1、半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变（即液固共存）过程中所具有的特性进行成形的方法。这一新的成形加工方法综合了凝固加工和塑性加工的长处。即加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能质量要求较高的零件。所以，国外有的专家将半固态加工称为21世纪最有前途的材料成形加工方法。 图4-l表示金属在高温下三态成形加工方法的相互关系。4.1.1.2 半固态金属的特点半固态金属（合金）的内部特征是固液相混合共存，在晶粒边界存在金属液体。根据固相分数不同，其状态不同，图4-2表示半固态金属的内部结构。在高固相分数时，液相成分仅限于部分晶界（见图4-2（a）
2、；在低固相分数时，固相颗粒游离在液相成分之中（见图4-2（b）。半周态金属的金属学和力学主要有以下几个特点。 （1） 由于固液共存，在两者界面熔化、凝固不断发生，产生活跃的扩散现象。因此溶质元素的局部浓度不断变化； （2） 由于晶粒间或固相粒子间夹有液相成分。固相粒子间几乎没有结合力，因此，其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（约75）以下时，浆料可以进行搅拌，并可很容易混入异种材料的粉末、纤维等，如图4-3所示：（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，
3、又可很容易地将分离的部位连接形成一体化，特别是液相成分很活跃，不仅半固态金属间的结合，而且与一般固态金属材料也容易形成很好的结合，如图4-4所示： （6） 即使是含有陶瓷颗粒、纤维等难加工性材料，也可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，液相成分和固相成分存在分别流动的情况。虽然施加外力的方法和当时的边界约束条件可能不同，但一般来说，存在液相成分先行流动的倾向或可能性，如图4-5所示； （8） 上述现象在固相分数很高或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显著。 与普通的加工方法相比半固态金属加工具有许多独特的优点：（1） 黏
4、度比液态金属高，容易控制：模具夹带的气体少，减少氧化、改善加工性，减少模具粘接，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：半固态浆料具有流变性和触变性，变形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且可进行复杂件成形，缩短加工周期，提高材料利用率，有利于节能节材，并可进行连续形状的高速成形（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：4.1.2 半固态加工的基本工艺方法半固态加工的基本工艺方法可分为流变成形（rheoformi
5、ng）和触变成形（thixoforming）两种。如图4-6所示，经加热熔炼的合金原料液体通过机械搅拌、电磁搅拌或其他复合搅拌，在结晶凝固过程中形成半固态浆料，下面的工艺分两种：其一是将半固态浆料直接压入模具腔进而压铸成形或对半固态浆料进行直接轧制、挤压等加工方式成形，即流变成形；另一种是将半固态浆料制成坯料，经过重新加热至半固态温度，形成半固态坯料再进行成形加工，此即触变成形。图4-7为半固态流变成形和触变成形工艺流程示意图。4.1.3半固态加工的研究及发展4.1.3.1 国外研究现状20世纪70年代初期，美国麻省理工学院的M. C. Flemings教授和David Spener博士提出了
6、半固态加工技术，由于该技术采用了非枝晶半同态浆料，打破了传统的枝晶凝固模式，具有许多独特的优点，因此关于半固态金属成形的理论和技术研究引起各国研究者的高度重视，半同态加工的产品及应用也随之得到迅速的发展。20世纪80年代后期以来，半同态加工技术已得到了各国科技工作者的普遍承认，目前已经针对这种技术开展了年多工艺实验和一些理论研究。根据所研究的材料，可分为有色金属及其合金的低熔点材料半固态加工和钢铁材料等高熔点黑色金属材料半固态加工。（1） 有色金属及其合金的低熔点材料半固态成形研究20世纪70年代以来，美国、日本等国针对铝、镁、铅、铜等的合金进行了研究，其重点主要放在成形工艺的开发上。目前，国
