半固态材料成形技术的研究和应用
程 钢 樊 刚
(昆明理工大学,昆明50093)
摘 要:半固态成形具有加工温度低,变形抗力小的特点,为高效低能实现金属近净成形提供了现实可能。对半固态金属加工的工艺方法进行了论述,以期推动其理论研究和工业应用。
关键词:半固态;成形;应用
中图分类号:T G249.9 文献标识码:A 文章编号:1004 244X(2001)05 0066 03
金属材料从固态向液态或从液态向固态的转换过程中,均要经历半固态阶段,在这阶段中合金内既存在固相又存在流体液相。半固态加工是将金属或合金在固相线和液相线温度区间进行加工成近终形产品的一种新方法。
与传统的全液态金属成形工艺相比,半固态加工技术概括起来有如下特点[1,2]:
(1)用途广泛。流变铸造可以直接成形,也可用于压铸、挤压铸造、模锻成形和金属型、砂型铸造。另外,还能精炼金属,制造复合材料等;
(2)铸造过程中不需变质处理即可获得均匀细晶组织;
(3)凝固收缩少,可实现近终形加工,并可通过热处理获得优越的机械性能;
(4)加工温度低,使成形装置的热负荷减轻,使模具寿命延长;
(5)半固态金属粘度高,充型时不喷溅、无湍流;冷却凝固时间短,可大幅提高生产率;
(6)节约原材料和能源,降低生产成本。
因此,半固态加工技术被认为是21世纪最具发展前途的近净成形技术和新材料制备技术之一[3]。
1 半固态成形技术
半固态成形是针对固、液态共存的半熔化或半凝固金属进行成型加工的工艺方法。目前,半固态成形方法大致可分为半固态挤压、半固态压铸(包括流变铸造和触变铸造)等几种主要工艺类型[4~6]。
1.1 半固态挤压
半固态挤压是用加热炉将坯料加热到半固态,然后放入挤压模腔,用凸模施加压力,通过凹模模口挤出所需制品。半固态的坯料在挤压模腔内处于密闭状态,流动变形的自由度低,内部的固相成分、液相成分不易独流动,在进入正常挤压状态后,两者一起从模口挤出,在长度方向上得到稳定均一的制品。半固态挤压和其他半固态成型方法相比,研究得最多的是各种率合金和铜合金的棒、线、管、型材等制品。制品的内部组织及机械性能均匀,是难加工材料、粒子强化金属基复合材料、纤维前化金属基复合材料形成加工的不可缺少的技术。
1.2 半固态压铸
半固态压铸主要有两种工艺,分别被称为流变铸造和触变铸造。众所周知,流变铸造的固-液混合金属浆料不仅具有流变性,还具有触变性。半固态铸造用的这种具有流变性和触变性的固-液混合金属浆料,其关键在于要打碎液态金属正在凝固时的树枝状晶,使其成为球状或近似球状的一次相(衰退枝晶)固体质点。
普通压铸工艺有一个缺点是液态金属射入时空气卷进制品中形成气泡,在半固态压铸时,通过控制半固态浆料的粘度和固相率,可以抑制气泡的产生,因此可以加工容易产生气泡,普通压铸工艺难以制造的复杂形状的制品。
1.3 射铸成形
将直接熔化的金属液冷却至一定的温度,在一定的工艺条件下压射入型腔成形,以获得所需的加工件。如美国威斯康辛的触变成形中心及康奈尔大学等研制出镁合金射铸成形装置,将金属从料管加入,经适当加热后压射入型腔成形。
第24卷 第5期2001年 9月 兵器材料科学与工程
ORDNANCE M AT ERIAL
Vol.24 N o.5
收稿日期:2000-11-10
基金项目:云南省教委科研基金资助
作者简介:程 钢(1971-),山东大学材料学院,博士2001级
图1
射铸成形示意图
图2 半固态复合铸造法示意图
1.4 连铸连轧
半固态加工技术也可以应用于金属材料的连铸连轧中。将半固态技术应用于连铸连轧中,不仅能使材料成分均匀,而且能提高产品的整体质量。1.5 复合铸造
金属基复合材料作为一种新型材料在近年来得到迅速发展。其制备方法通常为常规铸造、粉末烧结法、浸透法等,这些方法制备复合材料存在的主要问题是金属与非金属之间浸润难、质量不稳定,这样就阻碍了金属基复合材料的推广应用。半固态金属在液固共存区有很好的流动性和粘性,并且通过选择适当的加入温度和加强金属浆料的搅拌,利用半固态金属粘度可以调整的优点,克服了大部分增强材料与金属母液不浸润而难以复合的关系,提高非金属与金属之间的界面结合强度[7,8],成功地将增强材料加入到半固态金属中制备出均匀的复合材料,随后可进行半固态成形加工,为复合材料的制备提供了崭新的成本低廉的重要方法。
2 半固态浆料制备的几个重要参数
在半固态浆料制备过程中,有以下几个重要问题需要解决,才能获得较为满意的结果[9,10]。2.1 流变平均剪切速率对一次相尺寸的影响
平均剪切速率也就是平均剪切速度梯度。流变
浆料是通过搅拌器的浆叶在半固态金属中搅拌获得的,浆叶必须给半固态金属液足够大的剪切力,即浆叶一定要有足够大的功率、转速才能将一次相树枝状晶破碎。搅拌效果与浆叶数量、形状、尺寸(即与坩埚的相对位置)有关。当坩埚与浆叶的尺寸形状一定时,搅拌速度对一次相树枝状晶的破碎大小有
直接的影响。搅拌速度小时,一次相树枝状晶所受剪切力就小,破碎强度也小,获得一次相晶粒较大,形状也不规则。搅拌速度大时,一次相晶变的细小形状近似球状。但是搅拌速度太高,会导致固-液混合液飞溅和严重氧化,故需在真空或氩气的保护气氛中搅拌。选择合适的搅拌速度,能使固-液金属浆料流动性较好,一次相均匀细小且呈球状,使铸件更密实,表面质量和机械性能提高。
2.2 金属液冷却速度对一次相生成的影响
在流变金属液制备时,必须首先将金属液冷却到固相含量达40%左右,故冷却速度对一次相的生成有一定影响。
当一次相晶体凝固冷却速度较快时,得到的流变结构组织较细。所谓一次相晶体的冷却速度即为合金液的冷却速度。冷却速度大,合金液体的过冷度大,形核率就大幅度增加,而长大速率增加较少,所得晶粒较细。较小的一次相晶粒即使在较低的搅拌速度和较短时间的流变处理时,也能得到较细的流变组织。
合金液通常总会有一定的过热温度,从较高温度冷却到较低温度需要相当多的时间,所以必须要强化冷却过程。例如对Al-8%Si 的铝硅合金液来说,可采用调整插入预热200 的铜棒的数量来控制,使其由650 冷却到共晶温度。2.3 固-液金属浆料体积比控制
半固态合金液中,当固相到达一定体积比例时,一次相就以树枝状晶的形式生成结晶骨架,余下的液相就留在骨架的间隙里。当树枝状结晶骨架搭接成一个完整的骨架以后,留下的液相不论有多少都不能使合金液在宏观上具有流动能力。用搅拌方法将其连成整体的结晶骨架打碎,形成悬浮在液相之中的细小球状晶粒,使液相连成一片,这种半固态流变浆料具有较好的流动性。
在半固态流变浆料中固液相的比例有所不同,比例的大小对流变的优越性和成形的好坏有着直接的影响。固相量较大时,浆料中含气量更少,凝固时收缩量小,合金液对铸型的热冲击弱,发挥了流变浆
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第5期 程 刚等:半固态材料成形技术的研究和应用
料的优越性。但是,固相比例增加,浆料流动性降低,导致成型困难。
研究表明,固相量比例在40%~60%为适宜。如何控制固相的比例是获得理想流变浆料的重要一环。用热电偶检测温度来控制比较困难。麻省理工学院研究表明,当平均剪切力和平均剪切速率一定的条件下,可监控保持搅拌机转速不变时的电流强度。因为流变浆料中固相比例增加时,粘度会增加,搅拌机所需电流也增加,所以检测搅拌机电流强度是控制固相比例的可行方法。
