鋁合金半固態(tài)成形工藝的研究現(xiàn)狀

新型的成形技術(shù)─―半固態(tài)成形技術(shù)（SSM）是一種近終成形（Near-net-shape）的成形工藝。與傳統(tǒng)的成形工藝相比，它有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)：成形溫度低，成形件力學(xué)性能好，并較好地綜合了固態(tài)金屬模鍛與液態(tài)壓鑄成形的優(yōu)點(diǎn)。本文闡述了鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)的主要工藝方法，其工藝參數(shù)與傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄成形的差異，以及半固態(tài)成形件在不同狀態(tài)下的力學(xué)性能

20世紀(jì)70年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院Flemings等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了半固態(tài)金屬的流變性能，到70年代中期，Joly等人進(jìn)一步探索了半固態(tài)金屬的這種性能，并出現(xiàn)了半固態(tài)金屬加工的概念。所謂半固態(tài)金屬加工技術(shù)即在金屬凝固過程中，進(jìn)行劇烈攪拌，將凝固過程中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生長(zhǎng)，然後直接進(jìn)行流變鑄造或制備半固態(tài)坯錠後，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度，然後進(jìn)行成形加工。鋁合金的半固態(tài)加工技術(shù)主要有三道工序：半固態(tài)坯料的制備、二次重熔和觸變成形。觸變成形作為半固態(tài)加工技術(shù)的最後一道工序，是影響半固態(tài)成形件組織和性能的關(guān)鍵工序，直接影響著半固態(tài)成形件的組織和性能。自該技術(shù)被開發(fā)以來，已經(jīng)歷了30馀年的研究發(fā)展，并已召開了六次有關(guān)半固態(tài)的國(guó)際會(huì)議，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)用階段。因?yàn)榘牍虘B(tài)成形技術(shù)有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)：半固態(tài)金屬成形技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和近終成形等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代汽車制造業(yè)對(duì)有色合金鑄件高致密度、高強(qiáng)度、高可靠性、高生產(chǎn)率和低成本等要求，因此倍受汽車制造廠商以及零部件配套生產(chǎn)廠商的重視。

半固態(tài)金屬加工工藝

SSM成形是介乎鑄造和鍛造之間的一種工藝過程，是針對(duì)固、液態(tài)共存的半熔化或半凝固金屬進(jìn)行成形加工的工藝方法的總稱，使用於很多常規(guī)的成形方法。半固態(tài)金屬加工技術(shù)主要有兩種工藝：一種是將經(jīng)攪拌獲得的半固態(tài)金屬漿料在保持其半固態(tài)溫度的條件下直接進(jìn)行半固態(tài)加工，即流變成形（Rheoforming）；另一種是將半固態(tài)漿料冷卻凝固成坯料後，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，再重新加熱到半固態(tài)溫度，然後進(jìn)行成形加工，即觸變成形（Thixoforming），後者在目前的生產(chǎn)條件下占主導(dǎo)地位。目前，應(yīng)用在工業(yè)上的半固態(tài)金屬觸變方法主要有：半固態(tài)壓鑄、半固態(tài)擠壓、半固態(tài)模鍛和半固態(tài)壓射成形等。

半固態(tài)壓鑄工藝

半固態(tài)壓鑄工藝是目前半固態(tài)金屬成形的主要成形工藝。典型的半固態(tài)壓鑄工藝流程圖見圖1。半固態(tài)鋁合金壓鑄是將半固態(tài)坯料二次加熱至坯料組織恢復(fù)到40％~60％球狀初生固相顆粒和共晶液相共存的固液混合態(tài)，隨即用夾持工具夾持到壓鑄機(jī)壓射室中壓鑄成形，其主要的工藝參數(shù)包括壓射比壓、壓射速度、壓射時(shí)間、模腔溫度以及留模時(shí)間等。

壓射壓比是壓射室內(nèi)半固態(tài)坯料所受的靜壓力，是半固態(tài)鋁合金壓鑄最重要的工藝參數(shù)之一。由於半固態(tài)鋁合金壓鑄時(shí)，坯料粘度較大，流動(dòng)性較液態(tài)金屬差，為了充分利用半固態(tài)鋁合金坯料的流變性，在成形時(shí)，壓射比壓一般比液態(tài)金屬壓鑄時(shí)高20％~30％。

壓射速度為壓射室內(nèi)壓塞的推進(jìn)速度。由於半固態(tài)坯料具有一定的粘度，因此在低速壓射階段，其流動(dòng)相對(duì)液態(tài)更平穩(wěn)，也不存在液態(tài)金屬壓射時(shí)的噴射、紊流和卷氣現(xiàn)象，因此該階段的壓射速度可比液態(tài)金屬壓鑄時(shí)快，有利於提高充型速度，縮短充型時(shí)間，提高鑄件表面質(zhì)量。

壓鑄機(jī)的料缸尺寸應(yīng)根據(jù)半固態(tài)坯料的大小來設(shè)計(jì)，由於半固態(tài)坯料在二次加熱時(shí)表面有一層薄薄的氧化膜，為了除去這一層氧化膜，料缸的直徑必須比坯料的直徑稍小，并充分考慮半固態(tài)坯料在二次加熱時(shí)的膨脹系數(shù)。料缸在壓鑄前要適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，以保證半固態(tài)坯料壓射前在料缸中不會(huì)冷卻凝固，并保持穩(wěn)定。除了要預(yù)熱外，還要在料缸表面涂上一層潤(rùn)滑劑，以保證坯料不會(huì)和料缸表面粘在一起，但選擇潤(rùn)滑劑時(shí)，要考慮其對(duì)半固態(tài)成形件性能的影響。半固態(tài)鋁合金壓鑄時(shí)模具內(nèi)的溫度也比液態(tài)金屬壓鑄時(shí)要高，且要求溫度穩(wěn)定，一般應(yīng)控制在200℃~350℃。其型腔內(nèi)澆注系統(tǒng)常采用開放式澆注系統(tǒng)、澆道流程短、澆道位置不遠(yuǎn)離鑄件。

留模時(shí)間是指半固態(tài)坯料被壓入模腔直到模腔被打開時(shí)成形件在模腔所停留的時(shí)間。留模時(shí)間直接影響這成形件的冷卻速度，以及鑄件的組織狀況。因?yàn)榱裟r(shí)間長(zhǎng)，即更長(zhǎng)的保壓時(shí)間會(huì)使鑄件中沒來得及填充的部位在保壓下由漿料來填充。但時(shí)間太長(zhǎng)，則會(huì)引起粘?，F(xiàn)象。

半固態(tài)金屬鍛造

半固態(tài)金屬鍛造與半固態(tài)金屬觸變壓鑄實(shí)質(zhì)上并無明顯差別，其主要不同之處在於前者是用半固態(tài)金屬在鍛造設(shè)備上加工成形。鍛造半固態(tài)金屬可以在較低的壓力下進(jìn)行，這使得一些傳統(tǒng)鍛造無法成形的形狀復(fù)雜構(gòu)件可以在半固態(tài)金屬鍛造方法來生產(chǎn)，其鍛造設(shè)備可分為立式和臥式壓力機(jī)兩種。半固態(tài)鍛造是將加熱到半固態(tài)的坯料，在鍛模中進(jìn)行以壓縮變形為主的模鍛以獲得所需形狀、性能制品的加工方法。半固態(tài)鍛造可以成形變形力較大的高固相率的半固態(tài)材料，并達(dá)到一般鍛造難以達(dá)到的