演講人：日期:半固態(tài)壓鑄工藝技術(shù)CATALOGUE目錄01概述02工藝原理03材料系統(tǒng)04設(shè)備與過程05應(yīng)用領(lǐng)域06優(yōu)勢與挑戰(zhàn)01概述定義與基本原理半固態(tài)金屬加工概念溫度與壓力協(xié)同控制流變學(xué)原理半固態(tài)壓鑄工藝是指在金屬凝固過程中，通過控制溫度使其處于固液兩相共存狀態(tài)（固相率通常為30%-60%），利用機(jī)械或電磁攪拌打破枝晶結(jié)構(gòu)，形成球狀晶粒組織，再通過高壓壓鑄成型的技術(shù)。半固態(tài)漿料具有觸變性，即在剪切力作用下黏度降低，流動性增強(qiáng)，靜止時恢復(fù)高黏度狀態(tài)，這一特性使得金屬漿料易于填充模具復(fù)雜型腔，同時減少卷氣和縮孔缺陷。精確控制漿料溫度（略高于固相線）和壓射壓力（通常為50-100MPa），確保成型過程中固液相均勻分布，最終獲得高致密性、力學(xué)性能優(yōu)異的鑄件。發(fā)展歷程簡述技術(shù)起源（1970年代）由美國麻省理工學(xué)院Flemmings教授團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)金屬半固態(tài)漿料的非枝晶特性，并提出“流變成形”理論，奠定了半固態(tài)成型技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)。技術(shù)成熟與推廣（21世紀(jì)后）隨著鋁合金、鎂合金等輕合金半固態(tài)工藝的優(yōu)化，該技術(shù)逐步擴(kuò)展到航空航天、電子封裝等領(lǐng)域，中國、德國等國家推動標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；a(chǎn)。工業(yè)化探索（1980-1990年代）歐美日等國家率先開展應(yīng)用研究，開發(fā)出觸變鑄造（Thixoforming）和流變鑄造（Rheocasting）兩大技術(shù)路線，并成功應(yīng)用于汽車輕量化零部件生產(chǎn)。工藝核心特點(diǎn)微觀組織優(yōu)勢半固態(tài)漿料中的球狀晶粒可顯著減少傳統(tǒng)鑄造中的偏析、縮松等缺陷，鑄件抗拉強(qiáng)度提升15%-30%，延伸率提高50%以上。節(jié)能降耗成型溫度比全液態(tài)壓鑄低20%-30%，減少模具熱沖擊，延長設(shè)備壽命，同時降低能耗約25%。近凈成形能力高精度填充特性可成型壁厚≤1mm的復(fù)雜零件，減少后續(xù)機(jī)加工量，材料利用率達(dá)90%以上。環(huán)保性無熔煉煙塵和液態(tài)金屬飛濺，工作環(huán)境更安全，符合綠色制造趨勢。02工藝原理半固態(tài)材料特性半固態(tài)金屬漿料在固液兩相區(qū)經(jīng)過機(jī)械或電磁攪拌后，形成球狀或近球狀的固相顆粒，這種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)顯著降低了漿料的流動阻力，提高了成型性能。非枝晶微觀結(jié)構(gòu)觸變性與流變行為高固相分?jǐn)?shù)可控性半固態(tài)材料具有剪切稀化特性，即在剪切力作用下粘度降低，流動性增強(qiáng)，這一特性使得材料在壓射過程中能均勻填充模具型腔，減少缺陷產(chǎn)生。通過精確控制固相分?jǐn)?shù)（通常為30%-60%），可平衡成型性與力學(xué)性能，固相分?jǐn)?shù)過高會導(dǎo)致流動性差，過低則易產(chǎn)生偏析。壓鑄成型機(jī)制高壓高速填充半固態(tài)漿料在壓射沖頭推動下以較低溫度（比傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄低50-100℃）高速射入模具，高壓（40-100MPa）確保漿料充分填充復(fù)雜型腔，同時減少卷氣和縮孔。層流流動優(yōu)勢由于漿料的高粘度特性，流動模式以層流為主，避免了湍流導(dǎo)致的氧化夾雜和氣體卷入，顯著提升鑄件致密度。局部塑性變形半固態(tài)漿料中的固相顆粒在高壓下發(fā)生塑性變形，與液相協(xié)同填充，形成致密的晶界結(jié)合，從而提高鑄件的機(jī)械強(qiáng)度和疲勞壽命。溫度控制關(guān)鍵點(diǎn)漿料制備溫度窗口需嚴(yán)格控制在合金固液相線之間（如鋁合金通常在580-620℃），溫度過高會導(dǎo)致固相分?jǐn)?shù)不足，過低則引發(fā)過早凝固，影響成型性。模具預(yù)熱與冷卻平衡模具預(yù)熱溫度（通常為200-300℃）需避免漿料表面過快凝固，同時配合分區(qū)冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)順序凝固，減少熱應(yīng)力與變形。實(shí)時溫度監(jiān)測與反饋采用紅外測溫或嵌入式熱電偶對漿料、模具進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測，結(jié)合閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整加熱功率與冷卻速率，確保工藝穩(wěn)定性。