3 半固态技术的应用前景和发展趋势
从20世纪90年代初开始,半固态金属加工技术在全世界的应用日益广泛。目前,商业化生产半固态成形零件的发展势头在北美、欧洲及亚洲不断增加。出现该情况的主要原因在于,汽车制造商致力于减轻零件质量,降低成本。然而,制造商在减轻悬架及其他重要安全零件质量的同时,对这些零件的性能要求也在不断的提高。从而促进了汽车制造商应用半固态金属加工这样的工艺来生产性能高、质量轻的零件。另外,在军事、航空、电子以及消费品等方面也进行了产品开发,主要是铝镁合金的半固态压铸、模锻及注射成形。利用半固态金属加工方法能够生产形状复杂的零部件,像汽车用刹车制动缸体和铝合金轮毂、空调设备部件、转向与传动系统零件、活塞、机器人的手臂,以及航空航天上使用的电子器件的连接部件等。这种半固态锻铸件包括许多键销和定位装置,它们的公差精度接近机械加工精度。因此,节省原材料与较高的生产率等特点使得半固态金属加工成为一种经济实惠的加工方法。
近年来,半固态材料成形加工技术发展迅速,主要有以下几方面特点。
(1)半固态成形是一个多学科的难度较大的开发性课题,涉及的边缘学科多。
(2)半固态金属成形方法不仅能在实验室内进行,而且现已有部分合金能够批量投入生产。许多国家建立了流变公司生产铝基、铜基合金和钢制零件,其尺寸精度、几何形状和机械性能均符合要求。
(3)流变工艺研究已向理论研究深入。半固态合金的触变性自二十世纪七十年代发现以来,随着流变工艺的发展,人们对半固态材料的流变性、触变性、表观粘度与各种因素的影响、一次相球化机制等在理论上作了深入的研究,这将为半固态材料加工成形技术的更加完善提供了必要的理论基础。
与欧美等国相比,我们在半固态加工的研究与应用方面还有相当大的差距。随着计算机、汽车、通讯、航空航天等行业的蓬勃发展,半固态金属加工技术在21世纪将具有广阔的发展前景。我国的科技工作者必须加强半固态材料及加工设备的研究与应用工作,大力推进半固态加工技术的发展。
参考文献:
[1]Char les Vives.M etallur giical T ransactio n B,1992,12(4):
189-206.
[2]Deter ing K,et al.Semisolid processing of thixotropic
aluminium alloys.Aluminium,1996,(7-8):514.
[3]吴炳尧.半固态金属铸造工艺的研究现状及发展前景.
铸造,1999,3:45-51.
[4]倪红军等.铸造技术,2000,5:36-39.
[5]洪慎章.半固态模锻的应用及发展.模具技术,1999,1:
60-65.
[6]唐靖林,曾大本.半固态加工技术的发展和应用现状.
兵器材料科学与工程,1998,21(3):56-60.
[7]F lemings M C.T he3rd Int Co nf on Semi-solid P rocessing
of Alloy and Composites,1994.6.
[8]N guyen T hanh L.Suery M.M ater Sci and Eng,1995,
A196(33):44.
[9]Detering K,et al.Semisolid processing of t hix otropic alu-
minium alloys.Aluminium,1996,(7-8):514.
[10]洪慎章.半固态模锻的应用及发展.模具技术,1999,
1:60-65.
Study and application of semi-solid material forming technology
CH EN G G ang,FAN Gang
Abstract: Due to the special properties of semi-solid metal,it pr ovides a possibility for metal near net shaping w ith hig h efficiency and low consumption.T his paper summarized the classification of technolo gies concer ning semi-solid metal pr ocessing in order to promote the theor etical study and the pract ical application in this field.
Key words:semi-so lid;forming;application
Cor r espondent:CH EN G Gang,K unming University of Science and T echnology,K unming650093,China
68 兵器材料科学与工程 第24卷
、单项选择题（每小题1分，共15 分） 一、填空题（每空1分，共20分） 1. 机械设计时常用屈服强度和抗拉强度两种强度指标 2. 纯金属的晶格类型主要有面心立方、体心立方和密排六方三种。 3. 实际金属存在点 _____、 ____ 线______ 和面缺陷等三种缺陷。 4. F和A分别是碳在、丫-Fe 中所形成的间隙固溶体。 5. 加热是钢进行热处理的第一步，其目的是使钢获得奥氏体组织。 6. QT600-3中,QT表示球墨铸铁,600表示抗拉强度不小于600Mpa。 7?金属晶体通过滑移和孪生两种方式来发生塑性变形。 8 ?设计锻件时应尽量使零件工作时的正应力与流线方向相_同^而使切应力与流 线方向相垂直。 9?电焊条由药皮和焊芯两部分组成。 10 .冲裁是冲孔和落料工序的简称。 1. 在铁碳合金相图中，碳在奥氏体中的最大溶解度为（b ）。 a 、0.77% b 、2.11% c 、0.02% d 、4.0% 2. 低碳钢的焊接接头中，（b ）是薄弱部分，对焊接质量有严重影响，应尽可 能减小。 a 、熔合区和正火区 b 、熔合区和过热区 c、正火区和过热区d 、正火区和部分相变区 3. 碳含量为Wc= 4.3 %的铁碳合金具有良好的（c ）。 a、可锻性b 、可焊性c 、铸造性能d、切削加工性 4. 钢中加入除Co之外的其它合金元素一般均能使其C曲线右移，从而（b ） a 、增大V K b、增加淬透性c、减少其淬透性d、增大其淬硬性
5. 高碳钢淬火后回火时，随回火温度升高其（a ） a 、强度硬度下降，塑性韧性提高 b 、强度硬度提高，塑性韧性下降 c、强度韧性提高，塑性硬度下降 d 、强度韧性下降，塑性硬度提高 6. 感应加热表面淬火的淬硬深度，主要决定于因素（d ） a 、淬透性b、冷却速度c、感应电流的大小d、感应电流的频率 7. 珠光体是一种（b ） a 、单相间隙固溶体b、两相混合物c、Fe与C的混合物d、单相置换固溶体 8. 灰铸铁的石墨形态是（a ） a 、片状 b 、团絮状 c 、球状 d 、蠕虫状 9. 反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂，这是由于产生了（ a ）
