半固态成形工艺优化方案

1.流变成形

所谓流变成形是采用各种方法制备出半固态合金浆料，进行压铸或挤压成形的一种工艺方法。半固态浆料与全液态合金熔体显著不同，不能直接进行重力铸造，必须依靠一定的压力来完成浆料的流动充型过程，也可以直接进行模锻，这类工艺也称为流变铸造。

尽管流变铸造技术在半固态技术发展的初期被认为是一种合金制品生产新技术，但一直未能实现工业化生产，这可能与采用搅拌法制备的半固态浆料质量有关系。由于采用棒式或叶轮式机械搅拌法制备的浆料中，存在粗大蔷薇状颗粒（尺寸一般在几百微米至毫米级之间），这种浆料的流变性不够理想，不能很理想地铸造或锻造成形。采用电磁搅拌法又会产生退化的等轴枝晶组织，这也不适于后续的直接铸造成形，除非保温时间足够长以实现颗粒的球化。此外这些方法的生产率低，工艺过程可控性不强，但是流变铸造法的工艺简单、能耗低。为了将该技术投入应用，Helmut Kaufmann等研究开发了一种新的流变铸造工艺（new rheocasting，NRC），其基本思想为：采用合适的工艺促使α晶粒强制均匀形核，并通过控制冷却使之生长成为球状粒子。

2.触变成形

触变成形是将具有触变组织的合金锭坯重新加热到半固态温度区间，形成所需的浆料，进行压铸、挤压或锻造成形的工艺，是一种近净成形工艺。由于半固态金属坯料加热、输送方便，易于实现自动化操作，因此，触变成形是目前应用最为广泛的半固态金属成形方法。

1）二次加热在半固态触变成形之前，先要进行半固态重熔加热。首先根据加工零件大小切取相应质量或体积的坯料（具有非枝晶组织），再加热到半固态温度成形加工。二次加热的目的之一是获得不同工艺所需的固体体积分数；其二是将有些工艺如电磁搅拌、化学晶粒细化法等获得的细小枝晶碎片进行球化处理，为触变成形创造有利条件。对于金属半固态成形，坯料的半固态重熔加热是一个重要过程，它要求坯料的加热温控精度高，即使1～2K的温度误差也会显著影响坯料的组织，同时，成形工艺还要求坯料的重熔加热要具有一定的速度。为了保证坯料的重熔加热精度、加热速度和温度均匀性，目前普遍采用电磁感应加热，但它的缺点是能量利用率低。(www.xing528.com)

除了电磁感应加热方式外，半固态金属及合金坯料的重熔加热也可以采用电阻炉、盐浴炉加热，加热温度可以很精确，并可以直接测温，坯料不易坍塌，但所需加热时间较长，因而显微组织容易粗大、坯料表皮氧化加重。为了实现精确加热金属坯料，对加热中的坯料进行温度监控尤其重要，AEG公司开发了能量测量法，Buhler和EFU公司开发了感应圈涡电流法，还可以采用尖针侵入法，这些方法都可以实现坯料加热的温度监控，从而使金属及合金的半固态成形过程更加稳定可靠。

2）成形工艺根据半固态浆料的成形方式不同，可分为触变铸造、触变挤压、触变锻造和触变轧制等几种工艺。触变压铸法是半固态压铸工艺中的重要方法，其中水平式冷室压铸又是主要的工艺路线。半固态挤压工艺和普通的热挤压工艺情况基本相同，被加热到半固态的坯料（通过控制温度来保持其固态形状，避免自重造成的形状破坏）被放入到挤压模膛体内，挤压成最终产品。由于半固态浆料的晶界强度很低，坯料变形抗力很小。该工艺所需挤压力仅是普通热挤压的1/4～1/5，这样就可以在较大范围内调节挤压比，提高产品的致密度。半固态坯料在锻模内可以锻造成形状复杂的零部件，成形力低，工艺简单。该工艺的关键因素是模具结构、温度、坯料的固相量、锻压设备的性能等。

目前所使用的工业用触变成形装置如图4-8所示。该装置由高速射出机构、原料输送部、螺杆、套筒和喷嘴组成。整个机构与塑料的注塑机很像。首先将镁合金锭加工成细颗粒状，将此种镁合金颗粒装入料斗中，强制输送到机筒中，机筒中旋转的螺杆驱使镁合金颗粒向模具方向运动，当其到达机筒加热部位时，合金颗粒呈部分熔融状态，在螺旋体的剪切作用下，具有枝晶组织的合金料形成了具有触变结构的半固态镁合金，当其累积到一定体积时，被高速（5.5m/s）注射到抽成真空的预热型腔中成形。半固态合金在外力作用下可以像热塑性塑料一样流动成形，但触变注射成形的温度、压力和螺杆旋转速度远远高于注塑设备。成形的加热系统采用了电阻和感应加热的复合工艺，将合金加热至（582±2）℃，固相体积分数达60%，同时通入氩气进行保护。蓄积的半熔化镁合金通过螺杆的高速前进射向金属模具的模膛内。

图4-8 触变成形装置示意图