毛为民半固态铸造

null金属半固态铸造的发展和应用 Development and Application of Semi-Solid Metals Casting 金属半固态铸造的发展和应用 Development and Application of Semi-Solid Metals Casting 北京科技大学 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 加工与控制工程系 毛卫民null一 、引言 二、金属半固态铸造的理论基础 三、半固态金属浆料和坯料制备 四、半固态金属及合金坯料的重熔加热 五、金属半固态铸造 六、金属半固态铸件的性能及优点分析 七、金属半固态铸造技术的发展趋势一 、引言 1.1半固态金属及铸造成型、半固态金属组织的特点一 、引言 1.1半固态金属及铸造成型、半固态金属组织的特点★传统铸造：在传统的金属铸造中，浇注的金属都是过热的金属液，如压铸（die casting）、金属型铸造、液态模锻（liquid forging or squeeze casting）、砂型铸造（湿型、干型、树脂砂型、水玻璃砂型等）。 null ★半固态金属：若在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定量的球状初生固相或退化的枝晶固相（degenerated dendrite）的固—液混合浆料（也称流变浆料），这种固—液混合浆料就是我们所讲的半固态金属，即Semi-Solid Metal,简称SSM。 null ★金属半固态铸造：利用上述半固态金属浆料进行铸造成型，称之为金属的半固态铸造，即Semi-Solid Casting of Metals。★半固态金属组织如下图所示★半固态金属组织如下图所示半固态Sn-15wt%Pb合金流变组织 (a)组织示意图，(b)真实组织，固相分数0.6，剪切速率230s-1null半固态Sn-15wt%Pb合金流变组织 固相分数0.45，剪切速率230s-1 搅拌时间（s） ：(a)730, (b) 2400null440A不锈钢显微组织比较 (a) 树枝晶, (b)流变组织nullAlSi7Mg合金显微组织 (a)传统凝固的枝晶组织，(b)电磁搅拌的半固态组织null ★半固态金属组织特点总结 （1）球状或类球状初生固相； （2）初生固相中夹裹着一些薄层液相 （3）初生固相在母液中均匀分布。 1.2 金属半固态铸造的诞生 1.2 金属半固态铸造的诞生 ★发现经过：20世纪70年代初，美国MIT的博士研究生 D B Spencer在研究Sn-15%wt Pb合金的高温热裂特性时，偶然发现了金属的半固态力学行为和组织特点。 nullD B Spencer 研究所用的实验仪器— 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 观粘度仪★原研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的技术路线★原研究计划的技术路线 首先让过热的金属液在双桶粘度计中冷却凝固，在某个固相分数下，开始转动外桶，旋转剪切已经部分凝固的金属熔体，检测剪切应力的变化规律。当按原研究计划技术路线进行实验时，金属熔体的剪切应力较大，如当fs=0.36时，金属熔体的最大剪切应力约为170 Kpa，如下图所示。nullSn-15%wt Pb合金剪切应力与转角位移关系曲线★原研究计划的偶然改变★原研究计划的偶然改变 从液相线温度以上开始搅拌，边搅拌边降温，结果出现了不可思议的现象：金属熔体的剪切应力显著下降，降低约3个数量级，如当fs=0.41时，金属熔体的最大剪切应力约为0.2KPa；经过对搅拌金属的组织检查，发现了奇特的球状或粒状半固态金属组织。null剪切应力与半固态Sn-15%wt Pb合金浆料固相分数的关系★金属半固态铸造技术的创立★金属半固态铸造技术的创立 D B Spencer的偶然实验结果引起了MIT的M C Flemings 教授的特别重视，他果断地停止了其它研究，将自己领导下的研究生全部投入该方向的探索，并获得国家和国防基金的大力支持，经过深入、广泛的研究，创立了金属半固态铸造技术，即Rheocasting 和Thixocasting。