作业2 铸造工艺基础 专业_________班级________学号_______姓名___________ 2-1 判断题（正确的画O，错误的画×） 1．浇注温度是影响铸造合金充型能力和铸件质量的重要因素。提高浇注温度有利于获得形状完整、轮廓清晰、薄而复杂的铸件。因此，浇注温度越高越好。（×）2．合金收缩经历三个阶段。其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松的基本原因，而固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹的主要原因。（O）3．结晶温度范围的大小对合金结晶过程有重要影响。铸造生产都希望采用结晶温度范围小的合金或共晶成分合金，原因是这些合金的流动性好，且易形成集中缩孔，从而可以通过设置冒口，将缩孔转移到冒口中，得到合格的铸件。（O） 4．为了防止铸件产生裂纹，在零件设计时，力求壁厚均匀；在合金成分上应严格限制钢和铸铁中的硫、磷含量；在工艺上应提高型砂及型芯砂的退让性。（O）5．铸造合金的充型能力主要取决于合金的流动性、浇注条件和铸型性质。所以当合金的成分和铸件结构一定时；控制合金充型能力的唯一因素是浇注温度。（×）6．铸造合金在冷却过程中产生的收缩分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。共晶成分合金由于在恒温下凝固，即开始凝固温度等于凝固终止温度，结晶温度范围为零。因此，共晶成分合金不产生凝固收缩，只产生液态收缩和固态收缩，具有很好的铸造性能。（×）7．气孔是气体在铸件内形成的孔洞。气孔不仅降低了铸件的力学性能，而且还降低了铸件的气密性。（O）8．采用顺序凝固原则，可以防止铸件产生缩孔缺陷，但它也增加了造型的复杂程度，并耗费许多合金液体，同时增大了铸件产生变形、裂纹的倾向。（O）
作业 2 铸造工艺基础 专业 _________班级 ________学号 _______姓名 ___________ 2-1 判断题（正确的画O，错误的画×） 1．浇注温度是影响铸造合金充型能力和铸件质量的重要因素。提高浇注温度有 利于获得形状完整、轮廓清晰、薄而复杂的铸件。因此，浇注温度越高越好。（× ）2．合金收缩经历三个阶段。其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松 的基本原因，而固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹的主要原因。（ O）3．结晶温度范围的大小对合金结晶过程有重要影响。铸造生产都希望采用结晶 温度范围小的合金或共晶成分合金，原因是这些合金的流动性好，且易形成集中缩孔， 从而可以通过设置冒口，将缩孔转移到冒口中，得到合格的铸件。（ O）4．为了防止铸件产生裂纹，在零件设计时，力求壁厚均匀；在合金成分上应严 格限制钢和铸铁中的硫、磷含量；在工艺上应提高型砂及型芯砂的退让性。（O）5．铸造合金的充型能力主要取决于合金的流动性、浇注条件和铸型性质。所以 当合金的成分和铸件结构一定时；控制合金充型能力的唯一因素是浇注温度。（×）6．铸造合金在冷却过程中产生的收缩分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。共 晶成分合金由于在恒温下凝固，即开始凝固温度等于凝固终止温度，结晶温度范围为零。因此，共晶成分合金不产生凝固收缩，只产生液态收缩和固态收缩，具有很好的 铸造性能。（×） 7．气孔是气体在铸件内形成的孔洞。气孔不仅降低了铸件的力学性能，而且还 降低了铸件的气密性。（ O）8．采用顺序凝固原则，可以防止铸件产生缩孔缺陷，但它也增加了造型的复杂 程度，并耗费许多合金液体，同时增大了铸件产生变形、裂纹的倾向。（ O） 2-2 选择题 1．为了防止铸件产生浇不足、冷隔等缺陷，可以采用的措施有（ A ．减弱铸型的冷却能力； B ．增加铸型的直浇口高度； C．提高合金的浇注温度；D． A 、 B 和 C；E．A 和 C。 D ）。 2．顺序凝固和同时凝固均有各自的优缺点。为保证铸件质量，通常顺序凝固适 合于（ D ），而同时凝固适合于（ B ）。 A ．吸气倾向大的铸造合金；C．流动性差的铸造合金； B ．产生变形和裂纹倾向大的铸造合金； D ．产生缩孔倾向大的铸造合金。 3．铸造应力过大将导致铸件产生变形或裂纹。消除铸件中残余应力的方法是（D）；消除铸件中机械应力的方法是（C）。 A ．采用同时凝固原则； B ．提高型、芯砂的退让性；
《材料成形技术基础》考试样题答题页 （本卷共10页） 、判断题（每题分，共分，正确的画“O ”，错误的打“X ”） 、选择题（每空1分，共38分） 三、填空（每空0.5分，共26分） 1.( 化学成分) ( 浇注条件) ( 铸型性质) 2.( 浇注温度) 3.( 复杂) ( 广) 4.( 大) 5.( 补缩) ( 控制凝固顺序)6.( 球铁) ( 2 17% ) 7.( 缺口敏感性) ( 工艺)8.( 冷却速度) ( 化学成分) 9.( 低) 10.( 稀土镁合金)11.( 非加工)12.( 起模斜度) ( 没有) 13.( 非铁) ( 简单)14.( 再结晶)15.( 变形抗力) 16.( 再结晶) ( 纤维组织)17.( 敷料) ( 锻件公差) 18.( 飞边槽)19.( 工艺万能性)20.( 三) ( 二） 21.( -二二) ( 三)22.( 再结晶退火)23.( 三） 24.( -二二)25.( 拉) ( 压)26.( 化学成分) ( 脱P、S、O )27.( 作为电极) ( 填充金属)28.( 碱性) 29.( 成本) ( 清理)30.( 润湿能力)31.( 形成熔池) （达到咼塑性状态) ( 使钎料熔化)32.( 低氢型药皮) ( 直流专用)
Ct 230 图5 四、综合题（20分） 1、绘制图5的铸造工艺图（6分） ? 2J0 环O' 4 “ei吋 纯 2、绘制图6的自由锻件图，并按顺序选择自由锻基本工序（6 分）。 O O 2 令 i 1 q―1 孔U 400 圈6 3、请修改图7?图10的焊接结构，并写出修改原因。 自由锻基本工序： 拔长、局部镦粗、拔长 图7手弧焊钢板焊接结构（2 分）图8手弧焊不同厚度钢板结构（2 分） 修改原因：避免焊缝交叉修改原因：避免应力集中（平滑过 度）
重庆科技学院 课程结业考试（论文）题目半固态镁合金成形技术概论 院（系）冶金与材料工程学院 专业班级材料工程技术08-02 学生姓名刘明强学号2008630578 任课教师孙建春职称讲师 评定成绩___ _ __ 评语： 年月日
