吳樹(shù)森，呂書(shū)林，林 沖，方曉剛

（華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430074）

1 半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展

轎車(chē)、列車(chē)及武器裝備等的重要發(fā)展趨勢(shì)之一是輕量化，因此輕合金材料——鋁合金、鎂合金等將被大量采用。半固態(tài)成形技術(shù)能夠顯著提高輕合金零部件的性能，被認(rèn)為是21世紀(jì)的綠色、環(huán)保的近凈成形技術(shù)。

金屬材料的半凝固成形，或叫半固態(tài)流變成形，就是對(duì)凝固過(guò)程中的金屬液進(jìn)行一定的處理（如施加強(qiáng)烈的攪拌或擾動(dòng)、加入晶粒細(xì)化劑、提高凝固速度、改變金屬的熱狀態(tài)等），改變初生固相的形核和生長(zhǎng)方式，或充分破碎枝晶，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定數(shù)量球狀初生固相的固液混合漿料（其固相率甚至可高達(dá)50%～60%），將這種半固態(tài)金屬漿料直接成形的方法稱(chēng)為流變成形。若將這種半固態(tài)漿料進(jìn)行半連續(xù)鑄造，凝固后獲得坯料，再將定量的坯料重新加熱至固液相線(xiàn)溫度區(qū)間來(lái)成形的方法稱(chēng)為半熔融成形，或叫半固態(tài)觸變成形。這兩種方法統(tǒng)稱(chēng)為金屬的半固態(tài)成形技術(shù)。圖1為傳統(tǒng)液態(tài)成形、流變成形和觸變成形工藝流程的比較。

金屬的半固態(tài)加工可結(jié)合傳統(tǒng)的鑄造、擠壓、鍛壓以及鑄軋工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，因此應(yīng)用范圍特別廣泛。通過(guò)不斷發(fā)展，金屬半固態(tài)成形技術(shù)在某些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)階段，特別是在汽車(chē)行業(yè)，許多半固態(tài)金屬零件已經(jīng)取代傳統(tǒng)鑄造或者鍛造零件，這主要是由于半固態(tài)成形件的性能優(yōu)于傳統(tǒng)成形工藝生產(chǎn)的零件，或具有更好的性?xún)r(jià)比。

圖1 傳統(tǒng)液態(tài)成形工藝與金屬的半固態(tài)成形流程的比較

半固態(tài)成形工藝與傳統(tǒng)成形工藝相比，主要有以下一些優(yōu)點(diǎn)［3－4］。

1）半固態(tài)漿料的黏度比液態(tài)金屬高，一方面能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)充型，無(wú)湍流和噴濺現(xiàn)象，且卷氣較少，鑄件內(nèi)部組織致密、氣孔缺陷少；另一方面，可在漿料中方便地加入增強(qiáng)材料（顆?；蚶w維）來(lái)制備金屬基復(fù)合材料，并減少增強(qiáng)材料的飄浮、偏析缺陷，為金屬基復(fù)合材料的廉價(jià)生產(chǎn)開(kāi)辟了一個(gè)新的途徑。

2）由于具有流變性和觸變性，半固態(tài)漿料在成形加工時(shí)變形抗力小，可成形復(fù)雜件，能源消耗低。

3）由于制件組織為非枝晶結(jié)構(gòu)，且偏析缺陷較少，零件的力學(xué)性能高，能接近或達(dá)到鍛壓件的水平。

4）因?yàn)榘牍虘B(tài)成形溫度低，一方面減輕了充型過(guò)程中金屬熔體對(duì)模具的熱沖擊，模具的使用壽命會(huì)提高；另一方面由于半固態(tài)漿料中已有部分固相，因而凝固收縮率小，成形件尺寸精度高，表面質(zhì)量好，可做到少或無(wú)切削加工，實(shí)現(xiàn)近終成形。