nullM C Flemings , Professor of MIT★产生争议★产生争议 英国人 Jeff Wheeldon声称其父在1950年就发明了流变技术，1964年申请发明专利，并在Modern Casting（1964年）上撰文，但由于资金不足，驳回专利申请。Wheeldon称其技术为Icecream Process，并出售给两家公司（Kenrich Hardware of west Bromwith,Die Developments of Redditch）。MIT认为他们的技术不同于Jeff的技术，因为技术本质不同、机器也不同。 1.3 金属半固态成形的基本分类 1.3 金属半固态成形的基本分类 ★流变铸造（rheocasting） 金属液 凝固中搅拌 半固态浆料 浆料被送入射室 压射成型 null流变压铸工艺示意图 (a)连续搅拌制备半固态浆料,(b)浆料被送入压室,(c)压射成型,(d)压铸件null ★触变铸造（Thixocasting） 金属液 凝固中搅拌 半固态浆料 半固态坯料 坯料切分 坯料半固态重熔加热坯料输送 触变压铸成型null半固态触变锻造成型 (a)连续搅拌制备半固态浆料,(b)半固态浆料凝固成坯料, (c)坯料切分,(d)坯料半固态重熔加热,(e)坯料被送入射室,(f)压射成型,(g)压铸件null小刀切割重熔加热后的半固态金属坯料二、 金属半固态铸造的理论基础 二、 金属半固态铸造的理论基础 半固态金属理论研究的重点之一是：组织形成与演化机制；表观粘度（apparent viscosity ）与剪切速率（shear rate ）、冷却速率、固相率之间的关系；表观粘度与时间的关系。通过上述研究可以加深对半固态金属本质的认识。 2.1 组织形成与演化机制 2.1.1 Flemings观点2.1 组织形成与演化机制 2.1.1 Flemings观点 ★在搅拌的作用下，初生枝晶由于熟化作用，也由于初生枝晶之间以及它们与液体之间发生碰撞、摩擦和冲刷作用，初生枝晶逐渐转变为玫瑰花状，最后转变为球状，如图所示：（a）折断的枝晶碎块；（b）枝晶碎块长大；（c）枝晶臂弯曲变形；（d）枝晶臂进一步弯曲、熟化（ripening）；（e）接近密实的球状固相。null ★演化过程：从（a）到（e），随着剪切速率的提高和冷却速率的降低而加快。2.1.2 Vogel等人的观点 2.1.2 Vogel等人的观点 ★假设在接近熔点温度下，初生的α-Al枝晶具有一定的韧性；虽然此温度下的α-Al枝晶较脆弱，但这种假定的韧性使得α-Al枝晶在搅拌的紊流之中只发生弯曲而不至于断裂。 ★在搅拌过程中，如果一个α-Al枝晶臂相对于枝晶主干弯曲了角，就要求枝晶臂中必须存在附加的位错（extra dislocation），这些位错将会因为回复和再结晶过程的发生而转变成晶界，那么该晶界就具有角大小的取向错误。null★由于晶界的能量随着晶界取向错误的增加而增加，此外大角度晶界的能量一般都比固液相的界面能大两倍以上，如Al的晶界界面能量约为0.6Jm-2，而Al的固液界面能量约为0.09Jm-2，那么这种晶界完全会被液体薄膜所浸润。最后该枝晶臂就会由于晶界引发的熔化作用而从枝晶主干上脱落下来。 null晶界碎化机制示意图 (a)未变形的树枝晶,(b)枝晶臂弯曲,(c) 弯曲晶格重组产生晶界,(d)晶界能大于两倍的固液界面能，晶界被液相浸润，枝晶臂被熔断2.1.3 Dohery等人的观点 2.1.3 Dohery等人的观点 ★由于剪切作用，柔软的初生枝晶臂将会发生塑性弯曲，弯曲将以位错（geometrically necessary dislocations）的形式使枝晶臂发生取向错误，这些位错的迁移会形成晶界。大于20取向错误的晶界所具有的能量比固液界面能量的二倍还要大。如果这种高能量晶界在枝晶臂中形成并与液相接触，晶界就会被液体薄膜所取代，枝晶臂便会最终从初生晶粒的主干上脱落下来。 