半固态金属加工技术

改造者：李 军

半固态金属加工技术是当前一项热门研究领域，本文通过对MIT工艺、NRC工艺和冷却斜槽法三种半固态金属加工工艺的论述，并就半固态金属加工工艺的核心环节——坯料制备方法进行了详细论述，并对该工艺的应用和需要解决的难题作了探讨。

半固态金属加工技术（Semi -solidmetal forming，简称SSM）是21 世纪前沿性的金属加工技术，之所以称之为“半固态加工”是指金属在凝固的过程中，对其进行剧烈的搅拌或通过扰动控制凝固条件，使得金属处于一种母液状态，抑制树枝晶的生成或者对已经生成的树枝晶进行破碎，这时会有均匀悬浮着一些球状初生固相或退化的枝晶固相的流变浆料（又叫固-液混合浆料），再对这种浆料进行压铸、模锻等加工成型。这种既不是基于完全的固态金属浆料加工成型，也不是基于完全液态金属浆料加工成型的方法，人们称之为半固态金属加工技术。

半固态金属加工工艺

半固态金属加工成型主要有压铸和锻造两种手段，此外，现在也有人通过挤压或者轧制等方法进行生产，其工艺路线主要有两类，一类是流变铸造（Rheocasting），一类是触变成型（Thixoforming），对于前者来说，主要是通过对金属凝固过程中进行搅拌而获得半固态浆料，并让其保持一定温度而直接成型，该工艺生产效率高、流程短而倍受欢迎；对于后者来说，则较为复杂，是先要把半固态浆料制成坯料，然后再根据所需产品的尺寸重新加热至半固态温度后成型，这一工艺虽然复杂但容易实现自动化而被广泛应用。

MIT 工艺

MIT 工艺最早是由美国的麻省理工学院Flemings 教授提出的，该工艺是把容器内的合金温度维持在液相线温度之上，然后对其合金溶液进行短暂搅拌，目的是把容器内的合金温度适当降低至液相线温度，这时会在合金熔体内产生许多晶核，然后去除搅拌器，保留合金在半固态状态，使其处于绝热状态并把其冷却到要制成的成型温度。MIT 工艺具有操作简便，在流变铸造中得到了广泛应用，但其半固态组织的获得是受到搅拌速度的影响，因此，改进MIT 工艺需要在搅拌的同时做好热快速释放。

NRC 工艺

NRC 工艺广泛应用于镁合金的生产，这一工艺是由日本宇部株式会社开发出的一种新型流变工艺，这一工艺的具体流程是先将熔融金属控制在液相线温度之上，这一点与MIT 工艺类似，然后把熔融金属放入隔热容器中进行冷却，这时会在熔融金属内部生成初生相晶粒，与MIT工艺不同的是，NRC 工艺还需要在容器两端用陶瓷做好防过冷装置，再利用风冷使金属冷却到预先设定的半固态温度，再通过翻转隔热容器，把半固态浆料倒入成型设备中成型。与MIT 工艺相比，NRC 工艺省去了搅拌技术，与传统的触变成形技术相比，大大降低了生产成本。

冷却斜槽法

冷却斜槽法是用于铝合金和镁合金的一种半固态坯料新工艺，冷却斜槽法的工艺原理是把高于液相温度线之上的熔融金属直接倒在冷却斜槽上，通过冷却斜槽的作用，在斜槽的表壁上生成许多细小晶粒，然后再通过金属流体的冲击和材料自身的重力作用让晶粒从斜槽壁上实现脱落和翻转以实现搅拌的预期效果，达到固相分离，流变成型和触变成型的效果。

综上，与普通的加工铸造方法不同，半固态金属加工工艺具有较多优势，主要表现在应用范围广、成型种类多，可以延长模具的使用寿命，接近或者达到铸件的性能等等，在实际生产中应用的领域也十分广泛。

半固态坯料制备方法

半固态金属加工工艺中非常重要的一环是制备出优质的半固态坯料——棒坯。根据实际应用来看，目前制备半固态坯料的方法主要有机械搅拌法、电磁搅拌法和应变激活法等等。

机械搅拌法

在半固态金属工艺制造中机械搅拌法是其中最早使用的一种方法，常见的是在熔融金属中放入搅拌棒以及通过两个同心圆筒组成，内部圆筒静止而外部圆筒旋转以产生搅拌效果两种方式。机械搅拌法通过控制搅拌的速度和冷却速度、搅拌温度等等参数，让初生枝晶破碎为颗粒结构。这种方法简单，且成本不高，但也有不足之处就是搅拌的区域难以做到100%全覆盖，有些拐角之处难以搅拌到，搅拌的叶片容易腐蚀，降低生产效率。

电磁搅拌法

电磁搅拌法顾名思义是运用了电磁感应，使得凝固的金属液中产生相应的感应电流，在外力旋转磁场的作用下推动金属固液浆的转动，最后让枝晶状组织绞碎为非枝晶组织。电磁搅拌法由于运用的是感应电流原理，对其中的金属浆料不会产生污染，但该项技术投资大、设备成本高，工艺复杂，操作要求高。对电磁搅拌效果产生影响的因素主要有搅拌的功率、金属液温度以及浇注速度等等。

应变激活法

应变激活法是预先连续铸造晶粒细小的金属锭，然后将其热挤压成型，在组织中储存部分变形能量，最后根据实际需要再将变形后的金属锭分切成所需要的大小，并加热到半固态。在这一过程中，金属锭先会发生结晶，然后才会慢慢出现熔化，固相晶粒分散在液相基体中，获得需要的半固态坯料。应变激活法具有很多优势，例如生产的金属坯料纯度高、产量大，但也有不足，就是生产成本较高。

半固态加工技术的工业应用

半固态金属加工工艺应用广泛，1978 年，美国Alumax 公司率先研发出触变生产线，并将其应用到汽车零部件的生产中，取得了良好的经济效益，短短的几年时间公司的生产能力就得到了大幅度提升，而且所生产出的铝合金压缩活塞成品率达到了几乎100%。欧盟、美国和日本成为了半固态铸造技术的主要生产区，零件单重从10g 到10kg，直径最大可以达到500mm。

我国的半固态金属加工工艺研究和应用起步较晚，最早是在上世纪80 年代后期，先是在东南大学、北京科技大学等一些高校进行了SSM 的科研工作。随着近年来，对于半固态金属加工工艺研究的加大，也取得了一些可喜成绩。1998 年，国家在“863”计划中给予了半固态挤压研究的大力支持，在北京有色金属研究总院建立起一条半固态材料制备试验生产线，目前已经实现了A357 铝合金半固态半连续流变的铸造成果。

结语

半固态金属加工工艺的优势十分显著，理论研究与实际应用都在同步的推进中，其中，半固态工艺融合了铸造工艺和锻造工艺的诸多优势，成形流动应力低，这是超塑性锻造或者等温锻造工艺都难以比拟的，成型效果好，对于复杂的制件也可以实现精密成型。对于金属加工来说，固体、半固态和液态都是合金的三种状态，处于同样重要的研究地位。与铸锻两种古老、成熟工艺相比，半固态工艺研究时间较晚，要发挥其优势还需要在可靠性、完整性等方面加大研发力度。半固态金属加工工艺较为复杂，在成型设备及工艺参数、品质标准及过程控制等方面还需要大力改进，进入到生产领域还需要克服的诸多难题。