半固態(tài)金屬加工技術(shù)

改造者：李 軍

半固態(tài)金屬加工技術(shù)是當(dāng)前一項(xiàng)熱門研究領(lǐng)域，本文通過對(duì)MIT工藝、NRC工藝和冷卻斜槽法三種半固態(tài)金屬加工工藝的論述，并就半固態(tài)金屬加工工藝的核心環(huán)節(jié)——坯料制備方法進(jìn)行了詳細(xì)論述，并對(duì)該工藝的應(yīng)用和需要解決的難題作了探討。

半固態(tài)金屬加工技術(shù)（Semi -solidmetal forming，簡(jiǎn)稱SSM）是21 世紀(jì)前沿性的金屬加工技術(shù)，之所以稱之為“半固態(tài)加工”是指金屬在凝固的過程中，對(duì)其進(jìn)行劇烈的攪拌或通過擾動(dòng)控制凝固條件，使得金屬處于一種母液狀態(tài)，抑制樹枝晶的生成或者對(duì)已經(jīng)生成的樹枝晶進(jìn)行破碎，這時(shí)會(huì)有均勻懸浮著一些球狀初生固相或退化的枝晶固相的流變漿料（又叫固-液混合漿料），再對(duì)這種漿料進(jìn)行壓鑄、模鍛等加工成型。這種既不是基于完全的固態(tài)金屬漿料加工成型，也不是基于完全液態(tài)金屬漿料加工成型的方法，人們稱之為半固態(tài)金屬加工技術(shù)。

半固態(tài)金屬加工工藝

半固態(tài)金屬加工成型主要有壓鑄和鍛造兩種手段，此外，現(xiàn)在也有人通過擠壓或者軋制等方法進(jìn)行生產(chǎn)，其工藝路線主要有兩類，一類是流變鑄造（Rheocasting），一類是觸變成型（Thixoforming），對(duì)于前者來說，主要是通過對(duì)金屬凝固過程中進(jìn)行攪拌而獲得半固態(tài)漿料，并讓其保持一定溫度而直接成型，該工藝生產(chǎn)效率高、流程短而倍受歡迎；對(duì)于后者來說，則較為復(fù)雜，是先要把半固態(tài)漿料制成坯料，然后再根據(jù)所需產(chǎn)品的尺寸重新加熱至半固態(tài)溫度后成型，這一工藝雖然復(fù)雜但容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化而被廣泛應(yīng)用。

MIT 工藝

MIT 工藝最早是由美國(guó)的麻省理工學(xué)院Flemings 教授提出的，該工藝是把容器內(nèi)的合金溫度維持在液相線溫度之上，然后對(duì)其合金溶液進(jìn)行短暫攪拌，目的是把容器內(nèi)的合金溫度適當(dāng)降低至液相線溫度，這時(shí)會(huì)在合金熔體內(nèi)產(chǎn)生許多晶核，然后去除攪拌器，保留合金在半固態(tài)狀態(tài)，使其處于絕熱狀態(tài)并把其冷卻到要制成的成型溫度。MIT 工藝具有操作簡(jiǎn)便，在流變鑄造中得到了廣泛應(yīng)用，但其半固態(tài)組織的獲得是受到攪拌速度的影響，因此，改進(jìn)MIT 工藝需要在攪拌的同時(shí)做好熱快速釋放。

NRC 工藝

NRC 工藝廣泛應(yīng)用于鎂合金的生產(chǎn)，這一工藝是由日本宇部株式會(huì)社開發(fā)出的一種新型流變工藝，這一工藝的具體流程是先將熔融金屬控制在液相線溫度之上，這一點(diǎn)與MIT 工藝類似，然后把熔融金屬放入隔熱容器中進(jìn)行冷卻，這時(shí)會(huì)在熔融金屬內(nèi)部生成初生相晶粒，與MIT工藝不同的是，NRC 工藝還需要在容器兩端用陶瓷做好防過冷裝置，再利用風(fēng)冷使金屬冷卻到預(yù)先設(shè)定的半固態(tài)溫度，再通過翻轉(zhuǎn)隔熱容器，把半固態(tài)漿料倒入成型設(shè)備中成型。與MIT 工藝相比，NRC 工藝省去了攪拌技術(shù)，與傳統(tǒng)的觸變成形技術(shù)相比，大大降低了生產(chǎn)成本。

冷卻斜槽法

冷卻斜槽法是用于鋁合金和鎂合金的一種半固態(tài)坯料新工藝，冷卻斜槽法的工藝原理是把高于液相溫度線之上的熔融金屬直接倒在冷卻斜槽上，通過冷卻斜槽的作用，在斜槽的表壁上生成許多細(xì)小晶粒，然后再通過金屬流體的沖擊和材料自身的重力作用讓晶粒從斜槽壁上實(shí)現(xiàn)脫落和翻轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)攪拌的預(yù)期效果，達(dá)到固相分離，流變成型和觸變成型的效果。

綜上，與普通的加工鑄造方法不同，半固態(tài)金屬加工工藝具有較多優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在應(yīng)用范圍廣、成型種類多，可以延長(zhǎng)模具的使用壽命，接近或者達(dá)到鑄件的性能等等，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的領(lǐng)域也十分廣泛。

