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半固态加工成形技术及其发展现状

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半固态加工成形技术及其发展现状

Semi2SolidMetalProcessingFormingTechnologyandItsCurrentDevelopmentSituation

　　　　　　　　　　　　　　　北京航空制造工程研究所　　张大辉　李志强　胡　泽　盛蔼伦　梁慧凤

北京

科

技

大

学　　钟雪友

　　[摘要]　简述了半固态加工技术的起源和特点,重点介绍了该技术的两个重要环节———半固态合金坯料制备和零件成形工艺,综述了这种加工技术的工业化应用现状和发展前景。

关键词:半固态加工　坏料制备　成形工艺

[ABSTRACT]　Theoriginandcharacteristicsofsemi2solidmetalprocessingtechnology(SSM)areintro2ducedbriefly.AstwoimportantstagesofSSMsemi2sol2idbilletsmakingandpartsformingareemphaticallyde2scribed.Thepresentindustrializationstatusandtheap2plicationinfutureofSSMaresummarized.Keywords:Semi2solidprocessing　Billetmaking　Formingprocess半固态加工(Semi2SolidManufacturing或Semi2SolidMetalprocessing,SSM)起源于美国。20世纪70年代初,麻省理工学院Spencer和Flemings等人[1]发现,凝固过程中的金属材料经强力搅拌,会生成近球状晶或球状晶组织。

在液固两相区内,含有这种组织的材料具有优异的流变性和触变性,成形时流动阻力小,对之实施的加工技术称为半固态加工。

30多年的发展历程中,SSM技术在制坯、重熔加热、零件成形、组织与力学性能、加工环节数值模拟以及合金流变学研究等许多方面取得重大进展。目前,这项技术已广泛应用于汽车工业领域,在航空、航天以及国防工业领域也正处于应用的起步阶段,具有广阔的前景。

喷溅。相对铸造等液态加工技术而言,加工温度较低,对模具的热冲击较小,可成形十分复杂的零件。与锻造和挤压等固态加工技术相比,变形抗力较小,可以成形一些难加工合金材料如高锰钢和高速钢的零件。

(3)SSM技术可以实现近净成形,成形件尺寸精度高,表面平整光滑。制品内部组织致密,晶粒细小,内部气孔、偏析等缺陷少,力学性能高,可接近或达到变形材料的力学性能。(4)应用SSM技术可改善制备金属基复合材料中非金属材料的飘浮、偏析以及与金属基体不润湿等技术难题,为金属基复合材料的制备和成形提供了有利条件。

(5)采用SSM技术可进一步节约能源和资源。以生产单位质量零件为例,半固态加工与常规压铸相比,节能35%左右,省材20%～30%,加工用模具寿命延长1～2倍。

2　半固态合金坯(浆)料的制备方法

制备优质的半固态合金棒坯是SSM技术中的一个关键问题。在半固态合金棒坯制备过程中,凝固过程中合金熔体的冷却速度和搅拌力是两个重要参数,这两个参数的变化将直接影响到半固态合金坯料的质量。

在金属冷却过程中强烈搅拌使已形成的枝晶破碎,同时也抑制树枝晶的形成,可获得非枝晶的卵形或近球状结构。搅拌力的大小和搅拌均匀程度将直接影响半固态锭坯组织结构的均匀性。因此,在半固态合金坯料的制备过程中,搅拌技术是关键。

通常,半固态金属浆料的制备方法有机械搅拌法、电磁搅拌法和应变诱发熔化激活法(StrainInducedMeltActivation,SIMA)。此外,还有喷射成形法、紊流效应法和粉末法等[1～7]。2.1　机械搅拌法

机械搅拌法是最早采用的方法,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,使初生树枝状晶破碎而成为近球状结构。机械搅拌装置一般分为连续式和间歇式两种类型。

连续式装置包括棒式和螺旋式。棒式装置具有金

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1　半固态加工技术的特点

SSM技术是一种生产效率高、近无余量精确成形

技术。从变形机理分析,其变形是一个从塑性变形到超塑性变形的过程。这种技术具有如下几个特点[1～6]。

(1)应用范围广泛。凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工,如铝合金、镁合金、锌合金、镍合金、铜合金以及钢铁合金等。

(2)半固态加工过程中,浆料充型平稳,无湍流和28

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以及金属基复合材料进行了成功的试验。与其他方法相比,该方法成本较高,只适用于制备有特殊要求的大尺寸坯料。2.5　紊流效应法和粉末法

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,因而获得具有流变特性金属浆料的方法。

粉末法是指先将金属粉末混合、压块,然后再加热使一种粉末熔化或不同成分粉末相互扩散形成合金后熔化而得到液相,形成固液混合金属浆料的方法。

属液不易氧化、固相分数易控制、能连续生产的优点,其缺点是出料速度较慢,搅拌棒易损耗。螺旋式装置具有向下压缩流体的作用,使出料速度加快。

间歇式装置包括底浇式和倾转式。底浇式装置的最大特点是结构简单,但是它的底部密封塞影响铸型的设置。倾转式装置的坩埚可以倾转,使部分凝固合金能够倒入铸型,这有利于浇注过程的实现,但是在坩埚倾转前需将搅拌棒从合金中提出,金属浆料的表观粘度会因为停止搅拌而上升。

