简介概要

半固态加工技术及其应用

来源期刊：稀有金属2003年第3期

论文作者：孙国强

关键词：金属材料; 半固态加工; 近净成形;

摘要：半固态加工技术具有高效、节能、近净形生产以及制成品显微组织细化均匀、机械性能好等诸多优点,是一种很有发展前景的加工方法.介绍了半固态金属原料制备技术、重熔工艺和成形技术.综述了半固态加工技术的应用领域,并展望了其应用前景.

稀有金属 2003,(03),382-384 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.03.016

半固态加工技术及其应用

北京机电研究所塑性成形技术中心北京100083

摘要：

半固态加工技术具有高效、节能、近净形生产以及制成品显微组织细化均匀、机械性能好等诸多优点 , 是一种很有发展前景的加工方法。介绍了半固态金属原料制备技术、重熔工艺和成形技术。综述了半固态加工技术的应用领域 , 并展望了其应用前景

关键词：

金属材料;半固态加工;近净成形;

中图分类号： TG249

收稿日期：2002-10-15

Technology and Application of Semi-Solid Processing

Abstract：

There are many advantages of semi solid processing technology such as energy saving, high efficiency and net shaped processing. Thixoformed products own fine microstructure and excellent mechanical properties. Therefore, it is a promising manufacturing technology for material forming. The applications of semi solid processing technology and its future were summarized.

Keyword：

semi solid processing technology; net shaped processing;

Received： 2002-10-15

自从20世纪70年代美国麻省理工学院的教授Flemings M C 等开发出半固态金属成形技术以来, 其优越性已经得到了广泛的认同。与传统的全液态铸造或全固态锻造相比, 半固态成形工艺具有如下优点: (1) 它是一种近净成形工艺, 制品表面质量好, 尺寸精度高, 可以获得形状复杂的零件; (2) 制品显微组织细小、均匀, 缺陷和偏析减少, 成品机械性能高; (3) 工作温度低, 模具热负荷小, 因此模具的使用寿命得以延长; (4) 半固态金属在变形前保持固体形状, 便于坯料传输, 简化了送料系统, 生产率大大提高; (5) 变形抗力低, 因此能耗低, 效率高, 易于自动控制。由于具有这些优点, 近几年来, 半固态成形技术已成为材料科学领域的研究热点之一, 受到国内外研究人员的普遍重视 ^[1,2,3] 。本文介绍了半固态金属原料的制备技术、部分重熔工艺以及成形技术; 同时阐述了半固态加工技术的应用现状和发展前景。

1 半固态金属原料的制备技术

1.1 机械搅拌法

机械搅拌法可以获得很高的剪切速率, 冷却速度大, 有益于形成细小、均匀的显微组织; 搅拌在金属液面下进行, 因而减少了空气的进入。但是, 机械搅拌时, 金属熔体与搅拌叶片直接接触, 对其造成腐蚀, 直接影响到搅拌器的寿命, 同时金属浆料也易受到污染。由于在工业生产中难以解决这些问题, 该方法只限于实验室的研究 ^[4] 。

1.2 电磁搅拌法

电磁搅拌法是利用电磁感应出的电磁力来搅拌正在凝固中的金属, 属于非接触式搅拌。其搅拌过程易于控制, 产量大, 因此, 在工业生产中得到了广泛的应用。目前, 工业上用电磁搅拌法可以生产出直径达38~152 mm的半固态铸棒。但是, 交变电流的集肤效应使得电磁力从铸棒四周到中心逐渐减弱, 所以, 电磁搅拌法不宜生产更大直径的铸棒, 而且, 该种方法的电能消耗量大, 搅拌效率有待于进一步提高 ^[5] 。

1.3 诱发应变激活体法

应用诱发应变激活体法技术首先要使合金原料获得足够的冷变形, 而后加热到固液两相区, 得到非常细小的、非枝晶的球状显微组织, 形成半固态原料。应用该法获得的金属纯净, 产量大, 是目前工业生产中采用的主要技术之一。但是由于增加了预变形工序, 使得生产成本提高; 此外, 与电磁搅拌法相比, 它仅限于生产小型零件。

1.4 喷射沉积法

金属熔化成液态后, 雾化为熔滴颗粒, 在喷射气体的作用下被直接收集在基板上。当每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切打碎在熔滴内部形成的枝晶, 凝固后成为颗粒状组织, 经加热到局部熔化时, 也可得到金属浆料。与其他方法相比, 该法成本较高, 仅适合于制备大尺寸坯料。

1.5 其他方法

除上述方法外, 切变-冷却轧制法、紊流效应法、粉末冶金法、电磁脉冲放电法、化学晶粒细化法、形变热处理法等也被用于制备半固态金属原料。

2 半固态金属坯料部分重熔工艺

在半固态原料最终成形之前, 首先要进行部分重熔, 重熔的程度依据合金的成分和成形工艺不同而有所不同:一种工艺是重熔到液相体积百分比占35%~50%, 形态类似“黄油”; 另一种工艺是重熔到液相体积百分比占50%~60%, 形态类似“粥” ^[6] 。目前, 前一种工艺应用较为广泛, 因为此时的部分重熔坯料可以象固体一样被搬运, 简化了送料系统。

