鋁合金半固態(tài)成形工藝的研究現狀

鋁合金半固態(tài)成形工藝的研究現狀

新型的成形技術─―半固態(tài)成形技術（SSM）是一種近終成形（Near-net-shape）的成形工藝。與傳統(tǒng)的成形工藝相比，它有一系列突出的優(yōu)點：成形溫度低，成形件力學性能好，并較好地綜合了固態(tài)金屬模鍛與液態(tài)壓鑄成形的優(yōu)點。本文闡述了鋁合金半固態(tài)成形技術的主要工藝方法，其工藝參數與傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄成形的差異，以及半固態(tài)成形件在不同狀態(tài)下的力學性能

20世紀70年代初，美國麻省理工學院Flemings等人在實驗中發(fā)現了半固態(tài)金屬的流變性能，到70年代中期，Joly等人進一步探索了半固態(tài)金屬的這種性能，并出現了半固態(tài)金屬加工的概念。所謂半固態(tài)金屬加工技術即在金屬凝固過程中，進行劇烈攪拌，將凝固過程中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生長，然後直接進行流變鑄造或制備半固態(tài)坯錠後，根據產品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度，然後進行成形加工。鋁合金的半固態(tài)加工技術主要有三道工序：半固態(tài)坯料的制備、二次重熔和觸變成形。觸變成形作為半固態(tài)加工技術的最後一道工序，是影響半固態(tài)成形件組織和性能的關鍵工序，直接影響著半固態(tài)成形件的組織和性能。自該技術被開發(fā)以來，已經歷了30馀年的研究發(fā)展，并已召開了六次有關半固態(tài)的國際會議，發(fā)達國家已經進入生產實用階段。因為半固態(tài)成形技術有一系列突出的優(yōu)點：半固態(tài)金屬成形技術具有高效、優(yōu)質、節(jié)能和近終成形等優(yōu)點，可以滿足現代汽車制造業(yè)對有色合金鑄件高致密度、高強度、高可靠性、高生產率和低成本等要求，因此倍受汽車制造廠商以及零部件配套生產廠商的重視。

半固態(tài)金屬加工工藝

SSM成形是介乎鑄造和鍛造之間的一種工藝過程，是針對固、液態(tài)共存的半熔化或半凝固金屬進行成形加工的工藝方法的總稱，使用於很多常規(guī)的成形方法。半固態(tài)金屬加工技術主要有兩種工藝：一種是將經攪拌獲得的半固態(tài)金屬漿料在保持其半固態(tài)溫度的條件下直接進行半固態(tài)加工，即流變成形（Rheoforming）；另一種是將半固態(tài)漿料冷卻凝固成坯料後，根據產品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度，然後進行成形加工，即觸變成形（Thixoforming），後者在目前的生產條件下占主導地位。目前，應用在工業(yè)上的半固態(tài)金屬觸變方法主要有：半固態(tài)壓鑄、半固態(tài)擠壓、半固態(tài)模鍛和半固態(tài)壓射成形等。

半固態(tài)壓鑄工藝

半固態(tài)壓鑄工藝是目前半固態(tài)金屬成形的主要成形工藝。典型的半固態(tài)壓鑄工藝流程圖見圖1。半固態(tài)鋁合金壓鑄是將半固態(tài)坯料二次加熱至坯料組織恢復到40％~60％球狀初生固相顆粒和共晶液相共存的固液混合態(tài)，隨即用夾持工具夾持到壓鑄機壓射室中壓鑄成形，其主要的工藝參數包括壓射比壓、壓射速度、壓射時間、模腔溫度以及留模時間等。

壓射壓比是壓射室內半固態(tài)坯料所受的靜壓力，是半固態(tài)鋁合金壓鑄最重要的工藝參數之一。由於半固態(tài)鋁合金壓鑄時，坯料粘度較大，流動性較液態(tài)金屬差，為了充分利用半固態(tài)鋁合金坯料的流變性，在成形時，壓射比壓一般比液態(tài)金屬壓鑄時高20％~30％。

壓射速度為壓射室內壓塞的推進速度。由於半固態(tài)坯料具有一定的粘度，因此在低速壓射階段，其流動相對液態(tài)更平穩(wěn)，也不存在液態(tài)金屬壓射時的噴射、紊流和卷氣現象，因此該階段的壓射速度可比液態(tài)金屬壓鑄時快，有利於提高充型速度，縮短充型時間，提高鑄件表面質量。

壓鑄機的料缸尺寸應根據半固態(tài)坯料的大小來設計，由於半固態(tài)坯料在二次加熱時表面有一層薄薄的氧化膜，為了除去這一層氧化膜，料缸的直徑必須比坯料的直徑稍小，并充分考慮半固態(tài)坯料在二次加熱時的膨脹系數。料缸在壓鑄前要適當的預熱，以保證半固態(tài)坯料壓射前在料缸中不會冷卻凝固，并保持穩(wěn)定。除了要預熱外，還要在料缸表面涂上一層潤滑劑，以保證坯料不會和料缸表面粘在一起，但選擇潤滑劑時，要考慮其對半固態(tài)成形件性能的影響。半固態(tài)鋁合金壓鑄時模具內的溫度也比液態(tài)金屬壓鑄時要高，且要求溫度穩(wěn)定，一般應控制在200℃~350℃。其型腔內澆注系統(tǒng)常采用開放式澆注系統(tǒng)、澆道流程短、澆道位置不遠離鑄件。

