航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年 第2期 No.2 1999



半固态成形技术的研究与应用进展

蒋　鹏　贺小毛　张秀峰
　　[摘要]　半固态成形是70年代发展起来的新的金属成形技术，针对具有非枝晶组织的特制原材料进行成形加工，主要包括半固态锻造、半固态挤压、半固态轧制、半固态压铸等工艺类型，在汽车、通讯、航空、航天、国防等领域得到了越来越广泛的应用，被称为21世纪新兴的金属制造关键技术之一。
　　关键词：半固态成形　应用　发展前景
Development of Study and Application of Semisolid Forming
　　[ABSTRACT]　The semisolid forming is a new metal forming technology which has been developed since 1970s, and it is used to form the nondendrite materials which were especially manufactured, including semisolid forging, semisolid extrusion, semisolid rolling, semisolid diecasting and so on. The application extent of this technology has become more and more widely in some fields, such as automobile, communication, aerospace, national defence, and it is called as one of the critical metal manufacturing technologies of 21st century.
　　Keywords: Semisolid forming　Application　Developing prospect
　　在一般的金属凝固过程中，生成的固相呈树枝状，当固相比率达到20%时，枝状结构就开始硬化，难以进行成形加工。自1970年开始，麻省理工学院对半固态金属的性质进行研究［1］，发现在金属凝固的同时加以搅动，金属的凝固组织就由枝状结晶变成球状的等轴晶，固相含量为60%以下时的流动特性和液态金属基本一样，变形抗力很小，并可以用锻造、挤压、轧制、压铸等方法成形。半固态成形技术，就是对处于液态的合金在凝固过程中加以搅拌等处理而得到的(或对经过特殊处理的固体合金坯料加热而得到的)，具有非枝晶结构的固、液相组织共存的半固态坯料进行各种成形加工，从而得到所需形状、性能制品的一种工艺方法。
　　传统的金属成形技术一般在完全固态或完全液态下进行。半固态成形对固液共存的半固态金属进行成形，是一种新型的加工工艺，其工艺优点有：(1)制品显微组织细化，缺陷和偏析减少，机械性能提高；(2)半固态金属变形抗力显著降低，所需成形力小；(3)半固态金属在变形前可保持固体形状，便于坯料传输，可以大幅度提高生产率。
　　可以说几个世纪以来，半固态成形技术就以某种形式存在着。70年代麻省理工学院的研究人员发现球状微观结构，并认为它有广泛的应用前景后，美国政府投入了数百万美元支持半固态成形技术研究工作，但由于受到专利保护的限制而仅被局限在实验室及小型生产中使用。直至1992～1993年专利保护终止后，半固态成形技术才得到越来越广泛的应用，作为一项实用、领先工艺的地位得到确认［2］。
1　半固态成形用金属原材料的制备
　　半固态成形必须使用特殊方法生产的具有特殊微观结构的坯料。麻省理工学院最初是用机械搅拌的方法获取非枝晶结构的，搅拌对晶粒结构变化的影响见图1。现在，有多种制备非枝晶合金的方法被研究和得到应用，其中搅拌仍然是一种重要的手段。

