铝合金半固态锻造工艺研究
半固态压铸工艺
半固态压铸工艺
嘿，你知道吗，有一种超厉害的工艺，叫做半固态压铸工艺。
我记得有一次去参观一家工厂，就亲眼看到了这个工艺的神奇之处。
当时我走进车间，就被各种机器设备吸引住了。
然后就看到工人们正忙碌地操作着，在一个区域，他们正把一些金属材料放进一个特殊的装置里，这就是半固态压铸的设备啦。
只见那些金属材料在里面经过一系列处理后，慢慢变成了一种很奇特的状态，有点像软软的面团，但又不完全是。
接着，这些处于半固态的金属就被准确地注入到模具中，然后经过压铸，不一会儿，一个个形状精美的零件就出来啦！我当时就特别惊讶，原来这些我们生活中用到的好多东西都是通过这样的工艺制造出来的呀。
这个半固态压铸工艺可真不简单呢！它能让金属材料在半固态的状态下更好地成型，生产出来的东西质量更好，也更耐用。
而且它还很高效，能大大提高生产的速度。
就好像一个神奇的魔法师，把那些普通的金属变成了各种各样有用的宝贝。
哎呀呀，这就是半固态压铸工艺啦，是不是很有意思呀！真的是一种超级实用又厉害的工艺呢！。
金属材料成型_6.2_半固态成形技术路线
图6-8 半固态成形技术的两种工艺路线
对于流变成形，由于把浆料制备和加工成形相承接，具有生产效率高 、整体流程短的特点，近年来发展十分迅速，不过浆料的保存和输送难度 大，设备自动化控制复杂，成本相对高。对于触变成形，浆料的制备和最 终成形可分开进行，成形厂方甚至可以不参与熔炼制浆，只需提供二次 加热，工业污染小，而且半固态坯料输送方便，易于实现自动化，因而在 国外较早得到了广泛应用，不过这种方式的缺点是坯料经过冷却和再加热 的过程，能源消耗有所增加。
图6-9 机械搅拌制备半固态浆料
b、电磁搅拌法
电磁搅拌法是目前半固态成形工业生产上最成熟最广泛被应用的制浆 方法，它是在感应线圈中通入一定相位的交变交流，从而产生变换旋转的 磁场，而金属液中便有感应电流产生，洛伦兹力就驱使金属熔体产生剧烈 运动，使非枝晶凝固模式取代传统的枝晶凝固趋势，从而获得含有球形固 相的半固态浆料。如图6-10所示，按熔体被搅拌力驱动的流动方式，一般 分为垂直式、水平式、螺旋式。电磁搅拌采用无接触式地对合金熔体进行 搅动，对合金污染极大降低，且通过调节电流、磁场强度和频率等参数就 能实现搅拌效果的控制，可以连续高效地制备坯料，适用于工业化的生产 应用。但由于电磁搅拌的集肤效应，通常认为，直径大于150mm的铸坯 不宜采用电磁搅拌法。
c、注射成型法
注射成型法是将低熔点金属颗粒进行加热至半固态成型，尺寸为几毫米的合金 粒子在料筒中边被加热边被螺旋体剪切推进，通过螺旋强制对流的搅拌作用，得 到细小均匀球状晶的半固态浆料组织，然后以高速（注塑十倍速度）注入模腔里 。这种方法非常适于相对较活泼的镁合金材料，在整个浆料制备和成型工艺中可 以不使用保护气体和防氧化剂，不需要配备熔化炉，而且不会产生浮渣、炉渣等 ，兼顾安全性和环保。
3~4半固态成型
半固态铸造生产线及自动化
半固态流变成形生产线 该系统由铝合金熔化炉、挤压铸造机、转盘式制 浆机、自动浇注装置、坩埚自动清扫、喷涂料装置等 组成。其工艺过程为：浇注机械手3将铝液从熔化炉2 中浇入制浆机4的金属容器中冷却；同时浆料搬运机 械手5从制浆机的感应加热工位抓取小坩埚，搬运至 挤压铸造机并浇人压射室中成形；随后继续旋转将空 坩埚返回送至回转式清扫装置上的空工位，并从另一 个工位抓去一个清扫过的小坩埚旋转放置到制浆机上； 制浆机和清扫机同时旋转一个角度，进入下一个循环。
半固态铸造成形装备
半固态铸造成形装备主要包括半固态浆料 制备装备、半固态成形装备、辅助装置等。 按流变铸造和触变铸造分类，又有流变铸 造装备和触变铸造装备。 半固态浆料的制备方法主要有机械搅拌、 电磁搅拌、单辊旋转冷却、单／双螺杆法等。 其基本原理都是利用外力将固液共存体中的固 相树枝晶打碎、分散，制成均匀弥散的糊状金 属浆料。最新发展的还有倾斜冷却板法、冷却 控制法、新MIT法等。
半固态铸造成形装备
