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摘 要 系统介绍了近年来金属半固态成形技术的理论研究及工业应用的进展情况，讨论了半固态成形技术的应用优势、存在问题、研究重点及其发展策略。
关键词 半固态成形；研究和应用；连续铸造
半固态成形技术（SSF：Semi－Solid Forming)是在合金处于液相线与固相线温度之间进行成形的一种特殊工艺技术。它最早是70年代初由美国麻省理工学院David Spener在研究用于锡铅合金高温粘度计时偶然发现合金在半固态下的特殊流变行为[1]。这一发现立即受到了Fleming的重视，并组织专题组进行了广泛深入的研究，发明了金属流变铸造和触变铸造半固态成形的新技术。由于该技术具有许多独特的优点，已经成为金属成形加工的热点技术之一。经过了近30年的不断研究和开发，各国在半固态加工技术方面已经取得了一系列的重大进展，并在半固态铸造(流变铸造和触变铸造)的基础上，发展出了半固态挤压、半固态锻造、半固态轧制等新技术[2]。同时，在铝、镁、锌等低熔点金属的半固态成形技术已得到了广泛应用的情况下，开展了铜、钛等有色金属及黑色金属材料半固态成形技术的研究和应用。
1、 半固态成形技术概述
1．1 制备方法分类
金属半固态成形方法一般分为液态法、控制凝固法和固相法三种[3]。
(1)液态法：是指对正在凝固的液态金属进行机械、电磁或振动等处理，使其枝晶破碎，逐步再球化成非枝晶组织，其中电磁搅拌连铸技术已用于生产。
(2)控制凝固法：利用控制金属液凝固速度或加入某些添加剂抑制枝晶生长，形成细小的枝晶组织。其中日本东北大学开发的液相线凝固法和我国东南大学开发的添加剂法较为成功，已逐步向工业化生产应用推广。
(3)固态法：主要有塑性变形及重结晶法（SIMA法），以及粉末冶金（如喷射沉积）和形变热处理法等。
1．2 半固态成形与超塑成形的比较
半固态坯成形的主要关键技术是使其初晶球状化、细晶化[4]，这与超塑性的组织极其相似，但超塑性要求晶粒度为5μM～10μm，若大于10μM则难以实现超塑性，而半固态晶粒度要求范围很宽，一般小于100μm即可。因此，半固态成形与超塑性相比，方法多、过程简单、容易实现。
1．3 半固态成形的工艺
半固态成形工艺有两种：一是通过搅拌在半固态条件下直接成形；另一种是将半固态坯料冷却凝固后，按其所需尺寸下料，再重新加热到半固态温度后进行成形加工，在实际工业生产中主要采用后一种工艺方法。在重新加热成形中，坯料加热的温度控制是半固态工艺成败的关键，温度太低时由于共晶硅尚未重熔，导致力学性能下降，其中延伸率下降最大[4]。过度加热使坯料变形、坍塌、晶粒粗大，成形难度增加。一些半固态成形典型零件的力学性能如表1所示。
1．4 半固态成形用材料
在铝合金系列中，适宜于半固态成形的材料为传统的铸造铝合金，如A356(Al－7Si－0.3Mg)及A357(Al－7Si－0.6Mg)；也在其他铸造合金及锻造合金中作了尝试，如6061(Al－1Mg－0.6Si)、ZXXX合金(Al－Cu)、7075(Al－6.2Zn－2.2Mg－2.3Cu)及Al－Li合金等。锻造合金一般不具备这种条件，因为其固相率难以掌握，但锻造合金的综合力学性能较佳[5]。
2 、国内外理论研究进展与应用概况
2．1 半固态成形的理论研究进展
1、半固态成形坯的枝晶球化机制
为了保证金属在半固态下具有流变性和触变性，半固态坯料的组织应为球状晶，但不同的研究者认为，半固态球状组织形成的机制并不相同，目前关于球状晶形成的机制有以下四种观点：枝晶臂形变机制[7]、枝晶臂熔断机制[8]、枝晶塑性破碎机制[9]、抑制晶粒呈枝晶长大机制[10]。
2、半固态塑性变形机制
（1）半固态成形物理模型及变形机制——当固相体积分数较高的情况下，固相晶粒间部分接触且液相充满晶间空间。在变形的早期阶段，晶粒接触处的弹塑性变形和固相晶粒间粘结约束的破坏是主要的；在变形的第二阶段，相对于固相的液相流动阻力和晶粒重新排列的阻力是主要的，且它们对流动应力的相对贡献取决于固相体积分数[13]。
(2)半固态塑性加工力学模型及实验验证——通过细致分析金属半固态成形的整个过程，提出半固态下拉压变形行为的不对称理论模型，并用排液变形、不排液变形及剪切实验验证了其力学模型的正确性[12]。
3、半固态金属成形数值模拟
(1)二次加热过程模拟——Kirkwood用通用模拟软件SCEDDY对310不锈钢坯料二次加热过程进行模拟，并与实验结果进行比较，保温阶段坯料的温度差值小于10℃[13]。
