金属半固态加工技术的研究进展

金属半固态加工技术的研究进展3

赵艳君,李逸泰,胡治流

(广西大学材料科学与工程学院,广西南宁530004)

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。本文从金属半固态浆料和坯料制备、半固态金属及合金坯料的二次加热以及半固态成型3个方面论述了半固态加工技术的现状,并指出了当前金属半固态加工技术的研究重点和发展前景。

关键词:半固态浆料;二次加热;触变成型;流变成型

中图分类号:T G146 文献标志码:A

R esearch and Development of Semi2solid Metal Processing T echnology

ZHAO Yanjun,L I Y itai,HU Zhiliu

(College of Materials Science and Engineering,Guangxi University,Nanning530004,China) Abstract:The Semi2solid metal processing technology is an advanced processing technology in21st century,it has mang aolvantages such as saving energy,high efficiency,and net2shaped processing.Research and development of semi2solid form2 ing were described systematically in this paper f rom the following respects:the preparation of semi2solid slurry,remelting technique and semi2solid metal processing technology.Finally,f urthermore research emphasises and prospects are introduced for the semi2solid metal forming at present.

K ey w ords:Semi2solid slurry,Remelting,Thixoforming,Rheoforming

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(M IT)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(Semi2Solid Metal or Semi2 Solid 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]。

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。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]。半固态成型技术在美国、日本和欧洲等国已进入规模工业生产阶段,主要应用于汽车、摩托车、通信、电器、兵器、航空航天和医疗器械等领域。近几年,我国的研究者在国家自然科学基金、国家“863”、“973”计划等的支持下,已经在铝合金半固态加工技术开发和应用方面具备了较好的基础。对铝合金半固态加工的关键技术,包括半固态材料制备技术、二次加热技术和半固态压铸技术等方面,具备了向产业化转化的技术基础。

与铝合金、镁合金相比,钢铁材料的半固态成型加工技术无论在基础研究方面,还是在应用技术开发方面都存在很大的差距。由于高温半固态浆料制备、半固态浆料的输送和保温、半固态成型工模具材料的耐高温性能等技术方面的难点,采用半固态加工方法所研究的钢铁材料仅涉及D2、HS62522高速工具钢、100Cr6钢、60Si2Mn弹簧钢、A ISI304 (Cr18Ni8)不锈钢、C80工具钢、铸铁等钢铁材料,半固态加工方法涉及触变压铸、触变锻压、触变挤压和流变轧制、流变锻造及喷铸成型等[3]。

2　金属半固态浆料和坯料制备方法的进展

从经济角度和过程稳定性角度看,半固态金属及合金浆料或坯料的生产都处于非常重要的地位。目前,已研究开发出多种半固态金属浆料或坯料的制备方法,主要有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱导熔体激活法、低过热度浇注方法、紊流效应方法、

超声振动方法、晶粒细化和半固态重熔处理方法、单辊旋转方法、粉末冶金方法、喷射沉积方法、低过热度浇注和弱机械搅拌法等,但只有电磁搅拌法和应变诱导熔体激活法获得了商业应用,其他方法主要用于各种合金的实验室研究。

目前,电磁搅拌法是制备半固态铝合金坯料最成功的方法[4]。金属坯料电磁搅拌最早应用于钢坯的连铸工艺中,可以改善氧化物、硫化物的分布,削弱柱状晶并细化晶粒,提高铸锭的内外质量,因此,电磁搅拌技术现已广泛应用于黑色金属的连铸工艺中。在20世纪70年代末期,电磁搅拌技术应用于半固态金属浆料或坯料的制备,利用电磁感应力使金属熔体激烈流动,获得球状初生固相的半固态金属浆料(即Magetohydrodynamic 工艺,简称M HD )。随后,电磁搅拌技术又与连铸技术相结合,生产半固态金属的连铸坯料,极大地推动了金属半固态成型技术的应用。

从搅拌金属液的流动方式来分,电磁搅拌有3种形式[5]:第1种是垂直式,即电磁搅拌方向与铸坯的轴线方向平行,如图1a 所示;第2种是水平式,即电磁搅拌方向与铸坯的轴线方向垂直,围绕铸坯轴线搅动,如图1b 所示;第3种是水平与垂直式的组合搅拌,如图

1c 所示。

图1　电磁搅拌方法示意图

在2006年召开的第9次半固态合金和复合材料加工的国际会议上,泰国Songkla 大学的Wanna 2sin 、Martinez 和Flemings 等提出了一种气泡搅拌

(Gas bubbles agitation )制备半固态铝合金浆料的

新方法,如图2所示[6]。制备工艺的控制要点:1)

气体流量要大(试验流量为2L/min ),以引起合金熔体足够的对流,但不能过大,以免引起合金熔体飞溅;2)合金熔体的冷却速度要适当快(试验冷速为0.2～0.8℃/s ),以形成大量的初生晶核;3)合金液的浇注温度不宜过高,比如A357合金的试验浇注

温度为630℃(其液相线温度为615℃

)。制备工艺的特点:制备过程较为简单、制备成本可较低,半固态铝合金浆料的组织形态很好

,部分气泡有可能滞

留在合金熔体中。

图2　气泡搅拌法工艺原理示意图

3　半固态金属及合金坯料的二次加热

近年来,国内外对半固态金属二次加热进行了

广泛的研究,主要内容包括:坯料的下料、二次加热设备、二次加热制度、二次加热组织及合金的触变性能。主要采用的加热技术有中频感应穿透加热、电阻恒温加热和盐浴恒温加热等。目前真正投入工业应用的二次加热方法只有电磁感应法。

对于半固态成型,金属及合金坯料的半固态重熔加热是一个重要过程,由于触变成型过程对半固态坯料的固相分数要求很严,一般要求二次加热时控温精确,在±1～3℃(与坯料固相分数有关),因此,采用电磁感应二次加热的控制过程是相当复杂的[7]。在实际生产中,采用多工位分段感应加热的方法进行半固态坯料二次加热,一方面可以解决加热不均匀问题,另一方面,可以满足工业生产率的需

要。

半固态金属坯料重熔加热时的固相分数控制很重要,但目前仍然没有很精确、适用的在线测量方法,仍然靠工艺控制。已经发明的能量测量法、感应圈涡电流法、尖针侵入法和直接测温法各有优缺点。

4　金属半固态成型

当前,金属半固态成型的基本工艺方法可分为流变成型和触变成型。流变成型是利用流变浆料直接进行成型。而触变成型是将流变浆料凝固成锭,按需要将此金属锭切成一定大小,然后重新加热至金属的半固态温度区,这时的金属锭称为半固态金属坯料,再利用金属的半固态坯料进行成型加工。4.1　半固态金属的触变成型

由于半固态金属坯料的加热、输送很方便,并易于实现自动化操作,因此半固态金属触变成型是当