一步法— 流变铸造 半固态铸造成形是在液态金属凝固的过程中进行强烈 的搅动，使普通铸造凝周易于形成的树枝晶网络骨架被打 碎而形成分散的颗粒状组织形态，从而制得半固态金属液， 然后将其铸成坯料或压成铸件。 根据其工艺流程的不同，半固态铸造可分为流变铸造 二步法— 和触变铸造两大类。 触变铸造 流变铸造是将从液相到固相冷却过程中的金属液进行 强烈搅动，在一定的固相分数下将半固态金属浆料压铸或 挤压成形，又称“一步法”； 触变铸造是先由连续铸造方法制得具有半固态组织的 锭坯，然后切成所需长度，再加热到半固态状，再压铸或 挤压成形，又称“二步法”。
半固态铸造的其他装置
流变铸造采用“一步法”成形，半 固态浆料制备与成形联为一体，装备 较为简单； 触变铸造采用“二步法”成形，除 有半固态浆料制备及坯料成形装备外， 还有下料装置、二次加热装置、坯料 重熔测定控制装置等。
半固态压铸资料
新型的成形技术—―半固态成形技术（SSM）是一种近终成形（Near-netshape）的成形工艺。与传统的成形工艺相比，它有一系列突出的优点：成形温度 低，成形件力学性能好，并较好地综合了固态金属模锻与液态压铸成形的优点。 本文阐述了铝合金半固态成形技术的主要工艺方法，其工艺参数与传统液态压 铸成形的差异，以及半固态成形件在不同状态下的力学性能
图1 半固态金属压铸流程图
20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings等人在实验中发现了半固态金属 的流变性能，到70年代中期，Joly等人进一步探索了半固态金属的这种性能，并 出现了半固态金属加工的概念。所谓半固态金属加工技术即在金属凝固过程中， 进行剧烈搅拌，将凝固过程中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生长，然后直接 进行流变铸造或制备半固态坯锭后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温 度，然后进行成形加工。铝合金的半固态加工技术主要有三道工序：半固态坯料 的制备、二次重熔和触变成形。触变成形作为半固态加工技术的最后一道工序， 是影响半固态成形件组织和性能的关键工序，直接影响着半固态成形件的组织 和性能。自该技术被开发以来，已经历了30馀年的研究发展，并已召开了六次有 关半固态的国际会议，发达国家已经进入生产实用阶段。因为半固态成形技术有 一系列突出的优点：半固态金属成形技术具有高效、优质、节能和近终成形等优 点，可以满足现代汽车制造业对有色合金铸件高致密度、高强度、高可靠性、高 生产率和低成本等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重 视。
半固态金属加工_SSP_分类及新发展
●专题述评●半固态金属加工(SSP)分类及新发展罗守靖,杜之明(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:半固态金属加工与固态加工、液态加工,同属金属加工一大领域。
由于半固态金属具有特殊属性,即加工温度低(与液态加工比)、变形抗力小(与固态加工比),为高效、低耗实现金属热精密成形提供了一种现实可能。
本文就半固态金属加工所涉及的工艺方法进行分类评述,以期推动其理论研究和工业应用,并获得长足的进展。
关键词:半固态金属;塑性加工;铸造加工中图分类号:T G306 文献编识码:A 文章编号:1001-3814(1999)05-0046-04Classification and New Development of Semi-solid Metal ProcessingLUO Sho u-jing,DU Zhi-ming(School of M ater ial science and E ngineering,H ar bin I nstitute of T echnology)Abstract:Semi-so