金屬材料成型-6.2-半固態(tài)成形技術路線

金屬材料成型技術

第六章

半固態(tài)成型6.2半固態(tài)成形技術路線

半固態(tài)成形工藝路線主要分為兩條：一條是金屬從液態(tài)降溫到半固態(tài)溫度，在冷卻過程中通常進行強烈攪拌等方式，促使其非枝晶化，然后對所得到的半固態(tài)漿料直接成形，被稱為流變成形；另一條是金屬從固態(tài)升溫到半固態(tài)溫度，為了保證同樣獲得球形固相被液相包圍的非枝晶組織，通常是把通過攪拌等方式得到的半固態(tài)合金先冷卻保存，得到可室溫搬運的大塊坯料，然后在成形前，預先按產品重量將坯料定量分割，再送入加熱設備中重熔至半固態(tài)狀態(tài)，最后把坯料置于成形設備中加工成形，被稱為觸變成形。在實際應用中工藝往往有所延伸和變化，人們對兩條工藝路線有時辨別不清，實際上，區(qū)別兩者的一個簡單方法是看零件成形前的溫度控制，流變成形是降溫過程，觸變成形是升溫加熱過程。

圖6-8半固態(tài)成形技術的兩種工藝路線對于流變成形，由于把漿料制備和加工成形相承接，具有生產效率高、整體流程短的特點，近年來發(fā)展十分迅速，不過漿料的保存和輸送難度大，設備自動化控制復雜，成本相對高。對于觸變成形，漿料的制備和最終成形可分開進行，成形廠方甚至可以不用參與熔煉制漿，只需提供二次加熱，工業(yè)污染小，而且半固態(tài)坯料輸送方便，易于實現(xiàn)自動化，因而在國外較早得到了廣泛應用，不過這種方式的缺點是坯料經(jīng)過冷卻和再加熱的過程，能源消耗有所增加。

不論哪種工藝路線，半固態(tài)成形過程中的核心環(huán)節(jié)都是半固態(tài)合金漿料（坯料）的制備，并且漿料制備的穩(wěn)定性決定了產品質量的穩(wěn)定性。經(jīng)過多年發(fā)展，已提出數(shù)十種半固態(tài)漿料制備方法，傳統(tǒng)上一般按照攪拌法與非攪拌法進行分類，但其實也可以按照對溫度的控制進行分類，可分為降溫固化法和升溫液化法，以下分別列舉幾種典型的制漿方法。1）降溫固化法是通過使處于液態(tài)的合金發(fā)生冷卻，通常采用邊攪拌邊冷卻的方式，使坯料形成非枝晶化的組織，其關鍵在于控制凝固過程。發(fā)展比較成熟的幾種方法主要包括機械攪拌法、電磁攪拌法、剪切-冷卻-滾動法和斜坡冷卻法等。

a、機械攪拌法最初的半固態(tài)合金漿料制備研究基本都是采用機械攪拌法。該方法利用攪拌棒或者葉片在熔體中進行機械運動，從而改變熔體中的晶體形核和生長演化方式，在冷卻過程中便能夠使半固態(tài)漿料中含有球狀或近球狀的初生固相。一般機械攪拌法可分為間歇式和連續(xù)式兩種類型，如圖所示。該方法可以獲得很高的剪切速率，同時結構簡單、成本低。但熔體內往往存在攪拌不到的死區(qū)，雖然有研究改進攪拌器結構以改善攪拌效果，不過生產效率低，而且金屬漿料易受污染，發(fā)展至今工業(yè)生產上已較少使用。

圖6-9機械攪拌制備半固態(tài)漿料b、電磁攪拌法電磁攪拌法是目前半固態(tài)成形工業(yè)生產上最成熟最廣泛被應用的制漿方法，它是在感應線圈中通入一定相位的交變交流，從而產生變換旋轉的磁場，而金屬液中便有感應電流產生，洛倫茲力就驅使金屬熔體產生劇烈運動，使非枝晶凝固模式取代傳統(tǒng)的枝晶凝固趨勢，從而獲得含有球形固相的半固態(tài)漿料。如圖6-10所示，按熔體被攪拌力驅動的流動方式，一般分為垂直式、水平式、螺旋式。電磁攪拌采用無接觸式地對合金熔體進行攪動，對合金污染極大降低，且通過調節(jié)電流、磁場強度和頻率等參數(shù)就能實現(xiàn)攪拌效果的控制，可以連續(xù)高效地制備坯料，適用于工業(yè)化的生產應用。但由于電磁攪拌的集膚效應，通常認為，直徑大于150mm的鑄坯不宜采用電磁攪拌法。

