铝合金半固态成形技术的应用及发展

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摘要：半固态成形技术是一种近终成形（Near-net-shape）的成形工艺。本文阐述了铝合金半固态成形技术的应用概况及主要工艺方法，各种半固态成形工艺的应用及其优缺点，以及铝合金半固态成形技术的发展趋势。

关键词：铝合金半固态成形

0前言

半固态加工技术主要应用于汽车零件制造方面，另外，在军事、航空、电子以及消费品 等方面也进行了产品开发。多数情况为铝、镁合金的半固态压铸、模锻以及注射成形。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。金属半固态成形技术（Semi-solid metal forming，简称SSM）是在20世纪七十年代由美国麻省理工学院学者M.C.Flemings等人首次提出，该技术具有高效、优质、节能和近终成形等优点[1~3]，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。

1.半固态成形工艺

半固态金属加工技术主要有两种工艺：一种是将经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工，即流变成形（Rheoforming）；另一种是将半固态浆料冷却凝固成坯料后，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，即触变成形（Thixoforming），后者在目前的生产条件下占主导地位。通常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。半固态金属加工技术可分为半固态金属铸造法和锻造法。

1.1半固态铸造工艺

半固态压铸工艺是目前半固态金属铸造成形的主要成形工艺。半固态铝合金压铸是将半固态坯料二次加热至坯料组织恢复到40％~60％球状初生固相颗粒和共晶液相共存的固液混合态，随即用夹持工具夹持到压铸机压射室中压铸成形。

半固态压铸工艺与普通液态铸造相比具有许多明显的优点：①铸件的凝固收缩减小，铸件尺寸精度高、外观质量好，减少了机械加工量，甚至可以得到无机械加工余量铸件；②提高铸件力学性能。③消除了常规铸件中的块状晶和粗大树枝晶，铸件组织细小、致密，分布均匀，不存在宏观偏析；④金属充型平稳、无湍流、无飞溅，而且充型温度低，延长模具寿命；⑤简化铸造工序，降低能耗，改善劳动条件，由于凝固速度快，生产率也得到提高。

1.2半固态锻造工艺

在国内生产汽车铝轮毂工艺基本上为低压铸造方式，但对于大尺寸轮毂，必须以非铸造方式生产的轮毂。目前，锻造铝轮毂以载货车和大型客车铝轮毂生产为主。半固态锻造工艺，是指坯料在半固态下也就是在含有30％～50％液体状态下在专用锻压机上一次快速成形。此法的关键是必须制取细小的均匀的球形晶粒坯料，然后按所需质量锯切成锻造坯料，在自动控制加热温度的炉内加热到半固态，由压力机一次压制成型。

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，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。半固态锻造是在由计算机控制的自动化生产线上进行，具有生产率高、再现性强、尺寸精密、切削加工量少等优点，此工艺方法应该是我国汽车铝轮毂生产的新途径。

2半固态成形技术应用现状

自金属半固态成形加工技术概念出现30多年的时间以来，得到国际上广泛关注，并已成为当今最活跃的研究领域之一，在一些工业发达国家已开始应用于汽车制造业，进入商业化生产，并展示出更为广阔的应用前景。从1988年开始，美国的AEMP公司（Alumax Engineered Metal Process），为Bendix牌小轿车生产了250万件铝合金主制动缸，为Ford汽车公司生产了250万件铝合金压缩机活塞，其成品率几乎为100%[4~5]。到上世纪90年代，世界上很多大的汽车制造商都开始大规模采用半固态技术生产的汽车零部件。半固态成形技术的主要市场是汽车工业，成形工艺以铝合金的触变成形为主。目前，用半固态成形技术生产的汽车零件包括刹车制动筒、转向系统零件、摇臂、发动机活塞、轮毅、传动系统零件、燃油系统以及汽车空调零件等，已经应用于一些名牌轿车上，取得良好的经济效益。我国制造业，尤其是汽车、摩托车、机械等行业的快速发展，将为半固态技术开辟广阔的市场。中国汽车工业的高速发展将为国内带来大量产品的国产化要求，特别是随着环保和质量要求的提高以及工业发达国家将能耗相对较高的制造业逐渐向发展中国家转移，客观上为半固态技术在我国的发展提供了契机。半固态成形法是目前铝合金零件成型的先进技术，国内对这种技术的研究起步较晚，实际应用得很少。

3. 半固态成形技术的发展趋势

半固态加工技术虽然在国内外都有较多的研究，我国在半固态金属成形技术领域的研究和国外相比还相对落后，甚至在某些领域还是一片空白，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。就国内外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）触变成形存在产品成本高；生产过程控制任务重；设备投资大等缺点。而流变成形具有流程短、能耗低、设备投资小、连续性强、生产率高等优点，于是流变成形的研究和应用目前重新成为半固态加工技术领域的热点，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。

（2）目前国内外已经开发出了半固态成形过程数值模拟软件，但应用范围受到很大的限制。因此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。

参考文献

[1] 张莹，黎和昌等.半固态金属成形技术的发展现状[J].江西科学.2004，22（2）：138~1142

[2] 杨湘杰，郭洪民.非枝晶铝合金（A356）半固态感应加热模式及控制模型[C].中国压铸、挤压铸造、半固态加工学术年会论文集，2001.

[3] 李明茂，杨斌，王智祥.半固态金属加工技术.铝加工[J],2004，(158)：42~45

[4] 张奎，刘国钧等.半固态金属制备原理与应用[J].稀有金属.1998，22（6）：447~449.

[5] 赵爱民，毛卫民.钢铁半固态流变浆料的制备与输送装置的研制[J].铸造设备研究，2003，（2）：1～4.

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