钢铁材料及有色合金构件的多段半固态成形工艺研究

汤京军，庞佳丽，潘成海，唐艳，陈颖，李茜，孟毅

（1.江南工业集团有限公司，湖南 湘潭 411100；2.重庆大学，重庆 400044；3.重庆大江杰信锻造有限公司，重庆 401321；4.中国兵器工业第五九研究所，重庆 400039）

半固态成形技术由Flemings 和其学生Spencer 于20 世纪70 年代在麻省理工学院发明[1]。半固态金属浆料的流动性和粘度可以通过控制液相的体积分数来调节，因此半固态成形具有许多优点[2]。欧洲和亚洲的研究人员以及工程师对钢铁材料和有色合金的半固态成形进行了大量研究[3—6]，然而，半固态成形在工业制造中很难取代传统的锻造和铸造技术，其主要障碍是半固态成形制造构件的力学性能不均匀，构件的力学性能不均匀源于半固态成形过程中发生了液相偏析，而液相偏析是由于在成形载荷作用下固相和液相的成形性能不同引起的。

为了抑制半固态成形构件中的液相偏析，研究人员研究了成形参数对液相偏析的影响[8—9]。他们发现在较高的成形温度下，以较低的成形速度进行半固态成形时，液相的流出量增加[10]。虽然可以通过降低成形温度和提高成形速度来抑制液相流出，但低成形温度和高成形载荷会导致成形载荷增大，并缩短模具和工具寿命。东京大学和重庆大学团队提出了在具有柔性运动的机械伺服压力机上进行多段半固态成形[11—14]。根据不同的加热方式，将半固态成形分为流变成形和触变成形两种。如图1 所示，多段半固态成形也可分为多段流变成形和多段触变成形。这两种工艺都分为半固态坯/浆料制备、预成形、控温凝固和终成形4 个阶段。对于熔点较低的有色合金，多段流变成形是最理想的成形方法之一。多段触变成形因其熔点高而更适合于钢铁材料。文中通过在热模拟试验机上对SKD11 钢进行多段半固态触变压缩试验，以及在机械伺服压力机上对6061铝合金制件进行制造，分别验证了多段流变成形和多段触压成形在钢铁材料和有色金属部件制造中的可行性，研究了SKD11 钢和6061 铝合金在多段半固态成形过程中的微观组织演变，以及多段半固态成形的工艺参数对钢铁材料及有色合金构件组织均匀性和力学性能的影响。

图1 多段半固态成形和传统半固态成形示意图Fig.1 Illustration of conventional and multi-stage semisolid forming processes

1 实验

1.1 材料

选择SKD11 钢和6061 铝合金的工业轧制棒材作为典型的钢铁材料和有色合金。这两种合金的化学成分如表1 所示。

表1 SKD11 工具钢和6061 铝合金的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical compositions of commercial SKD11 steel and 6061 aluminum alloy (mass fraction) %

1.2 多段半固态成形实验

由于钢铁材料触变成形模具材料昂贵，文中采用多段压缩试验的方法，对多段触变成形进行了物理模拟。材料加工的物理模拟是通过对材料进行热加工和机械加工来准确模拟材料在实际制造或最终使用过程中的经历。SKD11 工具钢触变成形和6061 铝合金杯型件多段流变成形的物理模拟实验方案分别如图2a 和2b 所示。以上实验分别在热模拟试验机和机械伺服压力机上进行，实验参数如表2 所示。将原轧制棒直接加热至半固态温度区，得到SKD11 工具钢半固态料浆。通过搅拌凝固过程中的熔融合金，得到了6061 铝合金的半固态坯/浆料。

图2 物理模拟实验装置Fig.2 Experimental schemes of physical simulation

表2 不同半固态成形工艺的成形参数Tab.2 Forming parameters of different semisolid forming processes

1.3 力学性能测试及微观组织分析

采用维氏硬度试验、压缩试验和室温拉伸试验，分别研究了多段触变成形和多段流变成形制备的SKD11 工具钢和6061 铝合金试样，不同区域的力学性能。采用光学显微镜和扫描电子显微镜对不同多段半固态成形工艺制备的SKD11 工具钢和6061 铝合金试样，在不同区域的不同部位进行了显微组织分析。多段触变成形制备的SKD11 工具钢试样的力学性能测量和微观组织分析位置如图3b 所示。图4b 为多段流变法制备的6061 铝合金杯型件的力学性能测试和微观结构分析位置。分别在Thermecmastor-Z 压缩试验机、Shimazu 拉伸试验机和DUH-211 硬度计上进行了压缩试验、拉伸试验和硬度测量。在力学性能测试中，每个条件下至少测试3 个样本，并计算力学性能测试值的平均值。

