半固態(tài)加工技術,歷經(jīng)40多年的研究和發(fā)展,對其認識愈來愈深入。開始,人們認為它僅僅是一種新穎的鑄造加工方法,繼而認為是塑性加工的延伸,且是鍛造和鑄造之間的一個加工鏈、金屬加工的一種補充。后來在對鑄、鍛兩種加工方法的發(fā)展軌跡研究基礎上,驚奇地發(fā)現(xiàn),半固態(tài)加工技術不僅是作為工藝方法的補充出現(xiàn)在金屬加工領域中,而且是鑄造、鍛造工藝發(fā)展的一種必然。由于它加工的組織——球晶的存在,使其有“剪切變稀“的易充填特性,特別是最終加工組織呈細等軸晶類變形組織,而非枝晶,具有極好的力學性能,這是造鑄和鍛造所不具備的。最后,采用“材料質(zhì)量利用率”和“材料性能利用率”這兩個指標,比較了3種工藝方法,得出了深入開展半固態(tài)加工技術的研究和應用,是推進“節(jié)能減排”的最佳途徑之一。隨著時間的推移,其優(yōu)勢愈來愈彰顯,并將為企業(yè)界所接受。
半固態(tài)技術目前研究成果主要有:流變鑄造、觸變鑄造、射鑄成形等。涉及的金屬材料有:鎂合金、鋁合金、鋼鐵等,在產(chǎn)品方面主要運用于汽車關鍵性零部件,如賽車架、氣體調(diào)節(jié)閥、摩托車底盤車架臂,電子配件,如復印機驅動齒輪、手機外殼、筆記本外殼等。
半固態(tài)壓鑄技術綜合了傳統(tǒng)的鑄造和鍛造兩種成形方法的優(yōu)點,既可以提高零件的力學性能,也可以成形形狀復雜的零部件,具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能和近終成形等優(yōu)點。美國DowChemical公司已研發(fā)出鎂合金半固態(tài)觸變壓鑄成形的工藝與設備。
1、半固態(tài)加工出現(xiàn)的背景
20世紀70年代初,美國麻省理工學院的D.B.Spencer在其導師M.C.Flemings教授指導下,進行鋼鐵鑄造的“熱裂”現(xiàn)象研究時,在自制的高溫粘度計中測量Sn-15Pb合金高溫粘度時發(fā)現(xiàn),在攪拌中合金的枝晶結構遭到破壞。即金屬在凝固的過程中,進行強烈攪拌,即使在較高的固相率時,半固態(tài)金屬仍只有相當?shù)偷募羟辛鲃討Α_@是由于存在獨特的球形顆粒結構,使其具有“剪切變稀”的流變特征。半固態(tài)金屬加工具有特殊力學屬性,由此開始的半固態(tài) 加工技術研究,與鑄造加工和塑性加工一起,成為金屬加工新領域。
2、 半固態(tài)加工工藝特性及進展的深度認識
2.1、工藝特性
(1)加工溫度低液態(tài)壓鑄時,由于半固態(tài)金屬中存在固相顆粒,其熔化潛熱已散失一部分,這大大緩解了液態(tài)壓鑄時,高溫液態(tài)金屬對模具、壓室和沖頭的熱侵蝕,顯著提高了模具壽命。
(2)成形力低固態(tài)鍛造時,由于半固態(tài)金屬具有“剪切變稀”的觸變特性,充填中具有固態(tài)特性的金屬漿液或坯料,在剪切應力作用下,其流動粘度迅速下降,象流體一樣,容易充填型腔。這與通常熱模鍛不一樣,一般簡單件,需要經(jīng)過鍛擠的劇烈金屬流動,不僅要克服金屬流動阻力,而且要克服型腔表面的摩擦力。對于較復雜件,需要多個步驟才能完成。而對于特別復雜件,采用熱模鍛,可能相當困難。所有這些均需要消耗大量能量,需要大噸位的鍛造設備。
(3)制件品質(zhì)半固態(tài)加工制件,品質(zhì)大大高于鑄件,與鍛件相當。半固態(tài)金屬具有較高的粘度,壓鑄時無湍流,不易卷入空氣,減少了氣孔和疏松等缺陷的可能。凝固收縮小,制件強度高。
2.2、發(fā)展階段
半固態(tài)工藝優(yōu)勢十分明顯,研究和應用同步推進,大致可分為3個階段。
(1)基礎研究階段:從20世紀70年代開始,大致延續(xù)了15年。集中研究了半固態(tài)合金的流變特性,與其自身的組織關系;枝晶組織向非枝晶轉變機制;半固態(tài)合金與內(nèi)變量( 固相率、形狀、尺寸、聚集態(tài)和表觀粘度) 在外界變量( 溫度、剪切速度) 影響下的變化規(guī)律; 半固態(tài)合金在不同狀態(tài)下的本構關系。以此為基礎,開發(fā)了多種半固態(tài)漿料或坯料的制備技術; 半固態(tài)成形技術及其計算機模擬技術。
