半固态金属成形技术的最新发展

70年代初美国麻省理工学院的M.Flemigs和D.Spencer发现，处于固-液相区间的合金经过连续搅拌后呈现出低的表观粘度，此时在结晶过程中形成的树枝晶被粒状晶代替。这种浆料很容易变形，只要加很小的力就可以充填复杂的型腔，从而开发出一种新的金属成形方法—半固态金属成形。半固态金属成形可以分为流变成形和触变成形两种。前者是利用半固态金属的流变性能，将经过强烈搅拌的金属浆料铸铁辊加压成形。后者则利用金属的触变性能，将凝固的搅拌金属浆料加热至半固态再加压成形。半固态金属成形具有能消除气孔、缩孔，提高零件的机械性能及模具寿命，减少凝固收缩，提高零件尺寸精度等优点。半固态金属易于搬运和输送，为连续高效的自动化生产创造了条件。在节省能源、保护环境方面也较传统的铸造方法更为优越。

目前美国、西欧已将半固态加工成形技术应用于生产。美国军方把用流变铸造法制造复合材料坦克零件列为五年工艺研制规划之一。在川崎制铁等18家大型公司的资助下，日本从1988～1994年成立了专门研究机构，对半固态金属的型钢轧辊性能、制造与加工技术进行了全面的研究，目前已着手工业化生产。我国对半固态金属成形技术的研究基本上还处于实验室阶段，离工业性生产尚有一定距离。

半固态金属的流变特性是指在外力作用下半固态金属的流动、变形性能。研究半固态金属的流变特性对半固态金属的制备和成形技术具有重要的指导意义。当金属液中固体金属颗粒的组分大于0.05～0.1时，其流变行为即呈现非牛顿体型。在更高的固体组分（0.5～0.6）时，浆料呈非线性粘塑性，具有宾汉（Binghan）流体的特性。虽然合金成份、半固态金属的制造条件、固体相的形状与大小等因素对半固态金属的热轧辊流变性能都有影响，但固相组分的数量对流变性能的影响最大。通常用半固态金属的表观粘度作为其流变性的指标。通过在一定剪切变形速度及冷却条件下的搅拌试验，测定了在不同固体组分下的铝、铜、铁半固态金属的表观粘度。

将搅拌的半固态金属浆料凝固后再重新加热至半固态，由于半固态金属的触变性，当切变速率很小或等于零时，半固态金属的粘度很高，可以象固体一样夹持及搬运，而当其受到较高剪切应力，产生较大切变速率时，粘度迅速降低，变得与流体一样很容易成形。和其它具有触变性能的材料一样，半固态金属浆料也具有滞后回线现象，如图3所示。对于初晶为树枝状的半固态合金，当固相率达到0.3左右就无法流动，而初晶形状为近乎圆形的半固态合金，即使固相率超过0.5，也还有流动性，这说明凝固时晶粒形态对流变性有重大影响。对于各种合金只要有固、液相同时存在的凝固区间，都可以进行半固态金属成形加工。已经对铝、镁、锌、铜合金及钢、铸铁、镍基超耐热合金、复合材料进行过许多试验研究。目前应用的合金还是直接取自现有的铸造或锻造合金系列，例如铝合金为3XXX系列铝硅铸造合金及2XXX、7XXX系列锻造合金。应用得最多的为A356合金，其凝固区间约为60℃。镁合金则主要为AZ91D。至今专门应用于半固态成形的合金的研究工作还做得不多。在美国和西欧铝、镁合金的半固态成形主要用于汽车零件的生产。日本则对黑色金属的半固态成形作过较多的研究。

目前生产中主要采用触变成型压铸铝合金铸件，如图7所示。在西欧比较有代表性的公司是瑞士和德国的Alusisse/Alusingen，意大利的 Stampal及法国的Pechiney。在德国Singer的Alusingen工厂装备了9800kN的压铸机及同时能加热12个坯料的加热工段，该生产线于1996年投产，主要生产汽车零件［9］。由半固态金属压铸件上切取的试样的机械性能如表1所示［10］。Stampal公司除用该法大量生产汽车零件外，还生产航空和航天用构件，其典型产品为福特Zeta发动机的燃油分配器。美国宾夕法尼亚洲Johnstown的Concurrent Technologies Corp.（CTC）起着国防部的金属加工制造技术国家中心（NCEMT）的作用。该公司用触变压铸成形法生产的A356铝合金铸件的机械性能为σb=315MPa,σs=266MPa,δ=12%［9］。正在进行的一项具有挑战性的新研究项目为生产用于LPD-17两栖攻击舰的钛液压操纵阀。目前用半固态金属压铸法生产的最大构件质量达6.7kg，系牌号为“欧洲人”汽车的后部悬挂构件，并已于1995年投产.。

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