鋁合金的半固態成形技術

吳樹森，呂書林，林 沖，方曉剛

（華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢430074）

1 半固態成形技術的發展

轎車、列車及武器裝備等的重要發展趨勢之一是輕量化，因此輕合金材料——鋁合金、鎂合金等將被大量采用。半固態成形技術能夠顯著提高輕合金零部件的性能，被認為是21世紀的綠色、環保的近凈成形技術。

金屬材料的半凝固成形，或叫半固態流變成形，就是對凝固過程中的金屬液進行一定的處理（如施加強烈的攪拌或擾動、加入晶粒細化劑、提高凝固速度、改變金屬的熱狀態等），改變初生固相的形核和生長方式，或充分破碎枝晶，得到一種液態金屬母液中均勻地懸浮著一定數量球狀初生固相的固液混合漿料（其固相率甚至可高達50%～60%），將這種半固態金屬漿料直接成形的方法稱為流變成形。若將這種半固態漿料進行半連續鑄造，凝固后獲得坯料，再將定量的坯料重新加熱至固液相線溫度區間來成形的方法稱為半熔融成形，或叫半固態觸變成形。這兩種方法統稱為金屬的半固態成形技術。圖1為傳統液態成形、流變成形和觸變成形工藝流程的比較。

金屬的半固態加工可結合傳統的鑄造、擠壓、鍛壓以及鑄軋工藝來實現大批量生產，因此應用范圍特別廣泛。通過不斷發展，金屬半固態成形技術在某些發達國家已經進入了工業化生產階段，特別是在汽車行業，許多半固態金屬零件已經取代傳統鑄造或者鍛造零件，這主要是由于半固態成形件的性能優于傳統成形工藝生產的零件，或具有更好的性價比。

圖1 傳統液態成形工藝與金屬的半固態成形流程的比較

半固態成形工藝與傳統成形工藝相比，主要有以下一些優點［3－4］。

1）半固態漿料的黏度比液態金屬高，一方面能實現平穩充型，無湍流和噴濺現象，且卷氣較少，鑄件內部組織致密、氣孔缺陷少；另一方面，可在漿料中方便地加入增強材料（顆粒或纖維）來制備金屬基復合材料，并減少增強材料的飄浮、偏析缺陷，為金屬基復合材料的廉價生產開辟了一個新的途徑。

2）由于具有流變性和觸變性，半固態漿料在成形加工時變形抗力小，可成形復雜件，能源消耗低。

3）由于制件組織為非枝晶結構，且偏析缺陷較少，零件的力學性能高，能接近或達到鍛壓件的水平。

4）因為半固態成形溫度低，一方面減輕了充型過程中金屬熔體對模具的熱沖擊，模具的使用壽命會提高；另一方面由于半固態漿料中已有部分固相，因而凝固收縮率小，成形件尺寸精度高，表面質量好，可做到少或無切削加工，實現近終成形。

2 主要的半固態成形技術方法

2.1 壓室制備漿料式流變成形

該技術于1995年由日本日立金屬有限公司的Shibata等人［5］提出。他們在立式擠壓鑄造機的壓室中利用電磁攪拌法制備鋁合金半固態漿料，隨后直接將漿料擠壓成形（圖2）。獨特的壓室結構（外側面上開有多道垂直縫隙）減小了感應線圈在壓室本體中產生的渦電流，強化了對壓室內漿料的攪拌；壓室中設置的冷卻水通道降低了渦電流對壓室的加熱作用，有利于精確控制漿料的溫度。利用該工藝得到的鋁合金擠壓鑄件的伸長率比液態擠壓鑄件提高了一倍，且彎曲疲勞強度與鍛造件相當。該公司在此基礎上對制漿設備進行改進，利用定量澆注電磁泵將鋁液送入擠壓機壓室，并通氬氣保護以減少氧化夾雜。從1999年開始，該技術用于生產汽車發動機懸掛零件。該工藝省去了半固態漿料的存儲和輸送，但是壓鑄機或擠壓機壓室中的制漿效率較低，壓室結構過于復雜，其奧氏體鋼材質雖然提高了電磁攪拌的強度但耐磨性能較差，使用壽命較短。

