第２卷第４期 ２ Ｏ Ｏ ８年ｌ ２月 材料研究与应用 ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩ（）Ｎ Ｖｏ１．２，ＮＯ．４ Ｄｅｃ．２ Ｏ Ｏ ８ 文章编号：ｌ６７３—９９８１（２ＯＯ８）Ｏ４一Ｏ３Ｏ４一Ｏ５ 金属半固态成形技术的应用现状及发展前景 刘 尧，李 风，胡永俊 （广东工业大学材料与能源学院，广东广州 ５１Ｏ。０６） 摘要：综述了半固态成形技术的半固态合金浆料的制备及半固态成形工艺，重点介绍了搅拌、非搅拌 浆料制备方法的优缺点及触变、流变成形工艺的特点，并阐述了半固态成形技术工业化应用的现状和发 展前景． 关键词：金属半固态成形；浆料制备；成形工艺 中图分类号：ＴＧｌ５６．９４ 文献标识码：Ａ 半固态金属成形技术作为一种先进的金属加工 技术，因其具有凝固收缩小、偏析小、产品质量较高、 近终成形等优良特性，被誉为２１世纪新一代金属成 形技术，由美国麻省理工学院Ｆｌｅｍｉｎｇｓ等人提 出ｕ ．半固态成形技术具有独特的技术、经济优势及 广阔的应用前景，在３Ｏ多年的发展历程中，半固态 成形技术在制坯、重熔加热、零件成形、组织与力学 性能、加工环节数值模拟以及合金流变学研究等许 多方面取得重大进展［２刮． 半固态成形包括两大关键技术，一是浆料的制 备，二是半固态的成形工艺．本文概述了半固态浆料 制备和半固态成形工艺研究现状及前景，介绍了半 固态成形技术的应用情况，提出了半固态成形的发 展方向． １ 半固态合金浆料的制备 与传统铸造成形相比，半固态金属浆料中包含 有类球形的固相颗粒，减少了凝固收缩并提高了补 缩能力，从而减轻或者消除了缩松倾向，因而组织优 良的半固态金属浆料或坯料的制备是实现半固态金 属加工技术的基础及关键 ．自从Ｆ１ｅｍｉｎｇｓ等人 ８］ 采用机械搅拌法制备出具有完整球形晶粒的半固态 金属后，人们根据金属凝固理论对半固态金属浆料 收稿日期：２００８一Ｏ６—２５ 作者简介：刘尧（１９８４一），男，湖北荆门人，硕士研究生 或坯料的工艺及技术进行了研究与创新．目前，半固 态成形浆料制备主要可分为搅拌法和非搅拌法两 大类． １．１ 搅拌法 搅拌制备技术主要包括机械搅拌法和电磁搅拌 法 ．机械搅拌法是最早应用的一种半固态浆料 制备方法，通过搅拌棒或者旋转的叶片对熔体直接 施加搅拌，利用半固态金属流层速度不同产生的剪 切应力，或者采用螺旋式搅拌器来强化凝固过程中 金属液的流动使枝晶折断，从而使凝固初期的枝晶 破碎、变形，形成弥散球状固相颗粒的半固态合金． 电磁搅拌法是通过电磁力改变凝固过程中熔体的流 动、传质及传热，达到细化晶粒的目的．国内外研究 结果表明ｎ ，使用机械搅拌法及电磁搅拌法制备半 固态浆料，在适当的搅拌及冷却条件下，均可获得半 固态金属锭或成形件，其微观组织为细小球形或等 轴的固相颗粒，最小粒径约为３Ｏ～５０ ｍ． 机械搅拌法装置结构简单、造价低、操作方便， 搅拌速度、搅拌温度及冷却速率等工艺参数易于控 制，可获得很高的剪切速率，有利于形成细小的球形 晶粒组织，是目前实验室中广泛应用的方法 ｊ．由于 机械搅拌法的生产效率低、易卷入气体、搅拌棒的寿 命短及搅拌棒腐蚀易污染半固态金属浆料，因此机 械搅拌法不适宜应用于半固态浆料的工业生产中，
材料 热处理 半固态金属成形技术的研究进展＊ 罗晓强 ，李正阳 ，燕青芝 （１．北京科技大学，北京１０００８３；２．中国科学院力学所，北京１００１９０） 摘 要：半固态金属浆料成形是通过控制金属材料在固 液共存状态下所特有的流变特性而进行成 形的一种金属制备技术。半固态浆料中的固态初生晶粒有优良的流动性，可以采用挤压、压铸和模锻等 加工方法制备产品，半固态浆料成形技术是一种节能、高效的生产加工技术，应用前景广阔。综述了半固 态浆料制备技术出现以来的研究成果，包括半固态浆料的成形机理、半固态成形的条件和晶粒细化控制 机理等，并对半固态浆料制备技术进行了展望。 关键词：半固态；浆料；制备技术 中图分类号：ＴＧ ４４１．８ 文献标志码：Ａ Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ Ｍｅｔａｌ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＬＵＯ Ｘｉａｏｑｉａｎｇ ～．ＬＩ Ｚｈｅｎｇｙａｎｇ 。ＹＡＮ Ｑｉｎｇｚｈｉ （１．