羅曉強(qiáng)，李正陽(yáng)，燕青芝

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.中國(guó)科學(xué)院 力學(xué)所，北京 100190)

半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究進(jìn)展*

羅曉強(qiáng)1，2，李正陽(yáng)2，燕青芝1

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.中國(guó)科學(xué)院 力學(xué)所，北京 100190)

半固態(tài)金屬漿料成形是通過(guò)控制金屬材料在固—液共存狀態(tài)下所特有的流變特性而進(jìn)行成形的一種金屬制備技術(shù)。半固態(tài)漿料中的固態(tài)初生晶粒有優(yōu)良的流動(dòng)性，可以采用擠壓、壓鑄和模鍛等加工方法制備產(chǎn)品，半固態(tài)漿料成形技術(shù)是一種節(jié)能、高效的生產(chǎn)加工技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊。綜述了半固態(tài)漿料制備技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)的研究成果，包括半固態(tài)漿料的成形機(jī)理、半固態(tài)成形的條件和晶粒細(xì)化控制機(jī)理等，并對(duì)半固態(tài)漿料制備技術(shù)進(jìn)行了展望。

半固態(tài)；漿料；制備技術(shù)

半固態(tài)金屬成形技術(shù)(Semi-solid Metal Processing)[1]，是指當(dāng)金屬處在相圖中的固—液相線(xiàn)之間溫度時(shí)，采用攪拌、加入晶粒細(xì)化劑等辦法改變金屬的熱狀態(tài)和固相的形核及長(zhǎng)大過(guò)程，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的混合漿料，利用混合漿料進(jìn)行加工成形的工藝技術(shù)[2-4]。半固態(tài)金屬漿料中的固態(tài)初生晶粒通常以細(xì)小、近球狀的非枝晶組織形式懸浮在液相中，漿料在加工過(guò)程中表現(xiàn)出良好的流變性和觸變性，通常采用壓鑄、擠壓和模鍛等方法進(jìn)行加工成形[5-6]。

1971年，麻省理工學(xué)院D.B.Spencer博士和其導(dǎo)師M.C. Flemings教授用部分凝固的Sn-15%Pb合金熔體研究鑄造過(guò)程時(shí)，發(fā)現(xiàn)熔體結(jié)構(gòu)的初生固相呈球狀，由此開(kāi)創(chuàng)了半固態(tài)金屬成形技術(shù)和理論[7]。美國(guó)的Alumax公司于1978年率先用電磁攪拌技術(shù)生產(chǎn)半固態(tài)鑄錠，建設(shè)了世界上第1條觸變成型生產(chǎn)線(xiàn)；瑞士Buehler公司于1993年用半固態(tài)壓鑄設(shè)備進(jìn)行汽車(chē)零件加工；德國(guó)的EFU、法國(guó)的Pechiney SA和意大利的Fiat等公司也先后采用了半固態(tài)加工技術(shù)[8-9]。

半固態(tài)漿料的制備主要在固體與液體兩相之間進(jìn)行，在生產(chǎn)中較寬的固—液溫度區(qū)間利于加工，如鋁合金、銅合金、鋅合金、鎂合金以及鐵合金等[10-12]，合金在兩相間成形兼具了凝固組織和塑性變形的優(yōu)點(diǎn)，其力學(xué)性能明顯得到提升。合金成功地應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域，如用半固態(tài)鋁合金制備泵體、掛架、壓縮機(jī)活塞、氣缸頭和輪轂等[13-14]。

半固態(tài)漿料成形方法有流變成形和觸變成形2種：流變成形是半固態(tài)漿料直接成形；觸變成形是將半固態(tài)漿料凝固成坯體，再加熱后加工成形。流變成形由于工藝流程短，生產(chǎn)效率高，可以制造尺寸精確、形狀復(fù)雜和沒(méi)有內(nèi)部孔隙的高可靠性零件[15]，因此，受到研究和應(yīng)用領(lǐng)域的普遍關(guān)注。美國(guó)康乃爾大學(xué)提出的單螺旋機(jī)械攪拌式流變成形技術(shù)[16]，英國(guó)Brunel大學(xué)開(kāi)發(fā)的雙螺旋機(jī)械攪拌式流變成形技術(shù)[17]和日本Hitachi金屬有限公司的Shibata等提出的射室制成形技術(shù)[18]，這些技術(shù)工藝流程短，生產(chǎn)效率高，可以制造尺寸精確、形狀復(fù)雜和沒(méi)有內(nèi)部孔隙的高性能零件。與流變成形相比，觸變成形過(guò)程中半固態(tài)坯料的加熱和輸送工藝較為方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，解決了半固態(tài)金屬漿料制備與成形的銜接問(wèn)題，半固態(tài)金屬的觸變壓鑄、觸變鍛造和觸變擠壓等[19]已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段。