7、外进入工业应用的半固态金属主要是铝、镁合金，这些合金最成功的应用主要集中在汽车领域，如半固态模锻铝合金制动总泵体、挂架、汽缸头、轮毂、压缩机活塞等。铝合金半固态加工技术（触变成形）已经成熟并进入规模生产，主要应用于汽车、电器、航空航天等领域。如美国的Alunaxm公司1997年的两座半固态铝合金成形汽车零件生产工厂的生产能力分别达到每年5000万件。意大利的Strampal SPA和Fiat Auto公司生产的半固态铝合金汽车零件重达7kg，而且形状很复杂；意大利的MM公司（Magneti Marelli）为汽车公司生产半同态铝合金成形的Fuelinjection Rail零件，在2000年达
8、到日产7500件。瑞士的Bubler公司已经生产出铝合金半固态触变成形的专用SC型压铸机（实时压射控制和单一压射缸）和铝合金半固态坯料的专用二次加热设备。日本的Speed Star Wheel公司已经利用半固态金属成形技术生产铝合金轮毂（重约5kg）。 与铝合金半固态成形比较，镁合金的半固态成形技术发展较晚，目前成熟的技术只有Thixomolding技术。1995年，美国的Thixomat公司的子公司Lindberg公司利用Thixomolding 工艺，为一些汽车公司生产了50余万件的半固态镁合金铸件。日本的一些公司利用Thixomolding 工艺制造移动通讯手机外壳、微型便携式计算机外壳
9、等。但Thixomolding工艺必须要求提供合适的镁合金屑，这就使得该技术比较复杂、生产成本比较高。近年，英国布鲁诺（Brunel）大学研制出低熔点合金双螺旋半固态流变成形机，目前正在向产业化方向发展。另外，最近资料报道，一些发达国家正在开发镁合金半固态连铸坯料和触变成形技术，这些情况说明镁合金的半固态成形技术仍然处在不断发展之中，将会出现新的技术突破。 十几年来，关于半固态加工实验方面的研究主要集中在浆料的制备和材料的成形两方面，先后开发出了机械搅拌法、单辊旋转法、电磁搅拌法、超声振动法、直流脉冲法等浆料制备方法以及压铸成形、模锻成形、注射成形和连铸成形等材料成形工艺。 理论上的研究主要是
10、围绕与工艺实现和试样组织、性能有关方面。在此研究成果基础上，近年来又针对浆料固相分数的控制与测定、输送、工艺参数如变形抗力、成形线速度和铸型温度等对试样的表面质量、内部成分和组织分布规律的影响等较高层次的问题开展了较为系统的理论研究，取得了一定的进展。另外，在纤维和颗粒增强材料、与陶瓷等的复合材料方面也进行了一些研究。但关于加工过程中凝固模型的建立和理论模拟等方面的高层次研究还并不多见。 （2） 高熔点黑色金属的半固态成形研究 到目前为止，国际上共召开了7次半固态加工方面的专题国际学术会议，从研究的材料来看，绝大多数是关于铝合金、镁合金等低熔点材料。如2000年9月底在意大利召开的第6届半固态
11、加工国际学术会议上，共发表学术论文134篇，但其中关于高熔点钢铁材料半固态加工的研究论文仪6篇。所涉及的钢铁材料为M2、共析钢、H11钢和不锈钢等。由此可见钢铁材料半固态加工的有关基础和应用研究任重道远，但一旦取得突破，其前景将十分光明。 但到了2002年9月在日本筑波召开的第七届半固态加工国际学术会议，研究状况有了一些新的发展。在此次学术交流会议上，共发表论文148篇，其中关于高熔点钢铁材料半固态加工的研究论文13篇，会议专设了一个钢铁材料半固态加工研讨的分会场。采用半固态加工方法所研究的高熔点材料涉及D2、HS6-2-5高速工具钢、100Cr6钢、60Si2Mn弹簧钢、AIS1304不锈钢
