轻金属半固态模锻工艺研究

20世纪70年代初，美国麻省理工学院研究人员发现，金属材料在凝固过程中施加强烈的搅拌，可以打破传统的枝晶凝固模式，形成近球状的组织，从而得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定球状或类球状初生固相的固—液混合浆料，即半固态浆料，这种浆料具有良好的流变性和触变性，采用这种既非液态又非完全固态的金属浆料跟常规加工方法如压铸、挤压、模锻等结合实现成形加工的方法称为半固态金属加工(Semi-Solid Metal Processing，简称SSM)。从理论上讲，凡具有两相区的合金及其复合材料均可以实现半固态成形加工。该方法之所以能够发展成为一种先进的成形加工技术，完全基于半固态金属材料所具有的特殊流变学性能，即触变性：当半固态金属坯料所受的剪切力不大时，坯料具有很高的粘度近似固态，可以方便地放置和搬运；而当受到较大剪切变形时，坯料便表现出较小的粘度可以像液态一样随意流动成形。但是采用具有枝晶状初生相组织的固—液混合体成形加工时，由于枝晶状组织的相互搭结、缠绕，变形阻力大，流动性很差，固液相极易分离，产生严重的热裂与宏观偏析。因此，半固态金属成形具有多方面的优点：相对于普通液态成形（如压力铸造或挤压铸造），由于半固态浆料中已有一半左右的固相存在而且温度低于液态金属近100℃，因此可以消除常规铸件固有的皮下气孔和疏松等缺陷，而且模具寿命成倍提高；相对于常规固态成形（如模锻或挤压），由于半固态浆料具有很好的流动性，因此变形抗力极低，可以一次加工成形复杂的零件，减少了成形道次、模具投入及后续机加工量，而力学性能则与固态锻造相当。正是半固态金属锻造技术具有高效、优质、节能和近终成形等突出优点，可以满足现代汽车制造业对有色合金铸件高致密度、高强度、高可靠性、高生产率和低成本等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重视。

半固态金属锻造与半固态金属触变压铸实质上并无明显差别，其主要不同之处在于前者是用半固态金属在锻造设备上加工成形。锻造半固态金属可以在较低的压力下进行，这使得一些传统锻造无法成形的形状复杂构件可以在半固态金属锻造方法来生产，其锻造设备可分为立式和卧式压力机两种。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，有可能用半固态锻造技术制造出特殊材料的耐热零件。锻造速度每秒几百mm到一千多mm，模压从几Mpa到十多Mpa，甚至更高。半固态锻造零件的总量可从20g～13.6kg，锻造速率可达120～360件/分，并能实现自动化。目前，已经利用半固态锻造技术进行了联轴节、齿轮等机械零件制造的研究。

半固态坯料制备是半固态加工技术的关键环节之一。采用半固态锻造工艺生产零件要求原材料具有特殊的显微组织，当金属处于半固态时，这种组织是由悬浮在较低合金液体中的球形固体颗粒组成的，要在加热时固体材料中恢复这种组织，就需要保留一些残余的显微偏析，以在固液相之间产生局部熔化。北京有色金属研究总院采用电磁搅拌技术制备金属半固态坯料，该技术可以有效解决晶粒细化和组织均匀等连铸中的关键技术，其设计思想是把金属过滤和脱气结合起来，使金属液进入连续铸造机的水冷结晶器，且金属液面远低于中间包的静止液面，在结晶器中接近凝固点的金属，通过电磁场的强烈搅拌，产生强大的剪切作用，在同一时间和同一位置，通过结晶器壁把可控的传导热传到结晶器水套导致均匀凝固，该技术具有精确控制剪切作用和放热等特点，以至于该技术在制备坯料上被广泛应用。技术原理如图1所示。

