重新认识_半固态金属加工技术_罗守靖

专题论述

特种铸造及有色合金　２０１２年第３２卷第７期

重新认识“半固态金属加工技术”

罗守靖１　姜永正２　李远发２　单巍巍２

（１．哈尔滨工业大学材料科学与工程学院；２．嘉瑞国际控股有限公司）

摘　要　半固态加工技术，历经４对其认识愈来愈深入。开始，人们认为它仅仅是一种新颖的铸造加０多年的研究和发展，继而认为是塑性加工的延伸，且是锻造和铸造之间的一个加工链、金属加工的一种补充。后来在对铸、锻两种加工工方法，

方法的发展轨迹研究基础上，惊奇地发现，半固态加工技术不仅是作为工艺方法的补充出现在金属加工领域中，而且是铸——球晶的存在，造、锻造工艺发展的一种必然。由于它加工的组织—使其有“剪切变稀”的易充填特性，特别是最终加工组而非枝晶，具有极好的力学性能，这是造铸和锻造所不具备的。最后，采用“材料质量利用率”和织呈细等轴晶类变形组织，

“材料性能利用率”这两个指标，比较了３种工艺方法，得出了深入开展半固态加工技术的研究和应用，是推进“节能减排”的最佳途径之一。随着时间的推移，其优势愈来愈彰显，并将为企业界所接受。关键词　半固态加工；材料质量利用率；材料性能利用率；节能减排

＋

（）中图分类号　ＴＧ２４９．２６１　　　　文献标志码　Ａ　文章编号　１００１－２２４９２０１２０７－０６０３－０５

ＲｅＣｏｎｉｔｉｏｎｏｆＳｅｍｉＳｏｌｉｄＭｅｔａｌＦｏｒｍｉｎＴｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓ　　－　　ｇｇｇ　

１２２２，ＬｕｏＳｈｏｕｉｎＪｉａｎＹｏｎｚｈｅｎＬｉＹｕａｎｆａＳｈａｎＷｅｉｗｅｉ　　　　ｊｇ，ｇｇｇ，　

（，Ｈ；１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏ　　　　　　　　ｇｇｇｙ

，）２．ＫａｓｈｕｉＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＨｏｌｄｉｎＣｏ．Ｌｔｄ　　ｇ　

：ＡｂｓｔｒａｃｔＳｅｍｉｓｏｌｉｄｆｏｒｍｉｎｒｏｃｅｓｓｉｎｈａｓｄｅｖｅｌｏｅｄ４０ｙｅａｒｓｔｉｌｌｎｏｗ，ｗｈｉｃｈｉｓｌｏｏｋｅｄａｓａｎｅｘｃｅｌｌｅｎｔ－　　　　　　　　　　ｇｐｇｐ　　ａｎｄｎｅｃｅｓｓａｒｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｒｏｃｅｓｓｉｎｂｅｔｗｅｅｎｓｏｌｉｄａｎｄｌｉｕｉｄｆｏｒｍｉｎｒｏｃｅｓｓｉｎ．Ｉｔｓｌｏｂａｌｒａｉｎｓ　　　　　　　　ｙｇｐｇｑｇｐｇｇｇ　　　　ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｗｏｃａｕｓｅｄｔｏｓｈｅａｒｔｈｉｎｎｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃａｎｌｅａｄｔｏｂｏｔｈｂｅｔｔｅｒｆｌｕｉｄｉｔａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　　－　　　　　　　　ｐｇｙ　　

””ｉｎｄｅｘｅｓｏｆ“ｍａｔｅｒｉａｌｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅａｎｄ“ｍａｔｅｒｉａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｓｅｍｉｓｏｌｕａｌｉｔｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　　　　　　　－－ｙｑｙｐ　ｒｏｃｅｓｓｉｎｉｄｆｏｒｍｉｎｉｓｔｈｅｄｅｓｉｒａｂｌｅｗａｔｏｒｅａｌｉｚｅｅｎｅｒｓａｖｉｎａｎｄｅｍｉｓｓｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．　　　　　　　　ｐｇｇｙｇｙｇ　　　　　

：，Ｍ，ＭｕａｌｉｔＫｅＷｏｒｄｓＳｅｍｉＳｏｌｉｄＦｏｒｍｉｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎａｔｅｒｉａｌＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎＲａｔｉｏａｔｅｒｉａｌＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＥｆｆｉ－　　　　　－Ｑｙｙｇｇ　　　，ｃｉｅｎｃＥｎｅｒＳａｖｉｎａｎｄＥｍｉｓｓｉｏｎＲｅｄｕｃｔｉｏｎ　　ｙｇｙｇ　　

１．１　铸造加工

铸造加工利用液态金属呈现出的良好的流动性，以实现成形过程中的充填、补缩，直至凝固结束。为了提不断向快速、精密、高压方向发高铸件的性能和精度，

展，先后出现了高压铸造、差压铸造、低压铸造、挤压铸

１　铸锻工艺发展的轨迹分析

铸造、锻造工艺是古老的金属加工工艺。它有着漫其发展轨迹有着显著地特点，即每前进长的发展过程，

一步，用其生产的制件，更加精密，更加高性能。

；收稿日期：修改稿收到日期：２０１２０３０１２０１２０５０６－－－－

），，：第一作者简介：罗守靖，男，教授，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨（电话：１９３９年出生，１５０００１０４５１－８６４１８７２３Ｅ－ｍａｉｌｌｕｏｓｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ＠ｈｊ

错，是复合材料获得高阻尼性能的主要机制。

参　考　文　献

［］［：Ａ１ＥＬＬＹＢＴ．ＰｈｓｉｃｓｏｆＭ］．Ｌｏｎｄｏｎ．Ｓｃｉ．Ｐｕｂｒａｈｉｔｅ　Ｋ　　　　－ｙｇｐｐｐ

，ｌｉｓｈ１９８１．

［］２ＯＨＡＴＧＩＰＫ，ＭＵＲＡＬＩＮ，ＳＨＥＴＴＹ　Ｈ　Ｒ．Ｉｍｒｏｖｅｄｍａｃｈｉｎ　Ｒ　　　　－ｐ

］ａｂｉｌｉｔｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｃｏｍｏｓｉｔｅｓ［Ｊ．Ｍａｔｅｒ．ｒａｈｉｔｅａｒｔｉｃｌｅ　　　　ｙｙｐｇｐｐ　　，Ｓｃｉ．Ｅｎ．１９７６，２６：１１５１２２．－ｇ

［］，，３ＨＡＮＧＪＰＥＲＥＺＲＪＧＵＰＴ．Ｄａｍｉｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｚ　　　　　　ｐｇｐ　

］ｆｏｒｃｅｄ２５１９Ａｌｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｏｓｉｔｅｓ［Ｊ．ＳｃｒｉｔａＭｅｔａｌｌｒｅｉｎ　　　　　　ｐｐ，）：Ｍａｔｅｒ．１９９３，２８（１９１－９６．

［］４ＩＪＮ，ＣＨＥＮＧ　Ｈ　Ｆ，ＺＨＡＮＧＹＦ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍａｃｒｏｓｃｏｉｃ　ＷＥ　　　　　　ｐ

ｒａｈｉｔｅａｒｔｉｃｕｌａｔｅｓｕｒｅｏｎｔｈｅｄａｍｉｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｌ　　　　　　ｇｐｐｐｐｇｙ　　

］，２ａｌｕｍｉｎｕｍ［Ｊ．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎ００２，Ａ３２５：　　　ｇｇ４４４４５３．－

［］，Ｐ，Ｌ５ＨＡＮＧＪＥＲＥＺＲＪＡＶＥＲＮＩＡＥＪ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＳｉＣａｎｄ　Ｚ　　　　　　　　

ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｓｏｎｔｈｅｄａｍｉｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍ－ｒａｈｉｔｅ　　　　　　　　ｐｐｇｇｐ　［］，（）：ｏｓｉｔｅｓＪ．ＡｃｔａＭｅｔａｌ．Ｍａｔｅｒ．１９９４，４２２３９５４０９．　－ｐ