为了得到合格的部分重熔坯料, 部分重熔工艺必须满足熔化速度快、熔化程度均匀和固相百分数控制精确的要求。目前, 在生产中多采用连续式电磁感应加热工艺。电磁感应加热的缺点是能耗大, 为了解决这一问题, 可以先将坯料送入传统加热炉中加热到一定温度, 再将坯料移入感应加热器中进行最后加热 ^[7] 。除电阻感应加热外, 也可采用电阻炉或盐浴炉对半固态坯料进行重熔加热。这种方法的优点是加热温度控制精确, 坯料不易坍塌, 缺点是加热时间过长, 易造成显微组织粗大, 坯料表皮氧化加重 ^[8] 。

3 半固态金属成形技术

3.1 流变成形法

流变成形法是将经过特殊搅拌工艺获得的半固态金属浆料直接成形。由于半固态浆料保存和输送很不方便, 因此, 这种成形方法发展较为缓慢。目前, 只有一种流变成形法得到实际应用, 即射铸技术, 该技术适用于镁合金的流变压铸, 可射铸计算机、照相机和汽车等零件的毛坯。

3.2 触变成形法

触变成形可分为触变铸造和触变锻造2种方法。应用触变成形法时, 首先将半固态金属浆料冷却凝固、制成锭料, 在生产时, 按所需尺寸下料, 将定量的坯料重新加热至半固态再成形。与流变成形法相比, 触变成形法更为切实可行, 它解决了半固态金属浆料制备与成形设备的衔接问题和半固态金属浆料的保存、输送问题, 成形过程易于控

图1 半固态金属部分重熔的两种工艺 Fig.1 Two remetling processes of semisolid metals

制, 便于实现自动化生产, 所以, 触变成形法在工业生产中得到了较为广泛的应用。

4 半固态加工技术的应用及发展前景

目前, 世界各国都有许多大学和企业的研究机构在进行半固态加工技术的研究工作, 并取得了一定的进展, 积累了一些有益的经验, 从而为该项技术的发展和应用奠定了基础。

半固态加工技术在合金制备领域中的应用起步较早、发展也较为成熟。半固态加工技术适用于具有较宽液固共存区的合金体系, 如铝合金、镁合金、锌合金、铜合金等均可用该技术制备, 其中, 半固态加工技术用于制备铝合金最为成功, 也最为广泛, 包括Al-Cu合金、 Al-Si合金、 Al-Pb合金和Al-Ni合金等 ^[9,10] 。

半固态加工技术在钢铁工业中也有着重要的意义。采用这种方法制造机械零件, 可以大大改善产品质量、降低能量消耗、并延长铸型寿命。目前, 半固态加工技术在某些不锈钢、镍基合金以及低合金钢中的应用, 已展开了一些研究工作。但是, 这方面的应用仍限于实验室中, 距工业应用还有一定距离。

目前, 应用半固态加工技术制备金属基复合材料也是一个研究热点。半固态金属在液固两相区具有良好的粘性和流动性, 能够比较容易地加入到非金属填料中, 而且, 只要选择适当的加入温度和搅拌时间, 便可以提高非金属填料和半固态金属之间的界面强度。同时, 非金属填料的加入有效地阻止了球形微粒的聚集, 有利于后续的部分重熔和触变成形 ^[11,12] 。半固态加工技术为复合材料的制备提供了一种崭新的、成本低廉的途径。

此外, 半固态加工技术还可用于板带和线材的连铸连轧中, 在连铸连轧中进行搅拌产生的效果不仅仅是使材料成分均匀, 而且能提高产品的整体质量。

半固态加工技术的另一个应用领域是材料的提纯 ^[13] 。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。

尽管总体来说, 半固态加工技术的工业应用仍处于初期阶段, 但是它的应用前景却是十分乐观的, 这一点已得到业内人士的普遍认可。半固态加工技术可用于汽车、摩托车、自行车、电子、电器、运动器材等零部件的近净形制造以及使其轻量化, 此外, 该项技术还被越来越多地用于航空、兵器、仪表等工业中主要构件的生产 ^[14,15,16] 。

近几年来, 半固态加工技术的工业应用已经取得很大进展。其中美国、英国、法国、意大利、日本等国家的应用水平处于全球领先地位。与这些国家相比, 中国在这方面的研究和生产起步较晚, 水平也相对较低, 为了适应汽车、通讯、航空航天等行业的迅猛发展, 提高我国汽车、电子仪器等产品在国际市场上的竞争力, 应大力加强半固态加工技术的研究与应用工作, 从而推进中国冶金工业领域整体水平的提高。