金属半固态成形技术的应用现状及发展前景
半固态金属成形技术的发展与应用
半固态金属成形技术的发展与应用70年代初美国麻省理工学院的M.Flemigs和D.Spencer发现，处于固-液相区间的合金经过连续搅拌后呈现出低的表观粘度，此时在结晶过程中形成的树枝晶被粒状晶代替。
这种浆料很容易变形，只要加很小的力就可以充填复杂的型腔，从而开发出一种新的金属成形方法—半固态金属成形。
半固态金属成形可以分为流变成形和触变成形两种。
前者是利用半固态金属的流变性能，将经过强烈搅拌的金属浆料加压成形。
后者则利用金属的触变性能，将凝固的搅拌金属浆料加热至半固态再加压成形。
半固态金属成形具有能消除气孔、缩孔，提高零件的机械性能及模具寿命，减少凝固收缩，提高零件尺寸精度等优点。
半固态金属易于搬运和输送，为连续高效的自动化生产创造了条件。
在节省能源、保护环境方面也较传统的铸造方法更为优越。
目前美国、西欧已将半固态加工成形技术应用于生产。
美国军方把用流变铸造法制造复合材料坦克零件列为五年工艺研制规划之一。
在川崎制铁等18家大型公司的资助下，日本从1988～1994年成立了专门研究机构，对半固态金属的性能、制造与加工技术进行了全面的研究，目前已着手工业化生产。
我国对半固态金属成形技术的研究基本上还处于实验室阶段，离工业性生产尚有一定距离。
1半固态金属的流变特性半固态金属的流变特性是指在外力作用下半固态金属的流动、变形性能。
研究半固态金属的流变特性对半固态金属的制备和成形技术具有重要的指导意义。
当金属液中固体金属颗粒的组分大于0.05～0.1时，其流变行为即呈现非牛顿体型。
在更高的固体组分（0.5～0.6）时，浆料呈非线性粘塑性，具有宾汉（Binghan）流体的特性。
虽然合金成份、半固态金属的制造条件、固体相的形状与大小等因素对半固态金属的流变性能都有影响，但固相组分的数量对流变性能的影响最大。
通常用半固态金属的表观粘度作为其流变性的指标。
通过在一定剪切变形速度及冷却条件下的搅拌试验，测定了在不同固体组分下的铝、铜、铁半固态金属的表观粘度，见图1，并采用悬浊液的粘度公式对表观粘度与固相率的关系进行回归分析，得到如公式（1）所示的半固态金属表观粘度表示式［1］：图1固相率与表观粘度间的关系（曲线为回归结果）（1）式中：ηa—半固态金属表观粘度，Pa.s，ηLa—金属液表观粘度（Pa.s），ρm—合金密度（kg.m-3），C—凝固速度，s-1，—剪切变形速度，s-1，f s—固相率。
浅谈金属半固态成形技术
江苏理工学院JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY材料先进制备与成形加工技术课程论文学院名称：材料工程学院专业：机械工程2013年04 月浅谈金属半固态成形技术摘要本文综述了半固态成形技术，介绍了半固态成形技术的定义及其成形工艺，研究现状及发展应用，半固态浆料的制备方式及浆料的特点，最后对半固态技术进行了展望。
关键词半固态成形触变成形流变成形1.半固态成形技术定义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；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。
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技术。
如下图一所示。
图一半固态成形技术2、半固态加工的成形工艺目前，金属半固态成形的工艺路线主要有两种：一种是触变成形，把制浆与成形结合在一起；另一种是流变成形，将制坯和成形结合在一起。
2．1 触变成形触变成形的工艺路线是将半固态合金浆料铸造成锭坯，根据产品尺寸需要进行下料，经二次加热后，在半固态温度下进行压力加工成形。
由于半固态坯料的加热、输送工艺较为方便，并易于实现自动化操作，因而触变成形工艺在得到了广泛应用。
如半固态金属触变压铸、触变锻造、触变挤压工艺目前都已成熟，并进入实际应用。
随着触变成形工艺的推广和应用，生产实践中发现触变成形工艺也存在一些不足，如成本高，坯料损耗过多，坯料重熔时固相率难以精确控制。
工艺图如图二所示。
2．2 流变成形流变成形是将制备的半固态合金熔体直接转移到成形设备进行成形的工艺方法。
半固态金属铸造技术的发展及其应用
② 触变成形：利用金属的半固态坯锭进行加工。
半固态金属铸造的应用
半固态加工技术以其技术与综合经济优势，很快就从实验 研究进入工业应用，美国是其发源地，而工业应用也以美国为 先导。 目前国外已建立了许多半固态铸造厂，仅以美国为例，有 色金属公司于1994年建立的半固态铸造技术生产汽车零件的工 厂，每年可生产2400万个零部件，零件单重从10g到10kg，直 径最大达500mm。 瑞士的布勒公司于1993年生产出了第一台适用于铝合金 半固态压铸的SC压铸机，与普通的压铸相比，产品质量提高， 工艺周期缩短 。
(1)半固态金属的两种基本性质 ① 流变性：金属在半固态状态下呈现的类似液体可以流动并带有粘性的特性，
称为流变性。
② 触变性：触变性是指在一定的时间范围内，半固态浆料的粘度随剪切率的增
加，而减小的特性。
(2)半固态金属铸造成形方法 ① 流变成形：将含有一定类球状初生固相的固一液混合浆料(即流变浆料)直接
