半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究及應(yīng)用

1、半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究及應(yīng)用摘要：概述了近幾年來(lái)半固態(tài)金屬加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，主要對(duì)半固態(tài)金屬的形成機(jī)理、制備方法、成形工藝等進(jìn)行了介紹，綜述了國(guó)內(nèi)外半固態(tài)金屬成形技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)我國(guó)半固態(tài)金屬成形技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行了討論。關(guān)鍵詞：半固態(tài)；成形技術(shù)；復(fù)合材料中圖分類(lèi)號(hào)：TG146.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A20世紀(jì)70年代美國(guó)麻省理工學(xué)院的Flemings教授等人開(kāi)發(fā)出了一種嶄新的金屬成形方法，稱(chēng)為半固態(tài)加工技術(shù)1。在Flemings的 一篇論文中報(bào)道，金屬材料在凝固過(guò)程中加強(qiáng)烈的攪拌，可以打碎金屬凝固形成的枝晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成近球狀的組織，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻懸浮著一定顆粒 狀固相組分

2、的固液（固相組分一般為50）混合漿料，此時(shí)的半固態(tài)金屬具有優(yōu)良的流變性和觸變性2,3。因而，易于用常規(guī)加工技術(shù)如壓鑄、擠壓、模 鍛等實(shí)現(xiàn)成形。采用這種既非液態(tài)又非完全固態(tài)的金屬漿料加工成形的方法，稱(chēng)為金屬的半固態(tài)成形技術(shù)?？梢?jiàn)，半固態(tài)加工是利用金屬?gòu)囊簯B(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變或從固態(tài) 向液態(tài)轉(zhuǎn)變（即液固共存）過(guò)程種所具有的特性進(jìn)行成形的方法。這一新的成形方法綜合了凝固加工和塑性加工的長(zhǎng)處，即加工溫度比液態(tài)低，變形抗力比固態(tài)小， 可一次大變形量加工成形形狀復(fù)雜且精度和性能質(zhì)量要求較高的零件，所以半固態(tài)加工技術(shù)被稱(chēng)為為21世紀(jì)最有前途的材料成形加工方法。1半固態(tài)金屬的形成機(jī)理金屬熔液開(kāi)始結(jié)晶時(shí)，伴隨著強(qiáng)烈的攪

3、拌，晶核快速形成并長(zhǎng)大。隨著溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長(zhǎng)方式生長(zhǎng)，但由于攪拌的作用，造成晶粒之 間互相磨損、剪切以及液體對(duì)晶粒劇烈沖刷，這樣，枝晶臂被打斷，形成了更多的細(xì)小晶粒，其自身結(jié)構(gòu)也逐漸相薔薇形演化。隨著溫度的繼續(xù)下降，最終使得這種 薔薇形結(jié)構(gòu)演化成更簡(jiǎn)單的球形結(jié)構(gòu)，演化過(guò)程如圖1所示4。圖1 球狀顆粒的演變過(guò)程關(guān)于半固態(tài)金屬非枝晶球化機(jī)制，目前還沒(méi)有定論。Flemings等人認(rèn)為，初始球狀顆粒的形成與以下枝晶斷裂機(jī)制有關(guān)2,5：（1）枝晶臂根部斷裂機(jī)制。由于切變力的作用，枝晶臂在根部斷裂。最初形成的枝晶是無(wú)位錯(cuò)和切口的理想晶體，施加強(qiáng)力攪拌產(chǎn)生的剪切力使得枝晶臂在根部斷裂。（

