鎂基復(fù)合材料半固態(tài)鑄造成形現(xiàn)狀及其發(fā)展

胡亞平　袁露

摘 要 隨著社會(huì)的發(fā)展，半固態(tài)成形技術(shù)的研究愈來(lái)愈被研究人員所重視，逐步從未知走上成熟，半固態(tài)成形技術(shù)為顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的成形開拓了新的途徑。本文就半固態(tài)鑄造成形關(guān)鍵技術(shù)和影響成形質(zhì)量的因素及半固態(tài)鑄造再國(guó)內(nèi)的發(fā)展前景做了討論和研究。

關(guān)鍵詞 半固態(tài) 半固態(tài)壓鑄 鎂基復(fù)合材料 觸變鑄造

中圖分類號(hào)：TG249.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.04.018

Situation and Development of Magnesium

Matrix Composite semi-solid Casting

HU Yaping， YUAN Lu

（Jiangxi Agricultural University， Nanchang， Jiangxi 330045）

Abstract With the development of society， the study of semi-solid forming technology increasingly valued by researchers， gradually moving from an unknown mature， semi-solid forming technology for forming particulate reinforced magnesium matrix composites has opened up new avenues. In this paper， semi-solid casting and forming key technical factors that influence the forming quality and semi-solid casting further the country's development prospects were discussed and studied.

Key words semi-solid; semi-solid casting; magnesium matrix composites; thixocasting

1 鎂基復(fù)合材料半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院的M.C.fleming教授等人首次提出了半固態(tài)成形技術(shù)以來(lái)，隨著社會(huì)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于低成本、輕量化、高性能鑄造產(chǎn)品的需求越來(lái)越大，然而鎂基復(fù)合材料因其具有的良好性能，高耐熱性、穩(wěn)定性等等在軍事、航空航天、汽車工業(yè)等得到了廣泛的應(yīng)用。發(fā)展至今，半固態(tài)壓鑄成形技術(shù)充分應(yīng)用了半固態(tài)金屬或者金屬基復(fù)合材料的特性，利用減少材料顆粒的滑動(dòng)，提高材料分子的粘塑性，使得成形更加緊密，減少氣孔和收縮，實(shí)現(xiàn)實(shí)體平穩(wěn)充型。①然而，半固態(tài)壓鑄成形技術(shù)較傳統(tǒng)的全液態(tài)壓鑄技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于減少了對(duì)壓鑄設(shè)備及零部件的熱沖擊，從而減少了設(shè)備的磨損。提高了壓鑄模面的使用率，延長(zhǎng)了使用時(shí)間，同時(shí)也提高了鑄件品質(zhì)，操作簡(jiǎn)單方便。半固態(tài)成形技術(shù)還沒(méi)有完全地被開發(fā)，還需逐漸走向成熟。②

2 鎂基復(fù)合材料成形技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容

2.1 鎂基復(fù)合材料的特點(diǎn)

鎂的密度較鋁的密度要小，其密度是1.74g/cm3，稱為了目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，這也就造就了鎂的一些獨(dú)特的屬性，比如鎂的高比強(qiáng)度和高比剛度，同時(shí)還具有良好的阻尼性能和電磁屏蔽等性能，然而鎂也有不足之處，由于鎂元素比較活潑，燃點(diǎn)比較低，鎂合金在熔煉和加工過(guò)程中極容易氧化燃燒，③使得合成難度加大。鎂基復(fù)合材料作為新型成型技術(shù)，鎂基復(fù)合材料半固態(tài)加工逐漸形成一個(gè)新的研究領(lǐng)域。鎂合金是低密度、高比強(qiáng)度的一種物質(zhì)。鎂合金的成形方法的研究是當(dāng)今社會(huì)的一大重大研究方向，鎂合金作為輕質(zhì)材料的新代表，在軍事領(lǐng)域，關(guān)于運(yùn)用部件方面，例如艦船構(gòu)件、推進(jìn)裝置等需要輕重量的零部件，既滿足了要求，提高了效率，又降低了成本。④然而鎂基復(fù)合材料是以鎂合金為基體，增強(qiáng)相和基體與增強(qiáng)相間的接觸面組成，已然成為金屬基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)之一。顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料與其他纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料相比，更實(shí)用、工藝更簡(jiǎn)單，價(jià)格更低廉。鎂基復(fù)合材料的制備方法有多種：粉末冶金法、熔體浸滲法、全液態(tài)攪拌法、半固態(tài)攪熔鑄造法、噴射沉積法。從而，鎂基復(fù)合材料的重加工、回收性能較好，有較高的耐磨性和耐高溫性。

