铝合金半固态成形工艺的研究现状

铝合金半固态成形工艺的研究现状

新型的成形技术─―半固态成形技术（SSM）是一种近终成形（Near-net-shape）的成形工艺。与传统的成形工艺相比，它有一系列突出的优点：成形温度低，成形件力学性能好，并较好地综合了固态金属模锻与液态压铸成形的优点。本文阐述了铝合金半固态成形技术的主要工艺方法，其工艺参数与传统液态压铸成形的差异，以及半固态成形件在不同状态下的力学性能

20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings等人在实验中发现了半固态金属的流变性能，到70年代中期，Joly等人进一步探索了半固态金属的这种性能，并出现了半固态金属加工的概念。所谓半固态金属加工技术即在金属凝固过程中，进行剧烈搅拌，将凝固过程中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生长，然後直接进行流变铸造或制备半固态坯锭後，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然後进行成形加工。铝合金的半固态加工技术主要有三道工序：半固态坯料的制备、二次重熔和触变成形。触变成形作为半固态加工技术的最後一道工序，是影响半固态成形件组织和性能的关键工序，直接影响着半固态成形件的组织和性能。自该技术被开发以来，已经历了30馀年的研究发展，并已召开了六次有关半固态的国际会议，发达国家已经进入生产实用阶段。因为半固态成形技术有一系列突出的优点：半固态金属成形技术具有高效、优质、节能和近终成形等优点，可以满足现代汽车制造业对有色合金铸件高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重视。

半固态金属加工工艺

SSM成形是介乎铸造和锻造之间的一种工艺过程，是针对固、液态共存的半熔化或半凝固金属进行成形加工的工艺方法的总称，使用於很多常规的成形方法。半固态金属加工技术主要有两种工艺：一种是将经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工，即流变成形（Rheoforming）；另一种是将半固态浆料冷却凝固成坯料後，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然後进行成形加工，即触变成形（Thixoforming），後者在目前的生产条件下占主导地位。目前，应用在工业上的半固态金属触变方法主要有：半固态压铸、半固态挤压、半固态模锻和半固态压射成形等。

半固态压铸工艺

半固态压铸工艺是目前半固态金属成形的主要成形工艺。典型的半固态压铸工艺流程图见图1。半固态铝合金压铸是将半固态坯料二次加热至坯料组织恢复到40％~60％球状初生固相颗粒和共晶液相共存的固液混合态，随即用夹持工具夹持到压铸机压射室中压铸成形，其主要的工艺参数包括压射比压、压射速度、压射时间、模腔温度以及留模时间等。

压射压比是压射室内半固态坯料所受的静压力，是半固态铝合金压铸最重要的工艺参数之一。由於半固态铝合金压铸时，坯料粘度较大，流动性较液态金属差，为了充分利用半固态铝合金坯料的流变性，在成形时，压射比压一般比液态金属压铸时高20％~30％。

压射速度为压射室内压塞的推进速度。由於半固态坯料具有一定的粘度，因此在低速压射阶段，其流动相对液态更平稳，也不存在液态金属压射时的喷射、紊流和卷气现象，因此该阶段的压射速度可比液态金属压铸时快，有利於提高充型速度，缩短充型时间，提高铸件表面质量。

压铸机的料缸尺寸应根据半固态坯料的大小来设计，由於半固态坯料在二次加热时表面有一层薄薄的氧化膜，为了除去这一层氧化膜，料缸的直径必须比坯料的直径稍小，并充分考虑半固态坯料在二次加热时的膨胀系数。料缸在压铸前要适当的预热，以保证半固态坯料压射前在料缸中不会冷却凝固，并保持稳定。除了要预热外，还要在料缸表面涂上一层润滑剂，以保证坯料不会和料缸表面粘在一起，但选择润滑剂时，要考虑其对半固态成形件性能的影响。半固态铝合金压铸时模具内的温度也比液态金属压铸时要高，且要求温度稳定，一般应控制在200℃~350℃。其型腔内浇注系统常采用开放式浇注系统、浇道流程短、浇道位置不远离铸件。

