半固態(tài)金屬成形技術(shù)，就是金屬在凝固過程中，進(jìn)行劇烈攪拌，或控制固-液態(tài)溫度區(qū)間，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻的懸浮著一定固相組分的固液混合漿料(固相組分甚至可高達(dá)60%)。這種半固態(tài)金屬漿料具有流變特性，即半固態(tài)金屬漿料具有很好的流動(dòng)性，易于通過普通加工方法制成產(chǎn)品。采用這種既非完全液態(tài)，又非完全固態(tài)的金屬漿料加工成形的方法，就稱為半固態(tài)金屬成形技術(shù)。圖1所示是幾種獲得半固態(tài)金屬漿料的方法。
a)機(jī)械攪拌機(jī) b)機(jī)械攪拌連續(xù)制備 c)電磁攪拌連續(xù)制備
圖 1 幾種獲得半固態(tài)金屬漿料的示意圖
二、半固態(tài)成形的特點(diǎn)
與普通的加工方法相比，半固態(tài)成形具有許多優(yōu)點(diǎn)：
1.應(yīng)用范圍廣泛，凡具有固液兩相區(qū)的合金均可實(shí)現(xiàn)半固態(tài)成形?？蛇m用于多種成形工藝，如鑄造、擠壓、鍛壓和焊接。
2.SSM充形平穩(wěn)，無湍流和噴濺，加工溫度低，凝固收縮小，因而鑄件尺寸精度高。SSM成形件尺寸與成品零件幾乎相同，極大地減少了機(jī)械加工量，可以做到少或無切屑加工。SSM凝固時(shí)間短，有利于提高生產(chǎn)率。
3.半固態(tài)合金已釋放了部分結(jié)晶潛熱，因而減輕了對(duì)成形裝置，尤其是模具的熱沖擊，使其使用壽命大幅度提高。
4.SSM成形件表面平整光滑，鑄件內(nèi)部組織致密，內(nèi)部氣孔、偏析等缺陷少，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能高，可接近或達(dá)到變形材料的性能。
5.應(yīng)用半固態(tài)成形工藝可改善制備復(fù)合材料中非金屬材料的漂浮、偏析以及與金屬基體不潤濕的技術(shù)難題，這為復(fù)合材料的制備和成形提供了有利條件。
6.與固態(tài)金屬模鍛相比，SSM的流動(dòng)應(yīng)力顯著降低，SSM模鍛成形速度更高，可以成形十分復(fù)雜的零件。
7.節(jié)約能源。按生產(chǎn)單位重量零件為例，半固態(tài)成形與普通鋁合金鑄造相比，節(jié)能35%左右。
三、半固態(tài)成形的主要工藝過程
半固態(tài)成形的工藝路線有兩條：一條是將經(jīng)攪拌獲得的半固態(tài)金屬漿料在保持其半固態(tài)溫度的條件下直接進(jìn)行半固態(tài)成形，通常被稱為流變鑄造(Rheocasting)，見圖2。另一條是將半固態(tài)漿料冷卻凝固成坯料后，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度進(jìn)行成形加工，通過被稱為觸變成形(Thixoforming),見圖2。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，主要采用后一種工藝。
圖2 半固態(tài)成形的工藝路線及示意圖
通常，半固態(tài)金屬成形技術(shù)包括流變鑄造、局部重熔(二次加熱)和觸變成形。所謂流變性，就是在攪拌過程中當(dāng)固態(tài)組分不斷增加(甚至達(dá)到60%)，雖然使金屬漿料的粘性提高，但仍然保持良好的流動(dòng)性。
四、半固態(tài)成形后的力學(xué)性能
實(shí)踐證明，由于半固態(tài)金屬具有觸變性，鑄坯在成形中具有明顯的超塑效應(yīng)和充填性能，而且變形抗力也小，可在較高速度下變形。從變形機(jī)理分析，其變形過程是一個(gè)從塑性變形到超塑性變形的過程。表1所示為鋁合金在不同的加工方法與熱處理狀態(tài)下的機(jī)械性能。從表中可以清晰地看出，半固態(tài)成形技術(shù)的優(yōu)越性。譬如，經(jīng)過觸變成形的A356合金在T6熱處理狀態(tài)下，比經(jīng)過普通砂型鑄造所得的鋁合金具有更優(yōu)良的機(jī)械性能，并且可與鍛件的性能相近。不少學(xué)者還研究了一些高熔點(diǎn)合金材料經(jīng)過半固態(tài)加工后的力學(xué)性能，如表2所示。
表1 不同加工方法所獲得鋁合金的機(jī)械性能比較
| 合金名稱 | 加工 方法 |
熱處 理 狀態(tài) |
屈服 應(yīng)力 (MN。 m－2) |
抗拉 強(qiáng)度 (MN。 m－2) |
延伸 率 (%) |
硬度 (HB) |
| 鑄造合金 A356 (Al7Si0.3Mg) A357 (Al7Si0.6Mg) |
SSM SSN SSM SSM SSM PM PM CDF SSM SSM SSM SSM SSM PM PM |
鑄造 T4 T5 T6 T7 T6 T51 T6 鑄造 T4 T5 T6 T7 T6 T51 |
110 130 180 240 260 186 138 280 115 150 200 260 290 296 145 |
220 250 255 320 310 262 186 340 220 275 285 330 330 359 200 |
14 20 5～10 12 9 5 2 9 7 15 5～10 9 7 5 4 |
