半固态.docx

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半固态

半固态触变注射成形技术在Mg合金铸造中的应用

前言：

近年来，随着对环保等方面要求的提高，镁合金以其质量轻、比强度高、比刚度高、减震性好、耐电磁屏蔽和易回收等特点而从众多金属材料中脱颖而出，广泛应用于航空、航天、电子和汽车等行业。

特别是目前正在用于笔记本电脑和手机壳体的制造，有逐渐取代可回收性较差的塑料壳体的趋势，成为目前研究及应用的热点。

常用的镁合金成形方法主要有压铸、半固态铸造、挤压铸造等，其中压铸法是国内外广泛采用的镁合金成形方法。

但同压铸镁合金产品相比，半固态成形产品的铸造缺陷少，产品的力学性能及表面和内在质量高，此外还有节约能源、安全性好和近净成形性好等优点，因此镁合金的半固态成形受到了广泛的关注。

而镁合金半固态触变注射成形技术是目前半固态铸造技术的最新发展方向

半固态浆料的内部特征是固液两相共存,在晶粒边界存在液态金属"半固态浆料

主要有以下特点

（1）表观粘度半固态浆料组织特性的客观反映就是表观粘度"研究表明,半固态浆料的表观粘度与固相率密切,随着固相率的增加而增加"当浆料的固相率超过临界值时,粘度值迅速增加"

（2）流变性半固态浆料的固相率为50%时,仍具有很好的流动性"这是因为金属液中的固相具有球状或类球状结构,导致半固态浆料的粘度降低"半固态浆料的流变性可分为稳态流变性和非稳态流变性"稳态流变性是指恒温恒剪切速率条件下的流变性,非稳态流变性是指连续冷却或者剪切速率变化条件下的流变性"

（3）触变性半固态金属的触变性是指表观粘度对剪切时间的依赖关系,反映了半固态浆料的依时行为"半固态浆料的表观粘度在一定的剪切速率下,随着时间的延长而逐步下降,具有可逆性"

（4）球状未熔固相颗粒半固态浆料中存在着一定分数的未熔球状或类球状固相颗粒,因此在凝固过程导致收缩减小,偏析减少"可以说正是因为球状未熔固相颗粒的存在,才使半固态浆料具有一系列的独特优点"

流变成形是将金属液在从液相向固相的冷却过程中进行强烈搅拌，在一定的固相

体积分数下通过压铸或是挤压的方式来成形（一步法）；

触变成形则是将由搅动设备所制备的半固态铸锭重新加热至半固态进行压铸挤

压成形（二步法）。

虽然流变铸造的工艺更简单、能耗更低（不需二次加热）、铸件的成本也更低,但由于流变铸造中半固态金属浆料的保持及输送的要求严格而困难,流变铸造的实际应用较少。

目前,国内外工业应用的半固态金属铸造主要是指触变铸造,但由于触变铸造首先需要生产半固态金属坯料,成本高（坯料的成本占零件的成本约50%）,二次加热能耗大,工艺过程较复杂,加之具有触变性能的金属材料种类不多。

因此,半固态金属铸造的工业应用受到不少的限制

与流变成形相比，半固态铸锭的加热和运输较为方便，因此镁合金半固态触变成形是目前主要采用的半固态成形技术

镁合金半固态触变注射成形技术与流变成形相比，不需要事先将原材料经

搅拌成为半固态浆液；与触变铸造相比在于不需要先制取半固态铸锭。

该方法集半固态金属浆料的制备、输送和成形过程于一体，解决了半固态浆料的保存输送和成形控制等问题，具有较高的生产效率。

半固态触变注射成形法源于美国DOW化学公司（陶氏化学：

是化学化工行业的领头羊，世界500强之一，业内具有非常高的知名度和影响力）

触变注射成形工艺是美国DowChemical公司开发的,1992年由日本制钢所引入并完成成形机的研制开发"目前只有制钢所和Husky公司可以生产触变注射成形机[20,