(2)應用基礎研究階段:20世紀80年代末至90年代中期是應用基礎研究階段,其主要特點重在制漿或制坯方法的開發(fā)和完善;成形工藝參數(shù)對制件力學性能的影響規(guī)律及控制;應用領域的擴展及其典型制件的選取,及試驗研究分析。
(3)工業(yè)化應用階段:進入20世紀90年代后期,半固態(tài)加工技術進入工業(yè)化應用階段。規(guī)模較大的有法國PRECHINCY的各種規(guī)格半固態(tài)鋁、鎂合金棒料生產(chǎn);美國ALUMAX和意大利STAMPAL的半固態(tài)制件生產(chǎn);瑞士BUHLER的半固態(tài)壓鑄機和美國THIXOMAT半固態(tài)注射成形機的生產(chǎn)。
2.3、工藝特性與發(fā)展前景
(1) 工藝特性再認識
半固態(tài)加工獲得的組織,既不是鑄造的枝晶組織,也不是鍛造的變形組織,而是具有變形組織特性的非枝晶組織。因此,使材料力學性能得到明顯提高和改善。突破了鑄造工藝的局限性,孕育著鑄造工藝大的變革,大的進步,這是其一。其二,對于鍛造工藝來講,降低成形力,即進入塑性變形狀態(tài)的流動極限。半固態(tài)漿料或坯料,當不受力時,具有保持外部形狀的固態(tài)特性,但在受力后,“剪切變稀”效應使其象液體一樣,具有粘性流動充填特性。這就使鍛造材料,對于任何復雜制件,均可以實現(xiàn)一次精密成形,這是超塑性鍛造或等溫鍛造無法比擬的。
很明顯,半固態(tài)工藝融合了鑄造工藝和鍛造工藝的優(yōu)勢,成形流動應力低,最終無枝晶似塑性變形組織。
(2) 半固態(tài)加工工藝進展
再認識半固態(tài)加工經(jīng)過約3個階段發(fā)展,至今已40多年了,但仍處在發(fā)展的初期。其表現(xiàn)在西方發(fā)達國家,對該工藝熱情逐減,亞洲國家,尤其在中國,研究熱情持續(xù)高漲,但離大規(guī)模工業(yè)應用,還有相當?shù)木嚯x。因此,對半固態(tài)加工技術發(fā)展思想和軌跡,進行回顧和思考,是必要的。
?、倏茖W性:半固態(tài)是合金存在的一種形式,與固態(tài)和液態(tài)一樣,有其本身的屬性。固態(tài)利用塑性變形充填,且具有不可恢復的特性;液態(tài)利用其良好的流動性充填,而后凝固,從而實現(xiàn)制件成形;半固態(tài),則利用“剪切變稀”特性充填,而后凝固塑性變形復合,實現(xiàn)制件成形。顯然液態(tài)、半固態(tài)和固態(tài),乃是合金3 種狀態(tài),均屬于合金在不同溫度下的流變學行為。因此,3種加工方法,處于同等的科學位置。
?、诩夹g性:鑄、鍛工藝是兩種最古老、最成熟的工藝,盡管出現(xiàn)諸多特種工藝,亦是兩種工藝的發(fā)展和完善。半固態(tài)加工的出現(xiàn),不僅時間晚,而且視之為鑄鍛工藝的一種補充。這樣半固態(tài)加工的研究和應用,自然地納入了鑄或鍛發(fā)展的軌道。文獻指出,需要制件具有高完整性、高可靠性時,半固態(tài)技術才能顯現(xiàn)出其競爭優(yōu)勢。
③應用性:半固態(tài)加工涉及問題大大超過鑄、鍛工藝。這里有制漿( 制坯)、漿液( 坯料) 保存、運輸;成形設備及工藝參數(shù),品質(zhì)標準及過程控制等問題。特別是生產(chǎn)規(guī)模上不去,效益難以顯現(xiàn)。因此,半固態(tài)加工進入生產(chǎn)領域, 面臨諸多困難。
3、“節(jié)能減排”促進半固態(tài)加工技術發(fā)展
3.1 節(jié)材的兩個指標
“節(jié)能減排”中的節(jié)能,既有對能源消耗的降低,也有對原材料( 已消耗大量能源) 的節(jié)約。節(jié)材應包括兩個方面,并可用兩個指標予以界定。
3.1.1 材料質(zhì)量利用率
材料質(zhì)量利用率可用下式表示:
材料質(zhì)量利用率= 零件質(zhì)量/毛坯質(zhì)量×100%
