半固态加工技术的发展和应用现状

作者：清华大学 唐靖林 曹大本

欢迎访问e展厅 展厅 11 铸造机械/压铸设备展厅 造型机, 压铸机, 消失模铸造设备, 混砂机, 烘砂机, ... 从70年代初美国麻省理工学院的 Flemings教授等开发出半固态加工技术以来， 现已得到迅速发展。美国在此技术的开发研究和工业应用等方面处于全球领先地位；欧 洲国家和日本也相继开展此方面的工作，并取得很大进展。半固态加工技术最广泛的应 用主要集中在汽车工业，用以进行汽车零件的近终形(NearNetShape)制造以及使其轻量 化；另外，这项技术还被越来越多地用于航空、兵器、仪表等工业的主要构件。目前，半固 态金属加工技术的发展主要围绕着半固态金属的制备和成形、基础理论、金属基复合材料 的制造、工业应用和开发等方面。与此同时，很多相关的新技术和应用领域不断被开发出来。 1 半固态金属原料的制备技术 在金属凝固过程中进行强烈搅拌，使树枝状初晶破碎成等轴颗粒状分布于液相，从而 得到一种固液混合浆料，通常将此浆料称为非枝晶半固态金属(Semi—Solid Metal，简称 SSM)。在SSM的液相基体中，固相颗粒之间很容易产生相互移动，从而使SSM浆料具 有一定流动能力，以利于充型。获得SSM原料主要有以下方法。 1.1 机械搅拌法 机械搅拌法通常可分为不连续搅拌法(Bath Method)和连续搅拌法(Continuous Method)。机械搅拌法设备简单，容易控制工艺参数，从而可方便地用于研究金属的搅拌 规律和SSM的流变特性。机械搅拌时，搅拌器与金属熔体直接接触，因而搅拌器的寿命 低而且易污染金属。所以，机械搅拌法只适合于实验室的研究工作，无法满足工业生产的需求。 1.2 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用电磁感应力的作用将析出的树枝晶破碎成颗粒状，属于非接触式 搅拌。因此，金属液纯净，不卷入气体，控制方便，产量大，是目前工业应用的主要方法之 一。这种方法也适用熔点较高的合金。目前，在工业生产中占主导地位的电磁搅拌技术 称为MHD(Magnetohydrofynamic)，用于生产连续流变锭料，其中铝合金锭的直径达38— 52mm。这种方法的主要缺点是电能消耗量大，设备结构复杂而且成本高。 1.3 应变诱导熔化激活法 应变诱导熔化激活法(Strain—ImducedMeltActivation，简称SIMA)首先要铸造出品 粒细小的常规铸锭，再使之进行大量的挤压变形，然后加热到固液两相区以得到SSM原 料。该法的金属纯净，产量较大，也是当前工业生产中采用的主要技术之一。但是，SIMA 去要增加一道预变形工序，而且仅能生产小型零件。 1.4 其它方法 获得SSM原料的其它方法有：剪切冷却辊法(Shear—CoolingRollProcess)、电磁脉冲 法(Electromagnetic Pulse Method)、紊流管道法(Tortuous—Channel Method)、溅射沉积法 Spray—DepositedMetalMetllod)等，限于篇幅在此不一一赘述 [1—3] 。 2 半固态金属的成形技术 SSM成形是介于铸造和锻造之间的一种工艺过程，适用于很多常规的成形方法。通 常根据采用的成形设备对其命名，这些设备包括：改进的压铸设备、注射成形设备、连续铸 造设备和模锻设备等。在研究和应用中，铸造设备在SSM成形中占较大比例，因而SSM 成形多称为半固态铸造。 SSM原料在进入模具内腔之前有不同的处理方法，从而使SSM成形分为两大类：流 变成形(Rheoforming)和触变成形(Thixo- forming)。流变成形是将获得的 SSM原料 直接成形；触变成形是将SSM原料首先制成 锭料，生产时，将定量的锭坯重新加热至半固 态然后再成形(见图1、图2)。 对于流变成形，由于直接获得的SSM原料保存和输送很不方便，因而发展较缓慢，一 般仅用于SSM连续成形方面；对触变成形，由于 SSM坯料便于输送和加热，易于实现自 动化，所以，触变成形在工业中得到广泛应用。 