四、半固态金属加工技术

(b) 连续式
图4-5 半固态机械搅拌装置示意图
几种机械搅拌装置示意图 (a)棒式 (b)螺旋式 (c)底浇式 (d)倾转式
2、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 铸形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。
剪切速率对表观粘度的影响
（3）冷却速度对表观粘度的影响
不同冷却速度下ηa—fs曲线
（4）合金成分对表观粘度的影响
不同合金成分的ηa—fs曲线
3、流变性与组织的关系
半固态金属材料的性质（如表观粘度）必然受到材料内 部微观组织状态的影响。
部分凝固合金的内部组织状态由它的固相组织状态决定。
固相的数量、大小、形状和分布等参数决定了表观粘度的高 低。
（1） 固相分数
固相分数越高，部分凝固合金液相量越少，流动性 越差。表观粘度随固相分数增加而上升。 （2） 搅拌强度对半固态组织的影响
电磁搅拌用磁感应强度描述搅拌强度，电磁搅拌造 成“晶粒倍增”。
不同搅拌强度下Al-6.6%Si合金组织
在电磁搅拌作用下，铝液的湍流对流不断将热脉冲带到液 固界面，加速枝晶臂的熔化，枝晶臂被分离后，随湍流带到 稍微过冷的液体中，形成新的晶体，造成晶粒倍增。 搅拌强度越大，晶粒倍增现象越明显，晶粒越细小。
（3）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； （4）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；
图4-2 半固态金属和强化粒子(纤维)的搅拌混合
(5)由于固相粒子间几乎无结合力， 在特定部位虽然容易分离，但由
半固态金属变形时液相

普通铸造组织中初晶呈发达的树枝晶。 半固态合金其初晶组织呈球状，近球状或半树枝状。
半固态金属的加工特点
（1）粘度比液态金属高，容易控制：模具夹带的气体少， 减少氧化、改善加工性，减少模具粘接，可进行更高速的 部件成形，改善表面光洁度，易实现自动化和形成新加工 工艺； （2）流动应力比固态金属低：半固态浆料具有流变性和触 变性，变形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且 可进行复杂件成形，缩短加工周期，提高材料利用率，有 利于节能节材，并可进行连续形状的高速成形(如挤压)， 加工成本低； （3）应用范围广：凡具有固液两相区的合金均可实现半固 态加工。可适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和 锻压等，并可进行材料的复合及成形。
于液相成分的存在，又可很容易
地将分离的部位连接形成一体化 而且与一般固态金属材料也容易
形成很好的结合；
(a)分离
(b)结合
半固态金属的分离
(6)即使是含有陶瓷颗粒、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； (7)当施加外力时，液相成分和固
相成分存在分别流动的情况，一般情
况下，存在液相成分先行流动的倾向 或可能性；
半固态合金成形的发展
1. 20世纪70年代初，美国科学家发现部分凝固的合金 (partially solidified alloy)仍具有流动性，并发明了 流变铸造法（Rheocasting）。之后美国和其它国家进行 了深入研究，并逐渐应用于生产。目前，该方法已有许多 新的发展，国外已大量用于工业生产，国内仍处于研究和 试验阶段。 2. 近几年开发了许多半固态合金制备方法，如等温处理法、 超声波处理法、SCR（shearing cooling rolling）法、 粉末冶金法和控制浇注温度法等。
（4）合金成分 合金浓度越高，越有利于产生成分过冷，使固液界 面不稳定，结果使界面不光滑，颗粒包裹的液相多，表 观粘度增加。
Al-Cu合金流变组织(fs=46%)
(a)Al-5%Cu合金
(b)Al-10%Cu合金
三、半固态加工的基本方法
合金原料设计、配制 加热、熔炼 搅拌(机械或电磁等) 半固态浆料
振动，不仅可以获得球状晶粒，还可以使合金的晶粒直径
减小，获得非枝晶坯料。
图4-10 超声波振动半固态浆料制备原理示意图
4、应变诱导熔化激活法
利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭 坯，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，然后再对热
态挤压变形过的坯料加以少量的冷变形，在坯料的组织中 储存部分变形能量，最后按需要将经过变形的金属锭坯切
液态模锻挤压铸造 液态挤压 连续铸挤 液态轧制
主要方法：
(1) 液态模锻 介于压力铸造与模锻之间的工艺。
（2） 液态挤压 具有液态模锻和热挤压变形特点的方法。 在高压下→发生流动、结晶凝固→挤压至成形模口→大
塑性变形→成形成制品。
（3）连续铸挤
将已凝固和待凝固的金属一起挤压变形，实现半固态加工。
铸造顺利完成，对部分凝固合金表观粘度的控制至关重要。
（1）固相体积分数对表观粘度的影响
不同搅拌转速下的ηa—fs曲线
（2）剪切速率对表观粘度的影响
在相同固相体积分数下， 表观粘度随剪切速率的上升 而下降，满足Power定律： η =k·γ
n-1
式中η 为表观粘度， γ 为 剪切速率，k为反映稠密度 的常数，n为常数。
该方法不污染金属液，金属浆料纯净，不卷入气体， 可以连续生产流变浆料或连铸锭坯，产量可以很大。
影响电磁搅拌效果的因素有：搅拌功率、搅拌时间、 冷却速度、金属液温度、浇注速度等。由于加工过程的局 限性，通常认为， 直径大于150mm(6英寸)的铸坯不宜采 用电磁搅拌法生产。
(a)垂直搅拌式
(b)水平搅动式
后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态区，这时的金属锭 一般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，
称之为触变成形。

