半固态压铸技术研究发展现状

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摘要：回顾了半固态压铸技术的发展历史，介绍了其国内外研究现状，包括半固态金属触变压铸和流变压铸工艺，重点介绍了铝合金及镁合金半固态压铸技术研究及应用现状，讨论了半固态压铸成形技术存在的问题及发展策略。

6 ^7 \7 S" o! r. T关键词：半固态成形；压铸；流变成形；触变成形
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金属半固态加工技术自美国麻省理工学院的DavidSpencer于1971年首次提出至今已有30多年，开发出来的半固态触变成形工艺和触变注射工艺已经在铝合金汽车零部件和镁合金3C壳体上获得了工业化应用。半同态技术从20世纪90年代开始产业化，现已进人工业实用化阶段。欧美、日本等发达国家在此领域的开发研究和工业应用方面处于领先的位置。半同态压铸成形技术作为一种先进的压铸技术，目前在世界范围内正得到很大的发展。与传统全液态压铸技术相比，该技术在节能、提高压铸件性能、改善压铸件内外质量及延长压铸模具寿命等方面具有无可比拟的优越性。

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1 半固态金属成形方法及特点

目前，应用在工业上的半固态金属成形方法主要有：半固态压铸、半固态挤压、半固态模锻、半固态压射成形以及半固态铸造和锻造复合法等。与普通的加工方法相比，金属半固态加工技术具有许多优点：半固态成形充型平稳。无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩小，因而铸件尺寸精度高，半固态成形件尺寸与成品零件几乎相同，可以做到少或无切削加工；半固态成形凝固时间短，有利于提高生产率；半固态合金已释放了部分结晶潜热，因而减轻了对成形装置．尤其是模具的热冲击，使其寿命大幅度提高：半固态成形装置表面平整光滑，铸件内部组织致密，内部气孔、偏析等缺陷少，晶粒细小，力学性能高，可接近或达到变形

材料的力学性能：应用半固态加工工艺可改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析以及与金属基体不润湿的技术难题，这为复合材料的制备和成形提供了有利条件；半固态浆料成形压力低，容易制备大件．成形速度快．可以成形结构和外形复杂的零部件：容易实现连续化和自动化生产，过程可控性能较强。

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半固态压铸技术通常分为两种：第一种将半固态浆料预先制成一定大小的锭块，需要时再重新加热到半固态温度，然后送入压室进行压铸，称为触变压铸：第二种将半固态坯料直接压射至型腔里形成制件，称为流变压铸。

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2 半固态金属压铸成形

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2．1 半固态金属触变压铸成形

半固态金属触变压铸成形工艺主要包括三个工艺流程：半固态金属坯料的制备、半固态金属坯料的二次加热和半同态坯料的触变压铸成形。

半固态坯料的制备是半固态金属触变压铸成形技术的基础和核心环节．其质量的优劣和稳定性的好坏是保证后续工艺稳定和最终产品质量的关键。目前工艺最成熟、应用最广泛的是电磁搅拌法。该方法不存在搅拌器同金属液池的接触，对熔体污染小。而且电磁场可以人为控制。此外，电磁搅拌同连铸设备相结合可连续生产坯料，并且此环节可独立于触变压铸而单独进行生产，这样有利于控制坯料的生产和降低生产成本。因此在工业上此法被普遍采用来批量供应半固态铝、镁合金坯料．如美国Alumax 公司、瑞士Alusu—isse—Lonza公司、德国EFU 公司和法国Pechiney公司 。

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二次加热是金属半固态触变压铸成形的重要工艺阶段之一。二次加热工艺的好坏将对后续的触变压铸成形过程产生直接影响，并最终影响到半同态成形件的质量。二次加热在半固态触变压铸成形过程中起着承上启下的作用，从微观组织结构方面来看，就是要进一步改善半固态坯料的微观组织结构，为后续的压铸成形作好准备。经过二次加热的半固态坯料不仅要求达到合适的固液相比例，而且还必须确保同相晶粒在一定尺寸范围内向球形转化。