4、2）枝晶根部熔斷機(jī)制。晶體在表面積減小的正常長(zhǎng)大過(guò)程中，由于液體流動(dòng)加速液體中的擴(kuò)散，引起熱振動(dòng)和在根部產(chǎn)生有助于熔化的應(yīng)力，有利于熔斷。同時(shí)在根部固體中較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶質(zhì)也將降低熔點(diǎn)，促進(jìn)了此機(jī)理的作用。（3）枝晶彎曲機(jī)制。此機(jī)制認(rèn)為，枝晶臂在流動(dòng)應(yīng)力下發(fā)生彎曲，產(chǎn)生位錯(cuò)導(dǎo)致發(fā)生塑性變形。在固相線以上溫度，位錯(cuò)間發(fā)生攀移并相互結(jié)合形成晶 界，當(dāng)相鄰晶粒的取向差超過(guò)20°，晶粒晶界能超過(guò)固液界面能的兩倍時(shí)，液體將潤(rùn)濕晶界并沿著晶界迅速滲透，使枝晶臂與主干分離開(kāi)。需要說(shuō)明的是，在凝固開(kāi)始時(shí)，對(duì)液體進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，從較大的樹(shù)枝晶脫離下來(lái)的并不是球狀的枝晶臂，每一個(gè)枝晶臂繼續(xù)長(zhǎng)大。但是，隨著

5、凝固過(guò)程中切 變的繼續(xù)和時(shí)間的增加，由于長(zhǎng)大及與其他晶粒發(fā)生剪切、磨損作用，枝狀晶變成薔薇狀，并在進(jìn)一步冷卻過(guò)程中晶粒的薔薇化繼續(xù)加深，直至足夠的過(guò)冷和高的剪 切速度下，顆粒變成球狀。隨著切變速度、凝固量的增加和冷卻速度的降低，晶粒由枝晶形狀轉(zhuǎn)變成球形的趨勢(shì)增加。2半固態(tài)金屬的制備方法制備方法的改進(jìn)和發(fā)展，主要是金屬液在凝固過(guò)程中提供攪拌力的方式的改進(jìn)和發(fā)展。上世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)鋁合金、鎂合金、銅合金等的半固態(tài)加工方法進(jìn)行了較為充分的研究，相繼開(kāi)發(fā)出了多種各有特色的半固態(tài)制備方法2,611。2.1 機(jī)械攪拌法此法是最早使用的方法，由美國(guó)麻省理工學(xué)院Flemings等人在70年代

6、初期開(kāi)發(fā)的。其工作原理為：在攪拌室內(nèi)的金屬液凝固過(guò)程中，利用攪拌棒 進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌，充分打碎已經(jīng)凝固的樹(shù)枝狀晶體，進(jìn)而形成顆粒狀固相均勻分布在液相中的非枝晶半固態(tài)漿料。該方法的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高、產(chǎn)量不大，所 以此法只適用于實(shí)驗(yàn)室研究中。2.2電磁攪拌法電磁攪拌法是利用交流電磁感應(yīng)力使攪拌室內(nèi)正在凝固的金屬產(chǎn)生劇烈的流動(dòng)，不斷導(dǎo)致凝固析出的枝晶充分破碎并球化，從而形成顆粒狀固相均勻分布在 液相中的非枝晶半固態(tài)漿料。該方法不易卷入氣體、不污染金屬液，金屬漿料純凈，可連續(xù)生產(chǎn)半固態(tài)漿料，產(chǎn)量可以很大，是目前生產(chǎn)鋁合金漿料的主要方法之 一。2.3 應(yīng)變激活法變激活法是預(yù)先連續(xù)鑄造出晶粒細(xì)小的金屬

7、錠，再將金屬錠擠壓變形，而且變形量要足夠大，最后按需要將變形的金屬錠切成一定大小，再加熱到固液區(qū)， 在加熱過(guò)程中發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，使晶粒細(xì)化，進(jìn)而部分晶界熔化，得到固液兩相共存的半固態(tài)金屬漿料。該方法生產(chǎn)的金屬鑄錠純凈，產(chǎn)量大，但由于增加了預(yù)變 形工序，使生產(chǎn)成本提高。同時(shí)該法只能用于生產(chǎn)小零件，應(yīng)用范圍有限。2.4 電磁機(jī)械復(fù)合攪拌法作者所在課題組新近開(kāi)發(fā)了電磁機(jī)械復(fù)合攪拌技術(shù)，其攪拌裝置如圖2所示。圖中的特制攪拌器是我們?cè)O(shè)計(jì)的電磁攪拌時(shí)改變半固態(tài)漿料在攪拌室內(nèi)流動(dòng)的 裝置，它可以在攪拌室內(nèi)沿垂直方向進(jìn)行上下移動(dòng)，這樣可以使整個(gè)攪拌室的半固態(tài)漿料進(jìn)行大范圍流動(dòng)，特制機(jī)械攪拌器的上下移動(dòng)是由電

