半固態(tài)金屬成形技術(shù)

21世紀(jì)最有發(fā)展前景的現(xiàn)代加工新技術(shù)半固態(tài)金屬成形一、概念

半固態(tài)金屬成形技術(shù)（Semi-SolidMetalprocessing，SSM），它是利用在固-液態(tài)區(qū)間獲得一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定固相組分（50%-60%）合金的混合漿料進(jìn)行加工成形的方法。半固態(tài)成形是利用金屬材料從固態(tài)向液態(tài),或從液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中具有半固態(tài)的特性所實(shí)現(xiàn)的成形。二、半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展簡史起源和發(fā)展半固態(tài)加工起源于美國。20世紀(jì)70年代初,麻省理工學(xué)院Spencer和Flemings等人發(fā)現(xiàn)凝固過程中的金屬材料經(jīng)強(qiáng)力攪拌,會(huì)生成近球狀晶或球狀晶組織。

30多年的發(fā)展歷程中,SSM技術(shù)在制坯、重熔加熱、零件成形、組織與力學(xué)性能、加工環(huán)節(jié)數(shù)值模擬以及合金流變學(xué)研究等許多方面取得重大進(jìn)展。目前,這項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域,在航空、航天以及國防工業(yè)領(lǐng)域也正處于應(yīng)用的起步階段,具有廣闊的前景。半固態(tài)金屬加工技術(shù)是近多年來才誕生和發(fā)展起來的現(xiàn)代冶金加工新技術(shù)。它雖然誕生晚,但發(fā)展很快,只用十幾年的時(shí)間就從試驗(yàn)室過渡到試生產(chǎn),又很快實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和商品化。被世人稱為新一代的合金成形工藝。半固態(tài)加工成形技術(shù)的應(yīng)用前景世界汽車工業(yè)正向著輕量化方向發(fā)展,采用SSM技術(shù),不僅成形容易,而且能保證材料性能充分發(fā)揮。從20世紀(jì)90年代初開始,SSM技術(shù)在世界汽車工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用發(fā)展迅速。采用SSM技術(shù)生產(chǎn)的汽車零件包括剎車制動(dòng)筒、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件、搖臂、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、輪轂、傳動(dòng)系統(tǒng)零件、燃油系統(tǒng)零件以及汽車空調(diào)零件等。目前,這些零件已應(yīng)用在Ford、Chrysler、Volvo、BMW、Fiat、Audi等歐美名牌轎車上。在航天航空領(lǐng)域,先進(jìn)鋁合金是主要結(jié)構(gòu)材料,它具有高比強(qiáng)度、高比模量、良好的斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度、較低的裂紋擴(kuò)展速率以及良好的耐蝕性等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)金屬加工的方法比較

傳統(tǒng)的金屬加工方法主要分為壓力加工和鑄造加工,而半固態(tài)加工被世人稱為現(xiàn)代冶金加工新技術(shù),以上三種方法分別利用了金屬固有的特性進(jìn)行加工成形。壓力加工—是利用金屬的塑性,在外力作用下的塑性加工。鑄造加工—是利用液態(tài)金屬流動(dòng)性,實(shí)現(xiàn)凝固加工成形。半固態(tài)加工—利用具有非枝晶組織的金屬在半固態(tài)條件下的流變性和觸變性進(jìn)行流變成形或觸變成形。三、半固態(tài)金屬加工的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）

