半固態(tài)金屬成形技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

     70年代初美國麻省理工學(xué)院的M.Flemigs和D.Spencer發(fā)現(xiàn)，處于固-液相區(qū)間的合金經(jīng)過連續(xù)攪拌后呈現(xiàn)出低的表觀粘度，此時在結(jié)晶過程中形成的樹枝晶被粒狀晶代替。這種漿料很容易變形，只要加很小的力就可以充填復(fù)雜的型腔，從而開發(fā)出一種新的金屬成形方法—半固態(tài)金屬成形。半固態(tài)金屬成形可以分為流變成形和觸變成形兩種。前者是利用半固態(tài)金屬的流變性能，將經(jīng)過強(qiáng)烈攪拌的金屬漿料加壓成形。后者則利用金屬的觸變性能，將凝固的攪拌金屬漿料加熱至半固態(tài)再加壓成形。半固態(tài)金屬成形具有能消除氣孔、縮孔，提高零件的機(jī)械性能及模具壽命，減少凝固收縮，提高零件尺寸精度等優(yōu)點。半固態(tài)金屬易于搬運和輸送，為連續(xù)高效的自動化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。在節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境方面也較傳統(tǒng)的鑄造方法更為優(yōu)越。目前美國、西歐已將半固態(tài)加工成形技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)。美國軍方把用流變鑄造法制造復(fù)合材料坦克零件列為五年工藝研制規(guī)劃之一。在川崎制鐵等18家大型公司的資助下，日本從1988～1994年成立了專門研究機(jī)構(gòu)，對半固態(tài)金屬的性能、制造與加工技術(shù)進(jìn)行了全面的研究，目前已著手工業(yè)化生產(chǎn)。我國對半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究基本上還處于實驗室階段，離工業(yè)性生產(chǎn)尚有一定距離。

 

1　半固態(tài)金屬的流變特性
　　半固態(tài)金屬的流變特性是指在外力作用下半固態(tài)金屬的流動、變形性能。研究半固態(tài)金屬的流變特性對半固態(tài)金屬的制備和成形技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。當(dāng)金屬液中固體金屬顆粒的組分大于0.05～0.1時，其流變行為即呈現(xiàn)非牛頓體型。在更高的固體組分（0.5～0.6）時，漿料呈非線性粘塑性，具有賓漢 （Binghan）流體的特性。雖然合金成份、半固態(tài)金屬的制造條件、固體相的形狀與大小等因素對半固態(tài)金屬的流變性能都有影響，但固相組分的數(shù)量對流變性能的影響最大。通常用半固態(tài)金屬的表觀粘度作為其流變性的指標(biāo)。通過在一定剪切變形速度及冷卻條件下的攪拌試驗，測定了在不同固體組分下的鋁、銅、鐵半固態(tài)金屬的表觀粘度，見圖1，并采用懸濁液的粘度公式對表觀粘度與固相率的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到如公式（1）所示的半固態(tài)金屬表觀粘度表示式^［1］：

圖1　固相率與表觀粘度間的關(guān)系（曲線為回歸結(jié)果）

（1）

式中：η_a—半固態(tài)金屬表觀粘度，Pa^.s，η_La—金屬液表觀粘度（Pa^.s），ρ_m—合金密度（kg^.m^-3），C—凝固速度，s^-1，—剪切變形速度，s^-1，f_s—固相率。
　　由于半固態(tài)金屬漿料中的固相率主要由半固態(tài)金屬的溫度來決定，因此在實際應(yīng)用中溫度的控制非常重要。使半固態(tài)金屬發(fā)生變形時的剪切應(yīng)變率對表觀粘度也有很大影響。用高溫旋轉(zhuǎn)粘度計對穩(wěn)定狀態(tài)的半固態(tài)A356鋁合金的表觀粘度進(jìn)行了測定，結(jié)果如圖2所示。該表觀穩(wěn)定態(tài)粘度可以用公式（2）的形式來表示^［2］：

