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半固态金属成形技术的发展与应用
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 汪之清 点击:
70年代初美国麻省理工学院的M.Flemigs和D.Spencer发现，处于固-液相区间的合金经过连续搅拌后呈现出低的表观粘度，此时在结晶过程中形成的树枝晶被粒状晶代替。这种浆料很容易变形，只要加很小的力就可以充填复杂的型腔，从而开发出一种新的金属成形方法—半固态金属成形。半固态金属成形可以分为流变成形和触变成形两种。前者是利用半固态金属的流变性能，将经过强烈搅拌的金属浆料加压成形。后者则利用金属的触变性能，将凝固的搅拌金属浆料加热至半固态再加压成形。半固态金属成形具有能消除气孔、缩孔，提高零件的机械性能及寿命，减少凝固收缩，提高零件尺寸精度等优点。半固态金属易于搬运和输送，为连续高效的自动化生产创造了条件。在节省能源、保护环境方面也较传统的方法更为优越。目前美国、西欧已将半固态加工成形技术应用于生产。美国军方把用流变铸造法制造复合材料坦克零件列为五年工艺研制规划之一。在川崎制铁等18家大型公司的资助下，日本从1988～1994年成立了专门研究机构，对半固态金属的性能、制造与加工技术进行了全面的研究，目前已着手工业化生产。我国对半固态金属成形技术的研究基本上还处于实验室阶段，离工业性生产尚有一定距离。
1半固态金属的流变特性
半固态金属的流变特性是指在外力作用下半固态金属的流动、变形性能。研究半固态金属的流变特性对半固态金属的制备和成形技术具有重要的指导意义。当金属液中固体金属颗粒的组分大于0.05～0.1时，其流变行为即呈现非牛顿体型。在更高的固体组分(0.5～0.6)时，浆料呈非线性粘塑性，具有宾汉(Binghan)流体的特性。虽然合金成份、半固态金属的制造条件、固体相的形状与大小等因素对半固态金属的流变性能都有影响，但固相组分的数量对流变性能的影响最大。通常用半固态金属的表观粘度作为其流变性的指标。通过在一定剪切变形速度及冷却条件下的搅拌试验，测定了在不同固体组分下的铝、铜、铁半固态金属的表观粘度，见图1，并采用悬浊液的粘度公式对表观粘度与固相率的关系进行回归分析，得到如公式(1)所示的半固态金属表观粘度表示式〔1〕：
上述情况都是在搅拌试验进行几十分钟，粘度不再变化，达到稳定状态时得出的结果。对于连续冷却状态，则表观粘度较稳定态的稍高。在实际成型加工中，半固态金属充填型腔的时间只持续几秒钟，在这一瞬间由于液体相的粘度，固体颗粒的数量、大小、形貌均在变化，情况变得十分复杂。文献〔3〕通过对锡-15%铅所作的试验后指出，在给定的结构下，半固态浆料的瞬时结构特性为随着剪切率的增加表观粘度有所增加。
将搅拌的半固态金属浆料凝固后再重新加热至半固态，由于半固态金属的触变性，当切变速率很小或等于零时，半固态金属的粘度很高，可以象固体一样夹持及搬运，而当其受到较高剪切应力，产生较大切变速率时，粘度迅速降低，变得与流体一样很容易成形。和其它具有触变性能的材料一样，半固态金属浆料也具有滞后回线现象，如图3所示。对于初晶为树枝状的半固态合金，当固相率达到0.3左右就无法流动，而初晶形状为近乎圆形的半固态合金，即使固相率超过0.5，也还有流动性，这说明凝固时晶粒形态对流变性有重大影响。制造半固态金属浆料时，搅拌速度、冷却速度及固相组分对非树枝状结构的生成具有如图4所示的影响〔4〕。