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｍｅｔａｌ ｓｌｕｒｒｙ ｆｏｒｍｉｎｇ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ— ｌｉｑｕｉｄ ｃｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｆｏｒｍｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｐｒｉｍａｒｙ ｇｒａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｓｌｕｒｒｙ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｍｏｂｉｌｉｔｙ，ｃａｎ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ，ｄｉｅ ｃａｓｔｉｎｇ， ｄｉｅ ｆｏｒｇｉｎｇ，Ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｓｌｕｒｒｙ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏ ｇＹ ａｎｄ ｈａｖｅ ｂｒｏａｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｓｌｕｒｒｙ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｆｏｒｍｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｓｌｕｒｒｙ，ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ，ａｎｄ ｃｏｍｍｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｓｅｍｉｓｏｌｉｄ ｓｌｕｒｒｙ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ，ｓｌｕｒｒｙ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 半固态金属成形技术（Ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏ— ｃｅｓｓｉｎｇ） ］，是指当金属处在相图中的固 液相线之 间温度时，采用搅拌、加入品粒细化剂等办法改变金 属的热状态和固相的形核及长大过程，得到一种液 态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的混 合浆料，利用混合浆料进行加Ｔ成形的工艺技 术 ］。半固态金属浆料中的固态初生晶粒通常以 细小、近球状的非枝晶组织形式悬浮在液相中，浆料 在加工过程中表现出良好的流变性和触变性，通常 采用压铸、挤压和模锻等方法进行加工成形ｌ５ ］。 １９７１年，麻省理工学院Ｄ．Ｂ．Ｓｐｅｎｃｅｒ博士和其 导师Ｍ．Ｃ．Ｆｌｅｍｉｎｇｓ教授用部分凝固的Ｓｎ一１５ Ｐｂ合金熔体研究铸造过程时，发现熔体结构的初生 固相呈球状，由此开创了半固态金属成形技术和理 论 ］。美国的Ａｌｕｍａｘ公司于１９７８年率先用电磁 搅拌技术生产半固态铸锭，建设了世界上第１条触 变成型生产线；瑞士Ｂｕｅｈｌｅｒ公司于１９９３年用半固 态压铸设备进行汽车零件加工；德国的ＥＦＵ、法国 的Ｐｅｅｈｉｎｅｙ ＳＡ和意大利的Ｆｉａｔ等公司也先后采用 了半固态加工技术［８ ］。 半固态浆料的制备主要在固体与液体两相之间 进行，在生产中较宽的固一液温度区间利于加工，如 铝合金、铜合金、锌合金、镁合金以及铁合金等口 引， 合金在两相间成形兼具了凝固组织和塑性变形的优 点，其力学性能明显得到提升。合金成功地应用到 商业领域，如用半固态铝合金制备泵体、挂架、压缩 机活塞、气缸头和轮毂等¨】 ¨］。 半固态浆料成形方法有流变成形和触变成形２ 种：流变成形是半固态浆料直接成形；触变成形是将 半固态浆料凝固成坯体，再加热后加工成形。流变 成形由于工艺流程短，生产效率高，可以制造尺寸精 确、形状复杂和没有内部孔隙的高可靠性零件ｌ１引， 因此，受到研究和应用领域的普遍关注。美国康乃 尔大学提出的单螺旋机械搅拌式流变成形技术ｕ ， 英国Ｂｒｕｎｅｌ大学开发的双螺旋机械搅拌式流变成 形技术Ｌ１ 和日本Ｈｉｔａｃｈｉ金属有限公司的Ｓｈｉｂａｔａ 等提出的射室制成形技术＿】 ，这些技术工艺流程 短，生产效率高，可以制造尺寸精确、形状复杂和没 有内部孔隙的高性能零件。与流变成形相比，触变 成形过程中半固态坯料的加热和输送工艺较为方 便，易于实现自动化操作，解决了半固态金属浆料制 备与成形的衔接问题，半固态金属的触变压铸、触变 新技术新工艺》材料与热处理