半固态镁合金成形技术概述 姓名：刘明强学号：2008630578 摘要：半固态镁合金制备是在20世纪末新起的最新制备镁合金的技术，半固态技术被认为是21世纪最具发展前途的近终成形技术之一［1］。本文旨在为大家阐述半固态镁合金成形技术的基本概论，包括镁合金的相关阐述（性能、应用、加工技术等）；半固态成形技术的概念，半固态金属浆料的制备，以及半固态加工材料的制备技术等；重点是镁合金与半固态成形技术的结合，包括半固态镁合金浆料的制备，半固态镁合金材料的制备，半固态镁合金材料的热处理，半固态镁合金成形技术的国内国外现状和未来展望，同时阐述半固态镁合金制备的优缺点。 关键词：半固态、镁合金、浆料、半固态成形、流变成形 前言：镁及镁合金作为一种新型的应用材料，近年来已广泛应用于军用、民用领域，如在航空航天、航海、通信、医疗、广播电视、音响影像器材、微电子技术、光学仪器等领域内，在汽车、摩托车、工具、家电电器、手机、计算机及电子设备等制品中都可看到镁合金的终极，在炼钢脱硫、铝合金生产、防腐工程中都离不开镁原料。在汽车行业，上海汽车集团公司、一汽集团、东风汽车集团、江铃汽车公司等国内大的汽车公司均开始使用镁制零部件。根据相关研究，汽车单车自重没减轻100Kg，每百公里耗油可减少0.7L左右，每节省1L燃料可减少二氧化碳排放量 2.5g。而通过镁合金零部件的使用可有效的实现汽车轻量化目标。镁合金应用于交通工具，除减中和降低油耗，还可以提高整车加速、制动性能，还能降低行驶振动和噪声，提高舒适度，可以加快散热，使发动机的综合性能提高一个档次，具有良好的经济效益。 镁合金的半固态成形目前是各国研究的热点：Ya-no Ei ji等利用余热的冷却斜槽近液相线铸造或得了半固态AZ91D镁合金组织；J M Kim等利用两步加热法得到了半固态AZ91镁合金浆料；Czerwinski F开发了半固态加工与挤压、喷射成形结合在一起的心的镁合金加工技术，一Mg-9% Al-1%Zn为例分析力组织性能变化规律；Chen J Y和Fan Z研究了半固态浆料的流变模型；Koren Z等研究了AZ91和AM503镁合金半固态热压铸和冷压铸成形。［2］ 可以看到镁合金半固态的研究虽然很多，但主要之中在浆料制备、二次加热重熔、触变成形几个方面，仅有几个流变成形研究也只是在实验室，工艺还不成
第二章铸造成形 问答题： 合金的流动性（充型能力）取决于哪些因素？提高液态金属充型能力一般采用哪些方法？答：因素及提高的方法： （1）金属的流动性：尽量采用共晶成分的合金或结晶温度范围较小的合金，提高金属液的品质； （2）铸型性质：较小铸型与金属液的温差； （3）浇注条件：合理确定浇注温度、浇注速度和充型压头，合理设置浇注系统； （4）铸件结构：改进不合理的浇注结构。 影响合金收缩的因素有哪些？ 答：金属自身的化学成分，结晶温度，金属相变，外界阻力（铸型表面的摩擦阻力、热阻力、机械阻力） 分别说出铸造应力有哪几类？ 答：（1）热应力（由于壁厚不均、冷却速度不同、收缩量不同） （2）相变应力（固态相变、比容变化） （3）机械阻碍应力 铸件成分偏析分为几类？产生的原因是什么？ 答：铸件成分偏析的分类：（1）微观偏析 晶内偏析：产生于具有结晶温度范围能形成固溶体的合金内。（因为不平衡结晶） 晶界偏析：（原因：(两个晶粒相对生长，相互接近、相遇；(晶界位置与晶粒生长方向平行。）（2）宏观偏析 正偏析（因为铸型强烈地定向散热，在进行凝固的合金内形成一个温度梯度） 逆偏析 产生偏析的原因：结晶速度大于溶质扩散的速度 铸件气孔有哪几种？ 答：侵入气孔、析出气孔、反应气孔 如何区分铸件裂纹的性质（热裂纹和冷裂纹）？ 答：热裂纹：裂缝短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化颜色 冷裂纹：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。 七：什么是封闭式浇注系统？什么是开放式浇注系统？他们各组元横截面尺寸的关系如何？答：封闭式浇注系统：从浇口杯底孔到内浇道的截面逐渐减小，阻流截面在直浇道下口的浇注系统。(ΣF内<ΣF横
2?顺序凝固和同时凝固均有各自的优缺点。为保证铸件质量，通常顺序凝固适 合于（ D ），而同时凝固适合于（ B A .吸气倾向大的铸造合金； B .产生变形和裂纹倾向大的铸造合金； C.流动性差的铸造合金； D ?产生缩孔倾向大的铸造合金。 3 ?铸造应力过大将导致铸件产生变形或裂纹。消除铸件中残余应力的方法是 （ D ）；消除铸件中机械应力的方法是（ C ）o A .采用同时凝固原则； B ?提高型、芯砂的退让性； C.及时落砂； D .去应力 退火。 4．合金的铸造性能主要是指合金的（ B ）。 C )和( G ）。 作业 2 铸造工艺基础 2-1 判断题（正确的画0,错误的画X ） 1 ．浇注温度是影响铸造合金充型能力和铸件质量的重要因素。提高浇注温度有 利于获得 形状完整、 轮廓清晰、 薄而复杂的铸件。 因此, 浇注温度越高越好。 （X ） 2．合金收缩经历三个阶段。其中,液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松 的基本原 因,而固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹的主要原因。 （ 0 ） 3．结晶温度范围的大小对合金结晶过程有重要影响。铸造生产都希望采用结晶 温度范围 小的合金或共晶成分合金, 原因是这些合金的流动性好, 且易形成集中缩孔, 从而可以通过设置冒口,将缩孔转移到冒口中,得到合格的铸件。 4 ．为了防止铸件产生裂纹,在零件设计时,力求壁厚均匀；在合金成分上应严 格限制 钢和铸铁中的硫、磷含量；在工艺上应提高型砂及型芯砂的退让性。 5．铸造合金的充型能力主要取决于合金的流动性、浇注条件和铸型性质。所以 当 合金的成分和铸件结构一定时；控制合金充型能力的唯一因素是浇注温度。 6．铸造合金在冷却过程中产生的收缩分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。共 专业 班级 学号 姓名 O ） O ） (X) 晶成分合金由于在恒温下凝固, 即开始凝固温度等于凝固终止温度, 结晶温度范围为 零。因此,共晶成分合金不产生凝固收缩,只产生液态收缩和固态收缩,具有很好的 铸造性能。 7．气孔是气体在铸件内形成的孔洞。气孔不仅降低了铸件的力学性能,而且还 降低了 铸件的气密性。 8．采用顺序凝固原则,可以防止铸件产生缩孔缺陷,但它也增加了造型的复杂 程度,并 耗费许多合金液体,同时增大了铸件产生变形、裂纹的倾向。 (X) O ） O ) 2- 2 选择题 1 ．为了防止铸件产生浇不 足、 A .减弱铸型的冷却能力； 冷隔等缺陷，可以采用的措施有（ B ．增加铸型的直浇口高度； D . A 、B 和 C ; E . A 和 C o ）。
材料成形技术基础答案_第2版_施江澜_赵占西主编 第一章金属液体成型 1。液态合金的填充能力是多少？它与合金的流动性有什么关系？为什么不同化学成分的合金有不同的流动性？为什么铸钢的填充能力比铸铁差？ ①液态合金的填充能力是指液态合金填充型腔并获得轮廓清晰、形状完整的高质量铸件的能力 ②流动性好，合金熔体充型能力强，容易获得尺寸准确、外观完整的铸件如果流动性不好，填充能力差，铸件容易出现冷隔、气孔等缺陷。不同成分的 ③合金具有不同的结晶特征。共晶合金的流动性最好，其次是纯金属，最后是固溶体合金 ④与铸钢相比，铸铁更接近共晶成分，结晶温度范围更小，流动性更好。2.既然提高浇注温度可以提高液态合金的填充能力，为什么要防止浇注温度过高呢？铸造温度过高( )会增加合金的收缩率，增加空气吸力，并导致严重氧化。相反，铸件容易出现缺陷，如缩孔、缩松、粘砂、夹杂物等。 3。缩孔和气孔的存在会减小铸件的有效承载面积，并引起应力集中，导致铸件的力学性能下降。缩孔 大且集中，容易发现。它可以通过特定的工艺从铸件主体上移除。缩孔较小且分散，多多少少存在于铸件中。对于普通铸件来说，它通常不被视为缺陷，只有当铸件具有高气密性时，才可以防止它液态合