2 主要的半固態(tài)成形技術(shù)方法

2.1 壓室制備漿料式流變成形

該技術(shù)于1995年由日本日立金屬有限公司的Shibata等人［5］提出。他們?cè)诹⑹綌D壓鑄造機(jī)的壓室中利用電磁攪拌法制備鋁合金半固態(tài)漿料，隨后直接將漿料擠壓成形（圖2）。獨(dú)特的壓室結(jié)構(gòu)（外側(cè)面上開(kāi)有多道垂直縫隙）減小了感應(yīng)線(xiàn)圈在壓室本體中產(chǎn)生的渦電流，強(qiáng)化了對(duì)壓室內(nèi)漿料的攪拌；壓室中設(shè)置的冷卻水通道降低了渦電流對(duì)壓室的加熱作用，有利于精確控制漿料的溫度。利用該工藝得到的鋁合金擠壓鑄件的伸長(zhǎng)率比液態(tài)擠壓鑄件提高了一倍，且彎曲疲勞強(qiáng)度與鍛造件相當(dāng)。該公司在此基礎(chǔ)上對(duì)制漿設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，利用定量澆注電磁泵將鋁液送入擠壓機(jī)壓室，并通氬氣保護(hù)以減少氧化夾雜。從1999年開(kāi)始，該技術(shù)用于生產(chǎn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛零件。該工藝省去了半固態(tài)漿料的存儲(chǔ)和輸送，但是壓鑄機(jī)或擠壓機(jī)壓室中的制漿效率較低，壓室結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，其奧氏體鋼材質(zhì)雖然提高了電磁攪拌的強(qiáng)度但耐磨性能較差，使用壽命較短。

圖2 擠壓室制備漿料式流變成形示意圖［5］

韓國(guó)學(xué)者洪俊杓等人［6］在2002年開(kāi)發(fā)出一種新型的電磁攪拌流變成形方法及裝備，較好地解決了上述工藝的不足。不同的是，半固態(tài)制漿設(shè)備與成形機(jī)的壓室分離開(kāi)，在合金液澆入壓室前在制漿樣杯中進(jìn)行電磁攪拌制漿，然后將漿料澆入壓射室內(nèi)，如圖3所示。日本NanoCast公司利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用［7］。

圖3 Nano－cast法的工藝流程

2.2 低過(guò)熱度流變成形

電磁攪拌和剪切式機(jī)械攪拌方法都能夠制備出優(yōu)良的半固態(tài)漿料，但是前者的攪拌效率太低，后者攪拌工具壽命又受限且容易污染金屬。為避免這些問(wèn)題，近年來(lái)出現(xiàn)了低過(guò)熱度弱攪拌制漿技術(shù)，從晶粒的形核、長(zhǎng)大熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件上著手，營(yíng)造合適的凝固條件（如澆注溫度和冷卻速率等）來(lái)提高形核率，并促使晶核以非枝晶或球狀方式生長(zhǎng)，從而獲得理想的半固態(tài)金屬漿料。由于這類(lèi)方法相對(duì)簡(jiǎn)單，已得到廣泛的研究。

1）傾斜板式制漿工藝及其流變成形

在1999年左右日本 UBE公司［8－9］開(kāi)發(fā)了傾斜板澆注式流變成形工藝（New rheocasting process，簡(jiǎn)稱(chēng)NRC）。NRC技術(shù)將低過(guò)熱度鋁合金液澆注到一個(gè)傾斜板上，流過(guò)傾斜板達(dá)到制漿目的后流入收集坩堝，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)睦鋮s凝固便得到初生固相呈近球狀且均勻分布的半固態(tài)漿料，然后調(diào)整坩堝中漿料的溫度以獲得盡可能均勻的溫度場(chǎng)或固相分?jǐn)?shù)，最后將漿料送入壓鑄機(jī)或擠壓鑄造機(jī)的壓室中進(jìn)行流變成形。該技術(shù)已成功地在意大利的Stampal，奧地利的LKR公司等公司投入生產(chǎn)。并制造出了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)泵體、齒輪變速桿以及發(fā)動(dòng)機(jī)油軌和支架等半固態(tài)鋁合金汽車(chē)零件［9－10］。

圖4 SSR［11］制漿示意圖

2）低過(guò)熱度和弱機(jī)械攪拌制漿及流變成形

Flemings等人［11－12］于2000年9月左右提出低過(guò)熱度澆注和弱機(jī)械攪拌工藝（Semi－solid rheocast process，簡(jiǎn)稱(chēng)SSR）。該工藝?yán)缅兡さ你~棒對(duì)坩堝中的低過(guò)熱度鋁合金液進(jìn)行短時(shí)弱機(jī)械攪拌，待合金熔體溫度降到液相線(xiàn)以下迅速移走銅棒。然后控制坩堝的溫度以獲得預(yù)定固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)漿料，最后將漿料傾入壓鑄機(jī)壓室中進(jìn)行流變成形。SSR技術(shù)的核心是：在合金熔體中進(jìn)行快速散熱的同時(shí)施以低強(qiáng)度的攪拌，使其內(nèi)部各處均勻形核，如圖4所示。

