(工艺技术)半固态金属铸造工艺

轻合金高压、低压、挤压、差压、半固态等铸造工艺与装备研发生产方案一、背景随着制造业的飞速发展，轻合金材料在汽车、航空、电子等领域的应用越来越广泛。

其中，轻合金高压、低压、挤压、差压、半固态等铸造工艺与装备对于生产高质量、高性能的轻合金产品至关重要。

然而，当前国内轻合金铸造工艺与装备在某些方面仍存在一定的短板，亟待升级和优化。

因此，本方案旨在从产业结构改革的角度，探讨轻合金铸造工艺与装备的研发生产方案，以期提升我国轻合金产业的竞争力。

二、工作原理1.高压铸造：通过高压注射将液态轻合金注入模具中，冷却后开模取出铸件。

此方法适用于生产复杂形状、高精度要求的轻合金产品。

2.低压铸造：在低压下将液态轻合金注入模具中，模具保持在一定温度下，待合金冷却凝固后开模取出铸件。

此方法适用于生产中等复杂度的轻合金产品。

3.挤压铸造：将液态轻合金注入模具中，通过施加压力将合金压入模具的各个角落，冷却后开模取出铸件。

此方法可生产高强度、高密度的轻合金产品。

4.差压铸造：通过控制模具内外的压力差，使液态轻合金在重力和压力的作用下填充模具，冷却后开模取出铸件。

此方法可适用于生产具有复杂几何形状的轻合金产品。

5.半固态铸造：将液态轻合金进行部分凝固，形成半固态浆料，然后注入模具中，进一步冷却后开模取出铸件。

此方法生产的铸件具有更好的尺寸精度和表面质量。

三、实施计划步骤1.市场调研与需求分析：深入了解国内外轻合金铸造工艺与装备的市场需求和发展趋势，明确研发目标和方向。

2.技术研究与开发：组织技术团队进行高压、低压、挤压、差压、半固态等铸造工艺与装备的关键技术研究和开发。

3.设备选型与采购：根据研发需要，选购合适的设备，确保设备的性能和质量达到预期要求。

4.工艺试验与优化：进行不同工艺的试验，找出最佳工艺参数，优化工艺流程，提高生产效率和产品质量。

5.产业转化与推广：将研发成果转化为实际生产力，推广至企业应用，促进轻合金产业的升级和转型。

优点： 1、降低对模具的热侵蚀，提高模具寿命 2、减少缺陷（液态金属流动带来的缺陷） 3、容易制造复合材料
3.2 力学模型及数学模型的建立
三、材料简单流变性能
1、虎克弹性体 施加载荷----变形-----
3、合金在固液态时表现的特性
金属在液相线和固相线之间的温度范围内处于 液固两相区，出于此区域的金属叫半固态金属。 实验表明金属铸造是很多缺陷都是在这个区域 内形成的，如热裂纹、缩、孔缩松等
4、流变铸造：
破碎的枝晶半固态压力铸造，枝晶达50% 流变学把物体分：粘性体、弹性体、塑性体
总应变的外 部显现。
当作用在材料上的剪应力小于某一数值时，材料 仅产生弹性形变；而当剪应力大于该数值时，材 料将产生部分或完全永久变形。则此数值就是这 种材料的屈服值。屈服值标志着材料有完全弹性 进入具有流动现象的界限值，所以又称弹性极限、 屈服极限或流动极限。同一材料可能会存在几种 不同的屈服值，比如屈服极限、蠕变极限、断裂 极限等。在对材料的研究中一般都是先研究材料 的各种屈服值。
满行腔。其优点很多，成型温度低，流动 后人又对搅拌器进行了改进，采用螺旋式搅拌器制备了ZA-22合金半固态浆液。
学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金属等工业材料；
无涡流，卷气卷渣少，易制造符合材料。 施加载荷----变形-----撤去载荷----变形消失
当前，在 和欧洲，该项工艺技术的应用较为广泛。 金属在液相线和固相线之间的温度范围内处于液固两相区，出于此区域的金属叫半固态金属。 这个理论通过考虑了固体晶体内部和晶粒颗粒边界存在的缺陷对材料流变性能的影响，表达出材料内部结构的物理常数，亦即材料的 物理流变模型。 3 材料加工中得半固态流变规律 如果要保持应力不变，其变形连续增加 4） 减少污染和不安全因素。 在简单情况下，应力应变特性可用力学流变模型描述。

图6-8 半固态成形技术的两种工艺路线
对于流变成形，由于把浆料制备和加工成形相承接，具有生产效率高 、整体流程短的特点，近年来发展十分迅速，不过浆料的保存和输送难度 大，设备自动化控制复杂，成本相对高。对于触变成形，浆料的制备和最 终成形可分开进行，成形厂方甚至可以不参与熔炼制浆，只需提供二次 加热，工业污染小，而且半固态坯料输送方便，易于实现自动化，因而在 国外较早得到了广泛应用，不过这种方式的缺点是坯料经过冷却和再加热 的过程，能源消耗有所增加。
图6-9 机械搅拌制备半固态浆料
b、电磁搅拌法
电磁搅拌法是目前半固态成形工业生产上最成熟最广泛被应用的制浆 方法，它是在感应线圈中通入一定相位的交变交流，从而产生变换旋转的 磁场，而金属液中便有感应电流产生，洛伦兹力就驱使金属熔体产生剧烈 运动，使非枝晶凝固模式取代传统的枝晶凝固趋势，从而获得含有球形固 相的半固态浆料。如图6-10所示，按熔体被搅拌力驱动的流动方式，一般 分为垂直式、水平式、螺旋式。电磁搅拌采用无接触式地对合金熔体进行 搅动，对合金污染极大降低，且通过调节电流、磁场强度和频率等参数就 能实现搅拌效果的控制，可以连续高效地制备坯料，适用于工业化的生产 应用。但由于电磁搅拌的集肤效应，通常认为，直径大于150mm的铸坯 不宜采用电磁搅拌法。
c、注射成型法
注射成型法是将低熔点金属颗粒进行加热至半固态成型，尺寸为几毫米的合金 粒子在料筒中边被加热边被螺旋体剪切推进，通过螺旋强制对流的搅拌作用，得 到细小均匀球状晶的半固态浆料组织，然后以高速（注塑十倍速度）注入模腔里 。这种方法非常适于相对较活泼的镁合金材料，在整个浆料制备和成型工艺中可 以不使用保护气体和防氧化剂，不需要配备熔化炉，而且不会产生浮渣、炉渣等 ，兼顾安全性和环保。