留模時間是指半固態(tài)坯料被壓入模腔直到模腔被打開時成形件在模腔所停留的時間。留模時間直接影響這成形件的冷卻速度，以及鑄件的組織狀況。因為留模時間長，即更長的保壓時間會使鑄件中沒來得及填充的部位在保壓下由漿料來填充。但時間太長，則會引起粘模現象。

半固態(tài)金屬鍛造

半固態(tài)金屬鍛造與半固態(tài)金屬觸變壓鑄實質上并無明顯差別，其主要不同之處在於前者是用半固態(tài)金屬在鍛造設備上加工成形。鍛造半固態(tài)金屬可以在較低的壓力下進行，這使得一些傳統(tǒng)鍛造無法成形的形狀復雜構件可以在半固態(tài)金屬鍛造方法來生產，其鍛造設備可分為立式和臥式壓力機兩種。半固態(tài)鍛造是將加熱到半固態(tài)的坯料，在鍛模中進行以壓縮變形為主的模鍛以獲得所需形狀、性能制品的加工方法。半固態(tài)鍛造可以成形變形力較大的高固相率的半固態(tài)材料，并達到一般鍛造難以達到的復雜形狀。而且，可以用於制造用普通鍛造難以成形的許多超合金，有可能用半固態(tài)鍛造技術制造出特殊材料的耐熱零件。鍛造速度每秒幾百mm到一千多mm，模壓從幾Mpa到十多Mpa，甚至更高。半固態(tài)鍛造零件的總量可從20g~13.6kg，鍛造速率可達120~360件/分，并能實現自動化。目前，已經利用半固態(tài)鍛造技術進行了聯軸節(jié)、齒輪等機械零件制造的研究。

半固態(tài)金屬擠壓成形

半固態(tài)擠壓成形即將坯料加熱到半固態(tài)，然後放入擠壓模腔，用凸模施加壓力，通過凹?？跀D出所需制品。半固態(tài)坯料在擠壓模腔內處於密閉狀態(tài)，流動變形的自由度低，內部的固相、液相成分不易單獨流動，除擠壓開始時若干液相成分有先行流出的傾向外，在進入正常擠壓狀態(tài)後，兩者一起從模口擠出，在長度方向上得到穩(wěn)定、均一的制品。

其他半固態(tài)金屬成形

除了上述半固態(tài)金屬成形方法外，還有一些正處於開發(fā)狀態(tài)下的半固體金屬成形法：如半固態(tài)壓射成形以及半固態(tài)鑄造和鍛造復合法等。

半固態(tài)成形件的力學性能

半固態(tài)坯料具有一定的固液比，和液態(tài)壓鑄相比，具有一定的粘度，所以成形時可以避免噴濺、紊流以及卷氣等缺點；與固體鍛造相比，變形力小，可以節(jié)省能源。所以半固態(tài)金屬成形與傳統(tǒng)的固態(tài)鍛造（軋制）以及液態(tài)壓鑄相比，綜合了這兩種成形方法的優(yōu)點：既可以提高力學性能，也可以成形復雜的零部件。

半固態(tài)成形件原始態(tài)的力學性能

由於影響半固態(tài)成形件性能的因素很多，因此各種資料中所報道的有所差異，但總體來講，其性能要比一般的成形方法好。

從表中我們可以看出：半固態(tài)加工技術具有更大的優(yōu)越性。其中以觸變成形所得的成形件性能最好，抗拉強度基本在200Mpa以上。延伸率也可以達到10％左右。

半固態(tài)成形件熱處理態(tài)的力學性能

半固態(tài)成形技術作為一種近終成形技術，因此半固態(tài)成形件可以直接在工業(yè)中應用。但通過熱處理，半固態(tài)成形件可以獲得更為優(yōu)異的力學性能，因此熱處理是挖潛半固態(tài)鋁合金性能的有效途徑之一。目前，有關半固態(tài)成形件的熱處理研究不多，也沒有形成穩(wěn)定的工藝。但試驗表明：半固態(tài)成形件經過熱處理後的抗拉強度都明顯提高，可達到315Mpa左右，伸長率卻下降。而且半固態(tài)成形件抗拉強度的提高幅度明顯比常規(guī)的壓鑄液態(tài)成形件大，而伸長率的下降幅度卻比後者小。

此，從上述可知：經過熱處理更能體現出半固態(tài)加工技術的優(yōu)越性，可獲得更好的綜合性能。

結束語

半固態(tài)加工技術雖然在國內外都有較多的研究，但在某些領域中國還是一片空白，尤其在後續(xù)處理方面：比如半固態(tài)壓鑄工藝的穩(wěn)定性研究，以及其熱處理工藝的優(yōu)化研究等。

上海大學 余忠土 張恒華 邵光杰 許珞萍

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