金屬半固態(tài)成型技術(shù)發(fā)展詳解

1、4金屬半固態(tài)加工4.1 概述4.1.1 半固態(tài)加工的概念與特點(diǎn)4.1.1.1 半固態(tài)加工的概念傳統(tǒng)的金屬成形主要分為兩類：一類是金屬的 液態(tài)成形，如鑄造、液態(tài)模鍛、液態(tài)軋制、連鑄等；另一類是金屬的固態(tài)成形，如軋制、拉拔、擠壓、鍛造、沖壓等。在 20世紀(jì)70年代美國(guó)麻省理工學(xué)院的Flemimgs教授等提出了一種金屬成形的新方法，即半固態(tài)加工技術(shù)。金屬半固態(tài)加工就是在金屬凝固過程中，對(duì)其施以劇烈的攪拌作用，充分破碎樹枝狀的初生固相，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的固-液混合漿料(固相組分一般為50%左右)，即流變漿料，利用這種流變漿料直接進(jìn)行成形加工的方法稱之為半 固態(tài)金屬的流

2、變成形(rheoforming);如果將流變漿料凝固成錠，接需要將此金屬錠切成一定 大小，然后重新加熱(即坯料的二次加熱)至金屬的半固態(tài)溫度區(qū)，這時(shí)的金屬錠一般稱為半 固態(tài)金屬坯料。利用金屬的半固態(tài)坯料進(jìn)行成形加工，這種方法稱之為觸變成形 (thixoforming)。半固態(tài)金屬的上述兩種成形方法合稱為金屬的半固態(tài)成形或半固態(tài)加工(semi-solid forming or processing of metals),目前在國(guó)際上，通常將半固態(tài)加工簡(jiǎn)稱為 SSM(semi-solid metallurgy)。就金屬材料而言，半固態(tài)是其從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變或從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的中間階段，特別對(duì)于結(jié)晶溫

3、度區(qū)間寬的合金，半固態(tài)階段較長(zhǎng)。金屬材料在液態(tài)、固態(tài)和半固態(tài)三個(gè)階段均 呈現(xiàn)出明顯不同的物理特性，利用這些特性，產(chǎn)生了凝固加工、 塑性加工和半固態(tài)加工等多種金屬熱加工成形方法。凝固加工利用液態(tài)金屬的良好流動(dòng)性，以完成成形過程中的充填、補(bǔ)縮直至凝固結(jié)束。 其發(fā)展趨勢(shì)是采用機(jī)械壓力替代重力充填，從而改善成形件內(nèi)部質(zhì)量和尺寸精度.但從凝固機(jī)理角度看，凝固加工要想完全消除成形件內(nèi)部缺陷是極其困難的，甚至是不可能的。塑性加工利用固態(tài)金屬在高溫下呈現(xiàn)的良好塑性流動(dòng)性，以完成成形過程中的形變和組織轉(zhuǎn)變。與凝固加工相比，采用塑性加工成形的產(chǎn)品質(zhì)量明顯好，但由于固態(tài)金屬變形抗力高，所需變形力大，設(shè)備也很龐大，因

4、此要消耗大量能源，對(duì)于復(fù)雜零件往往需要多道成形 工序才能完成。因此，塑性加工的發(fā)展方向是降低加工能耗和成本、減小變形阻力、提高成 形件尺寸精度和表面與內(nèi)部質(zhì)量。由此出現(xiàn)了精密模鍛、等溫鍛造和超塑性加工等現(xiàn)代塑性加工方法。半固態(tài)加工 是利用金屬?gòu)囊簯B(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變或從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變(即液固共存)過程中所具有的特性進(jìn)行成形的方法。這一新的成形加工方法綜合了凝固加工和塑性加工的長(zhǎng)處。即加工溫度比液態(tài)低、變形抗力比固 態(tài)小，可一次大變形量加工成形形 狀復(fù)雜且精度和性能質(zhì)量要求較高 的零件。所以，國(guó)外有的專家將半 固態(tài)加工稱為21世紀(jì)最有前途的材 料成形加工方法。圖4-1表本金屬在高溫下 三態(tài)成形加工方法的

5、相互關(guān)系。十出卷加1:觸變成格I圍總I.理性成柝)賽客so I 切后璃糊T 威力舊商韓諾的H莊力坤遁旅堂討山連接神將羋03態(tài)軋制 卡闌蓑播.£ 半周書屋W r國(guó)二機(jī)七在鈴帶般芯植下LJlull I IL -扎制«s擠壓 卻電變肝野種固態(tài)時(shí)出-rJ國(guó)dI金屬在高海F三態(tài)成形加工萬注的相互美系圖L2中固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)CG平同意(離固器分?jǐn)?shù)h半毒(低固陽分散)圖不專 恃固態(tài)金屬和強(qiáng)化希子(纖堆)的攪拌混合特別是液相成分很活躍，不僅半固態(tài)金聞圖4半固態(tài)金屬的分甩結(jié)合添章用中圖*5半固恚金屬變形時(shí)液相成分和固相成分的流動(dòng)半固態(tài)金屬(合金)的內(nèi)部特征是固液相混合共存，在晶粒邊界存在金

6、屬液體。根據(jù)固相 分?jǐn)?shù)不同，其狀態(tài)不同，圖 4-2表示 半固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在高固相分?jǐn)?shù)時(shí)，液相成分僅限 于部分晶界(見圖4-2(a);在低固相分 數(shù)時(shí)，固相顆粒游離在液相成分之中 (見圖4-2(b)。半周態(tài)金屬的 金屬學(xué)和 力學(xué)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。(1)由于固液共存，在兩者界面熔 化、凝固不斷發(fā)生，產(chǎn)生活躍的擴(kuò)散 現(xiàn)象。因此溶質(zhì)元素的局部濃度不斷 變化；(2)由于晶粒間或固相粒子間夾有液相 成分。固相粒子間幾乎沒有結(jié)合力，因此， 其宏觀流動(dòng)變形抗力很低；(3)隨著固相分?jǐn)?shù)的降低，呈現(xiàn)黏性流 體特性，在微小外力作用下即可很容易變形 流動(dòng)；(4)當(dāng)固相分?jǐn)?shù)在極限值(約75%)以下 時(shí)，漿料可以

7、進(jìn)行攪拌，并可很容易混入異 種材料的粉末、纖維等，如圖 4-3所示：(5)由于固相粒子間幾乎無結(jié)合力，在 特定部位雖然容易分離， 但由于液相成分的 存在，又可很容易地將分離的部位連接形成一體化, 屬間的結(jié)合，而且與一般固態(tài)金屬材料也容易形成很好的結(jié)合，如圖 4-4所示:(6)即使是含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材料，也可通過半熔融狀態(tài)在低加工力下進(jìn) 行成形加工；(7)當(dāng)施加外力時(shí)，液相成分和固相成分存在分別流動(dòng)的情況。雖然施加外力的方法和當(dāng)時(shí)的邊界約束條件可能不同，但一般來說，存在液相成分先行流動(dòng)的傾向或可能性，如圖4-5所示；(8)上述現(xiàn)象在固相分?jǐn)?shù)很高或很低或加工速度特別高的情況下都很難發(fā)生