1 4 金属半固态加工
4.1概述
4.1.1半固态加工的概念与特点
4.1.1.1半固态加工的概念
传统的金属成形主要分为两类：一类是金属的液态成形，如铸造、液态模锻、液态轧制、连铸等；另一类是金属的固态成形，如轧制、拉拔、挤压、锻造、冲压等。在20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemimgs教授等提出了一种金属成形的新方法，即半固态加工技术。金属半固态加工就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固-液混合浆料(固相组分一般为50％左右)，即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形(rheoforming)；如果将流变浆料凝固成锭，接需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热(即坯料的二次加热)至金属的半固态温度区，这时的金属锭一般称为半固态金属坯料。利用金属的半固态坯料进行成形加工，这种方法称之为触变成形(thixoforming)。半固态金属的上述两种成形方法合称为金属的半固态成形或半固态加工(semi-solid forming or processing of metals)，目前在国际上，通常将半固态加工简称为SSM(semi-solid metallurgy)。
就金属材料而言，半固态是其从液态向固态转变或从固态向液态转变的中间阶段，特别对于结晶温度区间宽的合金，半固态阶段较长。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。
凝固加工利用液态金属的良好流动性，以完成成形过程中的充填、补缩直至凝固结束。其发展趋势是采用机械压力替代重力充填，从而改善成形件内部质量和尺寸精度．但从凝固机理角度看，凝固加工要想完全消除成形件内部缺陷是极其困难的，甚至是不可能的。
塑性加工利用固态金属在高温下呈现的良好塑性流动性，以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好，但由于固态金属变形抗力高，所需变形力大，设备也很庞大，因此要消耗大量能源，对于复杂零件往往需要多道成形工序才能完成。因此，塑性加工的发展方向是降低加工能耗和成本、减小变形阻力、提高成形件尺寸精度和表面与内部质量。由此出现了精密模锻、等温锻造和超塑性加工等现代塑性加工方法。
重庆科技学院
课程结业考试（论文）
题 目 半固态镁合金成形技术概论
院 （系） 冶金与材料工程学院
专业班级 材料工程技术08-02
学生姓名 刘明强 学号 2008630578
任课教师 孙建春 职称 讲师
评定成绩___ _ __
评语：
年 月 日
半固态镁合金成形技术概述
姓名：刘明强 学号：2008630578
摘要：半固态镁合金制备是在20世纪末新起的最新制备镁合金的技术，半固态技术被认为是21世纪最具发展前途的近终成形技术之一［1］。本文旨在为大家阐述半固态镁合金成形技术的基本概论，包括镁合金的相关阐述（性能、应用、加工技术等）；半固态成形技术的概念，半固态金属浆料的制备，以及半固态加工材料的制备技术等；重点是镁合金与半固态成形技术的结合，包括半固态镁合金浆料的制备，半固态镁合金材料的制备，半固态镁合金材料的热处理，半固态镁合金成形技术的国内国外现状和未来展望，同时阐述半固态镁合金制备的优缺点。
关键词：半固态、镁合金、浆料、半固态成形、流变成形
前言：镁及镁合金作为一种新型的应用材料，近年来已广泛应用于军用、民用领域，如在航空航天、航海、通信、医疗、广播电视、音响影像器材、微电子技术、光学仪器等领域内，在汽车、摩托车、工具、家电电器、手机、计算机及电子设备等制品中都可看到镁合金的终极，在炼钢脱硫、铝合金生产、防腐工程中都离不开镁原料。在汽车行业，上海汽车集团公司、一汽集团、东风汽车集团、江铃汽车公司等国内大的汽车公司均开始使用镁制零部件。根据相关研究，汽车单车自重没减轻100Kg，每百公里耗油可减少0.7L左右，每节省1L燃料可减少二氧化碳排放量2.5g。而通过镁合金零部件的使用可有效的实现汽车轻量化目标。镁合金应用于交通工具，除减中和降低油耗，还可以提高整车加速、制动性能，还能降低行驶振动和噪声，提高舒适度，可以加快散热，使发动机的综合性能提高一个档次，具有良好的经济效益。
