半固态金属成形应用的新进展与前景展望

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1、半固态金属成形应用的新进展与前景展望毛卫民赵爱民钟雪友摘　要　论述了半固态金属坯料制备工艺、成形工艺、半固态金属成形件的性能和半固态金属成形在一些发达国家应用的最新进展，并展望了半固态金属成形在我国应用的前景及意义。关键词：半固态金属　流变成形　触变成形　力学性能在传统的铸造中，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

2、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-solidformingorprocessingofmetals)［1～3］。半

3、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

4、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φ50mm～φ152mm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

5、激活工艺应变激活(Strain-inducedMeltActivationProcess,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

6、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(InjectionMoldingorThixomolding)技术。

7、射铸技术只应用于镁合金(ASTMSpectifications-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

8、形相比，前者更节省能源、