(2)半固态金属充型过程模拟[14]——Gebelin等人采用Flux Expert有限元软件分析了Sn－Pb和Al－Si半固态合金充型过程。结果表明，在平行板挤压过程中，端面磨擦力、试件形状及液相偏析等对半固态Sn－Pb合金充型过程的平稳进行有重要影响。
(3)半固态锻造数值模拟——采用粘塑性有限元法和Darcy定律模拟了半固态材料固相变形和液相流动[10]。
2．2 半固态成形国内外应用概况
1、半固态成形应用概述
金属半固态成形技术起源于美国，而且至今美国在半固态成形技术领域仍处于全球的领先水平，同时该技术在欧洲各国和日本等也得到了很大发展和广泛应用。美国的Alumax公司分别建成了两个半固态铝合金零件生产厂，生产汽车铝合金制动泵体，其机械加工量只占铸件质量的13%，而金属型铸造件的加工量则为铸件的40%，而且半固态成形比金属型成形的泵体的质量减少约13%。1997年，这两个工厂年生产能力为5000万件铝合金半固态成形件[3]。该公司1994年建成汽车零部件半固态锻造厂，1995年就生产出了500万个汽车零部件，合格率几乎达到100%。目前，美国半固态成形汽车零件以每年100万件的速度在增长[15]。
在欧洲，瑞士的Alusuisse公司、德国的EFU公司、意大利的Stampal SPA公司、法国Pechiney公司等都将半固态成形加工技术作为最重要的发展领域，并将它推向工业化应用。据统计，目前在欧洲约有40家公司从事半固态成形零件毛坯的生产，并有继续增加的趋势。在意大利利用半固态成形技术生产的悬挂架的左右支撑件毛坯质量达7kg，且形状非常复杂。另外，意大利的微波儿铸造厂采用该技术制造汽车喷油系统的“油道”，其形状复杂且加工难度大，采用半固态成形技术，利用直径0.8mm、长度320mm（斜度为0.04°）的钢芯即可制造出油道的盲孔。由于采用了新工艺，提高了生产效率，减少了机械加工和模具费用，比原工艺降低成本20%以上[16]。此外，瑞士的Bubler公司已能够生产半固态铝合金触变成形的专用SC型压铸机和铝合金半固态坯料的专用加热设备，并可对压铸过程实施监控，大大改善了铸件的性能，降低了压铸件的废品率。
日本对金属半固态成形的研究和应用相对落后于美国和欧洲，但近年来也进行了大量的研究开发工作。最具代表性的是流变技术公司（RHEO－TECHNOLOGY LTD），开展了半固态成形件的原材料制备、表观粘度和成形技术等基础研究。另外，日本的一些公司已经开始转入金属半固态成形件的产品生产，如Speed Star Wheel 公司1994年开始用半固态成形技术生产铝合金轮毂（质量约5kg）；Takata公司利用Thixomolding技术生产镁合金照相机和MD壳；MG Precision公司利用Thixomolding技术生产镁合金微机机壳等[3]。
我国东南大学、清华大学、有色金属总院等单位也分别开展了有色金属半固态成形技术的研究，如北京有色总院采用电磁搅拌技术制备了半固态A357合金，在形状因素和晶粒度等指标上与法国Pechiney公司的半固态材料相近。目前，已成功地用半固态成形技术制成了涡轮连杆和水泵盖等三种汽车零件，并通过了X射线的探伤检测。近年来，国内使用半固态成形技术的企业不断增加，且应用范围也越来越广，主要用于减轻零件质量和降低制造成本，如以前悬挂系统为例，原用钢件质量为27kg，而使用铝合金半固态成形的零件的质量仅为14.8kg，约减少了45%的质量[6]。此外，1996年河北科技大学开展了黑色金属的半固态连铸技术研究，经国家教育部组织专家鉴定，达到了国际先进水平，填补了我国黑色金属半固态连铸技术的空白[17]。另外，如北京科技大学还开展了黑色金属半固态轧制成形技术的研究，并已经取得了重大进展[18]。
2、半固态成形的应用典型实例
半固态成形技术已用于制造从几十克到9kg的多种零件，如用铝硅合金可用于制造汽车的制动器、轿车轮毂、发动机零件、燃料供给系统和空调零部件、悬挂装置及数种军工用品，几种典型的应用实例如下[6]：
(1)汽车主刹车缸体 坯料为电磁搅拌制备的φ76mm半固态成形的棒料，其气密性和耐磨性均优于金属型铸造，经实测氮气的渗透压可达9．7MＰA，抗疲劳测试结果为30～100万次没有磨损现象。与金属铸造工艺相比生产效率显著提高，两种工艺生产主气缸体的质量与效率的比较如表2所示。
（2）汽车铝合金轮毂 采用半固态成形工艺可克服低压铸造工艺生产铝合金轮毂时废品率高、生产效率低的缺点，而且可大幅度提高轮毂的强度和减少一定的质量，两种工艺制造轮毂的质量与性能比较如表3所示。
