浅谈金属半固态成形技术

江苏理工学院

JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

材料先进制备与成形加工技术

课程论文

学院名称：材料工程学院

专业：机械工程

2013年04 月

浅谈金属半固态成形技术

摘要本文综述了半固态成形技术，介绍了半固态成形技术的定义及其成形工

艺，研究现状及发展应用，半固态浆料的制备方式及浆料的特点，最后对半固态技术进行了展望。

关键词半固态成形触变成形流变成形

1.半固态成形技术定义

金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固-液混合浆料(固相组分一般为50％左右)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形；如果将流变浆料凝固成锭，接需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态温度区，这时的金属锭一般称为半固态金属坯料。利用金属的半固态坯料进行成形加工，这种方法称之为触变成形。半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形技术。如下图一所示。

图一半固态成形技术

2、半固态加工的成形工艺

目前，金属半固态成形的工艺路线主要有两种：一种是触变成形，把制浆与成形结合在一起；另一种是流变成形，将制坯和成形结合在一起。

2．1 触变成形

触变成形的工艺路线是将半固态合金浆料铸造成锭坯，根据产品尺寸需要进行下料，经二次加热后，在半固态温度下进行压力加工成形。由于半固态坯料的加热、输送工艺较为方便，并易于实现自动化操作，因而触变成形工艺在得到了广泛应用。如半固态金属触变压铸、触变锻造、触变挤压工艺目前都已成熟，并进入实际应用。随着触变成形工艺的推广和应用，生产实践中发现触变成形工艺也存在一些不足，如成本高，坯料损耗过多，坯料重熔时固相率难以精确控制。工艺图如图二所示。

2．2 流变成形

流变成形是将制备的半固态合金熔体直接转移到成形设备进行成形的工艺方法。Flemings在20纪70年代通过间歇式或连续式机械搅拌制备半固态金属浆料，通过流变铸造，在制备半固态浆料的同时也直接进行了流变压铸成形各种零件。由于直接获得的半固态金属浆料的保存和输送很不方便，因而流变成形技术进展很缓慢。但与触变成形相比，流变成形有工艺流程短、生产效率高等优点，近年来引起了人们的关注，从而出现了一些流变成形新技术。

半固态合金流变成形方法可分为两大类：一类是以半固态合金组织的形成基于“枝晶破碎球化”为核心理论，包括流变压铸成形、单螺旋机械搅拌式流变射铸工艺、压射室制备浆料式流变成形等；另一类是基于“球形组织的直接生长”的半固态组织形成机制，包括双螺旋机械搅拌式流变射铸工艺、低过热度倾斜板浇注式流变成形、低过热度浇注和弱机械搅拌式流变成形、低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变成形等，这些工艺方法便于控制、生产成本低，具有良好的发展前景。工艺图如图二所示。

图二金属半固态流变成形与触变成形工艺流程示意图

（a）流变成形（b）、（c）触变成形

3、金属半固态成形技术的研究现状与发展与应用

自从上个世纪七十年代以来，金属半固态成形技术已经经历了30多年，其发展经历了大致三个阶段：从七十年代初期到八十年代中期，主要是实验研究阶段；从八十年代中期到九十年代中期，主要为应用研究阶段；从九十年代中期到现在，为工业化应用阶段。近几年来，半固态金属成形技术在理论、工艺基础研究以及工业化研究等方面又有很多新的进展。

十几年来，关于半固态成形实验方面的研究主要集中在：浆料的制备，先后开发出了电磁搅拌法、超声振动法、直流脉冲法、液相线铸造法睁川等制备方法；半固态加工材料的成形，先后开发出了压铸成形、模锻成形、注射成形和连铸成形等加工工艺。美闲Conell大学的K．K．Wang等将半固态金属流变铸造与塑料注射成形(Injection Moulding)结合起来，形成了一种称之为“流变注射成形”(Rheomoulding)的半固态金属成形新工艺，开发了流变注射成形机。Kono Kaname 也发明了一种半固态金属注射成形系统，英国Brunel大学的z．Fan，S．Ji and M．J．Bevis等人在这些基础上开发了一种双螺旋半固态金属流变注射成形机。