由Thixomat公司将其商业化。

该法将塑料的注塑成形原理

与半固态金属触变成形工艺相结合。

该机主要由给料器、驱动和注射系统、螺杆、加热器、半固态金属累计器、喷嘴等组成。

通过加热剪切镁合金粒料，可产生含固相率在60%以上的半固态浆料，系统通过温控装置使560~630℃。

剪切螺旋的平移速度为380cm/s。

该设备主要由六大部分组成，

一是原材料给料系统，该系统利用抽吸式装料器自动地将原材料供给料斗，不断、定量地将颗粒状原材料送入螺旋剪切系统，颗粒状原材料由常规凝固合金切割或破碎而成

二是螺旋剪切系统，该系统主要由一只螺旋杆和外桶构成，颗粒状原材料在该系统中不断被板带电阻丝加热，并被螺旋杆剪切搅拌，形成预定固相分数的半固态浆料；

三是螺旋驱动系统，保证螺旋杆的正常剪切转动

四是半固态金属浆料收集系统，该系统主要由收集容器和单向阀构成，螺旋剪切系统制备的半固态金属浆料不断集中在收集容器中，单向阀的作用是防止浆料回流；

五是高速压射系统保证半固态金属浆料射入模具型腔时具有足够的压力和速度六是射铸模具，半固态金属浆料将被射入该模具型腔；

注射成形法工艺过程是，将被制成颗粒的镁合金原料（由枝晶镁合金铸锭制成，其组织仍为枝晶组织）从料斗中加入，在套筒中的镁合金原料通过电加热转变成半固体状态，在螺杆的剪切作用下，在套筒中半固体金属浆料形成了近乎于球形状的固体颗粒，在注射缸的作用下，以相当于塑料注塑机的10倍速率压射到模具内成形。

半固态触变注射成形生产过程中主要工艺参数

（1）料筒温度高低决定了浆料的固相率,而固相率是影响产品质量的重要因素"因此料筒温度是一项很重要的工艺参数"料筒分为五个独立的加热区分别加热控制,从进料口到喷嘴方向温度逐渐升高,以保证粒料加热时的形态和组织演变"为了防止热量向环境散失,电阻外有一层保温棉"料筒温度的选择一方面要保证浆料具有一定的固相率,且均匀分布,另一方面还应该保证半固态浆料在充型时不卷入太多的气体"

（2）螺杆转速可以分解成轴向的螺杆计量后退及向前推进浆料运动和切向旋转搅拌熔融的合金运动,相应的螺杆的速度分为轴向的注射速度和切向的旋转速度"螺杆转速影响半固态浆料的输送率!

剪切速率!

微观结构等,这是因为螺杆旋转对浆料产生剪切作用,螺杆转速的快慢决定了浆料剪切速率的大小,从而对浆料的微观组织结构产生影响;螺杆的旋转速度必须与给料机的进料动作相匹配,计量稳定时,由给料机提供的原材料的量和注射件的质量是相同的"

（3）注射速度是指半固态浆料射入模具时螺杆的向前运动速度"注射速度的计算公式如下:

v=S/tz（1.1）式中:

S））螺杆行程,tz））注射时间"

注射速度主要取决于产品形状和模具温度,一般是1-3m/s"注射速度过快会导致

浆料产生紊流,使产品气孔率增加"注射速度过慢则会导致半固态浆料充型时间变长,流动阻力大,造成模具型腔充不满等缺陷"因此,在实际生产中,注射速度要根据产品的材料和形状来确定,通常情况下,如果产品的壁厚较小,选择较高的注射速度,而产品的壁厚较大,则选择较低的注射速度"

（4）注射压力一般大约在600-800kg/cm2"随着注射压力的增加产品的孔隙减少,力学性能增加,但是增加注射压力会导致合金液对型腔的冲击增大,减小模具使用寿命"半固态浆料的固相率较高时,由于粘度大,选用较大的注射压力,半固态浆料的固相率较低时,由于粘度小,选用较小的注射压力"

（5）模具温度由于金属特别是镁合金的导热性好,所以模具温度一般较高"模具温度主要由产品的尺寸及形状!

