半固态金属成形件的组织和性能研究进展

1、铸造!"!"专题综述半固态金属成形件的组织和性能研究进展肖黎明，张励忠，邢书明，张密兰，韩淑霞，李海开，胡远猛（北京交通大学半固态成形研究中心，北京）摘要：简要论述了半固态成形工艺参数对合金凝固组织的影响规律，指出合理控制各工艺参数是获取高性能半固态成形件的关键；重点综述了半固态金属成形件性能研究领域的最新进展；最后针对目前性能研究中存在的问题，展望了今后的研究方向。关键词：半固态成形；半固态组织；浆料制备；二次加热；压力成形；性能研究中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，）：，：（）；半固态成形技术将液态金属的易成形性和固态金属成形的高品质性有效地结合在一起，克服

2、了金属材料在传统单一状态下成形的一系列缺陷，呈现出了许多独特明显的优点。因此，关于这一技术的研究引起了各国研究者的高度重视。世纪年代以来，国内外已有众多专家学者对该技术开展了工艺试验和理论研究，相继取得了一系列成果。从这些成果来看，以往的研究主要集中在：半固态浆料的制备工艺、半固态合金的流变学、半固态成形过程的数值模拟等方面。而对半固态金属成形件的组织与其性能之间的关系研究并不多见，仅有的一些研究也主要是围绕着组织与常规力学性能之间的关系来进行的，而对组织与特殊服役性能（如抗高温蠕变性、耐腐蚀性等）之间的关系研究涉及地甚少。这样的格局严重制约了半固态成形技术的工业化进程及其应用范围的推广。因此

3、，有必要在以后的研究工作中进一步加强对半固态金属成形件的组织性能研究。在材料成形过程中对其组织形态、晶粒大小进行有效控制是提高材料性能的一条重要途径。半固态成形技术的本质是在液态金属凝固过程中，通过施以外界控制作用，使其易出现的树枝网络状初生固相发生充分破碎、球化，从而得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定球状初生固相的半固态组织浆料（此时浆料中的固相分数即使高达在外力作用下仍具有良好的流动性），然后利用压铸、挤压等工艺方法对这种浆料进行直接或间接的成形加工。由于它打破了传统的枝晶凝固模式，有效地改善了合金的凝固组织。因此，为材料性能的提高提供了良好条件。根据成形过程中对半固态组织浆料的处理方式

4、不同，半固态成形工艺可分为流变成形（）与触变成形（）两种，其工艺流程如图所示。其中由于流变成形工艺存在浆料保存、输送等方面的困难，因此，在工业上真正获得应用的主要是触变成形工艺。由图可看出在整个触变成形过程中，影响合金凝固组织的工艺环节主要有：半固态浆料制备、二次加热、压力成形。下面就这些工艺环节对合金凝固组织的影响规律进行简要探讨。!"!"半固态成形工艺对合金凝固组织的影响材料的性能在很大程度上取决于它的组织特征，基金项目：北京交通大学“十五”重大科研基金项目（）。收稿日期：收到初稿，收到修订稿。作者简介：肖黎明（），男，江西吉安人，硕士研究生，主要从事半固态钢铁材料的性

5、能研究。：图半固态成形工艺流程简图半固态浆料制备工艺对合金凝固组织的影响半固态浆料的制备是半固态成形技术的基础与关键。关于半固态浆料的制备，人们在过去多年的研究开发中，已经提出了十几种方法，但是，目前真正应用于工业生产中的仍然是熔体搅拌法，其中特别是电磁搅拌法在半固态浆料的制备中占有绝对的优势。其技术本质是利用电磁搅拌力来迫使合金液流动从而影响、控制合金的凝固组织。在电磁搅拌过程中，合金熔体会形成许多小的热起伏和成分起伏，使得初生固相生成许多短枝晶坯，随着搅拌的继续进行，短枝晶坯在液相流的冲刷、碰撞及温度和成分起伏的混合作用下，逐渐向蔷薇状演化，并最终形成非枝晶半固态组织。研究表明，影响这一过

6、程的主要工艺参数有搅拌功率、搅拌时间以及搅拌时合金熔体的冷却速度等。搅拌功率搅拌功率直接影响到电磁搅拌力，进而对合金熔体的流动状态有影响。当搅拌功率过小，树枝状初生固相受到的剪切作用将不足以使其发生破碎，从而使最终得到的凝固组织仍为粗大的树枝状。当搅拌功率过高时，合金熔体中心区域易形成很深的液穴，这样的液穴对半固态浆料的制备很不利，容易卷入气体和夹杂物；此外，搅拌功率过高，意味着磁感应强度大，在熔体内产生的感应电流也大，相应地热效应也大，这样不仅导致搅拌装置发热，还使合金熔体过冷度减少，最终恶化半固态组织的转变效果。袁晓光等人系统研究了电磁搅拌功率对镁合金凝固组织的影响规律。结果表明，随着搅拌