半固态铸造生产线及自动化
半固态流变成形生产线 该系统由铝合金熔化炉、挤压铸造机、转盘式制 浆机、自动浇注装置、坩埚自动清扫、喷涂料装置等 组成。其工艺过程为：浇注机械手3将铝液从熔化炉2 中浇入制浆机4的金属容器中冷却；同时浆料搬运机 械手5从制浆机的感应加热工位抓取小坩埚，搬运至 挤压铸造机并浇人压射室中成形；随后继续旋转将空 坩埚返回送至回转式清扫装置上的空工位，并从另一 个工位抓去一个清扫过的小坩埚旋转放置到制浆机上； 制浆机和清扫机同时旋转一个角度，进入下一个循环。
半固态铸造成形装备
半固态铸造成形装备主要包括半固态浆料 制备装备、半固态成形装备、辅助装置等。 按流变铸造和触变铸造分类，又有流变铸 造装备和触变铸造装备。 半固态浆料的制备方法主要有机械搅拌、 电磁搅拌、单辊旋转冷却、单／双螺杆法等。 其基本原理都是利用外力将固液共存体中的固 相树枝晶打碎、分散，制成均匀弥散的糊状金 属浆料。最新发展的还有倾斜冷却板法、冷却 控制法、新MIT法等。
半固态铸造成形装备
一步法— 流变铸造 半固态铸造成形是在液态金属凝固的过程中进行强烈 的搅动，使普通铸造凝周易于形成的树枝晶网络骨架被打 碎而形成分散的颗粒状组织形态，从而制得半固态金属液， 然后将其铸成坯料或压成铸件。 根据其工艺流程的不同，半固态铸造可分为流变铸造 二步法— 和触变铸造两大类。 触变铸造 流变铸造是将从液相到固相冷却过程中的金属液进行 强烈搅动，在一定的固相分数下将半固态金属浆料压铸或 挤压成形，又称“一步法”； 触变铸造是先由连续铸造方法制得具有半固态组织的 锭坯，然后切成所需长度，再加热到半固态状，再压铸或 挤压成形，又称“二步法”。
半固态铸造的其他装置
流变铸造采用“一步法”成形，半 固态浆料制备与成形联为一体，装备 较为简单； 触变铸造采用“二步法”成形，除 有半固态浆料制备及坯料成形装备外， 还有下料装置、二次加热装置、坯料 重熔测定控制装置等。

