yh第四章半固态成型.ppt

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,*,第四章 金属的液态成形与半固态成形,4.1,液态成形,4.2,半固态成形,4.3,快速凝固成形,1,、定义：,半固态形成利用金属材料在固液共存状态下所特有的流变特性进行成形的技术。首先要制造含有一定体积比例的非枝晶固相的固液混合浆料,一、概述,半固态合金是将合金熔化后，待它冷却到液相线温度以下，对合金进行,搅拌,，在搅拌力的作用下，合金析出的树枝状晶被破坏，并在周围金属液的摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小块形成,卵球,状的颗粒，分布在整个液态金属中。该合金即使固态组分达,40%-60%,，仍然像糊状悬浮液，具有一定的流动性。而在剪切力较小或为零时，它又具有固体性质，可以搬运储藏。,利用半固体合金独特的性质实现浇注或压注成形的方法，称为,半固态成形,。,2,、半固态成形的特点,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,图,2,半固态金属的内部结构：,(a),高固相分数，,(b),低固相分数,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，产生活跃的扩散现象，因此，溶质元素的浓度不断变化；,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；,图,3,半固态金属和,强化粒子,(,纤维,),的搅拌混合,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；,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,图,4,半固态金属的,(a),分离，,(b),结合,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,5,半固态金属变形时液相成分和固相成分的流动,3,、半固态成形的发展,20,世纪,70,年代初，美国,MIT,的博士研究生,DB Spencer,在研究,Sn-15%wt Pb,合金的高温特性时，偶然发现金属的半固态力学行为和组织特点。这些发现引起了,MIT,的,M C Flemings,教授的特别重视，投入大量人力、物力，进行了深入、广泛的研究，创立了金属半固态铸造技术。,半固态,流变铸造（,rheocasting,）,金属液,搅拌、凝固,半固态浆料,输送,成形,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。,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,半固态合金的制备方法,半固态合金的制备常用,机械搅拌法,、,电磁搅拌法,和,应变激活工艺,。,间歇式机械搅拌,连续式机械搅拌,(1),电磁搅拌法,电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸型方向的强磁场对处于液,-,固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯料的制备。,优点：不污染金属液，金属浆料纯净，不卷入气体，可以,连续生产流变浆料或连续铸锭坯，产量可以很大。,缺点：直径大于,150mm,的铸坯不宜采用电磁搅拌法生产。,影响因素：搅拌功率，搅拌时间，冷却速度，,金属液温度，浇注速度,电磁搅拌示意图,(2),机械搅拌法,该方法利用机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中金属初晶的生长与演化，以获得球状或类球状的初生固相的半固态金属流变浆料。,机械搅拌示意图,优点：搅拌装置结构简单、造价低、操作方便。,缺点：生产的半固态浆料的产量小，只适用于,实验室的小规模试验研究工作。,影响因素：搅拌室的温度，搅拌叶片或棒的转速。,(3),应变激活工艺,再对热态挤压变形过的坯料加以少量的冷变形，在坯料的组织中储存部分变形能力。,按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料。,将该金属锭坯在回复再结晶的温度范围内进行大变形量的热态挤压变形，通过变形破碎铸态组织。,利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯。,三、半固态成形方法,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，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,(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,镁合金射铸成形,2,、触变成形（,Rheoforming),触变成形,(Thixomolding),由美国的,Dow,公司开发的，,1992,年由日本引入并完成成形机的研制开发。下图为,Thixomolding,工艺的简图，其设备由原料入料与预热装置、螺旋注射机、加热装置以及压铸机等部分组成。,Thixomolding,工艺简图,设备特点：,原料进入料斗后边加热边剪切搅拌，最后形成半固态的状态再射入模具中；,半固态浆料的固相分数可控性强，成形件质量高、性能稳定,螺旋机内密闭性好，在成形过程中不需要严格的保护性气氛进行保护，仅在投料口处用少量的,Ar,气保护即可。