[0001] 本发明是关于半固态成型技术领域，特别是关于一种半固态成形材料及其使用方法。

[0002] 半固态成型技术包括触变铸造、触变锻造、半固态轧制和射铸成型几种工艺，但应用最广的是触变铸造，触变铸造是指把经在固‑液温度区间搅拌的金属先制成非枝晶淀料，然后根据所做零件的大小截成小的坯料，再将坯料重新加热到半固态温度后压入模具的方法。

[0003] 半固态成型技术包括枝晶断裂机制、枝晶熔断机制、晶粒漂移、混合‑抑制机制以及枝晶弯曲机制，其中：

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 枝晶弯曲机制，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。

[0009] 将铸锭加压产生确定量的预变形，使其组织具有猛烈的拉伸形变机构，然后将其加热到半固态温度保温一段时间，熔化的片面液相渗入到小角度晶界中，使固相粒子分开，树枝晶破碎，从而得到半固态组织。

[0010] 但是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，在冷却的过程中若是冷却速率过快或者冷却速率较慢，则会影响半固态组织的晶粒变化。

[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下文为了描述方便，所引用的“上”、“下”、“左”、“右”等于附图本身的上、下、左、右等方向一致，下文中的“第一”、“第二”等为描述上加以区分，并没有其他特殊含义。

[0025] 本申请实施例通过提供一种半固态成形材料及其使用方法，解决现有技术中的问题，改变金属液在冷变形时的冷却速度，改变金属液的一次冷却以及二次冷却，一次冷却速率较大，冷却降温幅度大，二次冷却速率较小，且冷却降温幅度小，使得金属液冷却到固相含量达40%，金属液的过冷度大，形核率大幅度增加，得到的流变结构组织较细，所得晶粒较细。

[0026] 本申请实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

[0027] 实施例1

[0028] 本实施例给出一种半固态成形材料的制备方法，如图1所示，按照质量百分数，由以下原料制备而成：C：0.08%；Si：0.1%；Mn：0.2%；Ti：0.04%；Ni：0.4%；Fe：0.020%；其余为Al和不可避免的杂质元素。

[0029] 具体步骤如下：

[0030] 步骤一、按照质量百分数进行取料，利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯，连铸方法包括对取料的原料混合并且加热，加热采用加热炉，并且加热温度为800℃；

[0031] 步骤二、将该金属锭坯在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，挤压变形采用液压机的方式对金属锭坯挤压；

[0032] 步骤三、再对热态挤压变形过的金属锭坯进行冷变形，在金属锭坯的组织中储存部分变形能力，冷变形分为两个阶段控制，第一阶段经过强制冷却装置采用较高的冷却速率进行冷却，冷却速率为40℃/s的速度，第一阶段的冷却温度在850℃，第二阶段冷却速率为25℃/s的速度，第二阶段冷却温度在650℃；

[0033] 步骤四、根据需要将经过变形的金属锭坯分切；

[0034] 步骤五、将分切后的金属锭坯重熔加热，重熔加热温度为700℃；

[0035] 步骤六、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半固态坯料，加热到固液两相区并适当保温的加热保温时间在4h。

[0036] 根据实施例1生产的合金晶粒细度为0.004mm。

[0037] 实施例2

[0038] 本实施例给出一种半固态成形材料的制备方法，如图1所示，按照质量百分数，由以下原料制备而成：C：0.08%；Si：0.1%；Mn：0.2%；Ti：0.04%；Ni：0.4%；Fe：0.020%；其余为Al和不可避免的杂质元素。

[0039] 具体步骤如下：

[0040] 步骤一、按照质量百分数进行取料，利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯，连铸方法包括对取料的原料混合并且加热，加热采用加热炉，并且加热温度为800℃；

[0041] 步骤二、将该金属锭坯在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，挤压变形采用液压机的方式对金属锭坯挤压；

[0042] 步骤三、再对热态挤压变形过的金属锭坯进行冷变形，在金属锭坯的组织中储存部分变形能力，冷变形分为两个阶段控制，第一阶段经过强制冷却装置采用较高的冷却速率进行冷却，冷却速率为30℃/s的速度，第一阶段的冷却温度在850℃，第二阶段冷却速率为15℃/s的速度，第二阶段冷却温度在650℃；

[0043] 步骤四、根据需要将经过变形的金属锭坯分切；

[0044] 步骤五、将分切后的金属锭坯重熔加热，重熔加热温度为700℃；

[0045] 步骤六、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半固态坯料，加热到固液两相区并适当保温的加热保温时间在4h。

[0046] 根据实施例2生产的合金晶粒细度为0.007mm。

[0047] 根据实施例1以及实施例2的对比信息可知：

[0048] 实施例1以及实施例2的冷却速率不相同，其余的变量相同，冷却速率较大的实施例1得到的晶粒较细。

[0049] 实施例3

[0050] 本实施例给出一种半固态成形材料的制备方法，如图1所示，按照质量百分数，由以下原料制备而成：C：0.12%；Si：0.2%；Mn：1.5%；Ti：0.05%；Ni：0.5%；Fe：0.050%；其余为Al和不可避免的杂质元素。

[0051] 具体步骤如下：

[0052] 步骤一、按照质量百分数进行取料，利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯，连铸方法包括对取料的原料混合并且加热，加热采用加热炉，并且加热温度为800℃；

[0053] 步骤二、将该金属锭坯在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，挤压变形采用液压机的方式对金属锭坯挤压；