3、 半固态成形应用优势及存在的问题
3．1 半固态成形的应用优势
半固态成形工艺可分为流变成形和触变成形，其中流变成形经过了20多年的研究和生产应用，表明了这种工艺技术具有诸多应用的优势[19]。
（1）用途广——流变铸造可以直接成形，也可以用压铸、挤压铸造、模锻成形、金属型铸造和砂型铸造成形，大量研究表明，适合于流变铸造的金属有：铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、镍合金、钴合金、铅合金、铸铁、不锈钢、碳钢、合金钢和工具钢等。采用半固态成形工艺制造的中小型零件的壁厚最小可达0．5MM。
（2）能耗小——可充分发挥流变铸造的特点，将流变铸造与连续铸造结合起来，由流变铸造专业厂批量生产各种各样的锭材、棒材或板材，制造厂可按需求购买流变铸造材料，重新加热到固－液温度范围，就可直接成形，因而可大大地降低制造厂的能耗。
（3）铸件质量好——普通液态金属成形通常是喷溅充形，而流变铸造是实体平稳充型，即充型前的浆料部分或大部分呈固体状态，充型时不喷溅、无湍流、包封气体少，减少或消除了气孔、缩孔，组织致密。对于一些特殊铸件还可以进行热处理提高其强度，如高强度铝合金铸件，可消除金属型压铸后热处理出现鼓包的现象。
（4）可制备复合材料——采用流变铸造工艺可制备无强度要求的铸件，如仪表外壳、装饰品等，通过加入一些廉价的非金属材料，增加材料的色彩，降低质量和成本。另外，在铝合金浆料加入经过处理的石墨、石英砂、玻璃等耐磨材料，能提高耐磨性3倍以上。
（5）能实现以铸代锻——半固态合金流变浆料具有流动性，在成形过程中的变形抗力大大低于固态成形的抗力，为“以铸代锻”提供了广阔的发展前景，许多中小型零件若以铸代锻可大幅度降低其制造成本。
（6）提高工模具寿命——由于半固态成形的成形温度大大低于液态压铸和挤压铸造的温度，这不仅为黑色金属压铸提供了新的技术途径，也可大大降低压铸时金属对压射室、压射套筒及模具的热冲击，有利于提高压铸机和模具的使用寿命。
3．2 存在问题及研究重点
半固态成形技术经过了大量研究，已经取得了许多重要的进展，并已经在一些产品上得到了应用，但由于其发展历史相对较短，在技术上还存在着一定的不足，也有许多问题有待深入研究，这里仅以半固态连铸技术为例进行分析与讨论[17]。
1、目前存在的主要问题
（1）对半固态连铸的过程稳定性重视不够，拉漏和拉断的现象时有发生；
（2）配套设施不够完善，工艺设计及过程控制缺乏依据；
（3）半固态连铸坯料的组织及表面质量还有待进一步改善；
（4）生产效率低，目前连铸速度只有500mm/min，远低于现代连铸的水平。
2、今后应开展研究的重点
（1）过程稳定性研究——通过对半固态连铸过程失稳现象的观察分析，有人已经提出了半固态连铸过程稳定性的三个判据[20]，并在白口铁、ZGMｎ13及Aｌ－Sｉ合金中得到证实，但这三个判据的广泛适用性和表达式的简化还有待进一步的研究；
（2）连续冷却条件下半固态浆料流变性研究——等温条件下的半固态浆料的流变性研究已经取得了长足的进展，但连续冷却条件下的流变性研究相对较少。而这一问题是决定半固态浆料顺利下行的关键所在，因而也是半固态连铸过程稳定性的关键问题；
（3）工艺设计准则的研究——目前的半固态连铸试验和生产都没有明确的工艺设计准则，因而工艺试验量很大，而且目前提出的一些准则和计算公式是对有关问题的定性认识，其可靠性和有效性还有待进一步研究；
（4）坯料特性的研究——通过对半固态连铸坯的力学性能、物理性能及冶金质量的系统研究，可为半固态铸造的研究和应用指明方向，也为半固态连铸连轧工艺的开发奠定了技术基础；
（5）与现代连铸技术的结合——半固态连铸是在现代连铸技术基础上发展起来的，尽管它有自己独特的技术内涵，但要成为工业规模下的实用技术，就必须与现代连铸技术结合，并借鉴现代连铸技术的一些成熟技术。
3、半固态成形技术的发展策略
（1）由于半固态成形技术目前的理论研究和工艺研究还不十分成熟，应进一步加强半固态成形的技术基础和开发研究，以推动半固态成形技术的推广应用；
（2）在半固态成形技术的应用中，价格始终是一个最重要的因素，应努力开发具有自主知识产权的制备技术，提高生产效率，以大幅度降低坯料的生产成本；
（3）为促进半固态成形技术的应用，应开发更多适合于半固态成形的合金，如新型合金C355（Aｌ－ 6Sｉ－1Cｕ－1MG），可通过T5处理，降低热处理成本，该合金经T5处理后的力学性能等于或超过了经T6处理的A355合金；