12、、C80工具钢、铸铁等钢铁材料，半固态加工方法涉及触变锻压、挤压、铸造和直接流变轧制及喷铸成形等等。 根据已有的文献和研究结果来看，高熔点黑色金属半固态加工之所以进展缓慢，其中的重要原因在于以下困难： （1） 选择的材料液固线温度区间较小； （2） 高温半固态浆料难以连续稳定地制备；（3） 熔体的温度、固相的比率和分布难以准确控制； （4） 浆料在高温下输送和保温困难； （5） 成形温度高，工具材料的高温性能难以保证等等。 目前研究的重点主要集中在某些钢种的压铸、锻造等非连续半固态成形加工方面。高熔点黑色金属材料半固态浆料制备方法、成形的研究现状和发展趋势主要表现在两个方面。 首先涉及高熔点黑
13、色金属半固态浆料或坯料的制备方法研究。获得高熔点黑色金属半固态浆料或坯料的方法主要有：美国麻省理工学院Flemings等人发明的机械搅拌法，该方法利用机械搅拌打碎树枝枝晶使其成为颗粒状粒子；电磁搅拌方法，该方法利用交流电磁感应力使金属浆料产生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，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铸锭坯，产量可以很大。还有利用应变激活方法（SIMA）、粉末冶金方法和单辊旋转方法尝试制备铸铁、AISI4340碳钢、440C和304不锈钢、H11、H13钢、M2高速钢，以及X40、Ti-20Co等合金的半固态浆料或制造出优质的半固态零件毛坯坯
14、料。但是，目前关于高熔点黑色金属和合金半固态浆料的交流感应电磁搅拌基本规律研究未见公开的报道，所以日前电磁搅拌制备高熔点金属和合金半固态浆料缺乏重要的理论指导，应该对电磁搅拌制备黑色金属半固态浆料或坯料的应用基础和技术进行深入的研究，推动黑色金属半固态成形技术的应用。其次是有关黑色金属半固态成形加工方法研究。最近几年，国外有学者尝试利用压铸机对Fe-2.5C-3.1Si铸铸铁和AISI440A不锈钢的半固态浆料直接进行流变成形，可以获得初生固相分布均匀的优质成形件，木内等还研究了铸铁的半固态锻造。由于黑色金属半固态浆料的保存和阶段式输送较为困难，其流变成形零件毛坯的进展缓慢。从黑色金属半固态成
15、形零件毛坯力学性能实验结果可以看出：黑色金属半固态成形零件毛坯的抗拉强度与传统方法成形件的强度相当，成形件的塑性也有提高。Flemings等人曾利用机械搅拌方法制备的半固态Sn-15Pb浆料连续轧制薄带，他们的研究表明，金属半固态浆料直接轧制薄带是是可行的。但机械搅拌方法的固有缺点使其不能用于工业性连续轧制半固态高熔点金属薄带，最有可能的方法是电磁搅拌，而电磁搅拌浆料中的固相分数不可能达到0.50.7，所以Flemings的结果对电磁搅拌高熔点会属半固态连续轧制薄带的参考价值有限。近年来，日本学者尝试了将黑色金属半固态浆料与轧机直接相接合来连续轧制金属薄带，虽然研究结果没有详细报道，但粗略表明
16、：薄带的晶粒细小、表而裂纹少、铸造速度加快、模具的热负荷降低；低熔点Cu-Sn合金的半固态浆料连续轧制薄带比较容易，而熔点高的SUS310的半态浆料连续轧制薄带还有许多基本问题需要研究。4.1.3.2 国内研究现状 我国于20世纪70年代后期陆续开展了半固态金属成形技术的研究，但这些尝试大都利用机械搅拌法进行流变铸造或触变铸造研究。中科院会属研究所是国内最早开展半固态加工研究的单位之一，较早进行了“铝合金半固态铸造”等的研究，自行设计制造了“半固态浆料制备设备”，研究了“半固态组织在凝固过程中析出规律”等等，并研制了“半固态压铸刹车器活塞毛坯直接连续成形”，“石墨铝合金复合材料细纱锭盘”等。2
17、0世纪80年代中期，我国研究者大多转向半固态制备复合材料和个别通用牌号材料的流变特性的研究，取得了一些成果，如有的研究者利用晶粒细化首先获得细小枝晶的ZAl2合金锭坯。20世纪90年代以后，一批研究院所和大学在有色金属及其合金等低熔点材料半固态加工和钢铁等高熔点材料的半固态加工方面开展了较广泛的研究。 近几年，我国的研究者在国家自然科学基金、国家“863”、“973”等计划的支持下，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基本关键技术，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。北京科技大学和中科院金属所等单位
