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    半固态铸造技术的发展状况及前景
    作者:赵大志,路贵民,崔建忠  来源:本站  发表时间:2012/5/16 9:03:39  点击:10304

    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,而且在组织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的使用寿命,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,而且正在不断向较为成熟的商业化生产方向发展。本文综述了半固态铸造成形技术的成形工艺、合金应用、坯料制备工艺、半固态铸造合金的组织、J性能以及国内外的研究应用状况等,并分析了半固态铸造成形技术在我国的发展前景。

    1 半固态铸造技术状况

    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n1两种工艺。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。但是由于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、缩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,并进人商业化生产阶段,尤其356合金[z1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(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 半固态铸造坯料的制备

    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[4l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。

    喷射成形法阎在铝合金、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,进人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、宏观和微观偏析等,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%151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,避免了气体的卷人,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[21在挤压成形和T6热处理后的抗拉强度为570MPa,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400MPa,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 国外半固态铸造技术的发展状况

    半固态铸造成形技术,自20世纪70年代由美国麻省理工学院[i1的研究小组首次提出,由于性能优异的半固态铸造产品可应用领域不断扩大,越来越受到世界各国的重视。随着研究的深入,半固态铸造成形技术得到不断完善,已经进人到工业应用的阶段,尤其在欧美及日本等发达国家,由于汽车工业的发展和竞争的日益激烈,使半固态铸造成形技术得到了广泛应用。

    由于制浆工艺的因素制约了半固态流变铸造的工业化进程,使得工业化生产主要以半固态触变铸造为主。随着汽车工业的快速发展和对高性能铸造产品的需求,美国的AlumaxE ngineeredM etalPr ocess公司[15率先在工业化生产中应用该技术,并逐步建成自动化生产线为汽车行业提供高性能的汽车铸件。此后,在欧美等国陆续建立起一些半固态触变铸造成形企业,如美国的Thixomat, ITT, Lindberg,意大利的Stampal,Fata,德国的EFU,瑞士的Alusuisse,法国的Pechiney等公司。据统计,目前在欧洲就有近40家公司从事半固态成形零件毛坯的生产,并有继续增加的趋势。而作为大的设备供应商,如EPCO Division, HPM Corporation, Italpresse of American、原Prince Machine、Buhler、日本制钢所(JSW)Hitachi等公司也纷纷推出相应的成形专用设备,从而推动了半固态触变铸造成形技术向工业化方向的发展和应用。其中JSW1992年在亚洲获得触变成形设备生产专利后至今已销售出200余台,而日本2001年就有2 400万部手机采用镁合金机壳,因而显示出极大的发展潜力。

    但是在半固态触变铸造成形过程中,制浆成本较高和回用性差,限制了半固态铸造成形技术的发展,据报道2000年用于半固态铸造生产的铝不超过14000 t,不足世界铸造用铝的1%111。在工业生产中对降低成本和能耗、简化工艺的要求,尤其面对激烈的竞争和紧张的能源供应,使得国际上半固态成形技术的研究和开发再次集中在流变铸造技术的工业化应用_L。

    日本的宇部(UBE)公司[61应用获取专利的New Rheocasting (NRC) Process工艺,即将保温中的金属液以一定的冷却速度冷却到固液两相区内,通过高频感应加热装置使之内部温度均匀分布从而获得所需要的球状微观组织,开发出半固态流变铸造成形设备,并被意大利的Stampa讼司[61最先应用到工业化生产中,主要用于生产5种发动机支架和一种悬挂部件,通过同种产品生产的对比,几流变铸造在生产率和出品率以及产品的性能方面均明显优于触变铸造。

    麻省理工学院的M.C .Fl emings[]在原有的研究基础上,通过实验进一步发现细小的等轴晶形成临界温度位于液相线处,从而提出了改进的流变铸造工艺(SSR),即伴随搅拌的同时,快速使金属液温度降至液相线附近,并保持一小段时间而获得成形所需要的半固态组织。目前,麻省理工学院已授权Idraprince公司进行工艺和商业性开发。

    英 国的布鲁内尔大学冈在传统挤压技术的基础上,开发出半固态金属双螺旋流变挤压工艺(SSM Twin-screw Rheoextrusion)。该I艺利用金属液在流过带有高速旋转的双螺旋杆的管道时,先将金属液快速冷却到半固态金属浆料制备温度并保温,通过双螺旋杆转动产生较强的剪切速率和紊流来获得半固态金属浆料,同时由管道出口输送到成形装置中。该工艺装置可以同多种金属型成形设备配套使用,显示出极大的灵活性,并对镁合金进行了流变成形的研究。

