半固态铸造技术的发展状况及前景柴建美（2008000563）（材料学院 成型0801.山西.太原.030024）摘要：半固态铸造成形技术以其高效 、节能、 近净形生产以及成形件高性能等诸多优点，成为21世纪最具发展前景的金属成形工艺，得到了人们的广泛的关注本文中介绍了半固态铸造成形技术的成形工艺、合金应用、坯料制备工艺、合金组织性能状况以及在国内的发展情况和发展前景关键词：半固态铸造成形；近净形； 制浆； 组织性能；发展前景引言 所谓半固态金属成型就是在金属凝固过程中，施与剧烈搅拌等工艺制得一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生相的固液混合浆料，利用这种既非液态又非固态的金属浆料浇注成型的方法近些年，随着工业的不断发展，尤其是汽车、航空、航天、 电子以及兵器工业的发展，对于低成本、轻量化、高性能铸造产品的需求越来越大 采用半固态铸造成形技术所生产的产品由于浇注温度处于固液两相区，使铸件在凝固过程中收缩量减少，铸件尺寸精度提高，成形性好，适于生产复杂件， 并可以达到近净形生产，而且在组上消除了柱状晶和粗大的树枝晶，使铸件组织细密均匀，缺陷和宏观偏析明显减少，此外对型腔热冲击的减小相应提高了压铸型及压射室使用寿命，提高了成品率和产品的性能。
半固态铸造成形技术不但综合了铸造成形和锻压成形的优点，而且部分产品的性能会接近甚至于达到锻压产品的性能，同时拓展了成形合金的范围正是在这种前提下，使得半固态铸造成形技术受到了越来越广泛的关注，不仅在研究领域取得了很大的进展，本文综述了半固态铸造成形技术的成形工艺、合金应用、坯料制造工艺、半固态铸造合金的组织、性能以及国内的研究应用状况及发展前景1 半固态铸造技术的状况1.1 半固态铸造工艺由于半固态金属浆料中的初生晶粒通常以近球状形式存在，从而具有较好的流变性和触变性，因而半固态铸造成形通常采用流变铸造和触变铸造[1]两种工艺在流变铸造过程中，利用经搅拌等工艺获得的近球状晶半固态浆料，在保持其处于固液两相区温度时直接进行浇注成形由于浆料在制备成形过程中没有过热度，从而能够明显降低能耗，缩短合金的凝固时间，提高生产效率，但是半固态浆料的粘度往往与搅拌的剪切速率以及时间有关，因而如何保存和输送半固态浆料，控制其在成形过程中的温度变化以及一定的剪切速率成为流变铸造商业化生产待解决的关键问题触变铸造则是利用所制备的合金坯料， 通过截取适当大小的坯锭，重新加热至固液两相区温度，然后进行铸造成形尽管该工艺需要对合金进行二次加热，相对提高了能耗，由于在加工成形过程中半固态合金坯料便于进行二次加热和输送，同时易于控制成形过程，因而成为当今半固态铸造成形商业化生产的主要工艺形式。
但是从节省能源、短工艺流程和设备简单化角度出发，流变铸造依然会成为未来的半固态铸造成形技术的重要发展方向1.2 半固态铸造合金由于半固态合金浆料的制备需要在固液两相区内进行，因而半固态铸造成形工艺通常适用于具有较宽固液两相区的合金体系，如铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、镍合金以及钢铁类合金等，随着半固态制浆和成形工艺的不断拓展，合金的应用种类以及牌号还将日益扩大 但是合金熔化温度对设备要求的不同，合金成形难易程度的不同以及成形件在质量上存在的差异，使得半固态铸造成形技术的研究与开发长期以来主要集中在较低熔点的合金领域中，其中以铝合金系列牌号的研究开发最为显著，并进入商业化生产阶段，尤其356合金[2]的半固态成形性能较为优异，其产品通过T6热处理后的力学性能可以达到：抗拉强度296 MPa，屈服强度193 MPa，伸长率12%，硬度达到105 HBS，表现出优异的力学性能，明显高于金属型成形件的力学性能，尤其是伸长率提高了1.4倍（金属型成形件在T6热处理后的伸长率为5%）随着材料应用技术的不断创新，高熔点合金应用领域的发展及其不可替代性，和提高铸造产品质量，降低能耗的要求，对于高熔点合金半固态铸造成形技术也逐渐成为研究开发的焦点。