1 半固態(tài)漿料組織的形成機(jī)理

半固態(tài)組織的成形過(guò)程伴隨復(fù)雜的物理化學(xué)作用，在形核長(zhǎng)大過(guò)程中，包括枝晶的破碎、磨合、熔斷和黏合等過(guò)程。

1.1 枝晶機(jī)械斷裂機(jī)理

在20世紀(jì)70年代，在Flemings等用攪拌法對(duì)半固態(tài)組織的研究中，提出了枝晶機(jī)械斷裂機(jī)理。枝晶在長(zhǎng)大過(guò)程中受到攪拌剪切力的作用和熔體的劇烈沖刷，枝晶臂受力斷裂脫落，形成了新的核心，枝晶本身在液體的沖刷下向薔薇狀轉(zhuǎn)化，最終形成近球形組織。演化過(guò)程如圖1所示。邢書(shū)明等[20]觀察到類(lèi)似的試驗(yàn)現(xiàn)象，Young等[21]通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，攪拌引起的流動(dòng)液體使枝晶臂反復(fù)扭折和發(fā)生塑性變形會(huì)引起枝晶臂根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而枝晶臂容易發(fā)生機(jī)械斷裂破碎，枝晶的演化一般是沿枝晶到玫瑰晶再到球狀晶的路線(xiàn)進(jìn)行。

圖1 強(qiáng)烈攪拌條件下晶粒演化示意圖

1.2 枝晶臂塑性彎曲和晶界浸潤(rùn)熔斷機(jī)理

Vogel等[22]提出枝晶臂彎曲機(jī)理。金屬凝固初期，晶體以枝晶形式存在，枝晶在高溫下較軟，容易變彎而不易斷裂。晶界的熔化會(huì)使彎曲的枝晶臂從枝晶主干上脫落下來(lái)，形成非枝晶態(tài)。Ji等[23]也對(duì)Vogel的試驗(yàn)進(jìn)行了研究，認(rèn)定枝晶臂的彎曲是可能的。Apaydin等[24]也提出了在后續(xù)的再結(jié)晶過(guò)程中，被液體潤(rùn)濕而斷裂是由于枝晶臂彎曲形成大量位錯(cuò)的非枝晶組織，枝晶臂塑性彎曲和晶界浸潤(rùn)熔斷演化是沿未變形枝晶、枝晶彎曲、晶界變形和新的晶界形成到晶界被潤(rùn)濕的路線(xiàn)。枝晶臂塑性彎曲和晶界浸潤(rùn)熔斷機(jī)理示意圖如圖2所示。

圖2 枝晶臂塑性彎曲和晶界浸潤(rùn)熔斷機(jī)理示意圖

1.3 枝晶臂根部熔斷機(jī)理

Hellawellt等[25]提出了枝晶熔斷機(jī)制。攪拌使熔體發(fā)生紊流，加速了溫度在固—液兩相界面的波動(dòng)，枝晶進(jìn)入高溫區(qū)后，局部就有可能發(fā)生重熔而與枝晶脫離。采用電磁攪拌法制備半固態(tài)金屬漿料中，能觀察到大量薔薇晶二次臂根部出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，通常采用枝晶臂根部熔斷機(jī)理解釋枝晶斷裂的原理。枝晶臂根部熔斷沿枝晶臂部熔斷、成核到晶核的近球形生長(zhǎng)。枝晶臂熔斷機(jī)理示意圖如圖3所示。

圖3 枝晶臂熔斷機(jī)理示意圖

1.4 晶粒再結(jié)晶機(jī)理

鑄態(tài)合金受力會(huì)使合金內(nèi)部?jī)?chǔ)存一定的變形能，當(dāng)變形的合金受熱時(shí)，熱能會(huì)使合金組織發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶。隨著溫度不斷升高，形成的亞晶粒會(huì)合并和長(zhǎng)大，當(dāng)溫度超過(guò)共晶溫度的下限后，在晶界和亞晶界之間會(huì)出現(xiàn)液相溫度持續(xù)升高而導(dǎo)致液相量不斷增加，晶粒之間和亞晶粒之間會(huì)相互分離，獨(dú)立形成顆粒。溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)將使顆粒的尖角部分逐漸熔化，顆粒變?yōu)橐?guī)則圓整，形成規(guī)則的半固態(tài)組織。晶粒再結(jié)晶演化沿晶粒變形、亞晶粒、液相潤(rùn)濕到再結(jié)晶。

