半固态金属成形技术的研究及应用

2016-08-15来源：暂无数据

20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemings教授等人开发出了一种崭新的金属成形方法，称为半固态加工技术[1]。在Flemings的一篇论文中报道，金属材料在凝固过程中加强烈的搅拌，可以打碎金属凝固形成的枝晶网络结构，形成近球状的组织，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定颗粒状固相组分的固－液（固相组分一般为50％）混合浆料，此时的半固态金属具有优良的流变性和触变性[2,3]。因而，易于用常规加工技术如压铸、挤压、模锻等实现成形。采用这种既非液态又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，称为金属的半固态成形技术。可见，半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变（即液固共存）过程种所具有的特性进行成形的方法。这一新的成形方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低，变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能质量要求较高的零件，所以半固态加工技术被称为为21世纪最有前途的材料成形加工方法。

1．半固态金属的形成机理

金属熔液开始结晶时，伴随着强烈的搅拌，晶核快速形成并长大。随着温度的下降，虽然晶粒仍然是以枝晶生长方式生长，但由于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷，这样，枝晶臂被打断，形成了更多的细小晶粒，其自身结构也逐渐相蔷薇形演化。随着温度的继续下降，最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单的球形结构，演化过程如图1所示[4]。

图1 球状颗粒的演变过程

关于半固态金属非枝晶球化机制，目前还没有定论。Flemings等人认为，初始球状颗粒的形成与以下枝晶断裂机制有关[2,5]：

（1）枝晶臂根部断裂机制。由于切变力的作用，枝晶臂在根部断裂。最初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶体，施加强力搅拌产生的剪切力使得枝晶臂在根部断裂。

（2）枝晶根部熔断机制。晶体在表面积减小的正常长大过程中，由于液体流动加速液体中的扩散，引起热振动和在根部产生有助于熔化的应力，有利于熔断。同时在根部固体中较高质量分数的溶质也将降低熔点，促进了此机理的作用。

（3）枝晶弯曲机制。此机制认为，枝晶臂在流动应力下发生弯曲，产生位错导致发生塑性变形。在固相线以上温度，位错间发生攀移并相互结合形成晶界，当相邻晶粒的取向差超过20°，晶粒晶界能超过固－液界面能的两倍时，液体将润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，使枝晶臂与主干分离开。
需要说明的是，在凝固开始时，对液体进行强烈搅拌，从较大的树枝晶脱离下来的并不是球状的枝晶臂，每一个枝晶臂继续长大。但是，随着凝固过程中切变的继续和时间的增加，由于长大及与其他晶粒发生剪切、磨损作用，枝状晶变成蔷薇状，并在进一步冷却过程中晶粒的蔷薇化继续加深，直至足够的过冷和高的剪切速度下，颗粒变成球状。随着切变速度、凝固量的增加和冷却速度的降低，晶粒由枝晶形状转变成球形的趋势增加。
2．半固态金属的制备方法
制备方法的改进和发展，主要是金属液在凝固过程中提供搅拌力的方式的改进和发展。上世纪70年代以来，国内外研究人员对铝合金、镁合金、铜合金等的半固态加工方法进行了较为充分的研究，相继开发出了多种各有特色的半固态制备方法[2,6~11]。
2.1 机械搅拌法
此法是最早使用的方法，由美国麻省理工学院Flemings等人在70年代初期开发的。其工作原理为：在搅拌室内的金属液凝固过程中，利用搅拌棒进行强烈的搅拌，充分打碎已经凝固的树枝状晶体，进而形成颗粒状固相均匀分布在液相中的非枝晶半固态浆料。该方法的装置结构复杂、造价较高、产量不大，所以此法只适用于实验室研究中。
2.2电磁搅拌法
电磁搅拌法是利用交流电磁感应力使搅拌室内正在凝固的金属产生剧烈的流动，不断导致凝固析出的枝晶充分破碎并球化，从而形成颗粒状固相均匀分布在液相中的非枝晶半固态浆料。该方法不易卷入气体、不污染金属液，金属浆料纯净，可连续生产半固态浆料，产量可以很大，是目前生产铝合金浆料的主要方法之一。
2.3 应变激活法
变激活法是预先连续铸造出晶粒细小的金属锭，再将金属锭挤压变形，而且变形量要足够大，最后按需要将变形的金属锭切成一定大小，再加热到固液区，在加热过程中发生回复和再结晶，使晶粒细化，进而部分晶界熔化，得到固液两相共存的半固态金属浆料。该方法生产的金属铸锭纯净，产量大，但由于增加了预变形工序，使生产成本提高。同时该法只能用于生产小零件，应用范围有限。
2.4 电磁机械复合搅拌法
作者所在课题组新近开发了电磁机械复合搅拌技术，其搅拌装置如图2所示。图中的特制搅拌器是我们设计的电磁搅拌时改变半固态浆料在搅拌室内流动的装置，它可以在搅拌室内沿垂直方向进行上下移动，这样可以使整个搅拌室的半固态浆料进行大范围流动，特制机械搅拌器的上下移动是由电机控制的。电磁搅拌是由三对相对放置的N极和S极对半固态浆料产生的周向电磁力来实现的。石墨坩埚上的冷却孔和加热孔是用于放置冷却管和加热管的，这些器件作用是为了精确控制半固态浆料的温度，以便得到固相率稳定的半固态浆料。在整个搅拌过程中实施氩气保护，以免半固态浆料发生氧化，影响半固态浆料的质量。

