金属半固态成型技术发展详解
半固态金属成型
半固态成形应用
1.在铝合金制备中的应用 目前半固态金属成形应用最成功和最广泛的是在 铝合金的制备中。其原因不仅是因铝合金的熔点较低 和使用范围广泛，而且铝合金是具有较宽液固共存区 的合金体系。在铝合金工业中，包括Al-Cu合金、Al-Si 合金、Al-Pb合金和Al-Ni合金等，特别值得一提的是半 固态金属成形技术已开始应用于制备铝合金制品。图 所示是半固态成形的铝合金零件。目前，半固态成形 的铝合金零件重量可达7kg以上。。由于切变力的作用，枝晶臂在 根部断裂。最初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶体，施 加强力搅拌产生的剪切力使得枝晶臂在根部断裂。 （2）枝晶根部熔断机制。晶体在表面积减小的正常长大过 程中，由于液体流动加速液体中的扩散，引起热振动和在根 部产生有助于熔化的应力，有利于熔断。同时在根部固体中 较高质量分数的溶质也将降低熔点，促进了此机理的作用。 （3）枝晶弯曲机制。此机制认为，枝晶臂在流动应力下发 生弯曲，产生位错导致发生塑性变形。在固相线以上温度， 位错间发生攀移并相互结合形成晶界，当相邻晶粒的取向差 超过20°，晶粒晶界能超过固－液界面能的两倍时，液体将 润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，使枝晶臂与主干分离开。
2.在其它材料中的应用 对于镁合金和铜合金，也可以应用SSM成形技术，并且已经 取得了一些成果，可以用这种方法制造出质量优良的零件。 3.应用于复合材料的制备 半固态金属在液固两相区有很好的粘性和流动性，可以比较 容易地加入非金属填料，而且只要选择好适当的加入温度和搅拌 工艺，有利于提高非金属填料和半固态金属之间的界面结合强度。 非金属填料的加入也有效地阻止了球形微粒的簇集，如图所示。 非金属填料的加入对后续的部分重熔和触变成形非常有利。目前， 在金属基复合材料中应用SSM成形方法也是一个研究热点。
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。
半固态成形发展概况及研究进展
半固态成形利用金属材料在固液共存状态下所特有的流变特性进行成形的技术。
首先要制造含有一定体积比例的非枝晶固相的固液混合浆料，成形方法有流变成形和触变成形两种。
优点：1、在工艺方面：成型温度低，延长模具寿命（热冲击小）；节省能源；改善生产条件和环境。
2、在产品方面：铸件质量提高（减少气孔和凝固收缩）；减少加工余量；零件的尺寸和精度能达到近终形；扩大压铸合金的范围并可以发展金属复合材料。
所谓半固态加工是指金属在凝固过程中,对其施以剧烈的搅拌作用或扰动作用,得到一种液态金属母液,其中均匀悬浮着一定量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固2液混合浆料(也称流变浆料) ,对这种浆料进行的加工成型的方法。
半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成型两类,前者是将制备好的半固态浆料直接用于成型,如压铸成型(称为半固态流变压铸成型) ;后者是对制备好的半固态坯料进行重新加热使其达到半熔融状态,然后进行成型,如挤压成型(称为半固态触变挤压)[1]。
1半固态金属成形的发展及现状（半固态成形铝合金材料研究）半固态金属(SSM)成形技术自DavidSpencer于1971年首次提出至今，已有30多年历史【2-5】。
综观整个历史过程，其发展可以分为实验研究、应用研究和工程化应用三个阶段。
从20世纪70年代初开始，实验研究工作大约延续了15年。
这一阶段的研究主要集中在探索具有流变性和触变性的有色金属合金半固态试样的组织特征与制备方法上。
主要成果包括：①揭示了流变性和触变性坯料的组织特征；②提出了枝晶组织向非枝晶组织转变的物理模型：③研究了搅拌速度、强度以及温度等工艺参数对非枝晶化过程的影响规律：④初步探讨了半固态微观组织与流变性能的关系；⑤测试了半固态合金流变性能，并建立了相关的数学模型。
上世纪80年代中期是半固态成形技术应用研究的迅速发展阶段，并且从早期的有色金属合金扩展到高熔点合金以及复合材料的半固态成形。