對于重力鑄造,毛坯還應包括冒口質(zhì)量;對于鍛造,還應包括中間開坯、下料,及沖孔連皮、飛邊等損失的質(zhì)量;對于擠壓鑄造和半固態(tài)加工,存在兩種情況,一種損耗小的直接擠壓鑄造和半固態(tài)擠壓鑄造,另一種須考慮壓余損失的間接擠壓鑄造和半固態(tài)壓鑄。顯然,半固態(tài)成形的材料質(zhì)量利用率,與擠壓鑄造相當。
3.1.2 材料性能利用率
材料性能利用率,即材料實際可持有的性能,但通過后續(xù)加工產(chǎn)生一些使性能降低的缺陷、或不能通過熱處理獲得原材料可持有的性能,可用下式表示:
材料性能利用率 = 材料加工后所能達到的性能/材料本身可持有的性能 ×100%
這里用得著一句話:“物盡其能”。由于材料加工、處理等有關工藝因素,許多材料的優(yōu)異性能得不到充分發(fā)揮;或者有些材料研制階段能得到很高性能,但卻因工藝因素,未能獲得工業(yè)應用,這就會出現(xiàn)“物未盡其能”的窘境。
3.2 對幾種工藝方法節(jié)材的評價
3.2.1 壓力鑄造工藝技術
壓力鑄造工藝主要指壓力補縮的特種工藝,如壓力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造等。其材料質(zhì)量利用率均在40%~70%范圍內(nèi)。但其材料性能利用率不高。由于靠液態(tài)充填,完成尺寸、形狀的成形,后靠凝固定形。凝固存在3大缺陷:①液態(tài)金屬熱量的輸出,靠模具導熱。導熱存在方向,其形核和長大亦存在方向性,故其形成枝晶不可避免;②凝固即收縮,易產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷;③高熔點物質(zhì)先凝固,低熔點物質(zhì)后凝固,易產(chǎn)生成分和組織偏析。基于這些,鑄造后的材料性能,很難達到材料本身應具有的性能。雖然,衍生出了多種特種鑄造工藝,也只能使晶粒細小,枝晶程度弱化,消除縮孔和縮松等。但枝晶組織很難消除,甚至無法消除。
3.2.2 鍛造工藝技術
鍛造工藝是以鑄坯為加工對象,進行塑性加工,使其坯料中枝晶組織獲得破碎,然后經(jīng)再結晶、加工成變形組織的過程。通常稱之為第一次塑性加工,其制件可能是棒材、板材和型材。然后,根據(jù)產(chǎn)品形狀、尺寸需要,進行第二次塑性加工。經(jīng)第一次塑性加工,材料性能獲得大幅度提高,甚至可達到材料本身所具有的性能水平。第二次塑性加工,只是成形,獲得所需形狀尺寸的鍛件。盡管塑性加工,使其材料性能利用率可達到很高水平,但其材料質(zhì)量利用率卻不高,而成形能耗亦高,其機制也在于塑性變形本身。使材料產(chǎn)生塑性變形,必須消耗大量的變形能和采用大噸位鍛造設備,這是一。塑性變形實現(xiàn)固態(tài)充填,需要耗費大量材料,如鍛造飛邊,這是二。即所謂“成者塑料變形”——提高材料性能利用率;“敗者塑性變形”——增加能耗和材料質(zhì)量消耗。
3.2.3 半固態(tài)加工技術
半固態(tài)加工與鑄鍛工藝相比具有明顯優(yōu)勢。首先,與鑄造工藝比,它獲得的組織是“無枝晶”的細等軸晶組織。若成形時,有較大的塑性流動,即成形存在枝晶破碎和再結晶過程,其組織有望達到鍛造變形組織的水平;若成形時,塑性流動有限,后續(xù)半固態(tài)漿料中的液相凝固的枝晶組織,未獲到很好的破壞,其組織可稱為準鍛造變形組織。顯然,其材料性能利用率大大高于鑄造工藝,達到或接近鍛造工藝水平。與鍛造工藝相比,其材料質(zhì)量利用率接近鑄造工藝,遠遠高于鍛造工藝。其機制緣于半固態(tài)材料存在“剪切變稀”的流動效應,充填性高于鍛造工藝所致。
因此,評價一種制造工藝的優(yōu)勢,不僅要看到材料本身的利用率,而且更要看到材料性能的極大發(fā)揮,才能實現(xiàn)材料的極大節(jié)約。比較3種工藝,顯然,半固態(tài)加工有著明顯的綜合優(yōu)勢,表現(xiàn)在成形時,有鑄造工藝相近的流動性,而成形后,可熱處理,接近或達到鍛件的性能水平。
3.2.4 “節(jié)能減排”與加工方法選擇
