文/兰州理工大学材料科学与工程学院/黄海军、陈体军、刘明伟、包 蕊
摘要：流变压铸有着比触变压铸更大的优势，如高效、节能、废料利用率高、工艺流程短、制件性能更优等，特别是在当前能源、环境的压力下正重新受到关注；但因流变浆料贮存、输送等问题严重限制了其发展。针对流变压铸技术，详述了流变压铸的优点及当前的发展前沿；分析了制约流变压铸发展的“瓶颈”，简单介绍了当前解决阻碍流变压铸发展的一些做法，并对流变压铸的前景进行了展望。
关键词：流变、压铸、半固态、成形技术、前景
前言
半固态成形技术以其节能、高效、近终成形及成形件性能高等诸多优点，成为21世纪最具发展前景的金属成形工艺之一，尤其在有色金属成形方面，有其突出的优势。半固态成形根据其流程工艺不同，可分为半固态流变与半固态触变， 目前应用较为广泛的是半固态触变成形，尤其是触变压铸技术把“新兴”半固态成形技术与成熟的压铸技术有机的结合，取得了优异的效果，已广泛应用于交通及消费品行业。与半固态流变相比，触变成形具有易夹持、易转移、易实现工业化的优势，因此广泛受到重视。但触变成形也有其不足，工艺复杂是常说的“三步法”；耗能，需要二次加热。尤为重要的是流变成形件具有更优的性能。因此，笔者认为半固态成形的前景是流变压铸。
一、流变技术简介
半固态成形技术起源于流变，但由于流变成形中半固态坯料的储存与运输存在较大的困难，对其的研究与应用也相对滞缓。因而，触变成形发展相对迅速，但经多年的研究和实践发现，触变成形还存在以下工艺问题： （1）半固态铝合金坯料成本高，制备坯料时额外高出约40％的费用；（2）传统电磁搅拌的功率大、效率低、能耗高；（3）传统电磁感应重熔加热的能耗高，坯料表面氧化严重，而且加热时坯料总会流失部分金属，占坯料质量的5％~12％；（4）坯料的液相分数不能太高，否则非常复杂零件的成形困难；（5）锯屑、坯料重熔加热时的流汤、浇注系统（占坯料质量的10％～20％）和废品（所有回炉料约占坯料质量的40％～50％）不能马上回收利用，必须返回到坯料制备车间或坯料供应生产厂，增加了成形生产成本；（6）坯料的成分、晶粒形状和晶粒分布的不均匀性直接影响浆料质量。因而，流变成形又重新受到重视。流变成形是将制备好的半固态浆料直接送入成形设备成形，无需经历二次加热重熔。而流变压铸是将制备好的半固态金属浆料，直接转移到压射室进行压铸的一种净终成形方法。不仅具有半固态成形铸件凝固收缩少，且成形不易裹气，因此铸件致密，可热处理强化的普遍特点，而且相对其他半固态成形而言，晶粒更细小，不存在宏观偏析，性能更优异。因而，流变成形技术受到广泛的期待。
二、流变压铸的优势
从半固态浆料的结构方面来说，半固态合金成形的基础是半固态非枝晶组织的流变性和触变性，但此特性是由其微观结构所决定。研究认为：对于给定的半固态合金浆料，固态颗粒的聚集程度决定了体系的表观粘度，而剪切速率和剪切时问是间接地通过改变聚集程度来影响粘度。触变性产生的微观基础是在任意时刻固体颗粒的聚集速率和解聚速率不相等。若解聚过程比聚集过程快得多，则意味着由流变途径产生的半固态浆料要比通过触变二次加热产生的，半固态浆料具有更细小，固相颗粒更接近球形，且聚集程度更低。因而，具有较好的流变特征、良好的充型能力，更适宜于压铸成形。相比传统压铸成形件，半固态成形件有明显的热处理强化特性。因为在传统的液态压铸成形过程中，合金液以高速的紊流填充型腔而裹气，加之型腔内的气体及涂料产生的气体在成形时无法有效地排除，在高压下溶解在合金中或形成弥散分布的高压微气孔。