半固态金属成形技术

摘　要：半固态金属加工(Semi-Solid metal Process or Semi-Solid metal Forming简称为SSM)是近年来金属加工技术研究的热点。半固态技术有一系列特点，最突出的是半固态材料的触变性，成形的零件精度高、质量好，能与净近成形或净终成形(Near-net-shape)接轨。较详细分析半固态金属成形特点和半固态金属制品的力学特性，介绍了半固态技术的应用。
关键词：半固态　半固态加工　净终成形　触变性▲

　　一、引言

　　半固态金属成形技术，就是金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控制固-液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀的悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分甚至可高达60%)。这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品。采用这种既非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态金属成形技术。图1所示是几种获得半固态金属浆料的方法。

a)机械搅拌机　b)机械搅拌连续制备　c)电磁搅拌连续制备
图1　几种获得半固态金属浆料的示意图

　　二、半固态成形的特点

　　与普通的加工方法相比，半固态成形具有许多优点：
　　1.应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态成形。可适用于多种成形工艺，如铸造、挤压、锻压和焊接。
　　2.SSM充形平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩小，因而铸件尺寸精度高。SSM成形件尺寸与成品零件几乎相同，极大地减少了机械加工量，可以做到少或无切屑加工。SSM凝固时间短，有利于提高生产率。
　　3.半固态合金已释放了部分结晶潜热，因而减轻了对成形装置，尤其是模具的热冲击，使其使用寿命大幅度提高。
　　4.SSM成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，内部气孔、偏析等缺陷少，晶粒细小，力学性能高，可接近或达到变形材料的性能。
　　5.应用半固态成形工艺可改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析以及与金属基体不润湿的技术难题，这为复合材料的制备和成形提供了有利条件。
　　6.与固态金属模锻相比，SSM的流动应力显著降低，SSM模锻成形速度更高，可以成形十分复杂的零件。
　　7.节约能源。按生产单位重量零件为例，半固态成形与普通铝合金铸造相比，节能35%左右。

　　三、半固态成形的主要工艺过程

　　半固态成形的工艺路线有两条：一条是将经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态成形，通常被称为流变铸造(Rheocasting)，见图2。另一条是将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度进行成形加工，通过被称为触变成形(Thixoforming),见图2。在实际工业生产中，主要采用后一种工艺。

图2　半固态成形的工艺路线及示意图

　　通常，半固态金属成形技术包括流变铸造、局部重熔(二次加热)和触变成形。所谓流变性，就是在搅拌过程中当固态组分不断增加(甚至达到60%)，虽然使金属浆料的粘性提高，但仍然保持良好的流动性。

　　四、半固态成形后的力学性能

　　实践证明，由于半固态金属具有触变性，铸坯在成形中具有明显的超塑效应和充填性能，而且变形抗力也小，可在较高速度下变形。从变形机理分析，其变形过程是一个从塑性变形到超塑性变形的过程。表1所示为铝合金在不同的加工方法与热处理状态下的机械性能。从表中可以清晰地看出，半固态成形技术的优越性。譬如，经过触变成形的A356合金在T6热处理状态下，比经过普通砂型铸造所得的铝合金具有更优良的机械性能，并且可与锻件的性能相近。不少学者还研究了一些高熔点合金材料经过半固态加工后的力学性能，如表2所示。

表1　不同加工方法所获得铝合金的机械性能比较

合金名称加工

方法热处

理

状态屈服

应力

(MN
^{。
m－2)抗拉
强度
(MN。
m－2)延伸
率
(%)硬度
(HB)铸造合金
A356
(Al7Si0.3Mg)}

A357
(Al7Si0.6Mg)
SSM
SSN
SSM
SSM
SSM
PM
PM
CDF

SSM
SSM
SSM
SSM
SSM
PM
PM
铸造
T4
T5
T6
T7
T6
T51
T6

铸造
T4
T5
T6
T7
T6
T51
110
130
180
240
260
186
138
280

115
150
200
260
290
296
145
220
250
255
320
310
262
186
340

220
275
285
330
330
359
200
14
20
5～10
12
9
5
2
9

7
15
5～10
9
7
5
4
60
70
80
105
100
80
–
–

75
85
90
115
110
100
-锻造合金
2017
(Al4CuMg)
　
2024
(Al4Cu1Mg)
　
　
　
2219
(Al6Cu)
　
6061
(Al1MgSi)
　
7075
(Al6ZnMgCu)
　
SSM
W
　
SSM
CDF
W
W
　
SSM
W
　
SSM
W
　
SSM
CDF
W
T4
T4
　
T6
T6
T6
T4
　
T8
T6

