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1、1. 引言我国的铸造业有着悠久的历史,随着铸造技术的开展以及对铸造品品质的更 高要求, 传统的铸造方式表现出了在环保和轻量化等方面的缺乏, 这就要求我们 采取更为先进的铸造技术。为满足新的铸造要求, 半固态铸造应运而生, 并且因 为其表现出来的更为高效、更加节能以及更高品质等特性, 得到了广泛的认可和 关注。1.1半固态加工的定义自从20世纪70年代初，美国麻省理工学院MC Flemings教授及其领导的科 研小组发现半固态金属的触变性能以来，现已成功地应用于多种有色金属及黑色 金属。半固态加工指在金属凝固过程中，把金属保持在固液两相温度区间内，进展剧 烈搅拌，将凝固过程中形成的枝晶打碎，然后
2、直接进展流变铸造或先制备半固态 铸造，后进展局部重熔和触变成形。这样得到的产品具有一次相为球形颗粒的组 织。1980年，DOW 化学公司首创了镁合金半固态成形工艺，激发了该技术的研 究热潮。其根本原理是利用非枝晶半固态金属Semi-Solid Metals，SSM独有的 流变性和搅熔性控制铸件的质量，典型的枝晶组织和非枝晶组织，如图 1 1所 示。图 1 典型的枝晶组织与非枝晶组织1.2 半固态加工工艺半固态加工工艺分两种：流变铸造和触变成形。流变铸造Rheocasting是麻省理工学院的研究人员于1972年提出的一种制 备方法，它是将液态金属一边搅拌一边冷却至固液两相共存区，而后将此半固态
3、黏奖浆直接传送至冷室压铸机铸造成工件，亦称搅动铸造Stir Casting，如图2 所示。由于半固态金属浆液的保存和输送不方便，该成形方法实际投入应用的较 少。触变铸造Thixocasting，它是将经搅拌等工艺获得的具有非枝晶组织的半 固态坯料冷却凝固后，制成所需要的尺寸，重新加热到半固态温度，然后进展压 铸或挤压成形，如图2卩所示。由于半固态金属坯料的加热、输送很方便，并且 成形过程容易控制，便于实现自动化，因此触变铸造是当今半固态铸造的主要工艺方式。非枝晶半固 态原料制备压射室流变铸造非枝晶霰A定量切割锭料二次加超/压铸成形/压射室图2流变铸造和触变铸造工艺示意图1.3半固态坯料的制备方
4、法半固态加工技术其核心工艺为制备半固态坯料。开展到现在，坯料的制备已 有多种方法：机械搅拌法2，电磁搅拌法3,4，应变诱发熔化激活法5，喷射成形 法6，紊流效应法阳，液相线铸造发8等。其中电磁搅拌法在国外已应用于工业化 生产。1机械搅拌法应用较早，其设备构造简单，可以通过控制搅拌温度、搅 拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝晶破碎而成为类球形。随着搅拌程度 由弱至强，晶粒依次表现为枝晶状、菊花状以及圆球状9。研究说明10,三种铸 造显微组织的力学性能是从低变到高的，因此人们总是希望得到较为圆整的晶粒 组织。2电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液里产生感应电流，金属液受洛 伦磁力的作用产生运动，
5、从而到达对金属液搅拌的目的。目前，主要有两种方法 产生旋转磁场：一种是在感应线圈内通交变电流的传统方法；另一种是1993年 由法国的Vives推出的旋转永磁体法，内部可产生高的磁场强度，通过改变永磁 体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了搅拌效果，减少了搅拌 时的气体卷入。3应变诱发熔化激活法是将原合金进展足够冷变形，然后加热到半固态。 在加热过程，先发生再结晶，然后局部熔化，使初生相转变成颗粒形成半固态合 金。该方法由于增加了预变形工序，增加了生产本钱，仅适合于小直径坯的生产。4喷射成形法是在金属熔化成液态金属后，雾化为熔滴颗粒，受喷射气 体作用，使得局部凝固的微滴直接沉积在收集