半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形或半固
态加工(semi-solid forming or procesing of metals)，目前在国际上，
（4）液态轧制 将液态金属直接浇入两轧辊组成的辊缝之间，随轧辊旋转 带入变形区，实现半固态轧制。
4、复合铸造
指对处于液固两相区的金属进行强烈搅拌，同时加入陶 瓷颗粒或短纤维等增强相，形成复合材料半固态浆料，再进 行流变成形，触变成形和铸锻成形的工艺。半固态合金的触 变性能使增强相分散存在。
四、半固态金属关键成形技术
二、半固态金属的流变学行为
通常铸造条件下，合金固相分数为20-30%时， 其宏观流动性已基本消失。但对经受搅拌的部分凝 固合金，即使固相分数高达50-60%，固相呈分散粒 状，仍具有一定流动性。
1、表观粘度
半固态金属的流变学性质一般通过测定合金的表观 粘度来研究。
普通铸造过程浇铸温度高于液相线，合金以全液态 形式浇入铸型，全液态金属属于牛顿液体，粘度是一常 数。不随切变速率γ变化。
搅拌速度越高，固相颗粒比较分散，而低搅速下固相 颗粒聚集现象明显。
Al-10%Cu在不同搅拌速度下的流变组织 (a)n=2.38r/s (b)n=7.16r/s
（3） 冷却速度 固相分数一定时，低冷却速度的固相颗粒平均尺寸 较大。原因是达到同样固相分数所需的时间较长，颗粒 生长的时间长；高冷却速度，达到同样固相分数所需时 间较短，颗粒长大受到限制，颗粒较小。

金属半固态加工就是在金属凝固过程中，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因相的固-液浆料(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

如果将流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭切成一定大小，然
部分凝固合金属于非牛顿流体，属于伪塑性体，粘 度不是常数，随切变速率的变化而改变。用表观粘度的 概念表征非牛顿流体。 表观粘度为：
ηa=τ/γ
ηa为表观粘度，Pa· s； γ为切变速度，s-1； τ为切应力，Pa
2、影响流变性的因素
部分凝固合金虽然具有流动性，但其表观粘度远远高于 全液态合金，这种高粘度固—液两相流体的铸造是困难的。 表观粘度构成了凝固合金流变性的主要方面，为使流变
第4章 半固态金属加工技术
一、 半固态加工的概念与特点
传统的金属成形
金属的液态成形:

铸造； 液态模锻； 液态轧制； 连铸等
金属的固态成形：

轧制； 拉拔；


挤压；
锻造； 冲压等
半固态成形

在20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemings教授等提出了一种
金属成形的新方法，即半固态加工技术。
经加热熔炼的合金 原料液体通过机械搅 拌、电磁搅拌或其他 复合搅拌，在结晶凝 固过程中形成半固态 浆料。
流 变 成 形
半固态坯料制备 流变压铸成形 其他流变成形 二次加热 触变成形
触 变 成 形
部件毛坯
1、流变成形：将制备出的半固态金属浆料直接成形； 优点是工艺流程短，生产成本低，但工艺路线的 可控性差，目前还处于研究阶段。
3. 成形工艺有较大发展，触变成形工艺已很成熟，在工业中 应用广泛。而流变成形工艺发展较慢。目前只有射铸成形 (injection molding or thixmolding)技术应用于镁合金 零件生产。但与触变成形相比，流变成形有诸多优点，因 而是未来成形技术的发展方向。 4. 计算机技术在工艺中得到广泛应用，包括成形过程的数值 模拟及软件。 5. 半固态合金的流变性能研究，流变性能与组织的关系及性 能的影响。
（一）半固态金属浆料的制备
1、机械搅拌法 优点：是最早采用的方法，设备构造简单，操作方便；通过 控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生 树枝状晶破碎成为颗粒结构。 缺点:高温下机械搅拌构件的热损耗大，被热蚀的构件材料 对半固态浆料会产生污染，因此对搅拌构件材料的高温性 能要求较高。