剪切速率增加、时间增加、冷却速率减小
图1　搅拌时晶粒结构变化示意图
Fig.1　Schematic illustration of evolution 
of structure during solidification with vigorous agitation
(a)初始晶粒碎片；(b)枝状长大；(c)玫瑰状；(d)粗化玫瑰状；(e)球状。
　　制备非枝晶半固态金属原材料的方法综合起来有如下几种：
　　(1)机械搅拌。第一种比较简单的方法是当坩埚中的熔融金属在冷却时进行机械式搅拌，一般在一些初级研究性工作中应用。第二种是连续式机械搅拌，其优点：(a)可获得更高的剪切变形；(b)搅拌在金属表面以下，可以减少空气夹杂；(c)能够获得很高的剪切速率以获取细小的晶粒结构。常用于低熔点金属、铜基合金和钢［3］。
　　(2)电磁搅拌(MHD—Magneto Hydro Dynamic)。在液态金属凝固过程中进行电磁搅拌，可获得细小、等轴晶的微观结构，这种工艺具有很高的技术价值，获得了广泛应用，是目前工业化生产半固态成形用原料的主要手段。
　　(3)应变诱导熔化活化(SIMA—Strain Induced Melt Activation)。合金坯料或棒料(通常截面积较小)在冷加工到一定数量的应变后，再加热到半固态区就可获得球状结构。此工艺中关键步骤为在坯料中获得细小晶粒结构后接着加热使晶粒边界熔化。
　　(4)机械剪切。在转动的辊子和静止冷却的滑道之间注入液态金属，用辊子和滑道之间的剪力，破碎枝状初晶，分散到液态金属中［4］。
　　(5)其他获取非枝晶材料产品的工艺：(a)高速电磁脉冲产生的切变；(b)正在冷却的金属在一曲管内流动以产生使枝晶破裂的切变；(c)雾化沉积金属细晶结构材料在半固态温度范围内的长时间退火；(d)少数合金在铸造工艺中使用细化剂，初始晶粒结构就是非枝晶。
　　过去，半固态成形技术的发展受到原材料缺少的限制。今天，国外已经有几家铝材生产商批量生产半固态成形工艺专用的原材料。在欧洲，法国的Aluminum Pechiney,奥地利的SAG能够批量生产这种原材料。在美国，Ormet Aluminum公司作为铝材生产商已经获得Pechiney公司的认可，在北美地区采用Pechiney公司的专利技术生产这种原材料。Ormet已经投资1 500万美元用于设备、厂房的建设，并于1996年9月正式投入生产。此外，Northwest Aluminum，The Dalles, Oregon等公司也已经采用自己的技术，为美国市场生产这种原材料。值得一提的是，美国的Alumax,Alusuisse Lonza这两家公司，自产自用，生产半固态成形的铝合金零件。随着半固态成形技术应用领域的不断扩大，另外几家厂商紧密合作，正在为建立世界范围内的半固态成形专用原材料供应体系而努力。
2　半固态成形的研究概况
2.1　基本工艺过程
　　半固态成形的工艺过程见图2。可以看出，通常的工艺路线有两条：一条是将经搅拌等工艺获得的半固态浆体坯料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态成形；另一条是将半固态坯料冷却凝固后，按所需尺寸下料，再重新加热至半固态温度，然后进行成形加工。在生产中，主要采用的是后面一条工艺路线。

图2　半固态成形的工艺过程
Fig.2　Semisolid forming process
2.2　工艺类型及其研究现状
　　(1)半固态锻造。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抗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，可以用于制造用普通锻造难以成形的许多超合金，还有可能用半固态锻造技术制造出特殊材料的耐热零件。到现在为止，利用半固态锻造已经进行了各种铝合金、铜合金、铸铁、高碳钢，甚至高速钢等材料的锻造加工试验，进行了联轴节、齿轮等机械零件制造的研究［5］。
　　(2)半固态挤压。半固态挤压的加工工步和热挤压加工的情况基本相同，即用加热炉将坯料加热到半固态，然后放入挤压模腔，用凸模施加压力，通过凹模口挤出所需制品。半固态挤压和其他半固态成形方法相比，研究得最多的是各种铝合金和铜合金的棒、线、管、型材等制品。制品的内部组织及机械性能均一，制造也易操作，应用前景十分广阔，是难加工材料、粒子强化金属基复合材料、纤维强化金属基复合材料加工不可缺少的技术。
　　(3)半固态轧制。具有球状晶的金属合金材料加热到半固态时，仅有保持其固体形状不被破坏的强度，变形抗力很低，这种性质对轧制成形有利。现在开发的一种半固态轧制工艺是在轧机的入口处设置加热炉，将被轧制材料加热到所要求的半固态后，送入轧辊间轧制。对象主要是板材的轧制成形。
　　(4)半固态压铸。半固态压铸主要有2种工艺，分别被称为流变铸造和触变铸造。流变铸造(Rheocasting)是在金属凝固过程中施以搅拌，对具有球状晶的半凝固金属进行压铸加工。触变铸造(Thixocasting)是指将经搅拌凝固的具有球状晶的材料凝固后，切割成所需长度，在压铸前再加热的半熔化状态，然后进行加工的方法。普通压铸工艺有一个缺点是液态金属射出时空气卷进制品中形成气泡，在半固态压铸时，通过控制半固态金属的粘度和固相率进行调整，可以抑制气泡的产生。因此可以加工容易产生气泡、普通压铸工艺难以成形的制品，并可以经热处理提高性能，从而有可能应用到重要零件上，并可以制造锻造难以成形的复杂形状的制品。
2.3　与其他成形工艺的关联性
　　半固态成形方法和其他成形方法的关系见图3。可以看出，半固态成形和其他成形方法有着密切的关系，各种加工方法之间互相交叉。像其他成形方法一样，半固态成形也是在借鉴别的相关成形方法的基础上发展形成的，像流变铸造和触变铸造就借用压铸的工艺方法和模具结构，半固态锻造的工艺和模具与普通热模锻相近，半固态挤压和半固态轧制则和金属压力加工中的热轧和热挤工艺类似。