半固态铸造技术在国外已经获得较多应用，而国内尚处于基础 理论和实验研究阶段，半固态铸件的工业化生产还未普及，因此今 后需要加强这方面的工作。
半固态金属铸造技术在国外的发展
1992年美国阿卢马克斯工程金属工艺公司与索帕里奥工业公 司在阿肯萨斯州建立了全球第一家半固态模锻铝合金轮毂，进行工 业试生产，成品率几乎为100。1994年和1996年，阿卢马克斯工程 金属工艺公司在阿肯色州又分别建立了两个半固态金属铸造技术的 专业厂，主要生产制动泵体、空调箱体、离合器、悬挂件等汽车零 件，可年产10g到10kg的汽车零件3000万个。此外，美国还有数家 公司已经或正准备采用半固态成形技术生产铝合金或镁合金零件， 其产品主要着眼于汽车工业。
半固态金属铸造技术的 发展及其应用
半固态铸造工艺应用
半固态铸造工艺应用半固态铸造工艺是指在金属熔体中掺入半固态剂，通过特定的工艺条件，使金属熔体部分凝固成半固态状态，再进行铸造制造。
半固态铸造有着许多优点，例如成形良好、缩短加工周期、提高产品性能等。
以下将从原理、工艺、优缺点和应用等方面介绍半固态铸造。
一、原理半固态铸造工艺的原理在于铸造时将金属熔体掺入半固态剂，控制好半固态熔体的比例和凝固温度，使其部分凝固成良好的半固态状态。
半固态状态下的金属材料不仅具有良好的流动性，而且还具有较高的塑性和较小的收缩率，使得铸件成形更加均匀、精准。
二、工艺1、原料准备：将金属熔体和半固态剂按比例配制，控制好加热和冷却的速度。
2、熔体搅拌：在混合后的金属熔体中通过机械搅拌或气体喷吹等方式来控制其凝固和防止熔化。
3、控制温度：控制金属熔体的加热温度和冷却温度，使其快速凝固成为良好的半固态熔体，保持其流动性。
4、铸造：将半固态熔体注入模型中进行铸造，在适当的时间内完成金属熔体的凝固和冷却，取出铸件进行二次加工或直接使用。
三、优缺点1、优点：半固态铸造工艺可以有效提高铸件的成形精度和表面质量，并且能够缩短加工周期，提高产品的性能和使用寿命。
2、缺点：半固态铸造需要专业的设备和技术支持，在操作过程中需要精密控制温度和时间，成本较高。
四、应用由于半固态铸造具有许多优势，因此在航空、汽车、轨道交通、电力等重要领域的应用越来越多。
例如，航空设备制造中常采用半固态铸造工艺生产复杂形状的铝合金零部件，可以大大提高飞机的动力性能；汽车制造中，半固态铸造可用于生产大型铝制汽车零部件，如发动机缸体和曲轴；轨道交通制造方面，半固态铸造可用于生产高速列车的车架、车身等零部件，提高列车的运行速度和安全性。
综上所述，半固态铸造工艺具有成形精度高、减少加工周期、提高产品性能等优点，在各大领域的应用前景广阔。
同时，我们也要认识到半固态铸造存在一些技术难度，需要专业人士的支持和掌握。
我们期待半固态铸造技术的不断发展和改进，为我们的工业制造业带来更多的机遇和挑战。
铝合金半固态成形技术应用及发展
铝合金半固态成形技术的应用及发展摘要：半固态成形技术是一种近终成形（near-net-shape）的成形工艺。
本文阐述了铝合金半固态成形技术的应用概况及主要工艺方法，各种半固态成形工艺的应用及其优缺点，以及铝合金半固态成形技术的发展趋势。
关键词：铝合金；半固态；成形；0前言半固态加工技术主要应用于汽车零件制造方面，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。
多数情况为铝、镁合金的半固态压铸、模锻以及注射成形。
所谓半固态金属加工技术即在金属凝固过程中，进行剧烈搅拌，将凝固过程中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生长，然后直接进行流变铸造或制备半固态坯锭后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工。
金属半固态成形技术（semi-solid metal forming，简称ssm）是在20世纪七十年代由美国麻省理工学院学者m.c.flemings等人首次提出，该技术具有高效、优质、节能和近终成形等优点[1~3]，可以满足现代汽车制造业对有色合金铸件高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重视。
1.半固态成形工艺半固态金属加工技术主要有两种工艺：一种是将经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工，即流变成形（rheoforming）；另一种是将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工，即触变成形（thixoforming），后者在目前的生产条件下占主导地位。
通常铝合金的半固态加工技术主要有三道工序：半固态坯料的制备、二次重熔和触变成形。
触变成形作为半固态加工技术的最后一道工序，是影响半固态成形件组织和性能的关键工序，直接影响着半固态成形件的组织和性能。
半固态金属加工技术可分为半固态金属铸造法和锻造法。
1.1半固态铸造工艺半固态压铸工艺是目前半固态金属铸造成形的主要成形工艺。
金属材料半固态凝固及成形技术进展
关 键 词 ：金属材 料 ；半 固态 ；凝固 ；成形