節(jié)材首先體現(xiàn)在材料自身的節(jié)約,使其成形件在形狀和尺寸上,盡量接近零件,減少后續(xù)機械加工,或不再加工,這是有形的節(jié)能; 其次,制件自身的性能,達到制件材料本身的最佳水平,從而可使零件截面積減小,或者可用較低廉材料(自身性能不高),取代昂貴的優(yōu)質(zhì)材料,實現(xiàn)材料的節(jié)約,即以消耗較少的資源,達到同一個制造目標。通常是改變設計,使其結構輕型、合理,再就是研制開發(fā)新的材料加工的工藝和設備,提高其質(zhì)量利用率和性能利用率。
“節(jié)能減排”趨勢,使人們重新思考現(xiàn)有的和正在研制開發(fā)的材料加工方法 。寄希望對現(xiàn)存工藝進行某些變革,如鑄造工藝的高速高壓成形、精密鑄造等,鍛造工藝的小飛邊或無飛邊模鍛、局部鍛造等。有成效,但也要以增加加工工序或輔助材料的消耗為代價。人們更寄希望于尋求一種新型加工方法,兼有鑄造的低成本、鍛造的高性能的優(yōu)異特征,并為“節(jié)能減排”所接受。無疑的,半固態(tài)加工應是首選,其理由是:①半固態(tài)加工,與鑄造和鍛造加工,乃是一種金屬不同狀態(tài)下的加工,即液態(tài)、半固態(tài)和固態(tài),同屬金屬加工鏈上的3個鏈,應是一種基本的金屬加工,與鑄鍛一起同在;②半固態(tài)加工具有較高的質(zhì)量利用率(與鍛造相比),較高的性能利用率(與鑄造相比),具有明顯的節(jié)材優(yōu)勢。因此,“節(jié)能減排”趨勢,為半固態(tài)加工的研究和應用,構筑了一個堅實的平臺。
4、半固態(tài)加工發(fā)展的瓶頸
半固態(tài)加工出現(xiàn)至今近半個世紀了,人們在評價其優(yōu)劣中認識它、研究它。半固態(tài)加工發(fā)源地的美國,研究人員愈來愈少,應用規(guī)模愈來愈小,而歐洲的意大利、法國還保持上升的態(tài)勢,亞洲起步雖晚,但研究越來越受到重視,其中日本領先,中國、韓國、泰國、伊朗和印度隨后,呈現(xiàn)出可喜的發(fā)展局面。問題在于,半固態(tài)加工至今并未受到企業(yè)矚目,關鍵在哪里?原因在于:
(1)對制漿(坯)技術的認識,文獻提供分析表明電磁攪拌是最成熟、工藝最穩(wěn)定的制漿方法,但因能耗高,投資大,應用前景存在疑慮,普遍不看好。還有哪種技術,可與它相媲美?特別是對各種制漿( 坯) 方法缺乏全面評估,包括工藝性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性。沒有工藝規(guī)范、品質(zhì)保障和驗收標準等,使企業(yè)無法判斷和評價。這就阻礙了該技術的推廣和應用。
(2)專用設備的研制和開發(fā)基于半固態(tài)加工技術潛在應用前景,專用設備廠家有興趣于此,并作了大膽嘗試。關鍵在于設備開發(fā)必須與市場相對接。這是一個很重要的課題,必須組織力量,有政府支持去實現(xiàn),否則,單打獨斗,不能持久,更形成不了規(guī)模。
(3)研究工藝適應性要抓住半固態(tài)加工應用的重點,即“長”在何處,“短”在何處,做到“揚長避短”。
筆者認為,其“長”在于能成形無枝晶和準鍛造再結晶組織的制件,使其性能大幅提高; 本身的優(yōu)異性能獲得極大的發(fā)揮;“短”在于增加制漿(坯)環(huán)節(jié)。所謂揚“長”,使其性能達到鍛件水平,所謂避“短”,就在于開發(fā)一種成本低廉的制漿工藝。
(4)大力開展半固態(tài)壓鑄工藝研究液態(tài)壓鑄工藝乃是當今生產(chǎn)規(guī)模最大的一種輕合金成形工藝,其最大弱點也在于最后組織為枝晶,且因卷入氣體,不能進行熱處理,因而其材料性能利用率低。而半固態(tài)壓鑄工藝,則有效克服了這一弊端,獲得無枝晶組織制件。
5、結語
(1)半固態(tài)工藝與鑄造工藝水平相比,最大優(yōu)勢是,它可以獲得無枝晶的變形組織制件,使其材料性能利用率大大高于同類鑄造件,并接近于鍛件。
(2)半固態(tài)工藝與鍛造工藝相比,最大優(yōu)勢在于它可以成形形狀復雜、尺寸較大的制件,這大大降低了成形設備的噸位和能耗。
(3)大力推進半固態(tài)加工在高端材料成形領域的應用,部分替代采用大型設備才能加工的制件,完成半態(tài)加工制件性能向鍛造性能水平的轉變。