金属半固态成型技术发展详解

半固态金属成形技术的发展与应用70年代初美国麻省理工学院的M.Flemigs和D.Spencer发现，处于固-液相区间的合金经过连续搅拌后呈现出低的表观粘度，此时在结晶过程中形成的树枝晶被粒状晶代替。

这种浆料很容易变形，只要加很小的力就可以充填复杂的型腔，从而开发出一种新的金属成形方法—半固态金属成形。

半固态金属成形可以分为流变成形和触变成形两种。

前者是利用半固态金属的流变性能，将经过强烈搅拌的金属浆料加压成形。

后者则利用金属的触变性能，将凝固的搅拌金属浆料加热至半固态再加压成形。

半固态金属成形具有能消除气孔、缩孔，提高零件的机械性能及模具寿命，减少凝固收缩，提高零件尺寸精度等优点。

半固态金属易于搬运和输送，为连续高效的自动化生产创造了条件。

在节省能源、保护环境方面也较传统的铸造方法更为优越。

目前美国、西欧已将半固态加工成形技术应用于生产。

美国军方把用流变铸造法制造复合材料坦克零件列为五年工艺研制规划之一。

在川崎制铁等18家大型公司的资助下，日本从1988～1994年成立了专门研究机构，对半固态金属的性能、制造与加工技术进行了全面的研究，目前已着手工业化生产。

我国对半固态金属成形技术的研究基本上还处于实验室阶段，离工业性生产尚有一定距离。

1半固态金属的流变特性半固态金属的流变特性是指在外力作用下半固态金属的流动、变形性能。

研究半固态金属的流变特性对半固态金属的制备和成形技术具有重要的指导意义。

当金属液中固体金属颗粒的组分大于0.05～0.1时，其流变行为即呈现非牛顿体型。

在更高的固体组分（0.5～0.6）时，浆料呈非线性粘塑性，具有宾汉（Binghan）流体的特性。

虽然合金成份、半固态金属的制造条件、固体相的形状与大小等因素对半固态金属的流变性能都有影响，但固相组分的数量对流变性能的影响最大。

通常用半固态金属的表观粘度作为其流变性的指标。

通过在一定剪切变形速度及冷却条件下的搅拌试验，测定了在不同固体组分下的铝、铜、铁半固态金属的表观粘度，见图1，并采用悬浊液的粘度公式对表观粘度与固相率的关系进行回归分析，得到如公式（1）所示的半固态金属表观粘度表示式［1］：图1固相率与表观粘度间的关系（曲线为回归结果）（1）式中：ηa—半固态金属表观粘度，Pa.s，ηLa—金属液表观粘度（Pa.s），ρm—合金密度（kg.m-3），C—凝固速度，s-1，—剪切变形速度，s-1，f s—固相率。

半固态成形利用金属材料在固液共存状态下所特有的流变特性进行成形的技术。

首先要制造含有一定体积比例的非枝晶固相的固液混合浆料，成形方法有流变成形和触变成形两种。

优点：1、在工艺方面：成型温度低，延长模具寿命（热冲击小）；节省能源；改善生产条件和环境。

2、在产品方面：铸件质量提高（减少气孔和凝固收缩）；减少加工余量；零件的尺寸和精度能达到近终形；扩大压铸合金的范围并可以发展金属复合材料。

所谓半固态加工是指金属在凝固过程中,对其施以剧烈的搅拌作用或扰动作用,得到一种液态金属母液,其中均匀悬浮着一定量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固2液混合浆料(也称流变浆料) ,对这种浆料进行的加工成型的方法。

半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成型两类,前者是将制备好的半固态浆料直接用于成型,如压铸成型(称为半固态流变压铸成型) ;后者是对制备好的半固态坯料进行重新加热使其达到半熔融状态,然后进行成型,如挤压成型(称为半固态触变挤压)[1]。

1半固态金属成形的发展及现状（半固态成形铝合金材料研究）半固态金属(SSM)成形技术自DavidSpencer于1971年首次提出至今，已有30多年历史【2-5】。

