鋁合金半固態(tài)成形工藝的研究現(xiàn)狀

1、鋁合金半固態(tài)成形工藝的研究現(xiàn)狀作者：上海大學(xué) 余忠土 張恒華 邵光杰 許珞萍新型的成形技術(shù)半固態(tài)成形技術(shù)（SSM）是一種近終成形（Near-net-shape）的成形工藝。與傳統(tǒng)的成形工藝相比，它有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)：成形溫度低，成形件力學(xué)性能好，并較好地綜合了固態(tài)金屬模鍛與液態(tài)壓鑄成形的優(yōu)點(diǎn)。本文闡述了鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)的主要工藝方法，其工藝參數(shù)與傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄成形的差異，以及半固態(tài)成形件在不同狀態(tài)下的力學(xué)性能 圖1半固態(tài)金屬壓鑄流程圖20世紀(jì)70年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院Flemings等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了半固態(tài)金屬的流變性能，到70年代中期，Joly等人進(jìn)一步探索了半固態(tài)金屬的這種性能，并出現(xiàn)

2、了半固態(tài)金屬加工的概念。所謂半固態(tài)金屬加工技術(shù)即在金屬凝固過(guò)程中，進(jìn)行劇烈攪拌，將凝固過(guò)程中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生長(zhǎng)，然後直接進(jìn)行流變鑄造或制備半固態(tài)坯錠後，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度，然後進(jìn)行成形加工。鋁合金的半固態(tài)加工技術(shù)主要有三道工序：半固態(tài)坯料的制備、二次重熔和觸變成形。觸變成形作為半固態(tài)加工技術(shù)的最後一道工序，是影響半固態(tài)成形件組織和性能的關(guān)鍵工序，直接影響著半固態(tài)成形件的組織和性能。自該技術(shù)被開(kāi)發(fā)以來(lái)，已經(jīng)歷了30馀年的研究發(fā)展，并已召開(kāi)了六次有關(guān)半固態(tài)的國(guó)際會(huì)議，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)用階段。因?yàn)榘牍虘B(tài)成形技術(shù)有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)：半固態(tài)金屬成形技術(shù)具有高效

3、、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和近終成形等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代汽車(chē)制造業(yè)對(duì)有色合金鑄件高致密度、高強(qiáng)度、高可靠性、高生產(chǎn)率和低成本等要求，因此倍受汽車(chē)制造廠商以及零部件配套生產(chǎn)廠商的重視。 半固態(tài)金屬加工工藝 SSM成形是介乎鑄造和鍛造之間的一種工藝過(guò)程，是針對(duì)固、液態(tài)共存的半熔化或半凝固金屬進(jìn)行成形加工的工藝方法的總稱(chēng)，使用於很多常規(guī)的成形方法。半固態(tài)金屬加工技術(shù)主要有兩種工藝：一種是將經(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)加工，即流變成形（Rheoforming）；另一種是將半固態(tài)漿料冷卻凝固成坯料後，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度，然後進(jìn)行成形加工，即觸變成形（Thix

4、oforming），後者在目前的生產(chǎn)條件下占主導(dǎo)地位。目前，應(yīng)用在工業(yè)上的半固態(tài)金屬觸變方法主要有：半固態(tài)壓鑄、半固態(tài)擠壓、半固態(tài)模鍛和半固態(tài)壓射成形等。 半固態(tài)壓鑄工藝 半固態(tài)壓鑄工藝是目前半固態(tài)金屬成形的主要成形工藝。典型的半固態(tài)壓鑄工藝流程圖見(jiàn)圖1。半固態(tài)鋁合金壓鑄是將半固態(tài)坯料二次加熱至坯料組織恢復(fù)到4060球狀初生固相顆粒和共晶液相共存的固液混合態(tài)，隨即用夾持工具夾持到壓鑄機(jī)壓射室中壓鑄成形，其主要的工藝參數(shù)包括壓射比壓、壓射速度、壓射時(shí)間、模腔溫度以及留模時(shí)間等。 壓射壓比是壓射室內(nèi)半固態(tài)坯料所受的靜壓力，是半固態(tài)鋁合金壓鑄最重要的工藝參數(shù)之一。由於半固態(tài)鋁合金壓鑄時(shí)，坯料粘度較大

