模
铸
112
232
13
(2) 触变压铸(Thixo-casting)
瑞士 BÜHLER 公司推出的触变压铸设备
与普通压铸成形工艺相比，半固态压铸具有成形温度低，凝固时间短， 成形周期短，部件质量好，微观组织均匀，高度自动化等优点。
半固态触变成形件样品
(3) 触变锻造(Thixo-forging) 触变锻造是将半固态金属坯料移入锻压模具内，然后模具的一部分向另 一部分运动并加压成形，其原理如图12所示。
图3 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； ⑥ 含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材 图4 半固态金属的 (a) 分离， (b) 结合 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，如图5所示， 一般来说，存在液相成分先行流动 的倾向。 ⑧ 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1 金属在高温下三态成形加工方法的相互关系
(2) 半固态金属的特点
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。
图2 半固态金属的内部结构： (a) 高固相分数， (b) 低固相分数
(3) 半固态加工的基本工艺方法
流变成形 (流变铸造)
触变成形 (触变铸造)
图6 半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
2、半固态金属的组织特性、形成机理与力学行为
(1) 非枝晶的形成与演化
图7 Al-20Cu合金未搅拌和机械搅拌(流变铸造)状态的凝固组织
液体金属在凝固过程中搅拌且激冷，其结晶造成固体颗粒的初始形貌 呈树枝状，然后在剪切力作用下，枝晶会破碎，形成小的球形晶，图7 未常规铸造和半固态铸造的组织对比，可见利用流变铸造方法生产的半 固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显微结构。球形组织的形成过 程？
PM
CDF40
2
9
——
——
注：SSM为半固态加工；PM为金属型加工；CDF为闭模锻造
几种铸造方法铸件性能比较
3、金属半固态的制备方法
金属半固态浆料或坯料的制备是半固态成形加工的基础，目前半固态浆 料或坯料的制备方法很多，常用的方法是有电磁搅拌法和机械搅拌法。 (1) 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型方向的强磁场 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。 优点：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续铸锭坯，产量 可以很大。 缺点：直径大于150mm的铸坯不宜采用电磁搅拌法 生产。 影响因素：搅拌功率，搅拌时间，冷却速度， 金属液温度，浇注速度
(2) 半固态金属的力学行为
表1为用不同加工方法获得的A356铝合金的力学性能，从表中可以看出， 半固态金属加工技术的优越性。如触变成形并在T6状态下的性能较金属型 铸造所获得的合金有更好的力学性能，并与锻件的性能相近。
合金 加工方法 热处理状态 屈服应力/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 硬度/HB SSM SSM A356 (Al7Si0.3Mg) SSM SSM PM 铸态 T4 T5 T6 T6 110 130 180 240 186 220 250 255 320 262 14 20 5~10 12 5 60 70 80 105 80
图9 枝晶臂发生熔断示意图
③枝晶臂弯曲机制。 此机制认为，位错的产生并积累导致塑性变形。在两相区，位错间发生 攀移并结合成晶界，当相邻晶粒的倾角超过20°时，界面能超过固液界面 能的两倍，液相将侵入晶界并迅速渗入，从而使直接臂从主干分离。
注：以上三种机制都有一定的依据，但附加位错如何发生恢复和再结晶或如何迁移、固液 浆料的温度起伏还缺乏必要的试验依据，因此，金属半固态组织的演变机制还有很多基本 理论及技术问题需要解决。
材料加工新技术与新工艺
绪论 快速凝固
连续铸轧、连续挤压、连续铸挤
金属等温成形、半固态成形 粉末冶金新技术 先进连接技术
(二)、金属半固态加工的主要内容：
1. 概述 2. 半固态金属的组织特性、形成机理与力学行为 3. 半固态的制备方法 4. 半固态金属触变成形 5. 半固态金属的流变成形
(1) 定义
1、概述
半固态成形原理 利用非枝晶半固态金属(Semi-Solid Metals，简称SSM)独有的 流变性和搅熔性来控制铸件的质量。 流变成形 rheoforming 半固态 成形方法
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 固相的固-液混合浆料(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。
图5 半固态金属变形时液相 成分和固相成分的流动
与普通加工方法相比，半固态金属加工的优点：
① 黏度比液态金属高，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， 容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。
图12 触变锻造原理
半固态锻造成形的优点： 扩大了复杂成形件的范围，可实现近终成形(如薄壁件、底切槽件、孔 形件和刃形辐射件等)，显著减少工艺环节，加工成本低，切削量少，材 料利用率高。
半固态金属的金属学和力学 主要有以下几个特点：
① 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，溶质元素的举办 浓度不断变化； ② 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； 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，如图3所示；
(7) 倾斜冷却板制备法 原理：如图10所示，金属液通过坩埚倾倒在内部具有水冷却装置的冷却 板上，金属液冷却后达到半固态。，流入模具中制备成半固态坯料。
图10 倾斜冷却板制备半固态坯料的工艺及设备图
4、半固态金属触变成形
(1) 触变成形工艺及设备 触变成形(Thixomolding)由美国的Dow公司开发的，1992年由日本引入 并完成成形机的研制开发。图11为Thixomolding工艺的简图，其设备由原 料入料与预热装置、螺旋注射机、加热装置以及压铸机等部分组成。 设备特点： ① 原料进入料斗后边加热边剪切 搅拌，最后形成半固态的状态 再射入模具中； ② 半固态浆料的固相分数可控性 强，成形件质量高、性能稳定 ③ 螺旋机内密闭性好，在成形过 程中不需要严格的保护性气氛 进行保护，仅在投料口处用少 量的Ar气保护即可。
球形结构的最终形成要靠足够的冷却速度和足够高的剪切速率，同时这 是一个不可逆的结构演化过程，即一旦球形的结构生成了，只要在液固区， 无论怎样升降合金的温度(不能让合金完全熔化)，它也不会变成枝晶。
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
有色金属半固态组织的演变机制主要有以下三种： ①枝晶臂根部断裂机制。因剪切力的作用使枝晶臂在根部断裂。 最初形成的树枝晶是无位错和切口的理想晶体，很难依靠沿着自由浮动 的枝晶臂的速度梯度方向产生的力来折断。因此，必须加强力搅拌，在剪 切力作用下从根部折断。 ②枝晶臂根部熔断机制。 晶体在表面积减小的正常长大过程中， 枝晶臂由于受到流体的快速扩散、温度 涨落引起的热震动及在根部产生应力的 作用，有利于熔断，同时固相中根部溶 质含量较高，也降低熔点，促进此机制 的作用，机理如图9所示。
球形结构的演化过程： ① 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； ② 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； ③ 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。
(3) 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。 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力。
机械搅拌示意图
按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并 适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料。
图11 Thixomolding工艺简图
Thixomolding成形件的特点： ① 表面质量和内部质量改善； ② 成形件尺寸精度提高； ③ 力学性能提高； ④ 耐蚀性提高； ⑤ 可精密成形薄壁件
表2 三种镁合金采用Thixomolding和模铸成形件的力学性能比较 材料 AZ91D AM60B ZM50A 成形方法 Thixomolding 模 模 铸 铸 Thixomolding Thixomolding 屈服强度/MPa 180 160 147 114 139 抗拉强度/MPa 299 230 278 239 269 伸长率/% 10 3 18.8 11.6 20