综观整个历史过程，其发展可以分为实验研究、应用研究和工程化应用三个阶段。

从20世纪70年代初开始，实验研究工作大约延续了15年。

这一阶段的研究主要集中在探索具有流变性和触变性的有色金属合金半固态试样的组织特征与制备方法上。

主要成果包括：①揭示了流变性和触变性坯料的组织特征；②提出了枝晶组织向非枝晶组织转变的物理模型：③研究了搅拌速度、强度以及温度等工艺参数对非枝晶化过程的影响规律：④初步探讨了半固态微观组织与流变性能的关系；⑤测试了半固态合金流变性能，并建立了相关的数学模型。

上世纪80年代中期是半固态成形技术应用研究的迅速发展阶段，并且从早期的有色金属合金扩展到高熔点合金以及复合材料的半固态成形。

这期间，开发与研制了包括电磁搅拌在内的多种半固态制坯技术与连铸设备；利用计算机模拟技术揭示了半固态合金充型过程；深入细致研究了成形工艺对产品组织性能影响的规律。

半固态加工技术的最新发展及应用摘要：金属半固态加工技术是21世纪前沿性金属加工技术，具有高效、节能、近终型生产和成型件性能高等许多优点。

本文着重概述了半固态金属制浆（坯）工艺的研究新进展，并展示了半固态成形技术在高合金化铝合金控制凝固与成型方面的应用与进展。

关键词：半固态加工；均匀凝固；发展趋势；应用1金属半固态加工技术简介20世纪70年代初，美国麻省理工学院(MIT)的Flemings等研究者们提出了一种金属成型新方法,即半固态加工技术(Semi-Solid Metalor SemiSolid Forming，简称SSM或SSF)。

所谓半固态加工是指金属在凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用或扰动作用，得到一种液态金属母液，其中均匀悬浮着一定量的球状初生固相或退化的枝晶固相的固-液混合浆料(也称流变浆料)，对这种浆料进行的加工成型的方法。

半固态成型包括半固态流变成型和半固态触变成型两类，前者是将制备好的半固态浆料直接用于成型，如压铸成型(称为半固态流变压铸成型)；后者是对制备好的半固态坯料进行重新加热使其达到半熔融状态，然后进行成型，如挤压成型(称为半固态触变挤压)[1]。

半固态成型方法打破了传统的枝晶凝固模式，开辟了强制均匀凝固的先河，与以往的金属成型方法相比，半固态金属成型在获得均匀细晶组织、提高力学性能、缩短加工工序、节约能源及成型件性能等方面具有明显的优势。

