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    半固態加工技術被稱為為21世紀most有前途的材料成形加工方法


        20世紀70年代美國麻省理工學院的Flemings教授等人開發出了一種嶄新的金屬成形方法,稱為半固態加工技術[1]。在Flemings的一篇論文中報道,金屬材料在凝固過程中加強烈的攪拌,可以打碎金屬凝固形成的枝晶網絡結構,形成近球狀的組織,得到一種液態金屬母液中均勻懸浮著一定顆粒狀固相組分的固-液(固相組分一般為50%)混合漿料,此時的半固態金屬具有優良的流變性和觸變性[2,3]。因而,易于用常規加工技術如壓鑄、擠壓、模鍛等實現成形。采用這種既非液態又非完全固態的金屬漿料加工成形的方法,稱為金屬的半固態成形技術?梢,半固態加工是利用金屬從液態向固態轉變或從固態向液態轉變(即液固共存)過程種所具有的特性進行成形的方法。這一新的成形方法綜合了凝固加工和塑性加工的長處,即加工溫度比液態低,變形抗力比固態小,可一次大變形量加工成形形狀復雜且精度和性能質量要求較高的零件,所以半固態加工技術被稱為為21世紀most有前途的材料成形加工方法。 

    1.半固態金屬的形成機理 

          金屬熔液開始結晶時,伴隨著強烈的攪拌,晶核快速形成并長大。隨著溫度的下降,雖然晶粒仍然是以枝晶生長方式生長,但由于攪拌的作用,造成晶粒之間互相磨損、剪切以及液體對晶粒劇烈沖刷,這樣,枝晶臂被打斷,形成了更多的細小晶粒,其自身結構也逐漸相薔薇形演化。隨著溫度的繼續下降,most終使得這種薔薇形結構演化成更簡單的球形結構,演化過程如圖1所示[4]。 


    圖1 球狀顆粒的演變過程

         關于半固態金屬非枝晶球化機制,目前還沒有定論。Flemings等人認為,初始球狀顆粒的形成與以下枝晶斷裂機制有關[2,5]: 

    (1)枝晶臂根部斷裂機制。由于切變力的作用,枝晶臂在根部斷裂。most初形成的枝晶是無位錯和切口的理想晶體,施加強力攪拌產生的剪切力使得枝晶臂在根部斷裂。 

    (2)枝晶根部熔斷機制。晶體在表面積減小的正常長大過程中,由于液體流動加速液體中的擴散,引起熱振動和在根部產生有助于熔化的應力,有利于熔斷。同時在根部固體中較高質量分數的溶質也將降低熔點,促進了此機理的作用。 