［］，６ＴＡＩＢＯＵＲＥＬＬＤＬ．Ａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｅｒｉｍｅｎｔｓｔｕｄｏｆ　ＤＵＴ　　　　　　　ｐｙ　

］ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏ６０６１ＳｉＣｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｏｓｉｔｅ［Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．　－　　　ｙｐ　，１９８９，Ａ１１２：６７７３．Ｅｎ．－ｇ

［］７ＬＬＡＲＤＬＦ，ＲＡＷＡＬＳＰ，ＭＩＳＲＡ　Ｍ　Ｓ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒ　Ａ　　　　　　－

］，（）：ｆａｃｅｓｉｎｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｏｓｉｔｅｓ［Ｊ．Ｊ．Ｍｅｔ．１９８６１０４０４２．　　　　－ｐ［］８ＲＡＮＡＴＯ　Ａ，ＬＵＣＫＥＫ．Ｔｈｅｏｒｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄａｍｉｎｄｕｅｔｏ　Ｇ　　　　ｙｐｇ　　

］，（）：ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ．Ｊ．Ａｌ．Ｐｈｓ．１９５６，２７６５８３５９３．－ｐｐｙ

（编辑：刘　卫）

６０３

特种铸造及有色合金　２０１２年第３２卷第７期

造，以至双柱塞精密压铸。其发展趋势是采用机械压力替代重力充填，从而改善铸件内部品质和尺寸精度。１．２　塑性加工

塑性加工利用了固态金属在高温下，呈现较好的塑性流动性，以完成成形过程中的充填。采用塑性加工生其质量远高于铸造方法生产的制件。但固态产的制件，

金属变形抗力高，需要消耗较多的能量。对于较复杂的往往需要多道工序才能完成。因此，为了降低能零件，

耗和成本，降低变形抗力，提高制件的成形精度，保证制件的品质，就成为塑性加工的发展方向。因而先后出现了精密模锻、等温锻造、超塑性加工等。１．３　发展轨迹的分析

无论铸造加工，还是锻造加工，追求的目标是：既精

合金类型亚共晶ＡｌＳｉｕ合金－－Ｃ

合金牌号ＺＬ１０１４０３２ＺＬ１０８

工艺方法挤压铸造

金属型铸造挤压铸造锻造挤压铸造金属型铸造挤压铸造锻造金属型铸造挤压铸造金属型铸造

状态）人工时效（Ｔ１）人工时效（Ｔ２

Ｔ６

Ｔ６Ｔ６Ｔ６Ｔ６Ｔ６Ｔ６

密节材，减少后续加工的消耗，又要高效，使其材料本身能够达到的性能得到最大的发挥。１．３．１　铸造工艺

由于其成形实质，就是凝固，并由模型传热来完成。其结果是凝固收缩和枝晶组织生成不可避免。笔者在研究挤压挤造（液态模锻）理论的３发现只要０余年中，外压力足够和保压时间合适，其凝固收缩产生的缺陷（，主要是缩松）是可以消除的，唯独枝晶组织（主要指晶柱的形状）只能弱化，却很难消除。因而其力学性能中，强度指标较高，接近锻件，塑性指标偏低，与铸造相当，见表１、表２。

由表１和表２规律可见，挤压铸造在压力下凝固，其晶粒细小、均匀，缺陷获得消除，其强度自然高，与锻

／ＭＰａσｂ

２２０

１８０３４５３５２２３０～２９０１９０～２５０３００～３６０３１０～３３０

４１≥２２３０１８０

／％δ１

０．５２．０～２．５５．０～６．０４０．７～２．１．０～１．４０．５～２．４１．３～３．８

－０．８０．８

备注

４０ｍｍ×９０ｍｍ铸件

活塞取样１０５ｍｍ活塞取样

１０５ｍｍ活塞取样

／ＧＢＴ１１７３１９９５标准－

活塞取样

［１］

表１　不同工艺ＡｌＳｉｕ－－Ｃ－Ｍｇ系活塞合金的力学性能

共晶ＡｌＳｉ合金－

（）ＺＬ１０９４Ａ１１

过共晶ＡｌＳｉ合金－Ｚ２６Л

１］表２　挤压铸造工艺与轧制、铸造工艺力学性能比较［

材料

２５

低碳钢

工艺挤压铸造

轧制铸造挤压铸造轧制挤压铸造铸造挤压铸造轧制铸造挤压铸造轧制铸造挤压铸造轧制铸造

／ＭＰａσｓ２９３～３６２２８９２４０２６８～３５４２８０３１１～３６７

５０３００～３２９２～３３８３２０２８０３１５３４０３２０３２０３２０３００～３７０

／ＭＰａσｂ４８０～５４２

４６０４５０５０９～５１９４６０５５５～６３０

５０５００～５５３７～６３３５４０５００６０５５８０５８０６５０５５０５７０～６１０

／％δ５５．２～１６．３

２３２０１０～１１２４７～３０

０３０～５８．０～１９．５２０１６

２９１９１２２１．３２０２７～３０

／％５．９～２０．８

５０３０１０～１４５０８～４４

５４５～５５．３～３０．６４５２５

４３４５２０２７４５４０～５５

／（·ｃＪｍ－２）αｋ２１．０～４１．２

９０４５２３～２７－３５～６０

７０１５５～１２７．５～４５．０７０３５

３６６０３０３２８０７０～９０

２０Ｍｎ２５Ｍｎ

３５

高碳钢４５

３０Ｍｎ

件相当；但枝晶组织存在，枝晶偏析存在，且通过热处理

很难改变，这就降低了材料本身的塑性。因此，无论是还是加压铸造，最严重的缺陷不是因收缩产普通铸造，生的，而是传热过程形成的结晶方向所生成的枝晶组织，并且形成后，很难消除，直接影响其力学性能的改１，２］

。变［

１．３．２　锻造工艺

锻造工艺与铸造工艺相比，成形后组织呈再结晶组

织，细等轴晶，晶间无缺陷。因为在成形过程中，即使材料呈发达枝晶组织，变形后，使其枝晶组织破碎，重新结晶成新的结晶组织，其晶间缺陷在塑性变形中，获得愈，合，因此使其不仅具有高的强度（而且塑性指标σσｂ，ｓ）（、冲击性能（也高。但是，一方面，塑性变形必δ，αｋ）ψ）而且实现塑性变形还必须具有大的须消耗大量的能量，

加热、加压和搬运设备；另一方面，由于塑性流动性较之

６０４

重新认识“半固态金属加工技术”　罗守靖　等

液态充填流动性相差很大，为了成形复杂制件，必须留有加工的余量，并采用模具和飞边结构，这就加大了材

［］

料消耗，其材料利用系数不超过０．有时仅为０．７，３３。

大致可分为３个阶段。

（）基础研究阶段　从２大致１０世纪７０年代开始，延续了１与５年。集中研究了半固态合金的流变特性，枝晶组织向非枝晶转变机制；半固其自身的组织关系；

态合金与内变量（固相率、形状、尺寸、聚集态和表观粘度）在外界变量（温度、剪切速度）影响下的变化规律；半固态合金在不同状态下的本构关系。以此为基础，开发半固态成形技术了多种半固态浆料或坯料的制备技术；及其计算机模拟技术。

）应用基础研究阶段　２（２０世纪８０年代末至９０

年代中期是应用基础研究阶段，其主要特点重在制浆或成形工艺参数对制件力学性能制坯方法的开发和完善；

的影响规律及控制；应用领域的扩展及其典型制件的选取，及试验研究分析。

（）工业化应用阶段　进入２３０世纪９０年代后期，半固态加工技术进入工业化应用阶段。规模较大的有法国Ｐ镁合金棒料ＲＥＣＨＩＮＣＹ的各种规格半固态铝、生产；美国ＡＬＵＭＡＸ和意大利ＳＴＡＭＰＡＬ的半固态制件生产；瑞士ＢＵＨＬＥＲ的半固态压铸机和美国ＴＨＩＸＯＭＡＴ半固态注射成形机的生产。２．２．３　工艺特性与发展前景