制浆的目的是为了控制凝固过程中的晶体形核与长大形态，以获得细小均匀的显微组织，从而提高材料的综合性能。

但是目前大多数的制浆方法在实际应用方面都还存在不同程度上的局限性，制约了这项技术的工业化推广应用。

因此，近年来半固态浆料制备方法仍在不断的努力探索，推进着半固态加工技术的向前发展。

目前已有包括中国在内的二十多个国家和地区开展了半固态成型研究。

研究对象主要集中在铝合金和镁合金材料的成型。

铝合金半固态成型方法主要有流变压铸、触变压铸、触变锻造等；而镁合金半固态成型的成熟技术目前主要有半固态触变注射成型技术[2]。

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。

半固态加工技术，一种基于新型液态金属的先进加工方法，近年来在制造业中受到了广泛的关注。

该技术不仅革新了传统加工方式，还在很大程度上提升了加工效率和质量。

首先，半固态加工技术的基础是液态金属。

这种新型液态金属在常温下表现出类似固态的物理特性，如高强度、易成型，同时又具有液体的流动性。

这种特性使得它能够在保持一定流动性的同时，实现像固态一样的成型和加工。

这为制造业提供了一种全新的材料加工方式。

在半固态加工技术中，这种液态金属被用作模具和工具，通过挤压、压制、注射等手段，制造出各种形状和尺寸的产品。

相比于传统的加工方法，这种技术具有许多优势。

首先，由于半固态金属的高强度和高流动性，产品在加工过程中能保持更高的精度和稳定性，大大减少了废品率。

其次，半固态金属的快速凝固特性，使得它可以实现快速冷却和固化，极大地提高了生产效率。

最后，由于其独特的物理特性，半固态金属可以更容易地实现自动化生产，降低了对人工的依赖。

然而，尽管半固态加工技术具有许多优点，但它并不是无懈可击的。

在实际应用中，如何控制液态金属的流动性和凝固速度，如何保证产品的质量和精度，都是需要解决的问题。

这就需要我们进一步研究和探索半固态金属的物理和化学特性，以及如何利用这些特性来优化加工过程。

总的来说，半固态加工技术是一种具有巨大潜力的新型加工技术。

它以液态金属为基础，通过改变金属的物理和化学特性，实现了更高的加工精度和效率。

然而，这项技术还有许多需要解决的问题和挑战。

只有通过不断的研究和探索，我们才能更好地利用这种技术，推动制造业的发展。

半固态金属成形技术1. 引言半固态金属成形技术是一种新兴的金属加工技术，它将固态和液态的金属材料的优点结合在一起，可以制造出具有高强度、高精度、复杂形状的金属零件，具有极高的应用价值。

本文将介绍半固态金属成形技术的基本原理、应用范围、优点和发展前景。

2. 基本原理半固态金属成形技术的基本原理是将铸造过程中合金中铸晶的分布状态控制在半固态状态，通过控制合金的热状态和机械变形来实现金属成形。

具体而言，就是将合金熔融后，在一定的时间和温度范围内，控制其冷却速度，使合金中的铸晶呈现出部分熔化和形变状态，从而达到半固态的状态。

3. 应用范围半固态金属成形技术可以应用于航空航天、汽车、船舶、机械等领域的制造。

具有如下优点：（1）可以直接制造出高强度、高精度、复杂形状的零件，避免了加工中的残余应力和失真；（2）可以大幅减少加工成本，节约了材料和时间成本；（3）可以提高金属材料的性能和质量，增加产品寿命和安全性；（4）可以生产大尺寸、高质量的零件，提高了生产效率和产能。

4. 优点半固态金属成形技术具有以下优点：（1）成形精度高，可以实现微米级的精度控制；（2）成本低，可以节省大量人力、物力和时间成本；（3）高性能材料制造，可以生产出高强度、高耐热、高耐腐蚀的材料，扩展了金属材料的应用范围；（4）可持续发展，可以对既有材料进行再加工和再利用。

5. 发展前景半固态金属成形技术是一种有前途的金属制造技术，目前已经进入实际应用阶段。

未来，它将逐步替代传统的金属成形工艺，成为重要的先进制造技术之一。

同时，随着科学技术的不断发展，半固态金属成形技术也将不断创新和完善，提高成形速度和效率，扩大应用范围。

预计在未来的十年内，半固态金属成形技术将会取得重要的技术突破，推动金属制造行业的成型和发展。

6. 结论半固态金属成形技术是一种健康、可持续发展的金属制造技术。

它具有高效、高精度、高性能、低成本等优点，可以适应不同的金属制造领域的需求。

铝合金半固态成形技术的应用及发展摘要：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。

半固态金属成形技术的主要发展趋势摘要：半固态加工技术具有高效、节能、近净形生产以及制成品显微组织细化均匀、机械性能好等诸多优点，是21世纪很有发展前景的一种加工方法。

本文将针对其发展趋势做简要总结和分析。

关键词：半固态，近净形前言：传统的金属成形主要分为两种：一种是液态成形，如铸造、液态模锻、液态轧制等；另一种是固态成形，如轧制、锻造等。

在20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings教授领导的研究组首先发现处于半凝固状态的金属材料经强力搅拌后，枝晶被打碎，生成球状晶体组织，具有成形时所需优异的流变性，加以各种成形方法而得到半固态加工技术[1]。

