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半固态金属成形应用的新进展与前景展望

作者：毛卫民赵爱民钟雪友来源：本站发表时间：2012/5/15 9:12:58 点击：7128

在传统的铸造中，浇注的金属都是过热的金属液，如压铸、挤压铸造(液态模锻)；而在传统的金属锻造中，坯料都是固态金属。但从70年代至今，国外研究开发出一种崭新的零件成形工艺，称为金属的半固态加工。所谓的金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈地搅拌作用，充分打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%)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工，这种方法称之为半固态金属的流变成形(rheoforming);如果将流变浆料凝固成铸锭，再按需要将此金属铸锭分切成一定大小，使其重新加热(坯料的二次加热)至金属的半固态区，这时的金属铸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(thixoforming)。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或半固态加工(semi-solid forming or processing of metals)［1～3］。
半固态金属成形具有许多独特的优点：铸件凝固收缩减少，成形不易裹气，因此铸件致密，可以热处理强化；铸件晶粒细小，不存在宏观偏析，性能更均匀；半固态金属成形速度高，且易于近终化(net-shape)成形，机加工量减少；模具寿命长，所以半固态金属成形技术在国外获得了广泛的应用。

1　半固态金属坯料的生产
半固态金属坯料的制备是金属半固态成形的基础，目前进入工业应用的制备工艺主要有电磁搅拌、应变激活方法。
1.1　电磁搅拌工艺
电磁搅拌方法则利用电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促使金属固液浆料激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织。电磁搅拌不会污染金属浆料，金属浆料纯净，也不会卷入气体，电磁参数控制方便灵活。将电磁搅拌技术与连铸技术相结合可以生产连续的搅拌铸锭，这是目前工业应用的主要生产工艺方法，见图1。目前，美国的阿卢马克斯工程金属工艺公司拥有一家半固态合金坯料生产厂，利用一种专有电磁搅拌方法大量生产φ50 mm～φ152 mm的铝合金连续搅拌铸锭，其年生产能力已经达到1.6 万t，供应本公司触变成形使用；法国的Pechiney公司以专有的电磁搅拌技术生产铝合金搅拌铸锭；美国的Ormet公司也以法国Pechiney公司的专利技术生产铝合金电磁搅拌铸锭［3，4］。

图1　电磁搅拌连铸示意图

1.2　应变激活工艺
应变激活(Strain-induced Melt Activation Process,简称SIMA)方法的工艺要点是：预先连续铸造出晶粒细小的金属锭，再将金属锭热态挤压变形，而且变形量要大，通过变形破碎铸态组织，随后对热变形的坯料再施加以少量的冷变形，在组织中预先储存部分变形能量，最后按需要将变形后的金属锭分切成一定大小，加热到固液区并适当保温，即可获得具有触变性的半固态坯料。应变激活的工艺过程如图2所示［5］。该工艺方法制备的金属坯料纯净，产量较大，但需要很大的变形量，阿卢马克斯工程金属工艺公司利用该法生产军用航天器中的一种小型电器零件。这种方法只适合制作小型零件毛坯，也是目前工业应用的方法之一。

图2　SIMA工艺示意图

1.3　其他工艺
获得半固态金属浆料或坯料的方法还有：机械搅拌方法、晶粒细化热处理方法、紊流效应方法、超声振动方法、单辊旋转方法、粉末冶金方法等［3，6～9］。这几种方法还都处在试验之中，尚不能投入工业应用。
2　半固态金属的成形生产
2.1　流变成形
半固态金属成形工艺方法主要分为流变成形和触变成形。由于直接获得的半固态金属浆料的保存和输送很不方便，因而其发展缓慢，成熟的应用技术有限。目前进入实用的流变成形技术只有一种，它被称之为射铸(Injection Molding or Thixomolding)技术。射铸技术只应用于镁合金(ASTM Spectifications-AZ91D)的半固态成形，成形件为汽车零件毛坯，它的成形原理见图3：成形机中包含一个特殊的螺旋推进系统(Extruder),并配有半固态镁合金加热源；当小块状的镁合金(由传统的枝晶镁合金锭剪切而成)送入螺旋推进系统后，镁合金一边被加热，一边由左向右螺旋剪切推进；到达螺旋推进系统左边的半固态镁合金已经具有流变性，随后被射入模具型腔成形。射铸件的强度、塑性与高压铸件的相当，但射铸件的气孔率降低约46%，耐蚀性更强［10］。