中 图分 类 号 ：Ｔ ２４ ３；Ｔ ２ ９ ２ Ｇ ４ ． Ｇ ４ ．
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１７ ６ ４—３ ６ （ ０ ０ ０ ０ ２ ０ ９ ２ ２ １ ） ７— ０ ７— ７
ＫＡＮＧ ｎ ｌｎ， Ｓ Ｙｏ ｇ ｉ ＯＮＧ ｎ ｏ， ＹＡＮＧ ｉ ｑ ｎ Ｒｅ ｂ Ｌ ｕ ｉ ｇ， ＺＨＡＮＧ ａ Ｆｎ
（ ｔｔ ｙＬ ｂ ｒｔｒ ｏ ｖ ｎ ｅ ｔｌ ａ ｄＭａｅ ａｓ ｃ ｏｌｏ ｔｒａｓＳ ｉｎ ｅａ ｄ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ＳａｅＫｅ ａ ｏａｏ ｆｒＡｄ ａ ｃ ｄ Ｍｅａｓ ｎ ｔｒ ｌ，Ｓ ｈ ｏ ｆＭａｅ ｌ ｃｅ ｃ ｎ ｎ ｉｅ ｒ ｇ． ｙ ｉ ｉ ｉ
来越广泛的关 注 ，对半 固态凝 固成形 技术 的研究 已成为 近 年 国内外金属材料领域竞相开展 的一个方 向。 从 １９ ９ ０年至 ２０ ０ ８年 ，国际上先 后 召开 了 １ ０届合 金 及 复合 材料 半 固态加 工学 术研 讨会 ，２ １ ０ ０年 ９月 将在 北
Ｕ ｉ ｒｉ ｆ ｃ ｎ ｅａｄＴ ｃｎｌｇ ｅ ｉｇ ｅ ｉｇ１ ０ ８ ，Ｃ ｉａ ｎｖ ｓｙｏ ｉ ｃ ｎ ｅ ｈｏｏｙＢ ｉｎ ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ３ ｈｎ ） ｅ ｔ Ｓｅ ｊ ｊ
Ａｂ ｔ ｃ ：Ｔ ｅ ｈｓ ｒ ａ ｄ ｃ ｒ ｎ ｉ ａ ｏ ０ ｓｍｉ ｏ ｄ ｓｌ ｉｃ ｔ ｎ ａ ｄ ｆｒ ｉｇ ｔｃ ｎ ｌｇ ｅｅｇ ｎ ｒ ｌ ｉ ｒ． ｓ ｒ ｔ ｈ ｉ ｏｙ ｎ ｕｒ ｔ ｔ ｔ ｎ ｆｒ ｅ — ｌ ｏ ｄｆ ａ ｏ ｎ ｍ ｎ ｅ ｈ ｏ ｙ ｗ ｒ ｅ ｅａ ｙ ｎ ｏ ａ ｔ ｅ ｓｕ ｉ ｓｉ ｉｉ ｉ ｏ ｏ ｌ ｔ
半固态加工技术的发展及其研究现状
技术瓶颈与挑战
流变行为复杂
半固态加工过程中，材料的流变行为受多种因素影响，如温度、 应变速率等，导致加工过程难以控制。
界面问题
在半固态加工过程中，由于固液两相的存在，界面问题成为一大挑 战，如固液界面稳定性、颗粒分散等。
设备与工艺匹配
半固态加工需要特殊的设备和工艺，如何实现设备和工艺的匹配， 提高加工效率是亟待解决的问题。
未来发展前景与展望
拓展应用领域
随着半固态加工技术的不断成熟， 其应用领域将进一步拓展，如航 空航天、汽车、新能源等领域。
绿ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ可持续发展
半固态加工技术具有节能减排的潜 力，未来将在绿色可持续发展领域 发挥重要作用。
智能化与自动化
随着智能制造技术的发展，半固态 加工将实现智能化与自动化，提高 加工效率和产品质量。
01
02
03
汽车工业
研究半固态加工技术在汽 车零部件制造中的应用， 提高零部件的性能和轻量 化水平。
航空航天工业
探索半固态加工技术在航 空航天领域的应用，满足 高性能、轻质材料的需求。
电子产品
研究半固态加工技术在电 子产品外壳、连接器等制 造中的应用，实现产品的 小型化、轻薄化。
04 半固态加工技术的挑战与 前景
输标02入题
应用领域：航空航天业
01
03
优势特点：半固态加工技术能够控制零件的内部结构 和微观组织，提高零件的疲劳寿命和可靠性，满足航
空航天器的高性能要求。
04
技术应用：半固态加工技术用于制造航空航天器的关 键零部件，如发动机叶片、机翼结构件等。
成功应用的案例三
案例名称
医疗器械制造
应用领域
医疗器械制造业
半固态金属成形技术
半固态加工的主要成形手段有压铸和锻造
其工艺路线有两条：
一是将半固态金属浆料冷却凝固后下料, 再将此半固态金属坯料重新加热到半固态 温度进行成形, 通常称为触变成形。
另一条是将搅拌获得的半固态浆料在保持 其半固态温度条件下, 直接成形, 称为流 变铸造。
五、半固态金属加工的适用范围
合金
铝、镁、锌、铜、镍、钢铁等有较宽液-固 共存区的合金体系均适用。尤其是低熔点的铝镁 最为适用, 因此, 目前铝合金及镁合金利用半固 态加工技术, 大批量生产其零部件并已获得广泛 应用。
六、具体应用实例
斜板法对球墨铸铁结构的影响
什么是斜板法？
斜板法是一种将剪切应力应用于生产具有球状 半固态铸件的新方法。在这种方法中，适当过热的融 化的金属在流过斜板后被浇注进模具中。由于在金属 和斜板之间的热转移，固态形核发生了。然后，由于 剪切应力和金属流动，形核颗粒从表面分离。这些颗 粒进而分散到金属中。在斜板法中，像过热，斜板长 度，模具材料，倾斜，斜板材料这些因素都影响最后 的微观结构。
影响因素和最佳工艺参数
斜板法中，板的长度和倾斜度对铸件 结构有比较大的影响
最佳的石墨球形化和固态颗粒球形化 的条件为:冷却速率为67 K·s−1,倾斜板 的倾斜角度为7.5度,倾斜板的长度为 560mm。结果还显示,当全部的加工时间很 短的时候,倾斜板很容易阻止变质剂失效。
优点：
与压铸方法和传统的铸造方法相比， 这种方法有更好的机械性能，并且减少 孔隙率，这是由于缩减体积的减少以及 更能均匀的填充模具。