毛衛(wèi)民等人［13］提出了低過(guò)熱度弱電磁攪拌流變成形。該技術(shù)將SSR工藝中的銅棒攪拌變?yōu)槿蹼姶艛嚢?，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾姶鸥袘?yīng)均熱就可以得到半固態(tài)漿料。該技術(shù)現(xiàn)處于工業(yè)化試生產(chǎn)中。

3 超聲制漿半固態(tài)成形技術(shù)

3.1 超聲制漿半固態(tài)成形工藝過(guò)程

作者采用高能超聲波振動(dòng)制漿方法制備半固態(tài)漿料，在金屬液進(jìn)入壓射室前的澆包內(nèi)進(jìn)行漿料制備，或?qū)⒊曊駝?dòng)裝置與成形設(shè)備緊密結(jié)合，在成形機(jī)的料室（如壓鑄機(jī)或擠壓機(jī)的料室）內(nèi)進(jìn)行漿料制備，實(shí)現(xiàn)半固態(tài)漿料的直接流變鑄造成形。

圖5為高能超聲波振動(dòng)制備半固態(tài)漿料裝置示意圖［14］，它由超聲波發(fā)生控制器，換能器，變幅桿，保溫電爐、特制保溫樣杯和電爐溫度控制儀等部分組成。超聲波發(fā)生控制器的發(fā)振頻率20kHz以上，功率1200～1800W。超聲波換能器采用縱向夾心式壓電振子，變幅桿（振動(dòng)頭）采用鈦合金材料，起振幅放大及超聲振動(dòng)作用。換能器和幅桿構(gòu)成的部分也稱(chēng)為超聲波振動(dòng)頭。

圖5 超聲制漿設(shè)備示意圖

高能超聲制漿的原理：由于超聲振動(dòng)在金屬熔體中產(chǎn)生的聲空化和聲流的共同作用，液體內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流效應(yīng)，并增強(qiáng)熔體的形核能力，晶粒呈非枝晶或球狀方式生長(zhǎng)，并細(xì)化晶粒，獲得半固態(tài)漿料及組織［15］。

半固態(tài)漿料的超聲波制備及漿料的壓射成形主要流程［16］：合金熔練—澆入保溫杯—超聲振動(dòng)—漿料傳送—澆入壓室—壓射成形—零件。

首先，將鋁合金爐料放入電阻爐內(nèi)的坩堝中，加熱至800～850℃（對(duì)于A390等高硅的鋁合金）熔化，高純氬氣旋轉(zhuǎn)除氣、靜置后調(diào)溫至750～780℃?zhèn)溆?。同時(shí)，將超聲波振動(dòng)頭放入保溫爐中預(yù)熱若干分鐘（特制預(yù)熱樣杯亦在其中），并預(yù)設(shè)好超聲波發(fā)生控制器的參數(shù)。將保溫電爐溫度控制儀的溫度設(shè)為保溫溫度680℃左右，升起振動(dòng)頭，將一定量的金屬液體澆入已預(yù)熱到設(shè)定溫度的保溫樣杯中，立即降下振動(dòng)頭并浸入熔體15～20mm，然后開(kāi)啟超聲波振動(dòng)。振動(dòng)一定時(shí)間后，獲得具有一定固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)漿料，停止振動(dòng)；升起振動(dòng)頭，移動(dòng)盛有半固態(tài)漿料的容器，將漿料傳送至壓鑄機(jī)或擠壓機(jī)，澆入壓射室（圖6），壓鑄或擠壓成形，獲得具有半固態(tài)組織的鋁合金零件。

