金属半固态成形的现状与未来发展

金属半固态成形的现状与未来发展(****，河南451191)摘要：本文从半固态成形技术的背景、半固态金属的特性、成形工艺、非枝晶锭料的制备1及其机理、二次加热、应用等方面论述了金属半固态成形技术的发展史及研究现状．并叙述了我国半固态成形技术的研究状况与应用前景。关键词：半固态成形技术；半同态金属；成形工艺；工业应用；发展前景Statusofsemi-solidmetalforminganditsfuture

developmentLIJi-lei(HenanInstituteofEngineering,Henan451191China)Abstract：Thehistory8ndstatusofmetal'ssemi—solidformingtechnologywerereviewedfromitsbackground，semi-solidmetal'scharacteristics，formingoperations．productionmethodsofnon-dendriticstructuralbilletandtheirmechanisms，reheatingandapplications．ThepresentstatusandapplicationperspectiveofthistechnologyinChinaisalsodiscussedKeyword：semi—solidformingtechnology；semi-solidmetals；formingtechnology；industrialapplication；futuredevelopment20世纪70年代美国麻省理工学院的M.C.Flemings教授等发现了材料的半固态现象，首次提出了材料的半固态成形技术。【1】，，并对半固态合金球状晶的形成机制、浆料的力学和成形性进行了深入研究，创立了金属半固态成形的概念、理论和技术。由于材料在半固态状态下独特的加工特性，如变形抗力小，加工温度较低，生产效率高，制品尺寸精度高，表面质量好，铸件缺陷少，能够实现近净成形，适用于多种加工工艺，半固态成形技术引起了国内外学者的广泛关注，但大量实验和研究都集中在铝、镁等低熔点合金。到20世纪90年代，铝镁合金的半固态研究已经发展到了一个比较成熟的阶段，在工业应用上也取得了较大的进展。由于钢铁材料熔点高，受加工设备高温性能局限性影响较大，半固态浆料的制备、储存、输送困难、流变学行为不易测定，国内外对钢铁材料的研究相对较少，起步也比较晚，对它的研究和工业应用还处在一个开发、探索阶段［2。］对现阶段钢铁材料半固态成形研究而言，制备合格的半固态浆料是半固态技术的关键。本文综述了目前钢铁材料半固态成形的理论研究、浆料制备方法的研究现状，并对该领域的研究发展方向做出了展望。1非枝晶半固态金属的特性非枝晶半固态金属不同于传统凝固所得的半固态金属，它是一种由低熔点的液态金属和悬浮于其中的球状非枝晶初生晶粒组成的混合物，具有许多特性。⑴表观粘度低。经强烈搅拌的固相分数为0.4〜0.5的半固态金属.其表观粘度在0.1〜10Pa・s之间，与黄油(0.1Pa・s)、甘油(1Pa・s)和蜂蜜(10Pa・s)的表观粘度相当”］，仅比水或纯液态金属高出2〜4个数量级，在重力下仍具有流动性，这是引发半同态成形技术最重要的特点，保证了在一定压力下半固态金属良好的充型能力，能够获得形状复杂的零件。而在普通铸造条件下，初生品以枝晶方式长大，当同相分数达到0.2左右时，技晶就形成网络骨架，从而失去宏观流动性。触变性。非枝晶半固态金属静置一段时间后，粘度将急剧增大。研究表明,当某种材料的粘度达到106Pa•s时，就可以进行搬运，而固相分数为0.4〜0.5的非枝晶半固态金属经静氍后.是很容易达到此值的，所以就可以象固态金属一样进行搬运。当施加剪切力或搅拌时，叉会恢复到原态，象液态金属一样具有很好的流动性［3］。