8、，主要是在 中間固相分?jǐn)?shù)范圍或低加工速度情況下顯著?？蛇m用于多種加工工藝，如鑄造、軋部件毛氐°間圖4-7半周施魄變成喀和觸變成形2渝內(nèi)小總用 流變時(shí)吃計(jì)3 觸電-與普通的加工方法相比半固態(tài)金屬加工具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)黏度比液態(tài)金屬高，容易控制 ：模具夾帶的氣體少，減少氧化、改善加工性，減少模具粘接，可進(jìn)行更高速的部件成形，改善表面光潔度，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和形成新加工工藝；(2)流動(dòng)應(yīng)力比固態(tài)金屬低：半固態(tài)漿料具有流變性和觸變性，變形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且 可進(jìn)行復(fù)雜件成形， 縮短加工周期，提高材料利用率，有利于節(jié)能節(jié)材，并可進(jìn)行連續(xù)形狀 的高速成形(如擠壓)，加工

9、成本低；(3)應(yīng)用范圍廣：凡具有固液兩相區(qū)的合金均可實(shí)現(xiàn)半固態(tài)加工。 制、擠壓和鍛壓等，并可進(jìn)行材料的復(fù)合及成形4.1.2 半固態(tài)加工的基本工藝方法半固態(tài)加工的基本工藝方法可分為流變成形(rheoforming)和觸變成形(thixoforming)兩種。 如圖4-6所示，經(jīng)加熱熔煉的合金原料液體通過 機(jī)械攪拌、電磁攪拌或其他復(fù)合攪拌，在結(jié)晶凝 固過程中形成半固態(tài)漿料，下面的工藝分兩種： 其一是將半固態(tài)漿料直接壓入模具腔進(jìn)而壓鑄 成形或?qū)Π牍虘B(tài)漿料進(jìn)行直接軋制、擠壓等加工 方式成形，即流變成形；另一種是將半固態(tài)漿料 制成坯料，經(jīng)過重新加熱至半固態(tài)溫度，形成半固態(tài)坯料再進(jìn)行成形加工，此即觸變成形

10、。圖4-7為半固態(tài)流變成形和觸變成形工藝流程示意 圖。圖46半固態(tài)加工的基本工藝方法4.1.3 半固態(tài)加工的研究及發(fā)展4.1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代初期，美國(guó)麻省理工學(xué)院的M. C. Flemings教授和David Spener博士提出了半固態(tài)加工技術(shù)，由于該技術(shù)采用了非枝晶半同態(tài)漿料，打破了傳統(tǒng)的枝晶凝固模式，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此關(guān)于半固態(tài)金屬成形的理論和技術(shù)研究引起各國(guó)研究者的高度重 視，半同態(tài)加工的產(chǎn)品及應(yīng)用也隨之得到迅速的發(fā)展。20世紀(jì)80年代后期以來，半同態(tài)加工技術(shù)已得到了各國(guó)科技工作者的普遍承認(rèn)，目前 已經(jīng)針對(duì)這種技術(shù)開展了年多工藝實(shí)驗(yàn)和一些理論研究。根據(jù)所研究

11、的材料，可分為有色金屬及其合金的低熔點(diǎn)材料半固態(tài)加工和鋼鐵材料等高熔點(diǎn)黑色金屬材料半固態(tài)加工。（1）有色金屬及其合金的低熔點(diǎn)材料半固態(tài)成形研究20世紀(jì)70年代以來，美國(guó)、日本等國(guó)針對(duì)鋁、鎂、鉛、銅等的合金進(jìn)行了研究，其重 點(diǎn)主要放在成形工藝的開發(fā)上。目前，國(guó)外進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的半固態(tài)金屬主要是鋁、鎂合金，這些合金最成功的應(yīng)用主要集中在汽車領(lǐng)域，如半固態(tài)模鍛鋁合金制動(dòng)總泵體、掛架、汽缸頭、輪轂、壓縮機(jī)活塞等。鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)（觸變成形）已經(jīng)成熟并進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)，主要應(yīng)用于汽車、電器、航空航天等領(lǐng)域。如美國(guó)的Alunaxm公司1997年的兩座半固態(tài)鋁合金成形汽車零件生產(chǎn)工廠的生產(chǎn)能力分別達(dá)到每年50

12、00萬件。意大利的Strampal SPA和FiatAuto公司生產(chǎn)的半固態(tài)鋁合金汽車零件重達(dá)7kg,而且形狀很復(fù)雜；意大利的MM公司（Magneti Marelli）為汽車公司生產(chǎn)半同態(tài)鋁合金成形的Fuelinjection Rail零件，在 2000年達(dá)到日產(chǎn)7500件。瑞士的Bubler公司已經(jīng)生產(chǎn)出鋁合金半固態(tài)觸變成形的專用SC型壓鑄機(jī)（實(shí)時(shí)壓射控制和單一壓射缸）和鋁合金半固態(tài)坯料的專用二次加熱設(shè)備。日本的 Speed Star Wheel公司已經(jīng)利用半固態(tài)金屬成形技術(shù)生產(chǎn)鋁合金輪轂（重約5kg）。與鋁合金半固態(tài)成形比較，鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)發(fā)展較晚，目前成熟的技術(shù)只有 Thixom

13、olding 技術(shù)。1995年，美 國(guó)的 Thixomat 公司 的子公 司一Lindberg 公司利用 Thixomolding工藝，為一些汽車公司生產(chǎn)了50余萬件的半固態(tài)鎂合金鑄件。日本的一些公司利用Thixomolding 工藝制造移動(dòng)通訊手機(jī)外殼、微型便攜式計(jì)算機(jī)外殼等。但 Thixomolding工藝必須要求提供合適的鎂合金屑，這就使得該技術(shù)比較復(fù)雜、生產(chǎn)成本比較高。近年，英國(guó)布魯諾（Brunel）大學(xué)研制出低熔點(diǎn)合金雙螺旋半固態(tài)流變成形機(jī)，目前正在 向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。另外，最近資料報(bào)道，一些發(fā)達(dá)國(guó)家正在開發(fā)鎂合金半固態(tài)連鑄坯料和 觸變成形技術(shù)，這些情況說明鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)仍然

14、處在不斷發(fā)展之中，將會(huì)出現(xiàn)新的技術(shù)突破。十幾年來，關(guān)于半固態(tài)加工實(shí)驗(yàn)方面的研究主要集中在漿料的制備和材料的成形兩方 面，先后開發(fā)出了 機(jī)械攪拌法、單輻旋轉(zhuǎn)法、電磁攪拌法、超聲振動(dòng)法、直流脈沖法等漿料 制備方法以及壓鑄成形、模鍛成形、注射成形和連鑄成形等材料成形工藝。理論上的研究主要是圍繞與工藝實(shí)現(xiàn)和試樣組織、性能有關(guān)方面。在此研究成果基礎(chǔ)上，近年來又針對(duì)漿料固相分?jǐn)?shù)的控制與測(cè)定、輸送、工藝參數(shù)如變形抗力、成形線速度和鑄型溫度等對(duì)試樣的表面質(zhì)量、內(nèi)部成分和組織分布規(guī)律的影響等較高層次的問題開展了較為系統(tǒng)的理論研究，取得了一定的進(jìn)展。 另外，在纖維和顆粒增強(qiáng)材料、與陶瓷等的復(fù)合材料方 面也進(jìn)行了一

