第六章半固态金属加工

第六章半固态金属加工技术6.1半固态金属加工技术概论20世纪70年代初，美国麻省理工学院(MIT)的Flemings教授等研究者们提出了一种金属成型新方法，即半固态加工技术(Semi-Solid Metal or Semi-Solid Forming，简称SSM 或SSF)。

所谓半固态加工是指金属在凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌或扰动作用，得到一种均匀悬浮着一定量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固-液混合浆料，进而进行加工成型的一种新技术。

这种固-液混合浆料具有很好的流变性能，因此称为流变浆料。

依据流变料浆是否直接用于金属件的加工成形，半固态加工又分为半固态流变成型和半固态触变成型两类。

前者是将制备好的半固态浆料直接用于成型，后者是将流变浆料凝固成锭，在成形时，重新加热至金属的半固态温度区，恢复其流变特性，实现加工成型。

流变料浆凝固成的金属锭一般称为半固态金属坯料。

金属材料从形态来分，主要有两种状态，液态和固态。

相应地传统的金属成形主要分为两类，金属液态凝固成形，如铸造、液态模锻、液态轧制、连铸等，和金属塑性加工成形，如轧制、拉拔、挤压、锻造、冲压等。

凝固成形利用了液态金属的良好流动性，实现成形过程中的充填、补缩，并且可以借助机械压力充填型腔，改善成形件内部质量和尺寸精度。

但从凝固机理知道，凝固加工要想完全消除成型件内部的缺陷是极其困难的，甚至是不可能的。

塑性加工成形是利用固态金属在高温下呈现的良好塑性流动性，在外力的作用下，完成成形过程中的形变和组织转变。

与凝固加工相比，采用塑性加工成形的产品质量明显提高，但由于固态金属变形抗力高，所需变形力大，因此要消耗大量能源，对于复杂零件需要多道工序才能完成。

半固态是金属介于液态和固态的中间态，是金属从液态向固态转变或从固态向液态转变的中间阶段，即金属固相和液相共存的一种状态，对于结晶温度区间宽的合金，半固态阶段较长。

金属在半固态呈现出与液态金属、固态金属明显不同的物理特性，半固态加工技术正是利用这些特性，而发明的一种不同于传统的凝固加工、塑性加工的金属成形加工新方法。

半固态加工综合了凝固加工和塑性加工的长处，其加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成型形状复杂且精度和性能要求较高的部件。

半固态加工是21世纪最有前途的一种材料成形加工方法。

金属三态成型加工方法的相互关系框图示于图6-1。

图6-1金属三态成型加工方法的相互关系框图半固态加工技术打破了传统的枝晶凝固模式，开辟了强制均匀凝固的先河，与以往的金属成型方法相比，半固态金属成型在获得均匀细晶组织、提高力学性能、缩短加工工序、节约能源及成型件性能等方面具有明显的优势。

目前已有包括中国在内的二十多个国家和地区开展了半固态成型研究。

研究对象主要集中在铝合金和镁合金材料的成型。

铝合金半固态成型方法主要有流变压铸、触变压铸、触变锻造等；而镁合金半固态成型的成熟技术目前主要有半固态触变注射成型技术]。

半固态成型技术在美国、日本和欧洲等国已进入规模工业生产阶段，主要应用于汽车、摩托车、通信、电器、兵器、航空航天和医疗器械等领域。

近几年，我国的研究者在国家自然科学基金、国家“863”、“973”计划等的支持下，已经在铝合金半固态加工技术开发和应用方面具备了较好的基础。

对铝合金半固态加工的关键技术，包括半固态材料制备技术、二次加热技术和半固态压铸技术等方面，具备了向产业化转化的技术基础。

与铝合金、镁合金相比，钢铁材料的半固态成型加工技术无论在基础研究方面，还是在应用技术开发方面都存在很大的差距。

由于高温半固态浆料制备、半固态浆料的输送和保温、半固态成型工模具材料的耐高温性能等技术方面的难点，采用半固态加工方法所研究的钢铁材料仅涉及D2、HS62522高速工具钢、100Cr6钢、60Si2Mn弹簧钢、AISI3O4(Cr18Ni8)不锈钢、C80工具钢、铸铁等钢铁材料，半固态加工方法涉及触变压铸、触变锻压、触变挤压和流变轧制、流变锻造及喷铸成型等。