轻合金高压、低压、挤压、差压、半固态等铸造工艺与装备研发生产方案一、背景随着制造业的飞速发展，轻合金材料在汽车、航空航天、电子通信等领域的应用越来越广泛。

其中，高压、低压、挤压、差压和半固态等铸造工艺在轻合金制造中扮演着关键角色。

然而，当前市场上，工艺与装备的结合尚存在诸多不足，急需升级与改进。

本方案旨在提供一种全面、先进的轻合金铸造工艺与装备研发生产方案。

二、工作原理1.高压铸造：通过高压注射器将液态轻合金注入模具，冷却后获得所需形状的铸件。

此方法适用于生产大型、结构复杂的轻合金部件。

2.低压铸造：在低压下将液态轻合金注入模具，使其缓慢冷却凝固。

此方法适用于生产中小型、对细节要求高的轻合金部件。

3.挤压铸造：将液态轻合金注入模具，通过外部压力将金属填充到模具的细微部分，冷却后获得精确形状的铸件。

此方法适用于生产需要高精度、高强度的小型轻合金部件。

4.差压铸造：利用外部气压或真空度与模具内部气压的差异，将液态轻合金吸入模具，冷却后获得铸件。

此方法适用于生产大型、结构复杂的轻合金部件，能够减少气孔等缺陷。

5.半固态铸造：将轻合金在凝固点附近进行搅拌，使其处于半固态状态，然后注入模具。

此方法适用于生产具有特殊性能要求的大型轻合金部件，如飞机起落架等。

三、实施计划步骤1.市场调研与需求分析：深入了解各行业对轻合金铸造工艺与装备的需求，为研发提供方向。

2.技术研究与开发：结合现代制造技术，对高压、低压、挤压、差压、半固态等铸造工艺与装备进行深入研究，开发具有自主知识产权的技术。

3.工艺优化与实验验证：根据市场需求和技术研究结果，对各种工艺进行优化调整，并通过实验验证其有效性。

4.装备设计与制造：根据优化后的工艺需求，设计相应的铸造装备，确保其高效、稳定和安全。

5.市场推广与应用：将研发成功的工艺与装备推向市场，提供技术支持和售后服务，确保客户能够充分利用其价值。

四、适用范围本方案适用于汽车、航空航天、电子通信等行业的轻合金铸造工厂，为其提供全面、先进的铸造工艺与装备解决方案。

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。

速率 的增加而减小 。
为追求省能 、 省资源 、 品高质量 化、 性能化 的 ２ 世 纪最 有 产 高 １ 前途的技 术材料加工技术之一。
半固态浆液是 由细小 、 的非枝晶初生 晶粒与后凝 固的 等轴
液相组成。Ｆ ｍｎｓ ｌ ｉ 等一批学者认为凝固过程中激烈搅拌 的 ｅ ｇ
合金浆液 中初始球状 、 状或花瓣状晶粒 的形成 与下列枝 晶 椭球
ｓ ｐ ｒｏ ｔ ｐ ｃｆ ｄ ｈ ｌ ｏｉ ｔｔ ａ ｔ ｇｍｅ ｈｎｉｍ ｓｗｅｌａ ａ ａｆｓｌ ｔｔ ａｔｎ ｏｐ ｅａｅ ｔｅ ｍｅ ｎｗｉｈｔｅａｌｙ ｕ ｅｉｒｙ，ｓｅ ｉｅ ａｆｓｌｄｓａｅｃ ｓｉ ｃ ａ ｓ ａ ｌ ｓｈ ｄ ｈ ｌ ｏｉ ｓａｅｃ ｉｇｔ ｒｐ ｒ ｈ ａ ｔ ｈ ｌｏ ． ｉ ｉ ｎ ｄ ｓ
Ｈａ ｆＳ ｌ ｔ ｔ ｓｉ ｇ Ｃｒ ｆ ｙ ｏ ｓｓ ｌ ｏｉ Ｓ ａ ｅ Ｃａ ｔ ａ ｔＳ ｎ ｐ ｉ ｄ ｎ
Ｐ ｈ —ｙ ｎ ＡＮ Ｚ ｉ ｏ ｇ
（ ｕ ａ ｄ ｓ ｙＰｌｔｃｎｃＣ ｌ ｇ ，Ｃ ａｇｈ １２ ８ ｕａ ） Ｈ ｎｎＩ ｕｔ ｏ ｅｈ ｉ ｏ ｅｅ ｈｎ ｓａ４ ００ ，Ｈ ｎｎ ｎ ｒ ｙ ｌ
［ ｂｔ ｃ］ Ｔｉａｉ ｔ ｕ ｄ ｅ ｓｎ ｃｆ“ａ ｌ ｔｃｔｇ ｒｔ ｔ ｖｏ ｅ ｔ ｔｎｎ ｌ ｏｄｔｅ ａｉ ａ Ａ ｓ ａｔ ｒ ｈ ｔｅｎｏ ｃ ｗｃｔｇ ｒｔ ｈｆｏｄｔｅ ａｉ ａ”ｈ ｄ ｅｐ ｎｓ ａｏ ａ ｈｆ ｌ ｔｃ ｔｇ ｒ ｓｒ ｌｉｒ ｅ ｎ ａｉ ａ ｃ ｄ ｌ ｉｓ ｓｎ ｃｆ ｅ ｅ ｌｍ ｔｉ ｉ ｄ ａ ｉｓ ｓｎｅＲ ｓ ａ ｕ ｓ ａ
花状； 只要在较高的搅拌剪切速率和较低的冷却速率下， 初生
枝晶臂碎块最后会转变为球状或椭 圆状 ； 初生 固相 晶粒 的大小

>?@A： ［ １］ FGH， JK， MNO． PQE"#$%12． RP Q， ２００４ （ １１） ： ４３－ ４６． ［ ２］ VWXY． Z[\]^E"# ＺＡ ２７ _P‘abc （ ６） ： ３８５－ ３８７ dAef． gh12， ２００２ ［ ３］ jk ， lm ． E"#n./0op ． gh12 ， ２００１ （ ３） ： ２６－ ２９ ［ ４］ rst ， uXv ． E"#gh12ABCwx． : *gh>yz_P， １９９６ （ ２） ： ２９－ ３３ ［ ５］ |} ， M~+ ， ． E"#gh_Pn., （ ３） ： ４４－ ４８ BCwx． :*gh>yz_P， ２０００ ［ ６］ ， ． E"#PQ$%12>op ［Ｍ ］ ． ： P%W， １９９９．
２．４
其他方法
制备半固态的方法还有： 液相线铸造法、 剪切冷却辊 法、 电磁脉冲法、 紊流管道法、 溅射沉积法等， 以上方法主 要在实验室应用。
２０ 世纪 ７０ 年代美 国 麻 省 理 工 学 院 Ｆｌｅｍｉｎｇ 教 授 开 发
出半固态 加 工 技 术 方 法 ， 它 是 将 普 通 铸 造 成 形 时 易 于 形 成 的树枝晶网络骨架 ， 在成型温度达到液固两相区时 ， 进行强 烈搅拌 ， 将其打碎而保留分散的颗粒状组织 ， 悬浮于剩余液 相中 ， 形成多晶核组织 ， 并且这种颗粒非枝晶的显微组织 ， 在 固相 率 达 ０．５－ ０．６ 时 仍 具 有 一 定 的 流 动 性 ， 从 而 可 利 用 常 规的成形工艺如压铸、 挤压、 模锻等实现金属的成形。
２．１
机械搅拌法
Ｆｌｅｍｉｎｇ 等人用一套由同心 带 齿 内 外 筒 组 成 的 搅 拌 装