    美国具有制造压铸设备25年以上历史的THT公司1[91应用低液相线铸造工艺(Sub-Liquidus Casting)设计出新型的半固态金属成形装置。该装置通过加设设计独特的浇道模板、压射室和冷却系统,仅需要对金属熔体进行一定程度的晶粒细化和注人压射腔时对熔体进行适当的温度控制,而不需要额外的制浆装置,生产成本明显降低,提高了生产效率。

    此外,利用半固态流变铸造原理,还有金属加工研究所(MPI) N提出的连续流变转变工艺(CRP)AIB2晶粒细化技术一SiBloy SSM,以及Mercury Marine公司提出的AEMP/SoD工艺也都显示出了极大的发展潜力。随着研究与开发的不断深人,半固态流变铸造成形工艺必将由于其低能耗、低成本、高效率和材料回用性强的特点在工业上被广泛采用。

    3 我国半固态铸造技术的发展状况

    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人系统的理论研究和应用开发,并取得了可喜的进步,如清华大学、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[91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人的研究。东南大学[10-1]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, 12 , 13 1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[14-18]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、ZL 116 , ZL201、ZL 108、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究和应用性开发工作。该技术成熟,工艺条件稳定,技术指标已达到国际先进水平,拥有多项相关的专利和专有技术,具备了向产业化发展的技术基础。为了有效解决铸造Al-28Pb润滑材料存在的Pb分布不均匀问题,张鹏等采用电磁一机械复合搅拌方法开发了Al-28Pb合金半固态浆料制备技术,通过对不同固相率半固态浆料的常规铸锭中Pb的分布进行研究,得到了半固态浆料固相率与铸锭中Pb分布之间的关系。目前东北大学的研究与开发重点主要集中在半固态合金铸造成形工艺上,尤其以汽车轮毅为主的铝镁合金汽车用部件和部分军工产品等。

    针对合金半固态铸态组织形成机理的研究,国内外已提出很多的模型和假说,如枝晶熟化引起的根部熔断假说、力场条件下枝晶臂折断或塑性弯曲假说和Dustin-Kurz, Rapz-Thevoz, Kanetkar-Stefanescu模型等。董杰等〔19-21]在对356, 26187075等铝合金液相线铸造法制浆进行了系统研究的基础上,对液相线铸造铝合金形核机理和晶粒长大机制进行了理论分析,认为在液相线温度附近,温度场均匀,促使大量的原子团簇瞬态形核,数目多且均匀,有利于晶粒在互相抵触之前均呈球形长大。晶粒的长大可分为球形长大、枝晶长大和枝晶抵触后的熟化三个阶段。而晶粒在互相抵触之前是均呈球形长大,还是先以球形长大,然后以枝晶长大,则取决于形核数目和结晶器的一、二次冷却强度。在凝固初期,降低冷却强度有利于球形晶粒的获得,在凝固中、后期增加冷却强度则有利于保留获得的球形晶粒。

    北京科技大学[201不仅在铝、镁合金半固态成形方面做了大量的研究工作,而且针对熔点较高的黑色金属,利用自行研制的适合于制备高熔点钢铁材料半固态流变浆料的装置对不锈钢、弹簧钢、高碳工具钢和高铬钢等几种合金钢的半固态浆料制备及输送进行了深人的研究,而且对于半固态高碳钢和高碳工具钢在不同变形条件下压缩变形的组织变化规律进行了研究和分析;锌萍即笱[211近几年一直开展镁合金半固态成形技术的研究,采用双螺杆机械搅拌方式制备半固态浆料并研究了AZ91D镁合金半固态浆料的流变压铸成形工艺,同时研究开发了一种新型流变压铸工艺-Rheo-diecasting Process.

