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半固态成型技术的发展与应用现状


《  I , I : L 技 术》 2 0 0 9年第 1 期 

机械 设计制造 

半 固态成型技术 的发展 与应用 现状 
林 文金     、
( 福建 _ T程 学院机 I   及 自动化 工程 系,福建 福州 3 5 0 0 1 4 )  
摘 要 :为了解决半  态成型技术 中引起人们广泛关注 的

主要 问题 ,加深人们对半崮态成形技术 的 认识 , 以半  态 

成 型技 术区别于液态成型和 塑性成型 的本 质为基础 ,采用对 比讨 论的方法分析 了半同态成型技术 的特 点与优势 ,阐  了  半同态 成型技术的种类和 区别 ,介绍 了半同态成型技术 的国内外应用 现状。指  ̄ _ a ¨ i   J i 了推动我 困半  态成型技 术长足发展和 
应 用 应 该 注 意 解 决 的若 十 瓶 颈 。   关键 词 : 半  态 成 型 流变成型 触变成 型 心用现状 

中图分类号 :T G 1 4 6 . 2 文献标识码 :A 文章编号:1 6 7 2 — 4 8 0 1( 2 0 0 9 )0 1 — 0 3 0 — 0 3  

引言 
2 O 世 纪7 O 年 代 初 发 展 起 米 的  l   l 刊态 成 型 技  术 ,使传 统 成型 方式 发 生 了深刻 变化  。随着 研  究 的不 断 深 入 ,T- I   态成 型 己经 发 展成 为 一项 极 
特性 

表1半l 州 态成型技术的特性  
潜  T业戍 用价值 
1 .减少凝 I 刊潜 热 , 降低 铸 型 的  热 蚀 , 可 用 于 高 速 零 件 、 商 熔 点 合  金成  减少缩孔 ,   降低 偏析,   化 晶粒 ,可进行后 续  热 处理。  
, 

液 蒯混合共 存 

具应 用 } 杵力 的材 料 成 型新 技术 ,并 已初 步 实现 了   业应 J H = 』 。然而 ,笔 者在 教 学 中发现 火多 数 学生  以及 部分 科 技  I 一   作者对= t " - I  ̄ 1 态成 型 技术 发 展 与应  川 的诸 多本 质 问题 的认 识仍 然不 够 清 晰 。本 文对 
相 关 问题 进 行 了阐述 , 以期 加深 人 们对 半  态成 
型技 术 的认识 。  

1 .变 形抗 力1   常小 , 可成型复  杂零 件 ,提 高零 件成型速度 ,缩  流动应 力比J 州态金  加工州期 ,提 高材料利用 牢,降低  属 低  成本 。   2 . 可 实 现 连 续 形 状 的 高 速 成 
型。  

1半固态成型技术 
1 . 1半 固态成 型 技术 的提 出及其 科学 含义  半  态 这 一 概 念 , 最 初 米 A 丁美 国麻 省 理  工 学 院  。 F l e m i n g s 教授 领 导 的研 究 小组 发 现 金 
属 材 料 在 凝 同 过 程 中 经 强 力 搅 拌 后 ,枝 品 网 络 
易 混 入 异 种材 料 

黏 


?





1 . 充 型  稳 , 减 少 气 体 卷 入 和   
.  

容 易 控 制   速 的 ≥  堑   。   ≥   尧  
度 , 易 实 现 自动 化 。  
制  复 合 材 料 及 成 型 

‰ 高  

骨 架 被 打 碎 ,成 为 近 球 状 组 织 ,此 时 的 半 吲 态 
金 属 具 有 成 型 时 所 需 要 的优 异 性 能 , 易 于 通 过  普通 加  I   方 法 制 成制 品 , 并冠 以半l 刊态 成 型 ‘   ,  
一 一

由此 可 见 ,半  态 成 型 技 术 具 有 三 个 特 征 ,  
是被加= 1   材 料 的 状 态 是 吲液 混 合 物 , 而 不 是 

纯 液 体 或 纯  体 ;二 是 加  l : 温 度 范 同 在 合 金  相 线温度利液 相线温度 之 间;三是材料 中的I 刊  
相 是 非枝 品形 态 ,而 不 是 常 见 的 树 枝 品 。表 1 简 