生产中常用机械或电磁搅拌的方法来制备金属浆料，用这两种方法可以得到固体组分的颗粒大小在50～100μm范围内的浆料。图5为采用机械搅拌方式连续生产金属浆料的装置〔5〕。对于铝、铜合金和铸铁，该法可实现固相率为0.5的浆料的连续生产。机械搅拌也可采用剪切冷却辊方式〔6〕。电磁搅拌法与机械搅拌相比，减少了搅拌器对浆料的污染，但在制备高固相率的浆料时，搅拌速度会急剧降低，表观粘度迅速增加，使浆料的排出发生困难。图6为一种采用半固态金属制造铝基复合材料的电磁搅拌装置〔7〕。该装置中的4对磁极以0～3000r/min的速度回转。为了使浆料产生三维运动，磁铁与旋转中心轴之间有10°的偏转角，呈螺旋形放置。采用该装置已制造出A356铝合金为基体，加入平均颗粒尺寸为29μm 的20vol%SiC颗粒的复合材料锭。
3半固态金属的成形与应用
对于各种合金只要有固、液相同时存在的凝固区间，都可以进行半固态金属成形加工。已经对铝、镁、锌、铜合金及钢、铸铁、镍基超耐热合金、复合材料进行过许多试验研究。目前应用的合金还是直接取自现有的铸造或锻造合金系列，例如铝合金为3XXX系列铝硅铸造合金及2XXX、7XXX系列锻造合金。应用得最多的为A356合金，其凝固区间约为60℃。镁合金则主要为AZ91D。至今专门应用于半固态成形的合金的研究工作还做得不多。在美国和西欧铝、镁合金的半固态成形主要用于汽车零件的生产。日本则对黑色金属的半固态成形作过较多的研究。
3.1压铸
目前生产中主要采用触变成型压铸铝合金铸件，如图7所示。在西欧比较有代表性的公司是瑞士和德国的Alusisse/Alusingen，意大利的Stampal及法国的Pechiney。在德国Singer的Alusingen工厂装备了9800kN的压铸机及同时能加热12个坯料的加热工段，该生产线于1996年投产，主要生产汽车零件〔9〕。由半固态金属压铸件上切取的试样的机械性能如表1所示〔10〕。Stampal公司除用该法大量生产汽车零件外，还生产航空和航天用构件，其典型产品为福特Zeta发动机的燃油分配器。美国宾夕法尼亚洲Johnstown的Concurrent Technologies Corp.(CTC)起着国防部的金属加工制造技术国家中心(NCEMT)的作用。该公司用触变压铸成形法生产的A356铝合金铸件的机械性能为σb=315MPa,σs=266MPa,δ=12%〔9〕。正在进行的一项具有挑战性的新研究项目为生产用于LPD-17两栖攻击舰的钛液压操纵阀。目前用半固态金属压铸法生产的最大构件质量达6.7kg，系牌号为“欧洲人”汽车的后部悬挂构件，并已于1995年投产。用该法压铸的汽车构件还有主制动器缸体、齿条传动的操纵壳体、转向横拉杆头、喷油轨、托架等。触变压铸成形也可在立式压铸机上进行，日本已在这方面取得了专利〔11〕。
半固态金属锻造与半固态金属触变压铸实质上并无明显差别，其主要不同之处在于半固态金属在锻造设备上加工成形。锻造半固态金属可以在较低的压力下进行，如图8所示〔6〕，这使得一些传统锻造无法成形的形状复杂构件可以用半固态金属锻造方法来生产。在半固态金属锻造领域中占领先地位的是美国Alumax公司的子公司Alumax Engineered Metal Processes(AEMP)〔9〕。位于田纳西州Jackson的工厂耗资7500万美元，利用该公司拥有的半固态金属锻造专利技术，每年能生产2.25万吨高质量的汽车零件。该公司最近在阿肯色州的Bentonville又建造了一个生产汽车零件的工厂，该厂装备有二条完整的半固态金属锻件生产线。其生产流程为将铝合金液冷却至半固态，用电磁搅拌装置搅拌后在水平连铸机上铸成坯料，其晶粒直径约为30μm。切断的坯料感应加热至半固态(固相率约为0.5)，在立式压力机上锻造。锻造速度每秒几百mm到一千多mm，模压从几MPa到十多MPa，甚至更高。材料的加热、运送、夹持和锻造均实现了自动化。Alumax生产的第一个半固态锻件为福特汽车空调压缩机前、后外壳。克莱斯勒公司214匹马力3.5L24气门V-6发动机上也首次使用Alumax的半固态锻造铝合金摇臂轴支座。由于减少了机械加工，357铝合金半固态锻件支座的单价较球铁的还低13美分。代替球铁的另一个零件是皮带轮枢轴托架，其重量由球铁的0.31kg减为0.16kg。采用半固态锻造后衬套与皮带轮安装螺柱可以整体地成型在枢轴托架中，与球铁件相比，每个半固态锻造的铝件可节约费用2.15美元〔15〕。