与传统金属加工的方法比较
传统的金属加工方法主要分为压力加工和 铸造加工,而半固态加工被世人称为现代冶金 加工新技术, 以上三种方法分别利用了金属固 有的特性进行加工成形。
半固态金属成形技术现状与展望
收稿日期:2000-10-30作者简介:蒋益民(1979 ),男,安徽无为人,硕士生,研究方向为过共晶铝硅合金半固态成形。
研究生论文专栏半固态金属成形技术现状与展望蒋益民, 蒋宗宇, 陈 刚(江苏理工大学材料科学与工程学院,江苏镇江 212013)摘 要:半固态金属成形技术具有许多优点,被专家们称为21世纪新兴的金属制造关键技术之一。
本文介绍了半固态金属成形的特点、坯料制备工艺、成形工艺、微观组织、数值模拟状况、国内外研究应用情况,并展望了半固态金属的前景和意义。
关键词:半固态金属;触变成形;微观组织;数值模拟中图分类号:T G249.9 文献标识码:A 文章编号:1004-6178(2001)01-0005-03Overview and prospect of Semi Solid Metal forming technologyJIANG Yi min, JIANG Zong y u, CHEN Gang(School of Materials Science and Engineer ing J iagsu U niver sity of Science and T echnology ,Zhenj iang J iangsu 212013,China)Abstract:T her e w er e many advantages in semi solid metal for ming technology.Specialist believed it would beco me the key metal manufacture technology in 21century.T his paper introduced the technolog y features o f semi solid metal forming,pro duction tech nigues of billets and figuration crafts,status of microstructures and numer ical simulation in semi solid metal forming.T he authors re view ed the internal and external research and industrial applications,t hen overview ed the prospect and significance of semi so lid metal in the future.Key Words:semi solid metal;thixoforming;micr ostructur es;numer ical simulation自1971年美国麻省理工学院(M IT )的D.B Spencer 和M.C Flemings 提出了金属半固态成形概念以来,半固态金属(SSM )[1-2]成形技术作为一种新型加工技术得到了国际上的普遍重视,成为材料学科的研究热点之一,部分国家已经进入了工业应用阶段。
半固态金属铸造的新进展——注射成形
45～52 5 Wang K K. Peng H ,Wang N et al . Method and Apparatus for Injection Molding
专题论述
特种铸造及有色合金 2001 年第 2 期
半固态金属铸造的新进展 ———注射成形
华 中 科 技 大 学 樊自田 X 黄乃瑜 罗吉荣 吴树森
摘 要 介绍了半固态金属铸造的最新发展趋势 ———注射成形 ,它将塑料的注射成形原理应用于半固态金属铸造中 ,集
半固态金属浆料的制备 、输送 、成形等过程于一体 ,较好地解决了半固态金属浆料的保存输送和成形控制等问题 。通过简 述几种半固态金属注射成形工艺方法的原理及特点 ,试图展示半固态金属铸造技术工程应用的关键及发展方向 。 关键词 : 半固态金属成形 流变铸造 触变铸造 注射成形
molding. Proceedings of the Second International Conference on the Semi2Solid Processings of Alloys and Composites ,1992 (6) :159～169 8 Wang N ,Peng H ,Wang K K. Rheomolding2A One2Step Process for Producing Semi2Solid Metal Castings with Lowest Porosity. Light Metals Proceedings of the 125th TMS Annual Meeting ,feb 1996. 781～786 9 Kono K. Method and Apparatus for Manufacturing Light Metal Alloy. US Patent ,5836372 (Nov. 17 ,1998) .