理论上的研究丰要是围绕与工艺实现和试样组织、性能有关方面进行。在此研究成果上，近年来又针对浆料固相率的控制与测定、输送、半固态金属流变力学模型的研究、工艺参数如变形抗力、成形线速度和铸型温度对试样的表面质量、内部成分和组织分布规律的影响、半固态金属成形过程的数值模拟等较高层次的问题开展了较为系统的理论研究，取得了一定的进展。此外，在纤维和颗粒增强材料、与陶瓷等的复合材料方面也进行了一些研究。有代表性的研究单位如比利时的CRM公司、美同的麻省理工学院、康奈尔大学、DOW公司、hlumax公司、瑞士的Buhler公司、英国的Sheffield大学等。

我国在金属半固态成形技术研究方面起步较晚，但从80年代后期开始，在国家自然基金和“863”，“973”等项目的支持下，不少高等院校和科研机构在基础理论研究方面取得了可喜的进展，并自行设计和开发了不同类型的试验设备，如自行设计建成了100t／年铝合金半固态材料生产试验线，研制成功6工位中频感应二次加热设备等。全国机械工程学会锻压分会还专门设立了半固态加工学术委员会。

金属半固态成形以其技术与综合经济优势，很快就从实验研究进入工业应用。早在1978年，美国的AEMP公司就使用电磁搅拌技术生产出了供触变成形用的圆锭，随后建成了世界上第一条高度自动化的触变成形生产线，用于生产铝合金汽车零件，并且拥有相关专利60多项。从1988年开始，AEMP公司为Bendix牌小轿车生产了250多万件铝合金主制动缸，为Ford汽车公司生产了1500万件铝合金压缩机活塞，其成品率几乎为100％。Thixoma公司则是用半固态喷射成型专利技术生产镁合金汽车零件，并选择了三个典型零件：离合器片、油泵箱、齿轮箱。ITT 公司用半固态加工技术进行黄铜电解插件的生产，从1981年起应用于军用航空领域。Alumax公司于1994年建立了一个用半固态成形技术生产汽车零件的工厂，每年可以生产2400万个零部件。1996年在阿肯色州筹建了第二个半固态技术专业厂。目前该公司能生产质量从lOg到lOkg，直径为500mm的零件。该公司在1995年生产出了500多万件汽车零件，其中一个厂主要生产汽车空调箱体。另一个厂的主要产品为火箭支架底座，已生产了200多万件。该公司还为国内外用户提供刹车、发动机燃料输送系统、悬挂件等，已有几百万个零部件交付使用，并每年以生产百万件的速度增加。日本日立公司从1999年开始以流变铸造工艺生产零部件，与传统工艺相比，生产成本大幅度降低，生产周期缩短，产品质量提高。意大利的Stampal公司最先将源于日立UBE公司的新流变铸造(New Rheocasting)工艺用于工业生产，使铝合金(A356，A357)发动机托架，汽车悬挂件等零件质量提高，成本降低。比利时的C蹦、德国的EFU、法国的PechineySA、意大利的Fiat、IDRA、瑞士的Alusuisse—Lonza等国际知名公司已采用了半固态加工技术。另外，随着困防科技发展，对产品材质和成形技术的要求越来越严格。例如，轻型坦克的铝合金化。轻型坦克的轮毂、履带板等的成形，无论从品质还是从经济效益，半固态成形均是首选。

4 半固态合金浆料的制备

与传统铸造成形相比，半固态金属浆料中包含有类球形的固相颗粒，减少了凝固收缩，并提高了补缩能力，从而减轻或者消除了缩松倾向，因而组织优良的半固态金属浆料或坯料的制备是实现半固态金属加工技术的基础和关键。自从Flemings采用机械搅拌法制备出具有完整球形晶粒的半固态金属后，人们根据金属凝固理论对半固态金属浆料或坯料的工艺和技术，进行了研究与创新，目前半