7、功率的增加，合金中的初生越趋于球状且尺寸越细小；但功率增大到一定值后，这种趋势将随之减弱。搅拌时间在半固态浆料制备过程中，对搅拌时间的控制非常关键。搅拌时间过短，将不足以充分打碎、圆整树枝状初生固相；搅拌时间过长，则被打碎的细小球状初生固相又易发生聚集长大，形成“大结构”组织，导致凝固组织尺寸增大。李子全等人就锌铝合金初生固相在电磁搅拌下的演变机理进行了研究。结果表明，在搅拌作用下，初生树枝状固相不断发生弯曲变形、断裂、球化；当搅拌达到一定时间后，熔体中破碎的细小球状颗粒又将发生聚集粗化现象。合金熔体的冷却速度合金熔体的冷却速度对凝固时间有很大影响。当冷却速度较高时，合金熔体的凝固时间较短，具

8、有枝晶形态的初生固相受搅拌作用的时间也相对较短，其非枝晶化程度不如冷却速度低时的充分；另一方面，冷却速度的增大，却有利于形核率的大幅度增加。因此，一般认为，在合金熔体初生固相能得到充分搅拌的前提下，应尽量提高合金熔体的冷却速度。杨昭等人从晶体生长学角度出发分析了熔体冷却速度对合金凝固的影响规律。他们认为，随着合金熔体冷却速度的升高，熔体成分过冷区中的过冷度也随之增大，这样有利于枝晶臂头部的快速生长，从而使流动的合金熔体对枝晶臂产生较大的扭矩；但冷却速度超过一定值后，会使枝晶臂根部长得过粗而难以打碎。降低冷却速度虽可防止枝晶臂根部长得过粗，但会使熔体过冷区中的过冷度变小，这样不利于枝晶臂头部的快

9、速生长，从而使流动的液体难以产生足够的扭矩折断枝晶臂。因此只有适中的冷却速度才能保证枝晶臂根部不致过粗，同时又能保证枝晶臂头部快速生长所需的过冷度。二次加热工艺对合金凝固组织的影响半固态坯料的二次加热在半固态触变成形工艺中起着承上启下的作用，其目的主要是快速、精确地获得后续压力成形工艺所需的固相体积分数，同时使坯料中的枝晶碎片逐渐长大并球化，以满足后续压力成形工艺对坯料的组织要求。当坯料固相体积分数过高时，坯料在后续充填过程中的流动性降低；固相分数过低时，一方面坯料容易产生“象足”、倾斜等严重变形现象，另一方面在后续的压力充填过程中容易出现严重的固液偏析。此外，为了保证半固态成形件的性能，要求

10、二次加热后坯料的组织不能过于粗大。因此，必须严格控制二次加热过程中的加热温度和保温时间。试验表明，随着加热温度的升高和保温时间的延长，晶粒等积圆直径逐渐增大，晶粒形状因子（，为晶粒截面平均面积，为晶粒平均周长）也随之变大；坯料表层氧化加重，内部微观气体容易发生膨胀析出。压力成形工艺对合金凝固组织的影响在半固态坯料（浆料）的压力成形工艺中，目前研究和应用最多的是半固态压铸工艺。大量试验表明，在半固态压铸过程中，影响合金凝固组织的工艺参数主要有压射速度、压射比压、铸型（模具）温度、保压时间等。压射速度半固态合金由于含有一定比例的球状固相，其表观粘度比同种液态合金的高个数量级。因此，在相同的压射速度

11、下半固态合金的流动状态较液态合金的流铸造肖黎明等：半固态金属成形件的组织和性能研究进展动状态平稳。试验表明，虽然球状半固态合金在压铸时充型平稳，为获得致密压铸件提供了一种技术条件，但还必须具有合适的压射速度，才可能最终获得合格的压铸件。压射速度过高时，也可能导致半固态合金紊流充填，使制件内部产生气孔。压射速度过低时，半固态合金所受的剪切作用小，表观粘度降低幅度小，合金充型时间长，冷却大，从而导致半固态合金的流动性差，成形件产生浇不足、流痕、裂纹等缺陷。压射比压压射比压的主要作用是使半固态合金具有一定的充型速度，保证半固态合金在压力下结晶，使成形件的密度增大，晶粒细化，强度提高。由于半固态合金的

