材料分析與檢測(cè)

PAGEPAGE5金屬半固態(tài)概述1半固態(tài)加工的概念與特點(diǎn)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(guò)程中，對(duì)其施以劇烈的攪拌作用，充分破碎樹(shù)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-solidformingorprocessingofmetals)，目前在國(guó)際上，通常將半固態(tài)加工簡(jiǎn)稱為SSM(semi-solidmetallurgy)。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(guò)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(guò)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(guò)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。。1.2半固態(tài)金屬的特點(diǎn)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(jiàn)圖4-2(a))；在低固相分?jǐn)?shù)時(shí)，固相顆粒游離在液相成分之中(見(jiàn)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(méi)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(wú)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，特別是液相成分很活躍，不僅半固態(tài)金屬間的結(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(guò)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(lái)說(shuō)，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，主要是在中間固相分?jǐn)?shù)范圍或低加工速度情況下顯著。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?？蛇m用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和鍛壓等，并可進(jìn)行材料的復(fù)合及成形：1.3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(guò)機(jī)械攪拌、電磁攪拌或其他復(fù)合攪拌，在結(jié)晶凝固過(guò)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(guò)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。圖4-7為半固態(tài)流變成形和觸變成形工藝流程示意圖。1.4半固態(tài)加工的研究及發(fā)展1.4.1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DavidSpener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(lái)，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(kāi)展了年多工藝實(shí)驗(yàn)和一些理論研究。根據(jù)所研究的材料，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(lái)，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(kāi)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5000萬(wàn)件。意大利的StrampalSPA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(MagnetiMarelli)為汽車公司生產(chǎn)半同態(tài)鋁合金成形的FuelinjectionRail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SpeedStarWheel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Thixomolding技術(shù)。1995年，美國(guó)的Thixomat公司的子公司—Lindberg公司利用Thixomolding工藝，為一些汽車公司生產(chǎn)了50余萬(wàn)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(kāi)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(shuō)明鎂合金的半固態(tài)成形技術(shù)仍然處在不斷發(fā)展之中，將會(huì)出現(xiàn)新的技術(shù)突破。十幾年來(lái)，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(kāi)發(fā)出了機(jī)械攪拌法、單輥旋轉(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(lái)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(wèn)題開(kāi)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)行了一些研究。但關(guān)于加工過(guò)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(jiàn)。