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有多种装置可以用来二次加热，如电磁感应炉、电阻炉、盐浴炉等。采用电阻炉和盐浴炉加热，可以精确控制温度，但是加热所需时间长，显微组织容易粗大，坯料表皮氧化严重，所以一般只，适用于实验室研究。目前真正投入工业应用的是电磁感应加热方式，其中的中频感应加热方式是进行大批量半固态生产的最佳选择。其主要优点是清洁、高效、可控，能适应用户对半固态合金坯料尺寸变化的需要，能耗相对较小且热穿透能力强。

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在半固态金属触变压铸成形工艺中．成形设备性能的优劣将会直接影响到触变压铸成形的正常进行，并最终影响到成形件的质量。早期在研究半固态金属触变压铸成形和触变锻造成形中．一般都是在全液态金属压铸的压铸机和固态金属锻造成形的液压机上进行。由于半固态金属的特殊性质，半固态金属触变成形对触变成形设备的力学条件也有所不同。为了满足半固态金属触变成形的特殊要求．世界上许多公司又根据半固态金属触变成形的特殊要求，对全液态金属压铸机或者全固态金属锻造的液压机进行了重新设计和改造。制造出了许多型号的半固态触变压铸成形的专用设备。

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目前欧洲、美国及日本等国已生产出专门用于半固态加工的成套压力设备。瑞士Buhler公司于1993年生产出世界上第一台适合铝合金半固态压铸的SC压铸机。这台压铸机采用电磁搅拌连续铸造出的坯料，在感应加热至半固态（大约60％固相率），然后送人挤压筒压铸成形。意大利Idra、Italpress．英国Servotest， 日本Toshiba Ma—chine，美国Prince Machine、EPCO、HPM 等公司生产半固态加工的专用压力机。

国内目前尚没有供半固态成形专用的压铸机，因此需要在传统液态压铸机的基础上进行改进。以适应半固态触变成形的需要。改进主要包括添加加热装置、实时控制装置，以及对压射系统及模具系统的改进。

半固态金属触变压铸成形工艺的一个显著优点是容易实现自动化。为了提高半固态金属触变压铸成形的生产效率和生产工艺的控制水平，稳定地进行触变压铸成形。实际的半固态金属触变压铸成形过程中除了压铸机的电磁感应加热设备外，还需要一些配套的辅助设备，如抓取坯料机器人、抓取成形件机器人、喷涂料机构、冷却系统、浇注系统切割锯等。这些辅助设备与主机之间要协调配合．共同完成半固态金属的触变压铸生产。

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2．2 半固态金属流变压铸成形

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半固态金属的流变压铸是最早进行研究的半固态金属成形工艺，然而，早期通过强烈机械搅拌获得的半固态合金浆料的保存和输送很不方便，因而半固态合金流变铸造技术的进展很缓慢，一直没有出现成熟的技术。与此同时，工艺流程较长的触变铸造却获得了较大规模的应用。但是，经过多年的生产实践和深入研究发现，采用触变铸造技术尚存在五大工艺问题：①半固态铝合金坯料成本高．制备坯料时额外高出约40％的费用；② 传统电磁搅拌的功率大、效率低、能耗高；③ 传统电磁感应重熔加热的能耗高，坯料表面氧化严重，而且加热时坯料总会流失部分金属，占坯料质量的5％～12％；④ 坯料的液相分数不能太高，否则非常复杂零件的成形困难；⑤锯屑、坯料重熔加热时的流汤、浇注系统(占坯料质量10％-20％)和废品（所有回炉料约占坯料质量的40％～50％)不能马上回用，必须返回到坯料制备车间或坯料供应生产厂，增加了成形生产成本。

为了解决上述难题和进一步降低生产成本，扩大半固态合金铸造的应用，近年来，半固态金属铸造技术领先的国家重新将半固态合金浆料直接铸造成形技术作为降低生产成本的主攻方向。半固态合金流变铸造技术的研究越来越受到重视，一些新的流变铸造方法正在取得突破性的进展。传统液态压铸采用人工或自动给料机运用汤勺将合金熔体喂入压室。在触变压铸成形技术中，二次加热后的半固态合金浆料具有一定的刚性和圆柱外形，夹持和搬运相对容易，只要保证在输送过程中没有过多的温度下降，采用专用夹持工具可以比较简便地将合金浆料送入压室。而流变压铸成形技术所用半固态合金浆料是在生产现场直接制备的．既没有规则的外形，无法设计专门的输送工具，也不具有像合金熔体一样的良好流动性，

