鋁合金半固態(tài)成形工藝的研究現(xiàn)狀

鋁合金半固態(tài)成形工藝的研究現(xiàn)狀

新型的成形技術(shù)─―半固態(tài)成形技術(shù)（SSM）是一種近終成形（Near-net-shape）的成形工藝。與傳統(tǒng)的成形工藝相比，它有一系列突出的優(yōu)點：成形溫度低，成形件力學(xué)性能好，并較好地綜合了固態(tài)金屬模鍛與液態(tài)壓鑄成形的優(yōu)點。本文闡述了鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)的主要工藝方法，其工藝參數(shù)與傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄成形的差異，以及半固態(tài)成形件在不同狀態(tài)下的力學(xué)性能

20世紀(jì)70年代初，美國麻省理工學(xué)院Flemings等人在實驗中發(fā)現(xiàn)了半固態(tài)金屬的流變性能，到70年代中期，Joly等人進(jìn)一步探索了半固態(tài)金屬的這種性能，并出現(xiàn)了半固態(tài)金屬加工的概念。所謂半固態(tài)金屬加工技術(shù)即在金屬凝固過程中，進(jìn)行劇烈攪拌，將凝固過程中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生長，然後直接進(jìn)行流變鑄造或制備半固態(tài)坯錠後，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度，然後進(jìn)行成形加工。鋁合金的半固態(tài)加工技術(shù)主要有三道工序：半固態(tài)坯料的制備、二次重熔和觸變成形。觸變成形作為半固態(tài)加工技術(shù)的最後一道工序，是影響半固態(tài)成形件組織和性能的關(guān)鍵工序，直接影響著半固態(tài)成形件的組織和性能。自該技術(shù)被開發(fā)以來，已經(jīng)歷了30馀年的研究發(fā)展，并已召開了六次有關(guān)半固態(tài)的國際會議，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)實用階段。因為半固態(tài)成形技術(shù)有一系列突出的優(yōu)點：半固態(tài)金屬成形技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和近終成形等優(yōu)點，可以滿足現(xiàn)代汽車制造業(yè)對有色合金鑄件高致密度、高強度、高可靠性、高生產(chǎn)率和低成本等要求，因此倍受汽車制造廠商以及零部件配套生產(chǎn)廠商的重視。

半固態(tài)金屬加工工藝

SSM成形是介乎鑄造和鍛造之間的一種工藝過程，是針對固、液態(tài)共存的半熔化或半凝固金屬進(jìn)行成形加工的工藝方法的總稱，使用於很多常規(guī)的成形方法。半固態(tài)金屬加工技術(shù)主要有兩種工藝：一種是將經(jīng)攪拌獲得的半固態(tài)金屬漿料在保持其半固態(tài)溫度的條件下直接進(jìn)行半固態(tài)加工，即流變成形（Rheoforming）；另一種是將半固態(tài)漿料冷卻凝固成坯料後，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度，然後進(jìn)行成形加工，即觸變成形（Thixoforming），後者在目前的生產(chǎn)條件下占主導(dǎo)地位。目前，應(yīng)用在工業(yè)上的半固態(tài)金屬觸變方法主要有：半固態(tài)壓鑄、半固態(tài)擠壓、半固態(tài)模鍛和半固態(tài)壓射成形等。

半固態(tài)壓鑄工藝

半固態(tài)壓鑄工藝是目前半固態(tài)金屬成形的主要成形工藝。典型的半固態(tài)壓鑄工藝流程圖見圖1。半固態(tài)鋁合金壓鑄是將半固態(tài)坯料二次加熱至坯料組織恢復(fù)到40％~60％球狀初生固相顆粒和共晶液相共存的固液混合態(tài)，隨即用夾持工具夾持到壓鑄機壓射室中壓鑄成形，其主要的工藝參數(shù)包括壓射比壓、壓射速度、壓射時間、模腔溫度以及留模時間等。

壓射壓比是壓射室內(nèi)半固態(tài)坯料所受的靜壓力，是半固態(tài)鋁合金壓鑄最重要的工藝參數(shù)之一。由於半固態(tài)鋁合金壓鑄時，坯料粘度較大，流動性較液態(tài)金屬差，為了充分利用半固態(tài)鋁合金坯料的流變性，在成形時，壓射比壓一般比液態(tài)金屬壓鑄時高20％~30％。

壓射速度為壓射室內(nèi)壓塞的推進(jìn)速度。由於半固態(tài)坯料具有一定的粘度，因此在低速壓射階段，其流動相對液態(tài)更平穩(wěn)，也不存在液態(tài)金屬壓射時的噴射、紊流和卷氣現(xiàn)象，因此該階段的壓射速度可比液態(tài)金屬壓鑄時快，有利於提高充型速度，縮短充型時間，提高鑄件表面質(zhì)量。

壓鑄機的料缸尺寸應(yīng)根據(jù)半固態(tài)坯料的大小來設(shè)計，由於半固態(tài)坯料在二次加熱時表面有一層薄薄的氧化膜，為了除去這一層氧化膜，料缸的直徑必須比坯料的直徑稍小，并充分考慮半固態(tài)坯料在二次加熱時的膨脹系數(shù)。料缸在壓鑄前要適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，以保證半固態(tài)坯料壓射前在料缸中不會冷卻凝固，并保持穩(wěn)定。除了要預(yù)熱外，還要在料缸表面涂上一層潤滑劑，以保證坯料不會和料缸表面粘在一起，但選擇潤滑劑時，要考慮其對半固態(tài)成形件性能的影響。半固態(tài)鋁合金壓鑄時模具內(nèi)的溫度也比液態(tài)金屬壓鑄時要高，且要求溫度穩(wěn)定，一般應(yīng)控制在200℃~350℃。其型腔內(nèi)澆注系統(tǒng)常采用開放式澆注系統(tǒng)、澆道流程短、澆道位置不遠(yuǎn)離鑄件。

留模時間是指半固態(tài)坯料被壓入模腔直到模腔被打開時成形件在模腔所停留的時間。留模時間直接影響這成形件的冷卻速度，以及鑄件的組織狀況。因為留模時間長，即更長的保壓時間會使鑄件中沒來得及填充的部位在保壓下由漿料來填充。但時間太長，則會引起粘模現(xiàn)象。

半固態(tài)金屬鍛造

半固態(tài)金屬鍛造與半固態(tài)金屬觸變壓鑄實質(zhì)上并無明顯差別，其主要不同之處在於前者是用半固態(tài)金屬在鍛造設(shè)備上加工成形。鍛造半固態(tài)金屬可以在較低的壓力下進(jìn)行，這使得一些傳統(tǒng)鍛造無法成形的形狀復(fù)雜構(gòu)件可以在半固態(tài)金屬鍛造方法來生產(chǎn)，其鍛造設(shè)備可分為立式和臥式壓力機兩種。半固態(tài)鍛造是將加熱到半固態(tài)的坯料，在鍛模中進(jìn)行以壓縮變形為主的模鍛以獲得所需形狀、性能制品的加工方法。半固態(tài)鍛造可以成形變形力較大的高固相率的半固態(tài)材料，并達(dá)到一般鍛造難以達(dá)到的