金填充型腔后，如果在冷却和凝固过程中液态收缩和凝固收缩的量没有得到补充，在铸件的最终凝固部分将形成一些型腔。大而集中的空洞变成了缩孔，而小而分散的空洞被称为缩孔 的不足之处是砂类充填不充分。冷绝缘是指在施加一定的力之后，铸造工件出现裂纹或断裂，并且氧化物夹杂出现在断裂表面或没有熔合在一起。 出风口的作用是在铸造过程中排出型腔内的气体，防止铸件产生气孔，便于观察铸件情况。冒口是附加在铸件顶部或侧面的辅助部件，以避免铸造缺陷。在 分步凝固过程中，其横截面上的固相和液相被边界线清楚地分开。在定向凝固中，熔融合金根据所需的晶体取向在与热流相反的方向上凝固。 5。定向凝固的原理是将冒口放置在铸件可能出现缩孔的厚而大的部分，同时采用其他技术措施，从铸件远离冒口的部分到冒口建立逐渐增加的温度梯度，从而实现从远离冒口的部分如冒口方向的顺序凝固。 铸件相邻零件或铸件凝固开始和结束的时间相同或相似，甚至同时完成凝固过程，顺序和方向没有明显区别，称为同步凝固 定向凝固主要用于大体积收缩的合金，如铸钢、球墨铸铁等。同时，凝固适用于凝固收缩小的合金和壁厚均匀、结晶温度范围宽的合金铸件，但对致密性要求不高。6.不均匀冷却使得铸件的慢冷却部分拉伸，而快冷却部分压缩。零件向下弯曲。手动建模和机器建模的优缺点是
半固态材料成形技术的研究和应用 程 钢 樊 刚 (昆明理工大学,昆明50093) 摘 要:半固态成形具有加工温度低,变形抗力小的特点,为高效低能实现金属近净成形提供了现实可能。对半固态金属加工的工艺方法进行了论述,以期推动其理论研究和工业应用。 关键词:半固态;成形;应用 中图分类号:T G249.9 文献标识码:A 文章编号:1004 244X(2001)05 0066 03 金属材料从固态向液态或从液态向固态的转换过程中,均要经历半固态阶段,在这阶段中合金内既存在固相又存在流体液相。半固态加工是将金属或合金在固相线和液相线温度区间进行加工成近终形产品的一种新方法。 与传统的全液态金属成形工艺相比,半固态加工技术概括起来有如下特点[1,2]: (1)用途广泛。流变铸造可以直接成形,也可用于压铸、挤压铸造、模锻成形和金属型、砂型铸造。另外,还能精炼金属,制造复合材料等; (2)铸造过程中不需变质处理即可获得均匀细晶组织; (3)凝固收缩少,可实现近终形加工,并可通过热处理获得优越的机械性能; (4)加工温度低,使成形装置的热负荷减轻,使模具寿命延长; (5)半固态金属粘度高,充型时不喷溅、无湍流;冷却凝固时间短,可大幅提高生产率; (6)节约原材料和能源,降低生产成本。 因此,半固态加工技术被认为是21世纪最具发展前途的近净成形技术和新材料制备技术之一[3]。 1 半固态成形技术 半固态成形是针对固、液态共存的半熔化或半凝固金属进行成型加工的工艺方法。目前,半固态成形方法大致可分为半固态挤压、半固态压铸(包括流变铸造和触变铸造)等几种主要工艺类型[4~6]。 1.1 半固态挤压 半固态挤压是用加热炉将坯料加热到半固态,然后放入挤压模腔,用凸模施加压力,通过凹模模口挤出所需制品。半固态的坯料在挤压模腔内处于密闭状态,流动变形的自由度低,内部的固相成分、液相成分不易独流动,在进入正常挤压状态后,两者一起从模口挤出,在长度方向上得到稳定均一的制品。半固态挤压和其他半固态成型方法相比,研究得最多的是各种率合金和铜合金的棒、线、管、型材等制品。制品的内部组织及机械性能均匀,是难加工材料、粒子强化金属基复合材料、纤维前化金属基复合材料形成加工的不可缺少的技术。 1.2 半固态压铸 半固态压铸主要有两种工艺,分别被称为流变铸造和触变铸造。众所周知,流变铸造的固-液混合金属浆料不仅具有流变性,还具有触变性。半固态铸造用的这种具有流变性和触变性的固-液混合金属浆料,其关键在于要打碎液态金属正在凝固时的树枝状晶,使其成为球状或近似球状的一次相(衰退枝晶)固体质点。 普通压铸工艺有一个缺点是液态金属射入时空气卷进制品中形成气泡,在半固态压铸时,通过控制半固态浆料的粘度和固相率,可以抑制气泡的产生,因此可以加工容易产生气泡,普通压铸工艺难以制造的复杂形状的制品。 1.3 射铸成形 将直接熔化的金属液冷却至一定的温度,在一定的工艺条件下压射入型腔成形,以获得所需的加工件。如美国威斯康辛的触变成形中心及康奈尔大学等研制出镁合金射铸成形装置,将金属从料管加入,经适当加热后压射入型腔成形。 第24卷 第5期2001年 9月 兵器材料科学与工程 ORDNANCE M AT ERIAL Vol.24 N o.5 收稿日期:2000-11-10 基金项目:云南省教委科研基金资助 作者简介:程 钢(1971-),山东大学材料学院,博士2001级
（ . . , [ ' 《材料成形技术基础》考试样题答题页 （本卷共10页） 三、填空（每空分，共26分）
1.( ) ( ) ( ) 2.( ) 3.( ) ( ) 4.( ) 5.( ) < ( )6.( ) ( )7.( ) ( )8.( ) ( )9.( ) 10.( )11.( )12.( ) ( ) 13.( ) ( )14.( )15.( ) 16.( ) ( )17.( ) ( ) 18.( )19.( )20.( ) ( ) 21.( ) ( )22.( )23.( ) 24.( )25.( ) ( )26.( ) — ( )27.( ) ( )28.( ) 29.( ) ( )30.( )31.( ) ( ) ( )32.( ) ( ) 四、综合题（20分） 1、绘制图5的铸造工艺图（6分） 修 2、绘制图6的自由锻件图，并按顺 序选择自由锻基本工序。（6分） ·
自由锻基本工序： 3、请修改图7--图10的焊接结构，并写出修改原因。 、 图7手弧焊钢板焊接结构（2分）图8手弧焊不同厚度钢板结构（2分） 修改原因：焊缝集中修改原因：不便于操作 ~ 图9钢管与圆钢的电阻对焊（2分）图10管子的钎焊（2分） 修改原因：修改原因： 《材料成形技术基础》考试样题 （本卷共10页） 注：答案一律写在答题页中规定位置上，写在其它处无效。 一、判断题（16分，每空分。正确的画“O”，错误的画“×”） 1．( 结晶温度范围大的合金比结晶温度范围小的合2．过热度相同时，
金流动性好。这是因为在结晶时，结晶温度范围大的合金中，尚未结晶的液态合金还有一定的流动能力。F 3．采用顺序凝固原则，可以防止铸件产生缩孔缺陷，但它也增加了造型的复杂程度，并耗费许多合金液体，同时增大了铸件产生变形、裂纹的倾向。T 4．HT100、HT150、HT200均为普通灰口铸铁，随着牌号的提高，C、Si含量增多，以减少片状石墨的数量，增加珠光体的数量。 5．缩孔和缩松都是铸件的缺陷，在生产中消除缩孔要比消除缩松容易。T 6．铸件铸造后产生弯曲变形，其原因是铸件的壁厚不均匀，铸件在整个收缩过程中，铸件各部分冷却速度不一致，收缩不一致，形成较大的热应力所至。T 7．影响铸件凝固方式的主要因素是合金的化学成分和铸件的冷却速度。F 8．制定铸造工艺图时，铸件的重要表面应朝下或侧立，同时加工余量应大于其它表面。T 9．铸造应力包括热应力和机械应力，铸造应力使铸件厚壁或
