1、机电技术 2009 年第 1 期 机械设计制造 30半固态成型技术的发展与应用现状 林文金 （福建工程学院机电及自动化工程系，福建 福州 350014） 摘 要： 为了解决半固态成型技术中引起人们广泛关注的主要问题，加深人们对半固态成形技术的认识，以半固态成型技术区别于液态成型和塑性成型的本质为基础，采用对比讨论的方法分析了半固态成型技术的特点与优势，阐明了半固态成型技术的种类和区别，介绍了半固态成型技术的国内外应用现状。指出了推动我国半固态成型技术长足发展和应用应该注意解决的若干瓶颈。 关键词： 半固态成型 流变成型 触变成型 应用现状 中图分类号： TG146.2 文献标识码： A 文章编
2、号： 1672-4801（2009）01-030-03 引言 20世纪70年代初发展起来的半固态成型技术，使传统成型方式发生了深刻变化1-5。随着研究的不断深入，半固态成型已经发展成为一项极具应用潜力的材料成型新技术，并已初步实现了工业应用。然而，笔者在教学中发现大多数学生以及部分科技工作者对半固态成型技术发展与应用的诸多本质问题的认识仍然不够清晰。本文对相关问题进行了阐述，以期加深人们对半固态成型技术的认识。 1 半固态成型技术 1.1 半固态成型技术的提出及其科学含义 半固态这一概念，最初来自于美国麻省理工学院6。 Flemings教授领导的研究小组发现金属材料在凝固过程中经强力搅拌后，枝
3、晶网络骨架被打碎，成为近球状组织，此时的半固态金属具有成型时所需要的优异性能，易于通过普通加工方法制成制品， 并冠以半固态成型7-8，一直沿用至今。所谓半固态成型（Semi-Solid Forming） ，是指将含有非枝晶固相的固液混合物在凝固温度范围内加工成型的一种材料成型新技术1,3-4。 1.2 半固态成型技术的特点与优势 金属材料从固态向液态或从液态向固态转变过程中，均经历着半固态。三个阶段中，材料呈现出不同特性，由此产生了液态成型、塑性成型和半固态成型。液态成型利用液态金属呈现出的良好流动性，塑性成型则利用固态金属呈现的较好塑性流动型，而半固态成型利用了半固态金属固液共存所呈现的特性
4、即流变性和触变性7-9。 表1 半固态成型技术的特性 特性 潜在工业应用价值 液固混合共存 1. 减少凝固潜热， 降低铸型的热蚀，可用于高速零件、高熔点合金成型以及高速连铸。 2. 减少凝固收缩，减少缩孔，降低偏析，细化晶粒，可进行后续热处理。 流动应力比固态金属低 1. 变形抗力非常小， 可成型复杂零件，提高零件成型速度，缩短加工周期，提高材料利用率，降低成本。 2. 可实现连续形状的高速成型。 黏度比液态金属高且容易控制 1. 充型平稳， 减少气体卷入和氧化，改善材料加工性能。 2. 减少粘模倾向， 可进行更高速的零件成型，改善零件表面光洁度，易实现自动化。 易混入异种材料 制备复合材料及
5、成型 由此可见，半固态成型技术具有三个特征，一是被加工材料的状态是固液混合物，而不是纯液体或纯固体；二是加工温度范围在合金固相线温度和液相线温度之间；三是材料中的固相是非枝晶形态，而不是常见的树枝晶。表1简要阐述了半固态成型的特性及其潜在的工业应用价值1,3-4。 由表1可知，半固态成型技术打破了液态成型和塑性成型的瓶颈，综合了液态成型和塑性成型的优点，广泛拓展了液态成型和塑性成型的应用范围，显著提高了成型精度和效率，有着巨大的工业应用潜力。 2 半固态成型技术的分类 目前，半固态成型技术按其工艺方案主要可分流变成型和触变成型两大类2,10，如图1所示。 机械设计制造 机电技术 2009 年第
6、 1 期 31图1 半固态成型工艺方案示意图 2.1 流变成型 在金属凝固过程中，通过施加搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂等手段，改变合金熔体的凝固行为，获得一种液态金属母液中均匀地悬浮一定球状初生固相的固-液混合物(半固态浆料)，并利用此浆料直接成型加工的方法。 流变成型工艺中，半固态浆料中固相颗粒的尺寸和形状与冷却速度、搅拌方法、搅拌速度等显著相关，并且易于维持在低固相分数状态，通过搅拌可用于凝固区间小甚至共晶合金或纯金属。流变成型在半固态发展初期就被认为是最具发展潜力的工艺过程，它具有工艺流程短、设备简单、节省能源、适用合金不受限制等特点，是未来金属半固态成型的一个重要发