    (3)枝晶彎曲機制。此機制認為,枝晶臂在流動應力下發生彎曲,產生位錯導致發生塑性變形。在固相線以上溫度,位錯間發生攀移并相互結合形成晶界,當相鄰晶粒的取向差超過20°,晶粒晶界能超過固-液界面能的兩倍時,液體將潤濕晶界并沿著晶界迅速滲透,使枝晶臂與主干分離開。 
           需要說明的是,在凝固開始時,對液體進行強烈攪拌,從較大的樹枝晶脫離下來的并不是球狀的枝晶臂,每一個枝晶臂繼續長大。但是,隨著凝固過程中切變的繼續和時間的增加,由于長大及與其他晶粒發生剪切、磨損作用,枝狀晶變成薔薇狀,并在進一步冷卻過程中晶粒的薔薇化繼續加深,直至足夠的過冷和高的剪切速度下,顆粒變成球狀。隨著切變速度、凝固量的增加和冷卻速度的降低,晶粒由枝晶形狀轉變成球形的趨勢增加。 
    2.半固態金屬的制備方法 
        制備方法的改進和發展,主要是金屬液在凝固過程中提供攪拌力的方式的改進和發展。上世紀70年代以來,國內外研究人員對鋁合金、鎂合金、銅合金等的半固態加工方法進行了較為充分的研究,相繼開發出了多種各有特色的半固態制備方法[2,6~11]。 
    2.1 機械攪拌法 
         此法是most早使用的方法,由美國麻省理工學院Flemings等人在70年代初期開發的。其工作原理為:在攪拌室內的金屬液凝固過程中,利用攪拌棒進行強烈的攪拌,充分打碎已經凝固的樹枝狀晶體,進而形成顆粒狀固相均勻分布在液相中的非枝晶半固態漿料。該方法的裝置結構復雜、造價較高、產量不大,所以此法只適用于實驗室研究中。 
    2.2電磁攪拌法 
          電磁攪拌法是利用交流電磁感應力使攪拌室內正在凝固的金屬產生劇烈的流動,不斷導致凝固析出的枝晶充分破碎并球化,從而形成顆粒狀固相均勻分布在液相中的非枝晶半固態漿料。該方法不易卷入氣體、不污染金屬液,金屬漿料純凈,可連續生產半固態漿料,產量可以很大,是目前生產鋁合金漿料的主要方法之一。 
    2.3 應變激活法 
         變激活法是預先連續鑄造出晶粒細小的金屬錠,再將金屬錠擠壓變形,而且變形量要足夠大,most后按需要將變形的金屬錠切成一定大小,再加熱到固液區,在加熱過程中發生回復和再結晶,使晶粒細化,進而部分晶界熔化,得到固液兩相共存的半固態金屬漿料。該方法生產的金屬鑄錠純凈,產量大,但由于增加了預變形工序,使生產成本提高。同時該法只能用于生產小零件,應用范圍有限。 
    2.4 電磁機械復合攪拌法 
        作者所在課題組新近開發了電磁機械復合攪拌技術,其攪拌裝置如圖2所示。圖中的特制攪拌器是我們設計的電磁攪拌時改變半固態漿料在攪拌室內流動的裝置,它可以在攪拌室內沿垂直方向進行上下移動,這樣可以使整個攪拌室的半固態漿料進行大范圍流動,特制機械攪拌器的上下移動是由電機控制的。電磁攪拌是由三對相對放置的N極和S極對半固態漿料產生的周向電磁力來實現的。石墨坩堝上的冷卻孔和加熱孔是用于放置冷卻管和加熱管的,這些器件作用是為了精確控制半固態漿料的溫度,以便得到固相率穩定的半固態漿料。在整個攪拌過程中實施氬氣保護,以免半固態漿料發生氧化,影響半固態漿料的質量。


    圖2 電磁機械復合攪拌裝置

         這種改造后的電磁攪拌技術明顯優于傳統的電磁攪拌技術,它一方面能夠有效的避免合金成分在攪拌時偏析,另一方面還能夠確保初生固相顆粒均勻分布。該方法在制備半固態復合材料漿料方面具有明顯的優勢和應用前景。 

    3.5 其他方法 

          除了上述方法外,還有許多制備方法處于研究或開發階段。如單輥旋轉法、粉末冶金法、化學晶粒細化法、液相線凝固法、斜坡冷卻法、剪切-冷卻-軋制法、脈沖法、超聲波處理法等。這些方法目前還尚未投入工業生產[12~13]。 

    3.半固態金屬的成形工藝 

         半固態金屬的基本成形工藝分為流變成形(Rheoforming)和觸變成形(Thixoforming)兩種,工藝過程如圖3所示[13]。經加熱熔煉的合金原料液體通過機械攪拌、電磁攪拌或其他復合攪拌,在結晶凝固過程中形成半固態漿料,接著的工藝分為兩種:一種是將半固態漿料直接壓入模具腔進而壓鑄成形或對半固態漿料進行直接軋制、擠壓等加工方式成形,即流變成形;另一種是將半固態漿料制成錠坯,經過重新加熱至半固態溫度,形成半固態漿料再進行成形加工,此即觸變成形。 
         半固態金屬成形工藝生產出的制品與普通加工方法相比質量更好,這是由于觸變材料比液態金屬的粘度更大,成形溫度更低。以壓鑄為例,半固態金屬是以“較粘的固態前端”充填鑄型[14],而與之相比的金屬液則呈“飛濺浪花狀”充型,這就更容易卷入氣體和夾雜從而產生缺陷;由于半固態金屬凝固收縮比全液態金屬明顯減少,使零件完整性得以改善,尺寸近凈形化。表1給出了鋁合金半固態成形件和普通成形件的性能比較[15],可以看出,半固態成形件具有非常明顯的性能優勢。