半固态成型技术
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。
半固态成型技术的发展与应用现状
《机电技术》2009年第1期机械设计制造半固态成型技术的发展与应用现状林文金（福建工程学院机电及自动化工程系，福建 福州 350014）摘 要：为了解决半固态成型技术中引起人们广泛关注的主要问题，加深人们对半固态成形技术的认识，以半固态成型技术区别于液态成型和塑性成型的本质为基础，采用对比讨论的方法分析了半固态成型技术的特点与优势，阐明了半固态成型技术的种类和区别，介绍了半固态成型技术的国内外应用现状。
指出了推动我国半固态成型技术长足发展和应用应该注意解决的若干瓶颈。
关键词：半固态成型 流变成型 触变成型 应用现状中图分类号：TG146.2文献标识码：A 文章编号：1672-4801（2009）01-030-03引言20世纪70年代初发展起来的半固态成型技术，使传统成型方式发生了深刻变化[1-5]。
随着研究的不断深入，半固态成型已经发展成为一项极具应用潜力的材料成型新技术，并已初步实现了工业应用。
然而，笔者在教学中发现大多数学生以及部分科技工作者对半固态成型技术发展与应用的诸多本质问题的认识仍然不够清晰。
本文对相关问题进行了阐述，以期加深人们对半固态成型技术的认识。
1 半固态成型技术1.1 半固态成型技术的提出及其科学含义半固态这一概念，最初来自于美国麻省理工学院[6]。
Flemings教授领导的研究小组发现金属材料在凝固过程中经强力搅拌后，枝晶网络骨架被打碎，成为近球状组织，此时的半固态金属具有成型时所需要的优异性能，易于通过普通加工方法制成制品，并冠以半固态成型[7-8]，一直沿用至今。
所谓半固态成型（Semi-Solid Forming），是指将含有非枝晶固相的固液混合物在凝固温度范围内加工成型的一种材料成型新技术[1,3-4]。
1.2 半固态成型技术的特点与优势金属材料从固态向液态或从液态向固态转变过程中，均经历着半固态。
三个阶段中，材料呈现出不同特性，由此产生了液态成型、塑性成型和半固态成型。
半固态成形
日本在20世纪80年代后期就组成了半固志成形公司， Speed Star Wheel公司已应用半固态成形技术牛产铝台金轮 毂。Rheotech公司包括了14个钢铁企业和4个有色金属公司， 从1988年到1994年共投资30亿日元进行开发研究半固态成形 技术。日本制钢所已批量生产镁合金半固态触变铸造机，可 以铸造壁厚为0.5mm的零件，据报道该公司已为全球制造了 100台。另外，日本宇部公司设计制造的新型流变铸造机既 可以进行半固态模锻，又可以进行触变铸造与流变铸造，该 机已出售给奥地利，在2000年投产。
(3)工艺参数控制严格，不利于实现工业生产。
由于半固态成形对固相率控制严格，这就要求温度及冷 却条件等因素控制在较小的波动范围内，这样对于工业生产 的实现提出了更高的要求。同时，利用机械搅拌制备高固相 率的半固态材料比较困难。另外，二次（重熔）加热技术是 半固态成形技术中一个重要的技术环节，在二次加热过程中 要求加热速度较快才能达到理想的效果，这样就对设备提出 了更高的要求。因此，在工业生产中某个参数稍有波动，或 者操作工人的疏忽等，都会对成形工艺有重大影响。因此， 不但技术条件要求严格，而且对操作者的素质提出了更高的 要求对操作者的素质一套严格的控制系统，并对工人的素质 进行提高，才能较好地实现工业化生产。
2. 成形性能好，可实现短流程生产。
半固态材料流动性能与变形性能良好，经过强烈搅拌的固相 分数为40% - 60%的半固态金属的表观黏度在0.1-10Pa.s之间，与 黄油(0.1 Pa.s)、甘油(l Pa.s)及蜂蜜( 10 Pa.s)的表观黏度相当，仅 比水或者液态金属的黏度高出2-4个数量级，表现出很好的流动 性。与固态成形相比，半固态金属中存在液相组元，塑性变形机 理不同于固态塑性成形。塑性变形主要是由于晶粒之间的旋转和 相对滑移引起的，液相起到“润滑”作用，金属流动阻力显著降 低，复杂的零件也可用很少的工步成形。由于半固态合金材料具 有特殊的流变性能，易于加工成形，半固态铸造直接可以生产出 精度较高的产品。与传统生产方法相比，半固态成形可实现近终 形生产，提高了生产率、节约了原材料。与常规金属模铸造相比， 半固态成形汽车零件生产率与成材率高的特点尤为突出。
半固态
半固态触变注射成形技术在Mg合金铸造中的应用前言：近年来，随着对环保等方面要求的提高，镁合金以其质量轻、比强度高、比刚度高、减震性好、耐电磁屏蔽和易回收等特点而从众多金属材料中脱颖而出，广泛应用于航空、航天、电子和汽车等行业。
特别是目前正在用于笔记本电脑和手机壳体的制造，有逐渐取代可回收性较差的塑料壳体的趋势，成为目前研究及应用的热点。
常用的镁合金成形方法主要有压铸、半固态铸造、挤压铸造等，其中压铸法是国内外广泛采用的镁合金成形方法。
但同压铸镁合金产品相比，半固态成形产品的铸造缺陷少，产品的力学性能及表面和内在质量高，此外还有节约能源、安全性好和近净成形性好等优点，因此镁合金的半固态成形受到了广泛的关注。
而镁合金半固态触变注射成形技术是目前半固态铸造技术的最新发展方向半固态浆料的内部特征是固液两相共存,在晶粒边界存在液态金属"半固态浆料主要有以下特点(1) 表观粘度半固态浆料组织特性的客观反映就是表观粘度"研究表明,半固态浆料的表观粘度与固相率密切,随着固相率的增加而增加"当浆料的固相率超过临界值时,粘度值迅速增加"(2)流变性半固态浆料的固相率为50%时,仍具有很好的流动性"这是因为金属液中的固相具有球状或类球状结构,导致半固态浆料的粘度降低"半固态浆料的流变性可分为稳态流变性和非稳态流变性"稳态流变性是指恒温恒剪切速率条件下的流变性,非稳态流变性是指连续冷却或者剪切速率变化条件下的流变性" (3) 触变性半固态金属的触变性是指表观粘度对剪切时间的依赖关系,反映了半固态浆料的依时行为"半固态浆料的表观粘度在一定的剪切速率下,随着时间的延长而逐步下降,具有可逆性"(4) 球状未熔固相颗粒半固态浆料中存在着一定分数的未熔球状或类球状固相颗粒,因此在凝固过程导致收缩减小,偏析减少"可以说正是因为球状未熔固相颗粒的存在,才使半固态浆料具有一系列的独特优点"流变成形是将金属液在从液相向固相的冷却过程中进行强烈搅拌，在一定的固相体积分数下通过压铸或是挤压的方式来成形（一步法）；触变成形则是将由搅动设备所制备的半固态铸锭重新加热至半固态进行压铸挤压成形（二步法）。