图3　半固态成形与其他成形方法的关系
Fig.3　Relationship between the semisolid forming
and other forming methods
3　工业应用现状与前景
　　半固态成形技术可以用于制造从几十克到9 kg的大范围的零件。用半固态成形技术制造的黄铜零件可用于管道、锅炉系统及电器系统领域。铝零件，特别是A357材料的制品有优良的性能，被广泛地使用在A/C盖板、制动器、发动机、燃料供给系统、悬挂装置、小汽车轮毂及数种军品领域［6］。
　　美国于1980年开始用半固态成形技术生产一种军用航空电器连接件。质量要求十分严格，产品检验包括不同温度条件下的全面的性能测试，以确保特殊环境下的适应性和加载状态的性能。该零件以前是用切削加工的方法制造的，原料是6262-T9铝合金挤压棒材。而今天这种零件大量采用半固态锻造成形加工，使用SIMA材料，先半固态锻造再经T6处理后机加工而成。半固态锻造的零件与机加工的零件的性能比较见表1。半固态成形件可以用来成形主要的键槽和定位装置，精度不低于机加工件。节约材料和高生产率使得半固态成形成为一种经济的加工方法。
表1　电器连接件半固态成形与机加工的对比

成形工艺铝合金
牌号原材料
重量/g成品
重量/g机加工
量/%单副模具
生产率/
件.h-1
半固态成形6262-T625238300
机加工6262-T92452381200

　　经过完全的T6处理，再将零件少量的机加工后电镀，经检验，符合所有特殊性能要求。检验包括弯曲、振动、疲劳、急冷急热、冲击和拉伸试验。半固态成形件的机械性能和锻造材料性能相当(抗拉强度350 MPa，屈服强度280 MPa，延伸率10%)。
　　从90年代早期开始，半固态成形技术的使用厂家不断增加。目前，商业化生产半固态成形零件的发展势头在北美、欧洲及亚洲不断增强。出现这种情况的主要原因在于汽车制造商致力于减轻零件重量，降低成本。然而，制造商在减轻悬架及其他重要安全零件重量的同时，对这些零件性能的要求也在不断提高。这就使得汽车制造商应用像半固态成形这样的工艺来生产性能高、质量轻的零件。
　　表2总结了用轻合金汽车零件替换原有金属零件的可行性。据估计仅在北美地区高性能、轻质零件的潜在市场大约就有1亿美元。某些厂家已经开始用半固态成形技术为一些汽车厂大量生产这种零件。
表2　汽车采用半固态成形零件的减重预测

零件名称重量/kg减重
钢零件铝零件m/kgη/ %
上控制臂(前)0.7370．2550．48265
上控制臂(后)0．7940．3120．48261
悬 架 臂1．8430．7091．13462
转向控制臂2．0981．1060．99247
支　承0．1980．1130．08543
悬架臂支架0．3120．1420．17055
减震器支架0．1980．1420．05729
转向控制臂支架0．3690．2840．08523
转 向 节6．9463．8843．06244
每侧总重13．4947．3996．09545
每辆车总重26．98814．79812．19045

　　由于半固态成形的原材料价格要比一般铸造材料高，因此一般用半固态成形的产品成本与压铸和模铸件相比要高。但是，对于使用传统工艺生产需要大量机加工、多次修复及废品率为主要成本因素的制品，采用半固态成形技术制造，由于制品的强度好、无缺陷及尺寸精度高等优点，则有可能大幅度地降低成本。
4　结束语
　　半固态成形具有传统加工技术所没有的许多优点，其节约能源、减少资源浪费、有利于环境保护的特殊优点更符合面向新世纪的金属加工技术的特点，被专家们称为21世纪新兴的金属制造关键技术之一。预计半固态成形技术在汽车、通讯、计算机及其辅助设备等领域，航空、航天以及国防等尖端领域都将有广阔的应用前景。目前，国外半固态成形技术的研究和应用进行得十分活跃，已经有铝合金半固态成形产品在市场上销售。在国内该技术也已经引起了有关人士的关注，并开始进行初步的研究，但和国外先进水平相比还有一些差距。因此，加强国内半固态成形技术的研究特别是开展相关的应用研究已经刻不容缓。

作者单位：蒋　鹏　贺小毛　张秀峰（北京机电研究所）

参考文献
　[1] Flemings M C, Riek R G, Young K P. Rheocasting. Materials Science and Engineering, 1976,25: 103～117
　[2] Midson S P, Brissing K. Semi_solid casting of aluminum alloys. A State Report, Modern Casting, 1997,February:41～43
　[3] Flemings M C. Behavior of metal alloys in semisolid state. Metallurgical Transactions A, 1991,22A(5):957～981
　[4] Kiuchi M, Sugiyama S. A new process to manufacture semi_solid alloys. ISIJ International, 1995,35(6):790～797
　[5] 木内学.半溶融.半凝固加工21世纪んの展望.塑性と加工，1994，35(5)：470～477
　[6] 宫本雅史.半溶融金属加工の自动车部品んの应用.锻造技报，1996，21(10)：11～18
(责编　朝　晖)