18、合作在国家自然科学基金的支持下开展了钢铁材料半固态直接成形基础研究，在铸铁、弹簧钢、不锈钢和高碳钢等高熔点材料的半固态坯料制备、半固态喷铸成形和直接轧制等方面进行了较深入研究，并取得了阶段性成果。北京有色金属研究总院在国家“863”计划和院科研基金的支持下对铝合金半固态加工技术的研究和应用上取得了很大进展，通过与东风汽车公司合作，采用半固态压铸技术在生产现场实现了汽车空压机连杆和空调器涡轮两种汽车零件的批量生产。近年来，国内的一些大学在半固态合金的流变和触变行为、针对铝合金、镁合金的半固态金属加工技术、成形过程的计算机模拟等基础理论研究方面开展丁卓有成效的工作。如开发了“高剪切速率半固态金属浆
19、料制备与直接成形工艺与设备”、“液相线铸造制浆技术”，并试制了488型发动机轴瓦盖，汽车轮毂模拟件等试样。 综上所述，金属半固态加工技术与传统材料成形加工技术相比，在提高产品质量、性能、降低能耗和成本、缩短生产流程、利于环境保护以及提高产品市场竞争力等方面具有其独特的优势，此技术在汽车、通讯电器、机械以及航空航天等工业领域存在着巨大的现实的和潜在的应用市场，十分需要从理论基础、成形加工控制技术以及工艺装备等方面开展系统的研究开发工作，以促进这一新技术的理论完善、技术成熟、实际应用水平的提高和应用领域的扩大，其理论和实际意义将十分重大。4.2 半固态金属的组织特性，形成机理与力学行为4.2.1
20、非枝晶的形成与演化与常规铸造方法形成的枝晶组织不同，利用流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近似球形的显徽结构，如图4-8所示。所谓流变铸造就是指让合金在剧烈搅拌的状态下凝固。结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，此时晶核是以枝晶生长方式生长的。随着温度的下降，虽然晶粒仍然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，这样，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，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4-9所示。球形结构的最终形成要靠足够的冷却速度和足够高的剪切速率，同时这是一
21、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（但不能让合金完全熔化），它也不会变成枝晶。液态金属在凝固过程中搅拌且激冷，其结晶造成固体颗粒的初始形貌呈树枝状，然后在剪切力作用下，枝晶会破碎，形成小的球形晶。图4-10给出半固态铸造与常规铸造的组织比较。 国内外不少学者对球形晶粒形成机理及演变过程进行了研究。研究指出：半固态浆料搅动时的组织演变受很多因素影响，半固态浆料的温度、固相分数和剪切速率是三个基本因素。但半固态钢铁材料在搅拌过程中初生晶粒究竟遵循怎样的破碎、转变机制，目前此方面已有一些初步的研究。关于有色金属半固态组织的演变机制，从日前文献来看，主
22、要有以下几种机理。 （1） 枝晶臂根部断裂机制 因剪切力的作用使枝晶臂在根部断裂。最初形成的树枝晶是无位错和切口的理想晶体，很难依靠沿着自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扩散、温度涨落引起的热振动及在根部产生应力的作用，有利于熔断，同时固相中根部熔质含量较高，也降低熔点，促进此机制的作用。此机理示意图如图4-11所示。 （3） 枝晶臂弯曲机制 此机制认为，位错的产生并累积导致塑性变形。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