15、些研究。但關(guān)于加工過程中凝固模型的建立和理論模擬等方面的高層次研究還 并不多見。（2）高熔點(diǎn)黑色金屬的半固態(tài)成形研究到目前為止，國(guó)際上共召開了 7次半固態(tài)加工方面的專題國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，從研究的材料來看，絕大多數(shù)是關(guān)于鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)材料。如 2000年9月底在意大利召開的第 6屆半固態(tài)加工國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文134篇，但其中關(guān)于高熔點(diǎn)鋼鐵材料半固態(tài)加工的研究論文儀 6篇。所涉及的鋼鐵材料為 M2、共析鋼、H11鋼和不銹鋼等。由此可 見鋼鐵材料半固態(tài)加工的有關(guān)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究任重道遠(yuǎn)，但一旦取得突破，其前景將十分光明。但到了 2002年9月在日本筑波召開的第七屆半固態(tài)加工國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議

16、，研究狀況有了 一些新的發(fā)展。在此次學(xué)術(shù)交流會(huì)議上，共發(fā)表論文148篇，其中關(guān)于高熔點(diǎn)鋼鐵材料半固 態(tài)加工的研究論文13篇，會(huì)議專設(shè)了一個(gè)鋼鐵材料半固態(tài)加工研討的分會(huì)場(chǎng)。采用半固態(tài) 加工方法所研究的高熔點(diǎn)材料涉及D2、HS6-2-5高速工具鋼、100Cr6鋼、60Si2Mn彈簧鋼、AIS1304不銹鋼、C80工具鋼、鑄鐵等鋼鐵材料，半固態(tài)加工方法涉及觸變鍛壓、擠壓、鑄 造和直接流變軋制及噴鑄成形等等。根據(jù)已有的文獻(xiàn)和研究結(jié)果來看，高熔點(diǎn)黑色金屬半固態(tài)加工之所以進(jìn)展緩慢，其中的重要原因在于以下困難：(1)選擇的材料液固線溫度區(qū)間較??；(2)高溫半固態(tài)漿料難以連續(xù)穩(wěn)定地制備；(3)熔體的溫度、固相

17、的比率和分布難以準(zhǔn)確控制；(4)漿料在高溫下輸送和保溫困難；(5)成形溫度高，工具材料的高溫性能難以保證等等。目前研究的重點(diǎn)主要集中在某些鋼種的壓鑄、鍛造等非連續(xù)半固態(tài)成形加工方面。高熔點(diǎn)黑色金屬材料半固態(tài)漿料制備方法、成形的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先涉及高熔點(diǎn)黑色金屬半固態(tài)漿料或坯料的制備方法研究。獲得高熔點(diǎn)黑色金屬半固態(tài)漿料或坯料的方法主要有：美國(guó)麻省理工學(xué)院Flemings等人發(fā)明的機(jī)械攪拌法，該方法利用機(jī)械攪拌打碎樹枝枝晶使其成為顆粒狀粒子；電磁攪拌方法，該方法利用交流電磁感應(yīng)力使金屬漿料產(chǎn)生劇烈的流動(dòng)，使金屬凝固析出的枝晶充分破碎并球化，不污染金屬液，金屬漿料純凈，不

18、卷入氣體，可以連續(xù)生產(chǎn)流變漿料或連鑄錠坯，產(chǎn)量可以很大。還有利用應(yīng) 變激活方法(SIMA)、粉末冶金方法和單輻旋轉(zhuǎn)方法嘗試制備鑄鐵、AISI4340碳鋼、440C和304不銹鋼、H11、H13鋼、M2高速鋼，以及 X40、Ti-20Co等合金的半固態(tài)漿料或制造出 優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)零件毛坯坯料。但是，目前關(guān)于高熔點(diǎn)黑色金屬和合金半固態(tài)漿料的交流感應(yīng) 電磁攪拌基本規(guī)律研究未見公開的報(bào)道，所以日前電磁攪拌制備高熔點(diǎn)金屬和合金半固態(tài)漿料缺乏重要的理論指導(dǎo)，應(yīng)該對(duì)電磁攪拌制備黑色金屬半固態(tài)漿料或坯料的應(yīng)用基礎(chǔ)和技術(shù) 進(jìn)行深入的研究，推動(dòng)黑色金屬半固態(tài)成形技術(shù)的應(yīng)用。其次是有關(guān)黑色金屬半固態(tài)成形加工方法研究。

19、最近幾年，國(guó)外有學(xué)者嘗試?yán)脡鸿T機(jī)對(duì)Fe-2.5%C-3.1Si%鑄鑄鐵和AIS1440A不銹鋼的半固態(tài)漿料直接進(jìn)行流變成形，可以獲得 初生固相分布均勻的優(yōu)質(zhì)成形件，木內(nèi)等還研究了鑄鐵的半固態(tài)鍛造。由于黑色金屬半固態(tài)漿料的保存和階段式輸送較為困難，其流變成形零件毛坯的進(jìn)展緩慢。從黑色金屬半固態(tài)成形零件毛坯力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：黑色金屬半固態(tài)成形零件毛坯的抗拉強(qiáng)度與傳統(tǒng)方法成形件的強(qiáng)度相當(dāng)，成形件的塑性也有提高。Flemings等人曾利用機(jī)械攪拌方法制備的半固態(tài)Sn-15% Pb漿料連續(xù)軋制薄帶，他們的研究表明，金屬半固態(tài)漿料直接軋制薄帶是是可行的。但機(jī)械攪拌方法的固有缺點(diǎn)使其不能用于工業(yè)性

20、連續(xù)軋制半固態(tài)高熔點(diǎn)金屬薄帶，最有可能的方法是電磁攪拌，而電磁攪拌漿料中的固相分?jǐn)?shù)不可能達(dá)到 0.50.7,所以Flemings的結(jié)果對(duì)電磁攪拌高熔點(diǎn)會(huì)屬半固態(tài)連續(xù) 軋制薄帶的參考價(jià)值有限。近年來，日本學(xué)者嘗試了將黑色金屬半固態(tài)漿料與軋機(jī)直接相接 合來連續(xù)軋制金屬薄帶，雖然研究結(jié)果沒有詳細(xì)報(bào)道，但粗略表明：薄帶的晶粒細(xì)小、表而裂紋少、鑄造速度加快、模具的熱負(fù)荷降低；低熔點(diǎn) Cu-Sn合金的半固態(tài)漿料連續(xù)軋制薄 帶比較容易，而熔點(diǎn)高的 SUS310的半態(tài)漿料連續(xù)軋制薄帶還有許多基本問題需要研究。4.1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)于20世紀(jì)70年代后期陸續(xù)開展了半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究，但這些嘗試大都