半固态成形技术研究 发表时间：2014-09-11T16:11:59.530Z 来源：《科学与技术》2014年第4期下供稿作者：胡绵凯[导读] 我国的技术水平稍显落后，发展速度也较慢。但多年来的研究也让我们国家在该领域取得了不少的研究成果。 西南交通大学材料科学与工程学院胡绵凯摘要：如今随着中国的科研技术、制造技术还有工业生产理念的不断发展与创新，我国逐渐对各产业的生产技术有了更高的要求和标准，并逐渐呈现出轻量化和环保化的趋势。无论是汽车新能源的开发还是高速列车的提速和安全问题，我国都渴望寻求新的突破。除了技术的开发和设备的引进，材料的选择是一个重要的突破口，而且如今材料业拥有一个良好的发展前景。从学术角度来看，不管是对传统材 料的改进还是新型材料的开发，都具有广阔的研究空间和无限的可能性。而材料的发展离不开制坯技术的革新，半固态制坯这种新技术正在逐渐进入人们的视野。21 世纪以来，半固态制坯技术已经开始慢慢被了解和使用，对于任何一种材料，在具有独特的性能优势的同时，也必定存在其固有的缺陷。而半固态制坯技术对材料的组织改善可以起到积极的作用，也许可以在保证材料具有自身优点的同时，大幅度地改善在性能上的不足。 关键词：半固态；制坯技术；成形方法1.半固态技术1.1 半固态原理及优势半固态技术是指将材料利用加热到半固态状态下，形成一种固相与液相均匀混合的半固态组织，通过调整加热温度和时间来控制其固相率，在该状态下进行加工成型的方法。经半固态处理后的组织有着良好晶粒形貌，在控制过程中对技术的要求不高，金属不易发生烧毁，同时能耗低，大大提高了合金的利用率。 1.2 半固态特点半固态合金具有流变性和触变性的特点流变性是指合金在加热到半固态的状态下外力作用下发生流动和变形。对于所有的流体，当其内部发生相对运动的时候，会产生摩擦力，阻碍形变的进行。摩擦力的大小取决于速度变化率。牛顿曾对两者的关系进行过分析，随着速度变化率的增大，摩擦力也相应的提高，但不是所有的情况下两者均成正比关系，若温度发生改变，则材料的粘度会随之变化，那么两者呈现出的关系则是非线性的。 触变性宏观上表现为流体合金在流动过程中剪切力对流体粘稠度的影响，受力时流体的粘稠度大于不受力时的粘稠度。 流体在某一特定温度下有两种状态：凝胶状态和溶胶状态。归根到底，触变性即是在两种状态之间彼此的变换，这是一个可逆过程。转换过程的演变取决于时间和机械强度。 2.半固态形变理论2.1 树枝晶搅拌断裂理论半固态制坯的核心在于生成非树枝晶的等轴晶，在材料处于半固态的状态下对其进行搅拌处理，搅拌过程中，搅拌力度和速度越大，晶粒所承受的剪切力和来自液体的冲击也会越大，当力大于晶粒的强度极限时，晶粒就会发生断裂，断裂后的部分将作为核心重新形核，从而形成均匀的等轴晶组织。 2.2 树枝晶熔断理论在搅拌过程中，液体、搅拌工具、晶粒之间存在相对运动并产生摩擦，摩擦过程会有热量的产生。当搅拌过于剧烈时，由于热量来不及扩散，固液组织中可能会产生局部过热的现象，使树枝状的晶粒局部融化脱落，形成新的晶核而导致等轴晶的形成。 2.3 晶粒漂移和混合抑制理论当合金在电磁作用下进行搅拌时，晶粒由于机械作用而断裂的几率不大，晶粒断裂并不是改变晶粒形核状况的主要原因。 在强烈的搅拌作用下，合金的晶粒将发生大规模的移动和晶粒间的混合，这种现象的出现促使非均匀形核的产生，使固液相混合组织内部出现较多的新生晶核，降低了晶粒尺寸，抑制了晶粒的各向异性，使生成的晶粒具有较高的圆整度。 3.半固态制坯方法3.1 电磁搅拌法电磁搅拌法利用了电磁感应现象。在金属溶液外部附加了旋转磁场，使金属液发生切割磁感线运动产生感应电流，由于电流磁效应使金属液发生剧烈的搅拌而促使非树枝晶的形成。 液体的搅拌速度可通过外加磁场的磁场强度和磁场的旋转速度共同控制。而旋转磁场的产生有两种方法：感应线圈两端通入交流电和永磁体在电机的配合下旋转。 电磁搅拌法的优势在于搅拌过程不需要使用搅拌工具（叶片或棒），可提高合金金属的纯度。另外被处理的金属可在密闭的容器中进行，避免了气体的融入可减小成型过程中气孔的产生，减小坯料的缺陷。同时操作性强可控程度高，搅拌的速度可通过磁场强度和旋转速度控制，控制精确，范围广。但是不足之处在于能耗大，制成的坯料造价高，不利于生产大规格构件。 3.2 机械搅拌法机械搅拌法是最古老且简单的搅拌方法，它区别于电磁搅拌法的是利用叶片旋转或搅拌棒来实现搅拌功能，形成非树枝晶的原理与电磁搅拌法类似，。合金的固相率的控制需要通过改变合金周围的环境温度来实现。剪切速度的大小则取决于搅拌工具的转动速度。 机械搅拌法的好处在于搅拌所需的装置比较简单，成本低、操作性强且容易控制。同样缺点也很明显，搅拌速度有限导致生产效率不高，搅拌环境难以密封，容易混入杂质和气体。 4.应用推广如今世界上半固态技术已得到认可和应用。美国最早着手研究该技术，是世界上水平最高的国家。在美国半固态技术主要用于汽车零件的生产，比如发动机的泵体。紧随其后的是欧洲国家，Stampal-Saa 公司曾为福特公司生产齿轮箱的箱盖和传动的摇臂。而日本则在钢铁行业、有色金属和重工业方面大力推广半固态成形技术，并不断与欧美国家展开交流和合作。 比之下，我国的技术水平稍显落后，发展速度也较慢。但多年来的研究也让我们国家在该领域取得了不少的研究成果。目前我国触变成形技术以小有成就，流变成形技术稍显乏力；而应用范围主要是Al、Mg、Pb 此类低熔点的合金；各类模拟软件也逐渐被开发中。 参考文献：[1]毛卫名.半固态金属成形技术[M]. 北京：机械工业出版社.2004.6[2]谢水生，黄宏生.半固态金属加工技术及其应用[M]. 北京：冶金工业出版社.1999[3]毛卫名，赵爱民，钟雪友.半固态金属成形应用的新进展和前景展望[J][4]谢建新.材料加工新技术与新工艺[M].北京：冶金工业出版社
材料成型工艺基础（第三版）部分课后习题答案第一章 ⑵.合金流动性决定于那些因素？合金流动性不好对铸件品质有何影响？ 答：①合金的流动性是指合金本身在液态下的流动能力。决定于合金的化学成分、结晶特性、粘度、凝固温度范围、浇注温度、浇注压力、金属型导热能力。 ②合金流动性不好铸件易产生浇不到、冷隔等缺陷，也是引起铸件气孔、夹渣、縮孔缺陷的间接原因。 ⑷.何谓合金的收縮？影响合金收縮的因素有哪些？ 答：①合金在浇注、凝固直至冷却至室温的过程中体积和尺寸縮减的现象，称为收縮。 ②影响合金收縮的因素：化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件。 ⑹.何谓同时凝固原则和定向凝固原则？试对下图所示铸件设计浇注系统和冒口及冷铁，使其实现定向凝固。 答：①同时凝固原则：将内浇道开在薄壁处，在远离浇道的厚壁处出放置冷铁，薄壁处因被高温金属液加热而凝固缓慢，厚壁出则因被冷铁激冷而凝固加快，从而达到同时凝固。 ②定向凝固原则：在铸件可能出现縮孔的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。 第二章 ⑴ .试从石墨的存在和影响分析灰铸铁的力学性能和其他性能特征。 答：石墨在灰铸铁中以片状形式存在，易引起应力集中。石墨数量越多，形态愈粗大、分布愈不均匀，对金属基体的割裂就愈严重。灰铸铁的抗拉强度低、塑性差，但有良好的吸震性、减摩性和低的缺口敏感性，且易于铸造和切削加工。石墨化不充分易产生白