8、機(jī)控制的。電磁攪拌是 由三對(duì)相對(duì)放置的N極和S極對(duì)半固態(tài)漿料產(chǎn)生的周向電磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。石墨坩堝上的冷卻孔和加熱孔是用于放置冷卻管和加熱管的，這些器件作用是為了精確控制 半固態(tài)漿料的溫度，以便得到固相率穩(wěn)定的半固態(tài)漿料。在整個(gè)攪拌過(guò)程中實(shí)施氬氣保護(hù)，以免半固態(tài)漿料發(fā)生氧化，影響半固態(tài)漿料的質(zhì)量。圖2 電磁機(jī)械復(fù)合攪拌裝置這種改造后的電磁攪拌技術(shù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的電磁攪拌技術(shù)，它一方面能夠有效的避免合金成分在攪拌時(shí)偏析，另一方面還能夠確保初生固相顆粒均勻分布。該方法在制備半固態(tài)復(fù)合材料漿料方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。3.5 其他方法除了上述方法外，還有許多制備方法處于研究或開(kāi)發(fā)階段。如單輥旋轉(zhuǎn)法、粉

9、末冶金法、化學(xué)晶粒細(xì)化法、液相線凝固法、斜坡冷卻法、剪切冷卻軋制法、脈沖法、超聲波處理法等。這些方法目前還尚未投入工業(yè)生產(chǎn)1213。3半固態(tài)金屬的成形工藝半固態(tài)金屬的基本成形工藝分為流變成形(Rheoforming)和觸變成形(Thixoforming)兩種，工藝過(guò)程如圖3所示13。經(jīng) 加熱熔煉的合金原料液體通過(guò)機(jī)械攪拌、電磁攪拌或其他復(fù)合攪拌，在結(jié)晶凝固過(guò)程中形成半固態(tài)漿料，接著的工藝分為兩種：一種是將半固態(tài)漿料直接壓入模具腔 進(jìn)而壓鑄成形或?qū)Π牍虘B(tài)漿料進(jìn)行直接軋制、擠壓等加工方式成形，即流變成形；另一種是將半固態(tài)漿料制成錠坯，經(jīng)過(guò)重新加熱至半固態(tài)溫度，形成半固態(tài)漿料再 進(jìn)行成形加工，此即觸

10、變成形。半固態(tài)金屬成形工藝生產(chǎn)出的制品與普通加工方法相比質(zhì)量更好，這是由于觸變材料比液態(tài)金屬的粘度更大，成形溫度更低。以壓鑄為例，半固態(tài)金屬是以 “較粘的固態(tài)前端”充填鑄型14，而與之相比的金屬液則呈“飛濺浪花狀”充型,這就更容易卷入氣體和夾雜從而產(chǎn)生缺陷；由于半固態(tài)金屬凝固收縮比全液 態(tài)金屬明顯減少，使零件完整性得以改善，尺寸近凈形化。表1給出了鋁合金半固態(tài)成形件和普通成形件的性能比較15，可以看出，半固態(tài)成形件具有非常明 顯的性能優(yōu)勢(shì)。圖3 半固態(tài)金屬成形工藝流程圖表1 A356和A357成形件的力學(xué)性能比較4半固態(tài)金屬的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及在我國(guó)的發(fā)展動(dòng)向4.1 國(guó)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀20世紀(jì)80年