性能要求和其他工艺条件决定"模具温度较低时,可以提高模具的使用寿命和生产效率,而模具温度较高时,可以使冷却速率相对均匀一些,减少了由于温差过大产生的翘曲!

裂纹等缺陷"通常情况下,当产品的壁厚较小时,模具温度要高一些,壁厚较大时,模具温度可以相对低一些"

（6）保压时间保压的作用是使金属液在压力的作用下凝固,以获得组织致密的产品"它主要取决于合金成分!

产品形状等,一般产品壁厚较大时,保压时间也相应地增加"

料筒温度取值包括：

580℃、590℃、600℃、610℃；

螺杆转速取值包括：

108r/min、140r/min、168r/min；

注射速度取值包括：

1.0m/s、1.4m/s、1.6m/s、2.0m/s、2.2m/s、2.6m/s；

模具温度取值包括：

180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃。

半固态触变注射成形工艺使用的原材料是镁合金颗粒，见图1-11。

一般认为，镁合金颗粒的大小没有严格的规定，只要能进入螺旋杆的螺棱之间即可，镁合金颗粒通常呈矩形，长度为3－6mm，且长宽比为5:

1

以上为现今制备触变注射成形原材料--镁合金颗粒的几种方法，但是究竟

什么样的颗粒最适合触变注射成形，不同的铸件参数、不同的工艺参数对颗粒

有何特殊的要求，目前还不明确，世界范围内对触变注射成形用镁合金颗粒的

质量尚无标准。

触变注射成形的原材料是可以循环使用的，方法有二。

其一是再熔法，也

就是说将瑕疵部件、流道、废边熔化后浇铸成锭，然后将镁锭切屑成片再作为

原料使用；另一种是不需要再熔化及做铸模工序的直接切屑方法，这种方法由

于其简单性，较之再熔法成本要低，其切屑不仅符合镁合金元素的规定，而且

符合耐腐蚀杂质的规定。

循环使用材料的拉伸性与初次使用材料的拉伸性相同。

目前由于工艺与设备的局限性，触变注射成形的原材料均为铸造合金牌号，且材料的选择性较小，常用的只有AZ91D、AM50A、AM60B和AS41四种,其中应用最成功的是AZ91D。

半固态触变注射成形AZ91D镁合金的显微组织

半固态触变注射成形后AZ91D镁合金的典型显微组织如图所示,半固态触变注射成形镁合金的显微组织由基体和在该基体中散布着球状、类球状或不规则

块状的固相组成。

基体由α-Mg和分布在晶界上的β相（Mg17Al12）组成。

大部分固相之间并无搭接,但也有部分固相颗粒相互聚集在一起。

部分固相内部还存在着形态不一的液相。

随着固相率的降低,固相中的熔池数量减少、尺寸有所增加;当固相率进一步降低时,明显可见,固相颗粒的尺寸减小。

在大多数半固态加工过程中，球状、类球状固相是依靠打碎枝晶的方式获得的。

在触变注射成形过程中，镁合金切屑自进入料筒到完成注射只有40余秒，不可能完全熔化。

图4-4示出了半固态触变成形镁合金组织中固相内的显微组织。

由图4-4（a）明显可见固相内的组织为枝晶组织+再结晶组织，枝晶组织的存在说明固相不是由枝晶打断而形成的，而是由未完全熔化的镁合金切屑构成。

图4-4（b）则示出即将一个固相即将熔断为两个固相，可见固相内还有少量的枝晶组织，两个固相之间还有少许连接，在两个连接部分之间已经形成了熔池，两部分固相即将熔断。

因此，显微组织中的固相应该由两部分组成，其一是未完全熔化的镁合金切屑（图4-3（a）-I），这是固相的主要部分；其二是已经熔化的部分，在螺杆剪切作用下形成的固相（图4-3（a）-II）。

