半固态模锻在轿车制造中的应用

本文叙述半固态模锻的实质、理论基础、工艺流程及应用。阐述了用半固态模锻代替压力铸造及普通模锻的优点，介绍了半固态模锻的实例应用。文末提出了半固态模锻的特殊技术要求。

This article introduces the semisolid die forging and its theoretical basis, technology process and applications. It also states the advantages of using semisolid die forging to replac die casting and common die forging. Finally, it talks a
bout the special technological requirements co
ncerned with semisolid die forging.

当前可供大量生产的金属成形有两种：一种是采用完全呈液态的金属成形，如各种各样的铸造工艺（砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、挤压铸造、液态模锻等）。另一种是采用完全是固态的金属成形，如锻造、热挤压、冷挤压、辊锻、楔横轧、扩孔、摆动辗压、径向锻造加工等。

20世纪80年代初，美国麻省理工学院（MIT）首先提出了金属零件的半固态成形概念。所谓半固态模锻（Semi-solid forging——SSF）又称触变模锻（Thixoforging），是一种新的零件塑性成形加工工艺，是21世纪最具发展前途的近净成形加工技术之一，也是一项跨世纪的先进的高新技术。

半固态模锻，顾名思义，即是指将非全呈液态，又非全呈固态的固态—液态金属混合浆料模锻成形的新方法，就是将坯料加热到有50%左右体积液相的半固状态的材料，然后在具有略高预热温度的模具模膛内进行半固态成形，获得所需的接近成品尺寸零件最经济的工艺。

半固态模锻是一种介于固态成形和液态成形两种工艺之间的一种崭新的工艺，集中了它们的优点，也是当前研制开发制造零件的第三种工艺。

半固态模锻的实质、理论基础、工艺流程及应用

金属及合金在通常的凝固过程中会形成树柱状组织，如要进行塑性变形，就必然会产生断裂。研究发现，当剧烈搅拌正在凝固的金属合金时，虽然随着温度下降，合金中固体组分不断增加，甚至增加到40%60%以至更高，这种合金仍然如糊状浆料一样，具有很好的流动性，仍可以用模锻、挤压等方法成形。合金在半凝固状态下呈现的这种类似液体可以流动的、带有粘性的特性，即流变性， 给人以很大的启示，构成了半固态模锻工艺的一个理论基础。

搅拌铸造法铸锭工艺
1—连续馈送液体合金；2—感应加热；3—液体合金；4—冷却管；5—铸锭

经研究，之所以出现上述情况，是因为合金在凝固时经过剧烈的搅拌作用，不会形成交错的树枝状结晶组织，而是形成均匀，较为细小的球状等轴初次固体质点，这些质点悬浮在其余仍是液态的金属母液中，且呈彼此隔离的状态。

右图为在搅拌（电磁搅拌或机械搅拌）状态下的金属浆体铸造成适合半固态模锻用的均匀细小况状等轴晶体组织铸锭的工艺过程。

全部凝成一定尺寸的锭料，长度为 6 m，直径规格有Φ76.2 mm（Φ3 in），Φ127 mm（Φ5 in）及Φ152.4 mm（Φ6 in）三种的A356和A357系列铝合金半固态棒料，再将棒料切割成所需尺寸，所需重量的毛坯，以供半固态模锻使用。

半固态模锻的工艺流程主要是棒料切割，加热毛坯和模具内成形。

美国的AEMP（Alumax Engineered me
tal Process）公司与 Superior 工业公司于1992 年在阿肯色州建成了全球首家半固态模锻铝合金汽车轮毂厂。本图主图所示为用半固态模锻成形的铝合金汽车轮毂。

同一规格的半固态模锻铝合金轮毂的力学性能比铸造轮毂的高18%以上，因而前者的质量可比后者的轻15%，如下表所示。

半固态模锻的优点

零件成形是在半液半固的两相状态下进行的，与全液体成形或固体成形相比，具有许多十分明显的优点。它吸收了这两者的优点，而舍弃了它们的缺点，主要优点如下：

力学性能高

由于半凝固状态的铝合金在充足的压力下凝固结晶，组织致密，晶粒细小，故所得制件的力学性能比低压铸造高，见下表所示。

成品率高

可实现高度自动化，对各项工艺参数的测量与控制非常严格，整个模锻生产线，从棒料切割、加热、搬运、模锻到出模等已全部实现计算机化与自动化，故成品率几乎是100%。如福特汽车公司半固态模锻的1500万个汽车空调器压缩机铝合金活塞，件件合格。