21、利用機(jī)械攪拌法進(jìn)行流變鑄造或觸變鑄造研究。中科院會(huì)屬研究所是國(guó)內(nèi)最早開展半固態(tài)加工研究的單位之一，較早進(jìn)行了 “鋁合金半固態(tài)鑄造”等的研究，自行設(shè)計(jì)制造了 “半固態(tài)漿 料制備設(shè)備”，研究了 “半固態(tài)組織在凝固過程中析出規(guī)律”等等，并研制了 “半固態(tài)壓鑄 剎車器活塞毛坯直接連續(xù)成形”，“石墨鋁合金復(fù)合材料細(xì)紗錠盤”等。20世紀(jì)80年代中期，我國(guó)研究者大多轉(zhuǎn)向半固態(tài)制備復(fù)合材料和個(gè)別通用牌號(hào)材料的流變特性的研究，取得了一些成果，如有的研究者利用晶粒細(xì)化首先獲得細(xì)小枝晶的ZA12合金錠坯。20世紀(jì)90年代以后，一批研究院所和大學(xué)在有色金屬及其合金等低熔點(diǎn)材料半固態(tài)加工和鋼鐵等高熔點(diǎn)材 料的半固態(tài)加工

22、方面開展了較廣泛的研究。近幾年，我國(guó)的研究者在國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家“863”、“973”等計(jì)劃的支持下，已經(jīng)在鋁合金半固態(tài)加工技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用方面具備了較好的基礎(chǔ)。對(duì)鋁合金半固態(tài)加工的基本關(guān)鍵技術(shù)，包括半固態(tài)材料制備技術(shù)、二次加熱技術(shù)和半固態(tài)壓鑄技術(shù)等方面，具備了向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的技術(shù)基礎(chǔ)。北京科技大學(xué)和中科院金屬所等單位合作在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持 下開展了鋼鐵材料半固態(tài)直接成形基礎(chǔ)研究，在鑄鐵、彈簧鋼、不銹鋼和高碳鋼等高熔點(diǎn)材料的半固態(tài)坯料制備、半固態(tài)噴鑄成形和直接軋制等方面進(jìn)行了較深入研究，并取得了階段性成果。北京有色金屬研究總院 在國(guó)家“ 863”計(jì)劃和院科研基金的支持下對(duì)鋁合金半固態(tài) 加

23、工技術(shù)的研究和應(yīng)用上取得了很大進(jìn)展，通過與東風(fēng)汽車公司合作，采用半固態(tài)壓鑄技術(shù)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了汽車空壓機(jī)連桿和空調(diào)器渦輪兩種汽車零件的批量生產(chǎn)。近年來，國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)在半固態(tài)合金的流變和觸變行為、針對(duì)鋁合金、鎂合金的半固態(tài)金屬加工技術(shù)、成形過程的計(jì)算機(jī)模擬等基礎(chǔ)理論研究方面開展丁卓有成效的工作。如開發(fā)了 “高剪切速率半固態(tài)金屬漿料制備與直接成形工藝與設(shè)備”、“液相線鑄造制漿技術(shù)”，并試制了 488型發(fā)動(dòng)機(jī)軸瓦蓋，汽車輪轂?zāi)M件等試樣。綜上所述，金屬半固態(tài)加工技術(shù)與傳統(tǒng)材料成形加工技術(shù)相比，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能、降低能耗和成本、縮短生產(chǎn)流程、利于環(huán)境保護(hù)以及提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有其獨(dú)特 的

24、優(yōu)勢(shì)，此技術(shù)在汽車、通訊電器、機(jī)械以及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域存在著巨大的現(xiàn)實(shí)的和潛 在的應(yīng)用市場(chǎng)，十分需要從理論基礎(chǔ)、成形加工控制技術(shù)以及工藝裝備等方面開展系統(tǒng)的研 究開發(fā)工作，以促進(jìn)這一新技術(shù)的理論完善、技術(shù)成熟、實(shí)際應(yīng)用水平的提高和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，其理論和實(shí)際意義將十分重大。4.2半固態(tài)金屬的組織特性，形成機(jī)理與力學(xué)行為4.2.1 非枝晶的形成與演化與常規(guī)鑄造方法形成的枝晶組織不同，利用流變鑄造方 法生產(chǎn)的半固態(tài)金屬具有獨(dú)特的非枝晶、近似球形的顯徽結(jié) 構(gòu)，如圖4-8所示。所謂流變鑄造就是指讓合金在劇烈攪拌的 狀態(tài)下凝固。結(jié)晶開始時(shí)，攪拌促進(jìn)了晶核的產(chǎn)生， 此時(shí)晶核 是以枝晶生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)的。隨著

25、溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)，但是由于攪拌的作用，造成晶粒之間互 相磨損、剪切以及液體對(duì)晶粒劇烈沖刷，這樣，枝晶臂被打斷。 形成了更多的細(xì)小晶粒，其自身結(jié)構(gòu)也逐漸向薔薇形演化。隨著溫度的繼續(xù)下降，最終使得這種薔薇形結(jié)構(gòu)演化成更簡(jiǎn)單的 球形結(jié)構(gòu)，演化過程如圖4-9所示。球形結(jié)構(gòu)的最終形成要靠 足夠的冷卻速度和足夠高的剪切速率，同時(shí)這是一個(gè)不可逆的結(jié)構(gòu)演化過程，即一旦球形的結(jié)構(gòu)生成了，只要在液固區(qū)，無論怎樣升降合金的溫度(但不能讓合金完全熔化)，它也不會(huì)變成枝晶。國(guó)*9球出做粒的演化過程示意圖國(guó)不時(shí)半同志因造叮沽掘鑄咕的用織比極(>)&U5柏修奇登的噓解品Mi用小.M

26、fK介公的而現(xiàn)舒同細(xì)生液態(tài)金屬在凝固過程中攪 拌且激冷，其結(jié)晶造成固體顆粒 的初始形貌呈樹枝狀，然后在剪 切力作用下，枝晶會(huì)破碎，形成 小的球形晶。圖 4-10給出半固 態(tài)鑄造與常規(guī)鑄造的組織比較。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)球形晶 粒形成機(jī)理及演變過程進(jìn)行了 研究。研究指出：半固態(tài)漿料攪 動(dòng)時(shí)的組織演變受很多因素影響，半固態(tài)漿料的溫度、 固相分?jǐn)?shù)和剪切速率 是三個(gè)基本因素。但半固態(tài)鋼鐵材料在攪拌過 程中初生晶粒究竟遵循怎樣的破碎、轉(zhuǎn)變機(jī)制，目前此方面已有一些初步的研究。關(guān)于有色金屬半固態(tài)組織的演變機(jī)制，從日前文獻(xiàn)來看，主要有以下幾種機(jī)理。(1)枝晶臂根部斷裂機(jī)制因剪切力的作用使枝晶臂在根部斷裂。最初形成