03材料系統(tǒng)常用合金類型具有優(yōu)異的流動性和低熱裂傾向，適用于復(fù)雜薄壁件壓鑄，硅含量通常為7%-12%，可通過變質(zhì)處理細(xì)化晶粒以提高力學(xué)性能。鋁硅合金（Al-Si）輕量化優(yōu)勢顯著，比強(qiáng)度高，適用于汽車和電子行業(yè)，但需嚴(yán)格控制氧化問題，壓鑄時需采用保護(hù)性氣體環(huán)境。用于高導(dǎo)熱、導(dǎo)電或耐腐蝕部件，但半固態(tài)成型難度較大，需精確控制漿料固相率（通常30%-50%）以避免缺陷。鎂合金（AZ91D/AM60B）兼具高強(qiáng)度和耐磨性，常用于精密齒輪和結(jié)構(gòu)件，但高溫性能較差，需通過合金化改善其耐熱性。鋅鋁合金（ZA系列）01020403銅合金（黃銅/青銅）材料制備方法利用交變磁場產(chǎn)生渦流實(shí)現(xiàn)非接觸式攪拌，漿料均勻性好，適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)，但設(shè)備成本較高。電磁攪拌法應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法（SIMA）近液相線鑄造法通過高速旋轉(zhuǎn)葉片對熔融金屬攪拌，破碎枝晶形成球狀組織，適用于實(shí)驗(yàn)室和小批量生產(chǎn)，但能耗高且易引入雜質(zhì)。先對合金進(jìn)行冷變形，再部分重熔獲得半固態(tài)組織，適用于高熔點(diǎn)合金，但工藝周期較長。將熔體冷卻至液相線附近保溫，通過控溫析出初生相，晶粒尺寸可控制在50μm以下，適合高固相率漿料制備。機(jī)械攪拌法性能參數(shù)要求直接影響漿料流動性和成型質(zhì)量，需通過差示掃描量熱儀（DSC）精確測定，過高會導(dǎo)致充型不足，過低則易產(chǎn)生縮孔。固相率（40%-60%）通過金相分析評估，細(xì)小均勻的球狀晶?？商嵘估瓘?qiáng)度（鋁硅合金可達(dá)300MPa以上）和延伸率（＞8%）。晶粒尺寸（≤100μm）需采用流變儀測試，確保漿料具備剪切稀化特性，以兼顧充型能力和成形件致密度。表觀粘度（103-10?Pa·s）010302要求氧含量低于50ppm，需采用惰性氣體保護(hù)或真空熔煉，避免壓鑄件產(chǎn)生氣孔或裂紋缺陷。氧化夾雜控制0404設(shè)備與過程包括電磁攪拌裝置或機(jī)械攪拌裝置，用于將金屬熔體在固-液兩相區(qū)進(jìn)行連續(xù)攪拌，形成具有非枝晶組織的半固態(tài)漿料。系統(tǒng)需具備精確的溫度控制和攪拌速度調(diào)節(jié)功能，以確保漿料微觀組織的均勻性。核心設(shè)備組成半固態(tài)漿料制備系統(tǒng)采用感應(yīng)加熱或電阻加熱設(shè)備將預(yù)制的非枝晶坯料重新加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間（通常為固相率40%-60%）。輸送裝置需具備快速定位功能，以減少坯料在轉(zhuǎn)移過程中的熱量損失。坯料加熱與輸送裝置配備低速注射和高速增壓系統(tǒng)，確保半固態(tài)漿料在充型過程中實(shí)現(xiàn)層流填充，避免卷氣缺陷。壓鑄機(jī)鎖模力需根據(jù)零件投影面積和工藝壓力計(jì)算，通常要求比傳統(tǒng)壓鑄高10%-15%。高壓壓鑄機(jī)工藝步驟詳解半固態(tài)壓射與成型將坯料送入壓室后，通過兩級壓射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低速充型（0.1-0.5m/s）和高速增壓（2-5m/s）。模具需設(shè)計(jì)高導(dǎo)熱率鑲塊以加速凝固，并采用真空輔助系統(tǒng)減少氣孔缺陷。坯料重加熱與溫度均質(zhì)化采用多段式梯度加熱工藝，使坯料內(nèi)部溫度場均勻分布，避免局部過燒或未熔現(xiàn)象。溫度控制精度需達(dá)到±2℃，并通過紅外測溫實(shí)時監(jiān)控。漿料制備與坯料預(yù)制將合金熔體降溫至半固態(tài)溫度區(qū)間，通過剪切攪拌破壞枝晶結(jié)構(gòu)，形成球狀初生相漿料。漿料經(jīng)快速冷卻制成錠坯，并通過切割獲得標(biāo)準(zhǔn)化坯料，其直徑需與壓室尺寸匹配。質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)微觀組織檢測依據(jù)ASTME112標(biāo)準(zhǔn)評估初生相球化率（要求≥85%）和平均晶粒尺寸（≤100μm），采用金相顯微鏡或電子背散射衍射（EBSD）進(jìn)行定量分析。力學(xué)性能測試?yán)鞆?qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率需達(dá)到同成分鑄造合金的120%以上，參照ISO6892-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室溫與高溫性能測試。