11、代以來(lái)，半固態(tài)加工技術(shù)已經(jīng)得到各國(guó)科技工作者的普遍承認(rèn)，目前已經(jīng)針對(duì)這種加工技術(shù)開(kāi)展了許多工藝實(shí)驗(yàn)和理論研究，取得了很多的成果。在歐洲，從20世紀(jì)80年代以來(lái)，意大利、英國(guó)、瑞典、德國(guó)等國(guó)家在半固態(tài)應(yīng)用方面做了大量的研究和應(yīng)用工作。意大利是半固態(tài)加工技術(shù)應(yīng)用最早的 國(guó)家之一，Stampal-Saa公司使用此技術(shù)為Ford汽車(chē)公司生產(chǎn)齒輪箱蓋和搖臂的國(guó)內(nèi)零件。MM（Magneti Marelli）公司為汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)半固態(tài)鋁合金成形的Fuelinjection Rail 零件，在2000年日產(chǎn)達(dá)到7500件。Weber公司從1993年開(kāi)始用半固態(tài)技術(shù)為Nuova Lanacia Delta公司生產(chǎn)

12、油料注射擋。瑞士的Bubler公司已經(jīng)生產(chǎn)出鋁合金觸變成形的專(zhuān)用SC型壓鑄機(jī)和鋁合金半固態(tài)坯料的專(zhuān)用二次加熱設(shè)備。同時(shí)，德國(guó)的 EFU、法國(guó)的Pechiney S A、瑞士的Alusuisse-Lonza、意大利的Fiat等國(guó)際知名公司也已經(jīng)采用了半固態(tài)加工技術(shù)2124。日本于80年代后期，由基礎(chǔ)技術(shù)研究促進(jìn)中心和鋼鐵、有色及重工業(yè)等17家公司組建了首家Rheotech公司25。隨后，該公司對(duì)半固態(tài)加 工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，同時(shí)加強(qiáng)與歐美著名大學(xué)和公司之間的交流。在1988年3月至1994年6月期間共投資了30億日元進(jìn)行研究，其下一步將轉(zhuǎn)向工 業(yè)應(yīng)用，開(kāi)發(fā)半固態(tài)金屬成形件，而汽車(chē)零件將是他們

13、的首選目標(biāo)之一26。目前，日本的Speed Star Wheel 公司已經(jīng)利用半固態(tài)金屬成形技術(shù)生產(chǎn)鋁合金輪轂（重約5kg）27。4.2 國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀半固態(tài)金屬加工技術(shù)在我國(guó)起步較晚，始于20世紀(jì)70年代后期。先后有不少科研院所開(kāi)展了這方面的研究，但他們主要都是利用機(jī)械攪拌法進(jìn)行流變鑄 造和觸變鑄造研究。中科院金屬所是最早進(jìn)行半固態(tài)加工技術(shù)研究的單位之一28，較早的進(jìn)行了“鋁合金半固態(tài)鑄造”等的研究，自行研制了“半固態(tài)漿料的 制備設(shè)備”等。20世紀(jì)80年代后期，大多數(shù)學(xué)者開(kāi)始從事半固態(tài)復(fù)合材料和應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)小零件的研究。東北大學(xué)采用液相線鑄造法以變形鋁合金2618和 7075為例，對(duì)半固

14、態(tài)成形性、熱處理制度及成品機(jī)械性能做了系統(tǒng)的研究，并正在推廣工業(yè)應(yīng)用29。近年來(lái)，在國(guó)家重大基金項(xiàng)目的支持下，科研工作者 對(duì)半固態(tài)加工的關(guān)鍵技術(shù)做了突破性的研究。北京有色金屬研究總院在國(guó)家“863”的支持下，對(duì)鋁合金的半固態(tài)加工技術(shù)進(jìn)行了研究，自行設(shè)計(jì)了一條半固態(tài)材 料制備試驗(yàn)線，設(shè)計(jì)能力100t/a，于1998年10月實(shí)現(xiàn)了鋁合金半固態(tài)連續(xù)流變鑄造30。北京科技大學(xué)和中科院金屬所在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持 下，對(duì)鋼鐵材料半固態(tài)直接成形進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，在鑄鐵、彈簧鋼、不銹鋼和高碳鋼等高熔點(diǎn)合金材料的半固態(tài)加工技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展和階段性的成果 3133。目前，應(yīng)用半固態(tài)加工技術(shù)制備金屬基復(fù)

