鋼鐵材料及有色合金構件的多段半固態成形工藝研究

湯京軍，龐佳麗，潘成海，唐艷，陳穎，李茜，孟毅

（1.江南工業集團有限公司，湖南 湘潭 411100；2.重慶大學，重慶 400044；3.重慶大江杰信鍛造有限公司，重慶 401321；4.中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039）

半固態成形技術由Flemings 和其學生Spencer 于20 世紀70 年代在麻省理工學院發明[1]。半固態金屬漿料的流動性和粘度可以通過控制液相的體積分數來調節，因此半固態成形具有許多優點[2]。歐洲和亞洲的研究人員以及工程師對鋼鐵材料和有色合金的半固態成形進行了大量研究[3—6]，然而，半固態成形在工業制造中很難取代傳統的鍛造和鑄造技術，其主要障礙是半固態成形制造構件的力學性能不均勻，構件的力學性能不均勻源于半固態成形過程中發生了液相偏析，而液相偏析是由于在成形載荷作用下固相和液相的成形性能不同引起的。

為了抑制半固態成形構件中的液相偏析，研究人員研究了成形參數對液相偏析的影響[8—9]。他們發現在較高的成形溫度下，以較低的成形速度進行半固態成形時，液相的流出量增加[10]。雖然可以通過降低成形溫度和提高成形速度來抑制液相流出，但低成形溫度和高成形載荷會導致成形載荷增大，并縮短模具和工具壽命。東京大學和重慶大學團隊提出了在具有柔性運動的機械伺服壓力機上進行多段半固態成形[11—14]。根據不同的加熱方式，將半固態成形分為流變成形和觸變成形兩種。如圖1 所示，多段半固態成形也可分為多段流變成形和多段觸變成形。這兩種工藝都分為半固態坯/漿料制備、預成形、控溫凝固和終成形4 個階段。對于熔點較低的有色合金，多段流變成形是最理想的成形方法之一。多段觸變成形因其熔點高而更適合于鋼鐵材料。文中通過在熱模擬試驗機上對SKD11 鋼進行多段半固態觸變壓縮試驗，以及在機械伺服壓力機上對6061鋁合金制件進行制造，分別驗證了多段流變成形和多段觸壓成形在鋼鐵材料和有色金屬部件制造中的可行性，研究了SKD11 鋼和6061 鋁合金在多段半固態成形過程中的微觀組織演變，以及多段半固態成形的工藝參數對鋼鐵材料及有色合金構件組織均勻性和力學性能的影響。

圖1 多段半固態成形和傳統半固態成形示意圖Fig.1 Illustration of conventional and multi-stage semisolid forming processes

1 實驗

1.1 材料

選擇SKD11 鋼和6061 鋁合金的工業軋制棒材作為典型的鋼鐵材料和有色合金。這兩種合金的化學成分如表1 所示。

表1 SKD11 工具鋼和6061 鋁合金的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical compositions of commercial SKD11 steel and 6061 aluminum alloy (mass fraction) %

1.2 多段半固態成形實驗

由于鋼鐵材料觸變成形模具材料昂貴，文中采用多段壓縮試驗的方法，對多段觸變成形進行了物理模擬。材料加工的物理模擬是通過對材料進行熱加工和機械加工來準確模擬材料在實際制造或最終使用過程中的經歷。SKD11 工具鋼觸變成形和6061 鋁合金杯型件多段流變成形的物理模擬實驗方案分別如圖2a 和2b 所示。以上實驗分別在熱模擬試驗機和機械伺服壓力機上進行，實驗參數如表2 所示。將原軋制棒直接加熱至半固態溫度區，得到SKD11 工具鋼半固態料漿。通過攪拌凝固過程中的熔融合金，得到了6061 鋁合金的半固態坯/漿料。

圖2 物理模擬實驗裝置Fig.2 Experimental schemes of physical simulation

表2 不同半固態成形工藝的成形參數Tab.2 Forming parameters of different semisolid forming processes

1.3 力學性能測試及微觀組織分析

采用維氏硬度試驗、壓縮試驗和室溫拉伸試驗，分別研究了多段觸變成形和多段流變成形制備的SKD11 工具鋼和6061 鋁合金試樣，不同區域的力學性能。采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡對不同多段半固態成形工藝制備的SKD11 工具鋼和6061 鋁合金試樣，在不同區域的不同部位進行了顯微組織分析。多段觸變成形制備的SKD11 工具鋼試樣的力學性能測量和微觀組織分析位置如圖3b 所示。圖4b 為多段流變法制備的6061 鋁合金杯型件的力學性能測試和微觀結構分析位置。分別在Thermecmastor-Z 壓縮試驗機、Shimazu 拉伸試驗機和DUH-211 硬度計上進行了壓縮試驗、拉伸試驗和硬度測量。在力學性能測試中，每個條件下至少測試3 個樣本，并計算力學性能測試值的平均值。

