鎂基復合材料半固態鑄造成形現狀及其發展

胡亞平　袁露

摘 要 隨著社會的發展，半固態成形技術的研究愈來愈被研究人員所重視，逐步從未知走上成熟，半固態成形技術為顆粒增強鎂基復合材料的成形開拓了新的途徑。本文就半固態鑄造成形關鍵技術和影響成形質量的因素及半固態鑄造再國內的發展前景做了討論和研究。

關鍵詞 半固態 半固態壓鑄 鎂基復合材料 觸變鑄造

中圖分類號：TG249.9 文獻標識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.04.018

Situation and Development of Magnesium

Matrix Composite semi-solid Casting

HU Yaping， YUAN Lu

（Jiangxi Agricultural University， Nanchang， Jiangxi 330045）

Abstract With the development of society， the study of semi-solid forming technology increasingly valued by researchers， gradually moving from an unknown mature， semi-solid forming technology for forming particulate reinforced magnesium matrix composites has opened up new avenues. In this paper， semi-solid casting and forming key technical factors that influence the forming quality and semi-solid casting further the country's development prospects were discussed and studied.

Key words semi-solid; semi-solid casting; magnesium matrix composites; thixocasting

1 鎂基復合材料半固態成形技術的發展現狀

自20世紀70年代初，美國麻省理工學院的M.C.fleming教授等人首次提出了半固態成形技術以來，隨著社會產業的不斷發展，人們對于低成本、輕量化、高性能鑄造產品的需求越來越大，然而鎂基復合材料因其具有的良好性能，高耐熱性、穩定性等等在軍事、航空航天、汽車工業等得到了廣泛的應用。發展至今，半固態壓鑄成形技術充分應用了半固態金屬或者金屬基復合材料的特性，利用減少材料顆粒的滑動，提高材料分子的粘塑性，使得成形更加緊密，減少氣孔和收縮，實現實體平穩充型。①然而，半固態壓鑄成形技術較傳統的全液態壓鑄技術的優勢在于減少了對壓鑄設備及零部件的熱沖擊，從而減少了設備的磨損。提高了壓鑄模面的使用率，延長了使用時間，同時也提高了鑄件品質，操作簡單方便。半固態成形技術還沒有完全地被開發，還需逐漸走向成熟。②

2 鎂基復合材料成形技術的相關內容

2.1 鎂基復合材料的特點

鎂的密度較鋁的密度要小，其密度是1.74g/cm3，稱為了目前最輕的金屬結構材料，這也就造就了鎂的一些獨特的屬性，比如鎂的高比強度和高比剛度，同時還具有良好的阻尼性能和電磁屏蔽等性能，然而鎂也有不足之處，由于鎂元素比較活潑，燃點比較低，鎂合金在熔煉和加工過程中極容易氧化燃燒，③使得合成難度加大。鎂基復合材料作為新型成型技術，鎂基復合材料半固態加工逐漸形成一個新的研究領域。鎂合金是低密度、高比強度的一種物質。鎂合金的成形方法的研究是當今社會的一大重大研究方向，鎂合金作為輕質材料的新代表，在軍事領域，關于運用部件方面，例如艦船構件、推進裝置等需要輕重量的零部件，既滿足了要求，提高了效率，又降低了成本。④然而鎂基復合材料是以鎂合金為基體，增強相和基體與增強相間的接觸面組成，已然成為金屬基復合材料的研究熱點之一。顆粒增強鎂基復合材料與其他纖維增強鎂基復合材料相比，更實用、工藝更簡單，價格更低廉。鎂基復合材料的制備方法有多種：粉末冶金法、熔體浸滲法、全液態攪拌法、半固態攪熔鑄造法、噴射沉積法。從而，鎂基復合材料的重加工、回收性能較好，有較高的耐磨性和耐高溫性。

2.2 金屬基復合材料半固態成形技術

半固態壓鑄成形技術是半固態成形技術中的核心部分之一，半固態壓鑄成形技術分為流變壓鑄和觸變壓鑄兩種，流變壓鑄是將液態金屬一邊攪拌一般冷卻至固液兩相區，然后將攪拌完畢的半固態金屬漿料直接放入壓射室進行壓鑄成形，觸變壓鑄則是將經攪拌等工藝獲得的具有非枝晶組織的半固態坯料冷卻凝固后，制成所需要的尺寸，⑤再對坯料按所需要求進行切割成塊并且進行二次加熱，當達到某個預定的溫度后轉移到壓射室進行成形的方法。在兩種方法的實現過程和結果的對比中發現流變壓鑄流程短、材料損失少，節能低耗，所以流變壓鑄更受使用者的青睞。

