半固态加工技术

半固态金属加工技术
摘要: 半固态加工技术是一种新的材料成形技术。

作者综述了半固态金属的成形工艺、坯料制备工艺、微观组织、国内外研究应用情况, 展望了半固态金属加工技术的前景, 并提出了应对措施。

关键词: 半固态; 成形工艺; 浆料; 加工技术
Abstract: Semi-solid metal forming is a new process for metal form ing.The forming process, block preparation, mi-crostructure and its internal and external application are described in the paper.The prospect of semi-solid metal forming is displayed.
Key words: semi-solid; forming process; serous material; forming
引言:半固态金属加工技术(semi- solid metal forming ), 简称SSM。

它是利用半固态金属相当低的剪切应力以及很好流动性的特点, 将这种既非完全液态, 又非固态的金属浆料加工成型的一种新型加工方法。

SSM应用范围广, 存在固液两相区的合金均可实现, 并能适用于铸造、挤压、锻压、焊接等多种加工工艺。

其充型平稳, 加工温度低, 凝固收缩小, 因而铸件尺寸精度高, 表面平整光滑, 铸件内部组织致密, 气孔、偏析等缺陷少, 晶粒细小, 力学性能高。

另外, 半固态合金流动应力低, 成形速度快, 由于成形温度低, 对模具的热冲击低, 因而铸模寿命大幅提高, 并且与普通铸造相比可节约能源。

因此, 半固态金属成形技术得到了国际上的普遍重视, 成为材科学科的研究热点。

一、半固态成形工艺
半固态金属加工工艺的工艺路线通常有两条: 一条是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, 通常被称为流变成形(Rheocasting)。

另一条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, 这称为触变成形(Thixoform ing),如图所示。

半固态成型工艺方案示意图
1、流变成形
在金属凝固过程中，通过施加搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂等手段，改变合金熔体的凝固行为，获得一种液态金属母液中均匀地悬浮一定球状初生固相的固-液混合物(半固态浆料)，并利用此浆料直接成型加工的方法。

流变成型工艺中，半固态浆料中固相颗粒的尺寸和形状与冷却速度、搅拌方法、搅拌速度等显著相关，并且易于维持在低固相分数状态，通过搅拌可用于凝固区间小甚至共晶合金或纯金属。

流变成型在半固态发展初期就被认为是最具发展潜力的工艺过程，它具有工艺流程短、设备简单、节省能源、适用合金不受限制等特点，是未来金属半固态成型的一个重要发展方向。

但是由于半固态金属浆料的保存和输送很不方便，严重制约这种
成型方法的实际应用。

2、触变成形
获得半固态浆料后，将其进一步凝固成坯料(通常采用连铸工艺)，根据需要将坯料切分，然后把切分的坯料重新加热至固-液两相区形成半固态坯料，利用这种半固态坯料进行加工成型的方法。

触变成型工艺中，半固态浆料中固相粒子由母材晶粒未熔化的部分构成，颗粒尺寸与形状依赖与母材，并且易于维持在高固相状态，适合用于凝固区间大的合金。

与流变成型相比，触变成型解决了半固态浆料制备与成型设备相衔接的问题，易于实现自动化操作。

因此，触变成型工艺已成功实现了工业应用，目前国外已形成了一定的商业生产规模。

但是，随着触变成型工艺的不断推广和应用，其主要缺陷也逐渐暴露出来：浆料制备成本高、设备投资大、坯料的成分和微观结构的不均匀性、浆料制备过程控制难度大等，成为制约触变成型工艺发展的主要瓶颈，也成为近年来半固态成型技术的研究重点。

二、半固态坯料的制备
SSM中的一个关键问题就是如何制备优质的半固态棒坯。

通常, 半固态金属浆料的制备方法有机械搅拌法、电磁搅拌法和应变激活法。

此外还有喷射成形法、紊流效应法等。

1、机械搅拌法
机械搅拌法是制备半固态金属最早使用的方法, 它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颗粒结构。