lid metal pro cessing(SSP),solid meta l pr ocessing and liquid metal pr ocessing should belo ng t o the bro ad field of m etal pr ocessing.Due to the special pro per ties of semi-solid met al,lo w er pro cessing t emper atur e co m-par ed to that o f liquid met al and lo w er yield str ength compar ed to that of solid m etal,it pro vide a po ssibilit y for t he ther-mal precise fo rming of met al with hig h efficiency and low consumpt ion.T his paper r ev iew ed the cla ssificatio n of tech-no log ies co ncer ming semi-solid met al pro cessing in or der to pro mote the theor etical r esearch and the pr act ical application and make a subst ant ial pr og r ess in this field.Key words:semi-solid metal pr ocessing;plastic pro cessing;casting pr o cessing 金属材料,从固态向液态或从液态向固态的转换过程中,均经历着半固态阶段。
半固态成形技术(1)
.
13
高熔点黑色金属半固态加工进展缓慢
• 选择的材料液固线温度区间较小； • 高温半固态浆料难以连续稳定地制备； • 熔体的温度、固相的比率和分布难以准确控制； • 浆料在高温下输送和保温困难； • 成形温度高，工具材料的高温性能难以保证等。
SSM
铸态
110
220
14
60
SSM
T4
130
250
20
70
SSM
T5
180
255
5~10
80
A356
SSM
T6
240
320
12
105
(Al7Si0.3Mg)
PM
T6
186
262
5
80
PM
T51
138
186
2
——
CDF
T6
280
340
9
——
注：SSM为半固态加工；PM为金属型铸造；CDF为闭模锻造
.
19
几种铸造方法铸件性能比较
.
20
3、金属半固态的制备方法
金属半固态浆料或坯料的制备是半固态成形加工的基础，目前半固态浆 料或坯料的制备方法很多，常用的方法是有电磁搅拌法和机械搅拌法。
(1) 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸型方向的强磁场
对处于液-固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动， 使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯料的制备。
③ 随着温度的继续下降，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8所示。
半固态成形技术课件
ppt课件.
图9 枝晶臂发生熔断示意图
17
③枝晶臂弯曲机制。 此机制认为，位错的产生并积累导致塑性变形。 在两相区，位错
间发生攀移并结合成晶界，当相邻晶粒的倾角超过20°时，界面能超 过固液界面能的两倍，液相将侵入晶界并迅速渗入，从而使枝晶臂 从主干分离。
注：以上三种机制都有一定的依据，但附加位错如何发生 恢复和再结晶或如何迁移、固液浆料的温度起伏还缺乏必 要的试验依据，因此，金属半固态组织的演变机制还有很 多基本理论及技术问题需要解决。