6.2 半固态金属料浆的特性半固态金属料浆中固液两相相混合共存，凝固的固相颗粒浸润在金属液体中。

在低固相分数时，液相成连续相，固相成分布于液相之中。

高固相分数时，液相成分仅分布于固相颗粒晶界，成非连续相。

图6-2为半固态金属料浆的内部结构组织。

图6-2 半固态金属料浆的内部结构组织示意图(a)高固相分数的半固态料浆；(b)低固相分数的地半固态料浆半固态金属料浆具有以下特点：（1）料浆中固液两相共存，固液界面的熔化和凝固处于动态平衡状态，因此，溶质元素的局部浓度不断变化。

（2）由于晶粒间或固相颗粒间夹有液相成分，固相粒子间几乎没有结合力，宏观流动变形抗力很低。

（3）随着固相分数的降低，呈现黏性流体特性，在微小外力作用下即可很容易变形流动。

（4）当固相分数在极限值以下时（约75%），浆料可以进行搅拌，并可很容易地混入异种材料的粉末、纤维等，如图4-3所示。

利用半固态金属料浆的这种特性，可以制备金属相为连续基相的金属基复合材料。

图6-3 半固态金属料浆易于通过搅拌混合实现金属基复合材料的制备图6-4半固态金属料浆由于液相的存在易于(a)分离和(b)结合（5）由于固相粒子间几乎无结合力，在特定部位虽然容易分离，但由于液相成分的存在，又可很容易地将分离的部位连接形成一体，如图6-4所示。

不仅半固态金属料浆间易于结合成一体，而且与固态金属材料也很容易形成很好的结合。

（6）即使半固态金属含有陶瓷颗粒、纤维等难以加工成形的材料，也可以通过半熔融状态在低加工力下进行成形加工.（7）当施加外力时，存在液相成分和固相成分分别流动的情况，一般来说，液相成分比固相成分先行流动，如图6-5所示。

（8）以上现象在固相很高、很低或加工速度特别高的情况下都很难发生，主要是在中间固相分数范围或低加工速度情况下表现显著。

图6-5 半固态金属料浆变形时的液相先行流动倾向半固态金属料浆的特性使得半固态加工技术与金属凝固成型和塑性成型等传统的加工方法相比具有许多独特的优点：（1）黏度半固态金属比液态金属高，容易控制。

模具夹带的气体少，减少氧化，改善加工性，减少模具粘结，可进行更高速的部件成形，改善表面光洁度，易实现自动化和形成新加工工艺。

（2）流动应力比固态金属低。

半固态浆料具有流动性和触变性，变形抗力非常小，可以更高地速度成型部件，而且可以进行复杂件成形，缩短加工周期，提高材料利用率，有利于节能节材，并可进行连续性状的高速成形（如挤压），加工成本低。

（3）应用范围广。

凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。

可适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等，并可进行材料的复合及成形。

6.3半固态合金的显微组织及其形成机理与常规铸造方法形成的枝晶组织不同，流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显微组织。

并且，半固态金属的非枝晶、近球形的组织结构的形成和演化过程是一个不可逆的结构演化过程，即一旦球形的结构生成了，只要在液固区，无论怎样升降合金的温度，它也不会变成枝晶。

半固态合金组织是由细小、等轴的非枝晶初始晶粒与后凝固的液相组成。

半固态料浆制备结晶开始时，随温度的下降，晶核是以枝晶生长方式生长。

但是，由于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈冲刷，枝晶臂被打断，形成了更多的细小晶粒，其自身结构也逐渐向蔷薇形演化。