采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率, 有利
于形成细小的球微观结构。

通常有两种类型, 一种是由两个同心带齿的圆筒所组成, 装浆料的内筒保持静止, 外筒旋转。

另一种是在熔融的金属中插入一根搅拌捧进行搅动。

机械搅拌法设备简单, 但操作困难, 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, 而且搅拌叶片易被腐蚀, 搅拌棒污染合金, 生产效率低。

2、电磁搅拌法
电磁搅拌法是利用电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流, 在外加旋转磁场的作用下促进金属固液浆料激烈地搅动, 成涡流运动, 使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织。

一般的, 影响电磁搅拌效果的因素有搅拌功率、冷却速度、金属液温度、浇注速度等。

电磁搅拌的突出优点是不用搅拌器, 不会污染金属浆料, 也不会卷入气体。

电磁参数控制方便灵活, 尤其适用于高熔点金属的半固态制备。

但设备投资大, 工艺复杂, 成本较高, 由于“积肤”效应, 该技术只运用于直径小于150mm的锭坯。

在众多制备方法中, 电磁搅拌法是一种较好的方法。

3、应变激活法
应变激活法, 就是预先连续铸造晶粒细小的金属锭, 再将其热挤压达到一定变形, 在组织中储存部分变形能量, 最后按需要将变形后的金属锭分切成一定大小, 加热到半固态。

在加热过程中, 首先发生再结晶, 然后部分熔化, 使固相晶粒分散在液相基体中, 得到半固态坯料。

该法制备的金属坯料纯净、产量大, 对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有其独特的优越性, 但成本高。

4、液相线铸造法
将合金熔体在液相线温度附近保温一定时间后, 进行浇铸, 以获得适合触变成形的半固态金属。

液相线铸造合金熔体温度低、温度场均匀, 在浇铸过程中大量晶核在熔体中均匀产生, 形成细小、均匀、等轴的半固态浆料。

该方法简单高效、节能节材。

5、紊流效应法
紊流效应法的原理是让金属液通过特制的紊流装置, 利用金属液的紊流效应抑制枝晶生长。

该方法对紊流装置的结构和材料以及加工技术要求很高。

目前尚未见工业应用报道。

6、喷射成形法
此方法是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。

三、SSM 的微观组织
1、微观组织特点
半固态金属的微观组织显著特点是球状晶粒组织悬浮于液相之中。

影响组织形态的因素很多, 其中冷却速率、剪切速率和固相率起着关键作用。

半固态金属表现出伪塑性, 其动力粘度与剪切速率之间满足指数定律, 增大剪切速率或降低冷却速率均可加速球化过程。

固相率一般在10%～20%时有一临界值。

大于此临界值时, 半
固态金属的剪切力随固相率的增大而迅速增大。

其它条件不变时, 固相率高的浆料中初生相更加细小, 分散度高, 但若固相率过高, 则失去半固态特性, 接近固态金属性质。

2、形成过程及机理
枝晶球化过程示意图如图。

a b c d e
a)初始枝晶碎叶; b) 枝晶生长; c) 蔷薇形晶粒; d) 长大了的蔷薇形晶粒; e) 球
形晶粒
在凝固初期, 固相细小, 由于剧烈搅拌, 熔体的热梯度很小, 固相颗粒分散在液相中, 颗粒基本呈枝晶状。

晶粒到一定尺寸时, 由于流动液体的作用, 枝晶臂发生弯曲, 相互靠近或紧贴, 逐渐融合并生长。

如果端部首先熔合, 枝晶臂间的液体就包在中间, 晶粒形状得到球化。

由于剧烈搅拌, 晶粒被卷入高温区后, 较长的枝晶臂也容易被热流熔断, 这是因为一般枝晶臂根部直径要小于其它部分, 而且二次枝晶臂根部的溶质含量要比其表面高些, 故其熔点要低一些, 易被熔断。