目前研究的合金已涉及铸铁、低合金钢、不锈钢及镍基合金等，尽管高熔点合金的半固态铸造成形技术研究得到了不断加强，但距离商业化生产尚有一段距离1.3 半固态坯料的制备在半固态铸造成形过程中，通常要求用于成形的半固态金属浆料拥有稳定的均匀细小、被近球化的非枝晶组织，从而确保浆料具有良好的流动性和触变性，因而半固态金属浆料的制备是成形过程中的关键环节之一，将会直接影响到成形铸件的质量目前，除了较为常用的机械搅拌和电磁搅拌制浆方法以外，主要还有：应变诱导熔体活化法、液相线铸造法、喷射成形法以及化学晶粒细化法等，其中，应变诱导熔体活化法[3]由于对变形工序的要求较高、加工繁琐、生产成本高、生产率低，使之在工业上主要应用在小规格尺寸的较高熔点合金的非枝晶组织制备上液相线铸造法[3]是将合金熔体冷却至液相线温度附近保温一段时间后进行浇注，获得所需要的半固态组织，在液相线铸造法制浆过程中，合金熔体温度低，几乎无过热，浇注时熔体中会形成大量均匀分布的晶核，有利于细小、均匀、等轴的半固态非枝晶组织形成作为半固态制浆新工艺，液相线铸造法具有工艺简单， 适用合金范围广，生产效率高，尤其对变形铝合金半固态浆料的制备具有极其重要的意义，对流变铸造的应用及发展将起到积极地推动作用。
通过晶粒细化剂或变质剂而得到非枝晶组织的化学晶粒细化法[4]将使半固态制浆工艺更加简化、操作更加简便，并将直接推动半固态流变铸造的商业化生产在化学晶粒细化法中，如何控制细化剂和变质剂的成分、用量及作用时间将成为关键正像细化剂和变质剂在铸铁生产中得到广泛应用一样，化学晶粒细化法将会在半固态铸造生产中发挥巨大的潜力喷射成形法[5]在铝合金、黑色金属以及金属基复合材料方面进行了成功实验，但由于生产成本较高，工艺复杂，只是应用于一些具有特殊要求的产品生产除了以上的半固态制浆方法以外，目前还有采用紊流效应法、粉末冶金法、超声波处理法、等温热处理法、被动搅拌法、压锭压铸工艺法、电磁脉冲法等，由于应用条件及设备等方面的要求，目前依然处于实验室试验阶段，进入商业化生产尚有一段距离，还有待于进一步研究和开发1.4 半固态铸造合金的组织和性能在传统铸造成形过程中，由于冷却条件和溶质的再分配等因素，使合金熔体通常以枝状晶组织形式凝固通常熔体中的固相率达到20% ~ 30%时，流动性就会由于先凝固的固相所形成的网架结构而基本消失在铸态组织中往往会形成粗大的枝状晶组织，并伴生有大量的缺陷，如缩松、缩孔、和微观偏析等，影响到铸造产品的使用性能，在半固态铸造过程中，由于半固态合金浆料的浇注温度控制在固液两相区内，浆料中的固相以近球状的非枝晶组织形式悬浮在液相基体中， 使熔体具有良好的流变性和触变性，当其固相率达到40% ~ 60%[5]时，依然具有良好的流动性，同时在一定强度搅拌的作用下造成的温度和浓度起伏会促进大量晶核的形成，并由于流动产生的固相间的摩擦、剪切和液相的冲刷作用，从而在无过冷条件下使浆料以分布均匀，细小的非枝晶、近球状的显微组织凝固，而显微组织的细化则使合金的机械强度和耐磨性得到大幅度提高，特别是伸长率更加显著。
由于搅拌的作用，强化了溶质元素的流动，加强了晶粒的游离，从而明显降低了偏析，尤其是宏观偏析，在浆料充型过程中，半固态金属的流动属于层流，避免了气体的卷入，且由于浇注温度处于固液两相区，显著降低了铸件内部的气孔含量，使铸件组织致密此外，由于无过热度浇注，合金熔体在凝固前已含有一部分固相，从而减小了合金凝固时的收缩量，相对降低了铸件的内部应力，使半固态铸造产品可以通过热处理工艺进行组织和性能的改善，尤其对于压铸产品具有更重要的意义如7075铝合金[2]在挤压成形和T6 热处理后的抗拉强度为570 MPa ，屈服强度505 