2.1.4 作者等人的观点 2.1.4 作者等人的观点 ★作者认为：在电磁搅拌下，连铸坯料组织中出现许多细小的蔷薇状初生固相，这些蔷薇状初生固相的二次臂不发生弯曲，也可以通过二次臂根部熔断转变为球状，因为搅拌会使熔体产生强烈的温度起伏，引起二次臂的熔断， Hellawell也支持这个观点 。 null初生枝晶在电磁搅拌下的演化 (a)610℃淬火,未搅拌,(b)599 ℃淬火,搅拌216Snull★作者假说成立的理由如下：①首先，电磁搅拌使熔体中的温度场和溶质场变得很均匀，整个合金熔体几乎在同一时刻被冷却到相同或很相近的形核和生长温度，整个断面的熔体几乎获得相同的形核速率，即初生固相晶粒几乎在整个断面处处形核，抑制了初生固相晶体的择优生长，消除了一次臂很长的树枝晶，而是形成细小的蔷薇状初生固相，细化了晶粒，而尺寸细小的晶粒便于随熔体一起运动将有利于二次臂根部的熔断。null未电磁搅拌下的熔体温度场null电磁搅拌下的熔体温度场 搅拌条件：50Hz，4116Wnull ②电磁搅拌会引起蔷薇状初生-Al枝晶出现强烈的温度起伏。 ③搅拌功率是形成球状初生-Al 的又一重要影响因素。 ④搅拌时间是形成球状初生-Al的重要影响因素。 null电磁搅拌引起的流动特点 (a)电磁搅拌引起液穴,(b)金属熔体的流动方式null电磁搅拌时形成的细小蔷薇状晶粒 (a)614℃淬火,搅拌71S,(b)595 ℃淬火,搅拌1035S(b)2.1.5球状初生固相晶粒大小的影响因素 2.1.5球状初生固相晶粒大小的影响因素 ★球状初生固相晶粒的大小与冷却速率密切相关，冷速越大，球状初生固相晶粒越小，而冷速越小，球状初生固相晶粒越大；大，则可达几百m，小，则可达3040m。球状初生固相晶粒的大小与剪切速率关系不太密切，总趋势是：剪切速率越大，球状初生固相变小。 2.2 表观粘度的变化 2.2 表观粘度的变化 粘度是描述液体粘性大小的物理量，单位Pas 或Ns/m2，用表示，即 =dv/dy。对于牛顿体，为常量，称之为液体的粘度。对于半固态金属，它是非牛顿体，为变量，与剪切速率有关，所以称之为表观粘度，此处用表示。 2.2.1 表观粘度与剪切速率和固相分数的关系 2.2.1 表观粘度与剪切速率和固相分数的关系 ★通过对Sn-15wt%Pb合金、Al-4.5wt%Cu-1.5wt%Mg合金、Al-6.5wt%Si合金、Al-7wt%Si-0.3wt%Mg合金、440C不锈钢、AISI4340低合金钢等半固态浆料的表观粘度研究，其表观粘度都有类似的规律，即表观粘度随平均剪切速率的增加而下降，随浆料固相分数的增加而增大，如下图所示。 null剪切速率对半固态合金浆料表观粘度的影响 (a)Sn-15wt%Pb合金,(b)Al-4.5wt%Cu-1.5wt%Mg合金2.2.2表观粘度与固相分数和冷却速率的关系 2.2.2表观粘度与固相分数和冷却速率的关系 ★通过对Sn-15wt%Pb合金、Al-4.5wt%Cu-1.5wt%Mg合金、Al-6.5wt%Si合金、Al-7wt%Si-0.3wt%Mg合金、440C不锈钢、AISI4340低合金钢等半固态浆料的表观粘度研究，其表观粘度都有类似的规律，即表观粘度随平均冷却速率的增加而增大，随浆料固相分数的增加而增大，如下图所示。 null冷却速度对半固态合金浆料表观粘度的影响 (a)Sn-15wt%Pb合金,(b)Al-4.5wt%Cu-1.5wt%Mg合金2.2.3 球状半固态金属表观粘度与其它物质表观粘度的比较2.2.3 球状半固态金属表观粘度与其它物质表观粘度的比较 不同材料的表观粘度的比较null★与液态金属相比，虽然球状半固态金属的表观粘度要高三个数量级，但在一定的剪切作用下，球状半固态金属的表观粘度仍然很小，与牙膏、蜂蜜、甘油、橄榄油等物质相类似，所以，在一定的剪切作用下，球状半固态金属的铸造成型性应该很好。null半固态Sn-15wt%Pb合金的表观粘度与剪切速率的关系 上左实线部分表示半固态重熔坯料的表观粘度null★半固态金属坯料重熔和触变成形时的表观粘度变化规律 →坯料重熔加热时，其表观粘度很高，约为107 Pas ，可以机械搬运； →坯料触变成形时，其表观粘度又变得很小，便于铸造成型。2.3半固态金属的触变性 2.3半固态金属的触变性 ★半固态金属浆料的粘度还与时间因素有关，即它的触变性。 ★目前，对半固态金属触变性的测量有三种方法。null半固态Al-6.5wt%Si合金表观粘度与剪切速率的关系 固相分数0.40null★研究表明：在恒定的剪切速率下，半固态金属浆料的表观粘度随剪切时间的推移而下降，并趋于一个常数，即达到稳定态(steady state)；当剪切速率突然下降到某一值时，半固态金属浆料的表观粘度并不能立即达到新剪切速率下的稳定值，而是需要经过一定的时间才能达到新剪切速率下的稳定值，这是对半固态金属浆料触变性的一种度量。 null半固态Al-6.5wt%Si合金表观粘度与剪切时间的关系 剪切速率900S-1 固相分数0.4 精置时间(S)：30、300、5000null★首先在一定的剪切速率下，使金属半固态浆料的表观粘度达到稳定态，然后停止搅拌，并保持一定的时间，再恢复到原有的剪切速率，这时的瞬时粘度比稳定态的粘度大得多。只有经过一定的时间，半固态金属的表观粘度才能恢复到稳定值，剪切间断的时间越长，表观粘度恢复到稳定态所需要的时间就越长，即半固态金属浆料的触变性越大。 nullSn-15wt%Pb合金触变性 (a)剪切速率从零达到最大值的时间tu对剪切应力的影响 (b)半固态浆料精置时间tr对剪切应力的影响null★首先在一定的剪切速率下，使金属半固态浆料的表观粘度达到稳定态，然后停止搅拌，并保持一定的时间，再在一定的时间内将剪切速率恢复到最大值，紧接着又逐渐将剪切速率降到零，这个封闭环的面积就是半固态金属触变性的度量。从图中可以看出：tu越长，封闭环的面积越小，即半固态金属浆料的触变性越小；tu越短，封闭环的面积越大，即半固态金属浆料的触变性越大；tr越长，封闭环的面积越大，即半固态金属浆料的触变性越大。 null★半固态金属触变性的研究表明：停止搅拌以后，半固态浆料的表观粘度要上升，但在恢复剪切作用下，半固态金属浆料的表观粘度又可以迅速下降，这个实验结论对半固态金属浆料能否成形也具有决定性意义，因为流变铸造或触变铸造都是在半固态金属浆料停止搅拌或先完全凝固再重熔以后进行。2.4 半固态金属铸造的理论基础要点 2.4 半固态金属铸造的理论基础要点 （1）半固态金属组织的获得要强化搅拌，控制冷却速率。 （2）表观粘度与固相分数成正比，控制适当的固相分数，可显著降低半固态成形时的流变应力。 （3）半固态金属浆料具有较低的表观粘度和特有的触变性特点使其流变或触变铸造成为可能。null（4）当固相分数为0.5时，半固态重熔加热的坯料的表观粘度可达107Pas，坯料形似固体，便于搬运输送。 （5）其他合金：Al-Cu、Al-Pb、Al-Ni、Al-Zn、Bi-Sn、钢、铁也具有类似的性质。三、半固态金属浆料和坯料制备 三、半固态金属浆料和坯料制备 ★地位重要 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 。 ★主要商用生产方法 电磁搅拌方法 应变激活方法（Strain-induced Melt Activation Process，简称SIMA）3.1 机械搅拌方法3.1 机械搅拌方法★不连续机械搅拌法 (batch method): 利用旋转的叶片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。通过控制搅拌室的温度来控制半固态金属的固相率，通过搅拌棒的转速来控制剪切速率，可以保证剪切速率不变。该装置结构简单, 造价低, 操作方便, 可以添加各种气体保护, 但产量很小, 只适用于实验室的小规模试验研究工作，见下图。 null间歇式机械搅拌装置示意图null间歇式机械搅拌装置示意图null★连续机械搅拌法 (continuous method): 美国麻省理工学院 Flemings M C等人发明。该装置结构较复杂, 造价较高，但搅拌室上方的大金属溶池可以防止卷入气体, 又可保证连续供给金属液。这种方法可以提供半固态金属浆料, 又可以生产半固态金属锭料, 但产量仍不大, 实验室产量可达 2 Ib/min，见下图。 