1988年美国DOWChemicalCo发明了一种新的半固态金属成形法，该法将普通压铸与注塑成形这两种工艺结合在一起，取消了通常的熔化设备，是一种一步成形的半固态镁合金加工方法，并取得了专利。1990年后在密执安的Ann Arbor成立了独立的Thixomat,Inc.从事该项技术的商业性经营。第二代设备于1991年10月投入使用。由HPM公司制造的3920kN半固态触变成形压射设备主要由两部份组成，其模具的锁型机构与普通压铸机的相同，而压射机构则采用带电热装置的螺旋式压射机构，其原理如图9所示〔16〕。颗粒状的AZ91D镁合金通过加料器加入到多段控温的圆筒中，为防止氧化从加料器处通入氩气，圆筒内装有可前后运动及旋转的螺旋搅拌器。圆筒用感应与电阻两种方式加热。转动的螺旋将加热至半固态的原材料向前输送，材料在混合的同时受剪切力的作用，当一定数量的半固态镁合金进入螺旋前方的储存室后，螺旋即以预定的速度向前运动，将金属浆料压射入模腔，压射完成后，螺旋向后回复到原位。该设备的生产率为123kg/h，可以生产的最大零件的质量为1.5kg。对于AZ91D镁合金压射温度为580℃，较普通压铸低70～80℃，此时金属浆料的固相率为0.3。设备从室温启动到达到工作温度约需90min。螺旋压射时的速度为250～380cm/s，半固态金属所受的压强为31～55MPa。设备由计算机控制，运行1h的平均能耗约为29kW。该法生产的零件尺寸精确，性能也较压铸的更为优越，见表3。而镁合金零件的价格则较热室压铸机生产的低10%〔17〕。利用该技术已生产了50万个以上的调整器变速箱壳体，生产的零件还有工业电子显示器框架、铰接件、电子仪器壳体等。利用该项技术已有40多种零件通过了原型试验，遍及汽车、电子及消费品各个领域。
1半固态金属的流变特性
半固态金属的流变特性是指在外力作用下半固态金属的流动、变形性能。研究半固态金属的流变特性对半固态金属的制备和成形技术具有重要的指导意义。当金属液中固体金属颗粒的组分大于0.05～0.1时，其流变行为即呈现非牛顿体型。在更高的固体组分(0.5～0.6)时，浆料呈非线性粘塑性，具有宾汉(Binghan)流体的特性。虽然合金成份、半固态金属的制造条件、固体相的形状与大小等因素对半固态金属的流变性能都有影响，但固相组分的数量对流变性能的影响最大。通常用半固态金属的表观粘度作为其流变性的指标。通过在一定剪切变形速度及冷却条件下的搅拌试验，测定了在不同固体组分下的铝、铜、铁半固态金属的表观粘度，见图1，并采用悬浊液的粘度公式对表观粘度与固相率的关系进行回归分析，得到如公式(1)所示的半固态金属表观粘度表示式〔1〕：
图1固相率与表观粘度间的关系(曲线为回归结果)
图2A356铝合金浆料稳态表观粘度与剪切率的关系
(2)
式中：η—表观粘度，γ—剪切率，C—稠度，m—为指数，其数值为-1.2至-1.3。上述情况都是在搅拌试验进行几十分钟，粘度不再变化，达到稳定状态时得出的结果。对于连续冷却状态，则表观粘度较稳定态的稍高。在实际成型加工中，半固态金属充填型腔的时间只持续几秒钟，在这一瞬间由于液体相的粘度，固体颗粒的数量、大小、形貌均在变化，情况变得十分复杂。文献〔3〕通过对锡-15%铅所作的试验后指出，在给定的结构下，半固态浆料的瞬时结构特性为随着剪切率的增加表观粘度有所增加。