围绕上述技术关键，人们进行了大量研究，开发了多种实用技术。仅半固态浆料 制备技术就不下十余种。每种技术都有各自的优缺点。例如：目前最通用的非接 触式电磁搅拌法具有不污染合金、便于自动控制等优点,但它难以制备高固相分 数的浆料;接触式机械搅拌法具有设备简单、投资少、易上马等优点但存在搅拌棒 损耗严重且污染合金熔体、搅拌不均匀、难用于黑色金属等缺点;超声波法也是一 种非接触搅拌技术,但它需要配置大功率设备才能达到理想效果;振动法也存在要 求功率大、设备复杂等缺点熔体热处理法(循环等温法)虽具有晶粒圆整度高均匀 度好的优点,但生产率低,且难以用于大尺寸锭料;预变形法(应变诱发熔体激活法) 能获得组织合格的坯料,但工艺流程长,生产成本高,只适用于塑性材料;机械剪断 急冷法(ＳＣＲ)的优点是晶粒细小(60μｍ)、生产率高、易控制,但设备寿命短,氧化 严重,铸坯困难;喷射沉积法在国内某些实验室已有应用,所得坯料晶粒细小(60μ ｍ)、质量稳定,但难以批量生产;由ＦｌｅｍｉｎｇｓＭ Ｃ 发明并申请了日本专利的电脉冲法适用于各种合金,所得坯料晶粒小于60μｍ,但
新型的成形技术—―半固态成形技术（SSM）是一种近终成形（Near-netshape）的成形工艺。与传统的成形工艺相比，它有一系列突出的优点：成形温度 低，成形件力学性能好，并较好地综合了固态金属模锻与液态压铸成形的优点。 本文阐述了铝合金半固态成形技术的主要工艺方法，其工艺参数与传统液态压 铸成形的差异，以及半固态成形件在不同状态下的力学性能
图1 半固态金属压铸流程图
20世纪70年代初，美国麻省理工学院Flemings等人在实验中发现了半固态金属 的流变性能，到70年代中期，Joly等人进一步探索了半固态金属的这种性能，并 出现了半固态金属加工的概念。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。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。自该技术被开发以来，已经历了30馀年的研究发展，并已召开了六次有 关半固态的国际会议，发达国家已经进入生产实用阶段。因为半固态成形技术有 一系列突出的优点：半固态金属成形技术具有高效、优质、节能和近终成形等优 点，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。

及有色合金 ,1998 (6) :33～36 4 吴炳尧. 半固态金属铸造工艺的研究现状及发展前景. 铸造 ,1999 (3) :
45～52 5 Wang K K. Peng H ,Wang N et al . Method and Apparatus for Injection Molding
专题论述
特种铸造及有色合金 2001 年第 2 期
半固态金属铸造的新进展 ———注射成形
华 中 科 技 大 学 樊自田 X 黄乃瑜 罗吉荣 吴树森
摘 要 介绍了半固态金属铸造的最新发展趋势 ———注射成形 ,它将塑料的注射成形原理应用于半固态金属铸造中 ,集
半固态金属浆料的制备 、输送 、成形等过程于一体 ,较好地解决了半固态金属浆料的保存输送和成形控制等问题 。通过简 述几种半固态金属注射成形工艺方法的原理及特点 ,试图展示半固态金属铸造技术工程应用的关键及发展方向 。 关键词 : 半固态金属成形 流变铸造 触变铸造 注射成形
molding. Proceedings of the Second International Conference on the Semi2Solid Processings of Alloys and Composites ,1992 (6) :159～169 8 Wang N ,Peng H ,Wang K K. Rheomolding2A One2Step Process for Producing Semi2Solid Metal Castings with Lowest Porosity. Light Metals Proceedings of the 125th TMS Annual Meeting ,feb 1996. 781～786 9 Kono K. Method and Apparatus for Manufacturing Light Metal Alloy. US Patent ,5836372 (Nov. 17 ,1998) .

日本在20世纪80年代后期就组成了半固志成形公司， Speed Star Wheel公司已应用半固态成形技术牛产铝台金轮 毂。Rheotech公司包括了14个钢铁企业和4个有色金属公司， 从1988年到1994年共投资30亿日元进行开发研究半固态成形 技术。日本制钢所已批量生产镁合金半固态触变铸造机，可 以铸造壁厚为0.5mm的零件，据报道该公司已为全球制造了 100台。另外，日本宇部公司设计制造的新型流变铸造机既 可以进行半固态模锻，又可以进行触变铸造与流变铸造，该 机已出售给奥地利，在2000年投产。
(3)工艺参数控制严格，不利于实现工业生产。
由于半固态成形对固相率控制严格，这就要求温度及冷 却条件等因素控制在较小的波动范围内，这样对于工业生产 的实现提出了更高的要求。同时，利用机械搅拌制备高固相 率的半固态材料比较困难。另外，二次（重熔）加热技术是 半固态成形技术中一个重要的技术环节，在二次加热过程中 要求加热速度较快才能达到理想的效果，这样就对设备提出 了更高的要求。因此，在工业生产中某个参数稍有波动，或 者操作工人的疏忽等，都会对成形工艺有重大影响。因此， 不但技术条件要求严格，而且对操作者的素质提出了更高的 要求对操作者的素质一套严格的控制系统，并对工人的素质 进行提高，才能较好地实现工业化生产。
2. 成形性能好，可实现短流程生产。
半固态材料流动性能与变形性能良好，经过强烈搅拌的固相 分数为40% - 60%的半固态金属的表观黏度在0.1-10Pa.s之间，与 黄油(0.1 Pa.s)、甘油(l Pa.s)及蜂蜜( 10 Pa.s)的表观黏度相当，仅 比水或者液态金属的黏度高出2-4个数量级，表现出很好的流动 性。与固态成形相比，半固态金属中存在液相组元，塑性变形机 理不同于固态塑性成形。塑性变形主要是由于晶粒之间的旋转和 相对滑移引起的，液相起到“润滑”作用，金属流动阻力显著降 低，复杂的零件也可用很少的工步成形。由于半固态合金材料具 有特殊的流变性能，易于加工成形，半固态铸造直接可以生产出 精度较高的产品。与传统生产方法相比，半固态成形可实现近终 形生产，提高了生产率、节约了原材料。与常规金属模铸造相比， 半固态成形汽车零件生产率与成材率高的特点尤为突出。