图2 电磁机械复合搅拌装置

这种改造后的电磁搅拌技术明显优于传统的电磁搅拌技术，它一方面能够有效的避免合金成分在搅拌时偏析，另一方面还能够确保初生固相颗粒均匀分布。该方法在制备半固态复合材料浆料方面具有明显的优势和应用前景。

3.5 其他方法

除了上述方法外，还有许多制备方法处于研究或开发阶段。如单辊旋转法、粉末冶金法、化学晶粒细化法、液相线凝固法、斜坡冷却法、剪切－冷却－轧制法、脉冲法、超声波处理法等。这些方法目前还尚未投入工业生产[12~13]。

3．半固态金属的成形工艺

半固态金属的基本成形工艺分为流变成形(Rheoforming)和触变成形(Thixoforming)两种，工艺过程如图3所示[13]。经加热熔炼的合金原料液体通过机械搅拌、电磁搅拌或其他复合搅拌，在结晶凝固过程中形成半固态浆料，接着的工艺分为两种：一种是将半固态浆料直接压入模具腔进而压铸成形或对半固态浆料进行直接轧制、挤压等加工方式成形，即流变成形；另一种是将半固态浆料制成锭坯，经过重新加热至半固态温度，形成半固态浆料再进行成形加工，此即触变成形。
半固态金属成形工艺生产出的制品与普通加工方法相比质量更好，这是由于触变材料比液态金属的粘度更大，成形温度更低。以压铸为例，半固态金属是以“较粘的固态前端”充填铸型[14]，而与之相比的金属液则呈“飞溅浪花状”充型,这就更容易卷入气体和夹杂从而产生缺陷；由于半固态金属凝固收缩比全液态金属明显减少，使零件完整性得以改善，尺寸近净形化。表1给出了铝合金半固态成形件和普通成形件的性能比较[15]，可以看出，半固态成形件具有非常明显的性能优势。

