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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DBSpencer在研究Sn-15%wtPb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MCFlemings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