6、板外表。当每个熔滴的冲击能够产 生足够的剪切力打碎熔滴内部形成的枝晶时，凝固后便成为颗粒状组织，经加热 到局部熔化时，也可得到具有球形颗粒固相的半固态合金。5紊流效应法是指在金属液通过特制的多流装置时，使金属液的流动产 生紊流效应，打碎形成的枝晶，从而获得具有流变特性的半固态合金。6液相线铸造法是在低于合金液相线温度保温形核后，进展铸造，获得 具有均一细小非枝晶组织的半固态合金方法。根据文献11建立的模型，即晶粒首 先呈稳态球形生长，直到球形半径大于最小稳定半径，然后呈枝晶长大，可把液 相线铸造晶核的长大过程分为三个阶段，球形长大、枝晶长大、枝晶抵触后的枝 晶的熟化，如图3所示。晶粒在互相抵触
7、之前是完全呈球形长大，还是先以球形 长大，然后以枝晶长大，取决于形核数目和冷却强度。X建忠等人2,12,13开发了 液相线铸造法制浆新工艺，并对356、2618及7075等铝合金进展了系统研究， 结果说明，在凝固初期，小的冷却强度有利于球形晶粒的形成。在凝固后期，大 的冷却强度那么有利于保存获得的球形晶粒组织。图3晶粒长大形成过程示意图1.4 半固态加工的特点与传统加热的液态金属或固态金属成形相比，半固态铸造技术呈现出一系列 的优点：1半固态金属浆体含有一半左右的初生相，粘度可以调整。而且可以 进展机械搬运，便于自动化操作。受压力作用时，半固态金属浆体的粘度迅速降 低，便于成形。2成形速度高。
8、3成形时，半固态金属不易喷溅，改善了充 型过程，减轻了金属的裹气和氧化，提高了成形件的致密性，成形件可以进展热 处理强化，其强度比液态金属的压铸件更高。4金属浆体在充型前已析出一半 左右的固相，减少了凝固收缩，成形件有更少的空洞，能承受更高的液体压力。 5半固态金属浆体不存在宏观偏析，因而成形件也不存在宏观偏析，成形件 的性能更均匀。6利用半固态金属可以进展机械零件的近终化成形，可大幅度 减少零件毛坯的机加工量，显著降低生产本钱。7由于半固态金属充型温度低， 减轻了模具的热冲击，提高了模具的寿命。8加热半固态金属浆体比熔化金属 坯体节约能源2530。9半固态金属成形车间不需要处理液态金属，操
9、作更平安，工作环境更优良。10半固态金属的粘度较高，可以方便地参加增 强相颗粒或纤维，提高金属浆体的性能，提供了一个开发廉价产品的新途径。11半固态金属的成形应力显著降低，因此金属半固态模锻的成形速度比金属 固态模锻成形的速度更高，且可以成形很复杂的零件，缩短加工工序，降低本钱， 而性能与固态金属锻件一样。1.5 半固态铸造技术的应用1.5.1 汽车零件八十年代，铝合金汽车部件主刹车缸等已经开场在欧洲生产使用，主要 是因为传统的铸铁刹车缸已经不能满足汽车轻量化和提高燃料利用率等的性能 要求，故而求助于铝合金。但是，目前铝合金缸体的成形工艺多数采用压铸工艺， 质量欠佳，铸件气密性差，强度不够，工
10、作时容易发生介质油渗漏，导致事故发 生。瑞士的Buhler公司着力于半固态压铸的SC压铸机的研发，并于1993年生 产出了第一台适用于铝合金半固态压铸的 SC 压铸机，与普通压铸机相比，产品 质量提高，工艺周期大幅度缩短14。众多实践生产说明，轿车、轻型车的转向节、 泵体、转向器壳体、阀体、悬挂支架件和轮毂等高强度、高致密度、高可靠性要 求的铸件，采用半固态铸造技术成形可以实现产品的低本钱、高产以及高质量15。 美国Alumax公司于1994年建立的半固态铸造技术生成汽车零件的工厂，每年 可生产2400万个零部件，零件单重从10g到10kg，直径到达500mm。1995年， Thixomat公