随着温度的继续下降，搅拌的作用最终使得这种蔷薇形结构演化成更简单的球形结构。

演化过程如图6-6所示。

图6-6半固态合金组织球形晶粒演化过程示意图图6-7 枝晶臂根部熔断机制示意图国内外不少学者对球形晶粒形成机理及演化过程进行了大量研究。

发现半固态料浆搅动时的组织演变受很多因素影响，如半固态料浆的温度、固相分数、搅拌速度等。

目前，关于有色金属半固态组织演变机制，一般认为主要遵循以下几种机理。

(1)枝晶臂根部断裂机制。

由于切变力的作用，枝晶臂在根部断裂。

最初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶体，施加强力搅拌产生切变力使枝晶臂在根部断裂。

(2)枝晶臂根部熔断机制。

如图6-7所示，枝晶臂根部熔断主要发生在使表面积减少的枝晶长大过程中。

由于液体流动加速液体中的扩散，引起热振动和在根部产生有助于熔化的应力，同时在根部固体中较高质量分数的溶质也将降低熔点，促进枝晶臂根部熔断产生。

(3)枝晶弯曲机制。

枝晶臂在流动应力作用下发生弯曲，产生位错导致发生塑性变形。

在固相线以上温度，即两相区，位错间发生攀移并相互结合形成晶界，当相邻晶粒的倾角超过20o时，晶粒晶界能超过固-液界面能的两倍，液相将侵入晶界并迅速渗入，从而使技晶臂从主干分离。

在了解了半固态铸造组织演变机制后，我们可以更深的认知其演化过程。

在凝固开始时对液体进行强烈搅拌，从较大的树枝晶脱离下来不是球状的枝晶臂。

每一个枝晶臂结构继续枝状长大，然而在凝固过程中由于长大及与其他晶粒发生剪切、磨损作用，枝状晶变成蔷薇状共晶组织。

在进一步冷却过程中晶粒的蔷薇化继续加深，直至足够的过冷和高的剪切速度下，颗粒变成球状（图6-6）。

随着切变速度、凝固量的增加和冷却速度的降低，晶粒由枝晶形态转变为球形的趋势增加。

在半固态金属铸造组织演化的过程中，也存在着可逆的“大结构”转化过程。

所谓“大结构”是指处于合适位向的固相微粒在相互碰撞中，会在接触点“焊合”在一起，并逐渐附聚成团。

当剪切速率较低的时候，“焊合”在一起的固相微粒不易被打散，即发生“有效碰撞”的几率较高，容易形成“大结构”。

当剪切速率很高时，由于搅拌力大，固相微粒发生焊合很困难，而且原先焊合在一起的也容易被打散。

在等温搅拌时，随剪切速率降低或上升，“大结构”也随着产生或消失。

固相微粒尺寸大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快，固相微粒尺寸越小，冷却速度越慢，固相微粒尺寸越大。

6.4 影响铝合金半固态凝固组织的因素半固态浆料是半固态加工成型的基础，其微观组织结构直接决定着半固态合金的凝固组织。

而用于半固态加工成形的金属半固态浆料或坯料的主要是在合金的固液共存区温度范围内，通过电磁搅拌或机械搅拌扰动金属的凝固过程获得的。

下面主要从合金组成、搅拌强度、搅拌温度和搅拌过程的冷却速度等方面分析一下其对铝合金半固态凝固组织的影响。

（一）合金成分的影响合金成分变化，部分凝固合金的流变组织会发生变化。

图6-8是合金Al-5%Cu 和Al-10%Cu的流变组织，比较可知Cu含量增加使固相中包裹的液相增多。

这是因为，合金溶质浓度越高，越有利于产生成分过冷，从而使固-液界面越不稳定，导致固-液界面更加不光滑。

而颗粒的固-液界面越不光滑，它包裹的液相越多。

这部分液相不参加流动，而随包裹它的固相一起运动，因而使实际液相量减少固相分数增加。

图6-8 (a) Al-5%Cu、(b)Al-10%Cu合金半固态流变组织（二）搅拌强度搅拌的一个重要作用就是细化晶粒。