2 半固態(tài)成形技術(shù)的特點(diǎn)

半固態(tài)成形金屬在固—液兩相共存的半固態(tài)溫度區(qū)間實(shí)現(xiàn)金屬成形，凡是有固液兩相區(qū)的共晶合金都能形成兩相區(qū)間。半固態(tài)加工可以結(jié)合傳統(tǒng)的鑄造、鍛壓、擠壓和鑄軋工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的規(guī)?；牍虘B(tài)成形件的優(yōu)異性能帶動(dòng)了金屬半固態(tài)成形技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，近年來(lái)半固態(tài)金屬零件在汽車(chē)領(lǐng)域已經(jīng)替代了大量的鑄造和鍛造零件。

半固態(tài)成形技術(shù)特點(diǎn)如下：1)半固態(tài)漿料相比液態(tài)金屬黏度更高，流動(dòng)成形時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)湍流平穩(wěn)充型，不發(fā)生噴濺，卷入的氣體少，鑄件組織致密氣孔少；2)半固態(tài)漿料的流變性和觸變性較好，進(jìn)行加工時(shí)變形抗力較小，可以在低消耗下生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，偏析缺陷少，制品的力學(xué)性能顯著提升，易形成合金結(jié)構(gòu)，達(dá)到金屬鍛壓構(gòu)件的力學(xué)要求；3)成形件的溫度低，不但減輕了充型過(guò)程對(duì)模具的熱沖擊力，延長(zhǎng)了模具壽命，而且由于半固態(tài)漿料中的部分固相存在，降低了凝固收縮率，提高了成形件表面質(zhì)量和尺寸精度；4)半固態(tài)漿料凝固時(shí)間相比液態(tài)金屬熔體較短，便于生產(chǎn)效率的提高。

3 半固態(tài)成形技術(shù)在材料制備中的應(yīng)用

半固態(tài)材料制備的成形工藝主要有流變鑄造、觸變鑄造、觸變鍛造、半固態(tài)軋制和射鑄成形，觸變鑄造應(yīng)用最廣，觸變鑄造包括非枝晶錠料的制備、再次加熱和擠壓成形3個(gè)步驟。

市場(chǎng)的需求是商品生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的源動(dòng)力，在軍事、航空、電子以及消費(fèi)品領(lǐng)域，鋁鎂合金的半固態(tài)壓鑄、模鍛及注射成型得到了快速的發(fā)展。利用半固態(tài)金屬加工方法能夠生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零部件,像汽車(chē)用制動(dòng)缸體、空調(diào)設(shè)備部件、轉(zhuǎn)向與傳動(dòng)系統(tǒng)零件、活塞、機(jī)器人的手臂,以及航空航天上使用的電子器件的連接部件等，這種半固態(tài)鍛鑄件包括許多鍵、銷(xiāo)和定位裝置,其公差精度等同機(jī)械加工精度。

4 結(jié)語(yǔ)

半固態(tài)金屬成形技術(shù)是工業(yè)發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域，尤其是航天航空、軍工和汽車(chē)工業(yè)等行業(yè)向著輕量、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)、安全的方向發(fā)展，給半固態(tài)金屬成形技術(shù)帶來(lái)了廣闊的市場(chǎng)。福建瑞奧麥特輕金屬公司已成功地把半固態(tài)成形技術(shù)運(yùn)用在汽車(chē)部件及電子等領(lǐng)域。發(fā)揮半固態(tài)成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，加強(qiáng)半固態(tài)成形技術(shù)的基礎(chǔ)理論和工藝控制的研究，是未來(lái)半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展方向。

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*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51341009)

責(zé)任編輯鄭練

TheResearchProgressofSemi-solidMetalFormingTechnology

LUO Xiaoqiang1,2, LI Zhengyang2,YAN Qingzhi1

(1.University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2.Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190, China)

The semi-solid metal slurry forming is a kind of metal preparation technology which by controlling the solid-liquid coexistence of rheological properties and forming in the process of the metal solidification. The solid primary grain of the semi-solid slurry has good mobility, can preparation products through the processing methods of extrusion, die casting, die forging, Semi-solid slurry forming technology is a kind of energy-saving and efficient production and processing technology and have broad prospects. The research achievements of semi-solid slurry preparation technology is reviewed, including forming mechanism of semi-solid slurry, semi-solid formation conditions and mechanism of grain refinement control and so on, and commented the semisolid slurry preparation technology.

semi-solid, slurry, preparation technology

TG 441.8

：A

羅曉強(qiáng)(1976-)，男，博士，主要從事半固態(tài)材料加工技術(shù)等方面的研究。

燕青芝

2015-01-13