直 沿 川 至 今 。 所 谓 半  态 成 型 ( S e m i — S o l i d  

F o r m i n g ) , 是 指 将 含 有 非 枝 品  相 的  液 混 合 

物 在 凝  温 度 范 围 内 加  I : 成 型 的 一 种 材 料 成 烈 
新 技 术  ’  ‘   。  

要 阐 述 了 
用价值”   。 。  

态 成 型 的特 性 及 其 潜 在 的 : I : 业 应 

1 . 2 半 固态成 型技 术 的特 点 与优 势  金 属 材 料 从  态 向 液 态 或 从 液 态 向  态 转  变 过 程 中 , 均 经 历 着  态 。 二 个 阶 段 中 ,材 

由表 1 可知, 半  态 成 型技术 打 破 了液态 成 型  和 塑 性成 型 的瓶颈 ,综合 了液 态成 型 和 塑性 成 型  的优 点 ,广   泛 拓展 了液态 成 型和 塑性 成 型 的应 川  范 罔 ,显著 提 高 了成 型精 度 利 效 率 ,有着 巨大 的 
r : 业应 用 潜力 。  

料 呈现 山不 同特 性 , 由此 产 生 了 液 态 成 型 、塑  性 成 型 和  I   态 成 型 。液 态 成 型 利 州 液 态 金 属  呈 现 出 的 良好 流 动 性 ,塑 性 成 型 则 利 削  态 金  属 呈 现 的较 好 塑 性 流 动 型 ,而 半  态 成 型 利 刚  了 半 同 态 金 属  液 共 存 所 呈 现 的 特 性 即 流 变 性  和 触 变 性  。  
3 0  

2 半固态成型技术 的分类 

。  

目前 ,半 吲态 成 型 技术 按其 工艺 方 案 主 要可  分流变 成 型和 触变 成 型两 大类  ’ 川,如 图1 所示。  

机械 改计制造 

《 机  技术 》2 0 0 9年第 1 期 

3 半 固态 成 型 技 术 的 应 用 现 状 分 析 与 思 考 
3 . 1半 固态成 型技 术 的国 内外应 用现 状 

半  态 成 型技 术源 于 美 国。 目前 ,美 国的 
型 

态成 型技 术 处于 全球 领先 地 位 。阿 卢 马克斯 公 

司 己建 成2 座 
其 生产 的 
l 半  态 成 型 T 艺方 案 小恋 


态 锅合 金成 型汽  零件 生 产厂 ,  

态模 锻铝 合金 汽 车制 动 总泵 体机 加 

I   : 量只I I I ‘ 铸 什质 量 的 1 3 % ,且质 量 减 少 了1 3 % 左 右 


2 . 1流 变成 型  在 金属 凝  过  中 ,通过 施 加搅 拌或 扰动 、   或 改变 金属 的热状 态 、 或 加 入品粒 细化剂 等手 段 ,   改 变合 金熔 体 的凝  行 为 ,获 得 一种 液态 金属 母 

此外 ,H o t   M e t a l   M o l d i n g 公 司、L i n d b e r g 公 

司 、E P C O   D i v i s i o n 、H P M   C o r p o r a t i o n 等 公 司均  己应用  态 成型 技术 生产 形 状 复杂 的 零部什 。   如 汽车 J { j 刹 车制 动 缸体 I 铝 合 金轮 毂 、 空 凋 设备  部 件 、转 向与传 动 系 统零件 、活塞 、燃 油系 统零  件 等 ,并 且这 些零 件 已应 刖 于F o r d 、V o l v o 、B M W   I A u d i 等 欧美名 牌汽 车 上 …   。近年 来 川  态技  术生产 的航 空航天 器 上使用 的 电子器 件 的连接 部  件 等 已戍 川 丁军事 航 空领域 。这 些- ' V - I  ̄ I 态成 型零  件 包 括许 多键 销和 定 位装 置 ,它们 的公 著精 度接  近 甚 至优 丁机 加  。  

液 中均 匀 地 悬浮 一 定球 状 初 生  相 的  一 液 混 合 
物(   卜   态 浆 料) ,并 利 J { j 此 浆料 直接 成 型加  _ l : 的 
方法。  

流 变 成型  — I : 艺中,  I " -   态浆 料 中 l 司相 颗 粒 的  尺 寸 I 形 状 与冷 却速 度 、搅 拌方 法 、搅拌 速度 等  显  相关 ,并且 易 丁维 持在 低  相 分数状 态 ,通  过搅 拌可J { j   凝  区 问 小甚 至共 品 合 金 或 纯 金 