半固態(tài)坯料制備方法

半固態(tài)金屬加工工藝中非常重要的一環(huán)是制備出優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)坯料——棒坯。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來看，目前制備半固態(tài)坯料的方法主要有機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法和應(yīng)變激活法等等。

機(jī)械攪拌法

在半固態(tài)金屬工藝制造中機(jī)械攪拌法是其中最早使用的一種方法，常見的是在熔融金屬中放入攪拌棒以及通過兩個(gè)同心圓筒組成，內(nèi)部圓筒靜止而外部圓筒旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生攪拌效果兩種方式。機(jī)械攪拌法通過控制攪拌的速度和冷卻速度、攪拌溫度等等參數(shù)，讓初生枝晶破碎為顆粒結(jié)構(gòu)。這種方法簡(jiǎn)單，且成本不高，但也有不足之處就是攪拌的區(qū)域難以做到100%全覆蓋，有些拐角之處難以攪拌到，攪拌的葉片容易腐蝕，降低生產(chǎn)效率。

電磁攪拌法

電磁攪拌法顧名思義是運(yùn)用了電磁感應(yīng)，使得凝固的金屬液中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，在外力旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下推動(dòng)金屬固液漿的轉(zhuǎn)動(dòng)，最后讓枝晶狀組織絞碎為非枝晶組織。電磁攪拌法由于運(yùn)用的是感應(yīng)電流原理，對(duì)其中的金屬漿料不會(huì)產(chǎn)生污染，但該項(xiàng)技術(shù)投資大、設(shè)備成本高，工藝復(fù)雜，操作要求高。對(duì)電磁攪拌效果產(chǎn)生影響的因素主要有攪拌的功率、金屬液溫度以及澆注速度等等。

應(yīng)變激活法

應(yīng)變激活法是預(yù)先連續(xù)鑄造晶粒細(xì)小的金屬錠，然后將其熱擠壓成型，在組織中儲(chǔ)存部分變形能量，最后根據(jù)實(shí)際需要再將變形后的金屬錠分切成所需要的大小，并加熱到半固態(tài)。在這一過程中，金屬錠先會(huì)發(fā)生結(jié)晶，然后才會(huì)慢慢出現(xiàn)熔化，固相晶粒分散在液相基體中，獲得需要的半固態(tài)坯料。應(yīng)變激活法具有很多優(yōu)勢(shì)，例如生產(chǎn)的金屬坯料純度高、產(chǎn)量大，但也有不足，就是生產(chǎn)成本較高。

半固態(tài)加工技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

半固態(tài)金屬加工工藝應(yīng)用廣泛，1978 年，美國(guó)Alumax 公司率先研發(fā)出觸變生產(chǎn)線，并將其應(yīng)用到汽車零部件的生產(chǎn)中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，短短的幾年時(shí)間公司的生產(chǎn)能力就得到了大幅度提升，而且所生產(chǎn)出的鋁合金壓縮活塞成品率達(dá)到了幾乎100%。歐盟、美國(guó)和日本成為了半固態(tài)鑄造技術(shù)的主要生產(chǎn)區(qū)，零件單重從10g 到10kg，直徑最大可以達(dá)到500mm。

我國(guó)的半固態(tài)金屬加工工藝研究和應(yīng)用起步較晚，最早是在上世紀(jì)80 年代后期，先是在東南大學(xué)、北京科技大學(xué)等一些高校進(jìn)行了SSM 的科研工作。隨著近年來，對(duì)于半固態(tài)金屬加工工藝研究的加大，也取得了一些可喜成績(jī)。1998 年，國(guó)家在“863”計(jì)劃中給予了半固態(tài)擠壓研究的大力支持，在北京有色金屬研究總院建立起一條半固態(tài)材料制備試驗(yàn)生產(chǎn)線，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了A357 鋁合金半固態(tài)半連續(xù)流變的鑄造成果。

結(jié)語

半固態(tài)金屬加工工藝的優(yōu)勢(shì)十分顯著，理論研究與實(shí)際應(yīng)用都在同步的推進(jìn)中，其中，半固態(tài)工藝融合了鑄造工藝和鍛造工藝的諸多優(yōu)勢(shì)，成形流動(dòng)應(yīng)力低，這是超塑性鍛造或者等溫鍛造工藝都難以比擬的，成型效果好，對(duì)于復(fù)雜的制件也可以實(shí)現(xiàn)精密成型。對(duì)于金屬加工來說，固體、半固態(tài)和液態(tài)都是合金的三種狀態(tài)，處于同樣重要的研究地位。與鑄鍛兩種古老、成熟工藝相比，半固態(tài)工藝研究時(shí)間較晚，要發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)還需要在可靠性、完整性等方面加大研發(fā)力度。半固態(tài)金屬加工工藝較為復(fù)雜，在成型設(shè)備及工藝參數(shù)、品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及過程控制等方面還需要大力改進(jìn)，進(jìn)入到生產(chǎn)領(lǐng)域還需要克服的諸多難題。