12、表观黏度比同种液态合金的高个数量级，充型时的流动阻力较大，因此为了获得合格的压铸件必须选择适当的压射比压。压射比压过低，可能产生充填不满、缩孔、缩松等缺陷。较大的压射比压对半固态成形件性能的提高有很大作用，但压射比压过大（意味着压射速度的提高），容易使制件严重裹气，同时降低模具的使用寿命。试验表明，压射比压只有与压射速度进行合理配合时，才能生产出高品质的压铸件。模具温度在半固态压铸过程中，模具温度必须控制在一定的范围内。其目的一是减少模具对半固态浆料的激冷作用，避免半固态合金产生充型不足、冷隔等缺陷；二是减轻半固态浆料对模具的热冲击，延长模具的使用寿命。模具温度过低会使半固态浆料的冷却速度加快

13、，导致铸件表面出现冷隔纹痕、微观裂纹，内部出现缩孔、疏松等缺陷。模具温度过高容易造成半固态浆料粘模拉伤，制件表面硬化层减薄，心部组织粗大。保压时间保压时间的长短，主要取决于半固态成形件断面的最大壁厚和成形件的材质、形状等因素。保压时间过短，铸件内部尚未完全凝固即卸压，铸件内部容易产生缩孔、疏松等缺陷。保压时间过长，容易造成压铸件脱模困难和因凝固收缩而产生微裂纹，此外还使模具温升过高，降低模具寿命。综合以上的分析可以看出：半固态成形过程中的各个工艺环节对合金凝固组织的形态、大小均有显著地影响。在实际生产中，只有合理控制各工艺参数，才能保证所得制件的性能。但从目前已有的文献资料来看，有关半固态成形

14、工艺参数与成形件组织性能之间的定量数据关系仍然很缺乏，还需要在以后的研究工作中不断地加以丰富。半固态金属成形件的性能研究半固态金属成形技术作为一项新兴技术，主要用来加工一些质量要求较高的结构件，这些结构件的使用可靠性主要依赖于其各项性能指标。因此，研究半固态金属成形件的各项性能有着重要的现实意义。强度与塑性在影响材料强度、塑性的众多因素中，晶粒尺寸是极其显著的一个。公式是材料强度学上重要的一个公式：（）式中：为强度常数，为晶界对强度的影响系数。由式（）可知，晶粒越细小材料强度越高。同时依据裂纹形成断裂理论，晶粒尺寸与裂纹扩展临界应力有以下关系：（）式中：为比表面能（即裂纹扩展时每增加单位表面积

15、所消耗的功，其中大部分消耗于塑性变形），为晶界对强度的影响系数，为材料的剪切模量。由式（）可知，当一定时，越小值则越大，相应地材料塑性也越高。即通过细化晶粒，材料的强度和塑性均可得到提高。半固态成形技术由于采用了非枝晶半固态组织浆料（坯料），打破了传统的枝晶凝固模式。因而在细化晶粒（如图所示），提高材料强度、塑性等方面具有许多独特明显的优势。（）半固态成形组织（）普通铸态组织图半固态成形组织与普通铸态组织的比较吴树森等人对镁合金半固态流变压铸件的力学性能进行了研究。结果表明：与普通液态压铸件相比，半固态压铸件的抗拉强度提高，伸长率提高。而且与普通液态压铸件高达的平均孔隙率相比，半固态压铸件的平

16、均孔隙率仅为，经处理后，半固态压铸件的抗拉强度和塑性可得到进一步提高（如表所示），克服了普通液态压铸件不能进行热处理的缺陷。宋仁伯等利用自行设计开发的半固态流变铸轧装置，成功制备出半固态合金件，并对其组织性能进行了系统研究。结果表明：半固态浆料经道次轧制变形后，其组织形貌、力学性能与浆料固相分数的大小有直接关系。固相分数越高，组织的均匀度越高，其相应的力学性能也越高。当固相分数达到时，成形件的抗拉强度可达，伸长率可达。表不同成形条件下镁合金的力学性能试验条件抗拉强度伸长率硬度（）液态压铸半固态压铸半固态压铸疲劳性能材料的疲劳强度与材料的成分、组织有着密切的关系。根据疲劳裂纹沿晶界开裂的位错塞积

17、机制及滑移带形成、开裂机制可知，对于给定的材料可通过优化组织结构和改善内部质量来提高材料的疲劳强度。等人以铝合金为研究对象，系统研究了不同成形方法对疲劳性能的影响。结果表明：采用半固态成形工艺得到的铝合金，组织结构和内部质量有很大改善，特别是制件表层的空洞、气孔缺陷明显减少；在指定的疲劳寿命下，半固态成形件的疲劳强度比液态低压铸件、金属型铸件的分别提高和。等人同样以铝合金为对象，对比研究了半固态成形件与挤压铸造成形件的疲劳性能。结果表明：在周次循环下半固态铝合金件的轴向疲劳强度比挤压铸件约高，经疲劳断口分析，他们认为半固态成形件疲劳强度高，可能与成形件孔隙率的减少及成形件中的细小球状初生相有关