金属铸造工艺详解液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，通常称为金属液态成形或铸造。

工艺流程：液体金属→充型→凝固收缩→铸件工艺特点：1、可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。

2、适应性强，合金种类不受限制，铸件大小几乎不受限制。

3、材料来源广，废品可重熔，设备投资低。

4、废品率高、表面质量较低、劳动条件差。

铸造分类：(1)砂型铸造（sand casting）砂型铸造：在砂型中生产铸件的铸造方法。

钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。

工艺流程：砂型铸造工艺流程技术特点：1、适合于制成形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯；2、适应性广，成本低；3、对于某些塑性很差的材料，如铸铁等，砂型铸造是制造其零件或，毛坯的唯一的成形工艺。

应用：汽车的发动机气缸体、气缸盖、曲轴等铸件(2)熔模铸造(investmentcasting)熔模铸造：通常是指在易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方案。

常称为“失蜡铸造”。

工艺流程：熔模铸造工艺流程工艺特点优点：1、尺寸精度和几何精度高；2、表面粗糙度高；3、能够铸造外型复杂的铸件，且铸造的合金不受限制。

缺点：工序繁杂，费用较高应用：适用于生产形状复杂、精度要求高、或很难进行其它加工的小型零件，如涡轮发动机的叶片等。

(3)压力铸造(die casting)压铸：是利用高压将金属液高速压入一精密金属模具型腔内，金属液在压力作用下冷却凝固而形成铸件。

工艺流程：工艺特点优点：1、压铸时金属液体承受压力高，流速快2、产品质量好，尺寸稳定，互换性好；3、生产效率高，压铸模使用次数多；4、适合大批大量生产，经济效益好。

缺点：1、铸件容易产生细小的气孔和缩松。

2、压铸件塑性低，不宜在冲击载荷及有震动的情况下工作；3、高熔点合金压铸时，铸型寿命低，影响压铸生产的扩大。

半固态触变注射成形技术在Mg合金铸造中的应用前言：近年来，随着对环保等方面要求的提高，镁合金以其质量轻、比强度高、比刚度高、减震性好、耐电磁屏蔽和易回收等特点而从众多金属材料中脱颖而出，广泛应用于航空、航天、电子和汽车等行业。

特别是目前正在用于笔记本电脑和手机壳体的制造，有逐渐取代可回收性较差的塑料壳体的趋势，成为目前研究及应用的热点。

常用的镁合金成形方法主要有压铸、半固态铸造、挤压铸造等，其中压铸法是国内外广泛采用的镁合金成形方法。

但同压铸镁合金产品相比，半固态成形产品的铸造缺陷少，产品的力学性能及表面和内在质量高，此外还有节约能源、安全性好和近净成形性好等优点，因此镁合金的半固态成形受到了广泛的关注。

而镁合金半固态触变注射成形技术是目前半固态铸造技术的最新发展方向半固态浆料的内部特征是固液两相共存,在晶粒边界存在液态金属"半固态浆料主要有以下特点(1) 表观粘度半固态浆料组织特性的客观反映就是表观粘度"研究表明,半固态浆料的表观粘度与固相率密切,随着固相率的增加而增加"当浆料的固相率超过临界值时,粘度值迅速增加"(2)流变性半固态浆料的固相率为50%时,仍具有很好的流动性"这是因为金属液中的固相具有球状或类球状结构,导致半固态浆料的粘度降低"半固态浆料的流变性可分为稳态流变性和非稳态流变性"稳态流变性是指恒温恒剪切速率条件下的流变性,非稳态流变性是指连续冷却或者剪切速率变化条件下的流变性" (3) 触变性半固态金属的触变性是指表观粘度对剪切时间的依赖关系,反映了半固态浆料的依时行为"半固态浆料的表观粘度在一定的剪切速率下,随着时间的延长而逐步下降,具有可逆性"(4) 球状未熔固相颗粒半固态浆料中存在着一定分数的未熔球状或类球状固相颗粒,因此在凝固过程导致收缩减小,偏析减少"可以说正是因为球状未熔固相颗粒的存在,才使半固态浆料具有一系列的独特优点"流变成形是将金属液在从液相向固相的冷却过程中进行强烈搅拌，在一定的固相体积分数下通过压铸或是挤压的方式来成形（一步法）；触变成形则是将由搅动设备所制备的半固态铸锭重新加热至半固态进行压铸挤压成形（二步法）。

半固态铸造技术的发展状况及前景 柴建美（2008000563） （材料学院 成型0801.山西.太原.030024） 摘要：半固态铸造成形技术以其高效 、节能、 近净形生产以及成形件高性能等诸多优点，成为21世纪最具发展前景的金属成形工艺，得到了人们的广泛的关注。本文中介绍了半固态铸造成形技术的成形工艺、合金应用、坯料制备工艺、合金组织性能状况以及在国内的发展情况和发展前景。 关键词：半固态铸造成形；近净形； 制浆； 组织性能；发展前景