圖2　A356鋁合金漿料穩(wěn)態(tài)表觀粘度與剪切率的關(guān)系

（2）

式中：η—表觀粘度，—剪切率，C—稠度，m—為指數(shù)，其數(shù)值為-1.2至-1.3。
　　上述情況都是在攪拌試驗進(jìn)行幾十分鐘，粘度不再變化，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時得出的結(jié)果。對于連續(xù)冷卻狀態(tài)，則表觀粘度較穩(wěn)定態(tài)的稍高。在實際成型加工中，半固態(tài)金屬充填型腔的時間只持續(xù)幾秒鐘，在這一瞬間由于液體相的粘度，固體顆粒的數(shù)量、大小、形貌均在變化，情況變得十分復(fù)雜。文獻(xiàn)［3］通過對錫-15% 鉛所作的試驗后指出，在給定的結(jié)構(gòu)下，半固態(tài)漿料的瞬時結(jié)構(gòu)特性為隨著剪切率的增加表觀粘度有所增加。
　　將攪拌的半固態(tài)金屬漿料凝固后再重新加熱至半固態(tài)，由于半固態(tài)金屬的觸變性，當(dāng)切變速率很小或等于零時，半固態(tài)金屬的粘度很高，可以象固體一樣夾持及搬運，而當(dāng)其受到較高剪切應(yīng)力，產(chǎn)生較大切變速率時，粘度迅速降低，變得與流體一樣很容易成形。和其它具有觸變性能的材料一樣，半固態(tài)金屬漿料也具有滯后回線現(xiàn)象，如圖3所示。對于初晶為樹枝狀的半固態(tài)合金，當(dāng)固相率達(dá)到0.3左右就無法流動，而初晶形狀為近乎圓形的半固態(tài)合金，即使固相率超過0.5，也還有流動性，這說明凝固時晶粒形態(tài)對流變性有重大影響。制造半固態(tài)金屬漿料時，攪拌速度、冷卻速度及固相組分對非樹枝狀結(jié)構(gòu)的生成具有如圖4所示的影響^［4］。

圖3　半固態(tài)金屬剪切應(yīng)力與粘度的觸變現(xiàn)象

圖4　非樹枝晶結(jié)構(gòu)生成機(jī)理示意圖 2　半固態(tài)金屬的制備　　生產(chǎn)中常用機(jī)械或電磁攪拌的方法來制備金屬漿料，用這兩種方法可以得到固體組分的顆粒大小在50～100μm范圍內(nèi)的漿料。圖5為采用機(jī)械攪拌方式連續(xù)生產(chǎn)金屬漿料的裝置［5］。對于鋁、銅合金和鑄鐵，該法可實現(xiàn)固相率為0.5的漿料的連續(xù)生產(chǎn)。機(jī)械攪拌也可采用剪切冷卻輥方式［6］。電磁攪拌法與機(jī)械攪拌相比，減少了攪拌器對漿料的污染，但在制備高固相率的漿料時，攪拌速度會急劇降低，表觀粘度迅速增加，使?jié){料的排出發(fā)生困難。圖6為一種采用半固態(tài)金屬制造鋁基復(fù)合材料的電磁攪拌裝置［7］。該裝置中的4對磁極以0～3000r/min的速度回轉(zhuǎn)。為了使?jié){料產(chǎn)生三維運動，磁鐵與旋轉(zhuǎn)中心軸之間有 10°的偏轉(zhuǎn)角，呈螺旋形放置。采用該裝置已制造出A356鋁合金為基體，加入平均顆粒尺寸為29μm 的20vol%SiC顆粒的復(fù)合材料錠。圖5　機(jī)械攪拌式半固態(tài)金屬制造裝置

圖6　制造鋁基復(fù)合材料用電磁攪拌裝置

　　日本發(fā)明了一種制備觸變成型用坯料的方法，在含Si量為4%～6%的鋁合金中添加0.001%～0.01%的B及0.005%～0.30%的Ti，合金液的過熱度不超過液相線以上30℃，再以1.0℃/s以上的冷卻速度在凝固區(qū)間冷卻，可得到200μm以下細(xì)小等軸晶的鑄坯^［8］。還可以采用應(yīng)變誘發(fā)熔體活化等方法來制備半固態(tài)金屬成形用的原材料。