2 结果与讨论

2.1 钢铁材料的多段半固态触变成形

多段触变成形的SKD11 工具钢不同区域的微观组织扫描电子显微镜照片如图3 所示。通过对传统和多段触变成形的SKD11 工具钢的不同区域进行图像分析和力学测量，得到的触变成形SKD11 钢试样中液相分布和力学性能的分布情况如图4 所示。由液相转化而来的共晶化合物主要分布在多段触变成形SKD11 钢试样的边缘区域。由于共晶化合物的体积分数较高，在距触变成形SKD11 钢试样中心区域较远的区域硬度较高，屈服强度较低。利用A 区和D区的液相体积分数的差异来量化触变成形中发生的液相偏析。如图4a 所示，SKD11 钢在多段触变成形过程中发生的液相偏析要比传统触变成形过程中发生的液相偏析轻微。多段半固态触变成形制造的SKD11 钢试样中，由液相和固相转变而来的共晶化合物和奥氏体晶粒分布更加均匀，导致该试样的力学性能分布更加均匀。

图3 多段触变成形SKD11 工具钢试样不同区域的微观组织的扫描电子显微镜照片Fig.3 SEM micrographs of different positions in the multi-stage thixoformed SKD11 tool steel specimens

图4 多段触变成形SKD11 钢试样中液相分、维氏硬度和拉伸屈服强度Fig.4 Distributions of former liquid fraction,Vickers hardness and tensile yield strength in the multi-stage thixoformed SKD11 tool steel specimens

2.2 铝合金的多段半固态流变成形

多段触变成形的SKD11 工具钢不同区域的微观组织扫描电子显微镜照片如图5 所示。通过对传统和多段流变成形工艺制造的6061 铝合金杯型件的不同区域进行图像分析和力学测量，得到6061 铝合金杯型件的液相分数和力学性能的分布情况如图6 所示。由液相转化而来的共晶化合物主要分布在6061 铝合金杯型件的顶部区域。由于共晶化合物的体积分数较高，在距6061 铝合金杯型件底部较远的区域硬度较高，但屈服强度较低。结果表明，6061 铝合金杯型件顶部区域共晶化合物体积分数较高的原因是在传统流变和多段流变过程中发生了液相偏析。与传统流变法制备的6061 铝合金杯型件相比，多段流变法制备的6061 铝合金杯型件中存在轻微的液相偏析，因此，多段流变法制备的6061 铝合金杯型件的力学性能分布更加均匀。

图5 多段触变成形6061 铝合金杯型件微观组织的扫描电子显微镜照片Fig.5 SEM micrographs in the cup-shaped 6061 aluminum components by multi-stage thixoforming

图6 多段流变成形法制备的6061 铝合金杯型件的液相分数、维氏硬度与压缩屈服强度的分布Fig.6 Distributions of former liquid fraction,Vickers hardness,and compressive yield strength in the cup-shaped 6061 aluminum components manufactured by multi-stage rheoforming

2.3 多段半固态成形机理

半固态坯/浆料在传统和多段半固态成形过程中的微观结构演变如图7 所示。半固态成形过程中，液相流出受到局部凝固的干扰。由于半固态坯/浆料中的液相分数在局部凝固过程中降低，二次成形时液相流出变得困难，因此，在多段半固态成形构件的构件中，液相偏析要轻得多。在二次成形过程中，固体颗粒的塑性变形改善了多段半固态成形构件中心区域的力学性能。

图7 半固态坯/浆料在不同半固态成形过程中的微观结构演变示意图Fig.7 Microstructural evolutions of semisolid slurry during different semisolid forming processes.

3 结论

1）提出了包括多段流变成形和多段触变成形在内的多段半固态成形工艺。通过实验验证了这两种多段半固态成形工艺在钢铁材料和有色金属构件加工中的可行性。

2）通过实验研究了SKD11 工具钢和6061 铝合金在多段半固态成形过程中的微观组织演变行为，研究了不同阶段半固态成形工艺中成形条件对SKD11工具钢和6061 铝合金构件的微观组织和力学性能的影响。

3）采用多段半固态成形工艺制备的SKD11 工具钢和6061 铝合金构件，其组织和力学性能的分布比传统半固态成形工艺制备的组织和力学性能的分布更为均匀。