7、展方向2。但是由于半固态金属浆料的保存和输送很不方便，严重制约这种成型方法的实际应用。 2.2 触变成型 获得半固态浆料后，将其进一步凝固成坯料(通常采用连铸工艺)，根据需要将坯料切分，然后把切分的坯料重新加热至固-液两相区形成半固态坯料，利用这种半固态坯料进行加工成型的方法。 触变成型工艺中，半固态浆料中固相粒子由母材晶粒未熔化的部分构成，颗粒尺寸与形状依赖与母材，并且易于维持在高固相状态，适合用于凝固区间大的合金。与流变成型相比，触变成型解决了半固态浆料制备与成型设备相衔接的问题，易于实现自动化操作。因此，触变成型工艺已成功实现了工业应用，目前国外已形成了一定的商业生产规模3-4。但是，随
8、着触变成型工艺的不断推广和应用，其主要缺陷也逐渐暴露出来：浆料制备成本高、设备投资大、坯料的成分和微观结构的不均匀性、浆料制备过程控制难度大等，成为制约触变成型工艺发展的主要瓶颈，也成为近年来半固态成型技术的研究重点3,5。 3 半固态成型技术的应用现状分析与思考 3.1 半固态成型技术的国内外应用现状 半固态成型技术源于美国。目前，美国的半固态成型技术处于全球领先地位。阿卢马克斯公司已建成2座半固态铝合金成型汽车零件生产厂，其生产的半固态模锻铝合金汽车制动总泵体机加工量只占铸件质量的13%，且质量减少了13%左右2。此外，Hot Metal Moldi ng公司、Lindberg公司、EPC
9、O Division、HPM Corporation等公司均已应用半固态成型技术生产形状复杂的零部件。如汽车用刹车制动缸体和铝合金轮毂、空调设备部件、转向与传动系统零件、活塞、燃油系统零件等，并且这些零件已应用于Ford、Volvo、BMW和Audi等欧美名牌汽车上11。近年来用半固态技术生产的航空航天器上使用的电子器件的连接部件等已应用于军事航空领域。这些半固态成型零件包括许多键销和定位装置，它们的公差精度接近甚至优于机加工。 欧洲各国对半固态成型技术作了大量的研究和开发工作，目前有多家公司从事半固态金属及合金零件的生产。如意大利Stampal SPA公司利用半固态铝合金为Alfa Rome
10、o Spider Sports Car公司生产后悬挂架的左右支撑件毛坯；英国的P. Kapranos等采用半固态触变成型技术将M2工具钢制成高精度、高表面品质的齿轮；Thixnmat公司1994年开始采用触变成型技术进行铝合金齿轮箱的生产，每件生产时间仅28秒，平均质量偏差0.5%，孔的精度为0.02，只需对其进行表面抛光处理即可11-12。 亚洲国家对半固态成型的研究和开发相对落后于欧美，但也从事了大量的工作。目前日本的一些公司也开始从事半固态成型件的生产，如Speed Star Wheel公司已成功利用半固态成型技术生产铝合金轮毂2,12-13。在我国，半固态成型技术起步较晚，目前尚处于基
11、础理论和试验研究阶段，但也取得了一些成果。 如北京有色金属研究总院利用电磁搅拌设备已能够连续生产直径为80mm的铝合金半固态坯料，并与东风汽车公司合作，试验用半固态铝合金生产汽车零部件； 重庆大学与重庆九方铸造公司合作， 采用触变成型技术制成JH70型摩托车发电机支架； 北京科技大学用电磁搅拌法成功制备出半固态AlSi 7Mg合金，并用触变成型技术生产出汽车制动总泵泵体毛坯14。 机电技术 2009 年第 1 期 机械设计制造 323.2 我国半固态成型技术应用现状分析与建议 应该说，我国在基础理论研究方面与国外并不存在明显的差距：我国从20世纪80年代开始，国家自然科学基金、863计划、97
12、3计划先后支持了不少高校和科研单位从事半固态成型技术的研究；中国机械工程学会塑性工程分会下，单独成立了一个学术组织即半固态加工学术委员会，并成功举办了多次学术年会；哈尔滨工业大学、东南大学、北京有色金属研究总院等高校和科研单位也有诸多科研成果在国际权威学术期刊发表。然而，我国却鲜有工业应用实例报道。这与我国企业的发展模式有较大的关系。这些年来，支持半固态成型技术的科研经费主要来自于国家以及政府单位，鲜有企业愿意提供经费从事这方面的研究；同时，相关企业过于注重近期利益，不愿改进或采用新工艺，不愿与科研单位合作开展专题研究等，都限制了我国半固态成型技术的工业应用与发展。 总体而言，我国半固态成型技