由于半固态加工温度低，液相凝固组织细小，由打碎的枝晶组成的固相颗粒尺寸相当细小，因而在200倍视场下，显微组织中较大固相颗粒均为未完全熔化的镁合金切屑形成。

图4-5示出了固相所含液态熔池的凝固组织，可见固相中的熔池凝固组织

与基体基本相同。

半固态组织中固相内的液相分析

图4为采用EPMA波谱分析（WDS）对固相及固相内液相分别进行了成分分析。

可以看出,固相的成分与AZ91合金的成分基本相同,而固相中的熔池成分则与固相差距较大,其Al含量要远远高于AZ91合金的Al含量。

由于半固态注射成形的原材料是由枝晶铸锭切削制得,因此,在切屑中存在着明显的宏观和微观偏析。

半固态加工过程中,在料筒加热和螺杆剪切的作用下,

镁合金切屑开始熔化。

由于切屑内部组织的微观不均匀性,具有较高Al含量的部位熔点较低,则在加工过程中这些部位将率先熔化,在固相中形成小熔池,并

逐步使切屑熔化。

图4的分析结果也表明固相中熔池存在着明显的溶质偏聚,可支持这一推断。

一般认为半固态成形过程中,固相中的液相是在强烈搅拌过程中卷入固相中的。

从本试验结果来看,图4固相中的液相不是卷入液相中的。

因为液相若是卷入固相中,其成分应该与AZ91合金的成分相差不大,但是固相所包含液相的Al含量明显高于AZ91合金,应该是由于显微偏析导致固相中的局部区域率先熔化而形成的。

综合以上分析,作者认为在镁合金半固态触变成型显微组织中的固相由两部分组成,其一是未完全熔化的镁合金切屑（图3a-Ⅰ）,这是固相的主要组成部分;其二是已经熔化的部分,在螺杆剪切作用下形成的固相（图4~图3a-Ⅱ）。

由于半固态加工温度低,液相凝固组织细小,由打碎的枝晶组成的固相颗粒尺寸相当细小,因而在200倍视场下,显微组织中较大固相颗粒均为未完全熔化的镁合金切屑形成。

固相形态演化模型

在半固态加工中,固相的形成和变化是成型过程中的重要影响因素。

根据以上的研究结果,作者建立了如图所示的固相形态演变模型。

由于镁合金切屑的空间形态为沿长度方向扭曲的柱状,四周为强烈变形区域。

在制备过程中变形区域将率先熔化,形成液相,剩余的固相则呈现出不规则的长条状,由于固相内存在成分偏析,偏析处将先于固相其它部分熔化,形成数量和尺寸不等的熔池（图a）;从热力学上考虑,不规则的长条状固相并不稳定,界面曲率较大的位置在外部液相作用下,或是内部和外部液相共同作用下将继续发生熔化,固相中聚集的小尺寸熔池也将发生合并（图6）;随着进一步熔化,固相内部熔池与外部熔池连通,并继续熔化,已经合并的熔池也将继续熔化（图c）;在螺杆的剪切作用下,固相边缘大曲率边界将继续熔化至不规则的长条状固相熔断,同时合并长大的小液相熔池熔断固相边界（6d）。

继续剪切和加热,固相的形态将趋于圆整

随着加工工艺参数的改变,固相形态的演化并不一定要完全经历上述4个过程,而可能只经历1个或数个过程。

固相率的降低,意味着在加工过程中输入热量的增加,也就是对镁合金切屑熔化能力的提高。

由图3c-图3a可见,固相率逐渐下降,固相的尺寸减小,说明熔化能力在增加。

图3c中C和D分别指出了固相中的大尺寸熔池和聚集的小尺寸熔池,图中的固相形态较为规整,应是介于图6a和图6b之间的阶段;图3b中B指出的固相则是由于边界曲率的变化而发生的熔化,该固相已经基本熔断,只有下部略有相连,右侧固相内的熔池已经长大,是图6c阶段;图3a中A指出的两部分固相原来应为一个固相,已经完全熔断,是图6d阶段。

