半固态成形技术ppt课件.ppt
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- 固态 成形 技术 ppt 课件
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1、 金属材料在液态、固态和半固态三个阶段均呈现出明显不同的物理特性,利用这些特性,产生了凝固加工、塑性加工和半固态加工等多种金属热加工成形方法。图1表示金属在高温下三态成形加工方法的相互关系。图1 金属在高温下三态成形加工方法的相互关系液态加工液态加工(铸造成形)(铸造成形)半固态加工半固态加工(流变流变/触变成形触变成形)固态加工固态加工(塑性成形)(塑性成形) 重力铸造重力铸造 精密铸造精密铸造 压力铸造压力铸造 液态模锻液态模锻 液态铸轧液态铸轧 连续铸挤连续铸挤 半固态轧制半固态轧制 半固态挤压半固态挤压 半固态压铸半固态压铸 半固态锻造半固态锻造 轧制轧制 锻压锻压 挤压挤压 超塑成形
2、超塑成形 特种固体成形特种固体成形流流变变铸铸造造高高速速连连续续铸铸造造连连续续带带液液芯芯压压下下连连铸铸轻轻压压下下1、概述、概述半固态成形原理 利用非枝晶半固态金属(Semi-Solid Metals,简称SSM)独有的流变性和搅熔性来控制铸件的质量。半固态成形方法流变成形rheoforming触变成形thixoforming在金属凝固过程中,对其施以剧烈的搅拌作用,充分破碎树枝状的初生固相,得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固-液混合浆料(固相组分一般为50%左右),即流变浆料,利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形。如果浆流变浆料凝固成锭
3、,按需要将此金属锭切成一定大小,然后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态温度区(金属锭称为半固态金属坯料)。利用金属的半固态坯料进行成形加工的方法为触变成形(1)半固态成形技术定义(2) 半固态金属的特点图2 半固态金属的内部结构: (a) 高固相分数, (b) 低固相分数 半固态金属(合金)的内部特征是固液相混合共存,在晶粒边界存在金属液体,根据固相分数不同,其状态不同,图2为半固态金属内部结构示意图。可见,高固相分数时,液相成分仅限于部分晶界;低固相分数时,固相颗粒游离在液相成分之中。半固态金属的金属学和力学主要有以下几个特点:由于固液共存,在两者界面不断发生熔化、凝固,产生活跃的扩
4、散现象,因此,溶质元素的局部浓度不断变化;由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分,固相粒子间几乎没有结合力,因此,其宏观流动变形抗力很低;随着固相分数的降低,呈现黏性流体特性,在微小外力作用下即可很容易变形流动; 当固相分数在极限值(约75%)以下时,浆料可以进行搅拌,并可很容易混入异种材料的粉末、纤维等,如图3所示;图3 半固态金属和强化粒子(纤维)的搅拌混合由于固相粒子间几何无结合力,在特定部位虽然容易分离;但由于液相成分的存在,又很容易地将分离的部位连接形成一体化,特别是液相成分很活跃,不仅半固态金属间的结合,而且于一般固态金属材料也容易形成很好的结合,如图4所示;含有陶瓷颗粒、纤维等难加工
5、性材料也可通过半熔融状态在低加工力下进行成形加工;当施加外力时,液相成分和固相成分存在分别流动的情况,如图5所示,一般来说,存在液相成分先行流动的倾向。液相先行流动的现象在固相分数很高、很低或加工速度特别高的情况下很难发生,主要是在中间固相分数范围或低加工速度下比较显著。图4 半固态金属的 (a) 分离, (b) 结合图5 半固态金属变形时液相成分和固相成分的流动与普通加工方法相比,半固态金属加工的优点: 黏度比液态金属高,容易控制:模具夹带的气体少,减少氧化、改善加工性,减少模具粘接,可进行更高速的部件成形,改善表面光洁度,容易实现自动化和形成新加工工艺; 流动应力比固态金属低:半固态浆料具