留模时间是指半固态坯料被压入模腔直到模腔被打开时成形件在模腔所停留的时间。留模时间直接影响这成形件的冷却速度，以及铸件的组织状况。因为留模时间长，即更长的保压时间会使铸件中没来得及填充的部位在保压下由浆料来填充。但时间太长，则会引起粘模现象。

半固态金属锻造

半固态金属锻造与半固态金属触变压铸实质上并无明显差别，其主要不同之处在於前者是用半固态金属在锻造设备上加工成形。锻造半固态金属可以在较低的压力下进行，这使得一些传统锻造无法成形的形状复杂构件可以在半固态金属锻造方法来生产，其锻造设备可分为立式和卧式压力机两种。半固态锻造是将加热到半固态的坯料，在锻模中进行以压缩变形为主的模锻以获得所需形状、性能制品的加工方法。半固态锻造可以成形变形力较大的高固相率的半固态材料，并达到一般锻造难以达到的复杂形状。而且，可以用於制造用普通锻造难以成形的许多超合金，有可能用半固态锻造技术制造出特殊材料的耐热零件。锻造速度每秒几百mm到一千多mm，模压从几Mpa到十多Mpa，甚至更高。半固态锻造零件的总量可从20g~13.6kg，锻造速率可达120~360件/分，并能实现自动化。目前，已经利用半固态锻造技术进行了联轴节、齿轮等机械零件制造的研究。

半固态金属挤压成形

半固态挤压成形即将坯料加热到半固态，然後放入挤压模腔，用凸模施加压力，通过凹模口挤出所需制品。半固态坯料在挤压模腔内处於密闭状态，流动变形的自由度低，内部的固相、液相成分不易单独流动，除挤压开始时若干液相成分有先行流出的倾向外，在进入正常挤压状态後，两者一起从模口挤出，在长度方向上得到稳定、均一的制品。

其他半固态金属成形

除了上述半固态金属成形方法外，还有一些正处於开发状态下的半固体金属成形法：如半固态压射成形以及半固态铸造和锻造复合法等。

半固态成形件的力学性能

半固态坯料具有一定的固液比，和液态压铸相比，具有一定的粘度，所以成形时可以避免喷溅、紊流以及卷气等缺点；与固体锻造相比，变形力小，可以节省能源。所以半固态金属成形与传统的固态锻造（轧制）以及液态压铸相比，综合了这两种成形方法的优点：既可以提高力学性能，也可以成形复杂的零部件。

半固态成形件原始态的力学性能

由於影响半固态成形件性能的因素很多，因此各种资料中所报道的有所差异，但总体来讲，其性能要比一般的成形方法好。

从表中我们可以看出：半固态加工技术具有更大的优越性。其中以触变成形所得的成形件性能最好，抗拉强度基本在200Mpa以上。延伸率也可以达到10％左右。

半固态成形件热处理态的力学性能

半固态成形技术作为一种近终成形技术，因此半固态成形件可以直接在工业中应用。但通过热处理，半固态成形件可以获得更为优异的力学性能，因此热处理是挖潜半固态铝合金性能的有效途径之一。目前，有关半固态成形件的热处理研究不多，也没有形成稳定的工艺。但试验表明：半固态成形件经过热处理後的抗拉强度都明显提高，可达到315Mpa左右，伸长率却下降。而且半固态成形件抗拉强度的提高幅度明显比常规的压铸液态成形件大，而伸长率的下降幅度却比後者小。

此，从上述可知：经过热处理更能体现出半固态加工技术的优越性，可获得更好的综合性能。

结束语

半固态加工技术虽然在国内外都有较多的研究，但在某些领域中国还是一片空白，尤其在後续处理方面：比如半固态压铸工艺的稳定性研究，以及其热处理工艺的优化研究等。

上海大学 余忠土 张恒华 邵光杰 许珞萍

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