圖2 擠壓室制備漿料式流變成形示意圖［5］

韓國學者洪俊杓等人［6］在2002年開發出一種新型的電磁攪拌流變成形方法及裝備，較好地解決了上述工藝的不足。不同的是，半固態制漿設備與成形機的壓室分離開，在合金液澆入壓室前在制漿樣杯中進行電磁攪拌制漿，然后將漿料澆入壓射室內，如圖3所示。日本NanoCast公司利用該技術實現了產業化應用［7］。

圖3 Nano－cast法的工藝流程

2.2 低過熱度流變成形

電磁攪拌和剪切式機械攪拌方法都能夠制備出優良的半固態漿料，但是前者的攪拌效率太低，后者攪拌工具壽命又受限且容易污染金屬。為避免這些問題，近年來出現了低過熱度弱攪拌制漿技術，從晶粒的形核、長大熱力學和動力學條件上著手，營造合適的凝固條件（如澆注溫度和冷卻速率等）來提高形核率，并促使晶核以非枝晶或球狀方式生長，從而獲得理想的半固態金屬漿料。由于這類方法相對簡單，已得到廣泛的研究。

1）傾斜板式制漿工藝及其流變成形

在1999年左右日本 UBE公司［8－9］開發了傾斜板澆注式流變成形工藝（New rheocasting process，簡稱NRC）。NRC技術將低過熱度鋁合金液澆注到一個傾斜板上，流過傾斜板達到制漿目的后流入收集坩堝，再經過適當的冷卻凝固便得到初生固相呈近球狀且均勻分布的半固態漿料，然后調整坩堝中漿料的溫度以獲得盡可能均勻的溫度場或固相分數，最后將漿料送入壓鑄機或擠壓鑄造機的壓室中進行流變成形。該技術已成功地在意大利的Stampal，奧地利的LKR公司等公司投入生產。并制造出了柴油發動機泵體、齒輪變速桿以及發動機油軌和支架等半固態鋁合金汽車零件［9－10］。

圖4 SSR［11］制漿示意圖

2）低過熱度和弱機械攪拌制漿及流變成形

Flemings等人［11－12］于2000年9月左右提出低過熱度澆注和弱機械攪拌工藝（Semi－solid rheocast process，簡稱SSR）。該工藝利用鍍膜的銅棒對坩堝中的低過熱度鋁合金液進行短時弱機械攪拌，待合金熔體溫度降到液相線以下迅速移走銅棒。然后控制坩堝的溫度以獲得預定固相分數的半固態漿料，最后將漿料傾入壓鑄機壓室中進行流變成形。SSR技術的核心是：在合金熔體中進行快速散熱的同時施以低強度的攪拌，使其內部各處均勻形核，如圖4所示。

毛衛民等人［13］提出了低過熱度弱電磁攪拌流變成形。該技術將SSR工藝中的銅棒攪拌變為弱電磁攪拌，再進行適當的電磁感應均熱就可以得到半固態漿料。該技術現處于工業化試生產中。

3 超聲制漿半固態成形技術

3.1 超聲制漿半固態成形工藝過程

作者采用高能超聲波振動制漿方法制備半固態漿料，在金屬液進入壓射室前的澆包內進行漿料制備，或將超聲振動裝置與成形設備緊密結合，在成形機的料室（如壓鑄機或擠壓機的料室）內進行漿料制備，實現半固態漿料的直接流變鑄造成形。

圖5為高能超聲波振動制備半固態漿料裝置示意圖［14］，它由超聲波發生控制器，換能器，變幅桿，保溫電爐、特制保溫樣杯和電爐溫度控制儀等部分組成。超聲波發生控制器的發振頻率20kHz以上，功率1200～1800W。超聲波換能器采用縱向夾心式壓電振子，變幅桿（振動頭）采用鈦合金材料，起振幅放大及超聲振動作用。換能器和幅桿構成的部分也稱為超聲波振動頭。

圖5 超聲制漿設備示意圖

高能超聲制漿的原理：由于超聲振動在金屬熔體中產生的聲空化和聲流的共同作用，液體內部產生強烈的對流效應，并增強熔體的形核能力，晶粒呈非枝晶或球狀方式生長，并細化晶粒，獲得半固態漿料及組織［15］。