研究结果表明,采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率,有利于形成细小的近球形微观结构,但是在搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的死区,影响了浆料的均匀性,而且搅拌叶片的腐蚀问题以及它对半固态金属浆料的污染问题都会对坯料质量带来不利的影响。

2.2　电磁搅拌法

3　半固态合金的成形工艺SSM技术包括流变加工和触变加工[5～8]。流变

加工包括2个环节,即浆料制备及成形。触变加工由3个环节组成,首先制备半固态合金坯料,然后将半固

根据搅拌金属液的流动方式,电磁搅拌有两种形式,一是水平式,即感应线圈平行于铸型的轴线方向;另一种是垂直式,即感应线圈与铸型的轴线方向垂直。一般来说,影响电磁搅拌效果的因素有搅拌功率、冷却速度以及金属液温度等。

电磁搅拌法在国外已应用于工业化生产,如美国A1umax公司、瑞士A1usuisse—Lonza公司以及法国Pechiney公司已经能够进行商品化生产。2.3　应变诱发熔化激活技术

应变诱发熔化激活技术(SIMA)是先将合金原材料进行足够冷变形,然后加热到固液两相区间,在加热过程中,先发生再结晶,然后部分熔化,使初生相转变成颗粒状,形成半固态金属材料。

该方法已成功应用于不锈钢、铜合金等较高熔点合金,但由于增加了预变形工序使生产成本提高,与电磁搅拌法相比,它仅仅用于生产小直径坯料。2.4　喷射成形法

一些独特的凝固工艺也用以生产半固态金属材料,Osprey喷射成形法即是其中之一。在此方法中,金属熔化成液态金属后,雾化为熔滴颗粒,在喷射气体作用下部分凝固的微滴直接沉积在收集基板上。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,加热到局部熔化时,也可得到具有球形颗粒固相的半固态金属浆料。

目前用这种方法已对铝合金、黑色金属航空制造技术

态合金坯料按实际需要切成一定质量和大小的块状,

将其重新加热至固液两相区某一温度,然后压入型腔充填成型。3.1　流变加工如图1所示,在凝固期间,对合金施加搅拌,使浆料中形成非枝晶固相,然后像液态金属压铸一样直接将半固态浆料注入压型中成形,这种工艺称之为流变加工。

流变加工充型前浆料已呈半固态状态,虽然粘度较高,但具有良好的流动性,充型流态为层流,因此可以制造尺寸精确、形状复杂、没有内部孔隙的高质量零部件。这种加工方法的缺点是半固态浆料储运比较困难,所以应用受到很大。3.2　触变加工触变加工工艺原理是将半固态坯料加热至固液两相区某一温度,保持一定的固液相比例,然后对之实施成形,如图2所示。加热坯料通常采用电磁感应加热

图1　流变加工工艺流程

Fig.1　Schematicdiagramofrheocasting

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坯,同时为Ford汽车公司生产Zeta发动机油料注射挡块,生产率为160件/h;为AlfaRomeoSpiderSportsCar公司生产形状非常复杂、重达7kg的汽车后悬挂架左右支撑件毛坯。Weber公司从1993年开始用SSM技术为NuovaLanciaDelta公司生产油料注射挡块。

瑞士Alusuisse公司和几个欧洲汽车制造商合作开发生产汽车零件,1997,1998年开始全面投产,产品主要是汽车悬挂系统,如控制臂和操纵转向节等,该公司已成为其中两个汽车制造厂的供应商。另外,Buhler公司于1993年初设计制造了第一台实时控制的SC卧式半固态金属压铸机,典型产品是汽车的主制动缸,2000年底,又进一步研制了vision系列2700t半固态压铸机,用于生产汽车用铝合金轮毂。法国Pechiney公司是主要生产坯料的厂商,目前能生产直径为76.2mm,127mm,152.4mm的A356和A357系列半固态铝合金棒料。英国Sheffield大学的P.Kapranos等采用半固态模锻成形工艺成功地试制出尺寸精度极高的A357铝合金件和M2工具钢齿轮等零件。此外,德国的EFU、意大利的Fata等国际著名公司也已采用了SSM技术。澳大利亚Melboune大学材料工程系从20世纪90年代初开始对SSM技术进行研究,已取得一些进展。

日本于20世纪80年代后期成立了一家由川崎制铁等18个成员组成的Rheotech公司,系统研究SSM技术。1988年至1994年期间共投资30亿日元进行研究开发,目前已进入工业应用阶段,典型产品是铝合金轮毂(重约5kg)、镁合金照相机壳以及镁合金微机机壳等。

我国SSM技术的研究始于20世纪80年代后期,北京科技大学、哈尔滨工业大学、东南大学、上海大学、清华大学、大连理工大学、西北工业大学、北京有色金属研究总院以及北京航空制造工程研究所等多所高校和科研机构自行设计了不同类型的实验设备,同时在SSM技术的基础理论研究中也取得了较大进展。