23、，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。 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的小是球状的枝晶臂。每一个枝晶臂结构继续枝状长大。然而在凝固过程中不断的剪切，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，并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。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。 以上三种假说都有一定的依据，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许多基本
24、理论及技术问题需要解决。 与此同时，也存在着可逆的“大结构”转换过程。所刑“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。4.2.2 铝合金的半固态凝固组织及其影响因素4.2.2.1搅拌强度对
25、半固态组织的影响 搅拌强度是很难直接测定或计算出来的，但是可以通过其他参数来描述。对于机械搅拌，搅拌强度是搅拌转速的函数。因此，常用搅拌转速来描述搅拌强度。而对于电磁搅拌，常用磁感应强度来描述搅拌强度。 （1） 磁感应强度的影响 图4-12是A1-6.6Si合金在磁感应强度不同的旋转磁场的搅拌作用下，所得到的凝固组织。图4-12（b）和图4-12（c）所示的半固态组织是经过磁感应强度为0.0759T和0.1153T的电磁搅拌得到的，其初生相晶粒细小，基体上分布比较均匀。图4-12（c）中的初生相微粒比图4-12（b）中的更为细小一些，但并不是很明显。然而图4-12（d）所示的半固态组织与图4-
26、12（b）和图4-12（c）相比，有明显的差别，它所采用的磁感应强度为0.0446T。可以明显地看到，它的初生相微粒最为粗大，而且合并生长的痕迹非常明显，初生相微粒在基体上的分布很不均匀，众多的初生相微粒相互簇集在一起。 造成以上差别的主要原因是由于磁感应强度的不同。电磁搅拌的一个重要作用就是细化晶粒，而晶粒细化的主要原因之一就是电磁搅拌造成了“晶粒倍增”现象。晶粒倍增首先是由于枝晶的再熔化，在电磁搅拌的作用下，铝液的湍流不断地将热脉冲带到了液固界面，这种热脉冲加速了枝晶臂的熔化过程。枝晶臂被分离后，一旦随湍流被带到稍微过冷的液体中，即可形成一个新的晶体。此外，熔体流动在枝晶臂根部造成了应力集
27、中，导致枝晶臂的机械断裂，断裂的枝晶臂也可以形成一个新的晶体，这样也会造成晶粒倍增。晶粒倍增的程度与电磁搅拌强度密切相关，总的说来，搅拌强度越大，晶粒倍增现象越明显，晶粒也就越细小。但是搅拌强度与晶粒细化程度并不是成正比的，当电磁搅拌强度比较小的时候，其细化晶粒的作用比较明显，如果电磁搅拌强度大到某种程度后，细化晶粒的作用就不显著了。 对于半固态铸造，合并生长也是晶粒长大的一种方式。从图4-12中可以看到，加大电磁搅拌强度可以有效抑制晶粒的合并生长。这主要是由于熔体的对流强度越大，越容易将聚集在一起的初生相冲散。同时避免了初生相微粒的聚集，使其更均匀地分散在基体中。 （2） 搅拌转速的影响 实
28、验发现，搅拌转速可使固相组织发生变化，图4-13是搅拌转速为2.38rs和7.16rs、固相分数均为0.45的Al-10Cu合金金相照片。由图可以看出高搅拌转速下，固相颗粒比较分散，而低转速下固相颗粒聚集现象明显（白色为固相）。根据两相流动原理，高转速下的固相组织易于流动，而低转速下由于固相的聚集使其不呈粒状，所以流动困难。4.2.2.2 搅拌温度对半固态组织的影响 以铝锡合金为例，其凝固发生在纯铝液相线和纯锡液相线之间的温度范围，凝固区间在658230之间，因此铝锡合金的固相分数主要与凝固温度即搅拌温度有关。搅拌温度越低，其固相分数越大；搅拌温度越高，其固相分数越小。表4-l为搅拌温度与铝锡合金半固态浆料的固相分数的实验数据。图4-14为铝锡合金半固态浆料的固相分数与搅拌温度之间的关系，对其进行理论回归分析，得到回归方程为 y=16834.86x+0.0035x2 （4-1）式中 y 铝锡合金半固态浆料的固相分散； x 搅拌温度。回归相关系数Rl为0.99839，说明回归方程已正确地反映了铝锡合金半固态浆料地固相分数与搅拌温度之间的非线性关系。表4-1 铝锡合金半固态浆料的固相分数与搅拌温度