图3　镁合金射铸技术示意图

虽然半固态金属流变成形技术应用较少，但是流变成形与触变成形相比，前者更节省能源、流程更短、设备更简单，因此流变成形技术仍然是未来半固态金属成形技术的一个重要发展方向。日本学者最近在此方向进行了有益的探索，其试验原理见图4［11］。该工艺的半固态金属浆料是利用电磁搅拌直接在射室中制备，然后将其挤入模具型腔成形，Al-7%Si-0.3%Mg半固态成形件的性能比液态挤压铸件的性能高，而与半固态金属触变成形件的性能相当。

图4　电磁流变成形示意图

2.2　半固态金属的触变成形
由于半固态金属坯料的加热、输送很方便，并易于实现自动化操作，因此半固态金属触变成形是当今金属半固态成形中主要的工艺方法［3］。
半固态金属的触变成形可以分为几种：一是触变压铸(thixodie-casting),其成形设备是压铸机；二是触变锻造(thixoforging),其成形设备是压力机；三是触变挤压，其成形设备是挤压机；四是触变轧制，其成形设备是轧机。以上成形方法的前两种工艺是目前实际生产中已经成熟的工艺，而后两种工艺尚不成熟。
半固态金属成形技术发源于美国，在美国这一技术已基本成熟，处于全球领先地位。1994年和1996年，阿卢马克斯公司分别建成了两座半固态铝合金成形汽车零件的生产工厂；生产的半固态模锻铝合金汽车制动总泵体，由于毛坯尺寸接近零件尺寸，机加工量只占铸件质量的13%，同样的金属型铸件的加工量则占铸件质量的40%，除此之外机加工后的半固态成形的汽车制动总泵体最终的零件质量比机加工后的金属型铸造的零件质量还轻13%左右；阿卢马克斯公司宣称：1997年，上述两个半固态铝合金成形工厂的生产能力将分别达到每年5 000万件。HMM公司(Hot Metal Molding)拥有雇员40人，每日三班工作，为通用汽车公司生产汽车零件(A356-T6),日产5 000件，并计划将产量提高4倍。1995年，Thixomat公司的子公司——Lindberg公司利用Thixomolding工艺，为一些汽车公司生产了50余万件的半固态镁合金铸件，使用了约100 t的原料。另外，EPCO Division, HPM Corporation, Italpresse of America, Prince Machine Corporation等公司已经能够生产半固态铝合金触变成形的专用设备，并通过对压铸过程实时控制研究，使整个压铸过程处于动态监控之下，改善压铸件性能，降低压铸件废品，且可使普通压铸机用于半固态金属成形，扩大了普通压铸机的使用范围［3,4,12～15］。
意大利的Stampal SpA和Fiat Auto公司生产的半固态铝合金汽车零件重达7 kg,而且形状很复杂［16］;意大利的MM公司(Magneti Marelli)为汽车公司生产半固态金属成形的Fuel injection Rail零件，日产2 500件，并计划在2000年达到日产超过7 500件［17］。德国的EFU等公司也正在积极研究此项技术［18］。瑞士的Buhler公司已经生产出铝合金半固态触变成形的专用SC型压铸机(实时压射控制和单一压射缸)和铝合金半固态坯料的专用二次加热设备［19］。
日本于80年代后期，由基础技术研究促进中心和钢铁、有色及重工业等民间17家公司出资组建了首家流变技术公司，开展了半固态金属成形的基础研究，于1994年完成此项计划，该公司下一步将转入半固态金属成形件的产品开发，那么汽车零件将是首选目标之一，如日本的Speed Star Wheel公司已经利用半固态金属成形技术生产铝合金轮毂(重约5 kg)［20］。