（）工艺特性再认识　半固态加工获得的组织，既１不是铸造的枝晶组织，也不是锻造的变形组织，而是具有变形组织特性的非枝晶组织。因此，使材料力学性能得到明显提高和改善。突破了铸造工艺的局限性，孕育大的进步，这是其一。其二，对于着铸造工艺大的变革，

锻造工艺来讲，降低成形力，即进入塑性变形状态的流当不受力时，具有保持外动极限。半固态浆料或坯料，

“部形状的固态特性，但在受力后，剪切变稀”效应使其象液体一样，具有粘性流动充填特性。这就使锻造材料，对于任何复杂制件，均可以实现一次精密成形，这是超塑性锻造或等温锻造无法比拟的。

很明显，半固态工艺融合了铸造工艺和锻造工艺的优势，成形流动应力低，最终无枝晶似塑性变形组织。（）半固态加工工艺进展再认识　半固态加工经２

过约３个阶段发展，至今已４但仍处在发展的０多年了，初期。其表现在西方发达国家，对该工艺热情逐减，亚洲国家，尤其在中国，研究热情持续高涨，但离大规模工业应用，还有相当的距离。因此，对半固态加工技术发展思想和轨迹，进行回顾和思考，是必要的。

与固态①科学性　半固态是合金存在的一种形式，和液态一样，有其本身的属性。固态利用塑性变形充填，且具有不可恢复的特性；液态利用其良好的流动性而后凝固，从而实现制件成形；半固态，则利用“剪充填，

切变稀”特性充填，而后凝固－塑性变形复合，实现制件成形。显然液态、半固态和固态，乃是合金３种状态，均

铸造工艺存在枝晶或收缩缺陷，很难达到材料的最佳性能，但其充填性能不受尺寸大小、形状复杂程度的限制，并且成本低廉；而锻造工艺，由于变形使枝晶破碎，获得组织性能优异的变形组织，可充分发挥材料性能，但其成形性较差，其制件受尺寸、形状限制，必须具备实现成形的装备，其消耗大、利材率低、成本较高。这就是两种工艺发展的不同轨迹，前者尽量弱化枝晶产生的外部条件，而后者尽量降低变形抗力（如超塑性锻造，。等温锻造等）

２　半固态加工的发展趋势分析４～６

２．１　半固态加工出现的背景

［］

美国麻省理工学院的Ｄ．２０世纪７０年代初，Ｂ．

进行钢Ｃ．Ｆｌｅｍｉｎｓ教授指导下，Ｓｅｎｃｅｒ在其导师Ｍ．ｇｐ

铁铸造的“热裂”现象研究时，在自制的高温粘度计中测量Ｓ在搅拌中合金的枝ｎ１５Ｐｂ合金高温粘度时发现，－晶结构遭到破坏。即金属在凝固的过程中，进行强烈搅拌，即使在较高的固相率时，半固态金属仍只有相当低的剪切流动应力。这是由于存在独特的球形颗粒结构，使其具有“剪切变稀”的流变特征。半固态金属加工具有特殊力学属性，由此开始的半固态加工技术研究，与铸造加工和塑性加工一起，成为金属加工新领域。２．２　半固态加工工艺特性及进展的深度认识

２．２．１　工艺特性

（）加工温度低　液态压铸时，由于半固态金属中１存在固相颗粒，其熔化潜热已散失一部分，这大大缓解了液态压铸时，高温液态金属对模具、压室和冲头的热侵蚀，显著提高了模具寿命。

（）成形力低　固态锻造时，由于半固态金属具有２“剪切变稀”的触变特性，充填中具有固态特性的金属浆液或坯料，在剪切应力作用下，其流动粘度迅速下降，象流体一样，容易充填型腔。这与通常热模锻不一样，一般简单件，需要经过锻挤的剧烈金属流动，不仅要克服金属流动阻力，而且要克服型腔表面的摩擦力。对于较需要多个步骤才能完成。而对于特别复杂件，复杂件，

采用热模锻，可能相当困难。所有这些均需要消耗大量能量，需要大吨位的锻造设备。

（）制件品质　半固态加工制件，品质大大高于铸３件，与锻件相当。半固态金属具有较高的粘度，压铸时无湍流，不易卷入空气，减少了气孔和疏松等缺陷的可能。凝固收缩小，制件强度高。２．２．２　发展阶段

半固态工艺优势十分明显，研究和应用同步推进，

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特种铸造及有色合金　２０１２年第３２卷第７期

属于合金在不同温度下的流变学行为。因此，３种加工方法，处于同等的科学位置。

锻工艺是两种最古老、最成熟的工②技术性　铸、

尽管出现诸多特种工艺，亦是两种工艺的发展和完艺，

善。半固态加工的出现，不仅时间晚，而且视之为铸锻自然工艺的一种补充。这样半固态加工的研究和应用，地纳入了铸或锻发展的轨道。文献［指出，需要制７，８］件具有高完整性、高可靠性时，半固态技术才能显现出其竞争优势。

锻工③应用性　半固态加工涉及问题大大超过铸、

、艺。这里有制浆（制坯）浆液（坯料）保存、运输；成形设备及工艺参数，品质标准及过程控制等问题。特别是生效益难以显现。因此，半固态加工进入产规模上不去，

生产领域，面临诸多困难。

固存在３大缺陷：靠模具导热。①液态金属热量的输出，导热存在方向，其形核和长大亦存在方向性，故其形成枝晶不可避免；易产生缩孔和缩松缺陷；②凝固即收缩，③高熔点物质先凝固，低熔点物质后凝固，易产生成分和组铸造后的材料性能，很难达到材料本织偏析。基于这些，

身应具有的性能。虽然，衍生出了多种特种铸造工艺，也只能使晶粒细小，枝晶程度弱化，消除缩孔和缩松等。但枝晶组织很难消除，甚至无法消除。

３．２．２　锻造工艺技术

锻造工艺是以铸坯为加工对象，进行塑性加工，使其坯料中枝晶组织获得破碎，然后经再结晶、加工成变形组织的过程。通常称之为第一次塑性加工，其制件可能是棒材、板材和型材。然后，根据产品形状、尺寸需要，进行第二次塑性加工。经第一次塑性加工，材料性甚至可达到材料本身所具有的性能能获得大幅度提高，

只是成形，获得所需形状尺寸的水平。第二次塑性加工，

锻件。尽管塑性加工，使其材料性能利用率可达到很高水平，但其材料质量利用率却不高，而成形能耗亦高，其必须机制也在于塑性变形本身。使材料产生塑性变形，消耗大量的变形能和采用大吨位锻造设备，这是一。塑性变形实现固态充填，需要耗费大量材料，如锻造飞边，———提高材料性能利用这是二。即所谓“成者塑料变形”“———增加能耗和材料质量消耗。率；败者塑性变形”３．２．３　半固态加工技术

半固态加工与铸锻工艺相比具有明显优势。首先，与铸造工艺比，它获得的组织是“无枝晶”的细等轴晶组织。若成形时，有较大的塑性流动，即成形存在枝晶破其组织有望达到锻造变形组织的水碎和再结晶过程，

平；若成形时，塑性流动有限，后续半固态浆料中的液相凝固的枝晶组织，未获到很好的破坏，其组织可称为准锻造变形组织。显然，其材料性能利用率大大高于铸造达到或接近锻造工艺水平。与锻造工艺相比，其工艺，

材料质量利用率接近铸造工艺，远远高于锻造工艺。其剪切变稀”的流动效应，充填机制缘于半固态材料存在“性高于锻造工艺所致。

因此，评价一种制造工艺的优势，不仅要看到材料本身的利用率，而且更要看到材料性能的极大发挥，才能实现材料的极大节约。比较３种工艺，显然，半固态加工有着明显的综合优势，表现在成形时，有铸造工艺相近的流动性，而成形后，可热处理，接近或达到锻件的性能水平。

