半固態(tài)加工技術(shù)，歷經(jīng)40多年的研究和發(fā)展，對(duì)其認(rèn)識(shí)愈來愈深入。開始，人們認(rèn)為它僅僅是一種新穎的鑄造加工方法，繼而認(rèn)為是塑性加工的延伸，且是鍛造和鑄造之間的一個(gè)加工鏈、金屬加工的一種補(bǔ)充。后來在對(duì)鑄、鍛兩種加工方法的發(fā)展軌跡研究基礎(chǔ)上，驚奇地發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)加工技術(shù)不僅是作為工藝方法的補(bǔ)充出現(xiàn)在金屬加工領(lǐng)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(xì)等軸晶類變形組織，而非枝晶，具有極好的力學(xué)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(gè)指標(biāo)，比較了3種工藝方法，得出了深入開展半固態(tài)加工技術(shù)的研究和應(yīng)用，是推進(jìn)“節(jié)能減排”的最佳途徑之一。隨著時(shí)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(shù)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(yùn)用于汽車關(guān)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(fù)印機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪、手機(jī)外殼、筆記本外殼等。
半固態(tài)壓鑄技術(shù)綜合了傳統(tǒng)的鑄造和鍛造兩種成形方法的優(yōu)點(diǎn)，既可以提高零件的力學(xué)性能，也可以成形形狀復(fù)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(diǎn)。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(shè)備。
1、半固態(tài)加工出現(xiàn)的背景
20世紀(jì)70年代初，美國麻省理工學(xué)院的D.B.Spencer在其導(dǎo)師M.C.Flemings教授指導(dǎo)下，進(jìn)行鋼鐵鑄造的“熱裂”現(xiàn)象研究時(shí)，在自制的高溫粘度計(jì)中測量Sn-15Pb合金高溫粘度時(shí)發(fā)現(xiàn)，在攪拌中合金的枝晶結(jié)構(gòu)遭到破壞。即金屬在凝固的過程中，進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，即使在較高的固相率時(shí)，半固態(tài)金屬仍只有相當(dāng)?shù)偷募羟辛鲃?dòng)應(yīng)力。這是由于存在獨(dú)特的球形顆粒結(jié)構(gòu)，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(xué)屬性，由此開始的半固態(tài) 加工技術(shù)研究，與鑄造加工和塑性加工一起，成為金屬加工新領(lǐng)域。
2、 半固態(tài)加工工藝特性及進(jìn)展的深度認(rèn)識(shí)
2.1、工藝特性
(1)加工溫度低液態(tài)壓鑄時(shí)，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(shí)，高溫液態(tài)金屬對(duì)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(shí)，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(yīng)力作用下，其流動(dòng)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(dòng)，不僅要克服金屬流動(dòng)阻力，而且要克服型腔表面的摩擦力。對(duì)于較復(fù)雜件，需要多個(gè)步驟才能完成。而對(duì)于特別復(fù)雜件，采用熱模鍛，可能相當(dāng)困難。所有這些均需要消耗大量能量，需要大噸位的鍛造設(shè)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(dāng)。半固態(tài)金屬具有較高的粘度，壓鑄時(shí)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(qiáng)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(yīng)用同步推進(jìn)，大致可分為3個(gè)階段。
(1)基礎(chǔ)研究階段：從20世紀(jì)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(guān)系;枝晶組織向非枝晶轉(zhuǎn)變機(jī)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(gòu)關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，開發(fā)了多種半固態(tài)漿料或坯料的制備技術(shù); 半固態(tài)成形技術(shù)及其計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。
(2)應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段：20世紀(jì)80年代末至90年代中期是應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段，其主要特點(diǎn)重在制漿或制坯方法的開發(fā)和完善;成形工藝參數(shù)對(duì)制件力學(xué)性能的影響規(guī)律及控制;應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展及其典型制件的選取，及試驗(yàn)研究分析。
(3)工業(yè)化應(yīng)用階段：進(jìn)入20世紀(jì)90年代后期，半固態(tài)加工技術(shù)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)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(jī)和美國THIXOMAT半固態(tài)注射成形機(jī)的生產(chǎn)。
2.3、工藝特性與發(fā)展前景
(1) 工藝特性再認(rèn)識(shí)
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(xué)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(jìn)步，這是其一。其二，對(duì)于鍛造工藝來講，降低成形力，即進(jìn)入塑性變形狀態(tài)的流動(dòng)極限。半固態(tài)漿料或坯料，當(dāng)不受力時(shí)，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(yīng)使其象液體一樣，具有粘性流動(dòng)充填特性。這就使鍛造材料，對(duì)于任何復(fù)雜制件，均可以實(shí)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(dòng)應(yīng)力低，最終無枝晶似塑性變形組織。
(2) 半固態(tài)加工工藝進(jìn)展
再認(rèn)識(shí)半固態(tài)加工經(jīng)過約3個(gè)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(dá)國家，對(duì)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(yīng)用，還有相當(dāng)?shù)木嚯x。因此，對(duì)半固態(tài)加工技術(shù)發(fā)展思想和軌跡，進(jìn)行回顧和思考，是必要的。
?、倏茖W(xué)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(fù)的特性;液態(tài)利用其良好的流動(dòng)性充填，而后凝固，從而實(shí)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(fù)合，實(shí)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(xué)行為。因此，3種加工方法，處于同等的科學(xué)位置。
?、诩夹g(shù)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(shí)間晚，而且視之為鑄鍛工藝的一種補(bǔ)充。這樣半固態(tài)加工的研究和應(yīng)用，自然地納入了鑄或鍛發(fā)展的軌道。文獻(xiàn)指出，需要制件具有高完整性、高可靠性時(shí)，半固態(tài)技術(shù)才能顯現(xiàn)出其競爭優(yōu)勢。
?、蹜?yīng)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(yùn)輸;成形設(shè)備及工藝參數(shù)，品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域， 面臨諸多困難。