优点：不污染金属液，金属浆料纯净，不卷入气体， 可以连续生产流变浆料或连续铸锭坯，产量 可以很大。
？ 生产。 缺磁拌搅点 法：直径大于150mm的铸坯不宜采用电
影响因素：搅拌功率，搅拌时间，冷却速度， 金属液温度，浇注速度
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电磁搅拌示意图21
电磁搅拌
1.中间包底口 2.结晶器引流口 3.水 室隔墙 4.冷却水室 5.结晶器陶瓷内衬
第九章
半固态成形
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1
半固态成形
半固态成形概述
半固态金属的组织特性、形成机 理与力学行为
半固态金属的制备方法
半固态金属触变成形
半固态金属流变成形
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2
1、概述
金属材料在液态、固态和半固态三个阶段均呈现出明显不同的物理特性，利 用这些特性，产生了凝固加工、塑性加工和半固态加工等多种金属热加工成形 方法。图1表示金属在高温下三态成形加工方法的相互关系。
由浮动的枝晶臂的速度梯度方向产生的力来折断。因此，必须加强 力搅拌，在剪切力作用下从根部折断。
②枝晶臂根部熔断机制。
晶体在表面积减小的正常长大过
程中，枝晶臂由于受到流体的快速
半固态模锻在轿车制造中的应用
当前可供大量生产的金属成形有两种：一种是采用完全呈液态的金属成形，如各种各样的铸造工艺（砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、挤压铸造、液态模锻等）。
另一种是采用完全是固态的金属成形，如锻造、热挤压、冷挤压、辊锻、楔横轧、扩孔、摆动辗压、径向锻造加工等。
20世纪80年代初，美国麻省理工学院（MIT）首先提出了金属零件的半固态成形概念。
所谓半固态模锻（Semi-solid forging——SSF）又称触变模锻（Thixoforging），是一种新的零件塑性成形加工工艺，是21世纪最具发展前途的近净成形加工技术之一，也是一项跨世纪的先进的高新技术。
半固态模锻，顾名思义，即是指将非全呈液态，又非全呈固态的固态—液态金属混合浆料模锻成形的新方法，就是将坯料加热到有50%左右体积液相的半固状态的材料，然后在具有略高预热温度的模具模膛内进行半固态成形，获得所需的接近成品尺寸零件最经济的工艺。
半固态模锻是一种介于固态成形和液态成形两种工艺之间的一种崭新的工艺，集中了它们的优点，也是当前研制开发制造零件的第三种工艺。
铝合金汽车轮毂半固态模锻的实质、理论基础、工艺流程及应用金属及合金在通常的凝固过程中会形成树柱状组织，如要进行塑性变形，就必然会产生断裂。
研究发现，当剧烈搅拌正在凝固的金属合金时，虽然随着温度下降，合金中固体组分不断增加，甚至增加到40%～60%以至更高，这种合金仍然如糊状浆料一样，具有很好的流动性，仍可以用模锻、挤压等方法成形。
合金在半凝固状态下呈现的这种类似液体可以流动的、带有粘性的特性，即流变性，给人以很大的启示，构成了半固态模锻工艺的一个理论基础。
经研究，之所以出现上述情况，是因为合金在凝固时经过剧烈的搅拌作用，不会形成交错的树枝状结晶组织，而是形成均匀，较为细小的球状等轴初次固体质点，这些质点悬浮在其余仍是液态的金属母液中，且呈彼此隔离的状态。
右图为在搅拌（电磁搅拌或机械搅拌）状态下的金属浆体铸造成适合半固态模锻用的均匀细小况状等轴晶体组织铸锭的工艺过程。
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轻金属半固态模锻工艺研究
1、前言
20世纪 70 年代初，美国麻省理工学院研究人员发现，金属材料在凝固过程中 施加
强烈的搅拌，可以打破传统的枝晶凝固模式，形成近球状的组织，从而得到 一种液态金属