正是利用这一点，半固态成形可以实现全自动化控制。比液态金属的热容量低。由于半固态金属中已有相当分数的已凝固金属存在，因而成形时金屑的凝固速度快，生产率高；另外，与传统的铸造相比，半固态金属未达到熔点温度，成形温度低，对模具的热冲击小，不仅能延长模县寿命，而且还可以成形高熔点的金属，并能节约能源。比液态金属的粘度高。以层流方式充型，减少或消除r充型时的气体卷入。半固态金属的粘度可以根据需要进行凋整.粘度公式为n=d-exp(BvjYRvP+d［4］式中n，b，c，d 常数vp 固相分数Y——剪切率当y一定时，即压头压下速度、坯料和模具进料口尺寸一定时，口主要与Vp有关，而VP与温度有关：温度越高，VP越小，反之，则VP越大，也就是说，可以通过调节坯料的加热温度而获得所需的粘度。［3］有相当比例的球状固相存在。即与传统的铸造相比，已有一部分金属凝固，且为球状颗粒，这一方面减少r铸件的凝固收缩，另一方面提高了补缩能力。从而减少或消除了缩松倾向，可以制得无缩松、少偏析、组织细小的近净形零件。2半固态成形应用技术水平半固态成形分触变成形、流变成形和射注成形3种。触变成形和流变成形主要区别在于：前者把制坯与成形结合在一起，而后者则把制浆与成形结合一起如图1所示。触变：|制浆T铸成坯H切割IT二迭加热成形流变孑制浆一成形图1触变与流变工艺流程Fig．1Flowchartofthixotropyandrheologytechnology显然，触变工艺流程长，但它可以组织专业化生产，质量便于控制，因此成为半固态成形应用于生产主要工艺之一。而流变成形，涉及生产节拍及过程稳定、质量控制等问题，应用还有限。但由于其工艺流程短，有显著节能效益，成为当前研究的热点［4］，并期望有新的突破。目前应用生产领域：主要有铝合金触变压铸、铝合金触变模锻和镁合金射注3种［5］。3半固态合金的流变性能影响半固态合金流变性能的主要因素是浆料的固相分数等温温度和剪切速率"当剪切速率一定时，表观粘度随固相分数的增加而增加，流型变化为牛顿流体）拟塑性流体）宾汉姆流体。研究表明:当流体组织随剪切历程、时间变化较小时其等温稳态的流变规律为：当固相分数一定!则表观粘度随剪切速率的增大和冷却速率的降低而下降，即呈假塑性特征，而当剪切速率一定，固相分数增加时则相应的剪切力随之增加"当浆料处于实际工艺条件下如压铸，其充型过程持续时间只有0.01s~0.2s，属于等温动态流变范畴，其流变行为则属于胀流型。国内外对半固态Sn-15%pbZA-12合金的动态流变行为的试验研究表明!浆料表观粘度随剪切速率增加而增加,与稳态时流变特性相差远。例如：在半固态合金的等应变速率压缩实验中直接得到的数据是压力和夹头位移的关系!经过转换，得到其真应力（真应变曲线如图"所示图1【6】可知，在压缩变形刚开始的时候，即应变值从0增加到0.01左右时!随着应变的增加，应力是急剧增加的，并上升到峰值"应力达到峰值以后，随着应变的增加!应力会在峰值水平维持一段时间!这可以称作稳定触变流动阶段"在触变流动初始化阶段，由固相颗粒搭成的结构框架在压力的作用下逐渐被扭曲变形!直至被彻底击破，从而进入后期的稳定触变流动过程"因此，

在设计具体的半固态合金触变成形工艺时，可以使半固态合金坯料在进入模具腔体之前，先经历一个触变流动的初始化过程，这样就可以使坯料更容易地在模具腔体内流动。同时流动过程也更加稳定!有利于半固态合金填充模腔中空间狭小的部位进入稳定触变流动阶段，以后尽管真应力有一定程度的波动，但总的来说在逐渐下降，这一特点对于实际成形工艺中的金属充型是非常有利的。0-5| -——i■・・- 』0.0 01 0.2 0.3 0.4 I临 cut0.7真应变・图2半固态AL-6.6%Si合金在液固两相区压缩变形的真应力-真应变曲线从应力（应变曲线还可以看到：当应变达到0.4左右以后!应力又开始缓慢回升"这主要是由于大变形使试样出现侧翻，夹头与试样的接触面积增加而使摩擦力增加所致。