3　半固態(tài)金屬的成形與應(yīng)用
　　對于各種合金只要有固、液相同時存在的凝固區(qū)間，都可以進(jìn)行半固態(tài)金屬成形加工。已經(jīng)對鋁、鎂、鋅、銅合金及鋼、鑄鐵、鎳基超耐熱合金、復(fù)合材料進(jìn)行過許多試驗研究。目前應(yīng)用的合金還是直接取自現(xiàn)有的鑄造或鍛造合金系列，例如鋁合金為3XXX系列鋁硅鑄造合金及2XXX、7XXX系列鍛造合金。應(yīng)用得最多的為A356合金，其凝固區(qū)間約為60℃。鎂合金則主要為AZ91D。至今專門應(yīng)用于半固態(tài)成形的合金的研究工作還做得不多。在美國和西歐鋁、鎂合金的半固態(tài)成形主要用于汽車零件的生產(chǎn)。日本則對黑色金屬的半固態(tài)成形作過較多的研究。
3.1　壓鑄
　　目前生產(chǎn)中主要采用觸變成型壓鑄鋁合金鑄件，如圖7所示。在西歐比較有代表性的公司是瑞士和德國的Alusisse/Alusingen，意大利的 Stampal及法國的Pechiney。在德國Singer的Alusingen工廠裝備了9800kN的壓鑄機(jī)及同時能加熱12個坯料的加熱工段，該生產(chǎn)線于1996年投產(chǎn)，主要生產(chǎn)汽車零件^［9］。由半固態(tài)金屬壓鑄件上切取的試樣的機(jī)械性能如表1所示^［10］。Stampal公司除用該法大量生產(chǎn)汽車零件外，還生產(chǎn)航空和航天用構(gòu)件，其典型產(chǎn)品為福特Zeta發(fā)動機(jī)的燃油分配器。美國賓夕法尼亞洲Johnstown的Concurrent Technologies Corp.（CTC）起著國防部的金屬加工制造技術(shù)國家中心（NCEMT）的作用。該公司用觸變壓鑄成形法生產(chǎn)的A356鋁合金鑄件的機(jī)械性能為σ_b=315MPa,σ_s=266MPa,δ=12%^［9］。正在進(jìn)行的一項具有挑戰(zhàn)性的新研究項目為生產(chǎn)用于LPD-17兩棲攻擊艦的鈦液壓操縱閥。目前用半固態(tài)金屬壓鑄法生產(chǎn)的最大構(gòu)件質(zhì)量達(dá)6.7kg，系牌號為“歐洲人”汽車的后部懸掛構(gòu)件，并已于1995年投產(chǎn)。用該法壓鑄的汽車構(gòu)件還有主制動器缸體、齒輪齒條傳動的操縱殼體、轉(zhuǎn)向橫拉桿頭、噴油軌、托架等。觸變壓鑄成形也可在立式壓鑄機(jī)上進(jìn)行，日本已在這方面取得了專利^［11］。

圖7　半固態(tài)金屬壓鑄流程圖

表1　半固態(tài)金屬壓鑄件上切取試樣的機(jī)械性能

　　日本レオツク（株）采用流變成形法對半固態(tài)AC4C合金（Al-7%Si-0.3%Mg）進(jìn)行了連桿的壓鑄，此時將經(jīng)機(jī)械攪拌的金屬漿料放入耐火材料制造的容器中直接供給立式壓鑄機(jī)。所得連桿的尺寸精度與密度均優(yōu)于金屬液壓鑄的^［5］。由于半固態(tài)金屬壓鑄可以明顯降低鑄型溫度，為黑色固態(tài)金屬的壓鑄創(chuàng)造了有利條件。試驗表明，鑄鐵可以采用流變或觸變鑄造的方式進(jìn)行壓鑄。將鑄鐵在 1637K熔化后以500r/min的速度攪拌至1408K（低于液相線溫度65K）制成半固態(tài)漿料，在2450kN的立式壓鑄機(jī)上可成功地壓鑄成100 ×150×6（mm）的板狀件。觸變壓鑄成形時，將鑄鐵坯料放在臥式壓鑄機(jī)的壓室部位，高頻加熱至固相率為0.2的半固態(tài)，壓鑄成壁厚為3mm的鑄件，其機(jī)械性能如表2所示^［12］。日本還發(fā)明了有關(guān)的專利^［13］。除上述方法以外，還可將不同金屬粉末混合壓實后加熱至半固態(tài)壓鑄零件^［14］。