(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(kāi)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(lái)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)的第七屆半固態(tài)加工國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，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(lái)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。1.5半固態(tài)金屬的流變成形如前所述，半固態(tài)加工的基本工藝方法可分為觸變成形(thixoforming)和流變成形(rheoforming)兩種(見(jiàn)圖4-6、圖4-7)，兩種成形方法各自特點(diǎn)都很明顯。觸變成形需將坯料進(jìn)行二次加熱再進(jìn)行成形加工，其工藝可控性強(qiáng)、過(guò)程較穩(wěn)定且易操作，因而較快進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)，目前美國(guó)、日本、意大利、德國(guó)等國(guó)已建立了多個(gè)鋁合金、鎂合金觸變成形工廠進(jìn)行大批量汽車及電器用部件生產(chǎn)，但觸變成形的生產(chǎn)流程較長(zhǎng)、相對(duì)成本要高一些。相比較而言，流變成形省去了二次加熱，由半固態(tài)漿料直接進(jìn)行成形，但其工藝過(guò)程控制難度要大一些。近年來(lái)，由于流變成形的生產(chǎn)流程短、相對(duì)成本較低，受到國(guó)內(nèi)外許多研究者的重視，因而對(duì)流變成形方法從理論、實(shí)驗(yàn)、技術(shù)和設(shè)備各方面都開(kāi)展了大量的研究工作，并取得了迅速的進(jìn)展，成為半固態(tài)加工領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。最近，國(guó)際半固態(tài)加工領(lǐng)域的幾位著名學(xué)者Flemings、Hall、Apelian、Kiuchi、Okano。以及Kopp等都對(duì)半固態(tài)流變成形給予了高度的關(guān)注，并指出由于其經(jīng)濟(jì)性，在未來(lái)的幾年中，半固態(tài)流變成形將有更快的發(fā)展。實(shí)際上，在最近幾年中，半固態(tài)流變成形技術(shù)確實(shí)得到了很大的進(jìn)步，如奧地利LKR公司的“新流變鑄造工藝NRC——newreheocastingprocess”，英國(guó)Z.Fan的雙螺旋流變技術(shù)，日本T.Haga等的采用傾斜板制備半固態(tài)漿料并直接鑄軋薄帶和流變擠壓成形方法以及中國(guó)康永林等的半固態(tài)直接軋制和錐桶式半固態(tài)流變成形技術(shù)等新的流變成形方法及技術(shù)不斷出現(xiàn)，有力地推動(dòng)了半固態(tài)直接流變成形技術(shù)的進(jìn)步，為該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。1.5.1雙螺旋式半固態(tài)流變成形英國(guó)Brunel大學(xué)的Z.Fan等人，為克服單螺旋觸變成形機(jī)——Thixoforming的不足，發(fā)明了雙螺旋半固態(tài)金屬流變注射成形機(jī)(Twin-ScrewReheocasting，見(jiàn)圖4-37)。該設(shè)備的設(shè)計(jì)十分新穎獨(dú)特，其工作原理是利用雙螺旋的旋轉(zhuǎn)，使液態(tài)金屬產(chǎn)生劇烈的紊流，增加切變?cè)讈?lái)達(dá)到細(xì)化晶粒，均勻成分的目的。雙螺旋的旋轉(zhuǎn)使其內(nèi)部金屬漿料產(chǎn)生“8”字形運(yùn)動(dòng)，并且使金屬漿料沿螺桿軸向向前運(yùn)動(dòng)，在螺紋的嚙合處及根部分別達(dá)到最大和最小的剪切變形。如圖4-37所示。該設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是剪切速率高，半固態(tài)顆粒細(xì)小均勻，可生產(chǎn)薄壁、斷面復(fù)雜的零件，不足之處是雙螺旋結(jié)構(gòu)存在螺桿工況差，消耗高，壽命短等問(wèn)題，不通用大型零件生產(chǎn)。雙螺旋結(jié)構(gòu)放置可以采取斜置(圖4-37)、垂直和水平三種形式用于鋁合金、鎂合金的流變壓鑄、半固態(tài)制坯和流變擠壓成形。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用雙螺旋流變成形設(shè)備得到十分均勻的半固態(tài)組織。1.5.2錐桶式半固態(tài)流變成形在對(duì)目前半固態(tài)金屬漿料制備工藝與流變成形設(shè)備結(jié)構(gòu)及技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，康永林等利用金屬漿料通過(guò)旋轉(zhuǎn)的斜錐形內(nèi)外筒之間的縫隙形成劇烈剪切應(yīng)力場(chǎng)作用的原理，成功地研制開(kāi)發(fā)了一種新型的具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的半固態(tài)金屬漿料制備與直接流變成形裝置——錐桶式半固態(tài)流變成形裝置，可用來(lái)對(duì)鎂合金等輕金屬及合金進(jìn)行半固態(tài)漿料制備及直接流變成形。錐桶式半固態(tài)漿料制備與流變成形裝置主要由送料裝置、剪切機(jī)構(gòu)，射壓機(jī)構(gòu)、溫度控制裝置(PID控制儀表)和氣體保護(hù)系統(tǒng)組成。基工藝流程如圖4-38所示。該裝置構(gòu)造簡(jiǎn)圖及實(shí)物照片如圖4-39，圖4-40所示。如圖4-39構(gòu)造簡(jiǎn)圖所示，輕質(zhì)臺(tái)金原料經(jīng)熔化爐熔化，為半固態(tài)漿料的制備提供金屬熔液。剪切機(jī)構(gòu)由內(nèi)、外兩個(gè)同心圓錐筒組成，其中內(nèi)筒由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，外筒固定。通過(guò)調(diào)整內(nèi)筒轉(zhuǎn)速和升降內(nèi)筒高度(即調(diào)整內(nèi)、外筒之間的縫隙)，使半固態(tài)金屬漿料在內(nèi)、外筒縫隙之間受到劇烈剪切應(yīng)力作用，從而制備出晶粒細(xì)小、組織均勻的半