6、有流变性和触变性,变形抗力非常小,可以更高的速度成形部件,而且可进行复杂件成形,缩短加工周期,提高材料利用率,有利于节能节材,并可进行连续形状的高速成形(如挤压),加工成本低;应用范围广:凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工、可适用于多种加工工艺,如铸造、轧制、挤压和锻压等,并可进行材料的复合及成形。(3) 半固态成形的基本工艺方法半固态坯料制备二次加热触变成形合金原料设计、配制加热、熔炼搅拌(机械或电磁等)半固态浆料流变压铸成形其他流变成形部件毛坯 经加热熔炼的合金原料液体通过机械搅拌、电磁搅拌或其他复合搅拌,在结晶凝固过程中形成半固态浆料。流变成形触变成形(3) 半固态成形的基本工艺方
7、法流变成形(流变铸造)图6 半固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)的工艺流程图触变成形(触变铸造)(4) 半固态成形的研究及进展 最早于20世纪70年代初期, 由美国麻省理工学院的M.C.Flemings教授和David Spencer博士提出。 根据所研究的材料,可分为有色金属及其合金的低熔点材料半固态加工和钢铁材料等高熔点黑色金属材料半固态加工。有色金属及其合金的低熔点材料半固态成形研究铝、镁、铅、铜研究重点在成形工艺的开发铝合金半固态加工技术(触变成形)已经成熟并进入规模生产,主要应用于汽车、电器、航空航天领域。高熔点黑色金属的半固态成形研究D2、HS6-5-2高速工具钢、100C
8、r6钢、60Si2Mn弹簧钢、AISI304不锈钢、C80工具钢、铸铁等 选择的材料液固线温度区间较小; 高温半固态浆料难以连续稳定地制备; 熔体的温度、固相的比率和分布难以准确控制; 浆料在高温下输送和保温困难; 成形温度高,工具材料的高温性能难以保证等。2、半固态金属的组织特性、形成机理与力学行为、半固态金属的组织特性、形成机理与力学行为(1) 非枝晶的形成与演化图7 Al-20Cu合金未搅拌和机械搅拌(流变铸造)状态的凝固组织 液体金属在凝固过程中搅拌且激冷,其结晶造成固体颗粒的初始形貌呈树枝状,然后在剪切力作用下,枝晶会破碎,形成小的球形晶,图7未常规铸造和半固态铸造的组织对比,可见利
9、用流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显微结构。球形组织的形成过程?球形结构的演化过程:结晶开始时,搅拌促进了晶核的产生,此时晶核是以枝晶生长方式进行的;随着温度的下降,虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式进行,但由于搅拌的作用,造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷,这样,枝晶臂被打断,形成了更多细小晶粒,其自身结构也逐渐向蔷薇形演化; 随着温度的继续下降,最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单的球形结构,演化过程如图8所示。 球形结构的最终形成要靠足够的冷却速度和足够高的剪切速率,同时这是一个不可逆的结构演化过程,即一旦球形的结构生成了,只要在液固区,无论怎样升降合金的温
10、度(不能让合金完全熔化),它也不会变成枝晶。图8 球形微粒固态金属加工两种方法(流变成形和触变成形)的工艺流程图有色金属半固态组织的演变机制主要有以下三种:枝晶臂根部断裂机制。因剪切力的作用使枝晶臂在根部断裂。 最初形成的树枝晶是无位错和切口的理想晶体,很难依靠沿着自由浮动的枝晶臂的速度梯度方向产生的力来折断。因此,必须加强力搅拌,在剪切力作用下从根部折断。枝晶臂根部熔断机制。 晶体在表面积减小的正常长大过程中,枝晶臂由于受到流体的快速扩散、温度涨落引起的热震动及在根部产生应力的作用,有利于熔断,同时固相中根部溶质含量较高,也降低熔点,促进此机制的作用,机理如图9所示。图9 枝晶臂发生熔断示意
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