    圖3 半固態金屬成形工藝流程圖

    表1 A356和A357成形件的力學性能比較 


    4.半固態金屬的研究應用現狀及在我國的發展動向 
    4.1 國外研究應用現狀 
            20世紀80年代以來,半固態加工技術已經得到各國科技工作者的普遍承認,目前已經針對這種加工技術開展了許多工藝實驗和理論研究,取得了很多的成果。 
           半固態發源于美國,因此在美國這一技術已經基本成熟,處于全球領先地位。Alumax公司率先將此技術轉化成生產力,1978年,它使用MHD技術生產出供觸變成形用的圓錠。1994年和1996年,Alumax 公司分別建成了兩座半固態鋁合金成形汽車零件的生產工廠;生產的半固態模鍛鋁合金汽車制動總泵體,由于毛坯尺寸接近零件尺寸,機加工量只占鑄件質量的13%,同樣的金屬型鑄件的加工量則占鑄件質量的40%。另外,半固態成形的汽車制動泵體質量比金屬型鑄造的質量輕13%;到1997年,上述兩廠的半固態鋁合金成形的生產能力分別達到5000萬件。該公司共擁有相關專利60多項;Thixoma 公司則使用半固態注射成形專利生產鎂合金零件。ITT公司用半固態加工技術進行黃銅電接插件的生產。目前,Alumax 鋁業公司的Mt Holly鋁廠和Intalco鋁廠已經生產出直徑76.2mm和152.4mm的MHD錠。HMM公司為通用生產汽車零件(A356-T6),日產5000件,并計劃將產量提高4倍。另外,EPCO Division,HPM Corporation,Italpresse of America,Prince Machine Corporation等公司已經能夠生產半固態鋁合金觸變成形的專用設備,并通過對壓鑄過程進行動態監控,改善了壓鑄件,降低了廢品率,節約了能源[16~20]。 
          在歐洲,從20世紀80年代以來,意大利、英國、瑞典、德國等國家在半固態應用方面做了大量的研究和應用工作。意大利是半固態加工技術應用most早的國家之一,Stampal-Saa公司使用此技術為Ford汽車公司生產齒輪箱蓋和搖臂的國內零件。MM(Magneti Marelli)公司為汽車工業生產半固態鋁合金成形的Fuelinjection Rail 零件,在2000年日產達到7500件。Weber公司從1993年開始用半固態技術為Nuova Lanacia Delta公司生產油料注射擋。瑞士的Bubler公司已經生產出鋁合金觸變成形的專用SC型壓鑄機和鋁合金半固態坯料的專用二次加熱設備。同時,德國的EFU、法國的Pechiney S A、瑞士的Alusuisse-Lonza、意大利的Fiat等國際知名公司也已經采用了半固態加工技術[21~24]。 
           日本于80年代后期,由基礎技術研究促進中心和鋼鐵、有色及重工業等17家公司組建了首家Rheotech公司[25]。隨后,該公司對半固態加工技術進行了系統的研究,同時加強與歐美著名大學和公司之間的交流。在1988年3月至1994年6月期間共投資了30億日元進行研究,其下一步將轉向工業應用,開發半固態金屬成形件,而汽車零件將是他們的首選目標之一[26]。目前,日本的Speed Star Wheel 公司已經利用半固態金屬成形技術生產鋁合金輪轂(重約5kg)[27]。 
    4.2 國內研究應用現狀 
           半固態金屬加工技術在我國起步較晚,始于20世紀70年代后期。先后有不少科研院所開展了這方面的研究,但他們主要都是利用機械攪拌法進行流變鑄造和觸變鑄造研究。中科院金屬所是most早進行半固態加工技術研究的單位之一[28],較早的進行了“鋁合金半固態鑄造”等的研究,自行研制了“半固態漿料的制備設備”等。20世紀80年代后期,大多數學者開始從事半固態復合材料和應用于汽車工業小零件的研究。東北大學采用液相線鑄造法以變形鋁合金2618和7075為例,對半固態成形性、熱處理制度及成品機械性能做了系統的研究,并正在推廣工業應用[29]。近年來,在國家重大基金項目的支持下,科研工作者對半固態加工的關鍵技術做了突破性的研究。北京有色金屬研究總院在國家“863”的支持下,對鋁合金的半固態加工技術進行了研究,自行設計了一條半固態材料制備試驗線,設計能力100t/a,于1998年10月實現了鋁合金半固態連續流變鑄造[30]。北京科技大學和中科院金屬所在國家自然科學基金的支持下,對鋼鐵材料半固態直接成形進行了基礎性研究,在鑄鐵、彈簧鋼、不銹鋼和高碳鋼等高熔點合金材料的半固態加工技術方面取得了長足的進展和階段性的成果[31~33]。 
           目前,應用半固態加工技術制備金屬基復合材料已經是一個新的研究熱點。利用半固態金屬的粘度大且可調的原理,可以克服大部分增強材料和金屬液之間潤濕性不好而難以復合的難點,依靠半固態金屬阻止增強材料因比重差而上浮,得到增強材料在母液中均勻分布的金屬基復合材料。 武漢理工大學和哈爾濱工業大學分別進行了鋁合金的Al2O3顆粒增強和短碳纖維增強的半固態加工研究。獲得了比液態鑄造復合材料性能更優異的增強鋁基復合材料[34~35]。  
          作者所在課題組長期以來都在從事金屬基復合材料的半固態復合研究。利用自行設計的半固態電磁機械復合攪拌設備,在半固態鋼鋁復合、鋼-Al半固態浸鍍軋制等領域取得了豐碩的研究成果。目前在國家自然科學基金和教育部重點基金的支助下,該課題組在張鵬教授的帶領下正在進行銅石墨自潤滑復合材料的半固態復合研究。該方法突破了銅石墨復合材料制備的傳統的粉末冶金方法的局限,并能很好的解決石墨顆粒在銅液中的上浮現象,得到了石墨顆粒均勻分布的銅石墨自潤滑復合材料,如圖4所示。和傳統粉末冶金方法相比,不僅制備工藝簡單,節約了成本,而且性能也得到了提高。