图１　半固态坯料制备原理示意图

半固态加热过程中要求加热速度应快且均匀，以免低熔点共晶相产生偏析、固态部分沉淀，使表面氧化降到最小，半固态材料的粘度与固体组分的体积百分数有关，粘度大填模能力小，从这一点来看，要求出炉温度高一些，然而，从节约能源、减小模具的热冲击、减少薄壁与厚壁部分过渡带的紊流，从降低气穴与凝固收缩率的角度看又要求出炉温度低。另外，为使坯料在加热过程中保持原状和便于搬运，也要求出炉温度尽可能低，但又有一个允许的最低温度，低于此温度就不能保持设定的固液比。因此，出炉温度只要比允许的最低温度略高一些，从而可达到液相体积百分数保持在非常窄的范围内，并确保均匀地分布于整个坯料体积内的目标，在这种状态下的坯料既软的象豆腐一样，又可以用刀切割，同时能保持原形。加热过程一般分为两个阶段，开始阶段为大功率快速加热，后一阶段为小功率均匀化加热，在前一阶段加热时，坯料内总会或多或少的存在着温度不均匀性，再通过后一阶段加热就可以达到温度均匀，整个加热时间为3～15分钟，取决于坯料的尺寸、形状和合金类型。图2 是我院研制开发的半固态成型专用加热设备。

图2 半固态成型专用加热设备

图3 左为热锻、右为半固态锻造涡轮

半固态模锻工艺与传统模锻工艺又很大不同。将加热均匀的半固态坯料装入模锻机下模内，并锻压成型，成型过程中根据材料的形状、尺寸、合金特性以及对零件品质的要求，采用不同的成型速度和压力，一般在成型过程中要求成型速度为50～200mm/s，模腔压力为15～140Mpa，而锻造机可以多种多样，但最基本的要求是能精确控制成型速度和压力，金属半固态锻造使用的模具一般为H13工具钢，热处理后其硬度为45～48HRC，模腔表面应光滑，以利于金属流动和工件脱模，在冲型过程中，坯料在模腔内成型仅仅十分之几秒，但在冲形后期必须要有主动保压功能，实现工件受到设定的最大压力。工件在压力作用下的留模时间由合金牌号和零件尺寸决定，一般为3～6秒，如果保压时间过短，工件还比较软，在顶出时候易造成工件破损，工件保压时间过长，降低模锻的生产效率，当半固态模锻工件从锻模中取出时，其温度一般在205～425℃，在生产时，件与件的温度变化可控制在10℃以内，以确保工件产品的一致性。工件热处理的种类很多，大多数半固态模锻件热处理到T5或T6状态，多数零件采用较低的T5热处理工艺即可以满足技术要求，这主要是因为在半固态锻造过程中，工件与模腔接触，得到快速冷却，这种冷却和材料极细的球形晶粒，可省去昂贵的固溶处理和淬火费用，仅仅需要时效处理就可以达到更高的机械性能。图3左侧零件为中国热锻涡轮，右侧为日本采用半固态锻造工艺生产的涡轮。

和国外相比，我国在半固态金属成形技术领域的研究还很落后。为了国民经济的发展，特别是我国汽车工业的发展，提高我国汽车工业的水平和在国际市场上的竞争能力，需要采用各种新工艺和新材料来装备我国的汽车工业，而推动半固态金属成形技术在汽车工业中的应用是目前的关键。就我国目前的研究现状来看，半固态金属成形技术的发展动向如下：

    （1）半固态金属触变成形技术已经基本成熟，而流变成形技术的发展较为缓慢，没有太多的突破性技术进展。因此，更多的研究人员会转向金属的半固态流变成形理论和应用方面的研究，以降低半固态产品成本，节约能源。同时也会注重已经成熟的触变成形技术在工业中的应用，推动我国汽车工业的发展。

    （2）目前半固态金属成形技术主要应用于铝、镁、铅等低熔点金属的成形，而对高熔点黑色金属的应用较少，理论欠成熟。由于黑色金属在工农业中应用广泛，有着其他材料不可代替的重要作用。因此，在以后的发展中黑色金属半固态成形的理论研究和工业应用将是一个重点研究领域。

    （3）目前，国内外学者已经开发出了半固态成形过程数值模拟软件，但还存在很多不足，比如没有考虑合金的触变性能等，应用范围受到很大的限制。因此，加大计算机技术在半固态金属成形工艺中的应用，充分利用计算机技术，对流变成形和触变成形过程进行计算机模拟，促进半固态金属成形的理论研究将是另一热点。