半固态铸造技术的发展状况及前景

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基金项目"国家自然科学基金资助#５０３７４０３１$%收稿日期"２００５!０５!１３收到初稿&２００５!０７!１６收到修订稿%作者简介"赵大志#１９７０!

$&男&辽宁大连人&硕士研究生&主要从事金属半固态技术研究%半固态铸造技术的发展状况及前景

赵大志&路贵民&崔建忠

#东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室&辽宁沈阳１１０００４$

摘要"作为２１世纪最具发展前景的金属成形工艺&半固态铸造成形技术以其高效’节能’近净形生产以及成形件高性

能等诸多优点&得到了人们的广泛关注%本文中介绍了半固态铸造成形技术的成形工艺’合金应用’坯料制备工艺’合金组织性能状况以及国内外的发展情况&并分析了半固态铸造成形技术在我国的发展前景%

关键词"半固态铸造成形(近净形(制浆(组织性能(发展前景

中图分类号"ＴＧ２４４文献标识码"Ａ文章编号"１００１!４９７７#２００５$１０!０９４３!

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ＺＨＡＯＤａ－ｚｈｉ，ＬＵＧｕｉ－ｍｉｎ，ＣＵＩＪｉａｎ－ｚｈｏｎｇ

（ＴｈｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，

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ａｎａｌｙｚｅｄ．

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近些年&随着工业的不断发展&尤其是汽车’航空’航天’电子以及兵器工业的发展&对于低成本’轻量化’高性能铸造产品的需求越来越大%采用半固态铸造成形技术所生产的产品由于浇注温度处于固液两相区&使铸件在凝固过程中收缩量减少&铸件尺寸精度提高&成形性好&适于生产复杂件&并可以达到近净形生产&而且在组织上消除了柱状晶和粗大的树枝晶&使铸件组织细密均匀&缺陷和宏观偏析明显减少&此外对型腔热冲击的减小相应提高了压铸型及压射室的使用寿命&提高了成品率和产品的性能%半固态铸造成形技术不但综合了铸造成形和锻压成形的优点&而且部分产品的性能会接近甚至于达到锻压产品的性能&同时拓展了成形合金的范围%

正是在这种前提下&使得半固态铸造成形技术受到了越来越广泛的关注&不仅在研究领域取得了很大的进展&而且正在不断向较为成熟的商业化生产方向发展%本文综述了半固态铸造成形技术的成形工艺’合金应用’坯料制备工艺’半固态铸造合金的组织’性能以及国内外的研究应用状况等&并分析了半固态铸造成形技术在我国的发展前景

%

由于半固态金属浆料中的初生晶粒通常以近球状形式存在&从而具有较好的流变性和触变性&因而半固态铸造成形通常采用流变铸造和触变铸造［１］两种工艺%在流变铸造过程中&利用经搅拌等工艺获得的近球状晶半固态浆料&在保持其处于固液两相区温度时直接进行浇注成形%由于浆料在制备成形过程中没有过热度&从而能够明显降低能耗&缩短合金的凝固时间&提高生产效率%但是由于半固态浆料的粘度往往与搅拌的剪切速率以及时间有关&因而如何保存和输送半固态浆料&控制其在成形过程中的温度变化以及一定的剪切速率成为流变铸造商业化生产待解决的关键问题%

触变铸造则是利用所制备的合金坯料&通过截取适当大小的坯锭&重新加热至固液两相区温度&然后进行铸造成形%尽管该工艺需要对合金进行二次加热&相对提高了能耗&由于在加工成形过程中半固态合金坯料便于进行二次加热和输送&同时易于控制成形过

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专题综述

Ｖｏｌ．５４Ｎｏ．１０

Ｏｃｔ．２００５

铸造

ＦＯＵＮＤＲＹ

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程"因而成为当今半固态铸造成形商业化生产的主要

工艺形式#但是从节省能源$缩短工艺流程和设备简

单化角度出发"流变铸造依然会成为未来的半固态铸

造成形技术的重要发展方向

#

由于半固态合金浆料的制备需要在固液两相区内

进行"因而半固态铸造成形工艺通常适用于具有较宽

固液两相区的合金体系"如铝合金$镁合金$铜合金$

锌合金$镍合金以及钢铁类合金等#随着半固态制浆

和成形工艺的不断拓展"合金的应用种类以及牌号还

将日益扩大#

但是合金熔化温度对设备要求的不同"合金成形

难易程度的不同以及成形件在质量上存在的差异"使

得半固态铸造成形技术的研究与开发长期以来主要集

中在较低熔点的合金领域中"其中以铝合金系列牌号

的研究开发最为显著"并进入商业化生产阶段"尤其

３５６合金［２］的半固态成形性能较为优异"其产品通过Ｔ６

热处理后的力学性能可以达到%抗拉强度２９６ＭＰａ"屈

服强度１９３ＭＰａ"伸长率１２％"硬度达到１０５ＨＢＳ"表

现出优异的力学性能"明显高于金属型成形件的力学

性能"尤其是伸长率提高了１．４倍&金属型成形件在Ｔ６

热处理后的伸长率为５％’#

随着材料应用技术的不断创新"高熔点合金应用

领域的发展及其不可替代性"和提高铸造产品质量$

降低能耗的要求"对于高熔点合金半固态铸造成形技

术也逐渐成为研究开发的焦点#目前研究的合金已涉

及铸铁$低合金钢$不锈钢及镍基合金等"尽管高熔

点合金的半固态铸造成形技术研究得到了不断加强"

