轻金属半固态成形技术概念详解及其应用发展(下)

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(1)发达国家半固态行业发展
进入20世纪90年代后期,半固态成形技术进入了工程化应用阶段。1994年6月,美国Alumax EngineeredMetal Processes(AEMP)公司建立起世界上第一个专业生产半固态零件的工厂,标志着半固态成形技术由实验研究向工程化的转变。继Alumax公司之后,HMM(Hot Metal Molding)、Lindberg Corporation、CML international和Formcast等公司,先后采用半固态成形技术生产铝合金和镁合金零件:意大利的StampalSPA公司利用半固态铝合金生产汽车后悬挂架左右支撑的毛坯重达7kg,且形状非常复杂;瑞士BUHLER集团生产了铝合金半固态触变成形的专用压铸机和铝合金半固态坯料的专用加热设备。日本东京理化工业所开发了全自动半固态压铸岛,采用电磁搅拌技术。日立金属进一步开发了在料筒内制浆的半固态挤压铸造装备,为解决浆料转运问题提供了新的思路。到本世纪初,欧美和日本已成为半固态成形技术研究和应用的主要地区,技术与装备成熟度受到工业界认可,广泛应用于汽车、摩托车、自行车、工程机械、电子产品等领域高端零部件制备生产。

17 瑞士BUHLER触变压铸铝合金轮毂

18 日本东京理化工业所全自动半固态压铸岛

19 日本Hitachi金属流变挤压铸造

(2)国内产业应用现状

国内半固态成形技术的应用发展相对滞后,目前正逐渐进入到工业化推广应用阶段,虽然整体产业规模还比较小,但从行业关注度来看,有许多新产品开始考虑采用半固态成形技术方案,而且每年的半固态技术应用研讨会参会人数也在递增。经过20多年发展探索,国内轻金属半固态技术应用发展的主要方向有:对于铝合金,流变压铸成为国内主流,包括高固相与低固相成形;对于镁合金,触变注射成型一直为主,其应用规模持续扩大。

  • 高固相铝合金流变压铸

高固相的成形技术适于力学性能要求高的部件,因此在汽车零部件上的应用具有优势。北京有色金属研究总院吸收改进加拿大Alcan公司的Seed制浆方法,开发了热平衡法制浆的高固相半固态压铸技术,并在深圳市合作企业落地,建立了自动化半固态压铸生产线。热平衡法主要是利用坩埚壁对液态合金的冷却形核和旋转作用,为熔体冷却提供成分场和温度场,从而能够得到较高固相率的半固态浆料,这种方法有效避免了熔体的污染。已实现量产了新能源大巴骨架接头(连接件),还有开发了轻量化的汽车控制臂、转向节等产品,这种高固相成形技术为以铸代锻提供了新的一种可能性。

20 采用热平衡法的高固相半固态成形示意图

21 高固相半固态压铸成形的铝合金汽车控制臂与转向节
  • 低固相铝合金流变压铸

低固相的成形技术适于形状复杂件、薄壁件,在散热需求大的通讯行业受到了格外关注。福建省将乐县是我国半固态产业重要基地之一,当地企业采用了从瑞典引进RSF(Rapid Slurry Forming)制浆方法,如图21所示,其原理是将与金属液成分相同的金属固体制作成搅拌棒,对熔体进行搅拌,在控制熔体的焓熵的同时,使熔体得到剪切,同时不污染熔体。另外一种近两年在国内得到推广应用的方法是由泰国企业开发的GISS法,如图22所示,该技术利用石墨棒进入给汤勺中,通过石磨棒上的孔向熔体中通入惰性气体,产生大量细小的气泡一方面产生强烈搅拌作用,一方面实现快速散热,所制备的半固态浆料适合与压铸工艺对接。

22 低固相RSF工艺示意图

23 低固相GISS法工艺示意图
低固相率半固态压铸成形技术凭借产品优异的导热能力、表面质量、致密性等优势得到通讯行业认可,逐渐开始广泛应用于通讯领域,已经被应用于生产了部分通讯基站散热器、滤波器壳体、车轮防爆支架等产品,最小壁厚可达0.9mm以下。
24 低固相成形的通讯散热器、基站滤波器壳体
  • 镁合金触变注射成形

如前所述,触变注射成型(Thixomolding)对于镁合金材料具有独特的优势,它集半固态浆料的制备、输送和成形过程于一体,这种一步成型法有效地避免了镁合金氧化问题,所得到合金组织、性能优异,被认为是21世纪镁合金铸造最具应用前景的成形方法。目前该技术的应用领域主要在3C产品,如笔记本电脑外壳、相机外壳等,同时也在汽车轻量化、电子仪器等领域的应用愈加扩展。在工艺与装备上,国际和国内生产企业最多采用的设备为日本制钢所(JSW)生产的镁合金半固态触变成形机,国内也有设备厂商在开展设备的研制,目前推广应用还比较少。

25 自动化650T镁合金注射成型设备

26镁合金注射成型产品

(3)轻金属半固态成形技术应用发展趋势

目前,世界范围的半固态研究与应用的热潮有所降温,但中国半固态成形技术的应用发展方兴未艾,初显规模化趋势。一方面,随着中国汽车业的快速发展,能源和环保问题日益突出,汽车轻量化促进了半固态技术的应用;另一方面,随着5G通讯传输运转速度的提升,相关的设备性能均较4G有大幅度的提升,发热量也大幅增加,这给包括基站、电子产品、网络设备等的轻量化和热管理带来了新的挑战,半固态成形技术成为其有效解决方案之一。面向这两个领域,未来轻金属半固态成形技术应用发展的趋势:对于铝合金,将更多发展流变成形;对于镁合金,将更多发展触变注射成型。

虽然不少企业纷纷瞄准半固态技术在汽车与通讯市场上的应用,但根据目前实际情况来看,国内半固态成形技术行业仍存在不少问题,比如:研究结构与实际生产脱节严重,制浆方法繁多,但能实现规模化生产的少;终端客户、生产企业缺乏对半固态技术的全面认识,未能形成真正需求,未能充分发挥技术优势;缺少材料或工艺的相关标准,不少技术不成熟便转量产,产品良率低,导致生产厂家对技术信心缺失;最关键的一点是装备的开发严重滞后,普遍成本高,生产的连续性、稳定性不够好,未来开发具有国内自主知识产权的系统装备尤为关键。

27 上海交大设计开发的半固态二次加热系统与流变挤压铸造系统


总之,不能对于短期的趋势过于乐观,也不能对于长期的趋势过于悲观,半固态技术的应用发展需要产业界和学术界的共同培育,需要在创造价值空间的过程中逐步成熟。需要补充说明的是,不能完全照搬传统液态铸造的思维来开展半固态成形技术的实践,半固态成形对每个环节要求更高。换句话说,半固态成形并不只是在传统液态成形前加一道制浆工序,而是一个全新的技术,除了制浆工艺的精准控制,在材料设计、熔体处理、模具设计、压铸工艺上都要精益求精地配合。随着国内市场上更多对轻质量、高性能产品的追求,相信半固态成形技术的产业化应用将越来越广阔。
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本文作者2020-5-9 18:06
镁途
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