半固態(tài)金屬成形技術(shù)的發(fā)展與應用

     70年代初美國麻省理工學院的M.Flemigs和D.Spencer發(fā)現(xiàn)，處于固-液相區(qū)間的合金經(jīng)過連續(xù)攪拌后呈現(xiàn)出低的表觀粘度，此時在結(jié)晶過程中形成的樹枝晶被粒狀晶代替。這種漿料很容易變形，只要加很小的力就可以充填復雜的型腔，從而開發(fā)出一種新的金屬成形方法—半固態(tài)金屬成形。半固態(tài)金屬成形可以分為流變成形和觸變成形兩種。前者是利用半固態(tài)金屬的流變性能，將經(jīng)過強烈攪拌的金屬漿料加壓成形。后者則利用金屬的觸變性能，將凝固的攪拌金屬漿料加熱至半固態(tài)再加壓成形。半固態(tài)金屬成形具有能消除氣孔、縮孔，提高零件的機械性能及模具壽命，減少凝固收縮，提高零件尺寸精度等優(yōu)點。半固態(tài)金屬易于搬運和輸送，為連續(xù)高效的自動化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。在節(jié)省能源、保護環(huán)境方面也較傳統(tǒng)的鑄造方法更為優(yōu)越。目前美國、西歐已將半固態(tài)加工成形技術(shù)應用于生產(chǎn)。美國軍方把用流變鑄造法制造復合材料坦克零件列為五年工藝研制規(guī)劃之一。在川崎制鐵等18家大型公司的資助下，日本從1988～1994年成立了專門研究機構(gòu)，對半固態(tài)金屬的性能、制造與加工技術(shù)進行了全面的研究，目前已著手工業(yè)化生產(chǎn)。我國對半固態(tài)金屬成形技術(shù)的研究基本上還處于實驗室階段，離工業(yè)性生產(chǎn)尚有一定距離。

 

1　半固態(tài)金屬的流變特性
　　半固態(tài)金屬的流變特性是指在外力作用下半固態(tài)金屬的流動、變形性能。研究半固態(tài)金屬的流變特性對半固態(tài)金屬的制備和成形技術(shù)具有重要的指導意義。當金屬液中固體金屬顆粒的組分大于0.05～0.1時，其流變行為即呈現(xiàn)非牛頓體型。在更高的固體組分（0.5～0.6）時，漿料呈非線性粘塑性，具有賓漢 （Binghan）流體的特性。雖然合金成份、半固態(tài)金屬的制造條件、固體相的形狀與大小等因素對半固態(tài)金屬的流變性能都有影響，但固相組分的數(shù)量對流變性能的影響最大。通常用半固態(tài)金屬的表觀粘度作為其流變性的指標。通過在一定剪切變形速度及冷卻條件下的攪拌試驗，測定了在不同固體組分下的鋁、銅、鐵半固態(tài)金屬的表觀粘度，見圖1，并采用懸濁液的粘度公式對表觀粘度與固相率的關系進行回歸分析，得到如公式（1）所示的半固態(tài)金屬表觀粘度表示式^［1］：

圖1　固相率與表觀粘度間的關系（曲線為回歸結(jié)果）

（1）

式中：η_a—半固態(tài)金屬表觀粘度，Pa^.s，η_La—金屬液表觀粘度（Pa^.s），ρ_m—合金密度（kg^.m^-3），C—凝固速度，s^-1，—剪切變形速度，s^-1，f_s—固相率。
　　由于半固態(tài)金屬漿料中的固相率主要由半固態(tài)金屬的溫度來決定，因此在實際應用中溫度的控制非常重要。使半固態(tài)金屬發(fā)生變形時的剪切應變率對表觀粘度也有很大影響。用高溫旋轉(zhuǎn)粘度計對穩(wěn)定狀態(tài)的半固態(tài)A356鋁合金的表觀粘度進行了測定，結(jié)果如圖2所示。該表觀穩(wěn)定態(tài)粘度可以用公式（2）的形式來表示^［2］：