表2　　鑄鐵壓鑄件的機(jī)械性能

狀　態(tài)	σb/MPa	δ/%
原材料（片狀石墨鑄鐵）	245	0
半固態(tài)壓鑄件	358	2.9
	397	3.8
	405	2.9

3.2　鍛造
　　半固態(tài)金屬鍛造與半固態(tài)金屬觸變壓鑄實質(zhì)上并無明顯差別，其主要不同之處在于半固態(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，如圖8所示^［6］，這使得一些傳統(tǒng)鍛造無法成形的形狀復(fù)雜構(gòu)件可以用半固態(tài)金屬鍛造方法來生產(chǎn)。在半固態(tài)金屬鍛造領(lǐng)域中占領(lǐng)先地位的是美國Alumax公司的子公司Alumax Engineered Metal Processes（AEMP）^［9］。位于田納西州Jackson的工廠耗資7500萬美元，利用該公司擁有的半固態(tài)金屬鍛造專利技術(shù)，每年能生產(chǎn)2.25萬噸高質(zhì)量的汽車零件。該公司最近在阿肯色州的Bentonville又建造了一個生產(chǎn)汽車零件的工廠，該廠裝備有二條完整的半固態(tài)金屬鍛件生產(chǎn)線。其生產(chǎn)流程為將鋁合金液冷卻至半固態(tài)，用電磁攪拌裝置攪拌后在水平連鑄機(jī)上鑄成坯料，其晶粒直徑約為30μm。切斷的坯料感應(yīng)加熱至半固態(tài)（固相率約為0.5），在立式壓力機(jī)上鍛造。鍛造速度每秒幾百mm到一千多mm，模壓從幾MPa到十多MPa，甚至更高。材料的加熱、運送、夾持和鍛造均實現(xiàn)了自動化。Alumax生產(chǎn)的第一個半固態(tài)鍛件為福特汽車空調(diào)壓縮機(jī)前、后外殼?？巳R斯勒公司214匹馬力3.5L24氣門V-6發(fā)動機(jī)上也首次使用Alumax的半固態(tài)鍛造鋁合金搖臂軸支座。由于減少了機(jī)械加工，357鋁合金半固態(tài)鍛件支座的單價較球鐵的還低13美分。代替球鐵的另一個零件是皮帶輪樞軸托架，其重量由球鐵的0.31kg減為 0.16kg。采用半固態(tài)鍛造后襯套與皮帶輪安裝螺柱可以整體地成型在樞軸托架中，與球鐵件相比，每個半固態(tài)鍛造的鋁件可節(jié)約費用2.15美元^［15］。

圖8　固相率對壓縮變形抗力變化的影響

3.3　壓射成形
　　1988年美國DOW　Chemical　Co發(fā)明了一種新的半固態(tài)金屬成形法，該法將普通壓鑄與注塑成形這兩種工藝結(jié)合在一起，取消了通常的熔化設(shè)備，是一種一步成形的半固態(tài)鎂合金加工方法，并取得了專利。1990年后在密執(zhí)安的Ann Arbor成立了獨立的Thixomat,Inc.從事該項技術(shù)的商業(yè)性經(jīng)營。第二代設(shè)備于1991年10月投入使用。由HPM公司制造的3920kN半固態(tài)觸變成形壓射設(shè)備主要由兩部份組成，其模具的鎖型機(jī)構(gòu)與普通壓鑄機(jī)的相同，而壓射機(jī)構(gòu)則采用帶電熱裝置的螺旋式壓射機(jī)構(gòu)，其原理如圖9所示^［16］。顆粒狀的AZ91D鎂合金通過加料器加入到多段控溫的圓筒中，為防止氧化從加料器處通入氬氣，圓筒內(nèi)裝有可前后運動及旋轉(zhuǎn)的螺旋攪拌器。圓筒用感應(yīng)與電阻兩種方式加熱。轉(zhuǎn)動的螺旋將加熱至半固態(tài)的原材料向前輸送，材料在混合的同時受剪切力的作用，當(dāng)一定數(shù)量的半固態(tài)鎂合金進(jìn)入螺旋前方的儲存室后，螺旋即以預(yù)定的速度向前運動，將金屬漿料壓射入模腔，壓射完成后，螺旋向后回復(fù)到原位。該設(shè)備的生產(chǎn)率為123kg/h，可以生產(chǎn)的最大零件的質(zhì)量為1.5kg。對于AZ91D鎂合金壓射溫度為580℃，較普通壓鑄低70～80℃，此時金屬漿料的固相率為0.3。設(shè)備從室溫啟動到達(dá)到工作溫度約需90min。螺旋壓射時的速度為250～380cm/s，半固態(tài)金屬所受的壓強(qiáng)為31～55MPa。設(shè)備由計算機(jī)控制，運行1h的平均能耗約為29kW。該法生產(chǎn)的零件尺寸精確，性能也較壓鑄的更為優(yōu)越，見表3。而鎂合金零件的價格則較熱室壓鑄機(jī)生產(chǎn)的低10%^［17］。利用該技術(shù)已生產(chǎn)了50萬個以上的調(diào)整器變速箱殼體，生產(chǎn)的零件還有工業(yè)電子顯示器框架、鉸接件、電子儀器殼體等。利用該項技術(shù)已有40多種零件通過了原型試驗，遍及汽車、電子及消費品各個領(lǐng)域。

圖9　鎂合金壓射觸變成型設(shè)備示意圖

表3　鎂合金半固態(tài)壓射與壓鑄時的性能比較

方法	合金	σs/MPa	σb/MPa	δ/%	方法	零件	氣孔率/%	方法	零件	氣孔率/%
壓鑄	AZ91	158	209	3.3	壓鑄	試棒	3.2	壓鑄	變速箱殼體	3.4
半固態(tài)壓射	AZ91	161	210	3.9	半固態(tài)壓射	試棒	1.7	半固態(tài)壓射	變速箱殼體	1.4