再者, 搅拌使整个熔体热流梯度相对较小, 且在各方面趋于一致, 因此单个结晶颗粒等轴生长。

故, SSM 组织的形状是球形或椭球形。

四、SSM国内外发展概况
1、国外研究状况
20世纪70年代初期，美国麻省理工学院的Flemings教授和David Spencer博士提出了半固态加工技术，由于该技本采用了非枝晶半固态浆料，打破了传统的枝晶凝固模式，具有许多独特的优点，因此关于半固态金属成形的理论和技术研究引起各国研究者的高度重视，半固态加工的产品及应用也随之得到迅速的发展。

20世纪80年代后期以来，半固态加工技术已得到了各国科技工作者的普遍承认，目前已经针对这种技术开展了许多工艺实验和一些理论研究。

根据所研究的材料，可分为有色金属及其合金的低熔点材料半固态加工和钢铁材料等高熔点黑色金属材料半固态加工。

20世纪70年代以来，美国、日本等国针对铝、镁、铅、铜等的合金进行了研究，其重点主要放在成形工艺的开发上。

目前，国外进入工业应用的半固态金属主要是铝、镁合金，这些合金最成功的应用主要集中在汽车领域，如半固态模锻铝合金制动总泵体、挂架、汽缸头、轮载、压缩机活塞等。

铝合金半固态加工技术（触变成型）已经成熟并进入规模生产，主要应用于汽车、电器、航空航天领域。

2、国内研究状况
20世纪70年代后期陆续开展了半固态金属成形技术的研究，但这些尝试大都利用机械搅拌法进行流变铸造或触变铸法研究。

中科院金属研究所是国内最早开展半固态加工研究的单位之一，较早进行了“铝合金半固态铸造”等的研究，自行设计制造了“半固态浆料制备设备”，研究了“半固态组织在凝固过程中析出规律”等等，研制了“半固态压铸刹车器活塞毛坯直接连续成形”，“石墨铝合金复合材
料细纱锭盘”等。

近几年，我国的研究者在国家自然科学基金、国家“863”、“973”等计划的支持下，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基本关键技术，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。

北京科技大学和中科院金属所等单位合作在国家自然科学基金的支持下开展了钢铁材料半固态直接成形基础研究，在铸铁、弹簧钢、不锈钢和高碳钢等高熔点材料的半固态坯料制备、半固态喷铸成形和直接轧制等方面进行了较深入研究，并取得了阶段性成果。

五、SSM的发展趋势
流变成形虽然应用很少，但与触变成形相比，流变成形更节省能源、流程更短、设备更紧凑，因此流变成形技术是未来金属半固态成形的一个重要发展方向。

目前特别值得关注的是半固态流变成形技术已获得了技术突破，并取得了商业应用的进展。

最近英国Brunel大学开发了一种双螺旋半固态金属流变成形机，比美国发明的单螺旋半固态金属流变成形机获得的球状晶粒更细小、更不容易团聚。

提升现代感应加热设备和加热稳定性；改善压力机性能；强化使用传递机器人等都有利于促进半固态金属成形技术的应用和发展。

开发更多的半固态成形材料和成形工艺的仿真软件是半固态成形技术推广和应用的关键。

半固态成形件经过热处理可以获得更为优异的力学性能，稳定的热处理工艺可以成为半固态成形技术的一个研究方向。

六、结语
为在我国推广SSM 技术, 我们需对以下几个方面深入研究: (1)分析半固态浆料中非枝晶组织的形成规律, 进一步研究半固态金属变形时的微观机理, 尤其是符合实际生产状况的动态组织性能的研究; (2)进一步细化半固态合金加工件的微观组织, 有效地制备半固态原始浆料中的固相组分的尺寸和数量; (3)半固态合金充型理论的研究; (4)半固态合金充型性能的定量描述; (5)铸型特性对半固态合金充型性能影响规律的研究; (6)半固态加工的模具设计和表面处理工艺; (7)研究半固态金属加工过程中计算机应用和自动化过程控制, 并进行半固态加工技术的数值模拟研究, 为优化成形工艺提供依据; (8) 开发连续制备半固态金属浆料铸坯和半固态成形自动化生产线及制备金属基复合材料的生产工艺; (9)适于进行半固态加工的合金开发。

同时还应该加大资金的投入。

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