母液中均匀悬浮着一定球状或类球状初生固相的固—液混合浆料，即 半固态浆料，这种浆
料具有良好的流变性和触变性，采用这种既非液态又非完全 固态的金属浆料跟常规加工方
法如压铸、 挤压、模锻等结合实现成形加工的方法 称为半固态金属加工（Semi-Solid
Metal Processjn简称SSM。从理论上讲，凡具有 两相区的合金及其复合材料均可以实现
半固态成形加工。该方法之所以能够发展成 为一种先进的成形加工技术，完全基于半固态
金属材料所具有的特殊流变学性能， 即触变性：当半固态金属坯料所受的剪切力不大时，
坯料具有很高的粘度近似固态， 可以方便地放置和搬运；而当受到较大剪切变形时，坯料
便表现出较小的粘度可以 像液态一样随意流动成形。但是采用具有枝晶状初生相组织的固
—液混合体成形加 工时，由于枝晶状组织的相互搭结、缠绕，变形阻力大，流动性很差，
固液相极易 分离，产生严重的热裂与宏观偏析。因此，半固态金属成形具有多方面的优
点：相 对于普通液态成形（如压力铸造或挤压铸造），由于半固态浆料中已有一半左右的
固 相存在而且温度低于液态金属近100C，因此可以消除常规铸件固有的皮下气孔和 疏松
等缺陷， 而且模具寿命成倍提高；相对于常规固态成形（如模锻或挤压），由于 半固态
浆料具有很好的流动性， 因此变形抗力极低，可以一次加工成形复杂的零件， 减少了成
形道次、模具投入及后续机加工量，而力学性能则与固态锻造相当。正是 半固态金属锻造
技术具有高效、 优质、节能和近终成形等突出优点， 可以满足现 代汽车制造业对有色合
金铸件高致密度、 高强度、高可靠性、 高生产率和低成本
等要求，因此倍受汽车制造厂商以及零部件配套生产厂商的重视
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
处在于前者是用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，这使得一些传统锻造无法成形的形状复杂构件可以在半固态金属 锻造方法来生产，
其锻造设备可分为立式和卧式压力机两种。半固态锻造是将加 热到半固态的坯料，在锻模
中进行以压缩变形为主的模锻以获得所需形状、性能 制品的加工方法。半固态锻造可以成
形变形力较大的高固相率的半固态材料， 并
达到一般锻造难以达到的复杂形状。 而且，可以用于制造用普通锻造难以成形的 许多超
合金，有可能用半固态锻造技术制造出特殊材料的耐热零件。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。半固态锻造零 件的总量可从20g〜13.6kg
锻造速率可达120〜360件/分，并能实现自动化。目 前，已经利用半固态锻造技术进行了
联轴节、齿轮等机械零件制造的研究。
2、坯料制备工艺
半固态坯料制备是半固态加工技术的关键环节之一。 采用半固态锻造工艺生 产零件
要求原材料具有特殊的显微组织， 当金属处于半固态时，这种组织是由悬 浮在较低合金
液体中的球形固体颗粒组成的， 要在加热时固体材料中恢复这种组 织，就需要保留一些
残余的显微偏析，以在固液相之间产生局部熔化。北京有色 金属研究总院采用电磁搅拌技
术制备金属半固态坯料，该技术可以有效解决晶粒 细化和组织均匀等连铸中的关键技术，
其设计思想是把金属过滤和脱气结合起 来，使金属液进入连续铸造机的水冷结晶器， 且
金属液面远低于中间包的静止液 面，在结晶器中接近凝固点的金属，通过电磁场的强烈搅
拌，产生强大的剪切作 用，在同一时间和同一位置，通过结晶器壁把可控的传导热传到结
晶器水套导致
均匀凝固， 该技术具有精确控制剪切作用和放热等特点， 以至于该技术在制备坯 料上被
广泛应用。技术原理如图 1 所示
图1 半固态坯料制备原理示意图
3、坯料二次加热工艺
半固态加热过程中要求加热速度应快且均匀，以免低熔点共晶相产生偏析、 固态部
分沉淀， 使表面氧化降到最小， 半固态材料的粘度与固体组分的体积百分 数有关，粘度
大填模能力小，从这一点来看，要求出炉温度高一些，然而，从节 约能源、减小模具的热