圖2　A356鋁合金漿料穩(wěn)態(tài)表觀粘度與剪切率的關系

（2）

式中：η—表觀粘度，—剪切率，C—稠度，m—為指數(shù)，其數(shù)值為-1.2至-1.3。
　　上述情況都是在攪拌試驗進行幾十分鐘，粘度不再變化，達到穩(wěn)定狀態(tài)時得出的結(jié)果。對于連續(xù)冷卻狀態(tài)，則表觀粘度較穩(wěn)定態(tài)的稍高。在實際成型加工中，半固態(tài)金屬充填型腔的時間只持續(xù)幾秒鐘，在這一瞬間由于液體相的粘度，固體顆粒的數(shù)量、大小、形貌均在變化，情況變得十分復雜。文獻［3］通過對錫-15% 鉛所作的試驗后指出，在給定的結(jié)構(gòu)下，半固態(tài)漿料的瞬時結(jié)構(gòu)特性為隨著剪切率的增加表觀粘度有所增加。
　　將攪拌的半固態(tài)金屬漿料凝固后再重新加熱至半固態(tài)，由于半固態(tài)金屬的觸變性，當切變速率很小或等于零時，半固態(tài)金屬的粘度很高，可以象固體一樣夾持及搬運，而當其受到較高剪切應力，產(chǎn)生較大切變速率時，粘度迅速降低，變得與流體一樣很容易成形。和其它具有觸變性能的材料一樣，半固態(tài)金屬漿料也具有滯后回線現(xiàn)象，如圖3所示。對于初晶為樹枝狀的半固態(tài)合金，當固相率達到0.3左右就無法流動，而初晶形狀為近乎圓形的半固態(tài)合金，即使固相率超過0.5，也還有流動性，這說明凝固時晶粒形態(tài)對流變性有重大影響。制造半固態(tài)金屬漿料時，攪拌速度、冷卻速度及固相組分對非樹枝狀結(jié)構(gòu)的生成具有如圖4所示的影響^［4］。

圖3　半固態(tài)金屬剪切應力與粘度的觸變現(xiàn)象

圖4　非樹枝晶結(jié)構(gòu)生成機理示意圖 2　半固態(tài)金屬的制備　　生產(chǎn)中常用機械或電磁攪拌的方法來制備金屬漿料，用這兩種方法可以得到固體組分的顆粒大小在50～100μm范圍內(nèi)的漿料。圖5為采用機械攪拌方式連續(xù)生產(chǎn)金屬漿料的裝置［5］。對于鋁、銅合金和鑄鐵，該法可實現(xiàn)固相率為0.5的漿料的連續(xù)生產(chǎn)。機械攪拌也可采用剪切冷卻輥方式［6］。電磁攪拌法與機械攪拌相比，減少了攪拌器對漿料的污染，但在制備高固相率的漿料時，攪拌速度會急劇降低，表觀粘度迅速增加，使?jié){料的排出發(fā)生困難。圖6為一種采用半固態(tài)金屬制造鋁基復合材料的電磁攪拌裝置［7］。該裝置中的4對磁極以0～3000r/min的速度回轉(zhuǎn)。為了使?jié){料產(chǎn)生三維運動，磁鐵與旋轉(zhuǎn)中心軸之間有 10°的偏轉(zhuǎn)角，呈螺旋形放置。采用該裝置已制造出A356鋁合金為基體，加入平均顆粒尺寸為29μm 的20vol%SiC顆粒的復合材料錠。圖5　機械攪拌式半固態(tài)金屬制造裝置

圖6　制造鋁基復合材料用電磁攪拌裝置

　　日本發(fā)明了一種制備觸變成型用坯料的方法，在含Si量為4%～6%的鋁合金中添加0.001%～0.01%的B及0.005%～0.30%的Ti，合金液的過熱度不超過液相線以上30℃，再以1.0℃/s以上的冷卻速度在凝固區(qū)間冷卻，可得到200μm以下細小等軸晶的鑄坯^［8］。還可以采用應變誘發(fā)熔體活化等方法來制備半固態(tài)金屬成形用的原材料。