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无法用汤勺舀倒。因此借助外界工具实现流变压铸成形半固态合金浆料输送过程有一定难度。流变压铸成形半固态合金浆料输送过程有三个要求：输送过程中浆料温度下降幅度不宜过大；输送工具不能对浆料产生污染：便于浆料倒入压铸机压室或液压模具型腔在早期的研究中，美国MIT的Mehrabian和Riek等人曾经研究过A380铝合金和905铜合金的半固态流变压铸，这两种合金的半固态浆料都是通过机械搅拌方法制备的。通过非连续机械搅拌装置制备A380铝合金半固态浆料，在搅拌制备过程中，当A380铝合金冷却到适宜的固相分数时，将坩埚中的浆料送入压铸机的压射室进行流变压铸成形。

为了克服半固态流变压铸成形技术要保证浆料在半固态温度下输送很不方便这一缺点，日本公司设计制造了流变铸造机来实现流变成形。其工艺流程是将镁粉加人高温螺旋混合机．一边加热一边旋转剪切推进，使镁合金获得具有流变性的半固态状态，随后射入模具型腔成形。也有人把流变铸造成形称为射铸成形。

1996年， 日本UBE公司申请了非机械或非电磁搅拌的低过热度倾斜板浇注式的流变铸造技术专利，也称为NewRheoc-sting，简称NRC。该技术的核心内容是：首先降低浇注合金的过热度，将合金液浇注到一个倾斜板上，合金熔体流入收集坩埚，再经过适当的冷却凝固，这时的半固态合金熔体中的初生固相就呈球状，均匀分布在低熔点的残余液相中，最后对收集坩埚中的合金浆料进行温度调整，以获得尽可能均匀的温度场或固相分数，就可以将收集坩埚中的半固态合金浆料送人压铸机的射室、挤压铸造机的射室或锻造机的锻模中，进行流变铸造；收集坩埚还可以盖上低导热的上盖，收集坩埚可以放置在一个圆盘或带式传送机上，圆盘或带式传送机上设置有均热装置，借此调整半固态合金浆料的温度场：也可以取消倾斜板，而在浇注时将收集坩埚倾斜，可取得与倾斜板相同的浇注效果。在2001年．美国麻省理工学院(MIT)的YurkoJA等人提出了一种新的流变铸造技术，该技术的核心思想是：将低过热度的合金液浇注到制备坩埚中（该坩埚内径尺寸适合压铸机的射室尺寸），利用镀膜的铜棒对坩埚中的合金液进行短时弱机械搅拌，使合金熔体冷却到液相线温度以下，然后移走搅拌铜棒，让坩埚中的半固态合金熔体冷却到预定的温度或固相分数，最后，将坩埚中的半固态合金浆料倾人压铸机射室，进行流变压铸。这种半固态合金浆料的初生晶粒中夹裹的液相很少，这会提高半固态合金浆料在成形时的流动性，便于成形复杂件。

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3 半固态压铸技术使用现状
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5 M) L1 A3 N( H; n8 c4 Y金属半固态压铸成形技术的研究与开发已经有30多年的历史了，该技术充分应用了半固态浆料／坯料的特性．利用其高表观粘度降低自身的雷诺数实现实体平稳充型，减少甚至消除了气孔和缩松。另外，这项技术在保持半同态成形特点的同时，还保留了高压铸造的高效率、低成本特征。目前，国外正对这项技术进行迅速的研究与开发，尤其是在lT工业应用方面，已经取得了许多应用成果，组织进行了较大规模的商业化生产。
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3．1 铝合金半固态压铸技术的应用
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目前半同态金属加工应用最成功和最广泛的是在铝合金的制备中。其原因不仅是因为铝合金的熔点较低和使用范围广泛，而且铝合金是具有较宽液固共存区的合金体系。为此。它成为人们首先深入研究的对象。
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最早用于半固态加工的为亚共晶铸造铝合金(A356，A357)。这两种合金在发达国家采用半固态成形已实现工业化生产。后来，他们又开发了为过共晶成分的A390铝硅合金。这种合金中的初晶硅相．在电磁搅拌生产坯料的方法中，被细化并均匀地分布在合金中，提高了合金的强度和耐磨性。有关锻铝合金用于半同态成形加工的技术正处于研究开发阶段。