最近，国外学者研究了射压和增压的压力与半固态成形件性能的关系，发现射压和增压分别由8.27和20.7 MPa增加到20.7和41.4 MPa时，半固态成形件的断裂强度、屈服强度和伸长率均得到提高［21］。为了深入研究半固态金属成形过程，半固态金属成形的过程计算机模拟可能会成为研究热点，目前半固态金属成形模拟都作了等温、等粘度假设，仍然需要开发更准确的计算模型［22］。
目前，利用半固态铝合金触变成形工艺生产的汽车零件主要有：制动总泵体，连杆端头，油道，支撑件，转向齿杆壳件，轮毂等。
3　半固态金属成形件性能分析
国内外学者利用机械搅拌法制备了铝合金、铜合金、锌合金、铅合金、铸铁、碳钢、不锈钢、高速钢等目前通用牌号材料的半固态浆料或坯料，研究认为这些牌号的材料均可实现半固态成形，但是合金成形的难易程度不同，成形件的质量高低不同［3］。
在20余年探索中，虽然对许多的传统材料作过研究，但真正投入实际应用的半固态金属材料很有限，只有A356，A357，AZ91D等投入生产，尤其是A356，其半固态成形的性能很优异，见表1［23］。

表1　A356和A357成形件的力学性能比较

合金	工艺	热处理方法	屈服强度 MPa	抗拉强度 MPa	伸长率 %	硬度 HB
A356 (Al7Si0.3Mg)	SSM	铸态	110	220	14	60
	SSM	T6	240	320	12	105
	PM	T6	186	262	5	80
A357 (Al7Si0.6Mg)	SSM	铸态	115	220	7	75
	SSM	T6	260	330	9	115
	PM	T6	296	359	5	100

注：SSM—半固态成形件，PM—永久型成形件

4　半固态金属成形技术在我国的应用展望
目前，随着早期半固态金属成形专利技术�；さ氖�，将会有更多的公司计划利用半固态金属成形技术进行机械零件毛坯的工业生产［4］。我国的汽车工业，尤其是轿车工业正处在大发展时期，是我国的支柱产业之一，对我国国民经济的发展将产生重大影响。为了提高我国汽车工业的水平，提高我国汽车在国际市场上的竞争能力，需要采用各种新工艺和新材料来装备我国的汽车工业，即应该推动半固态金属成形技术在我国汽车工业中的应用。

为了成功地推动半固态金属成形技术在我国的应用，应该注意解决以下几个问题：
(1) 半固态金属触变成形技术已经基本成熟，而半固态金属流变成形技术在近年内不会有大的技术突破，所以目前应该主要推动金属触变成形技术的应用，但也应该密切关注半固态金属流变成形技术的发展。
(2) 在半固态金属成形技术的应用中，首先应该保证半固态金属坯料的供给。我国更应该重视这一问题，开发具有自己知识产权的半固态金属坯料制备技术，同时研究开发更多种类的适合半固态成形的合金。只有解决了坯料的供给问题，半固态金属成形技术在我国的应用前景才是非常光明的。
(3) 在半固态金属成形技术应用中，还应该注意加强坯料半固态重熔加热氧化皮的去除、固相分数的控制、成形中液相偏析和成形过程参数优化及计算机模拟等基础研究，为获得优质半固态金属成形件提供理论指导。
(4) 在半固态金属成形技术应用中，降低半固态金属成形件的生产成本是关键，应该提高生产效率，进行近终成形，减少机械加工量，同时提供优质廉价的半固态金属坯料。
�；せ肪澈徒谠寄茉吹姆⒄骨魇平峒绦偈蛊档那崃炕�，另外大量进口的汽车使我国汽车工业面临严峻的挑战，因此加快推广半固态金属成形技术在我国的应用，利用半固态金属成形技术来生产高复杂性、高强度和高致密性(即高可靠性)的汽车零件，为国产汽车(尤其是轿车)提供优质零件，这对我国汽车工业的发展和技术进步具有重大的意义。