半固态合金流变成形技术的研究现状与发展
收稿日期:2004206228收到初稿,2004208203收到修订稿。
作者简介:冯鹏发(1972-),男,陕西凤翔人,博士生,主要从事轻合金加工技术研究。
电话:010*********,E 2mail :fpf02@mails 1tsinghua 1edu 1cn半固态合金流变成形技术的研究现状与发展冯鹏发,唐靖林,李双寿,曾大本(清华大学机械工程系,北京100084)摘要:系统总结了半固态合金流变成形技术的研究进展和工业应用现状。
按照半固态浆料的制备方法及制浆与成形之间的关系,分别介绍了机械搅拌式流变铸造、电磁搅拌式流变射铸、倾斜板浇注式流变铸造、液相线铸造(模锻)和Semi 2Solid Rheocasting (SS R TM )技术的成形原理、技术特点、设备结构和工业应用现状,分析了其发展前景。
关键词:流变成形;浆料制备;非枝晶半固态合金中图分类号:TG 24919 文献标识码:A 文章编号:100124977(2004)1220963205Progress and Prospect of Research and Application ofSemi 2Solid Alloy Rheoforming ProcessesFE NG Peng 2fa ,T ANG Jing 2lin ,LI Shuang 2shou ,ZE NG Da 2ben(Department of Mechanical Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China )Abstract :The research progress and industrial application of the semi 2solid alloy rheocasting processes are comprehensively presented.According to the preparation methods of semi 2solid alloy slurry and their relations with the workpiece forming ,mechanical stirring rheomoulding processes (including the single 2screw rheomoulding ,the twin 2screw rheomoulding ,and several modified processes ),electromagnetic stirring rheocasting processes (including process of stirring in shot sleeve invented by Shibata ,and three modified processes ),process using a cooling slop e and its modification ,UBE New Rheocasting (UN 2RC ),liquidus casting/forging and Semi 2Solid Rheocasting (SSR T M )are respectively described in detail.And the fundamentals ,features ,equipments ,application and pro spects of the processes are evaluated.Keywords :rheoforming ;slurry preparation ;nondendritic semi 2solid allo y 半固态成形技术通常分为流变成形和触变成形两大类。
材料成形新技术
当前，节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽
车技术发展的总趋势，尤其是节能和环保更是关系
人类可持续发展的重大问题。因此，降低燃耗、减
少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车工 程界主攻的方向。
为了达到进一步减小质量及降低成本的目的，除了
开发高强度钢、铝、镁钛等轻合金材料外，近年来
分为连续搅拌和非连续搅拌.
5） 半固态金属成形技术的特点
——重熔加热后的半固态金属坯料的粘度很高，
可以方便地机械搬运，也便于实现自动化操作；
在高速剪切作用下，半固态金属坯料的粘度又可
迅速降低，便于成形。 ——半固态成形时，金属在充型过程中，不易 发生喷溅，减轻了合金的氧化和裹气，提高了铸 件的致密性。因此．可以通过热处理来进一步提
落，容易实现自动操作。
缺点：模具安装和嵌镶件的安放比较麻烦；占地面
积较大。
2、立式注射机的特点 优点：占地面积小， 模具拆装方便，成型 制件的嵌件易于安放。 缺点：顶出不易实现 自动化，机身较高， 稳定性差，加料维修 不便。 适应：注射量在 60cm3以下的小型注 射机。
立式注塑机两次注塑.WM 双色注射成型机录像
加料 预热 注射充模 保压补缩 冷却定形 开模
清模
注射过程
塑件脱模
注射
保压
倒流
冷却
图3-2 注射过程型腔内压力的变化
图3-3 注塑过程塑料温度随时间变化的关系
5.1.3.3 塑件后处理：
塑件内部不可避免地存在一些内应力而导致
在使用过程中变形或开裂，应该采用后处理来
消除或减小。
消除塑件内应力的方法有：
于1967年提出的.