    目前,尽管我国在半固态铸造成形技术领域内进行了大量的研究和开发工作,并且取得了可喜的成果,但与国外相比仍然存在很大的差距,而且距离进人工业化应用阶段也还有一段距离。

    4 我国半固态铸造技术发展前景

    随着国际上工业发展格局的重新调整,大部分工业化国家都在着力研制和开发优质、高性能的产品,尤其航空航天、汽车工业正在向着轻量化、低能耗、高性能、安全和低成本的方向发展,采用比强度高的有色合金及高强度低合金钢制造零件无疑是达到此目的的最有效措施,而在车用部件中有色合金所占比例较大,其中铸件的用量尤为突出,并有增长的趋势。因而,在国外半固态铸造产品主要以汽车部件为主,此外在航空、航天、军用装备方面追求稳定性、高性能、轻量化的今天,同样为半固态铸造产品开辟了乐观的发展前景。半固态铸造成形技术在国外已成为各工业发达国家竞相发展的一个新的领域。

    就我国而言,航空、航天业的迅猛发展,使得高性能、高可靠性、轻量化的精密产品显得日渐重要,如何通过半固态铸造成形技术提供相关的产品将会直接推动我国航空、航天工业的飞速发展。随着世界军事形势的不断变化,武器装备的高性能、高可靠性、轻量化和机动性已成为国防现代化的重要标志,如何有效地利用半固态铸造成形技术进行现有军用装备的改造将对提高国防实力,保障国家的和平稳定和统一以及增强抵御外来侵略的能力具有重要意义。

    作为我国支柱产业之一的汽车工业,近几年得到了快速发展,尤其是轿车制造业的发展。去年我国汽车年产量已经突破400万辆,位居世界第4位,同时由于中国劳动成本低,市场潜力大,使世界上很多大汽车公司开始在中国设厂,很多研发与技术中心也陆续落户中国。但不难发现代表汽车工业最先进的部分,仍然会留在发达国家,而国产车的性能与国外同种车型相比依然存在很大差距。其中车用铸件,尤其是压力铸造产品,由于工艺限制而制约铸件性能进一步提高,严重影响到我国汽车工业的整体发展。充分利用半固态铸造成形技术的优点和特点将会明显改善车用铸件的性能,降低生产成本,节约能耗,有助于我国汽车工业水平的提高和在国际市场上竞争能力的增强。同时我国汽车工业的持续发展也为半固态铸造成形技术提供了广阔的发展空间和形成巨大市场潜力。

    从目前我国铸件产量来看,已成为世界主要铸件生产大国,其中压铸产品2003年已突破7x105t, 并有大量产品出口,但从铸造产品的结构来看,在很大比例上依然以中低档铸件为主,同时有大量高档铸件需要进口。为降低生产成本,发达国家一方面向发展中国家进行中低档次铸件的生产转移,另一方面加大高性能、高附加值铸造产品的开发和生产,由于国外半固态铸造成形技术的工业化应用,使大量关键性部件逐步被半固态铸造产品所替代。大力发展我国高档铸件生产,加速我国半固态铸造成形技术工业化应用将有利于提高我国铸造产品的附加值和技术含量,提升铸造产品的档次,打破发达国家对高档铸造产品生产的垄断,增强我国铸造企业的市场竞争力。同时半固态铸造制浆技术的应用将有利于改善合金的熔炼质量、提高熔炼水平,从而带动我国金属工业的整体发展。

    在加速半固态铸造成形技术工业化进程中,同时需要注意,由于我国铸造设备制造整体水平不高,质量较差,可靠性低且多为仿制,从而制约半固态铸造成形专用设备的研制开发,因而进行具有独立知识产权的专用设备研制和开发,提高配套产品的国产化,对推动半固态铸造成形技术工业化具有深远的意义。

    我国现行铸造标准与国外相比有很大差距,严重影响了产品质量提高,使铸造企业在进行出口铸件生产中往往参照相关国家铸造标准,形成了铸造产品标准不一的格局,因而参照国外标准制定出一套能够被国内企业广泛采用的半固态铸造标准显得尤为重要。

    在推动半固态铸造成形技术发展的过程中,应积极发挥行业协会的组织、协调和导向的作用,加强国内高校和科研院所间的学术交流与合作,形成优势互补、协作开发的机制,促进半固态铸造成形技术的基础研究与应用开发,协调半固态铸造成形技术发展及生产的合理布局,避免类似于压铸企业一度投资过热,重复建设,导致生产能力过剩局面的再度发生。

    总之,随着我国国民经济持续、稳定、快速的发展,对于低成本、低能耗、高性能铸造产品的需求将会不断扩大,势必会为半固态铸造成形技术的发展提供新的领域和广阔的发展空间。
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