但距离商业化生产尚有一段距离

#

在半固态铸造成形过程中"通常要求用于成形的

半固态金属浆料拥有稳定的均匀细小$被近球化的非

枝晶组织"从而确保浆料具有良好的流动性和触变性"

因而半固态金属浆料的制备是成形过程中的关键环节

之一"将会直接影响到成形铸件的质量#目前"除了

较为常用的机械搅拌和电磁搅拌制浆方法以外"主要

还有%应变诱导熔体活化法$液相线铸造法$喷射成

形法以及化学晶粒细化法等#其中"应变诱导熔体活

化法［３］由于对变形工序的要求较高"加工繁琐$生产成

本高$生产率低"使之在工业上主要应用在小规格尺

寸的较高熔点合金的非枝晶组织制备上#液相线铸造

法［３］是将合金熔体冷却至液相线温度附近保温一段时间

后进行浇注"获得所需要的半固态组织#在液相线铸

造法制浆过程中"合金熔体温度低"几乎无过热"浇

注时熔体中会形成大量均匀分布的晶核"有利于细小$

均匀$等轴的半固态非枝晶组织形成#作为半固态制

浆新工艺"液相线铸造法具有工艺简单"适用合金范

围广"生产效率高"尤其对变形铝合金半固态浆料的

制备具有极其重要的意义"对流变铸造的应用及发展

将起到积极地推动作用#

通过晶粒细化剂或变质剂而得到非枝晶组织的化

学晶粒细化法［４］将使半固态制浆工艺更加简化$操作更

加简便"并将直接推动半固态流变铸造的商业化生产#

在化学晶粒细化法中"如何控制细化剂和变质剂的成

分$用量及作用时间将成为关键#正像细化剂和变质

剂在铸铁生产中得到广泛应用一样"化学晶粒细化法

将会在半固态铸造生产中发挥巨大的潜力#

喷射成形法［５］在铝合金$黑色金属以及金属基复合

材料方面进行了成功实验"但由于生产成本较高"工

艺复杂"只是应用于一些具有特殊要求的产品生产#

除了以上的半固态制浆方法以外"目前还有采用

紊流效应法$粉末冶金法$超声波处理法$等温热处

理法$被动搅拌法$压锭压铸工艺法$电磁脉冲法等"

由于应用条件及设备等方面的要求"目前依然处于实

验室试验阶段"进入商业化生产尚有一段距离"还有

待于进一步研究和开发

#

在传统铸造成形过程中"由于冷却条件和溶质的

再分配等因素"使合金熔体通常以枝状晶组织形式凝

固#通常熔体中的固相率达到２０％￣３０％时"流动性就

会由于先凝固的固相所形成的网架结构而基本消失"

在铸态组织中往往会形成粗大的枝状晶组织"并伴生

有大量的缺陷"如缩松$缩孔$宏观和微观偏析等"

影响到铸造产品的使用性能#

在半固态铸造过程中"由于半固态合金浆料的浇

注温度控制在固液两相区内"浆料中的固相以近球状

的非枝晶组织形式悬浮在液相基体中"使熔体具有良

好的流变性和触变性"当其固相率达到４０％￣６０％［５］

时"依然具有良好的流动性"同时在一定强度搅拌的

作用下造成的温度和浓度起伏会促进大量晶核的形成"

并由于流动产生的固相间的摩擦$剪切和液相的冲刷

作用"从而在无过冷条件下使浆料以分布均匀"细小

的非枝晶$近球状的显微组织凝固"而显微组织的细

化则使合金的机械强度和耐磨性得到大幅度提高"特

别是伸长率更加显著#由于搅拌的作用"强化了溶质

元素的流动"加强了晶粒的游离"从而明显降低了偏

析"尤其是宏观偏析#在浆料充型过程中"半固态金

属的流动属于层流"避免了气体的卷入"且由于浇注

温度处于固液两相区"显著降低了铸件内部的气孔含

量"使铸件组织致密#

此外"由于无过热度浇注"合金熔体在凝固前已

含有一部分固相"从而减小了合金凝固时的收缩量"

相对降低了铸件的内部应力"使半固态铸造产品可以

通过热处理工艺进行组织和性能的改善"尤其对于压９４４