什么其它方法？,晶粒细化,超声波细化,半固态成形工艺,主要有两种：流变成形和触变成形,流变成形是将获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度下,直接,送往成形设备进行成形加工，通常称为半固态金属的流变成形,(Rheoforming),触变成形是将半固态金属浆料进一步,凝固,成坯料后，再按需要将坯料分切成一定大小，把这种切分的半固态坯料,重新加热,到半固态温度，然后将半固态坯料送往成形设备进行成形加工,(Thixoforming),高温合金半固态组织,a,铜合金,b,不锈钢,c,低合金钢,铝合金,铝基复合材料,SIMA,加工过程组织变化,a,原始组织,b,挤压预变形后,C,挤压预变形后再加热,至半固态,重力铸造,半固态铸造,ZL101A,合金不同成型方式显微组织对比,液态成形,半固态成形,ZL101A,合金力学性能对比,合金,状态,抗拉强度（,MPa,）,屈服强度,(MPa),延伸率（,%,）,ZL101A,普通铸造（,T6,）,310,提高量,27MPa,248,提高量,20MPa,3,提高量,300%,半固态压铸,（,T6,）,337,268,12,半固态成形技术应用,1978,年，美国,Alumax,公司建成了世界上第一条汽车零部件的触变生产线。,1988,1998,年间，生产的铝合金汽缸，用于,Volve,、,BMW,、,Audi,等汽车,为,Ford,汽车公司生产的,1500,万件铝合金压缩机活塞，成品率几乎为,100,。,此外，应用于铝合金轮毂,生产效率与经济性,半固态主要特点,凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。可适用于铸造、挤压、锻压、焊接多种加工工艺。,充型平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩小。,铸件尺寸精度高，成形尺寸与成品零件几乎相同，极大减少了机械加工量。,凝固时间短，有利于提高生产效率。,主要缺点：,半固态成形技术对金属的合金成分有一定适用范围。需具有足够大的半固态区间，并且固相率随温度变化比较缓慢，以便于监控半固态合金的固相率，从而实现对半固态材料制备与成形过程的控制。,液一固相线区间范围小的合金不适合。,如纯金属、共晶合金,