这期间，开发与研制了包括电磁搅拌在内的多种半固态制坯技术与连铸设备；利用计算机模拟技术揭示了半固态合金充型过程；深入细致研究了成形工艺对产品组织性能影响的规律。
金属材料成型_6.2_半固态成形技术路线
图6-8 半固态成形技术的两种工艺路线
对于流变成形，由于把浆料制备和加工成形相承接，具有生产效率高 、整体流程短的特点，近年来发展十分迅速，不过浆料的保存和输送难度 大，设备自动化控制复杂，成本相对高。对于触变成形，浆料的制备和最 终成形可分开进行，成形厂方甚至可以不参与熔炼制浆，只需提供二次 加热，工业污染小，而且半固态坯料输送方便，易于实现自动化，因而在 国外较早得到了广泛应用，不过这种方式的缺点是坯料经过冷却和再加热 的过程，能源消耗有所增加。
图6-9 机械搅拌制备半固态浆料
b、电磁搅拌法
电磁搅拌法是目前半固态成形工业生产上最成熟最广泛被应用的制浆 方法，它是在感应线圈中通入一定相位的交变交流，从而产生变换旋转的 磁场，而金属液中便有感应电流产生，洛伦兹力就驱使金属熔体产生剧烈 运动，使非枝晶凝固模式取代传统的枝晶凝固趋势，从而获得含有球形固 相的半固态浆料。如图6-10所示，按熔体被搅拌力驱动的流动方式，一般 分为垂直式、水平式、螺旋式。电磁搅拌采用无接触式地对合金熔体进行 搅动，对合金污染极大降低，且通过调节电流、磁场强度和频率等参数就 能实现搅拌效果的控制，可以连续高效地制备坯料，适用于工业化的生产 应用。但由于电磁搅拌的集肤效应，通常认为，直径大于150mm的铸坯 不宜采用电磁搅拌法。
c、注射成型法
注射成型法是将低熔点金属颗粒进行加热至半固态成型，尺寸为几毫米的合金 粒子在料筒中边被加热边被螺旋体剪切推进，通过螺旋强制对流的搅拌作用，得 到细小均匀球状晶的半固态浆料组织，然后以高速（注塑十倍速度）注入模腔里 。这种方法非常适于相对较活泼的镁合金材料，在整个浆料制备和成型工艺中可 以不使用保护气体和防氧化剂，不需要配备熔化炉，而且不会产生浮渣、炉渣等 ，兼顾安全性和环保。
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
半固态加工技术最新进展
半固态加工技术的最新发展及应用摘要：金属半固态加工技术是21世纪前沿性金属加工技术，具有高效、节能、近终型生产和成型件性能高等许多优点。
本文着重概述了半固态金属制浆（坯）工艺的研究新进展，并展示了半固态成形技术在高合金化铝合金控制凝固与成型方面的应用与进展。
关键词：半固态加工；均匀凝固；发展趋势；应用1金属半固态加工技术简介20世纪70年代初，美国麻省理工学院(MIT)的Flemings等研究者们提出了一种金属成型新方法,即半固态加工技术(Semi-Solid Metalor SemiSolid Forming，简称SSM或SSF)。
所谓半固态加工是指金属在凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用或扰动作用，得到一种液态金属母液，其中均匀悬浮着一定量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固-液混合浆料(也称流变浆料)，对这种浆料进行的加工成型的方法。
半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成型两类，前者是将制备好的半固态浆料直接用于成型，如压铸成型(称为半固态流变压铸成型)；后者是对制备好的半固态坯料进行重新加热使其达到半熔融状态，然后进行成型，如挤压成型(称为半固态触变挤压)[1]。
半固态成型方法打破了传统的枝晶凝固模式，开辟了强制均匀凝固的先河，与以往的金属成型方法相比，半固态金属成型在获得均匀细晶组织、提高力学性能、缩短加工工序、节约能源及成型件性能等方面具有明显的优势。
制浆的目的是为了控制凝固过程中的晶体形核与长大形态，以获得细小均匀的显微组织，从而提高材料的综合性能。
但是目前大多数的制浆方法在实际应用方面都还存在不同程度上的局限性，制约了这项技术的工业化推广应用。
因此，近年来半固态浆料制备方法仍在不断的努力探索，推进着半固态加工技术的向前发展。
目前已有包括中国在内的二十多个国家和地区开展了半固态成型研究。
研究对象主要集中在铝合金和镁合金材料的成型。
铝合金半固态成型方法主要有流变压铸、触变压铸、触变锻造等；而镁合金半固态成型的成熟技术目前主要有半固态触变注射成型技术[2]。
