半固态金属加工成形 -

半固态金属加工成形

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摘要:半固态金属成形技术是现代工业发展的一个新领域。本文主要对半固态金属成形技术进行了简单的分析、归纳和论述。然后根据半固态金属加工成形技术的特点展望半固态金属加工的发展趋势及应用前景。

关键词：半固态成形，加工技术，趋势及前景

1．前言

半固态成形工艺，泛指对温度处于固相线温度与液相线温度之间的半固态金属坯料进行的成形工艺。该工艺的基本理念及工艺于20世纪70年代由美国麻省理工学院的弗莱明斯教授以及他的科研团队所提出和创立。其工艺特征是对正在凝固的金属进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，抑制树枝晶的生成或破碎所生成的树枝晶，制备具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料。此种浆料在外力的作用下，即使固相率达到60%。仍具有较好的触变流动性，可以利用压铸、挤压、模锻、铸轧等工艺进行加工成形。

目前，大部分金属构件的制造依赖于传统的铸造和锻造工艺，然而，在全球倡导“节能减排”、“绿色制造”的今天，传统的铸造和锻造工艺在材料质量利用率和材料性能利用率的双重标准的考量下，都显示出了一定的局限性。

2.半固态金属加工的特点

2.1半固态金属的特点

半固态金属（合金）的内部特征是固液相混合共存，在晶粒边界存在金属液体，根据固相分数不同，其状态不同。

在高固相分数时，液相成分仅限于部分晶界；在低固相分数时，固相颗粒游离在液相成分之中。半固态金属的金属学和力学主要有以下几个特点：

（1）由于固液共存，在两者界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。因此溶质元素的局部浓度不断变化

（2）由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分，固相粒子间几乎没有结合力，因此，其宏观流动变形抗力很低

（3）随着固相分数的降低，呈现黏性流体特征，在微笑外力作用下即可很容易变形流动。

（4）当固相分数在极限值（约75%）以下时，浆料可以进行搅拌，并可很容易混入异种材料的粉末、纤维

（5）由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可很容易地将分离的部位连接形成一体，特别是液相成分很活跃，不仅半固态金属间的结合，而且与一般固态金属材料也很容易形成很好的结合。

（6）即使是含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料，也可通过半熔融状态在低加工力下进行成形加工。

（7）当施加外力时，液相成分和固相成分存在分别流动的情况。虽然施加外力的方法和当时的边界约束条件可能不同，但一般来说，存在液相成分先行流动的倾向或可能性

（8）上述现象在固相分数很高或很低的情况下都很难发生，主要是在中间

固相分数范围或低加工速度情况下显著。

2.2半固态金属加工的优点

半固态金属相比固态金属有较低的流动应力,相比液态金属有较高的私度和较低的热容量,因此半固态金属成形相比传统的固态、液态成形,具有以下优点:

(1)半固态金属的成形应力显著降低,可以进行复杂形状成形,成形速度提高,加工周期缩短,机械加工少,材料利用率高,可以实现近净成形,成本降低,性能与固态金属锻件相当。

(2)半固态金属充型平稳,降低了气孔率凝固收缩小,不易出现疏松、缩孔,提高了致密性凝固过程中不易发生长程枝晶间液体流动,形成宏观偏析较少,组织更加均匀。

(3)半固态金属充型温度低,减轻了对模具和设备的热冲击,有利于模具工作条件的改善和模具寿命的提高。

(4)半固态金属粘度较高,可以方便地加人增强材料(颗粒或纤维)而制备复合材料,同时可以解决制备复合材料时非金属材料的飘浮、偏析以及与金属基体不润湿等技术难题,为复合材料的廉价生产开辟了一个新途径。