引言 所谓半固态金属成型就是在金属凝固过程中，施与剧烈搅拌等工艺制得一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生相的固液混合浆料，利用这种既非液态又非固态的金属浆料浇注成型的方法。近些年，随着工业的不断发展，尤其是汽车、航空、航天、 电子以及兵器工业的发展，对于低成本、轻量化、高性能铸造产品的需求越来越大。 采用半固态铸造成形技术所生产的产品由于浇注温度处于固液两相区，使铸件在凝固过程中收缩量减少，铸件尺寸精度提高，成形性好，适于生产复杂件， 并可以达到近净形生产，而且在组上消除了柱状晶和粗大的树枝晶，使铸件组织细密均匀，缺陷和宏观偏析明显减少，此外对型腔热冲击的减小相应提高了压铸型及压射室使用寿命，提高了成品率和产品的性能。半固态铸造成形技术不但综合了铸造成形和锻压成形的优点，而且部分产品的性能会接近甚至于达到锻压产品的性能，同时拓展了成形合金的范围。 正是在这种前提下，使得半固态铸造成形技术受到了越来越广泛的关注，不仅在研究领域取得了很大的进展，本文综述了半固态铸造成形技术的成形工艺、合金应用、坯料制造工艺、半固态铸造合金的组织、性能以及国内的研究应用状况及发展前景。 1 半固态铸造技术的状况 1.1 半固态铸造工艺 由于半固态金属浆料中的初生晶粒通常以近球状形式存在，从而具有较好的流变性和触变性，因而半固态铸造成形通常采用流变铸造和触变铸造[1]两种工艺。在流变铸造过程中，利用经搅拌等工艺获得的近球状晶半固态浆料，在保持其处于固液两相区温度时直接进行浇注成形。由于浆料在制备成形过程中没有过热度，从而能够明显降低能耗，缩短合金的凝固时间，提高生产效率，但是半固态浆料的粘度往往与搅拌的剪切速率以及时间有关，因而如何保存和输送半固态浆料，控制其在成形过程中的温度变化以及一定的剪切速率成为流变铸造商业化生产待解决的关键问题。 触变铸造则是利用所制备的合金坯料， 通过截取适当大小的坯锭，重新加热至固液两相区温度，然后进行铸造成形。尽管该工艺需要对合金进行二次加热，相对提高了能耗，由于在加工成形过程中半固态合金坯料便于进行二次加热和输送，同时易于控制成形过程，因而成为当今半固态铸造成形商业化生产的主要工艺形式。但是从节省能源、短工艺流程和设备简单化角度出发，流变铸造依然会成为未来的半固态铸造成形技术的重要发展方向。 1.2 半固态铸造合金 由于半固态合金浆料的制备需要在固液两相区内进行，因而半固态铸造成形工艺通常适用于具有较宽固液两相区的合金体系，如铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、镍合金以及钢铁类合金等，随着半固态制浆和成形工艺的不断拓展，合金的应用种类以及牌号还将日益扩大。 但是合金熔化温度对设备要求的不同，合金成形难易程度的不同以及成形件在质量上存在的差异，使得半固态铸造成形技术的研究与开发长期以来主要集中在较低熔点的合金领域中，其中以铝合金系列牌号的研究开发最为显著，并进入商业化生产阶段，尤其356合金[2]的半固态成形性能较为优异，其产品通过T6热处理后的力学性能可以达到：抗拉强度296 MPa，屈服强度193 MPa，伸长率12%，硬度达到105 HBS，表现出优异的力学性能，明显高于金属型成形件的力学性能，尤其是伸长率提高了1.4倍（金属型成形件在T6热处理后的伸长率为5%）。 随着材料应用技术的不断创新，高熔点合金应用领域的发展及其不可替代性，和提高铸造产品质量，降低能耗的要求，对于高熔点合金半固态铸造成形技术也逐渐成为研究开发的焦点。目前研究的合金已涉及铸铁、低合金钢、不锈钢及镍基合金等，尽管高熔点合金的半固态铸造成形技术研究得到了不断加强，但距离商业化生产尚有一段距离。 1.3 半固态坯料的制备 在半固态铸造成形过程中，通常要求用于成形的半固态金属浆料拥有稳定的均匀细小、被近球化的非枝晶组织，从而确保浆料具有良好的流动性和触变性，因而半固态金属浆料的制备是成形过程中的关键环节之一，将会直接影响到成形铸件的质量。目前，除了较为常用的机械搅拌和电磁搅拌制浆方法以外，主要还有：应变诱导熔体活化法、液相线铸造法、喷射成形法以及化学晶粒细化法等，其中，应变诱导熔体活化法[3]由于对变形工序的要求较高、加工繁琐、生产成本高、生产率低，使之在工业上主要应用在小规格尺寸的较高熔点合金的非枝晶组织制备上。液相线铸造法[3]是将合金熔体冷却至液相线温度附近保温一段时间后进行浇注，获得所需要的半固态组织，在液相线铸造法制浆过程中，合金熔体温度低，几乎无过热，浇注时熔体中会形成大量均匀分布的晶核，有利于细小、均匀、等轴的半固态非枝晶组织形成。作为半固态制浆新工艺，液相线铸造法具有工艺简单， 适用合金范围广，生产效率高，尤其对变形铝合金半固态浆料的制备具有极其重要的意义，对流变铸造的应用及发展将起到积极地推动作用。通过晶粒细化剂或变质剂而得到非枝晶组织的化学晶粒细化法[4]将使半固态制浆工艺更加简化、操作更加简便，并将直接推动半固态流变铸造的商业化生产。在化学晶粒细化法中，如何控制细化剂和变质剂的成分、用量及作用时间将成为关键。正像细化剂和变质剂在铸铁生产中得到广泛应用一样，化学晶粒细化法将会在半固态铸造生产中发挥巨大的潜力。 喷射成形法[5]在铝合金、黑色金属以及金属基复合材料方面进行了成功实验，但由于生产成本较高，工艺复杂，只是应用于一些具有特殊要求的产品生产。除了以上的半固态制浆方法以外，目前还有采用紊流效应法、粉末冶金法、超声波处理法、等温热处理法、被动搅拌法、压锭压铸工艺法、电磁脉冲法等，由于应用条件及设备等方面的要求，目前依然处于实验室试验阶段，进入商业化生产尚有一段距离，还有待于进一步研究和开发。 1.4 半固态铸造合金的组织和性能 在传统铸造成形过程中，由于冷却条件和溶质的再分配等因素，使合金熔体通常以枝状晶组织形式凝固。通常熔体中的固相率达到20% ~ 30%时，流动性就会由于先凝固的固相所形成的网架结构而基本消失。 在铸态组织中往往会形成粗大的枝状晶组织，并伴生有大量的缺陷，如缩松、缩孔、和微观偏析等，影响到铸造产品的使用性能，在半固态铸造过程中，由于半固态合金浆料的浇注温度控制在固液两相区内，浆料中的固相以近球状的非枝晶组织形式悬浮在液相基体中， 使熔体具有良好的流变性和触变性，当其固相率达到40% ~ 60%[5]时，依然具有良好的流动性，同时在一定强度搅拌的作用下造成的温度和浓度起伏会促进大量晶核的形成，并由于流动产生的固相间的摩擦、剪切和液相的冲刷作用，从而在无过冷条件下使浆料以分布均匀，细小的非枝晶、近球状的显微组织凝固，而显微组织的细化则使合金的机械强度和耐磨性得到大幅度提高，特别是伸长率更加显著。由于搅拌的作用，强化了溶质元素的流动，加强了晶粒的游离，从而明显降低了偏析，尤其是宏观偏析，在浆料充型过程中，半固态金属的流动属于层流，避免了气体的卷入，且由于浇注温度处于固液两相区，显著降低了铸件内部的气孔含量，使铸件组织致密。 此外，由于无过热度浇注，合金熔体在凝固前已含有一部分固相，从而减小了合金凝固时的收缩量，相对降低了铸件的内部应力，使半固态铸造产品可以通过热处理工艺进行组织和性能的改善，尤其对于压铸产品具有更重要的意义。如7075铝合金[2]在挤压成形和T6 热处理后的抗拉强度为570 MPa ，屈服强度505 MPa，伸长率为11%，但由于其变形性较差，易产生裂纹，使合金的应用受到了限制，而半固态触变成形后，经T6热处理后的性能测试发现，抗拉强度可达到468 MPa，屈服强度400 MPa，伸长率为17%，不仅表现出良好的成形性，而且具有较好的力学性能。 2 我国半固态技术的发展状况 尽管我国对于半固态铸造成形技术的研究起步较晚，但是近些年随着工业的发展，尤其是汽车和航空航天工业的快速发展，推动了我国在这一领域中的研究和开发工作，先后有一些高校和科研院所开展了深入系统的理论研究和应用开发，并取得了可喜的进步，如清大学、北京科技大学、北京有色金属研究总院、东北大学、中国科学院金属研究所、哈尔滨工业大学、华中科技大学、东南大学以及南昌大学等单位均在半固态铸造的制浆和成形相关领域中取得了很大的成果。此外国家分别以自然科学基金、 863计划和973计划等形式加大了对半固态铸造成形技术研究的支持力度。 清华大学[6]利用自行开发的金属流变性能测试装置对半固态A356合金在切变速率阶梯变化条件下瞬态流变行为及其初生相形态变化的动力学过程，以及不同熔体变质，细化处理条件下合金流变行为进行了较为深入的研究。东南大学[7-8]利用ZL101合金研究了不同凝固和冷却条件对半固态合金显微组织的影响，及半固态等温处理对触变组织的影响。 北京有色金属研究总院[5,9,10]采用自行研制的铝合金半固态铸锭连续制备实验线对A357、ZL108A、AS9U3 等合金和AZ91D镁合金进行半固态铸锭连续制备系统性研究，并利用普通冷室压铸机配套组成半固态压铸生产实验基地，同时针对空调器涡轮、水泵盖、空压机连杆等进行大量半固态压铸工业生产实验。 东北大学[11-13]采用自行开发的具有独立知识产权的液相线半连续铸造制浆技术，以半固态成形A356、A2017、 2618、4045、7075、ZL116、 ZL201、ZL108、YZ112铝合金、AZ91、ZK60、AM50镁合金为主，对半固态浆料的制备，二次加热技术，半固态合金成形性，热处理制度及成品力学性能进行了系统的理论性研