27、的樹枝晶是無位錯(cuò)和切口的理想晶體, 很難依靠沿著自由浮動(dòng)的枝晶臂的速度梯度方向產(chǎn)生的力來折斷。因此，必須加強(qiáng)力攪拌， 在剪切力作用下從根部折斷。圖:11粒晶群發(fā)生熔斷出意困(2)枝晶臂根部熔斷機(jī)制晶體在表面積減小的正常長(zhǎng)大過程中，枝晶臂由 于受到流體的快速擴(kuò)散、溫度漲落引起的熱振動(dòng)及在 根部產(chǎn)生應(yīng)力的作用，有利于熔斷，同時(shí)固相中根部 熔質(zhì)含量較高，也降低熔點(diǎn)，促進(jìn)此機(jī)制的作用。此 機(jī)理示意圖如圖4-11所示。(3)枝晶臂彎曲機(jī)制此機(jī)制認(rèn)為，位錯(cuò)的產(chǎn)生并累積導(dǎo)致塑性變形。在兩相區(qū)，位錯(cuò)間發(fā)生攀移并結(jié)合成晶界，當(dāng)相鄰晶粒的傾角超過20。時(shí)，界面能超過固液界面能的兩倍，液相將侵入晶界并迅速滲入，從而

28、使枝晶臂從主干分離。在凝固開始時(shí)對(duì)液體進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，從較大的樹枝晶脫離下來的小是球狀的枝晶臂。每一個(gè)枝晶臂結(jié)構(gòu)繼續(xù)枝狀長(zhǎng)大。然而在凝固過程中不斷的剪切，由于長(zhǎng)大及與其他晶粒發(fā)生剪切、磨損作用，枝狀晶變成薔薇狀共晶組織，并在進(jìn)一步冷卻過程中晶粒的薔薇化繼續(xù)加 深，直至足夠的過冷和高的剪切速度下，顆粒變成球狀。隨著切變速度、凝固量的增加和冷卻速度的降低，晶粒由枝晶形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐蔚内厔?shì)增加。以上三種假說都有一定的依據(jù)，但附加位錯(cuò)如何發(fā)生恢復(fù)和再結(jié)晶或如何遷移、固液漿料的溫度起伏還缺乏必要的試驗(yàn)依據(jù)，因此金屬半固態(tài)組織的演變機(jī)制還有許多基本理論及技術(shù)問題需要解決。與此同時(shí)，也存在著可逆的“大結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)換

29、過程。所刑“大結(jié)構(gòu)”是指處于合適位向的 固相微粒在相互碰撞中，會(huì)在接觸點(diǎn)“焊合”在一起，并逐漸附聚成團(tuán)。當(dāng)剪切速率較低的時(shí)候，“焊合”在一起的固相微粒不易被打散，即發(fā)生“有效碰撞”的幾率較高，容易形成“大結(jié)構(gòu)”。當(dāng)剪切速率很高時(shí)，由于攪拌力大，固相微粒發(fā)生焊合很困難，而且原先焊合在一起的也容易被打散。在等溫?cái)嚢钑r(shí)，隨剪切速率降低或上升。“大結(jié)構(gòu)”也隨著產(chǎn)生或消失。固相微粒尺寸大小與冷卻速度密切相關(guān)。冷卻速度越快，固相微粒尺寸越小， 冷卻速度越慢。固相微粒尺寸越大。4.2.2 鋁合金的半固態(tài)凝固組織及其影響因素4.2.2.1 攪拌強(qiáng)度對(duì)半固態(tài)組織的影響攪拌強(qiáng)度是很難直接測(cè)定或計(jì)算出來的， 但是可

30、以通過其他參數(shù)來描述。對(duì)于機(jī)械攪拌， 攪拌強(qiáng)度是攪拌轉(zhuǎn)速的函數(shù)。因此， 常用攪拌轉(zhuǎn)速來描述攪拌強(qiáng)度。而對(duì)于電磁攪拌， 常用 磁感應(yīng)強(qiáng)度來描述攪拌強(qiáng)度。(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響圖4-12是A1-6.6%Si合金在磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的攪拌作用下，所得到的凝固電磁攪拌得到的，其初生相晶粒細(xì)小，基體上分布比較均勻。圖4-12(c)中的初生相微粒比圖412軍網(wǎng)攪柞強(qiáng)度F半向態(tài)船4,6注東合金用織OlOMCT; fl.QraSST； (e) QJ153T組織。圖4-12(b)和圖4-12(c)所示的半固態(tài)組織是經(jīng)過磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.0759T和0.1153T的圖4-12(b)中的更為細(xì)小一些， 但并不是

31、很明顯。然而圖4-12(d) 所示的半固態(tài)組織與圖4-12(b)和圖4-12(c)相比，有明顯的差 別，它所采用的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 0.0446T?？梢悦黠@地看到，它 的初生相微粒最為粗大，而且合 并生長(zhǎng)的痕跡非常明顯，初生相 微粒在基體上的分布很不均勻， 眾多的初生相微粒相互簇集在 一起。造成以上差別的主要原因是由于磁感應(yīng)強(qiáng)度的不同。 電磁攪拌的一個(gè)重要作用就是細(xì)化晶粒，而晶粒細(xì)化的主要原因 之一就是電磁攪拌造成了 “晶粒倍增”現(xiàn)象。晶粒倍增首先是由于枝晶的再熔化，在電磁攪拌的作用下， 鋁液的湍流不斷地將熱脈沖帶到了液固界面，這種熱脈沖加速了枝晶臂的熔化過程。枝晶臂被分離后，一旦隨湍流被帶到稍微

32、過冷的液體中， 即可形成一個(gè)新的晶體。 此外，熔體流動(dòng)在枝晶臂根部造成了應(yīng)力集 中，導(dǎo)致枝晶臂的機(jī)械斷裂，斷裂的枝晶臂也可以形成一個(gè)新的晶體，這樣也會(huì)造成晶粒倍增。晶粒倍增的程度與電磁攪拌強(qiáng)度密切相關(guān)，總的說來，攪拌強(qiáng)度越大，晶粒倍增現(xiàn)象越明顯，晶粒也就越細(xì)小。但是攪拌強(qiáng)度與晶粒細(xì)化程度并不是成正比的，當(dāng)電磁攪拌強(qiáng)度比較小的時(shí)候，其細(xì)化晶粒的作用比較明顯， 如果電磁攪拌強(qiáng)度大到某種程度后，細(xì)化晶粒的作用就不顯著了。對(duì)于半固態(tài)鑄造，合并生長(zhǎng)也是晶粒長(zhǎng)大的一種方式。從圖 4-12中可以看到，加大電 磁攪拌強(qiáng)度可以有效抑制晶粒的合并生長(zhǎng)。這主要是由于熔體的對(duì)流強(qiáng)度越大，越容易將聚集在一起的初生相沖散