1 半固态铸轧成形技术将高效、节能、短流程的连续铸轧技术与半固态加工技术相结合，得到半固态连续铸轧成形技术，可以兼具这两种先进技术的优点，将是一种全方位高效、节能、短流程、近终形的加工方法[2]。

半固态轧制工艺是将被轧制材料加热到半固态后，送入轧辊间轧制的方法，示意图见图1。

具有球状晶的合金材料加热到半固态时，变形抗力很低，这对轧制成形有利。

目前半固态铸轧技术的研究主要集中在铝合金以及钢铁材料。

Toshio Haga等[3-4]利用冷却的斜槽进行了A356铝合金的半固态铸轧成形试验，由于半固态的效应，铸轧速度可达到30~90m/min，板带厚度为2~2.5mm，性能检测表明抗拉强度达到270MPa，延伸率为18%，显微组织观察到板带的中心厚度部位晶粒为球状，认为机械性能的提高是由于具有这种半固态的组织特点。

图1 半固态轧制示意图2 流变行为、模型及数值模拟北京有色金属研究总院的朱光磊等研究了双螺旋制浆工艺下转管转速和剪切时间对AZ91D合金形貌的影响。

结果显示，在连续剪切阶段，增大转管转速和剪切时间能有效提高晶粒的圆整度，这是因为双螺旋管的高剪切速率和大角度参数，导致了合金液流中温度相对均匀，增加了有效的形核率。

西安交通大学的闫观海等用FLOW-3D软件，利用正交试验方法模拟了HPb59-1合金四道阀零件的半固态压铸过程，并获得了最优的参数：浇注温度为897.25℃，压铸速度为2.0m/s，预热温度为260℃。

半固态成形技术的工艺流程半固态成形技术（Semi-Solid Forming Technology）是一种将合金材料由液态逐渐转变为半固化状态进行成形的高效率制造技术。

下面我将详细介绍半固态成形技术的工艺流程。

半固态成形技术的工艺流程主要包括以下几个步骤：1. 材料准备：选择适合半固态成形的合金材料，通常是金属合金。

合金的主要成分、比例和杂质控制对成品的质量有重要影响。

合金材料经过预处理、熔炼、再结晶等工艺，制备成符合要求的原料。

2. 半固态化处理：原料合金通过加热，使其处于半固态状态。

半固态是指合金同时具有液相成分和固相成分，且两者之间呈现出部分固相悬浮的混合状态。

通过控制半固态化温度和时间，使合金材料达到理想的半固态状态。

3. 成型形式选择：根据产品的形状、尺寸和结构等要求，选择最适合的成型形式。

常用的成型形式有温锻、挤压、注射等。

挤压是其中最常用的成型形式，特点是简单、成本低、生产效率高。

4. 成型设备准备：根据选择的成型形式，准备相应的设备。

例如，在挤压成型中，需要准备好挤压机，根据产品的尺寸和结构确定模具的设计。

5. 成型过程：将半固态合金材料装填到成型模具中，然后施加压力进行成型。

成型过程中，合金材料由半固态状态逐渐变形为固态状态。

压力的大小、速度和时间等参数需要根据具体产品要求进行调控。

6. 去除模具和后处理：成型完成后，将产品从模具中取出，并进行必要的后处理。

后处理包括去除余温、切割、打磨、喷漆等工艺，以使产品满足要求的精度和表面质量。

7. 检测与质量控制：通过一系列的检测手段，对成品进行质量控制。

常用的检测方法包括尺寸测量、化学分析、金相显微镜观察等。

根据产品要求和行业标准，对成品进行合格与否的判定。

整个工艺流程中，原料准备、半固态化处理和成型过程是关键环节，因为这些环节直接影响到成品的质量和性能。

精确控制半固态化温度和时间，以及成型过程中的温度、压力和速度等参数，能够使成品达到精密度高、尺寸稳定、表面质量好的要求。