半固态成形技术及应用

半固态成形技术及应用

摘要

介绍了半固态成形技术的工艺原理,分析了机械搅拌、电磁搅拌、应变诱导、冷却斜

坡等浆料制备方法和流变加工、触变加工、注射加工等成形方法。分析了各种计算机模拟技术和模拟方法在半固态成形方面的应用,论述了目前国内外半固态成形技术的应用状况和发展趋势。随着半固态成形技术研究水平的不断提高,成形产品及应用不断增多,发展前景广阔。

关键词: 半固态加工; 浆料制备; 成形工艺; 计算机模拟

0引言

20世纪70年代初,美国麻省理工学院D.B.Sepcner等研究人员在自制的高温粘度计中测量Sn-15Pb合金高温粘度时,发现了金属在凝固过程中的特殊力学行为图,即金属在凝固过程中进行强力搅拌,使枝晶破碎,得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相率甚至可高达60%),具有很好的流动性,易于通过普通加工方法制成产品,并冠以半固态加工[1],人们一直沿用至今。

半固态成形技术与其它的成行技术的区别在于：①半同态浆料具有流变性和触变性，变形抗力小，可提高成形速度，进行复杂件成形，缩短加工周期，利于节能节材，也可进行连续形状的高速成形；②与液态金属加工相比，半固态浆料随着同相分数的降低，呈现粘性流体特性，在微小外力作用下可发生变形流动，但粘度比液态金属高，容易控制；③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，完成复合材料制备和成形；④应用广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压，也正是这个优点，才产生了多种金属半固态成形工艺[2]，所以被誉为2l世纪最有发展前景的现代加工新技术。

半固态金属成形过程的模拟仿真，如半同态材料的二次加热过程、凝固过程的温度场的模拟仿真，充型过程流动场的模拟仿真，触变成形过程工件应力应变场的模拟仿真和组织变化的模拟仿真等，通过对这些单一或复合过程的模拟仿真技术的研究，可以对SSM过程中产生的诸如裂纹、气孔缺陷等各种品质问题进行分析，对工艺方案进行优化，对产品品质和性能进行预测，从而达到改善产品品质、提高生产率和降低成本的目的。

半固态金属成形技术在许多发达国家如美国、意大利、瑞士、法国、德国、日本等已进入了工业应用阶段。半固态金属成形制品的主要市场是汽车工业，如空压机、制动器、发动机、燃料供给装置、悬挂装置及汽车轮毂等。由于制品质量优异，大量用于安全性能要求较高的地方。另外，在电子、军事和娱乐设施等方面也有着广泛的用途。而我国的半固态金属加工技术起步较晚，开始于20世

纪70年代末。直到90年代以后，随着国内轿车工业的发展，先后有以下高校和科研机构开展了这方面的研究：兰州理工大学、哈尔滨工业大学、东南大学、北京科技大学、北京有色金属研究总院、上海交通大学、清华大学、东北大学以及华中科技大学等[3]，并取得了可喜的进步。

1半固态成形的科学含义

1.1科学含义

半固态加工利用了金属从液态向固态或固态向液态转变时固液共存的特性，在成形中降低了加工温度，例如铝合金，与铸造相比，加工温度可降低120℃；变形抗力小，可一次加工形状复杂、精度要求高的零件。这些特性，为零件近净成形实现，提供了一条新途径。

半固态加工应该是一个温度概念，即从合金相图上所看出的，该加工是在固一液温度区间内完成并未涉及合金在固一液温度区间内完成，并没有涉及金属在半固态区间处何种组织状态和持某种特性，即所谓流变性和触变性。由半固态加工的名称起源可知，半固态加工，不仅是温度的函数，而且是组织的函数，更确切说是性能函数[4]。

1.2半固态在相图中的位置

图1是二元系共晶合金状态图的一部分，化学组成为A的合金在液相线温度

T L 以下，在固相线温度(这里指共晶温度)T

S

以上的温度区域里，固相与液相共存，

即处于半固态[5]。在这个范围中的温度T下，合金为保持平衡状态，由成分为A'的固相和成分为A"的液相以a:b之比共存，这就是合金的半固态区。

图1 合金的半固态区

2半固态浆料制备

半固态坯料的制备就是采用一定手段使半固态浆料中的固相以球状或椭球状颗粒分布于液相中，目前采用的方法有以下几种:

2.1 机械搅拌法[6]

机械搅拌时搅拌叶片与金属熔体直接接触，设备构造简单、工艺参数容易控制。机械搅拌过程中可以获得很高的剪切速率，利于形成细小的近球形微观结构，但是搅拌槽内部往往存在搅拌到的死区，影响浆料的均匀性，搅拌叶片的腐蚀以及它对半固态金属浆料的污染，都会对坯料质量带来不利的影响。机械搅拌制备的半固态金属浆料固相颗粒尺寸在50一1001μm之间。

2.2 电磁搅拌法[7]

电磁搅拌属于非接触式搅拌技术，利用电磁感应力将初生的枝晶破碎，工作原理如图2所示，其特点是金属液纯净，适用于高熔点合金和大批量生产。但由于感应电磁力从熔池边界到熔体中心逐渐衰减，当熔融金属四周有凝固外壳形成时，搅拌效果大大减弱，因此不适合制备大尺寸的半固态金属锭料。同时，电能消耗大，能源供给和搅拌器定子等装置体积大。电磁搅拌与连铸设备相结合可以为后续触变成形连续生产锭料。

图2 电磁搅拌法

2.3 应变诱导熔化激活技术[8]

应变诱导熔体活化法(strain induced meltactivation, SIMA)的工艺过程是，首先制备铸锭，然后对铸锭进行大的挤压变形，以获得晶粒细小的SIMA原料，再将铸锭加热到固液两相区，进行半固态成形。SIMA的关键是如何对铸锭

进行大的挤压变形，以获得细小晶粒组织的铸锭。

2.4 冷却斜坡法[9]

冷却斜坡法的工作原理如下:熔体首先流过冷却斜坡，产生局部降温、强烈滚动和翻转，再注人铸型，产生强烈的搅拌;然后通过控制铸型温度，使金属液冷却到半固态温度后保温;当达到要求的固相体积分数时，再进行流变成形或触变成形。

2.5 双螺旋流变注射成形法[10]

双螺旋流变注射成形法工作原理如图3所示，双螺旋挤压器本身就是半固态浆料制备器，液态金属在双螺旋挤压器制备成半固态浆料，进入压室后通过活塞形成一定的挤压力和挤压速度，挤入模具中使半固态浆料成形。

图3双螺旋流变注射成形法

2.6 其他方法

Flemings等提出的新MIT工艺。在快速热释放的同时对合金进行搅拌，使合金在半固态区进行短时间缓慢冷却或处于绝热状态，最后将合金冷却到指定的温度进行成形。获得半固态金属浆料的方法还有剪切冷却法、晶粒细化热处理法、喷射沉积法、超声振动法、粉末冶金法等，但这些方法目前还处于实验研究阶段，尚不能投入工业化生产应用。

3 金属半固态成形工艺

当前，金属半固态成形的基本工艺方法可分为流变成形和触变成形。流变成形是利用流变浆料直接进行成形。而触变成形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形加工。