33、。同時(shí)避免了初生相微粒的聚集，使其更均勻地分散在基體中。(2)攪拌轉(zhuǎn)速的影響實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，攪拌轉(zhuǎn)速可使固相組織發(fā)生變化，圖4-13是攪拌轉(zhuǎn)速為2.38r/s和7.16r/s、固相分?jǐn)?shù)均為0.45的Al-10%Cu合金金相照片。由圖可以看出高攪拌轉(zhuǎn)速下，固相顆粒比較分散，而低轉(zhuǎn)速下固相顆粒聚集現(xiàn)象明顯（白色為固相）。根據(jù)兩相流動(dòng)原理，高轉(zhuǎn)速下的固相組織易于流動(dòng)，而低轉(zhuǎn)速下由于固相的聚集使其 不呈粒狀，所以流動(dòng)困難。i¥i 4-13憧群轉(zhuǎn)速時(shí)合金流變組織1工工有弊）的影響（疝）n = 2.3Sr/5； （b） o = 7,16r/s5620 X" 6Wi?14-14因相分?jǐn)?shù)與攪拌溫

34、度的關(guān)系4.2.2.2 攪拌溫度對(duì)半固態(tài)組織的影響以鋁錫合金為例，其凝固發(fā)生在純鋁液相線和純錫液相線之間的溫度范圍，凝固區(qū)間在658C230 c之間，因此鋁錫合金的固相分?jǐn)?shù)主要與凝固溫 度即攪拌溫度有關(guān)。攪拌溫度越低，其固相分?jǐn)?shù)越 大；攪拌溫度越高，其固相分?jǐn)?shù)越小。表4-1為攪拌 溫度與鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖4-14為鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)與攪 拌溫度之間的關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行理論回歸分析，得到 回歸方程為y=1683 4.86x+0.0035x2（4-1）式中 y 鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相分散；x 攪拌溫度?；貧w相關(guān)系數(shù) Ri為0.99839 ,說明回歸方程已正確地反映了

35、鋁錫合金半固態(tài)漿料地固相 分?jǐn)?shù)與攪拌溫度之間的非線性關(guān)系。表4-1鋁錫合金半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)與攪拌溫度M擇即招分教5撞林祖度八:試樣同相分般/%_抑拌溫值/第1zzog 1112360S-J12-1 i用601)330.459546.7640 J以工95SI635|J?_37.75S5hIt.6630附43.6湎112.76251745；5751646301850.457U917.Q! 以，L'L_以45W10p-J21.2610J澳6L31 5604.2.2.3 合金成分對(duì)半固態(tài)組織的影響合金成分變化，部分凝固合金的流變組織會(huì)發(fā)生變化，圖4-15是Al-5 % Cu合金的流變組織與

36、Al-l0%Cu合金的流變組織，由二者對(duì)比可知，Cu含量增加使固相中包裹的液相增多。根據(jù)成分過冷理論，合金 濃度越高，越有利于產(chǎn)生成分 過冷，從而使固/液界面越不 穩(wěn)定，其結(jié)果是界面更加不光 滑。不難看出，顆粒的固/液 界面越不光滑，它包裹的液相 越多，這部分液相不參加流 動(dòng)，而隨包裹它的固相一起運(yùn) 動(dòng)，因而使實(shí)際液相量減少， 固相分?jǐn)?shù)增加。圖4J5臺(tái)金的流變組織= 46% )g AL5瓊Cu 臺(tái)金：(h) Ai-lOCu4.2.2.4 冷卻速度對(duì)半固態(tài)組織的影響如果固相分?jǐn)?shù)不變，低冷卻速度的固相顆粒平均尺寸較大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是低冷卻速度達(dá)到同樣固相分散所需的時(shí)間較長(zhǎng)，即低冷卻速度下顆粒

37、有較長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間，故顆粒較大。高冷卻速度時(shí)達(dá)到相同固相分?jǐn)?shù)所需的時(shí)間較短，顆粒長(zhǎng)大受到限制，所以顆粒尺寸較小。4.2.3 鑄鐵及鋼的半固態(tài)凝固組織及影響因素4.2.3.1 鑄鐵的半固態(tài)凝固組織以亞共晶白口鐵為例，該種鑄鐵的碳、硅含量很低，一般含碳最控制在2.4%2.6%的范圍內(nèi)，含硅量控制在1.4%以下，碳、硅總量控在3.8%4.2%之間，因此該合金在凝固過程中將處于很寬的液固兩相區(qū)內(nèi)，其初生奧氏體枝晶在一般的鑄造條件下很發(fā)達(dá)。圖4-10 亞K晶L1 口能袂任闔態(tài)解國(guó)打閨隨攪拌陰閶的酒變現(xiàn)和 («) (li) () Mh； (d) 1加圖4-16是在等溫條件下經(jīng)不同的攪拌時(shí)間的組織演

38、變過程。圖4-16(a)是經(jīng)5s時(shí)的組織 形貌，可以看到在流動(dòng)的液流 沖刷下，枝晶的方向性已不很 明顯。且一次枝晶已發(fā)生了明 顯的彎曲，有的二次枝晶與一 次枝晶發(fā)生了分離，有的二次 枝晶間發(fā)生了合并，也有的一 次枝晶的某些端部相互靠近， 此時(shí)顆粒大小不均，方向各 異，堆積混雜。但局部的一些 粗大一次枝晶在攪拌過程中 像攔水的橫木一樣阻礙液流 的流動(dòng)而成為攪拌的主要阻 力(圖4-16(b),圖中的二次枝 晶已發(fā)生了明顯的隨流轉(zhuǎn)動(dòng) 現(xiàn)象，并且顆粒已經(jīng)分離。雖 然可以看出一次晶沿液流方 向也發(fā)生了傾轉(zhuǎn)，但迎流方向有突出生長(zhǎng)跡象，而背流方向較為光滑，在低的激磁電流作用下或在短時(shí)間內(nèi)這種一次枝晶很難變?yōu)?/p>

39、圓整的顆粒。隨攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，在晶粒的碰撞及液體的對(duì)流作用下， 在枝晶的脖 頸處產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力， 因此枝晶的彎曲程度增大， 特別是枝晶分化成顆粒狀形態(tài)， 顆粒 問的縫隙大小不等， 有的顆粒間的縫隙較大， 也有的縫隙正在形成， 在形態(tài)上一次枚晶和二(圖4-16(c),可以看出，顆粒間縫這是一尚未見到報(bào)道的很奇特同時(shí)攪拌過程和結(jié)晶過程又是放熱次枝晶已難以區(qū)別，已基本具備了顆粒狀組織的基本形貌 隙較為光滑，大部分不像是斷裂形成而像是流體潺蝕的結(jié)果, 的現(xiàn)象。在第一等溫階段攪拌過程中，攪拌的溫度較高，過程而使凝固后的晶體接近熔點(diǎn)，其強(qiáng)度小、塑性好。因此隨著攪拌過程的進(jìn)行，枝晶的彎曲是必然的，彎曲會(huì)