（4）努力扩大半固态成形技术的应用范围，重点推广其在汽车、家电行业的应用，而且只有扩大市场的应用份额，才会使半固态成形件的价格下降。
（5）加强半固态成形技术专用生产装备的研究和开发力度，使半固态成形技术逐步实现大规模工业化的生产，以满足不断扩大的市场需求。
参考文献
[1] Spener D B and Flemings M C.Rheocasting [J]. Materils Science Engineer, 1976(25): 103~107
[2] 洪慎章． 半固态模锻的应用及及发展． 模具技术， 1999（1）: 60～65
[3] 罗守靖等．半固态加工技术及其应用[Ｊ]．中国有色金属学报，2000，10（6）:765～773
[4] 吴炳克．半固态金属铸造成工艺的研究现状及发展前景[Ｊ]．铸造，1999（3）:45～51
[5] 王益志．半固态成形中的某些关键技术[Ｊ]．铸造，2001，50（10）:587～593
[6] 蒋鹏．半固态成形技术的工业应用与评价[Ｊ]．机械工人（热加工），2000（5）:5～6
[7] Kirkwood D H.Semisolid metal processing [J].Inter Mater Reviews,1994,39(5):173~189
[8] Flemings M S.Solidification Process(凝固过程)[M].Beijing: Metallurgical Industry Press, 1981
[9] Gabathuler J P, et al.Evaluation of various processes for production of billets with thixotropic properties [A].Proceedings of 2nd International Conference on Semi-solid processing of Alloys and Composites [C].USA, Massachusetts,1992.33~46
[10] Liu Dan (刘丹).铝合金液相线铸造制浆及半固态加工工艺及理论研究[D].Shinnying Northeaster University,1999
[11] Tzimas F and Zavaliangos A.Mechanical behavior of alloys with equiaxed macrostructure in the semi-solid state at high solid content [J].Acta Mater,1999,47(2):517~528
[12] Nguyen T G.Theoretical and experimental study of the isothermal mechanical behavior of alloys in the semi-solid state [J]. Int. J Plast,1994.693~699
[13] Kirkwood D H.The numerical modeling of heating melting and slurry flow for semi-solid processing of alloys and Compositions [C].Proc of the 5th Int Cone on SSP of Alloys and Compositions[C].Colorado,1998.33~40
[14] 张大辉，等．半固态铸造充型过程数值模拟研究进展[Ｊ]． 热加工工艺，2000（4）: 43～45．
[15] 张奎，等．铝合金半固态加工技术应用[Ｊ]．中国有色金属学报，2000，10（1）:135～140．
[16] Bhasin A K,et al.Proceedings of the 5th Inter Conf on Semi-solid Processing of Alloys and Composites[C],June,1998,Golden,Colorado,USA
[17] 李亚敏，等.半固态连铸技术研究现状与展望[J].热加工工艺，2000(4)：46～48
[18] 宋仁伯，等.半固态60Si2Mn直接轧制成形技术的研究. 特种铸造及有色金属，2002，(5)：13-15