气体和微气孔在高温下析出和膨胀，导致压铸件变形和表面鼓泡，这些将造成传统液态压铸件无法通过热处理强化。而半固态成形技术中，半固态成形坯料一般有4o％- 60％的固相率，而且成形温度较液态成形低约100℃，加之半固态充型时，浆料以层流方式填充型腔，这大大减小了皮下气孔和缩松等缺陷，增加了致密度。文献表明，AZ91D半固态成形件的显微组织中疏松明显减少，气孔率至少下降50%。 与传统压铸镁合金件相比较，半固态成形件的气孔率为0.4％-0.8％，而前者则达到了2.5％ -3.0％。故热处理对提高半固态成形件的力学性能具有明显的可行性。尤其是流变压铸，其组织更加致密，热处理后其强化相更加分散、均匀，使其可热处理性能更加卓著。
在能耗方面，流变压铸不像触变压铸需要二次重熔加热，不会造成在二次加热时的表面氧化和流汤，而且能减少额外的加工费用；流变压铸浆料可以比触变压铸浆料有更高的液相率，因而有更好的充型能力，能成形更为复杂的零件；压铸余料、浇注系统料、废品料及流汤等料能马上回用，而不必像触变成形那样需要重回坯料制备车间或坯料供应生产厂，这样不仅能充分利用废料，节约成本，而且能减小能源的消耗。总之，流变压铸比触变压铸具有更节能、成形件性能更优和工艺流程更短等优势。因此，流变压铸将是金属半固态成形技术中的一个重要的发展方向。
三、流变压铸新进展
3.1 低过热度制浆式流变压铸成形
近来出现了一批基于“球形组织直接生长”半固态组织生长机制的流变成形技术。该理论认为，在低过热度条件下浇注，可以在合金熔体中大量形核；在冷却速率一定时，只要合金在凝固初期形成足够多的晶核，就能从合金的熔体中直接获得近球形或球形的组织，无需经过枝晶球化。根据该理论产生的新型流变成形技术有，低过热度倾斜版浇注式流变压铸成形、低过热度浇注和弱机械搅拌式流变压铸成形、低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变压铸等。
3.1.1 低过热度倾斜版浇注式流变成形
低过热度倾斜版浇注式流变成形技术是由日本UBE公司开发的，称为New Rheocasting， 简称NRC，其工艺过程如图1所示。首先降低浇注合金的过热度，将合金液浇注到一个倾斜板上，合金熔体流人收集坩埚，再经过适当的冷却凝固；这时在金属液中产生球状初生固相，均匀分布在低熔点的残余液相中，最后进行温度调整获得均匀的温度场，就可以将收集于坩埚中的半固态合金浆料送人压铸机压射。这种技术的浆料质量难以保障，UBE公司对其冷却方式与后处理进行了改进， 开发出UNRC工艺， 如图2所示。该过程先把合金熔体注入坩埚，通过向坩埚四周吹气控制其冷却速度，使初生近球状颗粒均匀分布，初步得到半固态浆料；然后，通过温度调整和机械翻转，获得尽可能均匀的组织；最后将半固态浆料送入压铸机型腔压铸成形。
南昌大学在低过热度倾斜版浇注式流变成形的基础上，开发了剪切低温浇注式半固态流变压铸工艺。这种工艺是将具有特定过热度的合金熔体，在自身重力和输送管转动的共同作用下流进输送管，在输送管末端熔体温度被控制在液相线以下2～5℃ ，后流人浆料蓄积器，此时合金熔体具有大量的细小初晶。将熔体缓慢冷却到所需温度，然后倒入压铸机的压射室进行压铸成形。
3.1.2 低过热度浇注和弱机械搅拌式流变压铸