节能减排”与加工方法选择３．２．４　“

节材首先体现在材料自身的节约，使其成形件在形尽量接近零件，减少后续机械加工，或不再状和尺寸上，

这是有形的节能；其次，制件自身的性能，达到制加工，

件材料本身的最佳水平，从而可使零件截面积减小，或，者可用较低廉材料（自身性能不高）取代昂贵的优质材

节能减排”促进半固态加工技术发展３　“

３．１　节材的两个指标

“节能减排”中的节能，既有对能源消耗的降低，也有对原材料（已消耗大量能源）的节约。节材应包括两并可用两个指标予以界定。个方面，

３．１．１　材料质量利用率

材料质量利用率可用下式表示：

／毛坯质量×材料质量利用率＝零件质量１００％（）１

对于重力铸造，毛坯还应包括冒口质量；对于锻造，还应包括中间开坯、下料，及冲孔连皮、飞边等损失的质量；对于挤压铸造和半固态加工，存在两种情况，一种损耗小的直接挤压铸造和半固态挤压铸造，另一种须考虑半固态压余损失的间接挤压铸造和半固态压铸。显然，成形的材料质量利用率，与挤压铸造相当。

３．１．２　材料性能利用率材料性能利用率，即材料实际可持有的性能，但通过后续加工产生一些使性能降低的缺陷、或不能通过热处理获得原材料可持有的性能，可用下式表示：材料性能利用率＝材料加工后所能达到的性能／

（）材料本身可持有的性能×１００％２“。由于材料加工、物尽其能”　　这里用得着一句话：

处理等有关工艺因素，许多材料的优异性能得不到充分发挥；或者有些材料研制阶段能得到很高性能，但却因工艺因素，未能获得工业应用，这就会出现“物未尽其能”的窘境。

３．２　对几种工艺方法节材的评价

３．２．１　压力铸造工艺技术

压力铸造工艺主要指压力补缩的特种工艺，如压力低压铸造、挤压铸造等。其材料质量利用率均在铸造、

４０％～７０％范围内。但其材料性能利用率不高。由于靠液态充填，完成尺寸、形状的成形，后靠凝固定形。凝

６０６

重新认识“半固态金属加工技术”　罗守靖　等

料，实现材料的节约，即以消耗较少的资源，达到同一个制造目标。通常是改变设计，使其结构轻型、合理，再就提高其质量利是研制开发新的材料加工的工艺和设备，用率和性能利用率。

“节能减排”趋势，使人们重新思考现有的和正在研制开发的材料加工方法。寄希望对现存工艺进行某些变革，如铸造工艺的高速高压成形、精密铸造等，锻造工艺的小飞边或无飞边模锻、局部锻造等。有成效，但也要以增加加工工序或辅助材料的消耗为代价。人们更寄希望于寻求一种新型加工方法，兼有铸造的低成本、锻造的高性能的优异特征，并为“节能减排”所接受。无疑的，半固态加工应是首选，其理由是：①半固态加工，与铸造和锻造加工，乃是一种金属不同状态下的加工，即液态、半固态和固态，同属金属加工链上的３个链，应是一种基本的金属加工，与铸锻一起同在；②半固态加，工具有较高的质量利用率（与锻造相比）较高的性能利，“用率（与铸造相比）具有明显的节材优势。因此，节能趋势，为半固态加工的研究和应用，构筑了一个坚减排”实的平台。

“，，长”使其性能达到锻件水平，所谓避“短”就在于开发

一种成本低廉的制浆工艺。

（）大力开展半固态压铸工艺研究　液态压铸工艺４

乃是当今生产规模最大的一种轻合金成形工艺，其最大

且因卷入气体，不能进行弱点也在于最后组织为枝晶，

热处理，因而其材料性能利用率低。而半固态压铸工

则有效克服了这一弊端，获得无枝晶组织制件。艺，

５　结　语

（）半固态工艺与铸造工艺水平相比，最大优势１是，它可以获得无枝晶的变形组织制件，使其材料性能利用率大大高于同类铸造件，并接近于锻件。（）半固态工艺与锻造工艺相比，最大优势在于它２

可以成形形状复杂、尺寸较大的制件，这大大降低了成形设备的吨位和能耗。

）大力推进半固态加工在高端材料成形领域的（３

应用，部分替代采用大型设备才能加工的制件，完成半态加工制件性能向锻造性能水平的转变。

参　考　文　献

［］陈炳光，齐丕骧．液态模锻和挤压铸造技术［北京：化学１Ｍ］．　罗守靖，

工业出版社，２００７．

［］何绍元，王尔德，等．钢质液态模锻［哈尔滨：哈尔滨工２Ｍ］．　罗守靖，

业大学出版社，１９９０．［］波依德罗夫．锻压节材工艺［霍文灿，高３Ｍ］．　阿·波·阿特拉申克，

廼光，侯松玉，等译．北京：机械工业出版社，１９９１．

［］４ＰＥＮＣＥＲＤＢ，ＭＥＨＲＡＢＩＡＮＲ，ＦＬＥＭＩＮＧＳＭ　Ｃ．Ｒｈｅｏｌｏｉｃａｌ　Ｓ　　　　ｇ

］ｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＳｎ１５Ｐｂｉｎｔｈｅｃｒｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｒａｎｅ［Ｊ．Ｍｅｔａｌｌｕｒｉｃａｌ　　－　　　　ｙｇｇ

，（）：Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ１９７２，３６１９２５１９３２．　－　

［］］金属半固态加工技术的发展与应用［特种铸造及有色合５Ｊ．　谢水生．

（）：金，２００７，２７Ｓ１２０２８．－［］］程远胜．半固态金属加工技术辉煌期离我们还有多远［６Ｊ．　罗守靖，

（）：特种铸造及有色合金，２０１１，３１Ｓ１３１２３１４．－

［］］液态压铸、挤压铸造及半固态加工的适应性分析［特种７Ｊ．　罗守靖．

（）：造及有色合金，２００７，２７Ｓ１１３１５．－［］８ＣＬＥＴＯＤＦ．Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｏｆｓｅｍｉｓｏｌｉｄｍｅｔａｌｒｏ　ＡＮＡ　　　　　－　　－ｐｇｙ　

［：ｃｅｓｓｉｎＭ］．ＷｏｒｃｅｓｔｅｒＷｏｒｃｅｓｔｅｒＰｏｌｔｅｃｈｎｉｃＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，２００４．　　ｇｙ

４　半固态加工发展的瓶颈

半固态加工出现至今近半个世纪了，人们在评价其研究它。半固态加工发源地的美国，研优劣中认识它、

究人员愈来愈少，应用规模愈来愈小，而欧洲的意大利、法国还保持上升的态势，亚洲起步虽晚，但研究越来越受到重视，其中日本领先，中国、韩国、泰国、伊朗和印度呈现出可喜的发展局面。问题在于，半固态加工随后，

至今并未受到企业瞩目，关键在哪里？原因在于：（）对制浆（坯）技术的认识　文献［提供分析表１８］

工艺最稳定的制浆方法，但因能明电磁搅拌是最成熟、

投资大，应用前景存在疑虑，普遍不看好。还有哪耗高，

种技术，可与它相媲美？特别是对各种制浆（坯）方法缺包括工艺性、稳定性及经济性。没有工艺乏全面评估，

规范、品质保障和验收标准等，使企业无法判断和评价。这就阻碍了该技术的推广和应用。

）专用设备的研制和开发　基于半固态加工技（２

专用设备厂家有兴趣于此，并作了大术潜在应用前景，

胆尝试，其中广东伊之密精密机械股份有限公司、苏州三基铸造装备股份有限公司均有半固态压铸机推出。关键在于设备开发必须与市场相对接。这是一个很重要的课题，必须组织力量，有政府支持去实现，否则，单打独斗，不能持久，更形成不了规模。

