從70年代初美國麻省理工學(xué)院的 Flemings教授等開發(fā)出半固態(tài)加工技術(shù)以來， 現(xiàn)已得到迅速發(fā)展。美國在此技術(shù)的開發(fā)研究和工業(yè)應(yīng)用等方面處于全球領(lǐng)先地位冯挎；歐 洲國家和日本也相繼開展此方面的工作，并取得很大進(jìn)展咙鞍。半固態(tài)加工技術(shù)最廣泛的應(yīng) 用主要集中在汽車工業(yè)房官，用以進(jìn)行汽車零件的近終形(NearNetShape)制造以及使其輕量 化；另外续滋，這項(xiàng)技術(shù)還被越來越多地用于航空翰守、兵器、儀表等工業(yè)的主要構(gòu)件疲酌。目前蜡峰，半固 態(tài)金屬加工技術(shù)的發(fā)展主要圍繞著半固態(tài)金屬的制備和成形、基礎(chǔ)理論朗恳、金屬基復(fù)合材料 的制造湿颅、工業(yè)應(yīng)用和開發(fā)等方面。與此同時(shí)，很多相關(guān)的新技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域不斷被開發(fā)出來斟策。

1 半固態(tài)金屬原料的制備技術(shù)

在金屬凝固過程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌研歧，使樹枝狀初晶破碎成等軸顆粒狀分布于液相，從而 得到一種固液混合漿料胡傅，通常將此漿料稱為非枝晶半固態(tài)金屬(Semi—Solid Metal氧悦，簡稱 SSM)。在SSM的液相基體中母烘，固相顆粒之間很容易產(chǎn)生相互移動国享，從而使SSM漿料具 有一定流動能力，以利于充型惨侵。獲得SSM原料主要有以下方法闺撩。

1.1 機(jī)械攪拌法

機(jī)械攪拌法通常可分為不連續(xù)攪拌法(Bath Method)和連續(xù)攪拌法(Continuous Method)二谤。機(jī)械攪拌法設(shè)備簡單，容易控制工藝參數(shù)读囤，從而可方便地用于研究金屬的攪拌 規(guī)律和SSM的流變特性继射。機(jī)械攪拌時(shí)，攪拌器與金屬熔體直接接觸挎袜，因而攪拌器的壽命 低而且易污染金屬顽聂。所以，機(jī)械攪拌法只適合于實(shí)驗(yàn)室的研究工作盯仪，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求紊搪。

1.2 電磁攪拌法

電磁攪拌法是利用電磁感應(yīng)力的作用將析出的樹枝晶破碎成顆粒狀，屬于非接觸式 攪拌全景。因此耀石，金屬液純凈，不卷入氣體爸黄，控制方便滞伟，產(chǎn)量大，是目前工業(yè)應(yīng)用的主要方法之 一炕贵。這種方法也適用熔點(diǎn)較高的合金梆奈。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位的電磁攪拌技術(shù) 稱為MHD(Magnetohydrofynamic)称开，用于生產(chǎn)連續(xù)流變錠料亩钟，其中鋁合金錠的直徑達(dá)38— 52mm。這種方法的主要缺點(diǎn)是電能消耗量大舞涮，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且成本高林慷。

1.3 應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法

應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法(Strain—ImducedMeltActivation，簡稱SIMA)首先要鑄造出品 粒細(xì)小的常規(guī)鑄錠，再使之進(jìn)行大量的擠壓變形髓无，然后加熱到固液兩相區(qū)以得到SSM原 料阔踢。該法的金屬純凈，產(chǎn)量較大沫十，也是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中采用的主要技術(shù)之一蛋昙。但是，SIMA 去要增加一道預(yù)變形工序建淘，而且僅能生產(chǎn)小型零件沧源。

1.4 其它方法

獲得SSM原料的其它方法有：剪切冷卻輥法(Shear—CoolingRollProcess)、電磁脈沖 法(Electromagnetic Pulse Method)咪枷、紊流管道法(Tortuous—Channel Method)波财、濺射沉積法 Spray—DepositedMetalMetllod)等，限于篇幅在此不一一贅述 [1—3] 打恕。

2 半固態(tài)金屬的成形技術(shù)