低过热度浇注和弱机械搅拌式流变压铸成形技术即SSR(Semi.Solid Rheocasting)技术，如图3所示。该技术原理是：将低过热度的合金浆料浇注到制备坩埚中，利用镀膜的铜棒对合金液进行短时间的机械搅拌，同时将合金浆料的温度降低到液相线以下，使合金半固态浆料处于合适的温度，最终将合金浆料倒人压铸机的压射室进行压铸成形。
3.1.3 低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变压铸
低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变压铸工艺流程是：将低过热的合金熔体先浇注到制备坩埚中，利用电磁搅拌技术对合金熔体施加弱的剪切作用，同时将坩埚中的熔体冷却到合适的温度，最后将坩埚中的半固态浆料倒入压铸机的压射室进行压铸成形。
3.2 压射室制浆式流变压铸成形
面对半固态浆料的储存和输送问题， 日本Hitachi金属有限公司提出了在压射室制备半固态浆料，然后直接压铸的方法 ，如图4所示。将合金熔体注入压射室，在压射室外围电磁搅拌器的作用下，对合金熔体产生剪切作用，同时冷却到合适的温度，得到适宜的半固态浆料，然后直接压铸成形。但在成形的过程中，合金熔体的保护是待解决的问题，Shibata等用电磁泵和热吸管将熔化炉中的合金液直接送入压铸机，避免与空气接触，再通过氩气保护进一步减少浆料中的氧化夹杂，如图5所示。
3.3 双螺旋流变压铸成形技术
双螺旋流变压铸是在流变射铸成形的基础上发展起来的。固态流变射铸是将塑料成形工艺与半固态技术结合起来的一种新技术。最早研究流变注射成形的，是美国Concell大学的Wang K K等，他们研究的流变注射成形的结构如图6所示。液态合金进入料筒后，在下行的过程中，受到螺旋的连续机械搅拌作用，同时冷却得到半固态浆料。当浆料积累到一定量后，由注射装置注射成形。在此基础上，英国Brunel大学的Fan和Bevis提出了双螺旋机械搅拌流变射铸工艺，如图7所示。这种双螺旋搅拌机构使金属液体的运动非常独特：金属在螺旋外以“8”字形方式流动，而且从一个斜面到达另一个斜面，成“8”字形螺旋前进，从而推动金属沿螺旋轴向流动，从一个螺旋到另一个螺旋，金属经历了拉伸、折叠和调整的循环过程。另外，由于螺旋和圆筒问隙的周期性变化，造成金属受到周期性变化的剪切速率(最小剪切速率出现在螺纹根部，最大剪切速率出现在双螺旋的啮合区间)。这使得合金熔体得到较高周期性变化的剪切变形和较高的湍流强度。在强制对流条件下，金属充分过冷。由于剧烈的搅拌作用，分散了高熔点金属熔体，增大了潜在的形核点，导致形核率增大，同时细化初始晶粒。随着剪切速率和湍流强度的增加，晶粒由蔷薇状晶形成球状晶，从而获得细小均匀球状晶的半固态组织。
2001年，华中科技大学罗吉荣等 “对双螺杆结构进行了改进，把两个螺杆的螺纹从原来的单一导程、单一错列角改为多导程、多错列角，从而使得浆料在不同温度阶段受到不同剪切作用，使制得的半固态组织更加理想。Fan等在此基础上开发了双螺旋机械搅拌式流变压铸工艺，不过目前还处于试验研究阶段。
3.4 其他新型流变压铸成形技术
北京科技大学开发了一种新型流变成形设备一锥桶式流变成形，这种设备很好的将半固态浆料制备与压铸成形结合起来，如图8所示。搅拌器由内桶与外桶组成，两桶为锥式，两者倒装、同轴，在上端电机带动下旋转。将制好的合金熔体倒入具有双桶结构的搅拌装置中，合金熔体在内桶外壁和外桶内壁的旋转作用下，通过两桶之问的缝隙时，受到剧烈的剪切作用，合金溶解在搅拌器中同时冷却，从而制备出晶粒细小，组织均匀的半固态组织。然后将一定量的半固态浆料注人压射室压射成形。