60 70 80 105 100 80 - - 75 85 90 115 110 100 - |
| 鍛造合金 2017 (Al4CuMg) 2024 (Al4Cu1Mg) 2219 (Al6Cu) 6061 (Al1MgSi) 7075 (Al6ZnMgCu) |
SSM W SSM CDF W W SSM W SSM W SSM CDF W |
T4 T4 T6 T6 T6 T4 T8 T6 T6 T6 T6 T6 T6 |
276 275 277 230 393 324 310 260 290 275 361 420 505 |
386 427 366 420 476 469 352 400 330 310 405 560 570 |
8.8 22 9.2 8 10 19 5 8 8.2 12 6.6 6 11 |
89 105 - - - 120 89 - 104 95 - - 150 |
CDF＝閉模鍛造 PM＝金屬模鑄造 W＝鍛造加工
表2 一些高熔點(diǎn)合金在不同條件下機(jī)械特性的比較
| 高熔點(diǎn)合金 | 屈服應(yīng)力 (MPa) |
抗拉強(qiáng)度 (MPa) |
延伸率 (%) |
| 銅CDA905 流變鑄造狀 流變鑄造＋均勻化 觸變成形 砂型鑄造 |
131 155 155 152 |
324 305 281 310 |
30 23 7 25 |
| 不銹鋼A1S1304 觸變鑄造 蠟?zāi)ｈT造 不銹鋼A1S1304L 應(yīng)變誘發(fā)熔化激活 鍛件 |
276 274 |
660 516 596 483 |
19 30 ＞30 57 |
| 不銹鋼440C 流變鑄造狀 流變鑄造＋均勻化 鍛件 |
1030 1650 1860 |
壓縮實(shí)驗(yàn) 壓縮實(shí)驗(yàn) | |
| M2工具鋼(回火) 觸變鑄造 鍛件(軸向) (橫向) |
2370 2440 1230 |
彎曲實(shí)驗(yàn) 彎曲實(shí)驗(yàn) | |
| 鎢鉻鈷合金21 觸變成形 標(biāo)準(zhǔn)值 觸變成形 鍛件 鑄造 X－40流變鑄造 X－40蠟?zāi)ｈT造 |
531 524 |
2050 2400 924 1550 700 662 745 |
彎曲實(shí)驗(yàn) 彎曲實(shí)驗(yàn) 8 28 6 3 7 |
| 鈦合金Ti-20Co 流變鑄造 模鑄 鈦合金Ti-2-Cu 流變鑄造 模鑄 Ti-17Cu-8Cu 流變鑄造 |
168 139 126 121 212 |
486 454 170 162 388 |
7.4 1.4 9.5 1.9 8.8 |
五、半固態(tài)成形的應(yīng)用
1.在鋁合金制備中的應(yīng)用
目前半固態(tài)金屬成形應(yīng)用最成功和最廣泛的是在鋁合金的制備中。其原因不僅是因鋁合金的熔點(diǎn)較低和使用范圍廣泛，而且鋁合金是具有較寬液固共存區(qū)的合金體系。在鋁合金工業(yè)中，包括Al-Cu合金、Al-Si合金、Al-Pb合金和Al-Ni合金等，特別值得一提的是半固態(tài)金屬成形技術(shù)已開始應(yīng)用于制備鋁合金制品。圖3所示是半固態(tài)成形的鋁合金零件。目前，半固態(tài)成形的鋁合金零件重量可達(dá)7kg以上。
圖3 半固態(tài)成形的鋁合金零件
2.在其它材料中的應(yīng)用
對(duì)于鎂合金和銅合金，也可以應(yīng)用SSM成形技術(shù)，并且已經(jīng)取得了一些成果，可以用這種方法制造出質(zhì)量優(yōu)良的零件。
3.應(yīng)用于復(fù)合材料的制備
半固態(tài)金屬在液固兩相區(qū)有很好的粘性和流動(dòng)性，可以比較容易地加入非金屬填料，而且只要選擇好適當(dāng)?shù)募尤霚囟群蛿嚢韫に?，有利于提高非金屬填料和半固態(tài)金屬之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。非金屬填料的加入也有效地阻止了球形微粒的簇集，如圖4所示。非金屬填料的加入對(duì)后續(xù)的部分重熔和觸變成形非常有利。目前，在金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用SSM成形方法也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。
圖4 在Al-Si半固態(tài)材料中加入SiC顆粒
4.SSM的一些其它應(yīng)用
SSM也可以應(yīng)用在板帶和線材的連鑄連軋中，在連鑄連軋中加入攪拌后，產(chǎn)生的效果不僅僅是使成分均勻，而且能提高產(chǎn)品的整體質(zhì)量。
SSM的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是材料的提純。半固態(tài)成形技術(shù)在金屬提純上具有兩方面的應(yīng)用。其一，金屬漿料中顆粒大小的不同，在后續(xù)過程中極容易形成偏析，采用霧化方法，從而使得金屬基體性能趨于均勻。其二，由于在液固兩相區(qū)，初生相微粒的成分與液相成分有較大的差別，只要采用某種方法將液相和固相分離開，就可以達(dá)到提純材料的目的。比如，利用具有一定粗糙度的濾紙就可以將液體從金屬漿料中排除，如圖5所示。
圖5 材料提純裝置示意圖【MechNet】
