半固态成形技术研究

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