韩国学者洪俊杓等提出一种新型的电磁搅拌流变铸造系统，如图9所示。该系统在合金液送入压室前启动电磁搅拌，这不仅能促进形核，缩短制浆时间，提高压铸效率，而且可以在压室的中央和内壁之间能有效的搅拌合金液，使热流传递充分，温度均匀，使各部分浆料组织均匀，抑制压室内壁处因激冷而出现枝晶。
毛卫民等提出两段式电磁搅拌制浆流变铸造系统。其工艺过程是：将低过热度(一般过热5-30℃)的合金熔体浇人承接容器中，同时施加短时间弱电磁搅拌。在合金中初步得到近球状初生晶，经进一步冷却或保温，使球状初晶得到进一步圆整化，得到组织优异的半固态浆料。最后将圆整化后的浆料送入压室压铸成形。意德拉集团公司研发的意德拉SSR技术把SSR工作站简单的集成到压铸单元中 ，方便地利用常规合金、现有的压铸设备和工艺。SSR工作站中的PLC ，通过所检测的各种工艺参数变量来计算金属液搅拌所需的时间，以便产生稳定的浆料。这种方法的特点是控制方便、准确，而且使用低的固相率(小于20％)成形，并能减少后续铸件的处理(如浸渗)，极大地减少了成本。
四、流变压铸应用所面临的问题
当前制约流变压铸发展的主要问题，仍然是半固态浆料的制备、储存与运输。在半固态浆料制备方面，目前有很多方法，如电磁搅拌法、变形诱变激活法、超声振动法、单辊旋转法、晶粒细化法、喷射沉积法、粉末冶金法、低过热度浇注法及紊流效应法等，但常用的电磁感应法和变形诱变激活法，不仅在制浆方面都存在不足，而且在制浆后都将面临浆料的储存和运输问题。
电磁搅拌法制浆的优点在于电磁参数易控制，浆料不直接接触搅拌装置而产生污染，而且还能起到延长制浆设备的使用寿命，便于实现自动化制浆。但电磁搅拌法也有其不足，由于磁场的分布不均，使得在整体浆料中产生的剪切力不均，特别是在中心区域产生液穴，这造成半固态浆料初生颗粒大小不一，且部分颗粒的圆整度也较差，还会产生卷气，从而影响半固态浆料的质量。目前常见的做法是改变绕组的分布和线圈的解法来均衡磁场，在浆料的中心区域加芯棒，以减小液穴的深度或消除液穴，但这对芯棒的选材有严格的要求。变形诱变激活法在半固态触变成形方面显示了它巨大的优势，如制得坯料纯净、生产率高，但原料需要很大的挤压变形，而且制备的半固态浆料多为小直径。
制浆方法和压铸相结合都必须解决浆料的储存和运输，针对这两种问题，一般有两种思路。一是，制浆和压铸分开进行。半固态浆料制得后，通过中间运输过程，如将半固态浆料盛人具有温控功能的坩埚或其他容器，然后注人压铸机的压射室。但在此过程中，半固态浆料的分装氧化，运输过程中的温度设定、时间等参数都必须严格控制，而且由于中间过程也使得整体工艺复杂，分装容器结构复杂也增加了成本；在分装容器向压射室注人浆料时，需要另加保护气体等其他措施，以防浆料氧化和卷气，使得相应压射室的结构复杂化，这一系列的问题都会影响流变压铸实现自动化。另一种思路是将制浆和压铸同步进行，一种做法是将半固态浆料在自身重力或其他外力的作用下进入压射室(如前述)，但这种做法必须解决好输液管的结构、选材，输液过程中浆料的温度控制，输液管和压射室接口机构设置等问题；另一种做法是在压射室内制备半固态浆料，然后直接压铸(如前述)，但这种做法需要的特殊压射室，不仅要有足够的容量，而且还必须定量每次压铸所需的半固态浆料，这都使得压射室的结构复杂，成本加大，而且每隔特定时间需打开压射室装料，这不利于实现自动化。