半固態漿料的超聲波制備及漿料的壓射成形主要流程［16］：合金熔練—澆入保溫杯—超聲振動—漿料傳送—澆入壓室—壓射成形—零件。

首先，將鋁合金爐料放入電阻爐內的坩堝中，加熱至800～850℃（對于A390等高硅的鋁合金）熔化，高純氬氣旋轉除氣、靜置后調溫至750～780℃備用。同時，將超聲波振動頭放入保溫爐中預熱若干分鐘（特制預熱樣杯亦在其中），并預設好超聲波發生控制器的參數。將保溫電爐溫度控制儀的溫度設為保溫溫度680℃左右，升起振動頭，將一定量的金屬液體澆入已預熱到設定溫度的保溫樣杯中，立即降下振動頭并浸入熔體15～20mm，然后開啟超聲波振動。振動一定時間后，獲得具有一定固相分數的半固態漿料，停止振動；升起振動頭，移動盛有半固態漿料的容器，將漿料傳送至壓鑄機或擠壓機，澆入壓射室（圖6），壓鑄或擠壓成形，獲得具有半固態組織的鋁合金零件。

圖6 漿料壓鑄成形示意圖

3.2 Al－20%Si高硅鋁合金的半固態壓鑄成形

3.2.1 半固態制漿及成形工藝 以過共晶鋁硅合金為例，說明超聲半固態成形技術的試驗研究結果。研制一種半固態鑄造用Si20%的鋁合金，即AlSi－CuMgNiRE合金，其目標成分為：Si20%，Cu2.0%，Ni1%，Mg0.4%，Mn0.5%，RE0.6%，Fe≤0.25%，余為Al。研制該鋁硅合金的另一目的是提高耐熱性能，并具有低熱膨脹系數。

在坩堝電阻爐中進行合金熔煉。采用P＋RE復合變質處理分別細化初晶Si及共晶Si。混合稀土RE主要起共晶Si變質作用，熔化完畢后加入Al－15%RE中間合金，RE加入量為0.6%，而稀土中Ce占63%，La占36%。820℃時用純Ar氣對熔體進行精煉，扒渣，靜置10min。加入磷銅中間合金（含14%P）進行初晶Si的變質，P加入量為0.08%。變質后的合金熔體調溫至740～780℃準備進行高能超聲半固態處理。

采用的高能超聲處理制漿設備見圖5。將約600g的合金液澆入已預熱到680～700℃的保溫容器中，降下振動頭并浸入熔體15～20mm，開啟超聲波振動。超聲波在熔體中于700～690℃振動1～3min左右后，獲得具有一定固相分數的半固態漿料，停止振動，將半固態漿料澆入2 800kN壓鑄機的壓射室中，并壓鑄入金屬型壓鑄試樣模型腔，壓射速度3m／s，壓射比壓40MPa；獲得6.4mm的標準壓鑄拉伸試樣。液態壓鑄試樣的澆注溫度為780℃。

3.2.2 高硅鋁合金的半固態成形組織及性能 含20%Si的高硅鋁合金在690!C的半固態壓鑄組織見圖7a。相同合金的液態壓鑄組織見圖7b。結果表明，在液相線附近超聲振動1.5min制備半固態漿料，初晶Si被細化，得到半固態組織，壓鑄成形后α－Al相也粒狀化。初晶Si的平均晶粒直徑為23 μm，分布均勻。圖7a的Si顆粒比圖7b的更細小、圓整。圖7b中，雖然由于P的變質效果，Si顆粒也較小，但仍然略大于半固態壓鑄組織，初晶Si的平均晶粒直徑為30μm，且α－Al呈較明顯的枝晶狀。

圖7 半固態及液態壓鑄成形的鑄態組織

表1所示為高硅鋁合金的液態壓鑄成形或超聲半固態壓鑄成形的力學性能。通過超聲半固態成形，材料的抗拉強度及伸長率大幅度提高，特別是T6熱處理后強度進一步提高。在半固態溫度區間經過1.5min的超聲處理，能夠獲得高強度與韌性。鑄態抗拉強度 "b達到214MPa，伸長率 #為0.31%，比未經超聲處理的合金分別提高6%和55%。半固態成形的高硅鋁合金能夠進行熱處理，T6熱處理后半固態成形試樣的抗拉強度達310MPa，伸長率0.68%，比傳統液態壓鑄的合金分別增加34%和47%。該高硅鋁合金在300℃的高溫抗拉強度達167MPa，比A390度高。