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可成形复杂零件

由于半固态合金材料的粘度比熔融金属的高，在压力下使金属可形成层流，能均匀地填充模具模膛，特别是在模锻终期的高压作用下，可使薄壁部分得到很好的填充，故可生产形状复杂的薄壁零件。如各类汽车铝合金车轮、转向节、活塞等复杂形状的锻件。

材料利用率高

半固态模锻零件的尺寸接近成品尺寸，几乎没有余量，明显节约了原材料与资源，大大减少了加工余量与切削工时，故材料利用率得到极大的提高，约为95%。如半固态模锻汽车铝合金车轮根据尺寸的不同，相应地比低压铸造车轮的轻15%35%，经济效益与社会效益显著。

成形压力小

与普通模锻相比，成形压力小得多。如铝合金锻件半固态模锻的单位压力为3060MPa（普通模锻的单位压力为100120MPa），故可用较小吨位的模锻压力机。

模具寿命高

与压力铸造工艺相比，半固态模锻的温度较低。另外，大大减少了对模具模膛的热冲击，故能明显提高模具寿命。

设备投资小

模锻工艺要采用热模锻压力机或摩擦压力机等投资较高的设备。压力铸造需要专门的压铸机，设备投资昂贵，而半固态模锻既可用专用油压机，也可用通用油压机，设备投资较小。这对于推广与应用半固态模锻工艺是一个极为有利的因素。

生产率高

由于自动化程度高和工艺周期短，所以生产率高。见下表所示。

模具结构简单且费用低

与模锻相比，省去了切边模及冲孔模。如与压铸工艺相比，由于没有浇口套、喷嘴、浇注系统等结构，使半固态模锻的模具比压铸模大为简化、紧凑，故明显降低模具加工费用。

节约能源

半固态模锻的加热温度比固相线温度略高一些，如铸造铝合金则比共晶温度高几度即可，比铸造温度低得多，可比铸造节约35%的能源。

锻后余热淬火热处理

在进行半固态模锻时，制件具有相当的热容量，利用其余热发生锻后淬火，从而可免除昂贵的固溶热处理，而且可获得高的力学性能。例如，对汽车ZL101铝合金车轮进行T5处理即可，不必进行T6处理。

产品成本低

由于大大提高了产品的材料利用率，显著降低了设备的投资和模具费用，以及减少加热所消耗的热能，故产品成本比其他工艺降低30%40%。

半固态模锻的特殊技术要求

由上述可知，半固态模锻工艺的优越性是十分大的，与普通模锻工艺相比，具有很大的竞争力。在许多领域可以替代普通模锻、压力铸造、低压铸造、液态模锻等工艺，加工各种各样的形状复杂的零件。当然，半固态模锻并不是尽善尽美的，生产实践指出，实施半固态模锻，还必需具备如下的特殊技术要求：

锭坯组织结构要求严格

半固态模锻必须采用特殊的锭坯材料，它是用流变铸造（或搅拌铸造）法铸成不同直径的棒料，是具有均匀较细的（直径最好≦200μm）球状或近似球形的等轴晶粒，否则，加热到半固态时，既不会保持原来的形状，也不具备触变性能。

工程技术人员和生产工人的技术要求高

因为自动化生产线的管理与工艺维护、操作、模具设计、加工与修正都不是一般的人员所能胜任的，必须要通过专业技术培训，经考核才能上岗，否则要严重影响生产。

半固态模锻是一种跨世纪的先进、成熟、经济的加工近成品尺寸的工艺，在技术上和经济上明显优于压力铸造和普通模锻工艺，即简化了生产工序，提高了产品质量和合格率，经济效益和社会效益显著等特点。它特别适合于形状复杂、带孔或台阶形状类零件的成形，是一种具有较宽的适用性、较大推广价值及很有发展前途的新工艺。

本文介绍的这种工艺的商业性生产方法，对将引进这种技术的中国厂家有一定的参考价值。半固态模锻是加工汽车、摩托车、家用电器、电子产品、通信器材、军工及航空航天工业等零件的第三种工艺，有着巨大的开发潜力，所生产的零件有着极强的市场竞争力。