2 結果與討論

2.1 鋼鐵材料的多段半固態觸變成形

多段觸變成形的SKD11 工具鋼不同區域的微觀組織掃描電子顯微鏡照片如圖3 所示。通過對傳統和多段觸變成形的SKD11 工具鋼的不同區域進行圖像分析和力學測量，得到的觸變成形SKD11 鋼試樣中液相分布和力學性能的分布情況如圖4 所示。由液相轉化而來的共晶化合物主要分布在多段觸變成形SKD11 鋼試樣的邊緣區域。由于共晶化合物的體積分數較高，在距觸變成形SKD11 鋼試樣中心區域較遠的區域硬度較高，屈服強度較低。利用A 區和D區的液相體積分數的差異來量化觸變成形中發生的液相偏析。如圖4a 所示，SKD11 鋼在多段觸變成形過程中發生的液相偏析要比傳統觸變成形過程中發生的液相偏析輕微。多段半固態觸變成形制造的SKD11 鋼試樣中，由液相和固相轉變而來的共晶化合物和奧氏體晶粒分布更加均勻，導致該試樣的力學性能分布更加均勻。

圖3 多段觸變成形SKD11 工具鋼試樣不同區域的微觀組織的掃描電子顯微鏡照片Fig.3 SEM micrographs of different positions in the multi-stage thixoformed SKD11 tool steel specimens

圖4 多段觸變成形SKD11 鋼試樣中液相分、維氏硬度和拉伸屈服強度Fig.4 Distributions of former liquid fraction,Vickers hardness and tensile yield strength in the multi-stage thixoformed SKD11 tool steel specimens

2.2 鋁合金的多段半固態流變成形

多段觸變成形的SKD11 工具鋼不同區域的微觀組織掃描電子顯微鏡照片如圖5 所示。通過對傳統和多段流變成形工藝制造的6061 鋁合金杯型件的不同區域進行圖像分析和力學測量，得到6061 鋁合金杯型件的液相分數和力學性能的分布情況如圖6 所示。由液相轉化而來的共晶化合物主要分布在6061 鋁合金杯型件的頂部區域。由于共晶化合物的體積分數較高，在距6061 鋁合金杯型件底部較遠的區域硬度較高，但屈服強度較低。結果表明，6061 鋁合金杯型件頂部區域共晶化合物體積分數較高的原因是在傳統流變和多段流變過程中發生了液相偏析。與傳統流變法制備的6061 鋁合金杯型件相比，多段流變法制備的6061 鋁合金杯型件中存在輕微的液相偏析，因此，多段流變法制備的6061 鋁合金杯型件的力學性能分布更加均勻。

圖5 多段觸變成形6061 鋁合金杯型件微觀組織的掃描電子顯微鏡照片Fig.5 SEM micrographs in the cup-shaped 6061 aluminum components by multi-stage thixoforming

圖6 多段流變成形法制備的6061 鋁合金杯型件的液相分數、維氏硬度與壓縮屈服強度的分布Fig.6 Distributions of former liquid fraction,Vickers hardness,and compressive yield strength in the cup-shaped 6061 aluminum components manufactured by multi-stage rheoforming

2.3 多段半固態成形機理

半固態坯/漿料在傳統和多段半固態成形過程中的微觀結構演變如圖7 所示。半固態成形過程中，液相流出受到局部凝固的干擾。由于半固態坯/漿料中的液相分數在局部凝固過程中降低，二次成形時液相流出變得困難，因此，在多段半固態成形構件的構件中，液相偏析要輕得多。在二次成形過程中，固體顆粒的塑性變形改善了多段半固態成形構件中心區域的力學性能。

圖7 半固態坯/漿料在不同半固態成形過程中的微觀結構演變示意圖Fig.7 Microstructural evolutions of semisolid slurry during different semisolid forming processes.

3 結論

1）提出了包括多段流變成形和多段觸變成形在內的多段半固態成形工藝。通過實驗驗證了這兩種多段半固態成形工藝在鋼鐵材料和有色金屬構件加工中的可行性。

2）通過實驗研究了SKD11 工具鋼和6061 鋁合金在多段半固態成形過程中的微觀組織演變行為，研究了不同階段半固態成形工藝中成形條件對SKD11工具鋼和6061 鋁合金構件的微觀組織和力學性能的影響。

3）采用多段半固態成形工藝制備的SKD11 工具鋼和6061 鋁合金構件，其組織和力學性能的分布比傳統半固態成形工藝制備的組織和力學性能的分布更為均勻。