（）研究工艺适应性　要抓住半固态加工应用的重３

“。点，即“长”在何处，短”在何处，做到“扬长避短”

笔者认为，其“长”在于能成形无枝晶和准锻造再结晶组织的制件，使其性能大幅提高；本身的优异性能获“得极大的发挥；短”在于增加制浆（坯）环节。所谓扬

（编辑：袁振国）

檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏

檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏

檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏

汽车零部件铸造市场规模

２０１５年将达１２０００亿元　

“长期以来，汽车工业稳居压铸工业的最大市

场，近年来我国汽车工业的发展也不断拉动压铸工

”业进入一个全新发展期。国际模协秘书长罗百辉

表示，随着我国汽车市场潜力的释放，世界汽车工

业的重心正向中国转移，我国汽车零部件铸造市场

前景广阔。预计我国汽车总产量到２０１５年达到

以均价１全车配１５００万辆左右，２万元售价计算，　

套件一般在８万元左右，则新产汽车配套零部件铸造市场规模在２０１５年达到１２０００亿元左右。　

（百方网报道）

檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪殏

６０７

专题论述

特种铸造及有色合金　２０１２年第３２卷第７期

重新认识“半固态金属加工技术”

罗守靖１　姜永正２　李远发２　单巍巍２

（１．哈尔滨工业大学材料科学与工程学院；２．嘉瑞国际控股有限公司）

摘　要　半固态加工技术，历经４对其认识愈来愈深入。开始，人们认为它仅仅是一种新颖的铸造加０多年的研究和发展，继而认为是塑性加工的延伸，且是锻造和铸造之间的一个加工链、金属加工的一种补充。后来在对铸、锻两种加工工方法，

方法的发展轨迹研究基础上，惊奇地发现，半固态加工技术不仅是作为工艺方法的补充出现在金属加工领域中，而且是铸——球晶的存在，造、锻造工艺发展的一种必然。由于它加工的组织—使其有“剪切变稀”的易充填特性，特别是最终加工组而非枝晶，具有极好的力学性能，这是造铸和锻造所不具备的。最后，采用“材料质量利用率”和织呈细等轴晶类变形组织，

“材料性能利用率”这两个指标，比较了３种工艺方法，得出了深入开展半固态加工技术的研究和应用，是推进“节能减排”的最佳途径之一。随着时间的推移，其优势愈来愈彰显，并将为企业界所接受。关键词　半固态加工；材料质量利用率；材料性能利用率；节能减排

＋

（）中图分类号　ＴＧ２４９．２６１　　　　文献标志码　Ａ　文章编号　１００１－２２４９２０１２０７－０６０３－０５

ＲｅＣｏｎｉｔｉｏｎｏｆＳｅｍｉＳｏｌｉｄＭｅｔａｌＦｏｒｍｉｎＴｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓ　　－　　ｇｇｇ　

１２２２，ＬｕｏＳｈｏｕｉｎＪｉａｎＹｏｎｚｈｅｎＬｉＹｕａｎｆａＳｈａｎＷｅｉｗｅｉ　　　　ｊｇ，ｇｇｇ，　

（，Ｈ；１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏ　　　　　　　　ｇｇｇｙ

，）２．ＫａｓｈｕｉＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＨｏｌｄｉｎＣｏ．Ｌｔｄ　　ｇ　

：ＡｂｓｔｒａｃｔＳｅｍｉｓｏｌｉｄｆｏｒｍｉｎｒｏｃｅｓｓｉｎｈａｓｄｅｖｅｌｏｅｄ４０ｙｅａｒｓｔｉｌｌｎｏｗ，ｗｈｉｃｈｉｓｌｏｏｋｅｄａｓａｎｅｘｃｅｌｌｅｎｔ－　　　　　　　　　　ｇｐｇｐ　　ａｎｄｎｅｃｅｓｓａｒｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｒｏｃｅｓｓｉｎｂｅｔｗｅｅｎｓｏｌｉｄａｎｄｌｉｕｉｄｆｏｒｍｉｎｒｏｃｅｓｓｉｎ．Ｉｔｓｌｏｂａｌｒａｉｎｓ　　　　　　　　ｙｇｐｇｑｇｐｇｇｇ　　　　ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｗｏｃａｕｓｅｄｔｏｓｈｅａｒｔｈｉｎｎｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃａｎｌｅａｄｔｏｂｏｔｈｂｅｔｔｅｒｆｌｕｉｄｉｔａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　　－　　　　　　　　ｐｇｙ　　

””ｉｎｄｅｘｅｓｏｆ“ｍａｔｅｒｉａｌｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅａｎｄ“ｍａｔｅｒｉａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｓｅｍｉｓｏｌｕａｌｉｔｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　　　　　　　－－ｙｑｙｐ　ｒｏｃｅｓｓｉｎｉｄｆｏｒｍｉｎｉｓｔｈｅｄｅｓｉｒａｂｌｅｗａｔｏｒｅａｌｉｚｅｅｎｅｒｓａｖｉｎａｎｄｅｍｉｓｓｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．　　　　　　　　ｐｇｇｙｇｙｇ　　　　　

：，Ｍ，ＭｕａｌｉｔＫｅＷｏｒｄｓＳｅｍｉＳｏｌｉｄＦｏｒｍｉｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎａｔｅｒｉａｌＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎＲａｔｉｏａｔｅｒｉａｌＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＥｆｆｉ－　　　　　－Ｑｙｙｇｇ　　　，ｃｉｅｎｃＥｎｅｒＳａｖｉｎａｎｄＥｍｉｓｓｉｏｎＲｅｄｕｃｔｉｏｎ　　ｙｇｙｇ　　

１．１　铸造加工

铸造加工利用液态金属呈现出的良好的流动性，以实现成形过程中的充填、补缩，直至凝固结束。为了提不断向快速、精密、高压方向发高铸件的性能和精度，

展，先后出现了高压铸造、差压铸造、低压铸造、挤压铸

１　铸锻工艺发展的轨迹分析

铸造、锻造工艺是古老的金属加工工艺。它有着漫其发展轨迹有着显著地特点，即每前进长的发展过程，

一步，用其生产的制件，更加精密，更加高性能。

；收稿日期：修改稿收到日期：２０１２０３０１２０１２０５０６－－－－

），，：第一作者简介：罗守靖，男，教授，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨（电话：１９３９年出生，１５０００１０４５１－８６４１８７２３Ｅ－ｍａｉｌｌｕｏｓｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ＠ｈｊ

错，是复合材料获得高阻尼性能的主要机制。

参　考　文　献

［］［：Ａ１ＥＬＬＹＢＴ．ＰｈｓｉｃｓｏｆＭ］．Ｌｏｎｄｏｎ．Ｓｃｉ．Ｐｕｂｒａｈｉｔｅ　Ｋ　　　　－ｙｇｐｐｐ

，ｌｉｓｈ１９８１．

［］２ＯＨＡＴＧＩＰＫ，ＭＵＲＡＬＩＮ，ＳＨＥＴＴＹ　Ｈ　Ｒ．Ｉｍｒｏｖｅｄｍａｃｈｉｎ　Ｒ　　　　－ｐ

］ａｂｉｌｉｔｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｃｏｍｏｓｉｔｅｓ［Ｊ．Ｍａｔｅｒ．ｒａｈｉｔｅａｒｔｉｃｌｅ　　　　ｙｙｐｇｐｐ　　，Ｓｃｉ．Ｅｎ．１９７６，２６：１１５１２２．－ｇ

［］，，３ＨＡＮＧＪＰＥＲＥＺＲＪＧＵＰＴ．Ｄａｍｉｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｚ　　　　　　ｐｇｐ　

］ｆｏｒｃｅｄ２５１９Ａｌｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｏｓｉｔｅｓ［Ｊ．ＳｃｒｉｔａＭｅｔａｌｌｒｅｉｎ　　　　　　ｐｐ，）：Ｍａｔｅｒ．１９９３，２８（１９１－９６．