此外，使用于流变压铸的材料也较有限，当前适宜流变压铸的合金主要是有色金属中的铝合金及镁合金。由于这类合金的熔点较低，对制浆设备要求相对较低，故研究也相对其他合金较广泛；采用的压铸设备也多是在传统压铸机上的改进，但这都难以满足流变压铸大规模地使用，如压射压力和增强压力满足不了要求、压射室不完备等。因此，为拓宽流变压铸的使用领域，必须开发多系列的、适宜半固态成形的合金，而且应加大对钢铁等材料半固态浆料制造设备、压铸设备的研究和投入。
综上所述，由于流变压铸各个环节都存在较为突出的问题，这使得流变压铸应用于实际的领域还很有限，大多尚停留在实验室研究阶段。
五、展望
流变压铸有诸多的优势，这已成为人们的共识，也必将是半固态成形今后发展的方向，但也必须面对所存在的困难。因此，我们必须在制浆方法、浆料输送、压铸机等方面更新思路，同时要开发新的适宜半固态成形的合金系，如开发新的制浆方法，使之与现有的压铸设备同步，开发出流变压铸专用的压铸机等，以推广流变压铸的发展与应用。最近研究发现，复合式制浆要比单一法所制得浆料初生颗粒更细小、更圆整，分布更均匀，浆料质量更优。王平 发现近液相线电磁搅拌法制备的浆料比单用近液相线法和电磁搅法制得浆料组织有更细小、更均匀的等轴晶，可知用这种方法制得的半固态组织性能更优异。南昌大学¨引在低过热度倾斜板浇注式流变铸造技术的基础上，开发了剪切低温浇注式半固态流变压铸工艺。这种工艺过程是：在一定过热度条件下，合金熔体通过输送管道进入浆料蓄积器，熔体在浆料蓄积器中缓慢冷却，得到适宜的半固态浆料，然后倒人压铸机的压射室进行压铸。冯鹏发等研究了双向多级速电磁搅拌装置，开发出一种浆料制备系统与工件成形系统分离的铝合金流变成形技术。这种方法把浆料制备与成形分离，从而使得其结构简单、易于实现等优势。这些做法都为半固态制浆提供了新的思路。专用于流变的压铸机与传统液态压铸机不同，由于半固态金属的表观粘度比液态金属高得多，而且随着充型过程的进行，其表观粘度还在不断地变化，其流动阻力很大。因而，流变压铸机比传统液态压铸机应有更高的压射压力和增强压力，同时应具有数字化控制压射压力和压射速度的能力，可以任意改变压射曲线，以满足稳定地层流充填型腔和减小紊流裹气。此外，还应具有放置半固态金属坯料的特殊压铸室。目前，瑞士Buhler公司生产的H一630SC触变压铸机采用了大的压射缸，能产生高的压射压力和增强压力，并通过中央控制阀和控制回路来控制压射过程；美国的EPCO公司生产的触变压铸机主要用于汽车压铸件；此外，Italpresse of America公司、Prince Machine Corp公司等也生产用于半固态触变压铸的压铸机 。
当前，能源短缺、环境污染日益严重。为此，能开发并大量应用新型节能、环保材料，且采用更为节能的成形工艺备受期待。这为有色金属材料特别是质轻的镁合金、铝合金的开发与应用带来了良好的机遇，也为流变压铸的研究和发展带来了契机。我国正处在加速发展的攻坚阶段，能源需求量大，环境问题也越来越突出，然而在节能、环保材料的开发应用方面，与发达国家和地区还有很大的差距。随着我国经济、社会的发展，加大对新材料、新工艺研究与开发的投入势在必行，因而适宜半固态成形的新材料、新工艺将层出不穷，发展前景看好。