[19] 樊刚，程钢.半固态材料成形应用[J].铸造成形技术，2001（3）:26～29
[20] 邢书明.难变形钢铁材料连铸技术[D].北京，北京科技大学，1999
关键词 半固态成形；研究和应用；连续铸造
半固态成形技术（SSF：Semi－Solid Forming)是在合金处于液相线与固相线温度之间进行成形的一种特殊工艺技术。它最早是70年代初由美国麻省理工学院David Spener在研究用于锡铅合金高温粘度计时偶然发现合金在半固态下的特殊流变行为[1]。这一发现立即受到了Fleming的重视，并组织专题组进行了广泛深入的研究，发明了金属流变铸造和触变铸造半固态成形的新技术。由于该技术具有许多独特的优点，已经成为金属成形加工的热点技术之一。经过了近30年的不断研究和开发，各国在半固态加工技术方面已经取得了一系列的重大进展，并在半固态铸造(流变铸造和触变铸造)的基础上，发展出了半固态挤压、半固态锻造、半固态轧制等新技术[2]。同时，在铝、镁、锌等低熔点金属的半固态成形技术已得到了广泛应用的情况下，开展了铜、钛等有色金属及黑色金属材料半固态成形技术的研究和应用。
1、 半固态成形技术概述
1．1 制备方法分类
金属半固态成形方法一般分为液态法、控制凝固法和固相法三种[3]。
(1)液态法：是指对正在凝固的液态金属进行机械、电磁或振动等处理，使其枝晶破碎，逐步再球化成非枝晶组织，其中电磁搅拌连铸技术已用于生产。
(2)控制凝固法：利用控制金属液凝固速度或加入某些添加剂抑制枝晶生长，形成细小的枝晶组织。其中日本东北大学开发的液相线凝固法和我国东南大学开发的添加剂法较为成功，已逐步向工业化生产应用推广。
(3)固态法：主要有塑性变形及重结晶法（SIMA法），以及粉末冶金（如喷射沉积）和形变热处理法等。
1．2 半固态成形与超塑成形的比较
半固态坯成形的主要关键技术是使其初晶球状化、细晶化[4]，这与超塑性的组织极其相似，但超塑性要求晶粒度为5μM～10μm，若大于10μM则难以实现超塑性，而半固态晶粒度要求范围很宽，一般小于100μm即可。因此，半固态成形与超塑性相比，方法多、过程简单、容易实现。
1．3 半固态成形的工艺
半固态成形工艺有两种：一是通过搅拌在半固态条件下直接成形；另一种是将半固态坯料冷却凝固后，按其所需尺寸下料，再重新加热到半固态温度后进行成形加工，在实际工业生产中主要采用后一种工艺方法。在重新加热成形中，坯料加热的温度控制是半固态工艺成败的关键，温度太低时由于共晶硅尚未重熔，导致力学性能下降，其中延伸率下降最大[4]。过度加热使坯料变形、坍塌、晶粒粗大，成形难度增加。一些半固态成形典型零件的力学性能如表1所示。
1．4 半固态成形用材料
在铝合金系列中，适宜于半固态成形的材料为传统的铸造铝合金，如A356(Al－7Si－0.3Mg)及A357(Al－7Si－0.6Mg)；也在其他铸造合金及锻造合金中作了尝试，如6061(Al－1Mg－0.6Si)、ZXXX合金(Al－Cu)、7075(Al－6.2Zn－2.2Mg－2.3Cu)及Al－Li合金等。锻造合金一般不具备这种条件，因为其固相率难以掌握，但锻造合金的综合力学性能较佳[5]。
2 、国内外理论研究进展与应用概况
2．1 半固态成形的理论研究进展
1、半固态成形坯的枝晶球化机制
为了保证金属在半固态下具有流变性和触变性，半固态坯料的组织应为球状晶，但不同的研究者认为，半固态球状组织形成的机制并不相同，目前关于球状晶形成的机制有以下四种观点：枝晶臂形变机制[7]、枝晶臂熔断机制[8]、枝晶塑性破碎机制[9]、抑制晶粒呈枝晶长大机制[10]。
2、半固态塑性变形机制
（1）半固态成形物理模型及变形机制——当固相体积分数较高的情况下，固相晶粒间部分接触且液相充满晶间空间。在变形的早期阶段，晶粒接触处的弹塑性变形和固相晶粒间粘结约束的破坏是主要的；在变形的第二阶段，相对于固相的液相流动阻力和晶粒重新排列的阻力是主要的，且它们对流动应力的相对贡献取决于固相体积分数[13]。
(2)半固态塑性加工力学模型及实验验证——通过细致分析金属半固态成形的整个过程，提出半固态下拉压变形行为的不对称理论模型，并用排液变形、不排液变形及剪切实验验证了其力学模型的正确性[12]。
3、半固态金属成形数值模拟
(1)二次加热过程模拟——Kirkwood用通用模拟软件SCEDDY对310不锈钢坯料二次加热过程进行模拟，并与实验结果进行比较，保温阶段坯料的温度差值小于10℃[13]。