［］４ＩＪＮ，ＣＨＥＮＧ　Ｈ　Ｆ，ＺＨＡＮＧＹＦ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍａｃｒｏｓｃｏｉｃ　ＷＥ　　　　　　ｐ

ｒａｈｉｔｅａｒｔｉｃｕｌａｔｅｓｕｒｅｏｎｔｈｅｄａｍｉｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｌ　　　　　　ｇｐｐｐｐｇｙ　　

］，２ａｌｕｍｉｎｕｍ［Ｊ．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎ００２，Ａ３２５：　　　ｇｇ４４４４５３．－

［］，Ｐ，Ｌ５ＨＡＮＧＪＥＲＥＺＲＪＡＶＥＲＮＩＡＥＪ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＳｉＣａｎｄ　Ｚ　　　　　　　　

ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｓｏｎｔｈｅｄａｍｉｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍ－ｒａｈｉｔｅ　　　　　　　　ｐｐｇｇｐ　［］，（）：ｏｓｉｔｅｓＪ．ＡｃｔａＭｅｔａｌ．Ｍａｔｅｒ．１９９４，４２２３９５４０９．　－ｐ

［］，６ＴＡＩＢＯＵＲＥＬＬＤＬ．Ａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｅｒｉｍｅｎｔｓｔｕｄｏｆ　ＤＵＴ　　　　　　　ｐｙ　

］ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏ６０６１ＳｉＣｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｏｓｉｔｅ［Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．　－　　　ｙｐ　，１９８９，Ａ１１２：６７７３．Ｅｎ．－ｇ

［］７ＬＬＡＲＤＬＦ，ＲＡＷＡＬＳＰ，ＭＩＳＲＡ　Ｍ　Ｓ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒ　Ａ　　　　　　－

］，（）：ｆａｃｅｓｉｎｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｏｓｉｔｅｓ［Ｊ．Ｊ．Ｍｅｔ．１９８６１０４０４２．　　　　－ｐ［］８ＲＡＮＡＴＯ　Ａ，ＬＵＣＫＥＫ．Ｔｈｅｏｒｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄａｍｉｎｄｕｅｔｏ　Ｇ　　　　ｙｐｇ　　

］，（）：ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ．Ｊ．Ａｌ．Ｐｈｓ．１９５６，２７６５８３５９３．－ｐｐｙ

（编辑：刘　卫）

６０３

特种铸造及有色合金　２０１２年第３２卷第７期

造，以至双柱塞精密压铸。其发展趋势是采用机械压力替代重力充填，从而改善铸件内部品质和尺寸精度。１．２　塑性加工

塑性加工利用了固态金属在高温下，呈现较好的塑性流动性，以完成成形过程中的充填。采用塑性加工生其质量远高于铸造方法生产的制件。但固态产的制件，

金属变形抗力高，需要消耗较多的能量。对于较复杂的往往需要多道工序才能完成。因此，为了降低能零件，

耗和成本，降低变形抗力，提高制件的成形精度，保证制件的品质，就成为塑性加工的发展方向。因而先后出现了精密模锻、等温锻造、超塑性加工等。１．３　发展轨迹的分析

无论铸造加工，还是锻造加工，追求的目标是：既精

合金类型亚共晶ＡｌＳｉｕ合金－－Ｃ

合金牌号ＺＬ１０１４０３２ＺＬ１０８

工艺方法挤压铸造

金属型铸造挤压铸造锻造挤压铸造金属型铸造挤压铸造锻造金属型铸造挤压铸造金属型铸造

状态）人工时效（Ｔ１）人工时效（Ｔ２

Ｔ６

Ｔ６Ｔ６Ｔ６Ｔ６Ｔ６Ｔ６

密节材，减少后续加工的消耗，又要高效，使其材料本身能够达到的性能得到最大的发挥。１．３．１　铸造工艺

由于其成形实质，就是凝固，并由模型传热来完成。其结果是凝固收缩和枝晶组织生成不可避免。笔者在研究挤压挤造（液态模锻）理论的３发现只要０余年中，外压力足够和保压时间合适，其凝固收缩产生的缺陷（，主要是缩松）是可以消除的，唯独枝晶组织（主要指晶柱的形状）只能弱化，却很难消除。因而其力学性能中，强度指标较高，接近锻件，塑性指标偏低，与铸造相当，见表１、表２。

由表１和表２规律可见，挤压铸造在压力下凝固，其晶粒细小、均匀，缺陷获得消除，其强度自然高，与锻

／ＭＰａσｂ

２２０

１８０３４５３５２２３０～２９０１９０～２５０３００～３６０３１０～３３０

４１≥２２３０１８０

／％δ１

０．５２．０～２．５５．０～６．０４０．７～２．１．０～１．４０．５～２．４１．３～３．８

－０．８０．８

备注

４０ｍｍ×９０ｍｍ铸件

活塞取样１０５ｍｍ活塞取样

１０５ｍｍ活塞取样

／ＧＢＴ１１７３１９９５标准－

活塞取样

［１］

表１　不同工艺ＡｌＳｉｕ－－Ｃ－Ｍｇ系活塞合金的力学性能

共晶ＡｌＳｉ合金－

（）ＺＬ１０９４Ａ１１

过共晶ＡｌＳｉ合金－Ｚ２６Л

１］表２　挤压铸造工艺与轧制、铸造工艺力学性能比较［

材料

２５

低碳钢

工艺挤压铸造

轧制铸造挤压铸造轧制挤压铸造铸造挤压铸造轧制铸造挤压铸造轧制铸造挤压铸造轧制铸造

／ＭＰａσｓ２９３～３６２２８９２４０２６８～３５４２８０３１１～３６７

５０３００～３２９２～３３８３２０２８０３１５３４０３２０３２０３２０３００～３７０

／ＭＰａσｂ４８０～５４２

４６０４５０５０９～５１９４６０５５５～６３０

５０５００～５５３７～６３３５４０５００６０５５８０５８０６５０５５０５７０～６１０

／％δ５５．２～１６．３

２３２０１０～１１２４７～３０

０３０～５８．０～１９．５２０１６

２９１９１２２１．３２０２７～３０

／％５．９～２０．８

５０３０１０～１４５０８～４４

５４５～５５．３～３０．６４５２５

４３４５２０２７４５４０～５５

／（·ｃＪｍ－２）αｋ２１．０～４１．２

９０４５２３～２７－３５～６０

７０１５５～１２７．５～４５．０７０３５

３６６０３０３２８０７０～９０

２０Ｍｎ２５Ｍｎ

３５

高碳钢４５

３０Ｍｎ

件相当；但枝晶组织存在，枝晶偏析存在，且通过热处理

很难改变，这就降低了材料本身的塑性。因此，无论是还是加压铸造，最严重的缺陷不是因收缩产普通铸造，生的，而是传热过程形成的结晶方向所生成的枝晶组织，并且形成后，很难消除，直接影响其力学性能的改１，２］

。变［

１．３．２　锻造工艺

锻造工艺与铸造工艺相比，成形后组织呈再结晶组

织，细等轴晶，晶间无缺陷。因为在成形过程中，即使材料呈发达枝晶组织，变形后，使其枝晶组织破碎，重新结晶成新的结晶组织，其晶间缺陷在塑性变形中，获得愈，合，因此使其不仅具有高的强度（而且塑性指标σσｂ，ｓ）（、冲击性能（也高。但是，一方面，塑性变形必δ，αｋ）ψ）而且实现塑性变形还必须具有大的须消耗大量的能量，