属 。流变 成 型在 

态 发展 初 期就被 认 为是 最具 

欧洲 各 国对 半  态成 型技 术 作 了大 苗 的研 究 
和开 发工 作 , 目前 有 多家 公 司从 事  同 态金 属及  合金 零什 的生产 。如意 大 ̄ U S t a m p a l   S P A 公 司利用 
态锅 合 金 为A l f a   R o m e o   S p i d e r   S p o r t s   C a r  

发 展 潜 力 的  l I : 艺过  ,它具 有: f : 艺 流  短 、设备 
简单 、   省 能源 、适, L } j 合金 不受 限制 等特 点 ,是  米米 金 属 半  态 成 型 的一 个重 要 发展 方 向。  。但 

是 由 丁  吲态 金属 浆料 的保 存和 输 送很 不方 便 ,   严 重 制约 这种 成型 方法 的实 际应刖 。  
2 . 2 触变 成型 

公 司生产 后悬 挂架 的左右 支 撑件 毛坯 ;英 国 的P .   K a p r a n o s 等采 用 半 固态触变 成 型 技术 将M 2 : 1 : 具钢 
制成 高精 度 、高表 面 品质 的齿 轮 ;T h i x n m a t 公司   1 9 9 4 年 开始采  触变 成 型技 术进 行 铝合 金 齿轮 箱  的生 产 ,每 什 生 产 时 间仅 2 8 秒 , 平 均 质 量 偏 著  0 . 5 % ,孔 的精度 为0 . 0 2 ,只 需对 其 进行 表 面抛 光 
处 理 即可  。  。 。  

获得  {   I 矧态 浆料 后 ,将 其进 一 步凝  成 坯料  ( 通 常采 川 迮铸 1 l   艺) ,根 据 需要将 坯 料切 分 ,然  后 把 切 分 的坯 料 重 新 加 热 至 I 刊一 液 两相  形 成  卜   态 坯 料 ,利 川这 种  卉 l 态坯 料进 行 加. 1   成 型 的 
方法 。  

洲 国家对 半  态 成型 的研 究 利 开发 相 对落  态浆料 中  相 粒 子 由   后 丁欧美 , 但 也从 事了人昔 的  作 。目前 日本 的一 
些 公司也 开始从 事半  态成  什 的生产 , ̄S p e e d  

触变 成  一 r 艺 中,  

母 材 品粒 米熔 化 的部 分构 成 ,颗 粒尺 寸 与形状 依 

赖与母材 ,并且易 丁维持在高  相状态,适合川  
丁凝  区间 人 的合金 。与流 变成  相 比,触 变成  型 解 决 了半  态 浆料 制 备 与成 型设 备相 衔接 的 问  题 ,易 于实现 白动化 操 作 。 因此 ,触变 成型 : L 艺 
已成 功 实现 了工 业应 J { j , 目前 国外 已形 成 了一 定 

S t a r   W h e e l 公司 已成 功利 刚 半  态 成 型 技术 生产  铝合金 轮毂  ’   。   。在我 国,半 剐态成 型技 术起 步 
较晚 ,目前 尚处于基础理 论和试验 研究 阶段 ,但也 

取得 了一 些成果 。 如 北京有色 金属研 究总 院利川 电  磁搅 拌 设备 已能够连 续 生产 直 径 为8 0 m m 的铝 合金 
同态坯 料 ,并与东风 汽车公 司合作 ,试验 川半 

的商业 生产 规 模  叫   。但 是 ,随着 触变 成  : f : 艺 的 
不断 推广   和 应刚 ,其 主 要缺 陷也逐 渐暴 露 出米 :   浆 料 制 备成 本 高 、设备 投 资人 、坯 料 的成分 利微  观 结 构 的不均 匀性 、浆料制 备 过  控 制难度 人 等 ,   成为 制 约触 变成 型  I ’ : 艺发 展 的主要 瓶颈 ,也成 为  近 年 米  I 刊态 成型 技术 的研 究重 点  。  。  