(2)半固态金属充型过程模拟[14]——Gebelin等人采用Flux Expert有限元软件分析了Sn－Pb和Al－Si半固态合金充型过程。结果表明，在平行板挤压过程中，端面磨擦力、试件形状及液相偏析等对半固态Sn－Pb合金充型过程的平稳进行有重要影响。
(3)半固态锻造数值模拟——采用粘塑性有限元法和Darcy定律模拟了半固态材料固相变形和液相流动[10]。
2．2 半固态成形国内外应用概况
1、半固态成形应用概述
金属半固态成形技术起源于美国，而且至今美国在半固态成形技术领域仍处于全球的领先水平，同时该技术在欧洲各国和日本等也得到了很大发展和广泛应用。美国的Alumax公司分别建成了两个半固态铝合金零件生产厂，生产汽车铝合金制动泵体，其机械加工量只占铸件质量的13%，而金属型铸造件的加工量则为铸件的40%，而且半固态成形比金属型成形的泵体的质量减少约13%。1997年，这两个工厂年生产能力为5000万件铝合金半固态成形件[3]。该公司1994年建成汽车零部件半固态锻造厂，1995年就生产出了500万个汽车零部件，合格率几乎达到100%。目前，美国半固态成形汽车零件以每年100万件的速度在增长[15]。
在欧洲，瑞士的Alusuisse公司、德国的EFU公司、意大利的Stampal SPA公司、法国Pechiney公司等都将半固态成形加工技术作为最重要的发展领域，并将它推向工业化应用。据统计，目前在欧洲约有40家公司从事半固态成形零件毛坯的生产，并有继续增加的趋势。在意大利利用半固态成形技术生产的悬挂架的左右支撑件毛坯质量达7kg，且形状非常复杂。另外，意大利的微波儿铸造厂采用该技术制造汽车喷油系统的“油道”，其形状复杂且加工难度大，采用半固态成形技术，利用直径0.8mm、长度320mm（斜度为0.04°）的钢芯即可制造出油道的盲孔。由于采用了新工艺，提高了生产效率，减少了机械加工和模具费用，比原工艺降低成本20%以上[16]。此外，瑞士的Bubler公司已能够生产半固态铝合金触变成形的专用SC型压铸机和铝合金半固态坯料的专用加热设备，并可对压铸过程实施监控，大大改善了铸件的性能，降低了压铸件的废品率。
日本对金属半固态成形的研究和应用相对落后于美国和欧洲，但近年来也进行了大量的研究开发工作。最具代表性的是流变技术公司（RHEO－TECHNOLOGY LTD），开展了半固态成形件的原材料制备、表观粘度和成形技术等基础研究。另外，日本的一些公司已经开始转入金属半固态成形件的产品生产，如Speed Star Wheel 公司1994年开始用半固态成形技术生产铝合金轮毂（质量约5kg）；Takata公司利用Thixomolding技术生产镁合金照相机和MD壳；MG Precision公司利用Thixomolding技术生产镁合金微机机壳等[3]。
我国东南大学、清华大学、有色金属总院等单位也分别开展了有色金属半固态成形技术的研究，如北京有色总院采用电磁搅拌技术制备了半固态A357合金，在形状因素和晶粒度等指标上与法国Pechiney公司的半固态材料相近。目前，已成功地用半固态成形技术制成了涡轮连杆和水泵盖等三种汽车零件，并通过了X射线的探伤检测。近年来，国内使用半固态成形技术的企业不断增加，且应用范围也越来越广，主要用于减轻零件质量和降低制造成本，如以前悬挂系统为例，原用钢件质量为27kg，而使用铝合金半固态成形的零件的质量仅为14.8kg，约减少了45%的质量[6]。此外，1996年河北科技大学开展了黑色金属的半固态连铸技术研究，经国家教育部组织专家鉴定，达到了国际先进水平，填补了我国黑色金属半固态连铸技术的空白[17]。另外，如北京科技大学还开展了黑色金属半固态轧制成形技术的研究，并已经取得了重大进展[18]。
2、半固态成形的应用典型实例
半固态成形技术已用于制造从几十克到9kg的多种零件，如用铝硅合金可用于制造汽车的制动器、轿车轮毂、发动机零件、燃料供给系统和空调零部件、悬挂装置及数种军工用品，几种典型的应用实例如下[6]：
(1)汽车主刹车缸体 坯料为电磁搅拌制备的φ76mm半固态成形的棒料，其气密性和耐磨性均优于金属型铸造，经实测氮气的渗透压可达9．7MＰA，抗疲劳测试结果为30～100万次没有磨损现象。与金属铸造工艺相比生产效率显著提高，两种工艺生产主气缸体的质量与效率的比较如表2所示。
（2）汽车铝合金轮毂 采用半固态成形工艺可克服低压铸造工艺生产铝合金轮毂时废品率高、生产效率低的缺点，而且可大幅度提高轮毂的强度和减少一定的质量，两种工艺制造轮毂的质量与性能比较如表3所示。
3、 半固态成形应用优势及存在的问题
3．1 半固态成形的应用优势