加热、加压和搬运设备；另一方面，由于塑性流动性较之

６０４

重新认识“半固态金属加工技术”　罗守靖　等

液态充填流动性相差很大，为了成形复杂制件，必须留有加工的余量，并采用模具和飞边结构，这就加大了材

［］

料消耗，其材料利用系数不超过０．有时仅为０．７，３３。

大致可分为３个阶段。

（）基础研究阶段　从２大致１０世纪７０年代开始，延续了１与５年。集中研究了半固态合金的流变特性，枝晶组织向非枝晶转变机制；半固其自身的组织关系；

态合金与内变量（固相率、形状、尺寸、聚集态和表观粘度）在外界变量（温度、剪切速度）影响下的变化规律；半固态合金在不同状态下的本构关系。以此为基础，开发半固态成形技术了多种半固态浆料或坯料的制备技术；及其计算机模拟技术。

）应用基础研究阶段　２（２０世纪８０年代末至９０

年代中期是应用基础研究阶段，其主要特点重在制浆或成形工艺参数对制件力学性能制坯方法的开发和完善；

的影响规律及控制；应用领域的扩展及其典型制件的选取，及试验研究分析。

（）工业化应用阶段　进入２３０世纪９０年代后期，半固态加工技术进入工业化应用阶段。规模较大的有法国Ｐ镁合金棒料ＲＥＣＨＩＮＣＹ的各种规格半固态铝、生产；美国ＡＬＵＭＡＸ和意大利ＳＴＡＭＰＡＬ的半固态制件生产；瑞士ＢＵＨＬＥＲ的半固态压铸机和美国ＴＨＩＸＯＭＡＴ半固态注射成形机的生产。２．２．３　工艺特性与发展前景

（）工艺特性再认识　半固态加工获得的组织，既１不是铸造的枝晶组织，也不是锻造的变形组织，而是具有变形组织特性的非枝晶组织。因此，使材料力学性能得到明显提高和改善。突破了铸造工艺的局限性，孕育大的进步，这是其一。其二，对于着铸造工艺大的变革，

锻造工艺来讲，降低成形力，即进入塑性变形状态的流当不受力时，具有保持外动极限。半固态浆料或坯料，

“部形状的固态特性，但在受力后，剪切变稀”效应使其象液体一样，具有粘性流动充填特性。这就使锻造材料，对于任何复杂制件，均可以实现一次精密成形，这是超塑性锻造或等温锻造无法比拟的。

很明显，半固态工艺融合了铸造工艺和锻造工艺的优势，成形流动应力低，最终无枝晶似塑性变形组织。（）半固态加工工艺进展再认识　半固态加工经２

过约３个阶段发展，至今已４但仍处在发展的０多年了，初期。其表现在西方发达国家，对该工艺热情逐减，亚洲国家，尤其在中国，研究热情持续高涨，但离大规模工业应用，还有相当的距离。因此，对半固态加工技术发展思想和轨迹，进行回顾和思考，是必要的。

与固态①科学性　半固态是合金存在的一种形式，和液态一样，有其本身的属性。固态利用塑性变形充填，且具有不可恢复的特性；液态利用其良好的流动性而后凝固，从而实现制件成形；半固态，则利用“剪充填，

切变稀”特性充填，而后凝固－塑性变形复合，实现制件成形。显然液态、半固态和固态，乃是合金３种状态，均

铸造工艺存在枝晶或收缩缺陷，很难达到材料的最佳性能，但其充填性能不受尺寸大小、形状复杂程度的限制，并且成本低廉；而锻造工艺，由于变形使枝晶破碎，获得组织性能优异的变形组织，可充分发挥材料性能，但其成形性较差，其制件受尺寸、形状限制，必须具备实现成形的装备，其消耗大、利材率低、成本较高。这就是两种工艺发展的不同轨迹，前者尽量弱化枝晶产生的外部条件，而后者尽量降低变形抗力（如超塑性锻造，。等温锻造等）

２　半固态加工的发展趋势分析４～６

２．１　半固态加工出现的背景

［］

美国麻省理工学院的Ｄ．２０世纪７０年代初，Ｂ．

进行钢Ｃ．Ｆｌｅｍｉｎｓ教授指导下，Ｓｅｎｃｅｒ在其导师Ｍ．ｇｐ

铁铸造的“热裂”现象研究时，在自制的高温粘度计中测量Ｓ在搅拌中合金的枝ｎ１５Ｐｂ合金高温粘度时发现，－晶结构遭到破坏。即金属在凝固的过程中，进行强烈搅拌，即使在较高的固相率时，半固态金属仍只有相当低的剪切流动应力。这是由于存在独特的球形颗粒结构，使其具有“剪切变稀”的流变特征。半固态金属加工具有特殊力学属性，由此开始的半固态加工技术研究，与铸造加工和塑性加工一起，成为金属加工新领域。２．２　半固态加工工艺特性及进展的深度认识

２．２．１　工艺特性

（）加工温度低　液态压铸时，由于半固态金属中１存在固相颗粒，其熔化潜热已散失一部分，这大大缓解了液态压铸时，高温液态金属对模具、压室和冲头的热侵蚀，显著提高了模具寿命。

（）成形力低　固态锻造时，由于半固态金属具有２“剪切变稀”的触变特性，充填中具有固态特性的金属浆液或坯料，在剪切应力作用下，其流动粘度迅速下降，象流体一样，容易充填型腔。这与通常热模锻不一样，一般简单件，需要经过锻挤的剧烈金属流动，不仅要克服金属流动阻力，而且要克服型腔表面的摩擦力。对于较需要多个步骤才能完成。而对于特别复杂件，复杂件，

采用热模锻，可能相当困难。所有这些均需要消耗大量能量，需要大吨位的锻造设备。

（）制件品质　半固态加工制件，品质大大高于铸３件，与锻件相当。半固态金属具有较高的粘度，压铸时无湍流，不易卷入空气，减少了气孔和疏松等缺陷的可能。凝固收缩小，制件强度高。２．２．２　发展阶段

半固态工艺优势十分明显，研究和应用同步推进，

６０５

特种铸造及有色合金　２０１２年第３２卷第７期

属于合金在不同温度下的流变学行为。因此，３种加工方法，处于同等的科学位置。

锻工艺是两种最古老、最成熟的工②技术性　铸、

尽管出现诸多特种工艺，亦是两种工艺的发展和完艺，

善。半固态加工的出现，不仅时间晚，而且视之为铸锻自然工艺的一种补充。这样半固态加工的研究和应用，地纳入了铸或锻发展的轨道。文献［指出，需要制７，８］件具有高完整性、高可靠性时，半固态技术才能显现出其竞争优势。

锻工③应用性　半固态加工涉及问题大大超过铸、

、艺。这里有制浆（制坯）浆液（坯料）保存、运输；成形设备及工艺参数，品质标准及过程控制等问题。特别是生效益难以显现。因此，半固态加工进入产规模上不去，

生产领域，面临诸多困难。

固存在３大缺陷：靠模具导热。①液态金属热量的输出，导热存在方向，其形核和长大亦存在方向性，故其形成枝晶不可避免；易产生缩孔和缩松缺陷；②凝固即收缩，③高熔点物质先凝固，低熔点物质后凝固，易产生成分和组铸造后的材料性能，很难达到材料本织偏析。基于这些，

身应具有的性能。虽然，衍生出了多种特种铸造工艺，也只能使晶粒细小，枝晶程度弱化，消除缩孔和缩松等。但枝晶组织很难消除，甚至无法消除。

３．２．２　锻造工艺技术

锻造工艺是以铸坯为加工对象，进行塑性加工，使其坯料中枝晶组织获得破碎，然后经再结晶、加工成变形组织的过程。通常称之为第一次塑性加工，其制件可能是棒材、板材和型材。然后，根据产品形状、尺寸需要，进行第二次塑性加工。经第一次塑性加工，材料性甚至可达到材料本身所具有的性能能获得大幅度提高，

只是成形，获得所需形状尺寸的水平。第二次塑性加工，

锻件。尽管塑性加工，使其材料性能利用率可达到很高水平，但其材料质量利用率却不高，而成形能耗亦高，其必须机制也在于塑性变形本身。使材料产生塑性变形，消耗大量的变形能和采用大吨位锻造设备，这是一。塑性变形实现固态充填，需要耗费大量材料，如锻造飞边，———提高材料性能利用这是二。即所谓“成者塑料变形”“———增加能耗和材料质量消耗。率；败者塑性变形”３．２．３　半固态加工技术