T6
T6

T6
T6
T6　
276
275
　
277
230
393
324
　
310
260
　
290
275
　
361
420
505　
386
427
　
366
420
476
469

352
400

330
310

405
560
570
8.8
22

9.2
8
10
19

5
8

8.2
12

6.6
6
11
89
105

–
–
–
120

89
–

104
95

–
–
150

　　CDF＝闭模锻造　PM＝金属模铸造　W＝锻造加工

表2　一些高熔点合金在不同条件下机械特性的比较

高熔点合金屈服应力

(MPa)抗拉强度

(MPa)延伸率

(%)铜CDA905

　流变铸造状

　流变铸造＋均匀化

　触变成形

　砂型铸造

131

155

155

152

324

305

281

310

30

23

7

25不锈钢A1S1304

　触变铸造

　蜡模铸造

不锈钢A1S1304L

　应变诱发熔化激活

　锻件276

274

660

516

596

483

19

30

＞30

57不锈钢440C

　流变铸造状

　流变铸造＋均匀化

　锻件

1030

1650

1860　

压缩实验

压缩实验

　M2工具钢(回火)

触变铸造

锻件(轴向)

(横向)　

2370

2440

1230

弯曲实验

弯曲实验

　钨铬钴合金21

触变成形

标准值

触变成形

锻件

铸造

X－40流变铸造

X－40蜡模铸造

531

524

2050

2400

924

1550

700

662

745

弯曲实验

弯曲实验

8

28

6

3

7钛合金Ti-20Co

流变铸造

模铸

钛合金Ti-2-Cu

流变铸造

模铸

Ti-17Cu-8Cu

流变铸造

168

139

126

121

212

486

454

170

162

388

7.4

1.4

9.5

1.9

8.8

五、半固态成形的应用

　　1.在铝合金制备中的应用
　　目前半固态金属成形应用最成功和最广泛的是在铝合金的制备中。其原因不仅是因铝合金的熔点较低和使用范围广泛，而且铝合金是具有较宽液固共存区的合金体系。在铝合金工业中，包括Al-Cu合金、Al-Si合金、Al-Pb合金和Al-Ni合金等，特别值得一提的是半固态金属成形技术已开始应用于制备铝合金制品。图3所示是半固态成形的铝合金零件。目前，半固态成形的铝合金零件重量可达7kg以上。

图3　半固态成形的铝合金零件

　　2.在其它材料中的应用
　　对于镁合金和铜合金，也可以应用SSM成形技术，并且已经取得了一些成果，可以用这种方法制造出质量优良的零件。
　　3.应用于复合材料的制备
　　半固态金属在液固两相区有很好的粘性和流动性，可以比较容易地加入非金属填料，而且只要选择好适当的加入温度和搅拌工艺，有利于提高非金属填料和半固态金属之间的界面结合强度。非金属填料的加入也有效地阻止了球形微粒的簇集，如图4所示。非金属填料的加入对后续的部分重熔和触变成形非常有利。目前，在金属基复合材料中应用SSM成形方法也是一个研究热点。

图4　在Al-Si半固态材料中加入SiC颗粒

　　4.SSM的一些其它应用
　　SSM也可以应用在板带和线材的连铸连轧中，在连铸连轧中加入搅拌后，产生的效果不仅仅是使成分均匀，而且能提高产品的整体质量。
　　SSM的另一个应用领域是材料的提纯。半固态成形技术在金属提纯上具有两方面的应用。其一，金属浆料中颗粒大小的不同，在后续过程中极容易形成偏析，采用雾化方法，从而使得金属基体性能趋于均匀。其二，由于在液固两相区，初生相微粒的成分与液相成分有较大的差别，只要采用某种方法将液相和固相分离开，就可以达到提纯材料的目的。比如，利用具有一定粗糙度的滤纸就可以将液体从金属浆料中排除，如图5所示。

图 5　材料提纯装置示意图