40、使薄弱的地方潺蝕加劇。當(dāng)然也會(huì)出現(xiàn)某些薄弱環(huán)節(jié)的斷裂。如果考慮隨后冷卻所帶來的組織恢復(fù)，上述攪拌時(shí)的情況會(huì)更明顯。圖4-16(d)是攪拌120s時(shí)的情況， 可以看出，枝晶已不存在，顆粒大小比較一致，只是圓整程度欠佳，同時(shí)前一階段的晶粒粗 大程度由于不斷碰撞和摩擦而降低，當(dāng)然這與一定溫度下的固相分?jǐn)?shù)有關(guān)，即前一階段的結(jié)晶潛熱已散失完畢， 升溫過程已結(jié)束，攪拌過程則主要是顆粒細(xì)化和球化的過程。為了增加固相分?jǐn)?shù)，進(jìn)一步增加顆粒問碰撞的幾率，可將等溫溫度進(jìn)一步降低，即在第二等溫過程中繼續(xù)攪拌，攪拌溫度的降低導(dǎo)致顆粒細(xì)小、圓整和固相分?jǐn)?shù)的增多，如圖4-17(a)、(b)所示。150s)時(shí)的情況，顆粒的圓

41、整度 當(dāng)將攪拌器的激磁電流提高近 120s(即累積攪拌時(shí)間為 240s)圖4-17(a)是轉(zhuǎn)入第二階段后再攪拌，30s(即累積攪拌時(shí)間為增加，分布較為均勻，但在組織中形成了許多白亮的顆粒簇， 一倍時(shí)，這種顆粒簇才消失。圖4-17(b)是在攪拌力提高并攪拌圖417第一等溫過程中半固態(tài)聚料固明的組綱形貌演變1知A激磁電流不變：Sb)利國(guó)微增電流增加 倍后的組織形貌。由于 枝晶間的摩擦、磨 損、剪切以及液體對(duì) 固相的劇烈的沖刷， 小的顆粒由于能量 高而在碰撞過程中 易長(zhǎng)大，大的顆粒因 碰撞的兒率多而減 小，最后獲得顆粒園 整、大小比較一致的 組織形貌。在第二等溫?cái)嚢柽^程中顆粒簇的形成不是偶然的，顆粒

42、簇是初生相微粒的相互碰撞并“焊合”在一起的固相顆粒不易被打散，即發(fā)圖今山 向口鑄鐵在連續(xù)冷卻過程中 攪拌405時(shí)的凝固組職形貌“焊合”在一起形成的。當(dāng)剪切速率較低時(shí)，生“有效碰撞”的幾率較高，容易形成“大 結(jié)構(gòu)”。而當(dāng)攪拌速度較高時(shí)，由于攪拌力 大。剪切作用強(qiáng)，固相顆粒發(fā)生焊合很困難， 而且原先焊合在一起的也容易被打散。因此在等溫?cái)嚢钑r(shí)，隨剪切速率的降低或升高，“大結(jié)構(gòu)”也隨著產(chǎn)生或消失。當(dāng)微粒簇被保留下來時(shí)，由于其內(nèi)部缺乏低熔點(diǎn)的基體相，在部分重熔時(shí)，仍然會(huì)“焊合”在一起。這會(huì)干擾后續(xù)的觸變成形 過程，只能通過更大的變形力將其抵消。因 此，半固態(tài)漿料的制作不希望形成初生相的 微粒簇。從圖4-

43、18可以看到，雖然組織形貌也發(fā)生了明顯的變化， 初生的枝晶組織已消失井在一定程度上細(xì)化，但顆粒大小不一，形狀各異，顆粒圓整度也比較差， 在大顆粒上可明顯看到二次枝晶折斷的痕跡。顆粒間的斷痕不是很光滑，說明攪拌對(duì)枝晶的斷裂作用大于流體的潺蝕作用。從等溫的組織演化進(jìn)程來看， 一次枝晶臂的彎曲占有一定地位，當(dāng)然這種彎曲可能是已生長(zhǎng)的一次枝晶臂在流場(chǎng)中的彎曲，也可能是眾多枝晶在流場(chǎng)中的彎曲生長(zhǎng)，而更多的是二者兼有之，因?yàn)樵跀嚢璩跗诰涂梢苑直娉鲋澢?。另一方面在液固兩相共存的情況下，凝固顆粒的生長(zhǎng)和熔化消失都在不斷地進(jìn)行，攪拌的溫度、速度及增期內(nèi)不同徑向處的速度差對(duì)熔體流態(tài)的改變及對(duì)上述過程的影響還有

44、待研究。而枝晶在彎曲過程中的?；饕c枝晶內(nèi)成分起伏有關(guān)。4.4.3.2鋼的半固態(tài)凝固組織以彈簧鋼60Si2Mn為例，經(jīng)過金相觀察發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)電磁攪拌的試樣的一次結(jié)晶組織與一般鑄鋼件或鑄鋼錠相似，存在發(fā)達(dá)的柱狀樹 枝晶和中心粗大的等軸晶，柱狀枝晶層的厚度 約為2030mm,柱狀晶內(nèi)平行排布多個(gè)枝 晶，且枝晶的一次臂的方向基本上與傳熱方向 相同，由表面伸向試樣的中心，枝晶的一次臂十分發(fā)達(dá)，其長(zhǎng)度約為 1020mm,幾乎與柱 狀晶層的厚度相當(dāng)，見圖4-19所示。圖4-20(a)(d)分別是該彈簧鋼經(jīng)電磁攪 拌，攪拌功率分別為 2kw、7kw、12kw、20kw, 其一次結(jié)晶組織的金相照片，可以看出它

45、們的 一次結(jié)晶組織中不存在柱狀枝晶層，從試樣的表面到試樣的心部基本是由等軸晶(如圖 4-20(d)、或退化枝晶(dedendrite ,如圖國(guó)419 60$2MH鋼的M攪拌 出樣柱狀晶層的位相照片4-20(c)、(b)、或不同取向的短枝晶所組成(如圖4-20(a)。這說明電磁攪拌能有效地消除彈簧鋼60Si2Mn中發(fā)達(dá)的柱狀晶層。出現(xiàn)這種結(jié)果必然與電磁攪拌改變了一次結(jié)晶的奧氏體 的形核和生長(zhǎng)條件有關(guān)。圖+20彈4堀6Q5i2Mn在不同攪拌期率產(chǎn)攪拌的賽固細(xì)物13 ”電(b)髭嗝； E I然W; (d) 3W從圖4-20中還可以看 出，攪拌功率對(duì)60Si2Mn的 一次結(jié)晶組織產(chǎn)生很大的 影響。在攪