继续增加浆料制备时间,固相形态将趋于圆整。

结论：

根据试验结果,建立了固相形态的演变模型。

镁合金切屑的熔化首先产生于外部塑性变形和内部溶质偏聚区域。

固相中的熔池是由于内部溶质偏聚导致,而非剪切过程中卷入;由于固相边界曲率的变化以及在内外熔池的共同作用下,固相发生了边界熔化和形貌的改变。

镁合金具有良好的压铸工艺性能

1）合金液粘度低、流动性好、充型能力强，能够成形薄壁、复杂的铸件；

2）镁合金与铁基本上不发生反应，不侵蚀钢铁坩埚和模具，既避免坩埚对镁合金液的污染，又延长了钢铁坩埚和模具的使用寿命，一般模具的使用寿命比压铸铝合金时长2—3倍；

3）镁压铸件的尺寸精度比铝压铸件高，脱模力比铝合金小。

4）与铝、锌合金相比，镁合金具有较低的结晶潜热，因此型腔中的金属液能够快速凝固（100--1000℃/s），一般可比压铸铝周期缩短20—30%，减少模具磨损。

5）镁合金的密度只有铝合金的2/3，在相同的压射压力下，能够获得更高的内浇口压力。

上述特性保证了镁合金压铸的高生产效率、低生产成本以及良好的产品

质量。

半固态触变注射成形技术的特点

该成形方法的主要优点是:

成形温度低（比镁合金压铸温度低约100）、制件的气孔隙率较低（可低于0.1%）、尺寸精度高、重复性好（制件的质量误差为?

0.2%）。

此方法是目前国外成功地用于实际生产的唯一的/一步法0半固态金属成形工艺方法

触变注射成形是在从原料供给到零件制造的封闭系统内一次性完成的过

程，系统运行稳定性良好。

主要特点如下：

①清洁、安全、环保和节能。

与传统压铸相比，触变注射成形无需液态金属熔炼和浇铸等过程，不使用熔化炉，故单位成形件在该阶段的原材料消耗大大减少；无爆炸危险；没有熔渣产生；无需SF6气体保护，可以消除压铸生产中SF6气体对臭氧层的破坏作用；

②再生性好。

镁合金切屑或碎片经碾研后回收率近100%（可免除二次精炼过程）；

③终形或近终形成形。

成形件的收缩、残余应力以及变形小，典型触变注射成形件每10mm的线性误差为0.013mm，尺寸精度是普通压铸件的5倍左右，并且能够实现无拔模斜度注射成形，从而可减少或免除切削加工；

⑤能够改善成形件的韧性、耐腐蚀性、蠕变强度和焊接性，机械性能高于或相当于普通压铸件；

⑥成形件壁厚范围宽，可达0.35mm--25mm，迄今为止的最薄壁厚零件为一集成电路芯片的散热零件，其散热片厚度仅为0.35mm，散热片的间距也仅有0.25mm；

⑦成形过程卷入的气体大幅度减少，孔洞率（体积分数）一般为1.7%，而压铸件的孔洞率一般为3.2%，相对增加了47%。

故成形件的致密度较高，可以热处理；但是，目前触变注射成形还存在以下不足之处：

①采用镁合金颗粒作为原材料，成本高；

②关键构件（内螺杆及料筒内衬）耐磨性、耐蚀性差，使用寿命短，维护费用高；

③设备成本也比压铸高，整体投资成本较大；

④尚处于专利拥有期限内，专利支付费用大

存在的问题及今后的发展方向

触变注射成形技术在国外发达国家的应用正在呈不断上升的趋势，而在

我国的应用刚刚开始，研究工作也刚刚起步。

目前，注塑工艺在我国已经成

熟并早已实现产业化，半固态压铸技术尤其是镁合金半固态压铸技术仅处于

实验室研究阶段。

要开发出具有独立知识产权的触变注射成形技术，需要新

型注塑工艺和镁合金半固态压铸技术密切结合在一起，在此基础上进行深层

次的研究和开发。

在未来的若干年内，触变注射成形技术的专利和许可，以及成形设备高

昂的费用等一系列问题将成为我国广泛应用此种技术的严重障碍和制约。

借

鉴和消化国外的专利技术，避开国外对此项技术的专利保护，组织力量开发

出具有独立知识产权的新一代触变注射成形技术，将成为填补此项技术在我

国应用空白的可行而经济的选择，有助于使我国在高质量镁合金件的制造技

术方面与世界发达国家处于同一水平