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半固态成形工艺的基本原理

时间:2016-06-12 来源:睿甲精工浏览次数:136

半固态组织的形成机理

与常规铸造方法形成的枝晶组织不同,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,所谓流变铸造就是指让合金在剧烈搅拌的状态下凝固。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生长的。随着温度的下降,虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式生长,但是由于搅拌的作用,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。形成了更多的细小晶粒,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,演化过程如下图所示。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(但不能让合金完全熔化),它也不会变成枝晶。
 
                                                           球状晶演化过程

国内外不少学者对球形晶粒形成机理及演变过程进行了研究。研究指出:半固态浆料搅动时的组织演变受很多因素影响,半固态浆料的温度、固相分数和剪切速率是三个基本因素。关于有色金属半固态组织的演变机制,从日前文献来看,主要有以下几种机理。

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、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。

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凝固温度,再由于成分过冷,熔体中存有大量的有效形核质点,在适宜条件下能以非均匀形核的方式形成大量晶核,而混合对流引起的晶粒漂移又极大的增大了形核率。然而在长大过程中,强烈的混合对流则极大的改善了熔体中的传热和传质过程,对晶体的生长起到了强烈的抑制作用。由于混合对流作用,使得熔体的温度和成分相对均匀。所谓的混合—抑制机制正是指这种环境不利于择优生长,或者说这种生长方式受到了强烈地抑制,而只能选择各个方向长大,于是获得了球状的非枝晶组织。

4、枝晶弯曲机制
 
Vogel 和 Doherty 等人认为枝晶臂在流动应力作用下会发生弯曲,并且位错的产生将导致塑性变形的产生。在固相线以上温度时,位错间发生攀移并且互相结合形成晶界,当相邻晶粒的取相差超过20°,晶粒晶界能超过固-液界面能的两倍,液体就将润湿晶界并沿着晶界迅速渗透,从而使枝晶臂与主干分离。

半固态合金的流变性能和触变特性

影响半固态合金流变性能的主要因素是浆料的固相分数、等温温度和剪切速率。当剪切速率一定时,表观粘度随固相分数的增加而增加,流型变化为牛顿流体—拟塑性流体—宾汉姆流体。

相比半固态合金的流变性,触变性强调的是表观粘度与剪切时间的依赖关系,它表征半固态浆液的依时行为。即在剪切作用下,合金液的表观粘度随时间连续下降。静止时表观粘度随之恢复。
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