null连续式机械搅拌装置示意图null连续式机械搅拌装置示意图★机械搅拌方法的优缺点★机械搅拌方法的优缺点 从整体看，机械搅拌法结构简单, 造价低， 操作方便，剪切速率易于控制，非常适合实验室的研究工作，但是机械搅拌法的产量低，搅拌室和搅拌棒的寿命不长, 搅拌棒易于污染金属，这是机械搅拌法的主要缺点，所以机械搅拌法只适合实验室的研究工作, 无法满足商业生产的需要。 3.2 电磁搅拌方法 3.2 电磁搅拌方法 ★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。随后，电磁搅拌技术又与连铸技术相结合来生产半固态金属的连铸坯料，极大地推动了金属半固态铸造技术的应用。 null电磁搅拌方法示意图null电磁搅拌方法示意图 (a)垂直流动搅拌,(b)水平流动搅拌,(c)螺旋流动搅拌(a)(b)(c)null电磁搅拌方法示意图null半固态铝合金坯料水平连铸机null3英寸的半固态铝合金坯料null半固态铝合金电磁搅拌连铸设备null电磁搅拌连铸半固态铝合金坯料null★国外生产厂家：美国的Alumax 和Ormet公司 、法国的Pechiney公司、瑞士的Alusuisse-Lonza公司等。 ★国内生产情况：在国家“863”计划的支持下，北京科技大学等单位也可以提供Φ 50～110 mm的半固态铝合金连续搅拌铸锭。null★电磁搅拌方法的优点与缺点 搅拌过程不会污染金属浆料，不会卷入气体，连铸坯料生产效率高，电磁参数控制方便，因此该工艺是目前的主流制备方法，可生产Φ50～152 mm的铝合金连续铸锭 。 电磁搅拌的效率低，耗能高，设备投资大，因此半固态坯料的制备成本较高，一般要额外高出约40%的费用。 3.3 应变激活方法3.3 应变激活方法 ★预先连续铸造出晶粒细小的金属锭, 再将金属锭热态挤压变形, 而且变形量要大，通过变形破碎铸态组织，随后再加以小量冷变形，在组织中储存部分变形能量，最后按需要将变形的金属锭切成一定大小, 加热到固液区并适当保温，即可获得具有触变性的半固态坯料，如下图所示。null应变激活方法示意图null应变激活工艺制备坯料的显微组织 (a) 连铸坯组织,(b)挤压变形后的组织,(c) 重熔加热后的组织null★应变诱导熔体激活方法的优点与缺点 该工艺方法制备的金属坯料纯净, 产量较大，主要用于锻铝及铁基材料。 坯料价格昂贵、断面小，只能生产小型零件，如阿卢马克斯工程金属工艺公司利用该法生产军用航天器中的一种小型电器连接零件，因此该工艺目前只能作为一种补充制备方法。null应变激活工艺生产的军用航天器中的一种 小型电器连接零件 3.4 低过热度浇注方法3.4 低过热度浇注方法★低过热度浇注方法：通过控制金属或合金的浇注温度，使浇注温度尽量接近其液相线温度，这样凝固的金属棒料的组织就是球状组织。这种方法制备半固态金属坯料的工艺非常简单，有大规模工业应用的前景。下图是北京科技大学部分研究工作的结果。nullAlSi7Mg合金低温浇注的显微组织nullAlSi7Mg合金低温浇注的显微组织 (a)589℃下保温10min,(b) 589℃下保温30min(a)3.5 紊流效应方法 (turbulent method)3.5 紊流效应方法 (turbulent method)★紊流效应方法是迫使金属液流过一个特制的冷却系统装置，使金属浆料产生紊流效应，打碎枝晶，从而获得半固态金属浆料，见下图。这种方法还处在试验之中，尚不能投入工业应用。 null紊流效应方法示意图3.6 超声振动方法3.6 超声振动方法★超声振动方法是利用10-100KHz的超声振动扰动金属的凝固，拟制枝晶的发展，获得半固态金属浆料,见下图。这种方法还处在试验之中，尚不能投入工业应用。 null超声振动方法示意图null超声振动方法示意图3.7 晶粒细化和半固态重熔处理方法3.7 晶粒细化和半固态重熔处理方法★晶粒细化半固态重熔处理方法：利用化学晶粒细化剂制造晶粒细小的金属锭料, 锭料重新在固液温度范围内进行保温处理,保温时间不大于 5min, 便可获得非枝晶的流变组织。这种方法还处在试验之中，尚不能投入工业应用。 3.8 单辊旋转方法3.8 单辊旋转方法★单辊旋转法是利用一个旋转的轮子把弧状结晶壁上的枝晶碾碎并带到下面的结晶器中，从而获得半固态金属浆料，见下图。这种方法还处在试验之中，尚不能投入工业应用。 