[0054] 步骤三、再对热态挤压变形过的金属锭坯进行冷变形，在金属锭坯的组织中储存部分变形能力，冷变形分为两个阶段控制，第一阶段经过强制冷却装置采用较高的冷却速率进行冷却，冷却速率为30℃/s的速度，第一阶段的冷却温度在850℃，第二阶段冷却速率为15℃/s的速度，第二阶段冷却温度在650℃；

[0055] 步骤四、根据需要将经过变形的金属锭坯分切；

[0056] 步骤五、将分切后的金属锭坯重熔加热，重熔加热温度为700℃；

[0057] 步骤六、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半固态坯料，加热到固液两相区并适当保温的加热保温时间在4h。

[0058] 根据实施例3生产的合金晶粒细度为0.004mm。

[0059] 根据实施例1以及实施例3的对比信息可知：

[0060] 实施例1以及实施例3的质量分数不相同，其余的变量相同，得到的晶粒相同。

[0061] 实施例4

[0062] 本实施例给出一种半固态成形材料的制备方法，如图1所示，按照质量百分数，由以下原料制备而成：C：0.08%；Si：0.1%；Mn：0.2%；Ti：0.04%；Ni：0.4%；Fe：0.020%；其余为Al和不可避免的杂质元素。

[0063] 具体步骤如下：

[0064] 步骤一、按照质量百分数进行取料，利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯，连铸方法包括对取料的原料混合并且加热，加热采用加热炉，并且加热温度为800℃；

[0065] 步骤二、将该金属锭坯在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，挤压变形采用液压机的方式对金属锭坯挤压；

[0066] 步骤三、再对热态挤压变形过的金属锭坯进行冷变形，在金属锭坯的组织中储存部分变形能力，冷变形分为两个阶段控制，第一阶段经过强制冷却装置采用较高的冷却速率进行冷却，冷却速率为40℃/s的速度，第一阶段的冷却温度在750℃，第二阶段冷却速率为25℃/s的速度，第二阶段冷却温度在560℃；

[0067] 步骤四、根据需要将经过变形的金属锭坯分切；

[0068] 步骤五、将分切后的金属锭坯重熔加热，重熔加热温度为700℃；

[0069] 步骤六、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半固态坯料，加热到固液两相区并适当保温的加热保温时间在4h。

[0070] 根据实施例1生产的合金晶粒细度为0.004mm。

[0071] 根据实施例1以及实施例4的对比信息可知：

[0072] 实施例1以及实施例4的冷却温度不相同，其余的变量相同，得到的晶粒相同。

[0073] 实施例5

[0074] 本实施例给出一种半固态成形材料的制备方法，如图1所示，按照质量百分数，由以下原料制备而成：C：0.08%；Si：0.1%；Mn：0.2%；Ti：0.04%；Ni：0.4%；Fe：0.020%；其余为Al和不可避免的杂质元素。

[0075] 具体步骤如下：

[0076] 步骤一、按照质量百分数进行取料，利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯，连铸方法包括对取料的原料混合并且加热，加热采用加热炉，并且加热温度为800℃；

[0077] 步骤二、将该金属锭坯在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，挤压变形采用液压机的方式对金属锭坯挤压；

[0078] 步骤三、再对热态挤压变形过的金属锭坯进行冷变形，在金属锭坯的组织中储存部分变形能力，冷变形分为两个阶段控制，第一阶段经过强制冷却装置采用较高的冷却速率进行冷却，冷却速率为40℃/s的速度，第一阶段的冷却温度在850℃，第二阶段冷却速率为25℃/s的速度，第二阶段冷却温度在650℃；

[0079] 步骤四、根据需要将经过变形的金属锭坯分切；

[0080] 步骤五、将分切后的金属锭坯重熔加热，重熔加热温度为700℃；

[0081] 步骤六、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半固态坯料，加热到固液两相区并适当保温的加热保温时间在4h。

[0082] 根据实施例1生产的合金晶粒细度为0.004mm。

[0083] 根据实施例1以及实施例5的对比信息可知：

[0084] 实施例1以及实施例5变量均相同，得到的晶粒相同。

[0085] 根据实施例1至实施例5可知：

[0086] 改变金属液在冷变形时的冷却速度，改变金属液的一次冷却以及二次冷却，一次冷却速率较大，冷却降温幅度大，二次冷却速率较小，且冷却降温幅度小，使得金属液冷却到固相含量达40%，金属液的过冷度大，形核率大幅度增加，得到的流变结构组织较细，所得晶粒较细。

[0087] 本发明中桥梁耐候钢板成分设计依据在于：

[0088] C是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素。C溶入基体形成间隙固溶体，起到固溶强化的作用，显著增加基体的强度。但随着碳含量的增加，钢的塑性和韧性下降，因此本发明C百分含量设定为0.08～0.12%。

[0089] Mn是钢中的一种主要元素，可以提高材料强度，因此本发明Mn百分含量设定为0.2～1.5%。

[0090] Si元素在钢中主要以固溶强化形式提高钢的强度，但明显降低钢的塑性和韧性，因此本发明Si百分含量设定为0.1～0.2%。

[0091] Ti是一种好的固氮元素，同时细小的氮化钛在坯料加热时可以有效组织奥氏体晶粒长大，因此本发明Ti百分含量为0.04～0.05%。

[0092] Ni能有效阻止Cu的热脆引起的网裂，但Ni越高，坯料加热后氧化铁皮的黏性越大，除磷难度增大，因此本发明Ni百分含量控制在0.4～0.5%。

[0093] 最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。