圖6 漿料壓鑄成形示意圖

3.2 Al－20%Si高硅鋁合金的半固態(tài)壓鑄成形

3.2.1 半固態(tài)制漿及成形工藝 以過(guò)共晶鋁硅合金為例，說(shuō)明超聲半固態(tài)成形技術(shù)的試驗(yàn)研究結(jié)果。研制一種半固態(tài)鑄造用Si20%的鋁合金，即AlSi－CuMgNiRE合金，其目標(biāo)成分為：Si20%，Cu2.0%，Ni1%，Mg0.4%，Mn0.5%，RE0.6%，F(xiàn)e≤0.25%，余為Al。研制該鋁硅合金的另一目的是提高耐熱性能，并具有低熱膨脹系數(shù)。

在坩堝電阻爐中進(jìn)行合金熔煉。采用P＋RE復(fù)合變質(zhì)處理分別細(xì)化初晶Si及共晶Si?；旌舷⊥罵E主要起共晶Si變質(zhì)作用，熔化完畢后加入Al－15%RE中間合金，RE加入量為0.6%，而稀土中Ce占63%，La占36%。820℃時(shí)用純Ar氣對(duì)熔體進(jìn)行精煉，扒渣，靜置10min。加入磷銅中間合金（含14%P）進(jìn)行初晶Si的變質(zhì)，P加入量為0.08%。變質(zhì)后的合金熔體調(diào)溫至740～780℃準(zhǔn)備進(jìn)行高能超聲半固態(tài)處理。

采用的高能超聲處理制漿設(shè)備見(jiàn)圖5。將約600g的合金液澆入已預(yù)熱到680～700℃的保溫容器中，降下振動(dòng)頭并浸入熔體15～20mm，開(kāi)啟超聲波振動(dòng)。超聲波在熔體中于700～690℃振動(dòng)1～3min左右后，獲得具有一定固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)漿料，停止振動(dòng)，將半固態(tài)漿料澆入2 800kN壓鑄機(jī)的壓射室中，并壓鑄入金屬型壓鑄試樣模型腔，壓射速度3m／s，壓射比壓40MPa；獲得6.4mm的標(biāo)準(zhǔn)壓鑄拉伸試樣。液態(tài)壓鑄試樣的澆注溫度為780℃。

3.2.2 高硅鋁合金的半固態(tài)成形組織及性能 含20%Si的高硅鋁合金在690!C的半固態(tài)壓鑄組織見(jiàn)圖7a。相同合金的液態(tài)壓鑄組織見(jiàn)圖7b。結(jié)果表明，在液相線(xiàn)附近超聲振動(dòng)1.5min制備半固態(tài)漿料，初晶Si被細(xì)化，得到半固態(tài)組織，壓鑄成形后α－Al相也粒狀化。初晶Si的平均晶粒直徑為23 μm，分布均勻。圖7a的Si顆粒比圖7b的更細(xì)小、圓整。圖7b中，雖然由于P的變質(zhì)效果，Si顆粒也較小，但仍然略大于半固態(tài)壓鑄組織，初晶Si的平均晶粒直徑為30μm，且α－Al呈較明顯的枝晶狀。

圖7 半固態(tài)及液態(tài)壓鑄成形的鑄態(tài)組織

表1所示為高硅鋁合金的液態(tài)壓鑄成形或超聲半固態(tài)壓鑄成形的力學(xué)性能。通過(guò)超聲半固態(tài)成形，材料的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率大幅度提高，特別是T6熱處理后強(qiáng)度進(jìn)一步提高。在半固態(tài)溫度區(qū)間經(jīng)過(guò)1.5min的超聲處理，能夠獲得高強(qiáng)度與韌性。鑄態(tài)抗拉強(qiáng)度 "b達(dá)到214MPa，伸長(zhǎng)率 #為0.31%，比未經(jīng)超聲處理的合金分別提高6%和55%。半固態(tài)成形的高硅鋁合金能夠進(jìn)行熱處理，T6熱處理后半固態(tài)成形試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)310MPa，伸長(zhǎng)率0.68%，比傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄的合金分別增加34%和47%。該高硅鋁合金在300℃的高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)167MPa，比A390度高。