半固态合金的触变特性相比半固态合金的流变性!触变性强调的是表观粘度与剪切时间的依赖关系它表征半固态浆液的依时行为"即在剪切作用下!合金液的表观粘度随时间连续下降"静止时表观粘度随之恢复。M.C.Flemings研究半固态AL-6.6%Si合金表观粘度与剪切速率下关系时指出!当剪切速率恒定时,瞬态表观粘度较稳态要低"这是因为!微观组织结构还没有足够的时间来调整以适应新的剪切速率,随着剪切时间的延长!固相颗粒的聚集程度减弱,在一定剪切速率延时搅动!表观粘度趋于稳定值,停止搅动时固相颗粒的聚集程度加剧,表观粘度随之恢复"由此可见!半固态合金的微观组织形态直接影响其触变行为!揭示非枝晶组织与触变性能之间的关系是研究半固态合金触变行为的重要途径.【7】半固态成形后的力学性能半固态成形主要是采用流变铸造的铸锭重新加热到固两相之间的温度，再挤压或锻造成零件"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机械性能［8］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【9】所示：表1：不同加工方法获得铝合金的机械性能比较合金加工方法热处理状态屈脈应力CMNm2)抗拉强度(M>]iii3)挺伸率(%)硬度(HB)铸造合金A356SSM铸造1102201460CAl7SiO,3Mg>5SMT41302502070SSMT5180饭5-10SSMT624032012105SSMT7颁3109100PMT61貓却吕30PMTS11382CDFT62B03409A3575SM铸造11522075(Al7SiO,6kfe)SSMT41502751535SSMT52002R55-1090SSMT6颁妙9115SSMT7却0330,ri110PMT62S63595100PMTS114E却。4锻造合金3017SSMT4276S,K甜CAIICuMg)WT427542722105益甬SSMT829035玄5珈(AlflCu)WT6275400839M3T6旳405&61Q4(AlGZtiMg^\i)CDFT61205€06表2：一些高熔点合金在不同条件下机械特性的比较

不锈A1S13O41.应变诱发熔化激活锻件596郊不锈ffl44oC流变铸锻状1050压縮流变铸遹+均匀化1650压缩懺件1&60MZ工具钢（回火〕触变铸造2370弯曲t轴向）2440弯曲（横向J1230触变成形闔50弯曲标准值2400触变成形9241锻件15502铸造7001531毗5（-40蜡模铸造524745钢铁材料半固态浆料的制备．6.1机械搅拌法机械搅拌法是依据强化对流的思想提出的最典型和最早应用的一种半固态制浆方法。它是在固液共存的温度范围内用机械的方法对凝固体系进行剧烈搅拌得到非枝晶球形固相颗粒悬浮于液相中的混合浆料。美国学者对采用机械搅拌所制备的铸铁、不锈钢、超合金等高熔点材料进行了组织与性能的研究，结果表明，机械搅拌使钢铁材料的初生相明显球化、组织更加均匀化［21］。日本学者将过共晶铸铁（mass%：C：4.26%；Si：1.78%；Mn：0.11%；P：0.062%；S：0.021%）加热到1723K,然后冷却到固液两相区，进行机械搅拌，获得细小石墨均匀地分布于基体内所含灰铸铁半固态坯料中，其组织形貌明显比同成分无搅拌常规铸造所获得的组织细小得多，其抗拉强度从144MPa提高到了300MP&。机械搅拌法设备技术比较成熟、易于实现，搅拌状态和强弱易控制，剪切效率高，但搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的死区，影响浆料的均匀性；搅拌器直接受到熔体侵蚀，寿命短，会对熔体产生污染；半固态浆料转移过程中易氧化；而且从熔体到半固态浆料的制备，再到最终成形的全过程不易控制，因此机械搅拌法在半固态浆料制备中，特别是高熔点钢铁材料的制备中受到一定的限制。