null单辊旋转方法示意图3.9 粉末冶金方法3.9 粉末冶金方法★粉末冶金是利用金属雾化的方法制备细小的金属粉末，然后进行预成形，再将预成形的坯料重新加热至半固态区，并适当保温，即可获得半固态金属坯料。这种方法还处在试验之中，尚不能投入工业应用。 3.10 喷射沉积方法3.10 喷射沉积方法★喷射沉积方法：利用Ospraying快速凝固方法直接制备金属棒坯，然后再将坯料重新加热至半固态区，即可获得半固态金属组织。这种方法制备的坯料组织非常细小，但价格比较昂贵，难以投入大规模工业应用。四、半固态金属及合金坯料的重熔加热 4.1 加热基本要求四、半固态金属及合金坯料的重熔加热 4.1 加热基本要求对于半固态成形，金属及合金坯料的半固态重熔加热是一个重要过程，要求：控温精确，12ºK(与坯料固相分数有关) ；一定的重熔加热速度 。 4.2 重熔加热方法4.2 重熔加热方法★垂直连续式电磁感应加热 设备相对便宜一些，占地空间小，可以利用转动圆盘实现坯料的连续加热，但垂直式电磁感应加热的坯料容易坍塌，坯料的液相分数不能太高，坯料高度与直径的比要小于2.5 。null连续式垂直电磁感应加热示意图null连续式垂直电磁感应加热示意图null铝合金坯料半固态重熔加热设备null★水平连续式电磁感应加热 水平式电磁感应加热的坯料长度可以大一些，坯料不容易坍塌，允许坯料有更高的液相分数，也便于加热凝固间隔很小的半固态合金坯料，但水平式电磁感应加热的设备昂贵，而且占据空间大。null连续电磁感应加热控制工艺nullAlSi7Mg合金半固态坯料加热测温系统示意图 1-感应圈，2-半固态坯料，3-热电偶，4-温度记录仪 nullAlSi7Mg合金半固态坯料感应加热温度曲线 null ★分别控制式电磁感应加热 为了使整个生产过程更加协调，将被加热坯料分别控制，使生产控制更加灵活，便于节约能源和坯料。 null★其它方式加热 电阻炉、盐浴炉加热等，加热温度可以很精确，可以直接测温，坯料不易坍塌，但加热时间较长，显微组织容易粗大，坯料表皮氧化加重 。 4.3 坯料固相分数的控制4.3 坯料固相分数的控制★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。 尖针侵入法控制坯料固相分数示意图五、 金属半固态铸造 5.1金属半固态流变铸造 五、 金属半固态铸造 5.1金属半固态流变铸造 由于传统半固态金属浆料制备技术所获得的浆料的保存和输送很不方便, 因而目前还没有成熟的实用流变铸造技术，但各国正在不断努力，流变铸造技术正处在技术突破的前夜。 5.1.1 双螺旋剪切方法5.1.1 双螺旋剪切方法★英国的Z Fan等人发明了一种双螺旋流变铸造技术（即Twin-Screw Rheomoulding），该技术核心是可在很高剪切速率下制备半固态金属浆料，并直接进行流变铸造，已经制备了Sn-15wt%Pb和Mg-30wt%Zn合金的半固态浆料，固相颗粒很细小和圆整。该技术有望获得实际商业应用，并有可能最终完全取代Thixomoulding技术，但应用于铝合金仍存在很大困难。null双螺旋流变铸造技术原理图null双螺旋剪切制备的半固态金属流变组织 (a) Sn-15wt%Pb合金，(b) Mg-30wt%Zn合金5.1.2低温浇注和控制冷却方法5.1.2低温浇注和控制冷却方法★通过控制金属或合金的浇注温度，使浇注温度尽量接近其液相线温度，凝固后的金属组织就是球状组织。 ★在此基础上，日本提出了一种低温浇注和控制冷却制备半固态金属浆料的方法，可以实现半固态金属的流变铸造，正在进行铝合金、镁合金的流变铸造实验；该技术很有可能进入实际应用。null低温浇注和控制冷却制备半固态金属浆料示意图null低温浇注制备的半固态AZ91镁合金的组织 浇注温度：570℃null低温浇注制备半固态金属浆料及流变铸造示意图null★存在的技术问题 低温浇注和控制冷却制备方法要求合金液的浇注温度非常接近合金的液相线温度，这使实际工业生产中的操作变得很困难，因为大容量合金熔化炉的控温很难达到这样高的精度。如果提高合金的浇注温度，半固态金属的球状组织就会显著恶化，即接近枝晶组织。