半固态金属成形技术
二、半固态成形技术的发展简史
起源和发展
半固态加工起源于美国。20世纪70年代初,麻省理工学院 Spencer和Flemings等人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。 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。目前,这项技术已广泛应用于汽车 工业领域,在航空、航天以及国防工业领域也正处于应用的起 步阶段,具有广阔的前景。 半固态金属加工技术是近多年来才诞生和发展起来的现代 冶金加工新技术。它虽然诞生晚, 但发展很快, 只用十几年的 时间就从试验室过渡到试生产, 又很快实现了产业化和商品化。 被世人称为新一代的合金成形工艺。
三、半固态金属加工的优缺点
优点：
（1） 由于在半固态, 合金具有独特的触变 行为, 可成型复杂的薄壁的零部件
（2）加工件的精度高, 几乎是近净成形, 尺 寸公差接近机加精度 （3）成形件表现平整光滑, 内部组织致密, 缺陷少, 晶粒细小, 力学性能高,可达锻 件性能
（4）节省原材料、能源, 生产同样的零部件, 它与普通铸造相比, 节能约35% （5）成品率高, 几乎达100%
半固态金属成形
一、概念
半固态金属成形技术（Semi-Solid Metal processing，SSM），它是利用在固-液态区间 获得一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固 相组分（50%-60%）合金的混合浆料进行加工 成形的方法。 半固态成形是利用金属材料从固态向液态, 或从液态向固态的转换过程中具有半固态的特 性所实现的成形。
影响因素对结构影响的具体分析
1、板长固定，不同板角下的组织形貌
20度
5度
7.5度
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。
金属半固态成型技术发展详解
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。
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.
液态金属加工中的半固态加工技术
半固态加工技术，一种基于新型液态金属的先进加工方法，近年来在制造业中受到了广泛的关注。
该技术不仅革新了传统加工方式，还在很大程度上提升了加工效率和质量。
首先，半固态加工技术的基础是液态金属。
这种新型液态金属在常温下表现出类似固态的物理特性，如高强度、易成型，同时又具有液体的流动性。
这种特性使得它能够在保持一定流动性的同时，实现像固态一样的成型和加工。
这为制造业提供了一种全新的材料加工方式。
在半固态加工技术中，这种液态金属被用作模具和工具，通过挤压、压制、注射等手段，制造出各种形状和尺寸的产品。
相比于传统的加工方法，这种技术具有许多优势。
首先，由于半固态金属的高强度和高流动性，产品在加工过程中能保持更高的精度和稳定性，大大减少了废品率。
其次，半固态金属的快速凝固特性，使得它可以实现快速冷却和固化，极大地提高了生产效率。
最后，由于其独特的物理特性，半固态金属可以更容易地实现自动化生产，降低了对人工的依赖。
然而，尽管半固态加工技术具有许多优点，但它并不是无懈可击的。
在实际应用中，如何控制液态金属的流动性和凝固速度，如何保证产品的质量和精度，都是需要解决的问题。
这就需要我们进一步研究和探索半固态金属的物理和化学特性，以及如何利用这些特性来优化加工过程。
总的来说，半固态加工技术是一种具有巨大潜力的新型加工技术。
它以液态金属为基础，通过改变金属的物理和化学特性，实现了更高的加工精度和效率。
然而，这项技术还有许多需要解决的问题和挑战。
只有通过不断的研究和探索，我们才能更好地利用这种技术，推动制造业的发展。
半固态金属成形技术
半固态金属成形技术1. 引言半固态金属成形技术是一种新兴的金属加工技术，它将固态和液态的金属材料的优点结合在一起，可以制造出具有高强度、高精度、复杂形状的金属零件，具有极高的应用价值。
本文将介绍半固态金属成形技术的基本原理、应用范围、优点和发展前景。
2. 基本原理半固态金属成形技术的基本原理是将铸造过程中合金中铸晶的分布状态控制在半固态状态，通过控制合金的热状态和机械变形来实现金属成形。