半固态压铸成形技术能提供高强度的铝合金以替代钢和铸铁制零件等。因此，半固态压铸成形加工技术有广阔的应用前景。国内北京有色研究总院、北京科技大学、清华大学等在坯料制备、流变学等方面作了一些研究，工业化应用正在探索。半固态压铸成形加工技术今后应在低成本制备加工用坯料、专用设备研制、模具设计及成形过程计算机模拟、开发适合于半同态加工用的新型材料等方面深入研究以促进这一技术的工业化应用。

尽管铝合金半固态压铸触变成形技术已在半固态坯料制备、触变成形工艺及成形过程数值模拟等方面取得了许多重大进展．但要想使这项先进的金属加工技术完全应用到实际工业生产中去，还需要在以下几方面加大研究力度：① 半固态坯料非枝晶组织的形成规律研究，尤其是实际压铸成形过程中的组织演变规律研究；② 铝合金半固态压铸触变成形用模具设计及其表面处理的研究；③半固态铝合金中晶粒尺寸和数量的工艺控制研究；④ 半固态铝合金的流变特性和微观组织结构与触变压铸过程间关系的研究；⑤ 铝合金半固态压铸触变成形过程的数值模拟研究，尤其是液固二相区的本构方程等数学模型和相应的计算算法的研究。

3 l1 |) ^+ h; e, ?6 q) Q1 L+ I8 z$ m3．2 镁合金半固态压铸技术的应用

3 f- ]1 x* u) ]6 Y- I3 J半固态镁合金制品之所以得到不断应用，一是因为发明了镁合金半固态触变射铸技术．可以较便宜地制造这类产品；二是镁合金具有较高的比强度和比刚度而且易于回收再利用，减轻了设备或用品的重量和对环境的污染；三是镁合金具有较好的电磁屏蔽性，可以提高电子产品的性能：四是镁合金的导热性能较好．如果用镁合金制造电子产品外壳，有利于设备的散热。
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目前广为应用的半固态成形技术主要是触变成形技术。其优点是：①非枝晶镁合金坯料不需完全熔化，节省能源；② 充型时不易产生飞边，铸件尺寸精度高；③ 铸件致密，缩松少；④金属浆料温度低，铸型寿命长；⑤ 不需要用SF6作为保护气体。环境污染小；⑥ 生产过程安全性高。半同态压铸技术不但具有压铸的优点．而且可消除液态镁压铸中气孔、夹渣、组织偏析、收缩等液态压铸的同疾，最大限度地弥补了镁压铸的缺陷，使成形件组织致密。改善了力学性能．提高了尺寸精度．其最小壁厚可达0.5 mm，同时成形温度更低，对模具的热冲击小。延长了模具寿命。还具有近终型和生产自动化程度高等优点，最适于有轻量化要求的汽车结构件成形。

镁合金半固态触变压铸是一项涉及工艺、设备、模具等诸多环节极其复杂的系统工程。各工艺环节均有很高的要求，如半固态非枝晶化过程、锭料保温输送系统和压射工艺等。高性能的压铸机是实现半固态触变成形的关键。

) T  y6 i3 z- T+ n4 今后的研究重点
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(1)半固态坯料质量及其稳定性是保证后续工艺稳定和最终产品质量的关键，因此需要尽快开发制备高质量大直径半固态坯料的制备技术，满足工业生产的需要。

(2)进一步降低半固态坯料的生产制造成本，研究和开发多流半固态连续铸造技术。使半固态坯料的制造成本接近或达到普通连铸的水平。

(3)研究开发适合不同零件需要的系列化二次加热设备，提高二次加热设备的自适应能力，解决坯料加热不均匀问题，提高二次加热设备的自动化程度。以提高生产效率。

(4)明确对于每一种复杂程度不同的压铸件和每一种合金坯料的固相分数，压铸机所需的压射速度和压射压力与压铸件质量的对应关系：针对某一特定合金，压铸机压室和模具的工作温度范围的确定。
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6 ?7 P5 e) O6 }9 ^(5)研究开发适合半固态触变压铸成形的专用压铸机．特别是专用的压铸模具。以提高半固态材料的有效利用率。
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(6)研究半固态压铸触变成形过程的数值模拟，尤其是研究液固二相区的本构方程等数学模型和相应的计算算法。