图3 半固态金属成形工艺流程图

表1 A356和A357成形件的力学性能比较

4．半固态金属的研究应用现状及在我国的发展动向
4.1 国外研究应用现状
20世纪80年代以来，半固态加工技术已经得到各国科技工作者的普遍承认，目前已经针对这种加工技术开展了许多工艺实验和理论研究，取得了很多的成果。
半固态发源于美国，因此在美国这一技术已经基本成熟，处于全球领先地位。Alumax公司率先将此技术转化成生产力，1978年，它使用MHD技术生产出供触变成形用的圆锭。1994年和1996年，Alumax 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％。另外，半固态成形的汽车制动泵体质量比金属型铸造的质量轻13％；到1997年，上述两厂的半固态铝合金成形的生产能力分别达到5000万件。该公司共拥有相关专利60多项；Thixoma 公司则使用半固态注射成形专利生产镁合金零件。ITT公司用半固态加工技术进行黄铜电接插件的生产。目前，Alumax 铝业公司的Mt Holly铝厂和Intalco铝厂已经生产出直径76.2mm和152.4mm的MHD锭。HMM公司为通用生产汽车零件（A356-T6），日产5000件，并计划将产量提高4倍。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，并通过对压铸过程进行动态监控，改善了压铸件，降低了废品率，节约了能源[16~20]。
在欧洲，从20世纪80年代以来，意大利、英国、瑞典、德国等国家在半固态应用方面做了大量的研究和应用工作。意大利是半固态加工技术应用最早的国家之一，Stampal-Saa公司使用此技术为Ford汽车公司生产齿轮箱盖和摇臂的国内零件。MM（Magneti Marelli）公司为汽车工业生产半固态铝合金成形的Fuelinjection Rail 零件，在2000年日产达到7500件。Weber公司从1993年开始用半固态技术为Nuova Lanacia Delta公司生产油料注射挡。瑞士的Bubler公司已经生产出铝合金触变成形的专用SC型压铸机和铝合金半固态坯料的专用二次加热设备。同时，德国的EFU、法国的Pechiney S A、瑞士的Alusuisse-Lonza、意大利的Fiat等国际知名公司也已经采用了半固态加工技术[21~24]。
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17家公司组建了首家Rheotech公司[25]。随后，该公司对半固态加工技术进行了系统的研究，同时加强与欧美著名大学和公司之间的交流。在1988年3月至1994年6月期间共投资了30亿日元进行研究，其下一步将转向工业应用，开发半固态金属成形件，而汽车零件将是他们的首选目标之一[26]。目前，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5kg）[27]。
4.2 国内研究应用现状
半固态金属加工技术在我国起步较晚，始于20世纪70年代后期。先后有不少科研院所开展了这方面的研究，但他们主要都是利用机械搅拌法进行流变铸造和触变铸造研究。中科院金属所是最早进行半固态加工技术研究的单位之一[28]，较早的进行了“铝合金半固态铸造”等的研究，自行研制了“半固态浆料的制备设备”等。20世纪80年代后期，大多数学者开始从事半固态复合材料和应用于汽车工业小零件的研究。东北大学采用液相线铸造法以变形铝合金2618和7075为例，对半固态成形性、热处理制度及成品机械性能做了系统的研究，并正在推广工业应用[29]。近年来，在国家重大基金项目的支持下，科研工作者对半固态加工的关键技术做了突破性的研究。北京有色金属研究总院在国家“863”的支持下，对铝合金的半固态加工技术进行了研究，自行设计了一条半固态材料制备试验线，设计能力100t/a，于1998年10月实现了铝合金半固态连续流变铸造[30]。北京科技大学和中科院金属所在国家自然科学基金的支持下，对钢铁材料半固态直接成形进行了基础性研究，在铸铁、弹簧钢、不锈钢和高碳钢等高熔点合金材料的半固态加工技术方面取得了长足的进展和阶段性的成果[31~33]。
目前，应用半固态加工技术制备金属基复合材料已经是一个新的研究热点。利用半固态金属的粘度大且可调的原理，可以克服大部分增强材料和金属液之间润湿性不好而难以复合的难点，依靠半固态金属阻止增强材料因比重差而上浮，得到增强材料在母液中均匀分布的金属基复合材料。武汉理工大学和哈尔滨工业大学分别进行了铝合金的Al2O3颗粒增强和短碳纤维增强的半固态加工研究。获得了比液态铸造复合材料性能更优异的增强铝基复合材料[34~35]。
作者所在课题组长期以来都在从事金属基复合材料的半固态复合研究。利用自行设计的半固态电磁机械复合搅拌设备，在半固态钢铝复合、钢－Al半固态浸镀轧制等领域取得了丰硕的研究成果。目前在国家自然科学基金和教育部重点基金的支助下，该课题组在张鹏教授的带领下正在进行铜石墨自润滑复合材料的半固态复合研究。该方法突破了铜石墨复合材料制备的传统的粉末冶金方法的局限，并能很好的解决石墨颗粒在铜液中的上浮现象，得到了石墨颗粒均匀分布的铜石墨自润滑复合材料，如图4所示。和传统粉末冶金方法相比，不仅制备工艺简单，节约了成本，而且性能也得到了提高。

图4 40%固相率铜-石墨注锭试样

4.3 半固态金属加工技术在我国的发展动向

和国外相比，我国在半固态金属成形技术领域的研究还很落后。为了国民经济的发展，特别是我国汽车工业的发展，提高我国汽车工业的水平和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，而推动半固态金属成形技术在汽车工业中的应用是目前的关键[3]。就我国目前的研究现状来看，半固态金属成形技术的发展动向如下：

（1）半固态金属触变成形技术已经基本成熟，而流变成形技术的发展较为缓慢，没有太多的突破性技术进展。因此，更多的研究人员会转向金属的半固态流变成形理论和应用方面的研究，以降低半固态产品成本，节约能源。同时也会注重已经成熟的触变成形技术在工业中的应用，推动我国汽车工业的发展。

（2）目前半固态金属成形技术主要应用于铝、镁、铅等低熔点金属的成形，而对高熔点黑色金属的应用较少，理论欠成熟。由于黑色金属在工农业中应用广泛，有着其他材料不可代替的重要作用。因此，在以后的发展中黑色金属半固态成形的理论研究和工业应用将是一个重点研究领域。

（3）目前，国内外学者已经开发出了半固态成形过程数值模拟软件，但还存在很多不足，比如没有考虑合金的触变性能等，应用范围受到很大的限制。因此，加大计算机技术在半固态金属成形工艺中的应用，充分利用计算机技术，对流变成形和触变成形过程进行计算机模拟，促进半固态金属成形的理论研究将是另一热点。

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