具体而言，就是将合金熔融后，在一定的时间和温度范围内，控制其冷却速度，使合金中的铸晶呈现出部分熔化和形变状态，从而达到半固态的状态。
3. 应用范围半固态金属成形技术可以应用于航空航天、汽车、船舶、机械等领域的制造。
具有如下优点：（1）可以直接制造出高强度、高精度、复杂形状的零件，避免了加工中的残余应力和失真；（2）可以大幅减少加工成本，节约了材料和时间成本；（3）可以提高金属材料的性能和质量，增加产品寿命和安全性；（4）可以生产大尺寸、高质量的零件，提高了生产效率和产能。
4. 优点半固态金属成形技术具有以下优点：（1）成形精度高，可以实现微米级的精度控制；（2）成本低，可以节省大量人力、物力和时间成本；（3）高性能材料制造，可以生产出高强度、高耐热、高耐腐蚀的材料，扩展了金属材料的应用范围；（4）可持续发展，可以对既有材料进行再加工和再利用。
5. 发展前景半固态金属成形技术是一种有前途的金属制造技术，目前已经进入实际应用阶段。
未来，它将逐步替代传统的金属成形工艺，成为重要的先进制造技术之一。
同时，随着科学技术的不断发展，半固态金属成形技术也将不断创新和完善，提高成形速度和效率，扩大应用范围。
预计在未来的十年内，半固态金属成形技术将会取得重要的技术突破，推动金属制造行业的成型和发展。
6. 结论半固态金属成形技术是一种健康、可持续发展的金属制造技术。
它具有高效、高精度、高性能、低成本等优点，可以适应不同的金属制造领域的需求。
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。
半固态成形技术的发展趋势
半固态金属成形技术的主要发展趋势摘要：半固态加工技术具有高效、节能、近净形生产以及制成品显微组织细化均匀、机械性能好等诸多优点，是21世纪很有发展前景的一种加工方法。
本文将针对其发展趋势做简要总结和分析。
关键词：半固态，近净形前言：传统的金属成形主要分为两种：一种是液态成形，如铸造、液态模锻、液态轧制等；另一种是固态成形，如轧制、锻造等。
在20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings教授领导的研究组首先发现处于半凝固状态的金属材料经强力搅拌后，枝晶被打碎，生成球状晶体组织，具有成形时所需优异的流变性，加以各种成形方法而得到半固态加工技术[1]。
1 半固态铸轧成形技术将高效、节能、短流程的连续铸轧技术与半固态加工技术相结合，得到半固态连续铸轧成形技术，可以兼具这两种先进技术的优点，将是一种全方位高效、节能、短流程、近终形的加工方法[2]。
半固态轧制工艺是将被轧制材料加热到半固态后，送入轧辊间轧制的方法，示意图见图1。
具有球状晶的合金材料加热到半固态时，变形抗力很低，这对轧制成形有利。
目前半固态铸轧技术的研究主要集中在铝合金以及钢铁材料。
Toshio Haga等[3-4]利用冷却的斜槽进行了A356铝合金的半固态铸轧成形试验，由于半固态的效应，铸轧速度可达到30~90m/min，板带厚度为2~2.5mm，性能检测表明抗拉强度达到270MPa，延伸率为18%，显微组织观察到板带的中心厚度部位晶粒为球状，认为机械性能的提高是由于具有这种半固态的组织特点。
图1 半固态轧制示意图2 流变行为、模型及数值模拟北京有色金属研究总院的朱光磊等研究了双螺旋制浆工艺下转管转速和剪切时间对AZ91D合金形貌的影响。
结果显示，在连续剪切阶段，增大转管转速和剪切时间能有效提高晶粒的圆整度，这是因为双螺旋管的高剪切速率和大角度参数，导致了合金液流中温度相对均匀，增加了有效的形核率。
西安交通大学的闫观海等用FLOW-3D软件，利用正交试验方法模拟了HPb59-1合金四道阀零件的半固态压铸过程，并获得了最优的参数：浇注温度为897.25℃，压铸速度为2.0m/s，预热温度为260℃。
半固态成形技术的工艺流程
半固态成形技术的工艺流程半固态成形技术（Semi-Solid Forming Technology）是一种将合金材料由液态逐渐转变为半固化状态进行成形的高效率制造技术。
下面我将详细介绍半固态成形技术的工艺流程。
半固态成形技术的工艺流程主要包括以下几个步骤：1. 材料准备：选择适合半固态成形的合金材料，通常是金属合金。
合金的主要成分、比例和杂质控制对成品的质量有重要影响。