3、“節(jié)能減排”促進(jìn)半固態(tài)加工技術(shù)發(fā)展
3.1 節(jié)材的兩個(gè)指標(biāo)
“節(jié)能減排”中的節(jié)能，既有對(duì)能源消耗的降低，也有對(duì)原材料( 已消耗大量能源) 的節(jié)約。節(jié)材應(yīng)包括兩個(gè)方面，并可用兩個(gè)指標(biāo)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(duì)于重力鑄造，毛坯還應(yīng)包括冒口質(zhì)量;對(duì)于鍛造，還應(yīng)包括中間開坯、下料，及沖孔連皮、飛邊等損失的質(zhì)量;對(duì)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(dāng)。
3.1.2 材料性能利用率
材料性能利用率，即材料實(shí)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(dá)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(guān)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(yīng)用，這就會(huì)出現(xiàn)“物未盡其能”的窘境。
3.2 對(duì)幾種工藝方法節(jié)材的評(píng)價(jià)
3.2.1 壓力鑄造工藝技術(shù)
壓力鑄造工藝主要指壓力補(bǔ)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(dǎo)熱。導(dǎo)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(diǎn)物質(zhì)先凝固，低熔點(diǎn)物質(zhì)后凝固，易產(chǎn)生成分和組織偏析?；谶@些，鑄造后的材料性能，很難達(dá)到材料本身應(yīng)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(xì)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(shù)
鍛造工藝是以鑄坯為加工對(duì)象，進(jìn)行塑性加工，使其坯料中枝晶組織獲得破碎，然后經(jīng)再結(jié)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(jìn)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(dá)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(dá)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(jī)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(shè)備，這是一。塑性變形實(shí)現(xiàn)固態(tài)充填，需要耗費(fèi)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(shù)
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(xì)等軸晶組織。若成形時(shí)，有較大的塑性流動(dòng)，即成形存在枝晶破碎和再結(jié)晶過程，其組織有望達(dá)到鍛造變形組織的水平;若成形時(shí)，塑性流動(dòng)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(zhǔn)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(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于鍛造工藝。其機(jī)制緣于半固態(tài)材料存在“剪切變稀”的流動(dòng)效應(yīng)，充填性高于鍛造工藝所致。
因此，評(píng)價(jià)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(shí)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(shí)，有鑄造工藝相近的流動(dòng)性，而成形后，可熱處理，接近或達(dá)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(jī)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(dá)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(shí)現(xiàn)材料的節(jié)約，即以消耗較少的資源，達(dá)到同一個(gè)制造目標(biāo)。通常是改變?cè)O(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)輕型、合理，再就是研制開發(fā)新的材料加工的工藝和設(shè)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(duì)現(xiàn)存工藝進(jìn)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(jià)。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(yīng)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(gè)鏈，應(yīng)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(yīng)用，構(gòu)筑了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)。
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(gè)世紀(jì)了，人們?cè)谠u(píng)價(jià)其優(yōu)劣中認(rèn)識(shí)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(yīng)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(lǐng)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(guān)鍵在哪里?原因在于：
(1)對(duì)制漿(坯)技術(shù)的認(rèn)識(shí)，文獻(xiàn)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(yīng)用前景存在疑慮，普遍不看好。還有哪種技術(shù)，可與它相媲美?特別是對(duì)各種制漿( 坯) 方法缺乏全面評(píng)估，包括工藝性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性。沒有工藝規(guī)范、品質(zhì)保障和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等，使企業(yè)無法判斷和評(píng)價(jià)。這就阻礙了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
(2)專用設(shè)備的研制和開發(fā)基于半固態(tài)加工技術(shù)潛在應(yīng)用前景，專用設(shè)備廠家有興趣于此，并作了大膽嘗試。關(guān)鍵在于設(shè)備開發(fā)必須與市場相對(duì)接。這是一個(gè)很重要的課題，必須組織力量，有政府支持去實(shí)現(xiàn)，否則，單打獨(dú)斗，不能持久，更形成不了規(guī)模。
(3)研究工藝適應(yīng)性要抓住半固態(tài)加工應(yīng)用的重點(diǎn)，即“長”在何處，“短”在何處，做到“揚(yáng)長避短”。
筆者認(rèn)為，其“長”在于能成形無枝晶和準(zhǔn)鍛造再結(jié)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(yáng)“長”，使其性能達(dá)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(dāng)今生產(chǎn)規(guī)模最大的一種輕合金成形工藝，其最大弱點(diǎn)也在于最后組織為枝晶，且因卷入氣體，不能進(jìn)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(jié)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(fù)雜、尺寸較大的制件，這大大降低了成形設(shè)備的噸位和能耗。
(3)大力推進(jìn)半固態(tài)加工在高端材料成形領(lǐng)域的應(yīng)用，部分替代采用大型設(shè)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(zhuǎn)變。