3 半固态加工技术的特点和适用范围 概括起来说，半固态加工技术具有以下特点： [4-7] (1)SSM充型平稳、无湍流和喷溅、温度低而且释放了部分结晶潜热，因而减轻了对 成形装置尤其是模具的热冲击，使其寿命大幅度提高；同时，SSM凝固时间缩短，从而有 益于提高生产率。 (2)SSM成形件表面平整光滑；内部组织致密、晶粒细小、力学性能高；凝固收缩小， 因而铸件尺寸精度高；SSM成形件尺寸与成品零件几乎相同，极大地减少了机械加工量， 可以做到少或无切削加工，从而节约了资源，相对延长了刀具寿命。 (3)不直接处理液态金属，便于实现自动化，改善了劳动条件。 (4)节约能源。比单位重量的普通铝合金铸件节能35％左右。 (5)SSM粘度较大，可以均匀混入颗粒或短纤维等增强材料而制造金属基复合材料， 成为一种有效的金属基复合材料的制造方法。 (6)与固态金属模锻相比，SSM的流动应力显著降低，因而SSM模锻成形速度更高， 而且可以成形十分复杂的零件。 半固态加工技术除上述直接成形外，还有望于提纯金属(使3SM的液固两相分离)、 制造金属板带等。尤其是用半固态加工技术制造金属基复合材料愈来愈受到人们的重 视。随着不断研究开发，半固态加工技术必将超出今天工业应用的范围 [3] 。 S3M适用于有液固共存区的合金体系。研究和生产证明，适用于半固态加工的金属 有：镁合金、铝合金、锌合金、镍合金、铜合金以及钢铁合金等，其中铝镁合金已用于工业生 产。半固态加工技术有可能使黑色金属实现压铸，很多国家正致力于这方面的研究。 4 工业应用现状 4.1 应用现状 近几年中，半固态加工技术的工业应用已经取得很大进展。其中美、日、英、法、意大 利和瑞士等国家的应用水平处于领先地位 [8-16] 。 在美国，AlumaX Engineered Metal Process(AEMP)公司率先将此技术转化为生产力。 1978年，它使用 MHD技术生产出供触变成形用的圆锭，随后建成了全球首条高容量和 高度自动化的触变成形生产线，用于生产铝'合金汽车零件，并拥有相关专利60多项；自 1988年以来，AEMP为 Bendix牌小轿车生产了250万个铝合金汽缸头(Master Cylin- der)，为Ford汽车公司生产了1500万个铝合金压缩机活塞(Pistons of Compressor)，成品 率近100％。1992年AEMP公司与Superior工业公司合资在美国 Arkansas州建成了全 球首家触变成形铝合金轮毂厂。 AEMP公司帮助美国AMP公司建设的有7台半固态成 形系统的工厂于1993年上半年投产，用于生产电工铝合金零件。Thixoma公司则使用半 固态注射成形专利技术生产镁合金零件。 ITT公司用半固态加工技术进行黄铜电接插件 的生产。目前，Alumax铝业公司的 Mt Holly铝厂和 Intalco铝厂已经生产出直径76.2mm和152．4mm的MHD锭。1985年，Alumax铝业公司将有关触变成形的专利技术向 欧洲转让，生产Volvo、BMW和Audi等小轿车的铝合金零件。 在欧洲，意大利是半固态加工技术商业化应用最早的国家之一。 Stampal—Saa公司 使用此技术为Ford汽车公司生产Zeta发动机的油料注射挡(Fuel Rails)，生产率为160 件／小时；另外，还生产齿轮箱盖(GearBoxCover)和摇臂(RockerArms)等零件。 Weber 公司于1993年开始用半固态技术为 Nuova Lancia Delta公司生产油料注射挡。瑞士的 Buehler公司于1993年开发出称为SC的半固态压铸设备，并开始进行汽车零件的生产。 同时，德国的 EFU、法国的 PechineySA、瑞士的Alusuisse—Lonza、意大利的 Fiat等国际 知名公司已采用了半固态加工技术。 日本于80年代后期成立了一家由18个成员组成的Rheotech公司，随后对半固态加 工技术进行系统研究，同时加强与美欧著名大学和公司的联系。公司成员包括：三菱重 工、川崎制铁、神户制钢、古河电气等14家钢铁公司和4家有色金属公司。在1988年3 月至1994年6月期间共投资30亿日圆进行研究开发，下一步转向工业应用阶段。 4.2 半固态成形件现状 半固态加工技术主要应用于汽车零件制造方面，另外，在军事、航空、电子以及消费品 等方面也进行了产品开发。多数情况为铝、镁合金的半固态压铸、模锻以及注射成形。 