相应旳变形量 ε=ε1+ε2+ε3
P 1
P1 2 P2 3 P3
PБайду номын сангаас
并联模型
并联模型就是将各简朴模型
经过并联旳方式连接起来
ε
由右图能够看出，假如并联 ε1 ε2
ε3
模型两端两端变形量ε，则每
1 23
个子模型变形量相等，都为ε。
即：ε=ε1=ε2=ε3
ε
相应旳变形量 P=P1+P2+P3
开尔文体
3.应变诱发熔化激活法（SIMA） 应变诱发熔化激活法（SIMA）是将常规
铸锭经过预变形，如进行挤压，滚压等热 加工制成半成品棒料，这时旳显微组织具 有强烈地拉长形变构造，然后加热到固液 两相区等温一定时间，被拉长旳晶粒变成 了细小旳颗粒，随即迅速冷却取得非枝晶 组织铸锭。
SIMA工艺效果主要取决于较低温度旳热加 工和重熔两个阶段，或者在两者之间再加 一种冷加工阶段，工艺就更易控制。SIMA 技术合用于多种高、低熔点旳合金系列，
尤其对制备较高熔点旳非枝晶合金具有独
特旳优越性。已成功应用于不锈钢、工具
钢和铜合金、铝合金系列，取得了晶粒尺 寸20um左右旳非枝晶组织合金，正成为一 种有竞争力旳制备半固态成形原材料旳措
施。但是，它旳最大缺陷是制备旳坯料尺 寸较小。
工艺优势 1） 不需加任何晶粒细化剂即可取得细晶粒组织，消除
了老式铸造中旳柱状晶和粗大树枝晶。 2） 成形温度低（如铝合金可降低1200℃以上），可节
一、基本概念
按材料实际流变行为，把粘性、弹性、和塑 性结合起来研究物体旳流动变形性能
流变学是一门学科，专门研究固液混合物， 膏状物流动变形旳工具
流变学把物体分：粘性体、弹性体、塑性体 现实中理想旳物体有理想液体和刚体

