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。

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。

1　半固态加工技术的特点SSM技术是一种生产效率高、近无余量精确成形技术。

从变形机理分析,其变形是一个从塑性变形到超塑性变形的过程。

这种技术具有如下几个特点[1～6]。

(1)应用范围广泛。

凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工,如铝合金、镁合金、锌合金、镍合金、铜合金以及钢铁合金等。

(2)半固态加工过程中,浆料充型平稳,无湍流和喷溅。

相对铸造等液态加工技术而言,加工温度较低,对模具的热冲击较小,可成形十分复杂的零件。

与锻造和挤压等固态加工技术相比,变形抗力较小,可以成形一些难加工合金材料如高锰钢和高速钢的零件。

(3)SSM技术可以实现近净成形,成形件尺寸精度高,表面平整光滑。

制品内部组织致密,晶粒细小,内部气孔、偏析等缺陷少,力学性能高,可接近或达到变形材料的力学性能。

(4)应用SSM技术可改善制备金属基复合材料中非金属材料的飘浮、偏析以及与金属基体不润湿等技术难题,为金属基复合材料的制备和成形提供了有利条件。

(5)采用SSM技术可进一步节约能源和资源。

以生产单位质量零件为例,半固态加工与常规压铸相比,节能35%左右,省材20%～30%,加工用模具寿命延长1～2倍。

2　半固态合金坯(浆)料的制备方法制备优质的半固态合金棒坯是SSM技术中的一个关键问题。

在半固态合金棒坯制备过程中,凝固过程中合金熔体的冷却速度和搅拌力是两个重要参数,这两个参数的变化将直接影响到半固态合金坯料的质量。

在金属冷却过程中强烈搅拌使已形成的枝晶破碎,同时也抑制树枝晶的形成,可获得非枝晶的卵形或近球状结构。

搅拌力的大小和搅拌均匀程度将直接影响半固态锭坯组织结构的均匀性。

因此,在半固态合金坯料的制备过程中,搅拌技术是关键。

通常,半固态金属浆料的制备方法有机械搅拌法、电磁搅拌法和应变诱发熔化激活法(Strain Induced Melt Activation,SIMA)。

此外,还有喷射成形法、紊流效应法和粉末法等[1～7]。

2.1　机械搅拌法机械搅拌法是最早采用的方法,其设备构造简单,可以通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数,使初生树枝状晶破碎而成为近球状结构。

机械搅拌装置一般分为连续式和间歇式两种类型。

连续式装置包括棒式和螺旋式。

棒式装置具有金属液不易氧化、固相分数易控制、能连续生产的优点,其缺点是出料速度较慢,搅拌棒易损耗。

螺旋式装置具有向下压缩流体的作用,使出料速度加快。

间歇式装置包括底浇式和倾转式。

底浇式装置的最大特点是结构简单,但是它的底部密封塞影响铸型的设置。

倾转式装置的坩埚可以倾转,使部分凝固合金能够倒入铸型,这有利于浇注过程的实现,但是在坩埚倾转前需将搅拌棒从合金中提出,金属浆料的表观粘度会因为停止搅拌而上升。

研究结果表明,采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率,有利于形成细小的近球形微观结构,但是在搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的死区,影响了浆料的均匀性,而且搅拌叶片的腐蚀问题以及它对半固态金属浆料的污染问题都会对坯料质量带来不利的影响。

2.2　电磁搅拌法图1　流变加工工艺流程Fig.1　Schematic diagram of rheocasting根据搅拌金属液的流动方式,电磁搅拌有两种形式,一是水平式,即感应线圈平行于铸型的轴线方向;另一种是垂直式,即感应线圈与铸型的轴线方向垂直。

一般来说,影响电磁搅拌效果的因素有搅拌功率、冷却速度以及金属液温度等。

电磁搅拌法在国外已应用于工业化生产,如美国A1umax 公司、瑞士A1usuisse —Lonza 公司以及法国Pechiney 公司已经能够进行商品化生产。

2.3　应变诱发熔化激活技术应变诱发熔化激活技术(SIMA )是先将合金原材料进行足够冷变形,然后加热到固液两相区间,在加热过程中,先发生再结晶,然后部分熔化,使初生相转变成颗粒状,形成半固态金属材料。