6.2电磁搅拌法电磁搅拌是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，感应电流在洛伦滋力的作用下促使合金浆料产生搅动运动，同时获得均匀合金浆料的温度场和浓度场从而获得半固态非枝晶组织。目前，电磁搅拌主要有两种方式，一是在感应线圈内通交变电流的传统电磁方法，北京科技大学自行研制的电磁搅拌流变装置就属此类；二是Charles设计的旋转永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能的永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。我国东南大学根据此原理也自行设计出了一台旋转永磁体搅拌装置。电磁搅拌法与机械搅拌法相比，可以实现不与金属熔体直接接触，避免了搅拌棒的损耗和金属熔体的二次污染；通过控制影响感应磁场强度的电参数，还可以方便地控制金属熔体的流动状态和半固态浆料的质量。由于电磁搅拌无接触的特征，不受搅拌器材料高温耐热性的限制，所以广泛应用于钢铁合金等高熔点材料半固态浆料的制备[10]6.3应变诱发熔化激活法应变诱发熔化激活法是由KPYoung等于1981年发明的。该方法是利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属锭坯，将锭坯在回复再结晶的温度范围内进行大变形量的热挤压变形，从而破碎铸态组织，再对坯料加以少量的冷变形，在坯料的组织中储存部分变形能量，最后按需要将经过变形的金属锭坯切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并适当保温，即可获得具有触变性的球状半固态坯料。其机理是：熔化的部分液相渗入小角度晶界，树枝晶侧臂被熔断，成为初生球状晶粒；通过添加微量元素和进行循环热处理，可使晶粒尺寸减小，初生相的颗粒更圆整，并缩短初生相球粒化的时间。该方法已成功地应用于不锈钢、工具钢、铜合金和铝合金，并获得了晶粒尺寸约为20的非枝晶半固态组织合金。提高半固态的等温温度，可促进初生相的形貌转变，延长保温时间将使初生相长大，可用公式表示：D=D30+ktexp(QRT),式中：D0为原始晶粒尺寸，t为到达保温温度后的保温时间，T、Q、k、R为常数。应变诱发熔化激活法与机械搅拌法和电磁搅拌法相比，其加工不需要复杂的设备，正在成为一种有竞争力的半固态金属浆料的制备方法。但是，由于要增加一道预变形工序，使得制备成本提高。与电磁搅拌法相比，此法仅适用于生产小直径坯料。6.4倾斜板冷却体法倾斜板冷却体法是1996年日本宇部株式会社发明的，其原理是将略高于液相线温度的熔融金属倒在倾斜的冷却板上，通过冷却板的激冷作用，在凝固过程初期，冷却板壁上有细小的晶粒形核并长大，由于合金流体的冲击和物体的自重作用使晶粒从冷却板壁上脱落并翻转，以达到搅拌效果，通过冷却板的合金熔体落入容器，将其缓慢冷却到一定的半固态温度后保温，以增加晶核的数目和晶体的游离，细化晶粒，获得理想的微观组织。倾斜板冷却体法具有设备简单，成本低，操作简便，工艺流程短，易于实现工业化，生产效率高等特点。由于其利用了重力的剪切作用，还节省了能耗，提高了剪切作用效果，制备的半固态合金组织优良。其不仅适合于低熔点合金，而且特别适合高温合金浆料的制备。在用该方法制备半固态合金中，其主要影响因素有三个：浇注温度、冷却板长度和冷却板的倾斜角度。日本名古屋大学野村宏之等采用倾斜板冷却体法制备出了理想的浆料，然后通过挤压成形的方法成功制备出灰口铸铁试样，通过组织观察及性能实验表明：与常规成形试样相比，其组织中石墨形貌明显改善，抗拉强度、硬度等明显提高。国内，西南交通大学［12］和昆明理工大学都采用该方法对高铬铸铁进行了半固态浆的制备和研究，制备的高铬铸铁初生相得到了显著细化和等轴化，组织形貌明显改善，其韧性、耐磨性都得到了一定提高。