将搅拌的半固态金属浆料凝固后再重新加热至半固态，由于半固态金属的触变性，当切变速率很小或等于零时，半固态金属的粘度很高，可以象固体一样夹持及搬运，而当其受到较高剪切应力，产生较大切变速率时，粘度迅速降低，变得与流体一样很容易成形。和其它具有触变性能的材料一样，半固态金属浆料也具有滞后回线现象，如图3所示。对于初晶为树枝状的半固态合金，当固相率达到0.3左右就无法流动，而初晶形状为近乎圆形的半固态合金，即使固相率超过0.5，也还有流动性，这说明凝固时晶粒形态对流变性有重大影响。制造半固态金属浆料时，搅拌速度、冷却速度及固相组分对非树枝状结构的生成具有如图4所示的影响〔4〕。
图3半固态金属剪切应力与粘度的触变现象 图4非树枝晶结构生成机理示意图
生产中常用机械或电磁搅拌的方法来制备金属浆料，用这两种方法可以得到固体组分的颗粒大小在50～100μm范围内的浆料。图5为采用机械搅拌方式连续生产金属浆料的装置〔5〕。对于铝、铜合金和铸铁，该法可实现固相率为0.5的浆料的连续生产。机械搅拌也可采用剪切冷却辊方式〔6〕。电磁搅拌法与机械搅拌相比，减少了搅拌器对浆料的污染，但在制备高固相率的浆料时，搅拌速度会急剧降低，表观粘度迅速增加，使浆料的排出发生困难。图6为一种采用半固态金属制造铝基复合材料的电磁搅拌装置〔7〕。该装置中的4对磁极以0～3000r/min的速度回转。为了使浆料产生三维运动，磁铁与旋转中心轴之间有10°的偏转角，呈螺旋形放置。采用该装置已制造出A356铝合金为基体，加入平均颗粒尺寸为29μm 的20vol%SiC颗粒的复合材料锭。
图5机械搅拌式半固态金属制造装置 图6制造铝基复合材料用电磁搅拌装置
3半固态金属的成形与应用
对于各种合金只要有固、液相同时存在的凝固区间，都可以进行半固态金属成形加工。已经对铝、镁、锌、铜合金及钢、铸铁、镍基超耐热合金、复合材料进行过许多试验研究。目前应用的合金还是直接取自现有的铸造或锻造合金系列，例如铝合金为3XXX系列铝硅铸造合金及2XXX、7XXX系列锻造合金。应用得最多的为A356合金，其凝固区间约为60℃。镁合金则主要为AZ91D。至今专门应用于半固态成形的合金的研究工作还做得不多。在美国和西欧铝、镁合金的半固态成形主要用于汽车零件的生产。日本则对黑色金属的半固态成形作过较多的研究。
3.1压铸
目前生产中主要采用触变成型压铸铝合金铸件，如图7所示。在西欧比较有代表性的公司是瑞士和德国的Alusisse/Alusingen，意大利的Stampal及法国的Pechiney。在德国Singer的Alusingen工厂装备了9800kN的压铸机及同时能加热12个坯料的加热工段，该生产线于1996年投产，主要生产汽车零件〔9〕。由半固态金属压铸件上切取的试样的机械性能如表1所示〔10〕。Stampal公司除用该法大量生产汽车零件外，还生产航空和航天用构件，其典型产品为福特Zeta发动机的燃油分配器。美国宾夕法尼亚洲Johnstown的Concurrent Technologies Corp.(CTC)起着国防部的金属加工制造技术国家中心(NCEMT)的作用。该公司用触变压铸成形法生产的A356铝合金铸件的机械性能为σb=315MPa,σs=266MPa,δ=12%〔9〕。正在进行的一项具有挑战性的新研究项目为生产用于LPD-17两栖攻击舰的钛液压操纵阀。目前用半固态金属压铸法生产的最大构件质量达6.7kg，系牌号为“欧洲人”汽车的后部悬挂构件，并已于1995年投产。用该法压铸的汽车构件还有主制动器缸体、齿条传动的操纵壳体、转向横拉杆头、喷油轨、托架等。触变压铸成形也可在立式压铸机上进行，日本已在这方面取得了专利〔11〕。