半固态金属成形也有其局限性,例如:对温度、固相率等工艺参数控制严格,对实现自动化生产不利二次重熔和加热处理要求较高,需要较好的加工设备和控制系统。

3.半固态金属加工技术

3.1半固态加工的基本工艺方法

根据半固态成形之前坯料不同的加热流程，半固态成形又可以进一步划分为泥态成形（Mushy process）、流变成形（Rheo-process）、触变成形（Thixo-process）。

（1）泥态成形（Mushy process）是通过对液态合金进行电磁搅拌并冷却至室温，获得具有球状晶粒的金属坯料，再将该坯料加热至半固态温度区间完成最终变形。

（2）流变成形（Rheo-process）则是省去了冷却至室温这一工序，对已冷却至半固态温度区间的完成球化处理的金属浆料直接进行成形

（3）触变成形（Thixo-process）是一种将半固态坯料加热到有50%左右体积液相的半固态状态，然后置放在具有略高预热热温度的模具型槽内进行一次模锻成形，获得与所需成品零件接近尺寸产品的工艺。 3.2半固态坯料或浆料的制备方法

（1）液相法，如机械搅拌法和电磁搅拌法 （2）控制凝固法，即通过控制液态金属生成枝晶的外部条件或加入某种添加剂，以细化晶粒，从而有利于二次重熔过程中组织的球化

（3）固相法，如喷射沉积法，再结晶重熔法（RAP）、应变诱导熔化激活法（SIMA）和粉末冶金法

（4）其他方法，倾斜冷却板制备方法、液态异步熔化激活法、超声振动法、粉末冶金法、低过热度铸造法等等

3.半固态金属加工技术的发展趋势及前景

（1）有色金属及其合金的低熔点材料半固态成形研究

20世界70年代以来，美国、日本等国针对铝、镁、铅、铜等的合金进行了

研究，其重点主要放在成形工艺的开发上。半固态加工实验方面的研究主要集中在浆料制备和半固态加工材料的成形。理论上的研究主要是围绕与工艺实现和试样组织、性能等有关方面进行。

（2）高熔点黑色金属的半固态成形研究

高熔点黑色金属材料半固态浆料制备方法、成形的研究现状和发展趋势： 高熔点黑色金属半固态浆料或坯料的制备方法研究（机械搅拌法电磁搅拌法）；黑色金属半固态成形加工方法研究（压铸、锻造、轧制）。

德国亚琛工业大学的Puttgen等人之出若要实现钢铁材料的半固态成形产业化应用，必须解决以下三个问题，第一，适于半固态成形钢铁材料的选择与设计，第二，适用于钢铁材料半固态成形的模具、工具材料的选择和设计，第三，半固态成形前后钢铁材料的热处理工艺开发与设计

（3）从已经举办过的多届半固态国际会议（S2P）的学术文章看，各国学者的研究工作多是集中在半固态坯料的制备方法、二次重熔、流变压铸和触变压铸。其研究目的旨在寻找更简单、更有效的半固态制坯方法和降低半固态加工成本，从而促进半固态加工在工业上推广和应用，但对如何提高半固态加工制件的性能研究，尤其是半固态制件在成形过程中，由于凝固不均匀和成形应力分布不均匀性导致制件各部性能的不均匀性，甚至产生内部缺陷的研究少有报道。

实际上，目前半固态成形工艺主要应用在汽车、电子产品、仪表等行业。

4.结语

半固态金属成形技术是工业发展的一个新领域，尤其是航天航空\军工和汽车工业等行业向着轻量\节能\优质\安全的方向发展，给半固态金属成形技术带来了广阔的市场，福建瑞奥麦特轻金属公司已成功地把半固态成形技术运用在汽车部件及电子等领域。发挥半固态成形技术的优点，加强半固态成形技术的基础理论和工艺控制的研究，是未来半固态成形技术的发展方向。

目前世界各国正在对半固态成形技术进行更为深人的研究,着重于优质坯料的制备、成形工序的简单流程化、先进设备的研发、工艺参数的精确控制等,其发展前景较为乐观。 参考文献：

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