13、术的工业应用规模仍然较小，相对滞后。为了提高我国在国际市场上的竞争力，有必要推动半固态成型技术在我国的长足发展和应用。因此，笔者在这方面提些建议，供大家讨论。 （1）继续加强半固态成型技术的基础理论研究。 （2）半固态成型在工业发达国家的高速发展，完全依赖于他们的基础理论研究与技术创新。虽然我们在基础理论研究方面已经取得了不少成果，但仍然要进一步加大基础理论和技术创新的投入力度，争取走在基础理论的研究前沿。 （3）开发具有自主知识产权的半固态浆料制备新技术，降低坯料的生产成本，提高生产效率。半固态金属浆料的价格始终是影响半固态成型技术发展和普及的关键因素。因此，我们应开发具有自主知识产权的高效
14、、优质、低成本制备技术。 （4）大力开发新型合金的半固态成型工艺，努力扩展半固态成型技术的应用范围。在引进、吸收国外先进半固态成型技术的同时，我们应该从基础理论出发，努力开发新型优质合金的半固态成型工艺，只有这样，才能掌握半固态成型的前沿技术，真正成为半固态成型技术的领军者。 （5）国家应该鼓励相关企业参与半固态成型技术的研究，鼓励相关企业积极引进、吸收国外先进半固态成型技术。同时采取一定的优惠政策，鼓励企业进行技术改造，努力为广大科研单位创造试验平台，争取在最短的时间内将先进研究成果转化为生产力。 4 结束语 近年来，半固态成型技术在欧美国家以及日本得到了快速发展，有着巨大的市场潜力，在世界
15、范围内受到越来越多的重视。可以肯定，半固态成型技术的发展将远远超出目前工业应用所局限的范围，在21世纪将具有越来越重要的地位。参考文献 1 M.C. Flemings. Metallurgical Transactions B, 1991, 22:269-292. 2 罗守靖，田文彤，谢水生，毛卫民.中国有色金属学报J，2000,10:765-773. 3 M.C. Flemings, J. Yurko, R. Martinez. Solidification Processes and MicrostructuresJ: A Symposium in Honor of Wilfried Ku
16、rz, 2004:3-14. 4 X.C. Pang, H.F. Zhang, A. M. Wang, B.Z. Ding, K.Q. Qiu. Journal of Materials Science and TechnologyJ, 2000, 16:453-460. 5 D. Apelian, A. De Figueredo, M.M. Makhlouf. TMS Annual Meeting: Energy Efficient Manufacturing Processes, 2003:55. 6 D. Apelian, M.C. Flemings, R. Mehrabian. Jou
17、rnal of Materials ScienceJ, 1975, 10:460-468 7 M.C. Flemings, R. Mehrabian. Modern CastingJ, 1973, 63:31-33. 8 T.W. Caldwell, A.J. Campagna, M.C. Flemings, R. Mehrabian. Metallurgical Transactions BJ, 1977, 8:261-270. 9 O. Lashkari, R. Ghomashchi. Journal of Materials Processing TechnologyJ, 2007,182:229-240. 10 罗守靖. 机械工人（热加工）J, 2004,(2):60-62. 11 樊刚，程钢. 铸造技术J, 2001, (3):26-29. 12 逯允龙，吉泽升，洪艳，李艳霞.金属热处理J，2006,31:27-31. 13 罗守靖，姜巨福，杜之明.机械工程学报J，2003,39:52-58. 14 王羽，胡建华，龙安.中国机械工程J，2006,17:223-226. 作者简介： 林文金，(1979年-)，男，助理实验师，主要从事材料成型研究。