3　半固態(tài)金屬的成形與應用
　　對于各種合金只要有固、液相同時存在的凝固區(qū)間，都可以進行半固態(tài)金屬成形加工。已經(jīng)對鋁、鎂、鋅、銅合金及鋼、鑄鐵、鎳基超耐熱合金、復合材料進行過許多試驗研究。目前應用的合金還是直接取自現(xiàn)有的鑄造或鍛造合金系列，例如鋁合金為3XXX系列鋁硅鑄造合金及2XXX、7XXX系列鍛造合金。應用得最多的為A356合金，其凝固區(qū)間約為60℃。鎂合金則主要為AZ91D。至今專門應用于半固態(tài)成形的合金的研究工作還做得不多。在美國和西歐鋁、鎂合金的半固態(tài)成形主要用于汽車零件的生產(chǎn)。日本則對黑色金屬的半固態(tài)成形作過較多的研究。
3.1　壓鑄
　　目前生產(chǎn)中主要采用觸變成型壓鑄鋁合金鑄件，如圖7所示。在西歐比較有代表性的公司是瑞士和德國的Alusisse/Alusingen，意大利的 Stampal及法國的Pechiney。在德國Singer的Alusingen工廠裝備了9800kN的壓鑄機及同時能加熱12個坯料的加熱工段，該生產(chǎn)線于1996年投產(chǎn)，主要生產(chǎn)汽車零件^［9］。由半固態(tài)金屬壓鑄件上切取的試樣的機械性能如表1所示^［10］。Stampal公司除用該法大量生產(chǎn)汽車零件外，還生產(chǎn)航空和航天用構(gòu)件，其典型產(chǎn)品為福特Zeta發(fā)動機的燃油分配器。美國賓夕法尼亞洲Johnstown的Concurrent Technologies Corp.（CTC）起著國防部的金屬加工制造技術(shù)國家中心（NCEMT）的作用。該公司用觸變壓鑄成形法生產(chǎn)的A356鋁合金鑄件的機械性能為σ_b=315MPa,σ_s=266MPa,δ=12%^［9］。正在進行的一項具有挑戰(zhàn)性的新研究項目為生產(chǎn)用于LPD-17兩棲攻擊艦的鈦液壓操縱閥。目前用半固態(tài)金屬壓鑄法生產(chǎn)的最大構(gòu)件質(zhì)量達6.7kg，系牌號為“歐洲人”汽車的后部懸掛構(gòu)件，并已于1995年投產(chǎn)。用該法壓鑄的汽車構(gòu)件還有主制動器缸體、齒輪齒條傳動的操縱殼體、轉(zhuǎn)向橫拉桿頭、噴油軌、托架等。觸變壓鑄成形也可在立式壓鑄機上進行，日本已在這方面取得了專利^［11］。

圖7　半固態(tài)金屬壓鑄流程圖

表1　半固態(tài)金屬壓鑄件上切取試樣的機械性能

　　日本レオツク（株）采用流變成形法對半固態(tài)AC4C合金（Al-7%Si-0.3%Mg）進行了連桿的壓鑄，此時將經(jīng)機械攪拌的金屬漿料放入耐火材料制造的容器中直接供給立式壓鑄機。所得連桿的尺寸精度與密度均優(yōu)于金屬液壓鑄的^［5］。由于半固態(tài)金屬壓鑄可以明顯降低鑄型溫度，為黑色固態(tài)金屬的壓鑄創(chuàng)造了有利條件。試驗表明，鑄鐵可以采用流變或觸變鑄造的方式進行壓鑄。將鑄鐵在 1637K熔化后以500r/min的速度攪拌至1408K（低于液相線溫度65K）制成半固態(tài)漿料，在2450kN的立式壓鑄機上可成功地壓鑄成100 ×150×6（mm）的板狀件。觸變壓鑄成形時，將鑄鐵坯料放在臥式壓鑄機的壓室部位，高頻加熱至固相率為0.2的半固態(tài)，壓鑄成壁厚為3mm的鑄件，其機械性能如表2所示^［12］。日本還發(fā)明了有關的專利^［13］。除上述方法以外，還可將不同金屬粉末混合壓實后加熱至半固態(tài)壓鑄零件^［14］。