态铝合 金生产汽 车零部件 : 重庆火学 与重庆 九方铸 
造 公司合 作 , 采用触 变成 型技术制成 J H 7 0 型摩托  发 电机 支架 ; 北 京科技大 学  电磁搅 拌法 成功制 备  出半  态 A I S i   M g 合金 ,并 川触变 成 型技 术 生产 山  
汽 车制动总泵泵 体毛坯  。  

《 机I 乜技术 》 2 0 0 9年 第 1 期 

机械  计制造 

3 . 2 我 国半 固态 成型 技术 应 用现 状 分析 与建 议  应 该 说 ,我 国在 基础 理 论研 究方 面 与 国外 并 

虽然 我 们 在基 础 理 论研 究 方 面 已经 取 得 了 不少 成 

果 ,但 仍 然要 进 一 步加 大 基 础 理论 和 技 术 创新 的  投入 力度 ,争取 走 在基 础 理论 的研 究 前沿 。   ( 3 ) 开 发具有 自主知 识产 权 的半 同态 浆料 制  备新 技术 ,降低 坯料 的 生产 成本 ,提 高 生产 效 率 。   T-   态 金 属浆 料 的 价格 始 终 是影 响半 吲 态成 型 技  术 发展 1 普及 的关 键 因素 。因此 ,我 们 应 开发 具 
有 自主知 识产 权 的 高效 、优质 、低成 本制 备 技术 。   ( 4 )火 力 开发 新  合 金 的半  态 成 型  艺 ,   努 力 扩 展 半  态 成 型技 术 的应 川 范 围。 在 引进 、  
吸 收 国外 先进 半  态成 型 技 术 的 同时 ,我们 应 该 

不 存 在 明显 的差距 :我 国从 2 0 世 纪8 0 年 代 开始 ,  
国家 自然 科 学 基 金 、8 6 3 计 划 、9 7 3 计 划 先后 支 持 

了不 少 高校 I 科 研 单 位 从事 

态 成 型 技术 的研 

究 ; 中 国机 械  l   科 学 会 塑性  1 :   分会 ’ F,单 独成 

立 了一 个学 术 组 织 即  I 古 _ l 态加. : I - 学术 委 员会 ,并 
成 功举 办 了多 次学 术 年会 ;哈 尔滨 ‘ l : 业 人学 、尔  南 人 学 、北 京有 色 金 属研 究 总 院等 高 校 I 科 研 单  位 也 有诸 多科研 成 果 在 国 际权 威 ! 学术 期 刊发 表 。   然 而 , 我 国却鲜 有 . 一 【   业应 J { j 实 例报 道 。这 与我 国  企 业 的 发展 模 式 有较 人 的关 系 。这 些 年 来 ,支 持 

从基 础 理 论 出发 ,努 力开 发 新 型优 质 合 金 的  态成型: [ 艺 ,只 有 这样 ,才 能 掌握 半 同 态成 型 的  前沿 技 术 ,真正 成 为半 固态 成 型技 术 的领 军 者 。   ( 5 )国家应 该鼓 励相 关 企业 参 与 半 固态成 型  技术 的研 究 ,鼓 励 相 关企 业 积 极 引进 、吸 收 国外 
先进 半 固态 成型 技 术 。同时采 取 一 定 的优 惠政 策 ,   鼓励 企 业 进行 技 术 改造 ,努 力 为广‘ 大 科 研 单位 创 

半  态成 型 技术 的科 研经 费 主 要米 白于国家 以及  政 府 单位 ,鲜 有 企业 愿 意提 供 经 费从 事 这方 面 的  研 究 ; 同 时 ,相 关企 业 过 于注 重近 期 利 益 ,不 愿  改 进 或采 川 新  J : 艺 ,不 愿 与科 研 单位 合 作 开展 专  题 研 究等 ,都 限制 了我 国半 圆态成 型 技 术 的: I : 业 
应用 与发 展 。  