半固态加工成形技术及其发展现状
半固态加工成形技术及其发展现状Semi2Solid Metal Processing Forming T echnology and Its Current Development Situation 北京航空制造工程研究所 张大辉 李志强 胡 泽 盛蔼伦 梁慧凤北京科技大学 钟雪友 [摘要] 简述了半固态加工技术的起源和特点,重点介绍了该技术的两个重要环节———半固态合金坯料制备和零件成形工艺,综述了这种加工技术的工业化应用现状和发展前景。
关键词:半固态加工 坏料制备 成形工艺[ABSTRACT] The origin and characteristics of semi2solid metal processing technology(SSM)are intro2 duced briefly.As two important stages of SSM semi2sol2 id billets making and parts forming are emphatically de2 scribed.The present industrialization status and the ap2 plication in future of SSM are summarized.K eyw ords:Semi2solid processing Billet making Forming process半固态加工(Semi2Solid Manufacturing或Semi 2Solid Metal processing,SSM)起源于美国。
20世纪70年代初,麻省理工学院Spencer和Flemings等人[1]发现,凝固过程中的金属材料经强力搅拌,会生成近球状晶或球状晶组织。
在液固两相区内,含有这种组织的材料具有优异的流变性和触变性,成形时流动阻力小,对之实施的加工技术称为半固态加工。
30多年的发展历程中,SSM技术在制坯、重熔加热、零件成形、组织与力学性能、加工环节数值模拟以及合金流变学研究等许多方面取得重大进展。
半固态金属成形应用的新进展与前景展望
半固态金属成形应用的新进展及前景展望毛卫民赵爱民钟雪友摘要论述了半固态金属坯料制备工艺、成形工艺、半固态金属成形件的性能和半固态金属成形在一些发达国家应用的最新进展，并展望了半固态金属成形在我国应用的前景及意义。
关键词：半固态金属流变成形触变成形力学性能在传统的铸造中，浇注的金属都是过热的金属液，如压铸、挤压铸造(液态模锻)；而在传统的金属锻造中，坯料都是固态金属。
但从年代至今，国外研究开发出一种崭新的零件成形工艺，称为金属的半固态加工。
所谓的金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈地搅拌作用，充分打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)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工，这种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铸锭，再按需要将此金属铸锭分切成一定大小，使其重新加热(坯料的二次加热)至金属的半固态区，这时的金属铸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()。
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( )［～］。
半固态金属成形具有许多独特的优点：铸件凝固收缩减少，成形不易裹气，因此铸件致密，可以热处理强化；铸件晶粒细小，不存在宏观偏析，性能更均匀；半固态金属成形速度高，且易于近终化()成形，机加工量减少；模具寿命长，所以半固态金属成形技术在国外获得了广泛的应用。
半固态金属坯料的生产半固态金属坯料的制备是金属半固态成形的基础，目前进入工业应用的制备工艺主要有电磁搅拌、应变激活方法。
电磁搅拌工艺电磁搅拌方法则利用电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促使金属固液浆料激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织。
电磁搅拌不会污染金属浆料，金属浆料纯净，也不会卷入气体，电磁参数控制方便灵活。
将电磁搅拌技术及连铸技术相结合可以生产连续的搅拌铸锭，这是目前工业应用的主要生产工艺方法，见图。
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磁搅拌 制备半 固态 金 属 浆 料或 坯 料 的独 特 优 点． 目 前， 电磁 搅拌法 制 浆在 半 固态 金属 成 形 实 际应 用 中
占据 主导地 位． 电磁搅 拌法 也存在 能耗 大 、 磁严 但 漏
缩能力 ， 从而减轻 或者消 除 了缩 松倾 向， 因而组织 优 良的半 固态 金属浆 料或坯 料的制备 是实现半 固态 金 属加工技术 的基础及 关 键 ． 自从 Ｆ ｅ ｎ ｓ １ ｇ 等人 ］ ｍｉ ８