2.2 金屬基復(fù)合材料半固態(tài)成形技術(shù)

半固態(tài)壓鑄成形技術(shù)是半固態(tài)成形技術(shù)中的核心部分之一，半固態(tài)壓鑄成形技術(shù)分為流變壓鑄和觸變壓鑄兩種，流變壓鑄是將液態(tài)金屬一邊攪拌一般冷卻至固液兩相區(qū)，然后將攪拌完畢的半固態(tài)金屬漿料直接放入壓射室進(jìn)行壓鑄成形，觸變壓鑄則是將經(jīng)攪拌等工藝獲得的具有非枝晶組織的半固態(tài)坯料冷卻凝固后，制成所需要的尺寸，⑤再對(duì)坯料按所需要求進(jìn)行切割成塊并且進(jìn)行二次加熱，當(dāng)達(dá)到某個(gè)預(yù)定的溫度后轉(zhuǎn)移到壓射室進(jìn)行成形的方法。在兩種方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和結(jié)果的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)流變壓鑄流程短、材料損失少，節(jié)能低耗，所以流變壓鑄更受使用者的青睞。

半固態(tài)成形方法分為：非觸變材料和觸變材料半固態(tài)加工以及金屬基復(fù)合材料半固態(tài)制備成形等三種。其中非觸變材料半固態(tài)加工主要分為液態(tài)冷卻和固態(tài)重熔法;觸變材料半固態(tài)加工分為半固態(tài)塑性成形和半固態(tài)鑄造。顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料一般也是在半固態(tài)條件下進(jìn)行攪拌，同時(shí)在金屬基體中加入一些增強(qiáng)體，維持在液相線或者是半固態(tài)狀態(tài)，然后壓鑄成形，實(shí)現(xiàn)半固態(tài)鑄造。所謂半固態(tài)，肯定是處于固態(tài)和液態(tài)相鄰的狀態(tài)，那么半固態(tài)金屬基復(fù)合材料成形是在固液之間進(jìn)行的，融合了鑄造和塑性成形的工藝特點(diǎn)，此種成形技術(shù)存在其優(yōu)點(diǎn)如下：⑥（1）材料方便運(yùn)輸和成形，簡(jiǎn)單易操作;（2）過(guò)程生產(chǎn)效率高，節(jié)約用料，設(shè)備使用頻率緩和，成形應(yīng)力低，形成優(yōu)良的工作環(huán)境;（3）鑄件成形過(guò)程收縮孔洞少，便于操作，加入增加材料方便，節(jié)約材料成本、性能穩(wěn)定、有較高的耐壓性。

半固態(tài)金屬成形具有低能耗、高精度、高強(qiáng)度、高表面光潔度及減小部件重量等優(yōu)點(diǎn)。在固相率較低時(shí)，大概范圍在小于50%時(shí)，半固態(tài)金屬主要成流變特性;在固相率大于50%時(shí)，半固態(tài)金屬的性質(zhì)在具有流變特性的同時(shí)，更為明顯的是晶粒顆粒構(gòu)成的固體骨架的粘塑性變形特性，半固態(tài)金屬基復(fù)合材料在高固相率下進(jìn)行觸變成形時(shí)，變形抗力減少顆?；瑒?dòng)，增強(qiáng)顆粒的塑性變形，變形機(jī)制亦如此，⑦綜合了凝固加工和塑性加工的長(zhǎng)處。