半固态成形工艺可分为流变成形和触变成形，其中流变成形经过了20多年的研究和生产应用，表明了这种工艺技术具有诸多应用的优势[19]。
（1）用途广——流变铸造可以直接成形，也可以用压铸、挤压铸造、模锻成形、金属型铸造和砂型铸造成形，大量研究表明，适合于流变铸造的金属有：铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、镍合金、钴合金、铅合金、铸铁、不锈钢、碳钢、合金钢和工具钢等。采用半固态成形工艺制造的中小型零件的壁厚最小可达0．5MM。
（2）能耗小——可充分发挥流变铸造的特点，将流变铸造与连续铸造结合起来，由流变铸造专业厂批量生产各种各样的锭材、棒材或板材，制造厂可按需求购买流变铸造材料，重新加热到固－液温度范围，就可直接成形，因而可大大地降低制造厂的能耗。
（3）铸件质量好——普通液态金属成形通常是喷溅充形，而流变铸造是实体平稳充型，即充型前的浆料部分或大部分呈固体状态，充型时不喷溅、无湍流、包封气体少，减少或消除了气孔、缩孔，组织致密。对于一些特殊铸件还可以进行热处理提高其强度，如高强度铝合金铸件，可消除金属型压铸后热处理出现鼓包的现象。
（4）可制备复合材料——采用流变铸造工艺可制备无强度要求的铸件，如仪表外壳、装饰品等，通过加入一些廉价的非金属材料，增加材料的色彩，降低质量和成本。另外，在铝合金浆料加入经过处理的石墨、石英砂、玻璃等耐磨材料，能提高耐磨性3倍以上。
（5）能实现以铸代锻——半固态合金流变浆料具有流动性，在成形过程中的变形抗力大大低于固态成形的抗力，为“以铸代锻”提供了广阔的发展前景，许多中小型零件若以铸代锻可大幅度降低其制造成本。
（6）提高工模具寿命——由于半固态成形的成形温度大大低于液态压铸和挤压铸造的温度，这不仅为黑色金属压铸提供了新的技术途径，也可大大降低压铸时金属对压射室、压射套筒及模具的热冲击，有利于提高压铸机和模具的使用寿命。
3．2 存在问题及研究重点
半固态成形技术经过了大量研究，已经取得了许多重要的进展，并已经在一些产品上得到了应用，但由于其发展历史相对较短，在技术上还存在着一定的不足，也有许多问题有待深入研究，这里仅以半固态连铸技术为例进行分析与讨论[17]。
1、目前存在的主要问题
（1）对半固态连铸的过程稳定性重视不够，拉漏和拉断的现象时有发生；
（2）配套设施不够完善，工艺设计及过程控制缺乏依据；
（3）半固态连铸坯料的组织及表面质量还有待进一步改善；
（4）生产效率低，目前连铸速度只有500mm/min，远低于现代连铸的水平。
2、今后应开展研究的重点
（1）过程稳定性研究——通过对半固态连铸过程失稳现象的观察分析，有人已经提出了半固态连铸过程稳定性的三个判据[20]，并在白口铁、ZGMｎ13及Aｌ－Sｉ合金中得到证实，但这三个判据的广泛适用性和表达式的简化还有待进一步的研究；
（2）连续冷却条件下半固态浆料流变性研究——等温条件下的半固态浆料的流变性研究已经取得了长足的进展，但连续冷却条件下的流变性研究相对较少。而这一问题是决定半固态浆料顺利下行的关键所在，因而也是半固态连铸过程稳定性的关键问题；
（3）工艺设计准则的研究——目前的半固态连铸试验和生产都没有明确的工艺设计准则，因而工艺试验量很大，而且目前提出的一些准则和计算公式是对有关问题的定性认识，其可靠性和有效性还有待进一步研究；
（4）坯料特性的研究——通过对半固态连铸坯的力学性能、物理性能及冶金质量的系统研究，可为半固态铸造的研究和应用指明方向，也为半固态连铸连轧工艺的开发奠定了技术基础；
（5）与现代连铸技术的结合——半固态连铸是在现代连铸技术基础上发展起来的，尽管它有自己独特的技术内涵，但要成为工业规模下的实用技术，就必须与现代连铸技术结合，并借鉴现代连铸技术的一些成熟技术。
3、半固态成形技术的发展策略
（1）由于半固态成形技术目前的理论研究和工艺研究还不十分成熟，应进一步加强半固态成形的技术基础和开发研究，以推动半固态成形技术的推广应用；
（2）在半固态成形技术的应用中，价格始终是一个最重要的因素，应努力开发具有自主知识产权的制备技术，提高生产效率，以大幅度降低坯料的生产成本；
（3）为促进半固态成形技术的应用，应开发更多适合于半固态成形的合金，如新型合金C355（Aｌ－ 6Sｉ－1Cｕ－1MG），可通过T5处理，降低热处理成本，该合金经T5处理后的力学性能等于或超过了经T6处理的A355合金；
（4）努力扩大半固态成形技术的应用范围，重点推广其在汽车、家电行业的应用，而且只有扩大市场的应用份额，才会使半固态成形件的价格下降。