3.2.3 高硅鋁合金半固態成形的典型應用 利用上述超聲振動制備出了高硅鋁合金的半固態漿料，并采用流變擠壓工藝制造了高硅鋁合金轎車空調壓縮機斜盤零件，零件表面質量好、內部無氣孔和縮松缺陷（圖8）。圖9所示為零件的鑄態組織對比，超聲半固態成形不僅可以細化組織中的初晶Si，還可細化RE化合物，并且圖9b中的α－Al相也呈細小、粒狀化的非平衡凝固組織，而不相同于圖9a中所示的樹枝晶組織。與含16%～18%Si的A390鋁合金相比，含20%Si的本半固態高硅鋁合金具有更好的高溫強度和更低的熱膨脹系數。

表1 含20%Si鋁合金的室溫及高溫性能

圖8 高硅鋁合金超聲流變擠壓斜盤零件及剖面

圖9 擠壓成形斜盤的鑄態組織

4 結論

高能超聲波振動制漿、半固態壓鑄成形工藝適用于鋁合金材料零件的成型制造，可降低成形溫度，致密化組織，提高性能。

超聲振動制漿及流變壓鑄成形情況下，過共晶Al－20%Si鋁合金的初晶Si可細化到20μm左右，力學性能提高。

含20%Si的高硅鋁合金 Al－20Si－2Cu－1Ni經過半固態壓鑄成形，T6熱處理后抗拉強度可達到310 MPa，比傳統液態壓鑄件提高34%。

［1］ Flemings M C.Behavior of metal alloys in the semisolid state［J］.Metallurgical Transactions A，1991，22A（05）：957－981.

［2］ Flemings M C，Riekrg Youngkp.Rheocasting［J］.Materials Science and Engineering，1976，25：103－117.

［3］ Quaak C J，Horsten M G，Kool W H.Rheologial behavior of partially solidified aluminum matrix composites［J］.Material Science Engineering，1994，183A：247－256.

［4］ 康永林，毛衛民，胡壯麒.金屬材料半固態加工理論與技術［M］.北京：科學出版社，2004.

［5］ Shibata R，Kaneuchi T，Soda T，et al.New semi－liquid metal casting process［C］.Proc of the 4th Int Conf on Semi－Solid Processing of Alloys and Composites，Sheffield，UK，June 19－21，1996：296－300.

［6］ 洪俊杓，金災民，金玟秀，等.用于流變鑄造的模鑄法和設備［P］.中國專利，03141281.5，2003.

［7］ 板村正行，洪俊灼，金宰民.新半凝固ダイカスト技術の開発［J］.鑄造工學，2005，77（08）：537－541.

［8］ Toshio H，Kapranos P.Simple rheocasting process［J］.Journal of Material Processing Technology，2002，130－131：594－598.

［9］ Ramadam M，Takita M，Nomura H.Effect of semisolid processing on solidification microstructure and mechanical properties of gray cast iron［J］.Materials Science and Engineering A，2006，417：166－173.

［10］Kaufmann H，Mundi A，Uggowitzer P J et al.An uo－date on the new rheocasting－Development work for Aland Mg－alloys.Die Casting Engineer［J］.Die Casting Engineer，2002，4：16－19.

［11］Flemings M C，Martinez R A，Figueredo A M.Metal alloy compositions and process［P］. US Patent，20020096231，2002.

［12］Martinez R A，Flemings M C.Evolution of particle morphology in semisolid processing［J］.Metallurgical Transactions A，2005，36：2205－2210.

［13］Mao W M，Bai Y L，Gao S Fu，Tang G X.Research on the Composite Slurry Preparation and Rheocasting of Aluminum Alloy［J］.Solid State Phenomena，2006，116－117：410－416.

［14］趙君文，吳樹森，毛有武，等.超聲振動對過共晶Al－Si合金半固態漿料凝固組織的影響 ［J］.中國有色金屬學報，2008，18（09）：1 628－1 633.

［15］趙君文，吳樹森，萬 里，等.超聲場中金屬半固態漿料組織的演化 ［J］.金屬學報，2009，45（03）：314–319.

［16］吳樹森，萬里，安 萍.鋁、鎂合金熔煉與成形加工技術［M］.北京：機械工業出版社，2012.