总体 而 育 ,我 国半  态 成 型技 术 的 : l : 业 应 刚  规模 仍然 较 小 ,相 对 滞 斤 。为 了提 高我 国在 国际 

造 试 验 平 台 ,争 取 在 最短 的 时 间 内将 先 进研 究成 
果转 化 为 生产 力 。  

市场 上 的竞 争 力 ,有 必 要推 动 半  态 成 型技 术 在 
我 国 的长 足 发展 和 应 川 。 冈此 ,笔 者 在 这方 面提 

4 结 束 语 
近 年米 ,   吲 态成 型 技 术在 欧美 国家 以及 日  

些建 议 ,供 人 家讨 论 。   ( 1 ) 继 续加 强 半 I 到态成 型 技术 的基 础 理论研  究。  

本得 剑 了快速 发 展 ,有着 巨人 的 市场 潜 力 ,在 世  界 范 围 内受 到越 米 越 多 的重 视 。可 以肯 定 ,半 

( 2 )半 吲 态 成 型 在  【 : 业 发 达 国 家 的 高速 发  展, 完 全 依赖 丁他 们 的基 础 理论 研 究与 技术 创新 。  
参 考文献 

态成型技术 的发展将远远超出 目前工业应用所局  限的范围,在2 l 世纪将具有越来越重要的地位。  

[ 1 ]M . C .F l e m i n g s .M e t a l l u r g i c a l   T r a n s a c t i o n s   B ,1 9 9 1 ,2 2 : 2 6 9 — 2 9 2 .  

[ 2 ]罗守  ,f   J ' = = f 文彤 ,谢水生,毛 r f J 民. 中固有色金属学报 [ J ] ,2 0 0 0 。 1 0 : 7 6 5 — 7 7 3 .  
[ 3 ]M . C .F 1 e m i n g s ,J .Y m’ k o ,R .M a r t i n e z .S o l i d i f i c a t i o n   P r o c e s s e s   a n d   M i c r o s t r u c t u r e s [ J ] :A   S y m p o s i u m   i n  
H o n m o f   W i i f r i e d   K u r z ,2 0 0 4: 3 — 1 4 .  

[ 4 ]X . C .P a n g ,H . F .Z h a n g ,A .M .W a n g ,B . Z .D i n g ,K . Q .O i u .J o u r n a l   o f   M a t e r i a l s   S c i e n c e   a n d   T e c h n o l o g y [ J ] ,  
2 0 0 0 , 1 6: 4 5 3 — 4 6 0 .  

[ 6 3   D .A p e l   i a n ,A .D e   F i g u e r e d o ,M . M . M a k h l o u f .T M S   A n n u a l   M e e t   i n g : E n e r g y   E f f i c i e n t   M a n u f a c t u r i n g   P r o c e s s e s ,  
2 0 0 3: 5 5 .  

[ 6 ]D .A p e l i a n ,M . C .F l e m i n g s ,R .M e h r a b i a n .J o u r n a l   o f   M a t e r i a l S   S c i e n c e [ J ] ,1 9 7 5 ,1 0 : 4 6 0 - 4 6 8   [ 7 ]M . C .F l e m i n g s ,R .M e h r a b i a n .M o d e r n   C a s t i n g [ J ] ,1 9 7 3 ,6 3 : 3 1 — 3 3 .   [ 8 ]Y . W .C a l d w e l 1 ,A . J .C a m p a g n a ,M . C .F l e m i n g s ,R .M e h r a b i a n .M e t a l l u r g i c a l  T r a n s a c t i o n s  B [ J ] 。1 9 7 7 ,  
8: 2 6 l 一 2 7 0   .

1 9 J   0 .L a s h k a r i ,R .G h o m a s h c h i .7 o u r n a l   o f   M a t e r i a l S   P r o c e s s i n g   T e c h n o l o g y [ J ]   [ 1 0 ] 罗守靖 .机械T人 ( 热力 I I 工 )[ J ] ,2 0 0 4 , ( 2 ) : 6 0 — 6 2 .   [ 1 1 ]樊 刚,程俐.铸造技 术[ J ] ,2 0 0 1 ,( 3 ) : 2 6 — 2 9 .   [ 1 2 ]逯允 龙,吉洋升 ,洪艳 ,李艳霞. 会属热处理 [ J ] ,2 0 0 6 , 3 1 : 2 7 — 3 1 .   [ 1 3 ] 罗守站 ,姜  福 ,札之 J   机械T程 学报 [ J ] ,2 0 0 3 , 3 9 : 5 2 — 5 8 .   [ 1 4 ]。  刑 , 胡 建 华 , 化 安 . 中 国 机 械 T程 [ J ] ,2 0 0 6 . 1 7 : 2 2 3 — 2 2 6 .   作者简介 :林文会 , ( 1 9 7 9 年一 ) ,男,助理实验师 ,主要从事材料成型研 究。  
3 2  


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