5.1.3 电磁搅拌流变铸造5.1.3 电磁搅拌流变铸造★日本提出了一种电磁搅拌分批制备半固态金属浆料和直接流变铸造的技术，但目前该工艺无进一步的研究报道。该工艺面临的主要技术难题是如何克服因剧烈的电磁搅拌所带来的金属熔体液穴、氧化和飞溅问题，该技术能否进入实际商业应用将取决于这些难题的解决。null新型半固态金属流变铸造工艺示意图5.1.4 低温浇注和电磁搅拌复合方法5.1.4 低温浇注和电磁搅拌复合方法★我国发明了一种低温浇注和电磁搅拌复合制备半固态金属浆料及直接流变铸造技术，即在适当提高浇注温度的同时，对合金熔体进行短时低功率电磁搅拌，可以获得很优良的球状初晶组织，再进行适当的后续控温冷却就可以得到最终的半固态金属浆料，可以方便地进行流变铸造；该技术很可能进入实际应用。null复合技术制备的AlSi7Mg合金显微组织null★该技术的特点 降低了低温浇注制备半固态金属浆料的难度，便于实现工业化应用； 电磁搅拌能耗很小，液穴很浅，不会引起合金熔体的飞溅，操作很安全。 大大降低了单纯电磁搅拌所带来的合金氧化。null★该技术的特点 有效回用料柄和浇注系统； 有效降低浆料的氧化，提高铸件质量； 不会出现坯料加热时的流汤，节约金属； 有效降低加热能耗。5.2 半固态金属的触变铸造5.2 半固态金属的触变铸造 由于半固态合金坯料的加热、输送很方便，易于实现自动化操作，因此半固态金属触变压铸（thixodie-casting）和触变锻造（thixoforging）是当今金属半固态铸造成型中两种实际工艺方法，已经推广应用到一定规模。成形设备采用经过一定改造的压铸机和压力机，并配有机器人，用来搬运坯料和抓取毛坯 。null半固态压铸和重熔加热设备null铝合金半固态触变成型时抓取坯料的机器人nullBÜHLER 半固态铝合金触变成形专用SC型压铸机null半固态铝合金定量锯切设备null半固态铝合金 触变锻造设备null半固态射铸（Thixomolding）工艺示意图5.3 半固态金属触变铸造的应用5.3 半固态金属触变铸造的应用★目前，利用半固态金属触变成形工艺主要生产汽车零件和其他零件毛坯:制动总泵体（master brake sylinder），连杆端头 (tie rod end), 油道(fuel injection rail), 支撑件( suspension parts),转向齿杆壳件 (pinion steering housing)，轮毂(wheel)，压缩机壳，液压支撑缸（hydraulic suspension cylinder），高尔夫球头（golf putter），计算机零件（computer actuator），钢笔零件（Ergonomic pen）等。 null铝合金汽车制动总泵壳毛坯 左变为半固态铸造，右边为金属型铸造 半固态铝合金制造的汽车后悬挂架null半固态铝合金铸造的汽车制冷压缩机壳毛坯null半固态铝合金汽车零件毛坯null半固态铝合金汽车零件毛坯null半固态铝合金汽车零件毛坯null半固态铝合金汽车支撑件毛坯null★美国应用情况 代表公司有阿卢马克斯：主要零件毛坯年产量如下：制动总泵体240万件，油道100万件，发动机支架100万件，摇臂座150200万件， timing belt brackets 20万件。 HMM公司(Hot Metal Molding)、Thixomat公司的子公司——Lindberg公司也在从事生产。null★欧洲应用情况 目前，欧洲约有40家公司从事半固态铝合金零件生产，主要代表公司有意大利的Stampal SpA和Magneti Marelli ，如为Alfa Romeo Spider sports car生产的半固态铝合金后悬挂架的毛坯重达6.7Kg，形状非常复杂；为汽车公司生产的半固态铝合金油道零件可达日产数千件 。null★日本应用情况 日本对金属半固态成形的研究和生产相对落后于欧美，但日本的Speed Star Wheel公司从1994年开始生产半固态铝合金轮毂（重约5Kg）；Takata和MG Precision公司利用Thixomolding技术和镁合金生产照相机、MD壳和微机机壳 。null★我国应用情况  与发达国家相比，我国的半固态金属成形技术的研究和应用相对落后。 