MPa，伸长率为11%，但由于其变形性较差，易产生裂纹，使合金的应用受到了限制，而半固态触变成形后，经T6热处理后的性能测试发现，抗拉强度可达到468 MPa，屈服强度400 MPa，伸长率为17%，不仅表现出良好的成形性，而且具有较好的力学性能2 我国半固态技术的发展状况尽管我国对于半固态铸造成形技术的研究起步较晚，但是近些年随着工业的发展，尤其是汽车和航空航天工业的快速发展，推动了我国在这一领域中的研究和开发工作，先后有一些高校和科研院所开展了深入系统的理论研究和应用开发，并取得了可喜的进步，如清大学、北京科技大学、北京有色金属研究总院、东北大学、中国科学院金属研究所、哈尔滨工业大学、华中科技大学、东南大学以及南昌大学等单位均在半固态铸造的制浆和成形相关领域中取得了很大的成果。
此外国家分别以自然科学基金、 863计划和973计划等形式加大了对半固态铸造成形技术研究的支持力度清华大学[6]利用自行开发的金属流变性能测试装置对半固态A356合金在切变速率阶梯变化条件下瞬态流变行为及其初生相形态变化的动力学过程，以及不同熔体变质，细化处理条件下合金流变行为进行了较为深入的研究东南大学[7-8]利用ZL101合金研究了不同凝固和冷却条件对半固态合金显微组织的影响，及半固态等温处理对触变组织的影响北京有色金属研究总院[5,9,10]采用自行研制的铝合金半固态铸锭连续制备实验线对A357、ZL108A、AS9U3 等合金和AZ91D镁合金进行半固态铸锭连续制备系统性研究，并利用普通冷室压铸机配套组成半固态压铸生产实验基地，同时针对空调器涡轮、水泵盖、空压机连杆等进行大量半固态压铸工业生产实验东北大学[11-13]采用自行开发的具有独立知识产权的液相线半连续铸造制浆技术，以半固态成形A356、A2017、 2618、4045、7075、ZL116、 ZL201、ZL108、YZ112铝合金、AZ91、ZK60、AM50镁合金为主，对半固态浆料的制备，二次加热技术，半固态合金成形性，热处理制度及成品力学性能进行了系统的理论性研究和应用性开发工作。
华中科技大学[14]近几年一直开展镁合金半固态成形技术的研究，采用双螺杆机械搅拌方式制备半固态浆料并研究了AZ91D镁合金半固态浆料的流变压铸成形工艺，同时研究开发了一种新型流变压铸工艺-Rheo-diecasting Process目前，尽管我国在半固态铸造成形技术领域内进行了大量的研究和开发工作，并且取得了可喜的成果，但与国外相比仍然存在很大的差距，而且距离进入工业化应用阶段也还有一段距离3 我国半固态技术的发展前景就我国而言，航空、航天业的迅猛发展，使得高性能、高可靠性、轻量化的精密产品显得日渐重要，如何通过半固态铸造成形技术提供相关的产品将会直接推动我国航空、航天工业的飞速发展近些年来随着中国工业的迅速发展，零部件的生产数量越来越大，同时对这些部件的性能要求也越来越高，低成本、低能耗、高性能铸造产品的需求势必会为半固态铸造成形技术的发展提供新的领域和广阔的发展空间因此，应从以下方向研究：（1）进一步探索半固态金属球状组织的形成机制（2）降低半固态金属坯料的制备成本（3）开发和扩大合适半固态成型的合金种类（4）缩短半固态金属成型技术的工艺流程（5）继续开展半固态金属流变性能的研究和建立准确的数学模型（6）提高模具的使用温度，可生产高熔点合金材料参考文献：[1] Yurko J A，Martinez R A，Flemings M C. Development of the Semi-Solid Rheocasting (SSR) Process [A]. Proceedings of the 7th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys andComposites[C]. Japan% Tsuku。