半固態金屬加工技術

改造者：李 軍

半固態金屬加工技術是當前一項熱門研究領域，本文通過對MIT工藝、NRC工藝和冷卻斜槽法三種半固態金屬加工工藝的論述，并就半固態金屬加工工藝的核心環節——坯料制備方法進行了詳細論述，并對該工藝的應用和需要解決的難題作了探討。

半固態金屬加工技術（Semi -solidmetal forming，簡稱SSM）是21 世紀前沿性的金屬加工技術，之所以稱之為“半固態加工”是指金屬在凝固的過程中，對其進行劇烈的攪拌或通過擾動控制凝固條件，使得金屬處于一種母液狀態，抑制樹枝晶的生成或者對已經生成的樹枝晶進行破碎，這時會有均勻懸浮著一些球狀初生固相或退化的枝晶固相的流變漿料（又叫固-液混合漿料），再對這種漿料進行壓鑄、模鍛等加工成型。這種既不是基于完全的固態金屬漿料加工成型，也不是基于完全液態金屬漿料加工成型的方法，人們稱之為半固態金屬加工技術。

半固態金屬加工工藝

半固態金屬加工成型主要有壓鑄和鍛造兩種手段，此外，現在也有人通過擠壓或者軋制等方法進行生產，其工藝路線主要有兩類，一類是流變鑄造（Rheocasting），一類是觸變成型（Thixoforming），對于前者來說，主要是通過對金屬凝固過程中進行攪拌而獲得半固態漿料，并讓其保持一定溫度而直接成型，該工藝生產效率高、流程短而倍受歡迎；對于后者來說，則較為復雜，是先要把半固態漿料制成坯料，然后再根據所需產品的尺寸重新加熱至半固態溫度后成型，這一工藝雖然復雜但容易實現自動化而被廣泛應用。

MIT 工藝

MIT 工藝最早是由美國的麻省理工學院Flemings 教授提出的，該工藝是把容器內的合金溫度維持在液相線溫度之上，然后對其合金溶液進行短暫攪拌，目的是把容器內的合金溫度適當降低至液相線溫度，這時會在合金熔體內產生許多晶核，然后去除攪拌器，保留合金在半固態狀態，使其處于絕熱狀態并把其冷卻到要制成的成型溫度。MIT 工藝具有操作簡便，在流變鑄造中得到了廣泛應用，但其半固態組織的獲得是受到攪拌速度的影響，因此，改進MIT 工藝需要在攪拌的同時做好熱快速釋放。

NRC 工藝

NRC 工藝廣泛應用于鎂合金的生產，這一工藝是由日本宇部株式會社開發出的一種新型流變工藝，這一工藝的具體流程是先將熔融金屬控制在液相線溫度之上，這一點與MIT 工藝類似，然后把熔融金屬放入隔熱容器中進行冷卻，這時會在熔融金屬內部生成初生相晶粒，與MIT工藝不同的是，NRC 工藝還需要在容器兩端用陶瓷做好防過冷裝置，再利用風冷使金屬冷卻到預先設定的半固態溫度，再通過翻轉隔熱容器，把半固態漿料倒入成型設備中成型。與MIT 工藝相比，NRC 工藝省去了攪拌技術，與傳統的觸變成形技術相比，大大降低了生產成本。

冷卻斜槽法

冷卻斜槽法是用于鋁合金和鎂合金的一種半固態坯料新工藝，冷卻斜槽法的工藝原理是把高于液相溫度線之上的熔融金屬直接倒在冷卻斜槽上，通過冷卻斜槽的作用，在斜槽的表壁上生成許多細小晶粒，然后再通過金屬流體的沖擊和材料自身的重力作用讓晶粒從斜槽壁上實現脫落和翻轉以實現攪拌的預期效果，達到固相分離，流變成型和觸變成型的效果。