SSM成形是介于鑄造和鍛造之間的一種工藝過程退疫，適用于很多常規(guī)的成形方法。通 常根據(jù)采用的成形設(shè)備對其命名鸽素，這些設(shè)備包括：改進(jìn)的壓鑄設(shè)備褒繁、注射成形設(shè)備、連續(xù)鑄 造設(shè)備和模鍛設(shè)備等馍忽。在研究和應(yīng)用中棒坏，鑄造設(shè)備在SSM成形中占較大比例，因而SSM 成形多稱為半固態(tài)鑄造遭笋。 SSM原料在進(jìn)入模具內(nèi)腔之前有不同的處理方法坝冕，從而使SSM成形分為兩大類：流 變成形(Rheoforming)和觸變成形(Thixo- forming)。流變成形是將獲得的 SSM原料 直接成形瓦呼；觸變成形是將SSM原料首先制成 錠料喂窟，生產(chǎn)時(shí)，將定量的錠坯重新加熱至半固 態(tài)然后再成形(見圖1央串、圖2)谎替。

對于流變成形，由于直接獲得的SSM原料保存和輸送很不方便蹋辅，因而發(fā)展較緩慢阅权，一 般僅用于SSM連續(xù)成形方面；對觸變成形挥疲，由于 SSM坯料便于輸送和加熱啸需，易于實(shí)現(xiàn)自 動化，所以饼贰，觸變成形在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用斯智。

3 半固態(tài)加工技術(shù)的特點(diǎn)和適用范圍

概括起來說各祠，半固態(tài)加工技術(shù)具有以下特點(diǎn)： [4-7] (1)SSM充型平穩(wěn)、無湍流和噴濺附舌、溫度低而且釋放了部分結(jié)晶潛熱渺纯，因而減輕了對 成形裝置尤其是模具的熱沖擊，使其壽命大幅度提高蛉差；同時(shí)正蹋，SSM凝固時(shí)間縮短，從而有 益于提高生產(chǎn)率壕哩。 (2)SSM成形件表面平整光滑钧宠；內(nèi)部組織致密、晶粒細(xì)小扎运、力學(xué)性能高瑟曲；凝固收縮小， 因而鑄件尺寸精度高豪治；SSM成形件尺寸與成品零件幾乎相同洞拨，極大地減少了機(jī)械加工量， 可以做到少或無切削加工负拟，從而節(jié)約了資源扣甲，相對延長了刀具壽命。 (3)不直接處理液態(tài)金屬齿椅，便于實(shí)現(xiàn)自動化，改善了勞動條件启泣。 (4)節(jié)約能源涣脚。比單位重量的普通鋁合金鑄件節(jié)能35％左右。 (5)SSM粘度較大寥茫，可以均勻混入顆燎彩矗或短纖維等增強(qiáng)材料而制造金屬基復(fù)合材料， 成為一種有效的金屬基復(fù)合材料的制造方法纱耻。 (6)與固態(tài)金屬模鍛相比善答，SSM的流動應(yīng)力顯著降低，因而SSM模鍛成形速度更高刺盏， 而且可以成形十分復(fù)雜的零件缤币。 半固態(tài)加工技術(shù)除上述直接成形外，還有望于提純金屬(使3SM的液固兩相分離)锡迅、 制造金屬板帶等旬敞。尤其是用半固態(tài)加工技術(shù)制造金屬基復(fù)合材料愈來愈受到人們的重 視。隨著不斷研究開發(fā)单葡，半固態(tài)加工技術(shù)必將超出今天工業(yè)應(yīng)用的范圍 [3] 深境。 S3M適用于有液固共存區(qū)的合金體系每玛。研究和生產(chǎn)證明，適用于半固態(tài)加工的金屬 有：鎂合金旅雇、鋁合金芦赔、鋅合金、鎳合金跃旁、銅合金以及鋼鐵合金等桥膝，其中鋁鎂合金已用于工業(yè)生 產(chǎn)。半固態(tài)加工技術(shù)有可能使黑色金屬實(shí)現(xiàn)壓鑄缘缚，很多國家正致力于這方面的研究勾笆。