东南大学采用旋转永磁体法制备出半固态ZA合金锭坯。北京有色金属研究总院制备出直径60～110mm的A357、ZL108等半固态铝合金棒坯,并与东风汽车公司合作生产出汽车空压机连杆等零件。2001年,山西恒裕铝业有限公司与清华大学合作,开发汽车和摩托车零件的半固态加工技术。华中科技大学研制了集半固态浆料制备、输送和注射成形于一体的半固态镁合金流变注射成形机,产品力学性能较普通压铸件提高20%。

与国外相比,我国SSM技术的工业化应用水平较

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的方法。将重新加热至固液两相区的半固态坯料送往成形机进行成形的方式有如下几种:

(1)触变压铸,其成形设备是压铸机;(2)触变锻造,其成形设备是压力机;(3)触变挤压,其成形设备是轧机。上述成形方法中,前两种工艺已经工业化应用,后一种尚不成熟。

4　半固态加工技术的发展趋势

4.1　国内外发展概况

近年来,SSM技术的工业化应用进展迅速。美国、意大利、瑞士、法国、英国、日本等国家处于领先地位,已进入应用阶段[6～10,17]。

图2　触变成形工艺流程

Fig.2　Schematicdiagramofthixocasting1978年,美国AEMP(AlumaxEngineeredMetalPro2cess)公司建成世界上第一条高容量和高度自动化的触

变成形生产线,用于生产铝合金主制动缸和铝合金压缩机活塞等汽车零件。目前,该公司所属的MtHolly铝厂与Intalco铝厂能够成批生产直径为76.2mm和152.4mm的铸棒。1994年和1996年,AEMP公司先后建成

两家铝合金汽车零件半固态加工生产厂;1997年,这两家生产厂年生产能力达到5000万件。此外,Thixomat公司利用触变锻造工艺生产汽车用半固态镁合金零件。ITT公司用SSM技术生产黄铜电接插件。EPCODivi2sion,HPMCorporation,ItalpresseofAmerica以及PrinceMachineCorporation等公司已经能够生产半固态铝合金

触变成形的专用设备。

自1985年Alumax铝业公司将有关触变成形的专利技术向欧洲转让开始,目前欧洲已有40多家公司进行半固态合金坯料和半固态合金零件毛坯的生产。意大利是SSM技术商业化应用较早的国家之一。Stampal公司能够生产直径为90～110mm、长度可达4m的锭30

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state.MetallTransA,1991,22B(6):270～292

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4　张大辉,李延军,钟雪友.半固态铸造充型过程数值模拟

低,半固态坯料制备技术自动化水平、棒坯质量可靠性

和稳定性水平均不能满足大规模工业化应用的需求,不具备高品质重融加热设备和半固态成形机的生产制造能力。4.2　半固态加工成形技术的应用前景[6,11～21]

自1990年开始,关于合金及其复合材料的半固态加工会议每两年举办一次,迄今为止已举办7届,分别在法国、美国、日本、英国、美国以及意大利等6国举行,会议论文近400篇。SSM技术在欧美以及日本等国家发展迅速,其研究和应用领域不断拓宽,具有很大潜在市场。

世界汽车工业正向着轻量化方向发展,采用SSM技术,不仅成形容易,而且能保证材料性能充分发挥。从20世纪90年代初开始,SSM技术在世界汽车工业领域的工业化应用发展迅速。

采用SSM技术生产的汽车零件包括刹车制动筒、转向系统零件、摇臂、发动机活塞、轮毂、传动系统零件、燃油系统零件以及汽车空调零件等。目前,这些零件已应用在Ford,Chrysler,Volvo,BMW,Fiat,Audi等欧美名牌轿车上。

在航天航空领域,先进铝合金是主要结构材料,它具有高比强度、高比模量、良好的断裂韧性和疲劳强度、较低的裂纹扩展速率以及良好的耐蚀性等特点。近10年来,轻量化、减少能耗以及降低军用和民用飞机的成本成为航空航天业需要解决的主要问题。因此,可采用SSM技术对传统航天航空用铝合金实施高性能化,利用这种技术近终成形的特点,制造可替代机加工锻件的零件,利用半固态合金成形性好的特点,制备复杂零件,提高集成度,以替代多零件装配而成的结构部件。

SSM技术适用于有较宽固液相共存区的合金体系,还可用于制备金属基复合材料、连铸连轧板带和线材以及半固态黑色合金等。此外,在电子以及消费品等方面也具有广阔的工业化应用前景。

采用SSM技术,虽然电磁搅拌技术增加了零件的成本,但由于材料消耗和废品率大幅度降低、机加工量减少以及生产率提高,因而可以弥补坯料成本的增高。采用成本指数对SSM技术进行分析表明,与压铸成形工艺相比,SSM技术除了具有工艺、环保以及产品优势外,还具有成形材料广泛性的特点。因此,在一定条件下,SSM技术具有相当的成本优势,在技术经济性方面有着较强的市场竞争力。

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(责编　雨　琪)

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