5、，流動(dòng)性較液態(tài)金屬差，為了充分利用半固態(tài)鋁合金坯料的流變性，在成形時(shí)，壓射比壓一般比液態(tài)金屬壓鑄時(shí)高2030。 壓射速度為壓射室內(nèi)壓塞的推進(jìn)速度。由於半固態(tài)坯料具有一定的粘度，因此在低速壓射階段，其流動(dòng)相對(duì)液態(tài)更平穩(wěn)，也不存在液態(tài)金屬壓射時(shí)的噴射、紊流和卷氣現(xiàn)象，因此該階段的壓射速度可比液態(tài)金屬壓鑄時(shí)快，有利於提高充型速度，縮短充型時(shí)間，提高鑄件表面質(zhì)量。 壓鑄機(jī)的料缸尺寸應(yīng)根據(jù)半固態(tài)坯料的大小來(lái)設(shè)計(jì)，由於半固態(tài)坯料在二次加熱時(shí)表面有一層薄薄的氧化膜，為了除去這一層氧化膜，料缸的直徑必須比坯料的直徑稍小，并充分考慮半固態(tài)坯料在二次加熱時(shí)的膨脹系數(shù)。料缸在壓鑄前要適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，以保證半固態(tài)坯料壓射

6、前在料缸中不會(huì)冷卻凝固，并保持穩(wěn)定。除了要預(yù)熱外，還要在料缸表面涂上一層潤(rùn)滑劑，以保證坯料不會(huì)和料缸表面粘在一起，但選擇潤(rùn)滑劑時(shí)，要考慮其對(duì)半固態(tài)成形件性能的影響。半固態(tài)鋁合金壓鑄時(shí)模具內(nèi)的溫度也比液態(tài)金屬壓鑄時(shí)要高，且要求溫度穩(wěn)定，一般應(yīng)控制在200350。其型腔內(nèi)澆注系統(tǒng)常采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)、澆道流程短、澆道位置不遠(yuǎn)離鑄件。 留模時(shí)間是指半固態(tài)坯料被壓入模腔直到模腔被打開(kāi)時(shí)成形件在模腔所停留的時(shí)間。留模時(shí)間直接影響這成形件的冷卻速度，以及鑄件的組織狀況。因?yàn)榱裟r(shí)間長(zhǎng)，即更長(zhǎng)的保壓時(shí)間會(huì)使鑄件中沒(méi)來(lái)得及填充的部位在保壓下由漿料來(lái)填充。但時(shí)間太長(zhǎng)，則會(huì)引起粘?，F(xiàn)象。 半固態(tài)金屬鍛造 半固態(tài)金

7、屬鍛造與半固態(tài)金屬觸變壓鑄實(shí)質(zhì)上并無(wú)明顯差別，其主要不同之處在於前者是用半固態(tài)金屬在鍛造設(shè)備上加工成形。鍛造半固態(tài)金屬可以在較低的壓力下進(jìn)行，這使得一些傳統(tǒng)鍛造無(wú)法成形的形狀復(fù)雜構(gòu)件可以在半固態(tài)金屬鍛造方法來(lái)生產(chǎn)，其鍛造設(shè)備可分為立式和臥式壓力機(jī)兩種。半固態(tài)鍛造是將加熱到半固態(tài)的坯料，在鍛模中進(jìn)行以壓縮變形為主的模鍛以獲得所需形狀、性能制品的加工方法。半固態(tài)鍛造可以成形變形力較大的高固相率的半固態(tài)材料，并達(dá)到一般鍛造難以達(dá)到的復(fù)雜形狀。而且，可以用於制造用普通鍛造難以成形的許多超合金，有可能用半固態(tài)鍛造技術(shù)制造出特殊材料的耐熱零件。鍛造速度每秒幾百mm到一千多mm，模壓從幾Mpa到十多Mpa，