11、司的子公司-Lindberg公司利用半固态铸造工艺，为一些汽车公司生 产了 50余万件的半固态镁合金铸件。意大利的Stampal SpA公司利用半固态技 术大批量生产了 Alfa Romeo Spider跑车后悬挂系统的左右横向支承等汽车零件。 德国的EFU公司、法国的Pechiney SA公司等都已具备了大规模生产半固态金属 零件的能力。汽车铸件采用半固态成形工艺，质量明显优于压铸工艺，缸体单件 质量轻，生产效率明显提高，如表1所示。表1主刹车缸零件重量和生产率成形工艺铝合全牌号成形件 重量电缸1$零件 重量/呂切肯厂 力口工量电单副模具 生严率f 牛肝半固态成形357-7545039013
12、15()压铸356-T67604504()24目前，铝、镁合金半固态铸造技术在西方兴旺国家早已进入了工业化阶段， 尤其在镁合金铸造方面的应用。世界镁铸造件总产量的93%用压铸工艺生产。主 要是由于镁合金具有优良的压铸工艺性能。然而，作为室温使用的主要压铸镁合 金AZ91D，虽然具有较高的强度及良好的铸造性能16,但与铝合金相比，其热 裂倾向较大，而半固态铸造技术是一种不断开展的新技术，通过半固态铸造技术， 降低了成形温度和凝固收缩，提高了镁合金强度17, 18，降低了生产本钱，扩大了 它的使用X围。此外，汽车轮毂采用半固态铸造工艺，可以克制低压铸造工艺 存在的废品率高、生产率底的弊端，生产的轮
13、毂强度高，零件重量明显减轻，从 而可以节约能耗。两种工艺生产的零件性能比拟，如表2所示。表2半固态成形与低压铸造生产轮毂的性能比拟咸形毛坯重工件重生产率合金抗拉强屈脏强伸长工乙傀/ (枷1 rfl I牌rj/MPa率半固态咸形7.5120357-T529021410低压铸造11J8-612156-16daiidai J2528由表2可见，半固态成形轮毂比低压铸造轮毂，力学性能大幅度提高，生产 率提高了 9倍。日本Speed Star Wheel公司于1994年开场利用半固态金属成形技 术生产铝合金轮毂。目前，大多数汽车部件采用半固态铸造技术，其成形件，如 图4所示。Q岭向节图4半固态铸造成形件
14、1.5.2电子产品图5电子产品外壳相比于一般常用的金属，镁合金具有较佳的比刚度、比强度、切削性、导热 性以及可回收等诸多优点，此外亦具有防电磁波的特性。应环保及轻量化的趋势， 镁合金工件渐渐广泛应用于3C产品机壳及电子构造件，尤其笔记本电脑、移动 及可携式电子产品的外壳及框架，如图5所示。当采用镁合金制造手机、笔记本 电脑和一些家用电器的外壳时，能显著增强产品的散热能力和抗震能力，并能有 效地减轻对人体和周围环境的电磁辐射危害。但是，传统镁合金压铸件的质量与 产量稳定性较差，瑕疵率较高，后续处理工序复杂，使得制造本钱增加。采用半 固态铸造工艺，成形温度低，产品性能有保障，生产率高，适合工业化生
15、产。目 前，日本利用半固态铸造技术进展生产的厂家主要有：Speed Star Wheels公司、 东京理化工业所、朝日技术公司、MGPrecision公司、高田公司、Panasonic电气 公司等。日本Takata公司利用半固态成形技术和镁合金生产照相机和MD壳， MGPrecision公司利用半固态技术和镁合金生产微机机壳。此外，随着航空、航 天工业的迅猛开展，要求武器装备高性能、高可靠性、轻量化以及机动性强。半 固态铸造技术以其特殊性，逐渐替代了传统铸造工艺，在军用装备的改造方面同 样发挥着重要作用。2. 金属半固态铸造技术的研究现状及开展趋势(1)国外研究现状有色金属及其合金的低熔点材料半固态成形研究：以美国、日本为首的先 进国家针对铝、镁、铅、铜等的合金进展了研究，其重点放在成形工艺的开发上。 目前，国外进入工业应用的半固态金属主要是铝、镁合金，这些合金最成功的应 用主要集中在汽车领域。半固态加工实验方面的研究主要是浆料的制备和半固 态加工材料的成形。理论方面的研究主要是围绕与工艺实现和试样组织、性能 有关方面进展的。高熔点黑色金属的半固态成形研究，目前，高熔点黑色金属半固态加工进展 缓慢，原