２ ） 由于具有 流 变 性 和触 变 性 ， 半 固态 浆料 在成
形加 工 时变形抗 力小 ， 可 成形 复杂件 ， 能 源消耗 低 。
３ ） 由于制 件组 织 为 非 枝 晶结 构 ， 且 偏 析 缺 陷较
某 些发 达 国家 已经进 入 了工业 化 生 产 阶段 ， 特 别 是
少， 零件 的力 学 性 能 高 ， 能 接 近 或 达 到 锻 压 件 的水
［ 关键 词］铝 合 金 ； 半 固态 ；流 变 成形 ； 超 声 波 ［ 中 图分 类 号］Ｔ Ｇ ２ ４ ９ ． ２ ［ 文献 标 识 码 ］ ： Ａ
１ 半 固态 成 形 技 术 的发 展
轿车、 列 车及 武 器装 备 等 的重 要 发展 趋 势 之 一
是轻 量化 ， 因此轻合 金材 料—— 铝合 金 、 镁合金 等将 被大 量采 用 。半 固态成形 技术 能够 显著 提高轻 合金
料、 半 固态 浆 料 流 变 压 铸 成 形 的试 验 研 究 。研 究 表 明 ， 超 声 制 浆 及 半 固 态 压 铸 成 形 工 艺 适 合 于 铝 合 金 零 件 的 成 形
制 造 。含 ２ Ｏ ｓ ｉ 的高 硅 铝 合 金 Ａ１ ～２ ０ Ｓ ｉ 一２ Ｃ ｕ 一１ Ｎｉ 经 过 半 固态压 铸 成 形 ， Ｔ ６热 处 理 后 抗 拉 强 度 可 达 到 ３ １ ０ ＭＰ ａ ， 比传 统 液 态 压 铸 提 高 ３ ４ 。
［ 收 稿 日期 ］２ ０ １ ４ —０ ４ —２ ２ ［ 作 者 简 介 ］吴 树 森 （ １ ９ ６ １ 一） ， 男 ，工 学 博 士 ， 华 中科 技 大 学 教 授 ， 研 究 方 向 为 轻 合 金及 复合 材 料 的 成 形技 术
第２ ９卷 第 ５期

关键词：变形铝合金；半固态；挤压铸造；力学性能指标；固溶处理；工艺参数 中图分类号：TG 249. 2 文献标志码：A
Research on Semisolid Extrusion Casting Technology of Deformed Aluminum alloy CHENG Huimin, YANG Yingge, MA Shanglong, HAN Wenjin (Xi'an North Photoelectric Defense Limited, Xi'an 710043, China)
Key words： deformed aluminum, alloy, semi-solid, extrusion casting, mechanical properties index, solid solution, process parameter
变形铝合金2A12半固态挤压铸造成形技术的 研究，是将变形铝合金2A12与半固态挤压铸造技 术有机结合起来形成的新型铸造技术的研究，是在 不改变材料性能要求的基础上进行的,实现“近净成 形”铸造方法的研究，将解决结构件铝合金2A12材 料利用率低的问题，并省去粗加工及去除余量的机 械加工工序,有利于提高生产效率，降低生产成本, 是对高强度铝合金2A12金属材料铸造性能的挑 战,对学术界以及制造业将有极为重要的意义O
新技术新工艺2020年 第2期
变形4S合金g国态擀爲祷琏藝求斫究
程会民，杨英歌，马尚龙，韩文进
(西安北方光电科技防务有限公司，陕西西安710043)
摘要：利用变形铝合金半固态挤压铸造工艺的成熟技术，对难以铸造成形的变形铝2A12材料半固 态挤压铸造技术展开探索，分析变形铝2A12材料半固态挤压铸造难点，提出变形铝2A12材料半固态挤 压铸造成形技术方案。经过大量工艺试验验证，分析问题，改进方案，获得了变形铝2A12材料半固态挤 压铸造成形技术所能达到的铸件力学性能指标，得到了适合性能要求的相关铸造工艺参数及成形后固溶 处理工艺参数，为进一步研究和探索变形铝合金2A12半固态挤压铸造技术的工程化应用奠定了工艺技 术基础O