3.2.3 高硅鋁合金半固態(tài)成形的典型應(yīng)用 利用上述超聲振動(dòng)制備出了高硅鋁合金的半固態(tài)漿料，并采用流變擠壓工藝制造了高硅鋁合金轎車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)斜盤(pán)零件，零件表面質(zhì)量好、內(nèi)部無(wú)氣孔和縮松缺陷（圖8）。圖9所示為零件的鑄態(tài)組織對(duì)比，超聲半固態(tài)成形不僅可以細(xì)化組織中的初晶Si，還可細(xì)化RE化合物，并且圖9b中的α－Al相也呈細(xì)小、粒狀化的非平衡凝固組織，而不相同于圖9a中所示的樹(shù)枝晶組織。與含16%～18%Si的A390鋁合金相比，含20%Si的本半固態(tài)高硅鋁合金具有更好的高溫強(qiáng)度和更低的熱膨脹系數(shù)。

表1 含20%Si鋁合金的室溫及高溫性能

圖8 高硅鋁合金超聲流變擠壓斜盤(pán)零件及剖面

圖9 擠壓成形斜盤(pán)的鑄態(tài)組織

4 結(jié)論

高能超聲波振動(dòng)制漿、半固態(tài)壓鑄成形工藝適用于鋁合金材料零件的成型制造，可降低成形溫度，致密化組織，提高性能。

超聲振動(dòng)制漿及流變壓鑄成形情況下，過(guò)共晶Al－20%Si鋁合金的初晶Si可細(xì)化到20μm左右，力學(xué)性能提高。

含20%Si的高硅鋁合金 Al－20Si－2Cu－1Ni經(jīng)過(guò)半固態(tài)壓鑄成形，T6熱處理后抗拉強(qiáng)度可達(dá)到310 MPa，比傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄件提高34%。

［1］ Flemings M C.Behavior of metal alloys in the semisolid state［J］.Metallurgical Transactions A，1991，22A（05）：957－981.

［2］ Flemings M C，Riekrg Youngkp.Rheocasting［J］.Materials Science and Engineering，1976，25：103－117.

［3］ Quaak C J，Horsten M G，Kool W H.Rheologial behavior of partially solidified aluminum matrix composites［J］.Material Science Engineering，1994，183A：247－256.

［4］ 康永林，毛衛(wèi)民，胡壯麒.金屬材料半固態(tài)加工理論與技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

［5］ Shibata R，Kaneuchi T，Soda T，et al.New semi－liquid metal casting process［C］.Proc of the 4th Int Conf on Semi－Solid Processing of Alloys and Composites，Sheffield，UK，June 19－21，1996：296－300.

［6］ 洪俊杓，金災(zāi)民，金玟秀，等.用于流變鑄造的模鑄法和設(shè)備［P］.中國(guó)專(zhuān)利，03141281.5，2003.

［7］ 板村正行，洪俊灼，金宰民.新半凝固ダイカスト技術(shù)の開(kāi)発［J］.鑄造工學(xué)，2005，77（08）：537－541.

［8］ Toshio H，Kapranos P.Simple rheocasting process［J］.Journal of Material Processing Technology，2002，130－131：594－598.

［9］ Ramadam M，Takita M，Nomura H.Effect of semisolid processing on solidification microstructure and mechanical properties of gray cast iron［J］.Materials Science and Engineering A，2006，417：166－173.

［10］Kaufmann H，Mundi A，Uggowitzer P J et al.An uo－date on the new rheocasting－Development work for Aland Mg－alloys.Die Casting Engineer［J］.Die Casting Engineer，2002，4：16－19.

［11］Flemings M C，Martinez R A，F(xiàn)igueredo A M.Metal alloy compositions and process［P］. US Patent，20020096231，2002.

［12］Martinez R A，F(xiàn)lemings M C.Evolution of particle morphology in semisolid processing［J］.Metallurgical Transactions A，2005，36：2205－2210.

［13］Mao W M，Bai Y L，Gao S Fu，Tang G X.Research on the Composite Slurry Preparation and Rheocasting of Aluminum Alloy［J］.Solid State Phenomena，2006，116－117：410－416.

［14］趙君文，吳樹(shù)森，毛有武，等.超聲振動(dòng)對(duì)過(guò)共晶Al－Si合金半固態(tài)漿料凝固組織的影響 ［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2008，18（09）：1 628－1 633.

［15］趙君文，吳樹(shù)森，萬(wàn) 里，等.超聲場(chǎng)中金屬半固態(tài)漿料組織的演化 ［J］.金屬學(xué)報(bào)，2009，45（03）：314–319.

［16］吳樹(shù)森，萬(wàn)里，安 萍.鋁、鎂合金熔煉與成形加工技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.