8、甚至更高。半固態(tài)鍛造零件的總量可從20g13.6kg，鍛造速率可達(dá)120360件/分，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。目前，已經(jīng)利用半固態(tài)鍛造技術(shù)進(jìn)行了聯(lián)軸節(jié)、齒輪等機(jī)械零件制造的研究。 半固態(tài)金屬擠壓成形 半固態(tài)擠壓成形即將坯料加熱到半固態(tài)，然後放入擠壓模腔，用凸模施加壓力，通過(guò)凹模口擠出所需制品。半固態(tài)坯料在擠壓模腔內(nèi)處?kù)睹荛]狀態(tài)，流動(dòng)變形的自由度低，內(nèi)部的固相、液相成分不易單獨(dú)流動(dòng)，除擠壓開(kāi)始時(shí)若干液相成分有先行流出的傾向外，在進(jìn)入正常擠壓狀態(tài)後，兩者一起從?？跀D出，在長(zhǎng)度方向上得到穩(wěn)定、均一的制品。 其他半固態(tài)金屬成形 除了上述半固態(tài)金屬成形方法外，還有一些正處?kù)堕_(kāi)發(fā)狀態(tài)下的半固體金屬成形法：如半固態(tài)

9、壓射成形以及半固態(tài)鑄造和鍛造復(fù)合法等。 半固態(tài)成形件的力學(xué)性能 半固態(tài)坯料具有一定的固液比，和液態(tài)壓鑄相比，具有一定的粘度，所以成形時(shí)可以避免噴濺、紊流以及卷氣等缺點(diǎn)；與固體鍛造相比，變形力小，可以節(jié)省能源。所以半固態(tài)金屬成形與傳統(tǒng)的固態(tài)鍛造（軋制）以及液態(tài)壓鑄相比，綜合了這兩種成形方法的優(yōu)點(diǎn)：既可以提高力學(xué)性能，也可以成形復(fù)雜的零部件。 半固態(tài)成形件原始態(tài)的力學(xué)性能 由於影響半固態(tài)成形件性能的因素很多，因此各種資料中所報(bào)道的有所差異，但總體來(lái)講，其性能要比一般的成形方法好。 從表中我們可以看出：半固態(tài)加工技術(shù)具有更大的優(yōu)越性。其中以觸變成形所得的成形件性能最好，抗拉強(qiáng)度基本在200Mpa以上

10、。延伸率也可以達(dá)到10左右。 表1A356鋁合金不同成形條件下的力學(xué)性能表2A356鋁合金不同成形條件下的力學(xué)性能半固態(tài)成形件熱處理態(tài)的力學(xué)性能 半固態(tài)成形技術(shù)作為一種近終成形技術(shù)，因此半固態(tài)成形件可以直接在工業(yè)中應(yīng)用。但通過(guò)熱處理，半固態(tài)成形件可以獲得更為優(yōu)異的力學(xué)性能，因此熱處理是挖潛半固態(tài)鋁合金性能的有效途徑之一。目前，有關(guān)半固態(tài)成形件的熱處理研究不多，也沒(méi)有形成穩(wěn)定的工藝。但試驗(yàn)表明：半固態(tài)成形件經(jīng)過(guò)熱處理後的抗拉強(qiáng)度都明顯提高，可達(dá)到315Mpa左右，伸長(zhǎng)率卻下降。而且半固態(tài)成形件抗拉強(qiáng)度的提高幅度明顯比常規(guī)的壓鑄液態(tài)成形件大，而伸長(zhǎng)率的下降幅度卻比後者小。見(jiàn)圖2、3。 圖2鋁合金半固態(tài)