口，铸铁硬、脆，难以切削加工；石墨化过分，则形成粗大的石墨，铸铁的力学性能降低。 ⑵.影响铸铁中石墨化过程的主要因素是什么？相同化学成分的铸铁件的力学性能是否 相同？ 答：①主要因素：化学成分和冷却速度。 ②铸铁件的化学成分相同时铸铁的壁厚不同，其组织和性能也不同。在厚壁处冷却速度较慢，铸件易获得铁素体基体和粗大的石墨片，力学性能较差；而在薄壁处，冷却速度较快，铸件易获得硬而脆的白口组织或麻口组织。 ⑸.什么是孕育铸铁？它与普通灰铸铁有何区别？如何获得孕育铸铁？ 答：①经孕育处理后的灰铸铁称为孕育铸铁。 ②孕育铸铁的强度、硬度显著提高，冷却速度对其组织和性能的影响小，因此铸件上厚大截面的性能较均匀；但铸铁塑性、韧性仍然很低。 ③原理：先熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、硅含量的高温铁液，然后向铁液中冲入少量细状或粉末状的孕育剂，孕育剂在铁液中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化骤然增强，从而得到细化晶粒珠光体和分布均匀的细片状石墨组织。 ⑻.为什么普通灰铸铁热处理效果不如球墨铸铁好？普通灰铸铁常用的热处理方法有哪 些？其目的是什么？ 答：①普通灰铸铁组织中粗大的石墨片对基体的破坏作用不能依靠热处理来消除或改进；而球墨铸铁的热处理可以改善其金属基体，以获得所需的组织和性能，故球墨铸铁性能好。 ②普通灰铸铁常用的热处理方法：时效处理，目的是消除内应力，防止加工后变形；软化退火，目的是消除白口、降低硬度、改善切削加工性能。
2014年9月份考试材料成形技术基础第三次作业 一、填空题（本大题共20分，共 5 小题，每小题 4 分） 1. 浇注温度过低，液体金属量不够，铸件就会产生冷隔或 ______ 。 2. 常用成形件的检测方法分为 ______ 、 ______ 。 3. 与手工造型相比，机器造型的主要优点是 ______ 、 ______ 、 ______ 。 4. 粉末的成形技术特征主要有： ______ 、 ______ 、 ______ 。 5. 衡量金属材料的焊接性的主要指标有 ______ 、 ______ 两个；通常用 ______ 、 ______ 来评定金属材料的焊接性。 二、名词解释题（本大题共20分，共 4 小题，每小题 5 分） 1. 微观偏析 2. 粘接 3. 塑料的注射成形和挤出成形 4. 液态金属的充型能力与流动性 三、简答题（本大题共20分，共 4 小题，每小题 5 分） 1. 冷铁的作用是什么？ 2. 请简述金属在模膛内的变形过程。 3. 常用成形件内部品质检验方法有那些? 4. 请简要叙述冲天炉熔炼铸铁过程中金属液化学成分的变化情况。 四、分析题（本大题共20分，共 2 小题，每小题 10 分） 1. 分析所示的铸件结构是否合理？请图示改善方案。 2. 试分析图所示铸造应力框： (1)铸造应力框凝固过程属于自由收缩还是受阻收缩? (2)铸造应力框在凝固过程中将形成哪几类铸造应力? (3)在凝固开始和凝固结束时铸造应力框中1、2部位应力属什么性质(拉应力、压应力)? (4）铸造应力框冷却到常温时，在1部位的C点将其锯断，AB两点 间的距离L将如何变化（变长、变短、不变）？
半固态成形技术及其应用 【摘要】本文介绍了半固态成形技术的基本原理、技术优点，重点论述了搅拌、非搅拌浆料制备方法的优缺点及触变、流变、注射成形工艺的特点，并阐述了半固态成形技术工业化应用的现状和发展前景. 【关键词】半固态成形技术原理浆料制备成形方法应用 1前言 20世纪70年代，美国麻省理工学院的Flemimgs提出了金属半固态成形技术(SSM)，就是金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控制固一液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分甚至可高达60%)，这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种即非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态成形技术。 2半固态成形工艺的基本原理 2.1半固态组织的形成机理 2.1.1枝晶断裂机制 在合金的凝固过程中，当结晶开始时晶核是以枝晶方式生长的。在较低温度下结晶时，经搅拌的作用，晶粒之间将产生相互碰撞，由于剪切作用致使枝晶臂被打断，这些被打断的枝晶臂将促进形核，形成许多细小的晶粒。随着温度的降低，这些小晶粒从蔷薇形结构将逐渐演化成更简单的球形结构。 2.1.2 枝晶熔断机制 在剧烈的搅拌下，晶粒被卷入高温区后，较长的枝晶臂容易被热流熔断，这是由于枝晶臂根部的直径要比其它部分小一些，而且二次枝晶臂根部的溶质含量要比它表面稍微高一些，因此枝晶臂根部的熔点要低一些，所以搅拌引起的热扰动容易使枝晶臂根部发生熔断。枝晶碎片在对流作用下，被带入熔体内部，作为新的长大核心而保存下来，晶粒逐渐转变为近球形。 2.1.3 晶粒漂移、混合—抑制机制 在搅拌的作用下，熔体内将产生强烈的混合对流，凝固过程是就在激烈运动的条件下进行，因而是一种动态的凝固过程。结晶过程是晶体的形核与长大的过程，强烈的对流使熔体温度均匀，在较短的时间内大部分熔体温度都降到
4 金属半固态加工 4.1概述 4.1.1半固态加工的概念与特点 4.1.1.1半固态加工的概念 传统的金属成形主要分为两类：一类是金属的液态成形，如铸造、液态模锻、液态轧制、连铸等；另一类是金属的固态成形，如轧制、拉拔、挤压、锻造、冲压等。在20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemimgs教授等提出了一种金属成形的新方法，即半固态加工技术。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(rheoforming)；如果将流变浆料凝固成锭，接需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态温度区，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，这种方法称之为触变成形(thixoforming)。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 processing of metals)，目前在国际上，通常将半固态加工简称为SSM(semi-solid metallurgy)。 就金属材料而言，半固态是其从液态向固态转变或从固态向液态转变的中间阶段，特别对于结晶温度区间宽的合金，半固态阶段较长。金属材料在液态、固态和半固态三个阶段均呈现出明显不同的物理特性，利用这些特性，产生了凝固加工、塑性加工和半固态加工等多种金属热加工成形方法。 凝固加工利用液态金属的良好流动性，以完成成形过程中的充填、补缩直至凝固结束。其发展趋势是采用机械压力替代重力充填，从而改善成形件内部质量和尺寸精度．但从凝固机理角度看，凝固加工要想完全消除成形件内部缺陷是极其困难的，甚至是不可能的。 塑性加工利用固态金属在高温下呈现的良好塑性流动性，以完成成形过程中的形变和组织转变。与凝固加工相比，采用塑性加工成形的产品质量明显好，但由于固态金属变形抗力高，所需变形力大，设备也很庞大，因此要消耗大量能源，对于复杂零件往往需要多道成形工序才能完成。因此，塑性加工的发展方向是降低加工能耗和成本、减小变形阻力、提高成形件尺寸精度和表面与内部质量。由此出现了精密模锻、等温锻造和超塑性加工等现代塑性加工方法。 半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变(即液固共存)过程中所具有的特性进行成形的方法。这一新的成形加工方法综合了凝固加工和塑性加工的长处。即加工温度比液态低、变形抗力比固 态小，可一次大变形量加工成形形 状复杂且精度和性能质量要求较高 的零件。所以，国外有的专家将半 固态加工称为21世纪最有前途的材 料成形加工方法。 图4-l表示金属在高温下 三态成形加工方法的相互关系。