半固态加工与铸锻工艺相比具有明显优势。首先，与铸造工艺比，它获得的组织是“无枝晶”的细等轴晶组织。若成形时，有较大的塑性流动，即成形存在枝晶破其组织有望达到锻造变形组织的水碎和再结晶过程，

平；若成形时，塑性流动有限，后续半固态浆料中的液相凝固的枝晶组织，未获到很好的破坏，其组织可称为准锻造变形组织。显然，其材料性能利用率大大高于铸造达到或接近锻造工艺水平。与锻造工艺相比，其工艺，

材料质量利用率接近铸造工艺，远远高于锻造工艺。其剪切变稀”的流动效应，充填机制缘于半固态材料存在“性高于锻造工艺所致。

因此，评价一种制造工艺的优势，不仅要看到材料本身的利用率，而且更要看到材料性能的极大发挥，才能实现材料的极大节约。比较３种工艺，显然，半固态加工有着明显的综合优势，表现在成形时，有铸造工艺相近的流动性，而成形后，可热处理，接近或达到锻件的性能水平。

节能减排”与加工方法选择３．２．４　“

节材首先体现在材料自身的节约，使其成形件在形尽量接近零件，减少后续机械加工，或不再状和尺寸上，

这是有形的节能；其次，制件自身的性能，达到制加工，

件材料本身的最佳水平，从而可使零件截面积减小，或，者可用较低廉材料（自身性能不高）取代昂贵的优质材

节能减排”促进半固态加工技术发展３　“

３．１　节材的两个指标

“节能减排”中的节能，既有对能源消耗的降低，也有对原材料（已消耗大量能源）的节约。节材应包括两并可用两个指标予以界定。个方面，

３．１．１　材料质量利用率

材料质量利用率可用下式表示：

／毛坯质量×材料质量利用率＝零件质量１００％（）１

对于重力铸造，毛坯还应包括冒口质量；对于锻造，还应包括中间开坯、下料，及冲孔连皮、飞边等损失的质量；对于挤压铸造和半固态加工，存在两种情况，一种损耗小的直接挤压铸造和半固态挤压铸造，另一种须考虑半固态压余损失的间接挤压铸造和半固态压铸。显然，成形的材料质量利用率，与挤压铸造相当。

３．１．２　材料性能利用率材料性能利用率，即材料实际可持有的性能，但通过后续加工产生一些使性能降低的缺陷、或不能通过热处理获得原材料可持有的性能，可用下式表示：材料性能利用率＝材料加工后所能达到的性能／

（）材料本身可持有的性能×１００％２“。由于材料加工、物尽其能”　　这里用得着一句话：

处理等有关工艺因素，许多材料的优异性能得不到充分发挥；或者有些材料研制阶段能得到很高性能，但却因工艺因素，未能获得工业应用，这就会出现“物未尽其能”的窘境。

３．２　对几种工艺方法节材的评价

３．２．１　压力铸造工艺技术

压力铸造工艺主要指压力补缩的特种工艺，如压力低压铸造、挤压铸造等。其材料质量利用率均在铸造、

４０％～７０％范围内。但其材料性能利用率不高。由于靠液态充填，完成尺寸、形状的成形，后靠凝固定形。凝

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重新认识“半固态金属加工技术”　罗守靖　等

料，实现材料的节约，即以消耗较少的资源，达到同一个制造目标。通常是改变设计，使其结构轻型、合理，再就提高其质量利是研制开发新的材料加工的工艺和设备，用率和性能利用率。

“节能减排”趋势，使人们重新思考现有的和正在研制开发的材料加工方法。寄希望对现存工艺进行某些变革，如铸造工艺的高速高压成形、精密铸造等，锻造工艺的小飞边或无飞边模锻、局部锻造等。有成效，但也要以增加加工工序或辅助材料的消耗为代价。人们更寄希望于寻求一种新型加工方法，兼有铸造的低成本、锻造的高性能的优异特征，并为“节能减排”所接受。无疑的，半固态加工应是首选，其理由是：①半固态加工，与铸造和锻造加工，乃是一种金属不同状态下的加工，即液态、半固态和固态，同属金属加工链上的３个链，应是一种基本的金属加工，与铸锻一起同在；②半固态加，工具有较高的质量利用率（与锻造相比）较高的性能利，“用率（与铸造相比）具有明显的节材优势。因此，节能趋势，为半固态加工的研究和应用，构筑了一个坚减排”实的平台。

“，，长”使其性能达到锻件水平，所谓避“短”就在于开发

一种成本低廉的制浆工艺。

（）大力开展半固态压铸工艺研究　液态压铸工艺４

乃是当今生产规模最大的一种轻合金成形工艺，其最大

且因卷入气体，不能进行弱点也在于最后组织为枝晶，

热处理，因而其材料性能利用率低。而半固态压铸工

则有效克服了这一弊端，获得无枝晶组织制件。艺，

５　结　语

（）半固态工艺与铸造工艺水平相比，最大优势１是，它可以获得无枝晶的变形组织制件，使其材料性能利用率大大高于同类铸造件，并接近于锻件。（）半固态工艺与锻造工艺相比，最大优势在于它２

可以成形形状复杂、尺寸较大的制件，这大大降低了成形设备的吨位和能耗。

）大力推进半固态加工在高端材料成形领域的（３

应用，部分替代采用大型设备才能加工的制件，完成半态加工制件性能向锻造性能水平的转变。

参　考　文　献

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４　半固态加工发展的瓶颈

半固态加工出现至今近半个世纪了，人们在评价其研究它。半固态加工发源地的美国，研优劣中认识它、

究人员愈来愈少，应用规模愈来愈小，而欧洲的意大利、法国还保持上升的态势，亚洲起步虽晚，但研究越来越受到重视，其中日本领先，中国、韩国、泰国、伊朗和印度呈现出可喜的发展局面。问题在于，半固态加工随后，

至今并未受到企业瞩目，关键在哪里？原因在于：（）对制浆（坯）技术的认识　文献［提供分析表１８］

工艺最稳定的制浆方法，但因能明电磁搅拌是最成熟、

投资大，应用前景存在疑虑，普遍不看好。还有哪耗高，

种技术，可与它相媲美？特别是对各种制浆（坯）方法缺包括工艺性、稳定性及经济性。没有工艺乏全面评估，

规范、品质保障和验收标准等，使企业无法判断和评价。这就阻碍了该技术的推广和应用。

）专用设备的研制和开发　基于半固态加工技（２

专用设备厂家有兴趣于此，并作了大术潜在应用前景，

胆尝试，其中广东伊之密精密机械股份有限公司、苏州三基铸造装备股份有限公司均有半固态压铸机推出。关键在于设备开发必须与市场相对接。这是一个很重要的课题，必须组织力量，有政府支持去实现，否则，单打独斗，不能持久，更形成不了规模。

（）研究工艺适应性　要抓住半固态加工应用的重３

“。点，即“长”在何处，短”在何处，做到“扬长避短”

笔者认为，其“长”在于能成形无枝晶和准锻造再结晶组织的制件，使其性能大幅提高；本身的优异性能获“得极大的发挥；短”在于增加制浆（坯）环节。所谓扬

（编辑：袁振国）

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汽车零部件铸造市场规模

２０１５年将达１２０００亿元　

“长期以来，汽车工业稳居压铸工业的最大市

场，近年来我国汽车工业的发展也不断拉动压铸工

”业进入一个全新发展期。国际模协秘书长罗百辉

表示，随着我国汽车市场潜力的释放，世界汽车工

业的重心正向中国转移，我国汽车零部件铸造市场

前景广阔。预计我国汽车总产量到２０１５年达到

以均价１全车配１５００万辆左右，２万元售价计算，　

套件一般在８万元左右，则新产汽车配套零部件铸造市场规模在２０１５年达到１２０００亿元左右。　

（百方网报道）

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