綜上，與普通的加工鑄造方法不同，半固態金屬加工工藝具有較多優勢，主要表現在應用范圍廣、成型種類多，可以延長模具的使用壽命，接近或者達到鑄件的性能等等，在實際生產中應用的領域也十分廣泛。

半固態坯料制備方法

半固態金屬加工工藝中非常重要的一環是制備出優質的半固態坯料——棒坯。根據實際應用來看，目前制備半固態坯料的方法主要有機械攪拌法、電磁攪拌法和應變激活法等等。

機械攪拌法

在半固態金屬工藝制造中機械攪拌法是其中最早使用的一種方法，常見的是在熔融金屬中放入攪拌棒以及通過兩個同心圓筒組成，內部圓筒靜止而外部圓筒旋轉以產生攪拌效果兩種方式。機械攪拌法通過控制攪拌的速度和冷卻速度、攪拌溫度等等參數，讓初生枝晶破碎為顆粒結構。這種方法簡單，且成本不高，但也有不足之處就是攪拌的區域難以做到100%全覆蓋，有些拐角之處難以攪拌到，攪拌的葉片容易腐蝕，降低生產效率。

電磁攪拌法

電磁攪拌法顧名思義是運用了電磁感應，使得凝固的金屬液中產生相應的感應電流，在外力旋轉磁場的作用下推動金屬固液漿的轉動，最后讓枝晶狀組織絞碎為非枝晶組織。電磁攪拌法由于運用的是感應電流原理，對其中的金屬漿料不會產生污染，但該項技術投資大、設備成本高，工藝復雜，操作要求高。對電磁攪拌效果產生影響的因素主要有攪拌的功率、金屬液溫度以及澆注速度等等。

應變激活法

應變激活法是預先連續鑄造晶粒細小的金屬錠，然后將其熱擠壓成型，在組織中儲存部分變形能量，最后根據實際需要再將變形后的金屬錠分切成所需要的大小，并加熱到半固態。在這一過程中，金屬錠先會發生結晶，然后才會慢慢出現熔化，固相晶粒分散在液相基體中，獲得需要的半固態坯料。應變激活法具有很多優勢，例如生產的金屬坯料純度高、產量大，但也有不足，就是生產成本較高。

半固態加工技術的工業應用

半固態金屬加工工藝應用廣泛，1978 年，美國Alumax 公司率先研發出觸變生產線，并將其應用到汽車零部件的生產中，取得了良好的經濟效益，短短的幾年時間公司的生產能力就得到了大幅度提升，而且所生產出的鋁合金壓縮活塞成品率達到了幾乎100%。歐盟、美國和日本成為了半固態鑄造技術的主要生產區，零件單重從10g 到10kg，直徑最大可以達到500mm。

我國的半固態金屬加工工藝研究和應用起步較晚，最早是在上世紀80 年代后期，先是在東南大學、北京科技大學等一些高校進行了SSM 的科研工作。隨著近年來，對于半固態金屬加工工藝研究的加大，也取得了一些可喜成績。1998 年，國家在“863”計劃中給予了半固態擠壓研究的大力支持，在北京有色金屬研究總院建立起一條半固態材料制備試驗生產線，目前已經實現了A357 鋁合金半固態半連續流變的鑄造成果。

結語

半固態金屬加工工藝的優勢十分顯著，理論研究與實際應用都在同步的推進中，其中，半固態工藝融合了鑄造工藝和鍛造工藝的諸多優勢，成形流動應力低，這是超塑性鍛造或者等溫鍛造工藝都難以比擬的，成型效果好，對于復雜的制件也可以實現精密成型。對于金屬加工來說，固體、半固態和液態都是合金的三種狀態，處于同樣重要的研究地位。與鑄鍛兩種古老、成熟工藝相比，半固態工藝研究時間較晚，要發揮其優勢還需要在可靠性、完整性等方面加大研發力度。半固態金屬加工工藝較為復雜，在成型設備及工藝參數、品質標準及過程控制等方面還需要大力改進，進入到生產領域還需要克服的諸多難題。