半固態成形方法分為：非觸變材料和觸變材料半固態加工以及金屬基復合材料半固態制備成形等三種。其中非觸變材料半固態加工主要分為液態冷卻和固態重熔法;觸變材料半固態加工分為半固態塑性成形和半固態鑄造。顆粒增強的金屬基復合材料一般也是在半固態條件下進行攪拌，同時在金屬基體中加入一些增強體，維持在液相線或者是半固態狀態，然后壓鑄成形，實現半固態鑄造。所謂半固態，肯定是處于固態和液態相鄰的狀態，那么半固態金屬基復合材料成形是在固液之間進行的，融合了鑄造和塑性成形的工藝特點，此種成形技術存在其優點如下：⑥（1）材料方便運輸和成形，簡單易操作;（2）過程生產效率高，節約用料，設備使用頻率緩和，成形應力低，形成優良的工作環境;（3）鑄件成形過程收縮孔洞少，便于操作，加入增加材料方便，節約材料成本、性能穩定、有較高的耐壓性。

半固態金屬成形具有低能耗、高精度、高強度、高表面光潔度及減小部件重量等優點。在固相率較低時，大概范圍在小于50%時，半固態金屬主要成流變特性;在固相率大于50%時，半固態金屬的性質在具有流變特性的同時，更為明顯的是晶粒顆粒構成的固體骨架的粘塑性變形特性，半固態金屬基復合材料在高固相率下進行觸變成形時，變形抗力減少顆粒滑動，增強顆粒的塑性變形，變形機制亦如此，⑦綜合了凝固加工和塑性加工的長處。

3 影響半固態壓鑄的因素

顆粒增強鎂基復合材料具有良好的高溫性能和熱穩定性，還有較高的耐磨性能，卻大大地降低了塑性，不利于對其進行二次塑性加工，形成復雜零件。鎂基復合材料半固態的研究工作只要集中在非枝晶組織的力學性能、半固態鎂基復合材料攪動時的組織演變、以及半固態等溫過程中的組織演變等方面，影響半固態力學性能的因素不僅僅有固相晶粒的形貌、尺寸，半固態材料中液相的凝固組織和凝固行為也會影響其性能。在半固態鑄造工藝當中，工藝的好壞往往受到溫度、固相分數、攪拌的剪切速率、時間以及硬件設備的影響，我們可以通過控制工藝過程中的溫度高度變化、固相分數、時間長短，攪拌速度的快慢等。在硬件方面，應該加強半固態鑄造成形設備的研制開發，讓設備更加專業化。

4 發展前景

目前，關于鎂基復合材料的半固態成形的研究越來越受更多人的關注，很多企業和一些機構都在密切關注半固態成形技術，并且組織相關人員進行進一步的研究，將研究成果進行廣泛應用。隨著電子產業的迅速發展，對產品的輕量化要求、低成本、低消耗的要求越來越高。鎂基復合材料半固態成形技術有了一定的突破，但由于我國的鑄造設備和技術比較落后，而發達國家對其設備和技術進行壟斷，造成成形技術的推進比較緩慢。⑧然而，我國是世界上最大的鎂生產國，我們應發揮好這一優勢，加大鎂基復合材料的壓鑄成型技術的研究，廣泛運用于當今社會。因此，鎂基復合材料半固態成形技術還是有大的發展空間。

5 結語

半固態壓鑄成形將會成為鎂基復合材料鑄件的主流技術，如何降低設備造價、減少維修費用，降低原材料成本，縮短生產周期等，成為當今社會的主要研究方向。我國在半固態鑄造技術方面較其他國家還是有一定的差距，因此，我們要努力加強相關設備、技術的研發，找到相應的突破口，緊追時代的步伐，縮短差距，向新型科技進軍。

*本文通訊作者為袁露

基金項目：江西省青年科學基金項目，項目編號：20111522040290

注釋

①⑦Fan Z.Semisolid metal processing[J].International Materials Reviews，2002.47（2）：49-63.

② 趙大志，路貴民，崔建忠.半固態鑄造技術的發展狀況[J].鑄造，2005.10.54（10）：943.

③ 周冰鋒，閆洪.AZ61鎂合金半固態觸變擠壓成形工藝研究[J].熱加工工藝，2009.38（19）：73.

④⑥郭澤亮.鎂合金半固態成形技術的進展[A].第四屆有色合金及特種鑄造國際會議論文集[C].2005.9.

⑤ 艾桃桃.半固態鑄造技術的研究狀況及應用[J].機械設計與制造，2010.2（2）：65.

⑧ 李元東，郝遠，陳體軍，閆峰云.鎂合金半固態成型的現狀及發展前景[J].特種鑄造及有色合金，2001（2）：78.