冲击、 减少薄壁与厚壁部分过渡带的紊流， 从降低气穴与 凝固收缩率的角度看又要求出
炉温度低。 另外，为使坯料在加热过程中保持原状 和便于搬运， 也要求出炉温度尽可能
低， 但又有一个允许的最低温度， 低于此温 度就不能保持设定的固液比。因此，出炉温
度只要比允许的最低温度略高一些， 从而可达到液相体积百分数保持在非常窄的范围内，
并确保均匀地分布于整个坯 料体积内的目标， 在这种状态下的坯料既软的象豆腐一样，
又可以用刀切割， 同 时能保持原形。 加热过程一般分为两个阶段， 开始阶段为大功率
快速加热， 后一 阶段为小功率均匀化加热， 在前一阶段加热时， 坯料内总会或多或少
的存在着温 度不均匀性，再通过后一阶段加热就可以达到温度均匀，整个加热时间为 3〜
15 分钟，取决于坯料的尺寸、形状和合金类型。图 2 是我院研制开发的半固态成 型专用
加热设备。
图2半固态成型专用加热设备
4、模锻成形工艺
半固态模锻工艺与传统模锻工艺又很大不同。 将加热均匀的半固态坯料装入 模锻机
下模内，并锻压成型，成型过程中根据材料的形状、尺寸、合金特性以及 对零件品质的要
求，采用不同的成型速度和压力，一般在成型过程中要求成型速 度为50〜200mm/s,模腔
压力为15〜140Mpa,而锻造机可以多种多样，但最基 本的要求是能精确控制成型速度和压
力，金属半固态锻造使用的模具一般为 H13 工具钢，热处理后其硬度为 45〜48HRC，模腔
表面应光滑，以利于金属流动和 工件脱模，在冲型过程中，坯料在模腔内成型仅仅十分之
几秒， 但在冲形后期必 须要有主动保压功能，实现工件受到设定的最大压力。工件在压
力作用下的留模 时间由合金牌号和零件尺寸决定，一般为 3〜6秒，如果保压时间过短，
工件还 比较软，在顶出时候易造成工件破损，工件保压时间过长，降低模锻的生产效率，
当半固态模锻工件从锻模中取出时， 其温度一般在205〜425C,在生产时，件与 件的温度
变化可控制在 10C以内，以确保工件产品的一致性。工件热处理的种 类很多，大多数半
固态模锻件热处理到 T5或T6状态，多数零件采用较低的 T5 热处理工艺即可以满足技术
要求， 这主要是因为在半固态锻造过程中，工件与模
腔接触， 得到快速冷却， 这种冷却和材料极细的球形晶粒， 可省去昂贵的固溶处 理和
图3
左为热锻、右为半固态锻造涡轮
淬火费用，仅仅需要时效处理就可以达到更高的机械性能。 图 3左侧零件为
中国热锻涡轮，右侧为日本采用半固态锻造工艺生产的涡轮。
5、结束语
和国外相比， 我国在半固态金属成形技术领域的研究还很落后。 为了国民经 济的
发展， 特别是我国汽车工业的发展， 提高我国汽车工业的水平和在国际市场 上的竞争能
力， 需要采用各种新工艺和新材料来装备我国的汽车工业， 而推动半 固态金属成形技术
在汽车工业中的应用是目前的关键。 就我国目前的研究现状来 看，半固态金属成形技术
的发展动向如下：
（1）半固态金属触变成形技术已经基本成熟，而流变成形技术的发展较为缓 慢，没有
太多的突破性技术进展。 因此，更多的研究人员会转向金属的半固态流 变成形理论和应
用方面的研究， 以降低半固态产品成本， 节约能源。 同时也会注 重已经成熟的触变成
形技术在工业中的应用，推动我国汽车工业的发展。
（2）目前半固态金属成形技术主要应用于铝、镁、铅等低熔点金属的成形， 而对高熔
点黑色金属的应用较少， 理论欠成熟。 由于黑色金属在工农业中应用广 泛，有着其他材
料不可代替的重要作用。 因此，在以后的发展中黑色金属半固态 成形的理论研究和工业
应用将是一个重点研究领域。
（3）目前，国内外学者已经开发出了半固态成形过程数值模拟软件，但还 存在很多
不足， 比如没有考虑合金的触变性能等， 应用范围受到很大的限制。 因 此，加大计算
机技术在半固态金属成形工艺中的应用， 充分利用计算机技术， 对 流变成形和触变成形
过程进行计算机模拟， 促进半固态金属成形的理论研究将是 另一热点。