15、合材料已經(jīng)是一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。利用半固態(tài)金屬的粘度大且可調(diào)的原理，可以克服大部分增強(qiáng)材料和金屬液之間 潤(rùn)濕性不好而難以復(fù)合的難點(diǎn)，依靠半固態(tài)金屬阻止增強(qiáng)材料因比重差而上浮，得到增強(qiáng)材料在母液中均勻分布的金屬基復(fù)合材料。 武漢理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別進(jìn)行了鋁合金的Al2O3顆粒增強(qiáng)和短碳纖維增強(qiáng)的半固態(tài)加工研究。獲得了比液態(tài)鑄造復(fù)合材料性能更優(yōu)異的增強(qiáng)鋁基復(fù)合 材料3435。作者所在課題組長(zhǎng)期以來(lái)都在從事金屬基復(fù)合材料的半固態(tài)復(fù)合研究。利用自行設(shè)計(jì)的半固態(tài)電磁機(jī)械復(fù)合攪拌設(shè)備，在半固態(tài)鋼鋁復(fù)合、鋼Al半固態(tài) 浸鍍軋制等領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果。目前在國(guó)家自然科學(xué)基金和教育部重點(diǎn)基金的支助下，

16、該課題組在張鵬教授的帶領(lǐng)下正在進(jìn)行銅石墨自潤(rùn)滑復(fù)合材料的半固 態(tài)復(fù)合研究。該方法突破了銅石墨復(fù)合材料制備的傳統(tǒng)的粉末冶金方法的局限，并能很好的解決石墨顆粒在銅液中的上浮現(xiàn)象，得到了石墨顆粒均勻分布的銅石墨自 潤(rùn)滑復(fù)合材料，如圖4所示。和傳統(tǒng)粉末冶金方法相比，不僅制備工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約了成本，而且性能也得到了提高。圖4 40%固相率銅-石墨注錠試樣4.3 半固態(tài)金屬加工技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展動(dòng)向和國(guó)外相比，我國(guó)在半固態(tài)金屬成形技術(shù)領(lǐng)域的研究還很落后。為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，提高我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的水平和在國(guó)際市場(chǎng) 上的競(jìng)爭(zhēng)能力，需要采用各種新工藝和新材料來(lái)裝備我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)，而推動(dòng)半固態(tài)金

17、屬成形技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用是目前的關(guān)鍵3。就我國(guó)目前的研究現(xiàn)狀 來(lái)看，半固態(tài)金屬成形技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向如下：（1）半固態(tài)金屬觸變成形技術(shù)已經(jīng)基本成熟，而流變成形技術(shù)的發(fā)展較為緩慢，沒(méi)有太多的突破性技術(shù)進(jìn)展。因此，更多的研究人員會(huì)轉(zhuǎn)向金屬的半固態(tài) 流變成形理論和應(yīng)用方面的研究，以降低半固態(tài)產(chǎn)品成本，節(jié)約能源。同時(shí)也會(huì)注重已經(jīng)成熟的觸變成形技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用，推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展。（2）目前半固態(tài)金屬成形技術(shù)主要應(yīng)用于鋁、鎂、鉛等低熔點(diǎn)金屬的成形，而對(duì)高熔點(diǎn)黑色金屬的應(yīng)用較少，理論欠成熟。由于黑色金屬在工農(nóng)業(yè)中應(yīng)用廣泛，有著其他材料不可代替的重要作用。因此，在以后的發(fā)展中黑色金屬半固態(tài)成形的理論研

18、究和工業(yè)應(yīng)用將是一個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域。（3）目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了半固態(tài)成形過(guò)程數(shù)值模擬軟件，但還存在很多不足，比如沒(méi)有考慮合金的觸變性能等，應(yīng)用范圍受到很大的限制。因 此，加大計(jì)算機(jī)技術(shù)在半固態(tài)金屬成形工藝中的應(yīng)用，充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)流變成形和觸變成形過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，促進(jìn)半固態(tài)金屬成形的理論研究將是另一 熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：2 Flemings M C.Behabior of Metal Alloys in the Semisolid StateJ,Metallurgical Transactions B,1991,(6)：2692923 毛衛(wèi)民，趙愛(ài)民，鐘雪友.半固態(tài)金屬成形應(yīng)用的新

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