缺陷控制指標(biāo)X射線探傷檢測內(nèi)部氣孔率需＜1%，表面粗糙度Ra≤3.2μm。關(guān)鍵承力部位需進(jìn)行熒光滲透檢測（FPI）確保無裂紋缺陷。05應(yīng)用領(lǐng)域汽車部件制造耐高溫與耐腐蝕部件通過半固態(tài)成型制造的剎車系統(tǒng)部件或渦輪增壓器殼體，具備優(yōu)異的耐高溫性和抗腐蝕性能，延長使用壽命。03該技術(shù)能精確成型帶有薄壁、曲面或內(nèi)部空腔的復(fù)雜零件（如變速箱殼體），減少后續(xù)機(jī)加工工序，降低生產(chǎn)成本。02復(fù)雜幾何形狀成型輕量化結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)半固態(tài)壓鑄技術(shù)可制造高強(qiáng)度、輕量化的鋁合金或鎂合金汽車部件，如發(fā)動機(jī)支架、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂等，顯著降低整車重量并提升燃油效率。01電子元件生產(chǎn)高精度散熱器件半固態(tài)壓鑄適用于制造電子設(shè)備散熱片、外殼等，其致密組織可提升導(dǎo)熱性能，同時保證尺寸精度（公差±0.1mm以內(nèi)）。微型連接器與屏蔽罩利用半固態(tài)漿料的流動性，可成型微型電子連接器或電磁屏蔽罩，避免傳統(tǒng)鑄造的氣孔缺陷，提高信號傳輸穩(wěn)定性。低熱變形封裝材料用于5G基站或芯片封裝的鎂合金部件，因半固態(tài)成型殘余應(yīng)力低，能有效減少高溫環(huán)境下的形變風(fēng)險。航空航天應(yīng)用高強(qiáng)度航空結(jié)構(gòu)件半固態(tài)壓鑄的鈦合金或鋁鋰合金部件（如艙門鉸鏈、支架）具有接近鍛造件的力學(xué)性能，同時減少材料浪費(fèi)，適用于飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)。耐疲勞關(guān)鍵部件通過控制半固態(tài)漿料的固相率（50%-60%），可優(yōu)化航空發(fā)動機(jī)葉片或起落架部件的疲勞壽命，滿足極端工況需求。一體化復(fù)雜組件該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)燃油系統(tǒng)閥體、液壓管路接頭等組件的近凈成型，減少焊接或裝配環(huán)節(jié)，提升航空航天器的可靠性。06優(yōu)勢與挑戰(zhàn)主要技術(shù)優(yōu)勢高機(jī)械性能產(chǎn)品通過在半固態(tài)漿料中添加金屬變質(zhì)劑，促進(jìn)晶核形成，顯著提升壓鑄件的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，滿足高精度機(jī)械部件的性能需求。減少氣孔與縮松缺陷半固態(tài)金屬漿料的黏度高于液態(tài)金屬，充型過程中流動性更可控，有效降低鑄件內(nèi)部氣孔和縮松缺陷，提高產(chǎn)品合格率。節(jié)能降耗相比傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄，半固態(tài)壓鑄的加工溫度更低，可減少20%-30%的能源消耗，同時降低模具熱疲勞損耗，延長設(shè)備使用壽命。近凈成形能力半固態(tài)漿料的高固相率（30%-60%）使其在充型后收縮率更低，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的近凈成形，減少后續(xù)機(jī)加工成本。現(xiàn)存問題分析漿料制備工藝復(fù)雜半固態(tài)漿料需精確控制溫度、剪切速率和變質(zhì)劑添加量，工藝參數(shù)波動易導(dǎo)致漿料固相率不均，影響成品一致性。設(shè)備成本高昂專用制漿機(jī)與半固態(tài)壓鑄機(jī)的初期投資較高，且對自動化控制系統(tǒng)要求嚴(yán)格，中小企業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用存在資金壁壘。材料適用性局限目前技術(shù)主要適用于鋁、鎂合金等低熔點(diǎn)金屬，高熔點(diǎn)合金（如鋼、鈦）的半固態(tài)漿料制備仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。工藝標(biāo)準(zhǔn)化不足行業(yè)缺乏統(tǒng)一的半固態(tài)壓鑄工藝規(guī)范，不同企業(yè)的技術(shù)路線差異大，制約了技術(shù)推廣與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同。未來發(fā)展趨勢智能化工藝控制結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與AI算法，實(shí)時監(jiān)測漿料溫度、黏度等