表2　　鑄鐵壓鑄件的機械性能

狀　態(tài)	σb/MPa	δ/%
原材料（片狀石墨鑄鐵）	245	0
半固態(tài)壓鑄件	358	2.9
	397	3.8
	405	2.9

3.2　鍛造
　　半固態(tài)金屬鍛造與半固態(tài)金屬觸變壓鑄實質(zhì)上并無明顯差別，其主要不同之處在于半固態(tài)金屬在鍛造設備上加工成形。鍛造半固態(tài)金屬可以在較低的壓力下進行，如圖8所示^［6］，這使得一些傳統(tǒng)鍛造無法成形的形狀復雜構(gòu)件可以用半固態(tài)金屬鍛造方法來生產(chǎn)。在半固態(tài)金屬鍛造領域中占領先地位的是美國Alumax公司的子公司Alumax Engineered Metal Processes（AEMP）^［9］。位于田納西州Jackson的工廠耗資7500萬美元，利用該公司擁有的半固態(tài)金屬鍛造專利技術(shù)，每年能生產(chǎn)2.25萬噸高質(zhì)量的汽車零件。該公司最近在阿肯色州的Bentonville又建造了一個生產(chǎn)汽車零件的工廠，該廠裝備有二條完整的半固態(tài)金屬鍛件生產(chǎn)線。其生產(chǎn)流程為將鋁合金液冷卻至半固態(tài)，用電磁攪拌裝置攪拌后在水平連鑄機上鑄成坯料，其晶粒直徑約為30μm。切斷的坯料感應加熱至半固態(tài)（固相率約為0.5），在立式壓力機上鍛造。鍛造速度每秒幾百mm到一千多mm，模壓從幾MPa到十多MPa，甚至更高。材料的加熱、運送、夾持和鍛造均實現(xiàn)了自動化。Alumax生產(chǎn)的第一個半固態(tài)鍛件為福特汽車空調(diào)壓縮機前、后外殼。克萊斯勒公司214匹馬力3.5L24氣門V-6發(fā)動機上也首次使用Alumax的半固態(tài)鍛造鋁合金搖臂軸支座。由于減少了機械加工，357鋁合金半固態(tài)鍛件支座的單價較球鐵的還低13美分。代替球鐵的另一個零件是皮帶輪樞軸托架，其重量由球鐵的0.31kg減為 0.16kg。采用半固態(tài)鍛造后襯套與皮帶輪安裝螺柱可以整體地成型在樞軸托架中，與球鐵件相比，每個半固態(tài)鍛造的鋁件可節(jié)約費用2.15美元^［15］。

圖8　固相率對壓縮變形抗力變化的影響

3.3　壓射成形
　　1988年美國DOW　Chemical　Co發(fā)明了一種新的半固態(tài)金屬成形法，該法將普通壓鑄與注塑成形這兩種工藝結(jié)合在一起，取消了通常的熔化設備，是一種一步成形的半固態(tài)鎂合金加工方法，并取得了專利。1990年后在密執(zhí)安的Ann Arbor成立了獨立的Thixomat,Inc.從事該項技術(shù)的商業(yè)性經(jīng)營。第二代設備于1991年10月投入使用。由HPM公司制造的3920kN半固態(tài)觸變成形壓射設備主要由兩部份組成，其模具的鎖型機構(gòu)與普通壓鑄機的相同，而壓射機構(gòu)則采用帶電熱裝置的螺旋式壓射機構(gòu)，其原理如圖9所示^［16］。顆粒狀的AZ91D鎂合金通過加料器加入到多段控溫的圓筒中，為防止氧化從加料器處通入氬氣，圓筒內(nèi)裝有可前后運動及旋轉(zhuǎn)的螺旋攪拌器。圓筒用感應與電阻兩種方式加熱。轉(zhuǎn)動的螺旋將加熱至半固態(tài)的原材料向前輸送，材料在混合的同時受剪切力的作用，當一定數(shù)量的半固態(tài)鎂合金進入螺旋前方的儲存室后，螺旋即以預定的速度向前運動，將金屬漿料壓射入模腔，壓射完成后，螺旋向后回復到原位。該設備的生產(chǎn)率為123kg/h，可以生產(chǎn)的最大零件的質(zhì)量為1.5kg。對于AZ91D鎂合金壓射溫度為580℃，較普通壓鑄低70～80℃，此時金屬漿料的固相率為0.3。設備從室溫啟動到達到工作溫度約需90min。螺旋壓射時的速度為250～380cm/s，半固態(tài)金屬所受的壓強為31～55MPa。設備由計算機控制，運行1h的平均能耗約為29kW。該法生產(chǎn)的零件尺寸精確，性能也較壓鑄的更為優(yōu)越，見表3。而鎂合金零件的價格則較熱室壓鑄機生產(chǎn)的低10%^［17］。利用該技術(shù)已生產(chǎn)了50萬個以上的調(diào)整器變速箱殼體，生產(chǎn)的零件還有工業(yè)電子顯示器框架、鉸接件、電子儀器殼體等。利用該項技術(shù)已有40多種零件通過了原型試驗，遍及汽車、電子及消費品各個領域。

圖9　鎂合金壓射觸變成型設備示意圖

表3　鎂合金半固態(tài)壓射與壓鑄時的性能比較

方法	合金	σs/MPa	σb/MPa	δ/%	方法	零件	氣孔率/%	方法	零件	氣孔率/%
壓鑄	AZ91	158	209	3.3	壓鑄	試棒	3.2	壓鑄	變速箱殼體	3.4
半固態(tài)壓射	AZ91	161	210	3.9	半固態(tài)壓射	試棒	1.7	半固態(tài)壓射	變速箱殼體	1.4