（5）加强半固态成形技术专用生产装备的研究和开发力度，使半固态成形技术逐步实现大规模工业化的生产，以满足不断扩大的市场需求。
参考文献
[1] Spener D B and Flemings M C.Rheocasting [J]. Materils Science Engineer, 1976(25): 103~107
[2] 洪慎章． 半固态模锻的应用及及发展． 模具技术， 1999（1）: 60～65
[3] 罗守靖等．半固态加工技术及其应用[Ｊ]．中国有色金属学报，2000，10（6）:765～773
[4] 吴炳克．半固态金属铸造成工艺的研究现状及发展前景[Ｊ]．铸造，1999（3）:45～51
[5] 王益志．半固态成形中的某些关键技术[Ｊ]．铸造，2001，50（10）:587～593
[6] 蒋鹏．半固态成形技术的工业应用与评价[Ｊ]．机械工人（热加工），2000（5）:5～6
[7] Kirkwood D H.Semisolid metal processing [J].Inter Mater Reviews,1994,39(5):173~189
[8] Flemings M S.Solidification Process(凝固过程)[M].Beijing: Metallurgical Industry Press, 1981
[9] Gabathuler J P, et al.Evaluation of various processes for production of billets with thixotropic properties [A].Proceedings of 2nd International Conference on Semi-solid processing of Alloys and Composites [C].USA, Massachusetts,1992.33~46
[10] Liu Dan (刘丹).铝合金液相线铸造制浆及半固态加工工艺及理论研究[D].Shinnying Northeaster University,1999
[11] Tzimas F and Zavaliangos A.Mechanical behavior of alloys with equiaxed macrostructure in the semi-solid state at high solid content [J].Acta Mater,1999,47(2):517~528
[12] Nguyen T G.Theoretical and experimental study of the isothermal mechanical behavior of alloys in the semi-solid state [J]. Int. J Plast,1994.693~699
[13] Kirkwood D H.The numerical modeling of heating melting and slurry flow for semi-solid processing of alloys and Compositions [C].Proc of the 5th Int Cone on SSP of Alloys and Compositions[C].Colorado,1998.33~40
[14] 张大辉，等．半固态铸造充型过程数值模拟研究进展[Ｊ]． 热加工工艺，2000（4）: 43～45．
[15] 张奎，等．铝合金半固态加工技术应用[Ｊ]．中国有色金属学报，2000，10（1）:135～140．
[16] Bhasin A K,et al.Proceedings of the 5th Inter Conf on Semi-solid Processing of Alloys and Composites[C],June,1998,Golden,Colorado,USA
[17] 李亚敏，等.半固态连铸技术研究现状与展望[J].热加工工艺，2000(4)：46～48
[18] 宋仁伯，等.半固态60Si2Mn直接轧制成形技术的研究. 特种铸造及有色金属，2002，(5)：13-15
[19] 樊刚，程钢.半固态材料成形应用[J].铸造成形技术，2001（3）:26～29
[20] 邢书明.难变形钢铁材料连铸技术[D].北京，北京科技大学，1999