46、拌功率為2kW的 試樣中，一次結(jié)晶的奧氏體 為具有不同取向的短樹枝 晶，其一次臂最大尺寸可達(dá) 到1mm左右，如圖 4-20(a) 所示；隨著攪拌功率的增 加，短枝晶的一次臂變小， 在攪拌功率為 7kw的試樣 中，一次結(jié)晶的奧氏體的枝 晶形態(tài)沒有試樣明顯，但仍 能觀察到少量的短的樹枝 晶，如圖4-20(b)所示；而在 攪拌功率為 12kW的試樣中，觀察不到短樹枝晶，但仍能看出枝晶的跡象，稱之為退化枝晶(dedendrite),如圖4-20(c) 所示；當(dāng)攪拌功率增加到 20kW, 一次結(jié)晶的奧氏體轉(zhuǎn)化為等軸晶，且變得細(xì)小，其晶粒大 小約為未經(jīng)電磁攪拌試樣的柱狀樹枝晶的一次臂間距。這是由于攪拌功率

47、的加大，金屬熔體的旋轉(zhuǎn)速度加快，紊流作用加劇，合金凝固時(shí)液相區(qū)、液固兩相區(qū)的溫度場(chǎng)和溶質(zhì)濃度場(chǎng)更 趨于平緩，各個(gè)微區(qū)的晶核條件和生長(zhǎng)條件基本相同，品核在各方向的生長(zhǎng)速度基本相等，凝固后得到等軸晶組織。除了攪拌功率外，其他工藝參數(shù)對(duì)半固態(tài)組織也有一定的影響，表4-2為60Si2Mn彈簧鋼的電磁攪拌工藝參數(shù)。表fiflSiZXM彈管鋼電磁攪拌工藝參數(shù)撞神電壓/V惋拌頓等 /tb慢排功率撞井開始 一度，七瘴料繆止 混匝八試桿泮火 溫度/電境排時(shí)閭1005085001450145U29510050850)15101460146016510015 LD14401440226100508500143014

48、20326IIX)50145014501450L2DKM)署和014刻14501450l(M)50850(114501450以斯在1450c進(jìn)行等溫?cái)嚢?，結(jié)果表明等溫?cái)嚢?min試樣的凝固組織絕大部分是等軸晶，但仍能觀察到枝晶的跡象，見圖 4-21(a);而在1450c等溫?cái)嚢?min試樣和等溫?cái)嚢鑜0min 試樣的凝固組織中，沒有枝 晶存在，并且原奧氏體的晶 粒更為圓整，見圖 4-21(b)。圖4-21 6(Bi2Mn銅在不同攪拌【藝國(guó)敢卜的凝固組對(duì)在電壓為 100V、功率 為8.5kW的條件下，分別在 不同的溫度區(qū)間內(nèi)對(duì) 60Si2Mn彈簧鋼進(jìn)行連續(xù)的 電磁攪拌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在 1510146

49、0 c的溫度范圍 內(nèi)進(jìn)行電磁攪拌試樣的凝 固組織中存存枝晶，見圖 4-2l(c);在 1510 1440 c和 15101420 c的溫度范圍 內(nèi)進(jìn)行電磁攪拌凝固組織 為等軸晶，見圈4-2l(d)。4.2.4半固態(tài)金屬的力學(xué)行為半固態(tài)金屬加工主要是采用流變鑄造的鑄錠重新加熱到液固兩相區(qū)之間的溫度，再擠壓或鍛造成形件。實(shí)踐證明。由于半固態(tài)金屬具有觸變性，所以鑄坯在成形過程中具有明顯的超塑性效應(yīng)和充填性能， 而且變形抗力也小， 可在較高速度下變形。從變形機(jī)理分析，其變 形過程是一個(gè)從塑性變形到超塑性變形的過程。表4-3所示為鋁合金在不同的加工方法與熱 處理狀態(tài)下的力學(xué)性能。表4不同加工方法所獲需鋁

50、合金的力學(xué)性能比較合 髭邠r.方法熱處理狀忐1屈原應(yīng)力1 /MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率I硬度HBSM舞括HO2301460SSMT*1302502070訪選合僉潘M15INI2555 10即SSMT62032012心A3的監(jiān)V力3109300rwre1冊(cè)2625畋川T5Ii福1862CDF1匕Z80340gSSM鑄態(tài)15220775SSM1415027515S7SSMTS2002855-1。90A357SSMTfi涮3309115,7SiO.6Mn)S»M17謝33071 )0PMTfi2%期5(X>T5iMS項(xiàng)4取造於金21117SSMn276謝8.889(AMQiJ Mg

51、)w142754272211)62UMSSMlift2773669.2(AMCulMi；1CI*re230420gwis393476ID*w32446919I2D2219S5MT8310352$K9iAlifiCu)城.歷260WEt6061T&290330B.2KM:ALIMAS)嚅lb27531012957075«SMT6珀14056 6CLM-T6420制6wT&5ft55TOH150注：門M為用校里賽;I'M為金用於鑄造;外M為中固態(tài)加1' *為鍛造加I從表中可以清晰地看出，半固態(tài)金屬加工技術(shù)的優(yōu)越性。譬如，經(jīng)過觸變成形的A356合金在T6熱處

52、理狀態(tài)下，比經(jīng)過普通金屬型鑄造所獲得的鋁合金具有更優(yōu)良的力學(xué)性能， 并與鍛件的性能相近。試驗(yàn)還得到了不同加工方法獲得的鋁合金和AZ91D鎂合金的力學(xué)，f能，如表 4-4和表4-5所示。表14不同鑄造方法獲得的AZ9ID錢合余的力學(xué)性能畬金及狀態(tài)屈強(qiáng)R方白1內(nèi)抗拉強(qiáng)度八UX仰K率，% MME甯忖若施介金t鑄總I2D.V±5.I231.41 13.46.2±&-9柏惻H+里的直合金3輔處理）監(jiān)到11期用U模密233 ±127 10.3川"七眇嗯陣或帆態(tài)）（輅2播HC孫州鑄造CN.tAM）豺 1陰12必比他電場(chǎng)造tns他處理i130邛5金屬葭徜造fI4

53、 4*M）7017518府91 口金屬投游造（Tti第般理JIU01乃0.8a 4-5不同加工方法下材料的力學(xué)性能合金股狀態(tài)和胭應(yīng)力門4抗拉強(qiáng)度/* 1修長(zhǎng)率/楣6061相令金（砧態(tài)嘏曖鑄塞保1653074觸變成膨模溫4處忙）1522147觸變成形（鎮(zhèn)溫仙T）J722521185壓力鑄造200252g陰24貂含金觸變成形WW心施力鑄造36248313,4鍛 造40D筋10不少學(xué)者還研究了一些高熔點(diǎn)合金材料經(jīng)過半固態(tài)加工后的力學(xué)性能，如表4-6和表4-7所示。裹46鈦合金的力學(xué)性能 白金及狀態(tài)服電力mm mf”_ 1抗粒強(qiáng)度 /Mla伸長(zhǎng)率，翦1硬度、TNli-OCk,模施13»454 n1.4474F-朝小曲變鑄造倒4H67.44»)TK2U5澳依1211621.93501行.205觸女鑄造126no9,5375Jn-l7Cu RGt 模特儂367L2S90SO.