图7半固态金属压铸流程图
表1半固态金属压铸件上切取试样的机械性能
表2铸铁压铸件的机械性能
半固态金属锻造与半固态金属触变压铸实质上并无明显差别，其主要不同之处在于半固态金属在锻造设备上加工成形。锻造半固态金属可以在较低的压力下进行，如图8所示〔6〕，这使得一些传统锻造无法成形的形状复杂构件可以用半固态金属锻造方法来生产。在半固态金属锻造领域中占领先地位的是美国Alumax公司的子公司Alumax Engineered Metal Processes(AEMP)〔9〕。位于田纳西州Jackson的工厂耗资7500万美元，利用该公司拥有的半固态金属锻造专利技术，每年能生产2.25万吨高质量的汽车零件。该公司最近在阿肯色州的Bentonville又建造了一个生产汽车零件的工厂，该厂装备有二条完整的半固态金属锻件生产线。其生产流程为将铝合金液冷却至半固态，用电磁搅拌装置搅拌后在水平连铸机上铸成坯料，其晶粒直径约为30μm。切断的坯料感应加热至半固态(固相率约为0.5)，在立式压力机上锻造。锻造速度每秒几百mm到一千多mm，模压从几MPa到十多MPa，甚至更高。材料的加热、运送、夹持和锻造均实现了自动化。Alumax生产的第一个半固态锻件为福特汽车空调压缩机前、后外壳。克莱斯勒公司214匹马力3.5L24气门V-6发动机上也首次使用Alumax的半固态锻造铝合金摇臂轴支座。由于减少了机械加工，357铝合金半固态锻件支座的单价较球铁的还低13美分。代替球铁的另一个零件是皮带轮枢轴托架，其重量由球铁的0.31kg减为0.16kg。采用半固态锻造后衬套与皮带轮安装螺柱可以整体地成型在枢轴托架中，与球铁件相比，每个半固态锻造的铝件可节约费用2.15美元〔15〕。
图8固相率对压缩变形抗力变化的影响
1988年美国DOWChemicalCo发明了一种新的半固态金属成形法，该法将普通压铸与注塑成形这两种工艺结合在一起，取消了通常的熔化设备，是一种一步成形的半固态镁合金加工方法，并取得了专利。1990年后在密执安的Ann Arbor成立了独立的Thixomat,Inc.从事该项技术的商业性经营。第二代设备于1991年10月投入使用。由HPM公司制造的3920kN半固态触变成形压射设备主要由两部份组成，其模具的锁型机构与普通压铸机的相同，而压射机构则采用带电热装置的螺旋式压射机构，其原理如图9所示〔16〕。颗粒状的AZ91D镁合金通过加料器加入到多段控温的圆筒中，为防止氧化从加料器处通入氩气，圆筒内装有可前后运动及旋转的螺旋搅拌器。圆筒用感应与电阻两种方式加热。转动的螺旋将加热至半固态的原材料向前输送，材料在混合的同时受剪切力的作用，当一定数量的半固态镁合金进入螺旋前方的储存室后，螺旋即以预定的速度向前运动，将金属浆料压射入模腔，压射完成后，螺旋向后回复到原位。该设备的生产率为123kg/h，可以生产的最大零件的质量为1.5kg。对于AZ91D镁合金压射温度为580℃，较普通压铸低70～80℃，此时金属浆料的固相率为0.3。设备从室温启动到达到工作温度约需90min。螺旋压射时的速度为250～380cm/s，半固态金属所受的压强为31～55MPa。设备由计算机控制，运行1h的平均能耗约为29kW。该法生产的零件尺寸精确，性能也较压铸的更为优越，见表3。而镁合金零件的价格则较热室压铸机生产的低10%〔17〕。利用该技术已生产了50万个以上的调整器变速箱壳体，生产的零件还有工业电子显示器框架、铰接件、电子仪器壳体等。利用该项技术已有40多种零件通过了原型试验，遍及汽车、电子及消费品各个领域。
图9镁合金压射触变成型设备示意图
表3镁合金半固态压射与压铸时的性能比较