其中，蒋业华【13】等研究发现：倾斜板长500mm,倾角为45°,浇注温度为1380T时得到的亚共晶高铬铸铁（mass%：C：2.4%,Cr：13%,Si：0.74%,Mn：0.36%,S：0.015%,P：0.034%）半固态浆料最理想，其平均形状系数为0.812，平均等效直径为40.7pm,其组织同常规铸造组织相比明显均匀细化。2002年,南昌大学还对倾斜板冷却体法加以改进,发明了斜管法流变制浆工艺。该法的原理与倾斜板冷却体法基本一致,只是斜管法使用的是封闭的斜管,其原理都是增加晶核的数目,从而达到细化晶粒,获得近液相线法中国科学院潘险峰等在浇铸前将Fe—B—Si—Mo和Fe—B—Zr—Nb两种合金熔体的温度调整到液相线附近,并控制随后的凝固条件,快速冷却,分别获得了该成分的非枝晶球状半固组织。东南大学潘冶等在无任何搅拌和其他处理条件下,通过控制合金温度和冷却速度,获得了灰铸铁球状半固态组织,初生奥氏体球晶圆整、分布均匀、尺寸细小，平均直径60pm左右，还发现球状初生奥氏体是自熔体中直接析出,并以球晶生长,而非由枝晶演化或枝晶破碎而来。这种通过控制合金的浇注温度,在近液相线温度进行浇注,不需任何搅拌,初生枝晶组织便可以球化的半固态浆料制备工艺称为近液相线法,其工作原理是在液相线铸造,合金熔体的温度低,几乎没有过热,温度场均匀,在浇铸过程中大量晶核在熔体中均匀产生,有利于形成颗粒细小、均匀、等轴的半固态浆料。北京交通大学张励忠【14】等将ZG25MnCrNiMo合金钢在中频感应炉中加热，1508T下只保温5min,就获得了等效晶粒直径不大于120pm、明显细化、分布均匀的半固态组织,并指出在液相线温度附近形核的关键条件是获得与晶核润湿角非常小的固相基底,准固相原于团簇因与晶核有良好的“润湿”效果而成为晶核核心的主要来源；熔体温度场的均匀程度直接影响到熔体准固相原子团簇的均匀程度和数量，越均匀越有利于熔体均匀地形核，形核后的晶核也不会由于温度不均匀造成的过热而熔化消失；保温温度越接近液相线，晶粒越小、越均匀。目前，这方面的研究已经引起广泛关注。除了上述半固态浆料的制备方法，等温处理法、液态异步扎挤法、固液混合铸造法等都可以用来制备钢铁材料的半固态浆料。总的来说，钢铁材料半固态的研究还处在实验研究阶段，离工业应用还有一定距离，其中还有大量问题有待解决。未来展望近年来金属半固态成形技术已取得了较大的进展尤其是低熔点有色合金的半固态成形已经实现了工业化但钢铁及其它高熔点材料的半固态成形技术仍处于实验研究或半工业性试验阶段，其今后的发展应主要集中在以下几方面：7.1半固态金属浆料物理性能的研究半固态金属浆料具有流变性质因而需要研究其粘度及影响因素金属流变组织的形成机制流变金属的流动行为、热行为、力学行为以及半固态金属浆料在成形过程中的行为规律、流场及温度场等7.2半固态金属浆料制备方法的研究需研究半固态金属浆料的制备方法以及各种工艺参数的变化规律，如剪切速率，固相分数，组织形态~冷却速度等还要设计最佳工业化的半固态金属浆料的生产装置7.3半固态成形材料的开发与传统锻造工艺相比，半固态成形的压力小，可以将其用于高熔点、难加工的硬质合金和各种强化金属基的复合材料等实现这些材料的半固态成形7.4计算机仿真及控制利用计算机仿真技术来控制生产以期获得最佳生产效率和最高产品质量我国半固态成形技术研究和应用已达到一定水平，即有政府的支持，如“863”“973”、重点和面上国家基金支持；有学术组织；有学校、研究机构和企业参加的研究队伍。前年在塞浦路斯参加第八届国际半固态加工学术年会上，英国华人学者Hd—set工程公司朱强先生发出感言，“半固态加工发展寄希望于中国”为了我国向着从制造业大国到制造业强国的跨越，成形工艺必须有一个大发展、大进步，来推动半固态加工的研究及其应用。参考文献：[1]FlemingMC.Behaviorofmetalalloysinthesemi-solidstate[J].MetalTran