圖6-10電磁攪拌制備半固態(tài)漿料c、剪切-冷卻-滾動法剪切-冷卻-滾動法由日本學者開發(fā)，在1996年申請了美國專利。該裝置的組成部分主要包括：旋轉冷卻輥、固定的彎曲固定板和剝離器。如圖所示，當合金熔液由頂部注入間隙中，隨即被旋轉的軋輥卷入間隙內部，在與軋輥及固定板接觸過程中，部分熔體發(fā)生冷卻凝固，但隨即又被旋轉軋輥和固定曲板所沖刷，剪切力使已凝固部分碎化成細小顆粒分散在液相里，從而使從間隙中流出的半固態(tài)漿料中含有近球形的固相。該工藝方法生產效率高，裝置結構簡單，其中旋轉輥進而固定板的溫度及間隙距離可以調整，易與鑄軋等連續(xù)成形方法相結合，適合應用于批量生產大尺寸制品。

圖6-11剪切-冷卻-滾動法除以上幾種被廣泛研究和應用的漿料制備方法外，還有許多新方法被提出，包括化學晶粒細化法、蛇形通道法、轉動輸送管法、分流匯合澆道法、熱平衡法（Seed）、快速制漿法（RSF）等，都是在傳統(tǒng)方法基礎上進行改善和創(chuàng)新。降溫固化法的關鍵在于對熔體進行擾動，控制其焓變，根據(jù)MIT新的研究表明，如若控制得當，對熔體進行幾秒鐘的擾動便可以獲得良好的半固態(tài)漿料。整體上制漿方法呈現(xiàn)復合化發(fā)展的趨勢，研究人員期望結合不同方法的優(yōu)勢，在獲得良好半固態(tài)漿料組織的同時，實現(xiàn)制備工藝過程穩(wěn)定、坯料質量高和經(jīng)濟性高，以滿足生產應用的需要。

圖6-12半固態(tài)漿料的一些其他制備方法2）升溫液化法通過加熱升溫使原本的固態(tài)合金組織中出現(xiàn)液相，最終形成液相均勻包圍球形固相的非枝晶組織。升溫液化法無需熔煉過程，制備漿料過程簡單，設備投入成本低，安全性更高，漿料加熱到所需的組織狀態(tài)后，直接進行觸變成形。

a、應變誘導熔體激活法應變誘導熔體激活法（StrainInducedMeltActivation，SIMA）的具體工藝流程為：將常規(guī)合金鑄錠首先在固相線以下、再結晶溫度以上的溫度區(qū)間內進行較大變形量的熱加工變形，使原始的鑄態(tài)組織發(fā)生碎化或變形，然后在室溫下再對合金施加一定的冷變形，使合金組織中進一步儲存變形能，為再結晶提供準備條件，然后對合金進行半固態(tài)溫度下的等溫熱處理，便能夠獲得具有非枝晶組織的半固態(tài)坯料。具體而言，在加熱過程中，合金首先發(fā)生回復和再結晶過程，畸變晶粒逐漸被新的等軸晶替代，隨后晶界處低熔點物質熔化，液相沿晶界逐漸增多時，就導致被液相包圍的固相發(fā)生球化，從而獲得具有一定液相率及固相晶粒尺寸和圓度的半固態(tài)坯料。SIMA法具有明顯優(yōu)點，其工藝過程簡單，不需要攪拌過程從而對坯料零污染，且不需要采用復雜高成本的設備就能穩(wěn)定獲得均勻的非枝晶組織坯料，對于生產小尺寸鋁合金產品很具競爭力。

圖6-13SIMA法工藝路線圖b、粉末法粉末法即是基于傳統(tǒng)的粉末冶金法，通過將金屬粉末混合、壓塊，然后再進行快速感應加熱，使一種粉末熔化或不同成分粉末相互擴散形成合金，區(qū)別在于加熱時間要比通常燒結延長，使顆粒界面發(fā)生部分熔化，從而得到半固態(tài)金屬漿料。這個過程中顆粒聚集的機會很小，進而可以得到顆粒尺寸均勻細?。ǎ?0μm）的非枝晶組織，同時由于這種方法以工業(yè)粉體為原料，將制坯與成形融為一體，過程控制方便，生產率高。粉體的形狀、尺寸決定了半固態(tài)組織的情況，因此該方法對粉體制備的技術水平要求較高，在工業(yè)化應用上受到限制。

c、注射成型法注射成型法是將低熔點金屬顆粒進行加熱至半固態(tài)成型，尺寸為幾毫米的合金粒子在料筒中邊被加熱邊被螺旋體剪切推進，通過螺旋強制對流的攪拌作用，得到細小均勻球狀晶的半固態(tài)漿料組織，然后以高速（注塑十倍速度）注入模腔里。這種方法非常適于相對較活潑的鎂合金材料，在整個漿料制備和成型工藝中可以不使用保護氣體和防氧化劑，不需要配備熔化爐，而且不會產生浮渣、爐渣等，兼顧安全性和環(huán)保。

圖6-14

鎂合金觸變注射成型裝備參考圖多種多樣的制漿工藝方法層出不窮，目的都是為了獲得良好的半固態(tài)漿料組織及成型，實現(xiàn)滿足特定的性能需求。在實際生產應用中，半固態(tài)金屬漿料可以大致分為兩大類：一是“類液漿料”