该方法已成功应用于不锈钢、铜合金等较高熔点合金,但由于增加了预变形工序使生产成本提高,与电磁搅拌法相比,它仅仅用于生产小直径坯料。

2.4　喷射成形法一些独特的凝固工艺也用以生产半固态金属材料,Osprey 喷射成形法即是其中之一。

在此方法中,金属熔化成液态金属后,雾化为熔滴颗粒,在喷射气体作用下部分凝固的微滴直接沉积在收集基板上。

当每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切力打碎熔滴内部形成的枝晶时,凝固后便成为颗粒状组织,加热到局部熔化时,也可得到具有球形颗粒固相的半固态金属浆料。

目前用这种方法已对铝合金、黑色金属以及金属基复合材料进行了成功的试验。

与其他方法相比,该方法成本较高,只适用于制备有特殊要求的大尺寸坯料。

2.5　紊流效应法和粉末法紊流效应法是指在金属液通过特制的多流装置时,使金属液的流动产生紊流效应,打碎形成的枝晶,因而获得具有流变特性金属浆料的方法。

粉末法是指先将金属粉末混合、压块,然后再加热使一种粉末熔化或不同成分粉末相互扩散形成合金后熔化而得到液相,形成固液混合金属浆料的方法。

3　半固态合金的成形工艺SSM 技术包括流变加工和触变加工[5～8]。

流变加工包括2个环节,即浆料制备及成形。

触变加工由3个环节组成,首先制备半固态合金坯料,然后将半固态合金坯料按实际需要切成一定质量和大小的块状,将其重新加热至固液两相区某一温度,然后压入型腔充填成型。

3.1　流变加工如图1所示,在凝固期间,对合金施加搅拌,使浆料中形成非枝晶固相,然后像液态金属压铸一样直接将半固态浆料注入压型中成形,这种工艺称之为流变加工。

流变加工充型前浆料已呈半固态状态,虽然粘度较高,但具有良好的流动性,充型流态为层流,因此可以制造尺寸精确、形状复杂、没有内部孔隙的高质量零部件。

这种加工方法的缺点是半固态浆料储运比较困难,所以应用受到很大限制。

3.2　触变加工触变加工工艺原理是将半固态坯料加热至固液两相区某一温度,保持一定的固液相比例,然后对之实施成形,如图2所示。

加热坯料通常采用电磁感应加热的方法。

将重新加热至固液两相区的半固态坯料送往成形机进行成形的方式有如下几种:(1)触变压铸,其成形设备是压铸机;(2)触变锻造,其成形设备是压力机;(3)触变挤压,其成形设备是轧机。

上述成形方法中,前两种工艺已经工业化应用,后一种尚不成熟。

4　半固态加工技术的发展趋势4.1　国内外发展概况近年来,SSM 技术的工业化应用进展迅速。

美国、意大利、瑞士、法国、英国、日本等国家处于领先地位,已进入应用阶段[6～10,17]。

图2　触变成形工艺流程Fig.2　Schematic diagram of thixocasting 1978年,美国AEMP (Alumax Engineered Metal Pro 2cess )公司建成世界上第一条高容量和高度自动化的触变成形生产线,用于生产铝合金主制动缸和铝合金压缩机活塞等汽车零件。

目前,该公司所属的Mt H olly 铝厂与Intalco 铝厂能够成批生产直径为76.2mm 和152.4mm 的铸棒。

1994年和1996年,AEMP 公司先后建成两家铝合金汽车零件半固态加工生产厂;1997年,这两家生产厂年生产能力达到5000万件。

此外,Thixomat 公司利用触变锻造工艺生产汽车用半固态镁合金零件。

ITT 公司用SSM 技术生产黄铜电接插件。

EPCO Divi 2sion ,HPM C orporation ,Italpresse of America 以及Prince Machine C orporation 等公司已经能够生产半固态铝合金触变成形的专用设备。

自1985年Alumax 铝业公司将有关触变成形的专利技术向欧洲转让开始,目前欧洲已有40多家公司进行半固态合金坯料和半固态合金零件毛坯的生产。

意大利是SSM 技术商业化应用较早的国家之一。

Stampal 公司能够生产直径为90～110mm 、长度可达4m 的锭坯,同时为Ford 汽车公司生产Z eta 发动机油料注射挡块,生产率为160件/h ;为Alfa R omeo Spider S ports Car 公司生产形状非常复杂、重达7kg 的汽车后悬挂架左右支撑件毛坯。

Weber 公司从1993年开始用SSM 技术为Nuova Lancia Delta 公司生产油料注射挡块。

瑞士Alusuisse 公司和几个欧洲汽车制造商合作开发生产汽车零件,1997,1998年开始全面投产,产品主要是汽车悬挂系统,如控制臂和操纵转向节等,该公司已成为其中两个汽车制造厂的供应商。