一、判断题(每题1分，共20分。正确的打√，错误的打×) 1.淬火的主要目的是为了提高钢的硬度，因此，淬火钢就可以不经回火而直接使用。（×） 2.钢中的含碳量对钢的力学性能具有重要的影响，40钢与45钢相比，后者的强度和硬度高，而塑性较差。（√） 3.浇注温度是影响铸造合金充型能力和铸件质量的重要因素，提高浇注温度有利于获得形状完整、轮廓清晰、薄而复杂的铸件，因此，浇注温度越高越好。（×） 4. 气孔是气体在铸件中形成的孔洞。气孔不仅降低了铸件的力学性能，而且还降低了铸件的气密性。（√） 5.灰口铸铁组织中由于存在着大量片状石墨，因而抗拉强度和塑性远低于铸钢。但是片状石墨的存在，对灰口铸铁的抗压强度影响很少，所以灰口铸铁适合于生产承受压应力的铸件。（√） 6.铸造生产的显著特点是适合于制造形状复杂，特别是具有复杂内腔的铸件。（√） 7.为了避免缩孔、缩松或热应力、裂纹的产生，铸件壁厚应该尽可能均匀，所以设计零件外壁和内壁，外壁和筋，其厚度应该相等。（×） 8.采用顺序凝固原则，可以防止铸件产生缩孔缺陷，但它增加了造型的复杂程度，并耗费了许多金属液体，同时增大了铸件产生变形和裂纹的倾向。（√） 9.芯头是砂芯的一个组成部分，它不仅能使砂芯定位、排气，还能形成铸件内腔。（×） 10.浇注位置选择原则之一是将铸件的大平面朝下，主要目的是防止产生缩孔缺陷（×） 11.分型面是为起模或取出铸件而设置的，砂型铸造、熔模铸造和金属型铸造所用的铸型都有分型面。（×） 12.压力加工是利用金属产生塑性变形获得零件或毛坯的一种方法。在塑性变形的过程中，理论上认为金属只产生形状的变化而其体积是不变的。（√） 13.板料弯曲时，弯曲后两边所夹的角度越小，则弯曲部分的变形程度越大。（×） 14.板料冲压落料工序中的凸凹模间隙是影响冲压件剪断面质量的关键。凸、凹模间隙越小，则冲压件毛刺越小，精度越高。（×） 15.氩弧焊采用氩气保护，焊接质量好，适于焊接低碳钢和非铁合金等。（√） 16.焊接中碳钢时，常采用预热工艺，预热对减少焊接应力十分有效，同时，预热也可防止在接头上产生淬硬组织。（√） 17.电阻焊是利用电流通过工件及其接触处所产生的电阻热作为焊接热源，将工件接触处加热到塑性状态或熔化状态，并在压力作用下，形成焊接接头的一种压力焊方法。（√） 18铸造生产中，模样形状就是零件的形状。（×） 19. 铸型中含水分越多，越有利于改善合金的流动性。（×） 20. 铸件在冷凝过程中产生体积和尺寸减小的现象称收缩。（√） 二、单选题：（每题1分，共30分） 1、将模型沿最大截面处分开，造出的铸型型腔一部分位于上箱，一部分位于下箱的造型方 法称（C） A. 挖砂造型 B. 整模造型 C. 分模造型 D. 刮板造型 2、灰口铸铁体积收缩率小的最主要原因是由于（A ） A. 析出石墨弥补体收缩 B. 其凝固温度低 C. 砂型阻碍铸件收缩 D. 凝固温 度区间小 ３、65Mn钢是常用的合金弹簧钢，“65”的意义是：（B） A.钢中的含碳量为6.5% B.钢中的含碳量为0.65% C.钢中的含锰量为6.5%
《工程材料及成形技术基础》课复习提纲 一、工程材料部分 1.常见金属晶格类型 2. 三种晶体缺陷。 3. 相的概念。 4.固态合金有哪些相。 5.过冷度的概念。 6.过冷度与晶粒度的关系。 7.结晶过程的普遍规律。 8.控制晶粒度的方法。 9.同素异构转变的概念。10.绘制铁碳合金相图（各线、特殊点、成份、温度、组织、相）。11.分析钢从奥氏体缓冷至室温时的结晶过程，画出典型铁碳合金（钢）显微组织示意图。12.共晶反应式和共析反应式。13.金属塑性变形的两种方式。14.加工硬化的概念。15再结晶温度的计算16热加工与冷加工的区别。17.钢的热处理概念18.热处理工艺分类。19.过冷奥氏体转变的产物。20.决定奥氏体转变产物的因素。21.马氏体的概念。22会分析过冷奥氏体转变曲线。知道淬透性与C曲线的关系。23.退火和正火的目的。 24.淬火的概念。25.一般怎样确定碳钢的淬火温度？ 26.影响淬透性的因素。 27.回火的目的28.何为回火脆性？29.回火的种类。30.一般表面淬火的预备热处理方法和表面淬火后的组织。31渗碳的主要目的。32.钢按化学成分分类。 33.钢按质量分类 34 钢按用途分类。35机器结构钢的分类36 钢中S、P杂质的影响。37合金元素在钢中的作用38.结构钢牌号表示的含义。39.能区别渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢的牌号和一般采用的热处理方法。40按刃具钢的工作条件，提出哪些性能要求？41.根据碳钢在铸铁中存在形式及石墨形态，铸铁的分类。 二、材料成形技术部分
1铸造工艺参数主要包括哪些容？2流动性对铸件质量的影响。3什么合金易于形成缩孔、什么合金易于形成缩松？。3铸造应力分为哪几类？4减小和消除铸造应力的主要方法。5绘制自由锻件图主要考虑哪些问题？。6何谓拉深系数？有何意义？ 8.焊接的实质。9. 碱性焊条的最主要优点。 10.焊接接头由哪几部分组成？11.低碳钢焊接热影响区的划分。12.焊接变形的基本形式。13.防止和消除焊接应力的措施。14.如何根据碳当量的高低评估钢的焊接性？为什么？15.工程材料及成形工艺选用的基本原则。 题库 一、名词解释 1．固溶强化；2．结晶；3．加工硬化；4．屈服强度； 5、过冷度；6．钢的热处理；7．再结晶；8、马氏体；9、钢的淬火…… 10、铸造……11疲劳现象.; 12.同素异构转变; 二、填空题： 1、根据溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同，固溶体可分（间隙固溶体）和（置换固溶体）。 2、金属中三种常见的晶格类型是（体心立方）、（面心立方）和（密排六方）。 3、固态金属中的相有两种：（固溶体）和（化合物）。 4、液态金属结晶时，冷却速度大，过冷度则越（大）。结晶后，晶粒（细小）。 5.、普通热处理是指（退火）、（正火）、（淬火）、（回火） 6、金属结晶后的晶粒大小主要取决于结晶时的（形核率）和（长大速率）。 7 . 铁碳合金在从液态冷却到固态的结晶过程中，细化晶粒的具体操作方法有（快速冷却）、（加入变质剂）和（机械搅拌）。 8、铸造应力分为：（热应力）和（机械应力）,其中( 热应力 )属残余应力。 9、铸铁具有良好的耐磨性和消振性,是因为其组织中有( 石墨 )存在。 10. 手工电弧焊焊条按药皮组成分为酸性焊条和碱性焊条两