由于在半固態(tài),合金具有獨(dú)特的觸變行為,可成型復(fù)雜的薄壁的零部件（2）加工件的精度高,幾乎是近凈成形,尺寸公差接近機(jī)加精度（3）成形件表現(xiàn)平整光滑,內(nèi)部組織致密,缺陷少,晶粒細(xì)小,力學(xué)性能高,可達(dá)鍛件性能（4）節(jié)省原材料、能源,生產(chǎn)同樣的零部件,它與普通鑄造相比,節(jié)能約35%（5）成品率高,幾乎達(dá)100%（6）生產(chǎn)效率很高（7）模具壽命長（8）生產(chǎn)成本低,零部件價(jià)格很有競爭力（9）生產(chǎn)環(huán)境得到改善存在的問題（1）目前最大的半固態(tài)加工坯料還只能做到中直徑為152mm,如想制造更大尺寸的零部件目前仍無能為力。（2）興建這種生產(chǎn)線的投資要比鑄造大。四、半固態(tài)金屬加工工藝流程半固態(tài)加工一般分為原料加工，再加熱和成形三個(gè)步驟半固態(tài)加工的主要成形手段有壓鑄和鍛造其工藝路線有兩條：一是將半固態(tài)金屬漿料冷卻凝固后下料,再將此半固態(tài)金屬坯料重新加熱到半固態(tài)溫度進(jìn)行成形,通常稱為觸變成形。另一條是將攪拌獲得的半固態(tài)漿料在保持其半固態(tài)溫度條件下,直接成形,稱為流變鑄造。五、半固態(tài)金屬加工的適用范圍合金鋁、鎂、鋅、銅、鎳、鋼鐵等有較寬液-固共存區(qū)的合金體系均適用。尤其是低熔點(diǎn)的鋁鎂最為適用,因此,目前鋁合金及鎂合金利用半固態(tài)加工技術(shù),大批量生產(chǎn)其零部件并已獲得廣泛應(yīng)用。交通運(yùn)輸行業(yè)

特別是汽車行業(yè),許多零部件用半固態(tài)成形技術(shù)來生產(chǎn)十分理想、性能好、成本低又可輕量化。所以交通運(yùn)輸業(yè)將是21世紀(jì)采用這一新技術(shù)的最熱點(diǎn)?？偟膩碚f，該技術(shù)適用于低熔點(diǎn)的鋁鎂及其合金。

國外利用該新技術(shù)已大批量的生產(chǎn)汽車、家用電器等鋁鎂合金的零部件,近年來,SSM技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展迅速，美國、意大利、瑞士、法國、英國、日本等國家處于領(lǐng)先地位,已進(jìn)入應(yīng)用階段，但在我國還未產(chǎn)業(yè)化。六、具體應(yīng)用實(shí)例

斜板法對(duì)球墨鑄鐵結(jié)構(gòu)的影響什么是斜板法？

斜板法是一種將剪切應(yīng)力應(yīng)用于生產(chǎn)具有球狀半固態(tài)鑄件的新方法。在這種方法中，適當(dāng)過熱的融化的金屬在流過斜板后被澆注進(jìn)模具中。由于在金屬和斜板之間的熱轉(zhuǎn)移，固態(tài)形核發(fā)生了。然后，由于剪切應(yīng)力和金屬流動(dòng)，形核顆粒從表面分離。這些顆粒進(jìn)而分散到金屬中。在斜板法中，像過熱，斜板長度，模具材料，傾斜，斜板材料這些因素都影響最后的微觀結(jié)構(gòu)。斜板法中，板的長度和傾斜度對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)有比較大的影響最佳的石墨球形化和固態(tài)顆粒球形化的條件為:冷卻速率為67K·s?1,傾斜板的傾斜角度為7.5度,傾斜板的長度為560mm。結(jié)果還顯示,當(dāng)全部的加工時(shí)間很短的時(shí)候,傾斜板很容易阻止變質(zhì)劑失效。影響因素和最佳工藝參數(shù)與壓鑄方法和傳統(tǒng)的鑄造方法相比，這種方法有更好的機(jī)械性能，并且減少孔隙率，這是由于縮減體積的減少以及更能均勻的填充模具。優(yōu)點(diǎn)：影響因素對(duì)結(jié)構(gòu)影響的具體分析1、板長固定，不同板角下的組織形貌20度5度7.5度不同斜板角度下固態(tài)顆粒的長寬比最佳角度為7.5度2、不同加熱時(shí)間和保溫時(shí)間最佳再加熱時(shí)間為13min15min后樣品的液態(tài)分?jǐn)?shù)達(dá)到了本質(zhì)上的穩(wěn)定狀態(tài)3、不同條件下再加熱球墨鑄鐵樣品的微觀結(jié)構(gòu)1160℃下不同