合金材料经过预处理、熔炼、再结晶等工艺，制备成符合要求的原料。
2. 半固态化处理：原料合金通过加热，使其处于半固态状态。
半固态是指合金同时具有液相成分和固相成分，且两者之间呈现出部分固相悬浮的混合状态。
通过控制半固态化温度和时间，使合金材料达到理想的半固态状态。
3. 成型形式选择：根据产品的形状、尺寸和结构等要求，选择最适合的成型形式。
常用的成型形式有温锻、挤压、注射等。
挤压是其中最常用的成型形式，特点是简单、成本低、生产效率高。
4. 成型设备准备：根据选择的成型形式，准备相应的设备。
例如，在挤压成型中，需要准备好挤压机，根据产品的尺寸和结构确定模具的设计。
5. 成型过程：将半固态合金材料装填到成型模具中，然后施加压力进行成型。
成型过程中，合金材料由半固态状态逐渐变形为固态状态。
压力的大小、速度和时间等参数需要根据具体产品要求进行调控。
6. 去除模具和后处理：成型完成后，将产品从模具中取出，并进行必要的后处理。
后处理包括去除余温、切割、打磨、喷漆等工艺，以使产品满足要求的精度和表面质量。
7. 检测与质量控制：通过一系列的检测手段，对成品进行质量控制。
常用的检测方法包括尺寸测量、化学分析、金相显微镜观察等。
根据产品要求和行业标准，对成品进行合格与否的判定。
整个工艺流程中，原料准备、半固态化处理和成型过程是关键环节，因为这些环节直接影响到成品的质量和性能。
精确控制半固态化温度和时间，以及成型过程中的温度、压力和速度等参数，能够使成品达到精密度高、尺寸稳定、表面质量好的要求。
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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。
4.1.1.2 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4-2表示
半固态金属的内部结构。
在高固相分数时，液相成分仅限
于部分晶界(见图4-2(a))；在低固相分
数时，固相颗粒游离在液相成分之中
(见图4-2(b))。
半周态金属的金属学和
力学主要有以下几个特点。
(1) 由于固液共存，在两者界面熔
化、凝固不断发生，产生活跃的扩散
现象。
因此溶质元素的局部浓度不断
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4-3所示：
(5) 由于固相粒子间几乎无结合力，在
特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的
存在，又可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，而且与一般固态金属材料也容易形成很好的结合，如图4-4所示：
(6) 即使是含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料，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。
虽然施加外力的方法和当时的边界约束条件可能不同，但一般来说，存在液相成分先行流动的倾向或可能性，如图4-5所示；
(8) 上述现象在固相分数很高或很低或加工速度特别高的情况下都很难发生，主要是在中间固相分数范围或低加工速度情况下显著。
与普通的加工方法相比半固态金属加工具有许多独特的优点：
(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，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：
4.1.2 半固态加工的基本工艺方法
半固态加工的基本工艺方法可分为流变成
形(rheoforming)和触变成形(thixoforming)两种。
如图4-6所示，经加热熔炼的合金原料液体通过
机械搅拌、电磁搅拌或其他复合搅拌，在结晶凝
固过程中形成半固态浆料，下面的工艺分两种：
其一是将半固态浆料直接压入模具腔进而压铸
成形或对半固态浆料进行直接轧制、挤压等加工
方式成形，即流变成形；另一种是将半固态浆料
制成坯料，经过重新加热至半固态温度，形成半
固态坯料再进行成形加工，此即触变成形。
图
4-7为半固态流变成形和触变成形工艺流程示意
图。