18、。高温蠕变性能在汽车、航空航天等工业领域，许多机件（如发动机、排气管等）是在高温下长期服役的，对材料的高温性能提出了很高的要求。因此提高材料高温性能成为人们关注的一个焦点。美国公司的等人研究发现，利用半固态触变射铸）工艺制备出的镁合金件在具有优良的常温力学性能的同时，高温性能也很优异，而且随着成形时半固态浆料中固相体积分数的提高，高温性能也随之提高。等人开发出了适用于）工艺的半固态合金，并对组织性能进行了研究，发现该合金在的抗拉强度可达以上，他们认为这主要得利于细晶强化作用，由于晶粒的细化使得晶界上半连续的金属间化合物分布更加弥散，从而使钉扎晶界、防止晶界滑移的作用更加有效。祝美丽等人就电磁搅

19、拌对钢凝固组织和高温蠕变性能的影响进行了研究。结果表明：电磁搅拌对钢凝固组织有很好的改善作用，随着搅拌强度的增加，凝固组织由粗大柱状晶逐渐变为细小的球状晶，同时晶界共晶碳化物数量不断增加；且在励磁电流搅拌作用下，共晶碳化物引起的晶界强化和二次碳化物引起的晶内强化获得最佳配合，使钢的蠕变抗力达到最大值（如图所示）。图不同应力下钢的稳态蠕变速度与激励电流的关系耐磨性能磨损是造成材料损耗的主要原因，同时也是机件大主要失效形式（磨损、腐蚀、疲劳）之一。因此对材料耐磨性能的研究越来越引起人们的重视。但到目前为止对半固态成形件耐磨性能的研究并不多。最近，陈体军等人就二次加热时间和模具预热温度对镁合金的触变

20、成形性、组织和磨损性能的影响规律进行了研究。结果表明：适合镁合金触变成形的最佳加热时间为（在），模具预热温度为；在此工艺条件下，初生相颗粒圆整细小，组织最致密，相应地耐磨性也最好（如图所示）。陈振华等人采用固液混合铸造法成功制备出了半固态浆料，同时对其挤压铸造件的组织耐磨性能进行了研究。结果表明：在普通铸造过程中析出相与基体的结合强度不高，成形件在时就开始发生粘着磨损；而在固液混合挤压铸造过程中，析出相细小弥散，与基体结合牢固，在时仍以磨粒磨损为主，以上才开始发生粘着磨损。图触变成形与金属型铸造的磨损率比较耐腐蚀性能材料的腐蚀破坏不仅在工业生产中造成巨大的经（铸造肖黎明等：半固态金属成形件的组

21、织和性能研究进展济损失，还影响到人们的日常生活。因此探求提高材料耐腐蚀性能的途径具有重要的意义。和等人针对常用的镁合金研究了不同成形方法对其耐腐蚀性能的影响。结果表明：成形件的腐蚀速度受显微组织中（）相的尺寸、形态和空间分布情况的影响。当相的质量分数高，合金的晶粒度小时，相近似连续分布于相基体上，这种情况下相起到很好的腐蚀屏障层作用；相反，若合金晶粒度较大时，相的分布较散，这时由于形成腐蚀电偶而导致合金耐腐蚀性能下降。半固态成形技术由于可以更有效地改善镁合金的微观组织，减少内部缺陷。因此，为镁合金耐蚀性能的提高开辟了一条途径。等人对半固态镁合金触变压铸件的组织耐腐蚀性能进行了系统研究。发现成形

22、件微观组织中含有大量由连续网状相组成的颗粒结构，这种结构起着阻碍镁合金溶解和作为电偶腐蚀阴极的双重作用。等人对镁合金半固态流变成形件的耐腐蚀性能进行研究后认为：半固态流变成形能提高镁合金耐蚀性能的主要原因是该成形工艺使基体相中元素的富集高达，而在普通压铸件中相的元素富集才。展望尽管目前对半固态金属成形件的组织性能研究已经取得了一系列成果，但在这方面的研究仍处于初步阶段。不但试验数据不够齐全，而且有些地方还存在矛盾。即便是对某一特定半固态金属成形件的组织性能研究也还大多限于定性分析，尚未形成系统、完整的理论。因此，为了使半固态金属成形件更好地应用到工业实际中去，还有许多方面有待广大科技工作者进行深入研究，诸如：结合具体试验，进一步从理论上探索半固态成形工艺参数对成形件组织性能的影响规律；进一步加强半固态金属成形件的组织与性能之间的关系研究；在对半固态金属成形件常规力学性能研究的基础上，还应加大对其特殊服役性能的研究力度，并尽快建立相应的性能指标。参考文献：，特种铸造及有色合金：压铸专刊，：陈体