    圖4 40%固相率銅-石墨注錠試樣

    4.3 半固態金屬加工技術在我國的發展動向 

          和國外相比,我國在半固態金屬成形技術領域的研究還很落后。為了國民經濟的發展,特別是我國汽車工業的發展,提高我國汽車工業的水平和在國際市場上的競爭能力,需要采用各種新工藝和新材料來裝備我國的汽車工業,而推動半固態金屬成形技術在汽車工業中的應用是目前的關鍵[3]。就我國目前的研究現狀來看,半固態金屬成形技術的發展動向如下: 

    (1)半固態金屬觸變成形技術已經基本成熟,而流變成形技術的發展較為緩慢,沒有太多的突破性技術進展。因此,更多的研究人員會轉向金屬的半固態流變成形理論和應用方面的研究,以降低半固態產品成本,節約能源。同時也會注重已經成熟的觸變成形技術在工業中的應用,推動我國汽車工業的發展。 

    (2)目前半固態金屬成形技術主要應用于鋁、鎂、鉛等低熔點金屬的成形,而對高熔點黑色金屬的應用較少,理論欠成熟。由于黑色金屬在工農業中應用廣泛,有著其他材料不可代替的重要作用。因此,在以后的發展中黑色金屬半固態成形的理論研究和工業應用將是一個重點研究領域。 

    (3)目前,國內外學者已經開發出了半固態成形過程數值模擬軟件,但還存在很多不足,比如沒有考慮合金的觸變性能等,應用范圍受到很大的限制。因此,加大計算機技術在半固態金屬成形工藝中的應用,充分利用計算機技術,對流變成形和觸變成形過程進行計算機模擬,促進半固態金屬成形的理論研究將是另一熱點。 

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