4 工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年中，半固態(tài)加工技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)取得很大進(jìn)展桥滨。其中美窝爪、日、英齐媒、法蒲每、意大 利和瑞士等國家的應(yīng)用水平處于領(lǐng)先地位 [8-16] 。 在美國喻括，AlumaX Engineered Metal Process(AEMP)公司率先將此技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力邀杏。 1978年，它使用 MHD技術(shù)生產(chǎn)出供觸變成形用的圓錠唬血，隨后建成了全球首條高容量和 高度自動化的觸變成形生產(chǎn)線望蜡，用于生產(chǎn)鋁'合金汽車零件，并擁有相關(guān)專利60多項(xiàng)拷恨；自 1988年以來脖律，AEMP為 Bendix牌小轎車生產(chǎn)了250萬個(gè)鋁合金汽缸頭(Master Cylin- der)，為Ford汽車公司生產(chǎn)了1500萬個(gè)鋁合金壓縮機(jī)活塞(Pistons of Compressor)漩叶，成品 率近100％苹衰。1992年AEMP公司與Superior工業(yè)公司合資在美國 Arkansas州建成了全 球首家觸變成形鋁合金輪轂廠。 AEMP公司幫助美國AMP公司建設(shè)的有7臺半固態(tài)成 形系統(tǒng)的工廠于1993年上半年投產(chǎn)狞朦，用于生產(chǎn)電工鋁合金零件棘爱。Thixoma公司則使用半 固態(tài)注射成形專利技術(shù)生產(chǎn)鎂合金零件。 ITT公司用半固態(tài)加工技術(shù)進(jìn)行黃銅電接插件 的生產(chǎn)澎矗。目前柜棠，Alumax鋁業(yè)公司的 Mt Holly鋁廠和 Intalco鋁廠已經(jīng)生產(chǎn)出直徑76.2mm和152．4mm的MHD錠。1985年标晤，Alumax鋁業(yè)公司將有關(guān)觸變成形的專利技術(shù)向 歐洲轉(zhuǎn)讓赋昔，生產(chǎn)Volvo、BMW和Audi等小轎車的鋁合金零件捧练。 在歐洲亮绢，意大利是半固態(tài)加工技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用最早的國家之一箭谴。 Stampal—Saa公司 使用此技術(shù)為Ford汽車公司生產(chǎn)Zeta發(fā)動機(jī)的油料注射擋(Fuel Rails)，生產(chǎn)率為160 件／小時(shí)俘戈；另外溉潭，還生產(chǎn)齒輪箱蓋(GearBoxCover)和搖臂(RockerArms)等零件。 Weber 公司于1993年開始用半固態(tài)技術(shù)為 Nuova Lancia Delta公司生產(chǎn)油料注射擋少欺。瑞士的 Buehler公司于1993年開發(fā)出稱為SC的半固態(tài)壓鑄設(shè)備喳瓣，并開始進(jìn)行汽車零件的生產(chǎn)。 同時(shí)赞别，德國的 EFU畏陕、法國的 PechineySA、瑞士的Alusuisse—Lonza仿滔、意大利的 Fiat等國際 知名公司已采用了半固態(tài)加工技術(shù)惠毁。 日本于80年代后期成立了一家由18個(gè)成員組成的Rheotech公司，隨后對半固態(tài)加 工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究崎页，同時(shí)加強(qiáng)與美歐著名大學(xué)和公司的聯(lián)系鞠绰。公司成員包括：三菱重 工、川崎制鐵飒焦、神戶制鋼蜈膨、古河電氣等14家鋼鐵公司和4家有色金屬公司。在1988年3 月至1994年6月期間共投資30億日圓進(jìn)行研究開發(fā)牺荠，下一步轉(zhuǎn)向工業(yè)應(yīng)用階段强剥。

4.2 半固態(tài)成形件現(xiàn)狀

半固態(tài)加工技術(shù)主要應(yīng)用于汽車零件制造方面，另外例杰，在軍事拟晋、航空、電子以及消費(fèi)品 等方面也進(jìn)行了產(chǎn)品開發(fā)板蜻。多數(shù)情況為鋁、鎂合金的半固態(tài)壓鑄甸垄、模鍛以及注射成形捺盖。 用半固態(tài)加工技術(shù)生產(chǎn)的汽車零件包括：剎車作動筒(Master Brake Cylinder)、轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)零件(Steering and Suspension System Components)疤嘴、搖臂(Rock Arm)融唬、發(fā)動機(jī)活塞 (Engine Piston)、輪轂(Wheel)住卿、傳動系統(tǒng)零件(Transmision Components)芋困、燃油系統(tǒng)零件 (Fuel System Components)和汽車空調(diào)零件(Air Conditioner Components)等。這些零件已 應(yīng)用于Ford矫迹、Chry51er利术、Volvo呈野、BMW、Fiat和Audi等歐美名牌轎車上印叁。從1981年起被冒，用半 固態(tài)技術(shù)生產(chǎn)的電接插件(ElectricalConnector)已應(yīng)用于軍事航空領(lǐng)域 [1-2] 。 如前所述轮蜕，與鑄件相比昨悼，SSM鋁合金件組織細(xì)小、內(nèi)部疏松少跃洛、收縮小率触、尺寸精度和性 能高、表面質(zhì)量好汇竭；另外葱蝗，由于少或無切削加工，從而降低了制造成本韩玩。因此垒玲，在生產(chǎn)中，有 些SSM鋁合金件用于取代常規(guī)鑄鍛件找颓。例如参七，調(diào)速帶張緊回轉(zhuǎn)輪支架(Timing—Belt Tensioner—pulley Pivot Bracket)由球鐵改為SSM鋁合金件后，減重52％狱诊，每件節(jié)約費(fèi)用 2．15美元村次。汽車作動簡通常用鑄鐵制造，汽車輕量化趨于采用鋁合金金屬型鑄造工藝件策， 應(yīng)用半固態(tài)加工技術(shù)后痒弃，與前兩種工藝相比，不但生產(chǎn)高度自動化巩樟，避免成形時(shí)處理液態(tài) 金屬仆扰，而且實(shí)現(xiàn)了近終形(Near Net Shape)制造。兩種情況的比較見表1艰捶。