,一、概述,4.3,快速凝固成形,定义：冷却速度大于,10,2,/s,的凝固，称为,快速凝固,。,1、快速凝固及发展,快速凝固的研究开始于,20,世纪,50,年代末,60,年代初，是在比常规工艺过程快得多的冷却速度或大得多的过冷度下，合金以极快的凝固速率由液态转变为固态的过程。,1960,年美国加州理工学院的,P Duwez,等采用一种独特的熔体急冷技术，第一次使液态合金在大于,10,7,K/s,的冷却速度下凝固。他们的发现，在世界的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的广阔的研究领域。在快速凝固条件下，凝固过程的一些传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。经典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应，成为凝固过程研究的一个特殊领域。,2,、实现快速凝固的条件,金属溶液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，以便散热；,必须有能带走热量的冷却介质。,3,、快速凝固的特点,快速凝固速度较大，溶质产生非平衡分配，是无溶质分配的凝固；,在快速凝固条件下，固液界面的稳定性将增加，凝固形成了平面、无偏析的等轴晶；,形成组织特殊的晶态合金；,非晶态组织的形成；,准晶态组织的形成。,二、快速凝固技术,1.,动力学急冷法,2.,热力学深过冷法,模冷技术,模冷技术：使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热而实现快速凝固。其主要特点是首先把熔体分离成连续或不连续的、界面尺寸很小的熔体流，然后使熔体流与旋转或固定的、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却凝固。,模冷技术,枪法,双活塞法,熔体旋转法,平面流铸造法,表面熔化与沉积技木,熔体提取法,急冷模法,雾化技术,雾化技术是指采用某种措施将熔体分离雾化，同时通过对流的冷却方式凝固，其主要特点是在离心力、机械力或高速流体冲击力等作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。,流体雾化法,雾化技术,离心雾化法,机械雾化法,2,、热力学深过冷快速凝固,热力学深过冷,是指通过各种有效的净化手段避免或消除金属或合金液中的异质晶核的形核作用，增加临界形核功、抑制均质形核作用，使得液态金属或合金获得在常规条件下难以达到的过冷度。,采用这种技术,可以在冷速不高的情况下获得很大的凝固过冷度。因此,热力学深过冷非平衡凝固在理论上不受熔体体积限制，是实现大体积熔体非平衡凝固的有效方法。,热力学深过冷方法,1、微小液滴法,2、乳化-热分析法,3、落管法,4、电磁悬浮熔炼法,5、微重力法,6、固液两相区法,7、循环过热法,8、玻璃熔体净化法,9、复合净化法,乳化-热分析法的基本思想是在惰性环境（惰性基础或惰性悬浮溶液）中，随着液体分散程度的提高，有效形核衬底逐渐被孤立于少数液滴中，大部分液滴保持分离并且不包含异质核心，这部分液滴将会表现出深过冷行为，其原理见下图。,落管法：,通过电磁悬浮熔炼、电子束或其他方法熔化金属，随后金属熔体在真空或通入保护性气体的管中自由下落冷却凝固。自由下落过程中，金属或合金液避免与器壁相接触，同时又具有微重力凝固的特征，因而可以获得深过冷。,电磁悬浮熔炼法：,通过选择合适的线圈形状及输出频率，使试样在电磁力作用下处于悬浮装态，再通入He、Ar、H,2,等保护气氛，通过感应加热熔化，控制凝固从而实现深过冷。,微重力法：,利用太空中微重力场和高真空条件，使液态金属自由悬浮于空中实现无坩埚凝固，从而获得深过冷。,固液两相区法：将合金熔体过热，然后冷却至固液两相区，使也想在先析出相的包裹下结晶而获得深过冷。,循环过热法：,在非晶态坩埚或形核触发作用较小的坩埚中对纯金属或合金进行“加热熔化-过热保护-冷却凝固”循环处理，金属中的异质形核核心通过熔化、分解和蒸发等途径消失或钝化从而失去衬底作用获得熔体的深过冷。,玻璃熔体净化法：,在熔融玻璃的包覆下进行熔炼，液态金属中的夹杂物在被玻璃熔体物理吸附的同时，还可以与玻璃中的某些组元相互作用形成低熔点化合物进入溶剂中，达到消除异质核心的目的。,复合净化法：,（1）循环过热和玻璃净化相结合的方法,（2）循环过热、熔融玻璃、化学气氛净化相结合的复合净化法,（3）循环过热与电磁悬浮熔炼相结合的方法,三、金属玻璃,金属玻璃（也称,非晶态合金,）是,Duwez,等人在,1960,年首先发现的，他们通过对熔融,Au80Si20,合金,快速冷淬,获得了金属玻璃。,快速凝固的,Al-Fe-V-Si,合金组织,金属玻璃的拉伸强度可高达,3,4GPa,，并具有很好的耐腐蚀性能、优异的软磁性能、优良的超导性能、较高的热稳定性和较低的表面活性，已经或可望应用于机械结构材料、磁性材料、声学材料、仿生材料、光学材料、体育器材以及电子材料等多个方面。,能否发生玻璃化转变的影响因素主要有冷却速率、形核密度和材料特性。,对应于一定的合金熔体，欲发生玻璃化转变需要有足够高的冷却速率。,金属玻璃的性能特点：,（1）力学性能方面：具有极高的强度及硬度、较好的韧性；,（2）由于非晶态合金中没有晶界、位错、夹杂物相等显微缺陷，因此铁、钴、镍基的金属玻璃具有十分良好的软磁性能，它们的铁芯损耗仅为晶态合金的几分之一，是优异磁性器件材料。,（3）具有零电阻温度系数,（4）良好的耐蚀性能，优异的化学性能。,（5）非晶合金还有可能成为很有希望的褚氢及超导材料。,谢 谢！,