制， 可获 得很高 的剪切速 率 ， 有利 于形成细 小 的球 形
晶粒组织 ， 目前 实验室 中广 泛应用 的方 法 ． 是 ｊ 由于
收 稿 日期 ： ０ ８Ｏ — ５ ２ ０ 一６ ２
作 者 简介 ： 尧 （ ９４ ） 男 ， 北荆 门人 ， 士研 究 生 刘 １８ 一 ， 湖 硕
第 ２卷
第 ４期
刘尧 ． ： 属 半 固 态 成形 技 术 的应 用 现 状 及 发 展 前 景 等 金
３５ Ｏ
无法 制备高 质量 的半 固态 金属 浆料或 坯料．
固态浆 料 ， 在适 当 的搅 拌及 冷却条 件下 ， 均可 获得半
１ 半 固态 合 金 浆料 的制 备
与传统铸造 成形 相 比， 固态 金属 浆 料 中包 含 半
有类球 形 的固相颗 粒 ， 少 了凝 固收缩并 提 高 了补 减
固态 金属锭或 成 形件 ， 微 观 组织 为 细 小球 形 或等 其 轴 的固相颗粒 ， 最小粒 径约 为 ３ ～５ ｍ． Ｏ ０ 机 械搅拌法 装 置结 构 简 单 、 价低 、 作 方 便 ， 造 操 搅拌速 度 、 搅拌 温 度及 冷 却 速率 等 工 艺 参数 易 于控
第 ２卷第４ 期 材料研究与
应
用
Ｖ ｏ１ ２， ． ＮＯ． ４ Ｄｅ ｃ．２ ＯＯ ８
２ＯＯ ８年 ｌ２月
Ｍ Ａ ＴＥＲＩ ＬＳ ＲＥＳＥＡＲ ＣＨ Ａ ＡＮ Ｄ ＰＰＬＩ Ａ ＣＡＴ Ｉ） （ Ｎ
文章 编 号 ：６ ３ ９ ８ （ Ｏ ８ Ｏ 一 ３ ４ Ｏ ｌ ７ — ９ １ ２ Ｏ ） ４Ｏ Ｏ 一 ５
切应力 ， 或者采 用 螺旋 式搅 拌 器 来 强化 凝 固过 程 中
性能、 加工环节 数 值模 拟 以及合 金 流变 学研 究 等许
多方 面取得重 大进展 ［ ． ２ 刮
半 固态成形 包 括两 大关 键 技 术 ， 是 浆料 的制 一
金属液 的流动使 枝 晶折 断 ， 而 使凝 固初 期 的枝 晶 从 破碎 、 变形 ， 形成 弥 散球 状 固相颗 粒 的半 固态 合金 ．
半 固态金属成 形技术 作为 一种先进 的金属 加工
或坯料 的工艺及技 术进行 了研究 与创新 ． 目前 ， 固 半
技术 ， 因其 具有凝 固收缩小 、 偏析 小 、 品质 量较 高 、 产
近终成形 等优 良特 性 ， 被誉 为 ２ 世 纪新一代 金属 成 １ 形技 术， 由美 国 麻 省 理 工 学 院 Ｆｅ ｎ ｓ等 人 提 ｌ ｍｉｇ 出ｕ ． 固态成形 技术 具有独 特的技术 、 半 经济 优势及 广 阔的应 用前 景 ， ３ 在 Ｏ多年 的发 展历 程 中 ， 固态 半 成 形技 术在 制坯 、 熔 加热 、 重 零件 成形 、 织与 力学 组
电磁搅 拌法 是通过 电磁力 改变凝 固过程 中熔体 的 流
备， 二是 半 固态 的成形工 艺． 本文 概述 了半 固态浆 料
制备 和半 固态成 形 工 艺研 究 现状 及前 景 ， 绍 了半 介 固态成形 技术 的应 用 情况 ， 出了半 固态 成形 的发 提
展 方 向．
动、 传质 及 传热 ， 到 细化 晶粒 的 目的． 内外 研究 达 国 结果 表 明ｎ 使 用机 械搅拌 法 及 电磁搅 拌 法制 备半 ，
低合金 钢 ｚ ２ Ｍｎ ｒ Ｍｏ的 半 固态 浆 料 ， 究 了 Ｇ ５ Ｃ Ｎｉ 研 保 温温 度及保 温时 间对组 织形态 以及 晶粒 尺寸 的影
响规律．
电磁搅 拌法有效 地解决 了叶片或搅 拌棒腐 蚀 污
染半 固态金属浆 料 的问题． 另外 ， 电磁搅 拌参数 控制
方便 ， 于控 制半 固态金属 浆料 的生产 ， 便 这些都 是 电
金属 半 固态成 形技 术 的应 用现 状及 发 展 前 景
刘 尧 ，李 风 ，胡 永俊
（ 广东 工 业 大 学材 料 与 能 源学 院 ， 东 广 州 ５ Ｏ０ ） 广 １。 ６ 摘 要 ： 述 了 半 固 态成 形 技 术 的 半 固态 合 金 浆料 的制 备 及 半 固 态 成 形 工 艺 ， 点 介 绍 了 搅 拌 、 搅 拌 综 重 非
态 成形浆 料 制 备 主要 可 分 为搅 拌 法 和 非 搅 拌法 两
大类 ． １ １ 搅 拌 法 ．
搅 拌制备技 术 主要 包括 机械搅 拌法 和电磁搅 拌 法 ． 机械 搅拌 法 是 最 早 应 用 的一 种 半 固态 浆 料
制备方 法 ， 通过 搅 拌棒 或 者旋 转 的 叶片对 熔 体直 接 施加搅拌 ， 利用 半 固态 金 属 流层 速 度 不 同产 生 的剪
浆 料 制备 方 法 的优 缺 点 及触 变 、 流变 成 形 工 艺 的特 点 ， 阐述 了 半 固态 成 形 技 术 工 业 化应 用 的 现 状 和 发 并
展前景．
关 键 词 ： 属半 固态 成 形 ； 料 制 备 ； 形 工艺 金 浆 成
中 图 分类 号 ： ＴＧｌ ６ ９ ５．４ 文 献标 识码 ： Ａ
机 械搅 拌法 的生产 效率低 、 易卷 入气 体 、 搅拌 棒 的寿 命短及 搅拌棒 腐 蚀 易污 染 半 固态 金 属 浆料 ， 因此 机 械搅拌 法不适 宜应 用 于 半 固 态浆 料 的 工业 生 产 中 ，
采用机 械搅拌 法制备 出具有完 整球形 晶粒 的半 固态
金属后 ， 人们根 据金 属 凝 固理 论 对半 固态金 属 浆料