3 影響半固態(tài)壓鑄的因素

顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料具有良好的高溫性能和熱穩(wěn)定性，還有較高的耐磨性能，卻大大地降低了塑性，不利于對(duì)其進(jìn)行二次塑性加工，形成復(fù)雜零件。鎂基復(fù)合材料半固態(tài)的研究工作只要集中在非枝晶組織的力學(xué)性能、半固態(tài)鎂基復(fù)合材料攪動(dòng)時(shí)的組織演變、以及半固態(tài)等溫過(guò)程中的組織演變等方面，影響半固態(tài)力學(xué)性能的因素不僅僅有固相晶粒的形貌、尺寸，半固態(tài)材料中液相的凝固組織和凝固行為也會(huì)影響其性能。在半固態(tài)鑄造工藝當(dāng)中，工藝的好壞往往受到溫度、固相分?jǐn)?shù)、攪拌的剪切速率、時(shí)間以及硬件設(shè)備的影響，我們可以通過(guò)控制工藝過(guò)程中的溫度高度變化、固相分?jǐn)?shù)、時(shí)間長(zhǎng)短，攪拌速度的快慢等。在硬件方面，應(yīng)該加強(qiáng)半固態(tài)鑄造成形設(shè)備的研制開發(fā)，讓設(shè)備更加專業(yè)化。

4 發(fā)展前景

目前，關(guān)于鎂基復(fù)合材料的半固態(tài)成形的研究越來(lái)越受更多人的關(guān)注，很多企業(yè)和一些機(jī)構(gòu)都在密切關(guān)注半固態(tài)成形技術(shù)，并且組織相關(guān)人員進(jìn)行進(jìn)一步的研究，將研究成果進(jìn)行廣泛應(yīng)用。隨著電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的輕量化要求、低成本、低消耗的要求越來(lái)越高。鎂基復(fù)合材料半固態(tài)成形技術(shù)有了一定的突破，但由于我國(guó)的鑄造設(shè)備和技術(shù)比較落后，而發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)其設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行壟斷，造成成形技術(shù)的推進(jìn)比較緩慢。⑧然而，我國(guó)是世界上最大的鎂生產(chǎn)國(guó)，我們應(yīng)發(fā)揮好這一優(yōu)勢(shì)，加大鎂基復(fù)合材料的壓鑄成型技術(shù)的研究，廣泛運(yùn)用于當(dāng)今社會(huì)。因此，鎂基復(fù)合材料半固態(tài)成形技術(shù)還是有大的發(fā)展空間。

5 結(jié)語(yǔ)

半固態(tài)壓鑄成形將會(huì)成為鎂基復(fù)合材料鑄件的主流技術(shù)，如何降低設(shè)備造價(jià)、減少維修費(fèi)用，降低原材料成本，縮短生產(chǎn)周期等，成為當(dāng)今社會(huì)的主要研究方向。我國(guó)在半固態(tài)鑄造技術(shù)方面較其他國(guó)家還是有一定的差距，因此，我們要努力加強(qiáng)相關(guān)設(shè)備、技術(shù)的研發(fā)，找到相應(yīng)的突破口，緊追時(shí)代的步伐，縮短差距，向新型科技進(jìn)軍。

*本文通訊作者為袁露

基金項(xiàng)目：江西省青年科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：20111522040290

注釋

①⑦Fan Z.Semisolid metal processing[J].International Materials Reviews，2002.47（2）：49-63.

② 趙大志，路貴民，崔建忠.半固態(tài)鑄造技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r[J].鑄造，2005.10.54（10）：943.

③ 周冰鋒，閆洪.AZ61鎂合金半固態(tài)觸變擠壓成形工藝研究[J].熱加工工藝，2009.38（19）：73.

④⑥郭澤亮.鎂合金半固態(tài)成形技術(shù)的進(jìn)展[A].第四屆有色合金及特種鑄造國(guó)際會(huì)議論文集[C].2005.9.

⑤ 艾桃桃.半固態(tài)鑄造技術(shù)的研究狀況及應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010.2（2）：65.

⑧ 李元東，郝遠(yuǎn)，陳體軍，閆峰云.鎂合金半固態(tài)成型的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].特種鑄造及有色合金，2001（2）：78.