用半固态加工技术生产的汽车零件包括：刹车作动筒(Master Brake Cylinder)、转向 系统零件(Steering and Suspension System Components)、摇臂(Rock Arm)、发动机活塞 (Engine Piston)、轮毂(Wheel)、传动系统零件(Transmision Components)、燃油系统零件 (Fuel System Components)和汽车空调零件(Air Conditioner Components)等。这些零件已 应用于Ford、Chry51er、Volvo、BMW、Fiat和Audi等欧美名牌轿车上。从1981年起，用半 固态技术生产的电接插件(ElectricalConnector)已应用于军事航空领域 [1-2] 。 如前所述，与铸件相比，SSM铝合金件组织细小、内部疏松少、收缩小、尺寸精度和性 能高、表面质量好；另外，由于少或无切削加工，从而降低了制造成本。因此，在生产中，有 些SSM铝合金件用于取代常规铸锻件。例如，调速带张紧回转轮支架(Timing—Belt Tensioner—pulley Pivot Bracket)由球铁改为SSM铝合金件后，减重52％，每件节约费用 2．15美元。汽车作动简通常用铸铁制造，汽车轻量化趋于采用铝合金金属型铸造工艺， 应用半固态加工技术后，与前两种工艺相比，不但生产高度自动化，避免成形时处理液态 金属，而且实现了近终形(Near Net Shape)制造。两种情况的比较见表1。 半固态模按铝合金汽车轮毂的重量，随种类不同比相应的压铸轮毂轻lO％-30％。 Thixomat公司1994年7月采用触变成形设备进行铝合金齿轮箱的生产，迄今已生产出 50万件。设备采用热室压铸工艺，每件生产时间为28s，日产6000件。经过对整个生产 过程监测表明，每件的平均重量偏差为0．5％，孔的尺寸精度为0．02，在嵌入钢衬套之前 仅需对孔内表面抛光处理即可。另外，还用触变成形工艺生产出应用于电子方面的成形 件，例如工业电子显示装置的机身等 [9、19] 5 研究开发动向 半固态加工技术开拓了一个全新的金属成形领域，目前，还有许多问题有待进一步研 究探讨 [3、8、11、17] 。 (1)SSM的演变特性与微观结构和加工过程有关。这需要精确认识和描述SSM浆 料的结构和特性，以对浆料进行设计，使其与成形过程相适应。 (2)由于SSM具有低的潜热以及有固相存在，因此浆料凝固速度大。这使得 SSM 成形的模具设计和表面处理方式与铸锻工艺有所不同，需要对此进行深入研究。 (3)为了使半固态成形件的微观组织进一步细化，要求更有效地控制SSM中固相组 分的原始颗粒尺寸和数量。 (4)在半固态加工过程中，材料自由表面可能会产生裂纹。有待于对SSM的微观结 构、温度场以及其自由表面的应力状态进行深入研究。 (5)需要对SSM的组织形成以及浆料特性进行定量描述。 世界上很多大学及公司的研究机构都在从事半固态加工技术的研究，为这项技术的 发展奠定了基础。研究内容包括：(1)基础技术研究：内容有SSM的基本特性，组织均匀 化，固相率以及温度控制技术，装置材质的开发；(2)加工过程的研究：内容有高速搅拌技 术，SSM的保持以及输送技术，气氛控制技术，成形技术，复合材料的添加和混合技术； (3)综合技术：包括高性能材料制造技术的开发，材料连续成形技术的开发。 我国有些单位于70年代后期也陆续开展了有关SSM流变特性等方面的理论研究。 但是，由于缺乏系统的研究和开发，目前还没进入商业应用阶段，从而迫切需要进行全面、 系统的研究开发。 合金和复合材料的半固态加工国际会议迄今已举办了三届，分别在法国 SophiaAntipolis(1990年4月)、美国MIT(1992年6月)、和日本Tokyo(1994年9月)举行，标志着 这项技术在全球范围内日趋成熟。 最后需要指出的是，半固态加工技术的发展将远远超出目前工业应用所局限的范围。 组织力量对这项技术进行研究开发将有十分重要的意义，它必将会在我国的经济建设中 发挥重要作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/3/2007)