半固態(tài)模按鋁合金汽車輪轂的重量祟放，隨種類不同比相應(yīng)的壓鑄輪轂輕lO％-30％。 Thixomat公司1994年7月采用觸變成形設(shè)備進(jìn)行鋁合金齒輪箱的生產(chǎn)伤主，迄今已生產(chǎn)出 50萬件衡喧。設(shè)備采用熱室壓鑄工藝，每件生產(chǎn)時(shí)間為28s玫氢，日產(chǎn)6000件帚屉。經(jīng)過對整個(gè)生產(chǎn) 過程監(jiān)測表明，每件的平均重量偏差為0．5％漾峡，孔的尺寸精度為0．02攻旦，在嵌入鋼襯套之前 僅需對孔內(nèi)表面拋光處理即可喻旷。另外，還用觸變成形工藝生產(chǎn)出應(yīng)用于電子方面的成形 件敬特，例如工業(yè)電子顯示裝置的機(jī)身等 [9掰邢、19]

5 研究開發(fā)動向

半固態(tài)加工技術(shù)開拓了一個(gè)全新的金屬成形領(lǐng)域，目前伟阔，還有許多問題有待進(jìn)一步研 究探討 [3辣之、8、11皱炉、17] 怀估。 (1)SSM的演變特性與微觀結(jié)構(gòu)和加工過程有關(guān)。這需要精確認(rèn)識和描述SSM漿 料的結(jié)構(gòu)和特性合搅，以對漿料進(jìn)行設(shè)計(jì)多搀，使其與成形過程相適應(yīng)。 (2)由于SSM具有低的潛熱以及有固相存在画了，因此漿料凝固速度大虾驰。這使得 SSM 成形的模具設(shè)計(jì)和表面處理方式與鑄鍛工藝有所不同，需要對此進(jìn)行深入研究嫌或。 (3)為了使半固態(tài)成形件的微觀組織進(jìn)一步細(xì)化伊了，要求更有效地控制SSM中固相組 分的原始顆粒尺寸和數(shù)量。 (4)在半固態(tài)加工過程中喝灌，材料自由表面可能會產(chǎn)生裂紋栅刚。有待于對SSM的微觀結(jié) 構(gòu)、溫度場以及其自由表面的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行深入研究嘉栽。 (5)需要對SSM的組織形成以及漿料特性進(jìn)行定量描述慈哗。 世界上很多大學(xué)及公司的研究機(jī)構(gòu)都在從事半固態(tài)加工技術(shù)的研究，為這項(xiàng)技術(shù)的 發(fā)展奠定了基礎(chǔ)损螃。研究內(nèi)容包括：(1)基礎(chǔ)技術(shù)研究：內(nèi)容有SSM的基本特性筋悴，組織均勻 化，固相率以及溫度控制技術(shù)筹聂，裝置材質(zhì)的開發(fā)暖悦；(2)加工過程的研究：內(nèi)容有高速攪拌技 術(shù)，SSM的保持以及輸送技術(shù)推姻，氣氛控制技術(shù)平匈，成形技術(shù)框沟，復(fù)合材料的添加和混合技術(shù)藏古； (3)綜合技術(shù)：包括高性能材料制造技術(shù)的開發(fā)，材料連續(xù)成形技術(shù)的開發(fā)忍燥。 我國有些單位于70年代后期也陸續(xù)開展了有關(guān)SSM流變特性等方面的理論研究拧晕。 但是隙姿，由于缺乏系統(tǒng)的研究和開發(fā)，目前還沒進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段厂捞，從而迫切需要進(jìn)行全面输玷、 系統(tǒng)的研究開發(fā)。 合金和復(fù)合材料的半固態(tài)加工國際會議迄今已舉辦了三屆靡馁，分別在法國 SophiaAntipolis(1990年4月)欲鹏、美國MIT(1992年6月)、和日本Tokyo(1994年9月)舉行臭墨，標(biāo)志著 這項(xiàng)技術(shù)在全球范圍內(nèi)日趨成熟赔嚎。 最后需要指出的是，半固態(tài)加工技術(shù)的發(fā)展將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前工業(yè)應(yīng)用所局限的范圍乐肿。 組織力量對這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)將有十分重要的意義珠技，它必將會在我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中 發(fā)揮重要作用。

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