但在国家“863”计划的支持下，我国也迎头赶上，进行了半固态铝合金触变成形的系统研究，触变成形了一批汽车零件毛坯，如制动总泵体、比例阀等，如图1所示，某些厂已经建立了生产线，并开始成批生产 。null半固态铝合金触变成形零件毛坯 左边为分拣轮，右边为制动泵体null半固态铝合金汽车制动总泵壳毛坯 半固态铝合金铸造比例阀毛坯 六、金属半固态铸件的性能及优点分析 6.1 半固态铸造应用的合金种类六、金属半固态铸件的性能及优点分析 6.1 半固态铸造应用的合金种类 ★国内外学者利用机械搅拌法制备了铝合金、铜合金、锌合金、铅合金、铸铁、碳钢、不锈钢、高速钢等目前牌号材料的半固态浆料或坯料，研究认为这些牌号的材料均可实现半固态成形，但是合金成形的难易程度不同，成形件的质量高低不同；null★国内外学者利用半固态金属粘度可以调整的优点，克服了大部分增强材料与金属母液不浸润而难以复合的缺点，成功地将增强材料（如玻璃珠，碳化硅粉等）加入到半固态金属中制备出均匀的复合材料，为复合材料的制备提供了崭新的成本低廉的重要方法。null★在三十余年中，虽然对许多的传统材料都作过研究，但真正投入实际应用的半固态金属材料很有限，如A356，A357，AZ91D等。为了拓宽半固态金属成形的应用，目前正在开发一系列合金，如AlSi6Cu1Mg，AlSi17Cu4Mg等。 6.2 A356和A357半固态合金的优异性能6.2 A356和A357半固态合金的优异性能★在T6处理下， A356和A357半固态合金铸造毛坯不仅强度高，而且伸长率很高，远高于传统铸造毛坯的伸长率。 ★A356和A357半固态合金铸造毛坯的性能偏差小，性能稳定。null注：SSM－半固态成形件，PM－永久型成形件 6.3 金属半固态铸造的优势6.3 金属半固态铸造的优势 与传统过热的液态金属相比，半固态金属坯料含有一半左右的初生固相，而与传统的固态金属相比，半固态金属坯料又含有一半左右的液相，所以，半固态金属成形具有一系列的优点 。null ★ 便于实现自动化操作 ★ 生产效率高 ★ 半固态金属不易喷溅、铸件裹气少、凝固收缩小，铸件更致密，可以热处理强化，铸件性能优异，接近锻件null过热液态金属压铸充型瞬间的金属流动状况null半固态金属压铸充型瞬间的金属流动状况nullRadiographs of castings made from completely liquid and semi-solid 905 copper base alloynullRadiographs of castings made from completely liquid and semi-solid 905 copper base alloynullRadiographs of castings made from completely liquid and semi-solid 905 copper base alloynullnull ★ 成分宏观偏析小，铸件性能更均匀 ★ 成形应力小，可以成形很复杂的零件毛坯 ★ 易于实现近终化成形，可大大减少机加工量，降低生产成本 ★ 合金成形温度低，模具寿命长null过热和半固态905合金压铸时 模具表面温度模拟变化规律null ★ 部分重熔加热坯料，可节省约2532%的能源 ★ 制造车间不需处理液态金属，操作更安全 ★ 半固态金属粘度高，便于制备复合材料 nullSemi-soli Al-6.5 wt pct Si alloy continuously cooled at 0.075Ks-1 and sheared at 900s-1 (a)matrix alloy only and (b)20pct SiC added七、金属半固态铸造技术的发展趋势及我国的对策 七、金属半固态铸造技术的发展趋势及我国的对策 ★金属半固态铸造的发展趋势 进一步完善金属半固态触变铸造技术； 进一步扩大金属半固态铸造的应用范围； 突破金属半固态浆料流变铸造的技术关键，缩短金属半固态铸造工艺流程。null★我国的汽车、电子等工业正在快速发展，均是我国的支柱产业，因此金属半固态铸造成型技术在我国汽车、电子等工业中的应用前景光明。谢谢！ Thank you!谢谢！ Thank you!