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半固態(tài)金屬鑄造工藝的歷史與趨勢(shì)

發(fā)布時(shí)間：2018/4/3 8:04:34 信息來源：本站編輯閱讀次數(shù)：4119次

　自1971年美國麻省理工學(xué)院的D.B.Spencer和M.C.Flemings發(fā)明了一種攪動(dòng)鑄造（stir cast）新工藝，即用旋轉(zhuǎn)雙桶機(jī)械攪拌法制備出Srr15%pb流變漿料以來，半固態(tài)金屬（SSM）鑄造工藝技術(shù)經(jīng)歷了20余年的研究與發(fā)展。攪動(dòng)鑄造制備的合金一般稱為非枝晶組織合金或稱部分凝固鑄造合金（Partially Solidified Casting Alloys）。由于采用該技術(shù)的產(chǎn)品具有高質(zhì)量、高性能和高合金化的特點(diǎn)，因此具有強(qiáng)大的生命力。除軍事裝備上的應(yīng)用外，開始主要集中用于自動(dòng)車的關(guān)鍵部件上，例如，用于汽車輪轂，可提高性能、減輕重量、降低廢品率。此后，逐漸在其它領(lǐng)域獲得應(yīng)用，生產(chǎn)高性能和近凈成型的部件。半固態(tài)金屬鑄造工藝的成型機(jī)械也相繼推出。目前已研制生產(chǎn)出從600噸到2000噸的半固態(tài)鑄造用壓鑄機(jī)，成形件重量可達(dá)7kg以上。當(dāng)前，在美國和歐洲，該項(xiàng)工藝技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。半固態(tài)金屬鑄造工藝被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的近凈成型和新材料制備技術(shù)之一。
　　工藝原理
　　在普通鑄造過程中，初晶以枝晶方式長大，當(dāng)固相率達(dá)到0.2左右時(shí)，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動(dòng)性。如果在液態(tài)金屬從液相到固相冷卻過程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，則使普通鑄造成形時(shí)易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相中。這種顆粒狀非枝晶的顯微組織，在固相率達(dá)0.5-0.6時(shí)仍具有一定的流變性，從而可利用常規(guī)的成形工藝如壓鑄、擠壓，模鍛等實(shí)現(xiàn)金屬的成形。　合金制備
　　制備半固態(tài)合金的方法很多，除機(jī)械攪拌法外，近幾年又開發(fā)了電磁攪拌法，電磁脈沖加載法、超聲振動(dòng)攪拌法、外力作用下合金液沿彎曲通道強(qiáng)迫流動(dòng)法、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）、噴射沉積法（Ospray）、控制合金澆注溫度法等。其中，電磁攪拌法、控制合金澆注溫度法和SIMA法，是最具工業(yè)應(yīng)用潛力的方法。
　　1.機(jī)械攪拌法
　　機(jī)械攪拌是制備半固態(tài)合金最早使用的方法。Flemings等人用一套由同心帶齒內(nèi)外筒組成的攪拌裝置（外筒旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒靜止），成功地制備了錫-鉛合金半固態(tài)漿液；H.Lehuy等人用攪拌槳制備了鋁-銅合金、鋅-鋁合金和鋁-硅合金半固態(tài)漿液。后人又對(duì)攪拌器進(jìn)行了改進(jìn)，采用螺旋式攪拌器制備了ZA-22合金半固態(tài)漿液。通過改進(jìn)，改善了漿液的攪拌效果，強(qiáng)化了型內(nèi)金屬液的整體流動(dòng)強(qiáng)度，并使金屬液產(chǎn)生向下壓力，促進(jìn)澆注，提高了鑄錠的力學(xué)性能。
　　2.電磁攪拌法
　　電磁攪拌是利用旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，金屬液在洛倫磁力的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)金屬液攪拌的目的。目前，主要有兩種方法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：一種是在感應(yīng)線圈內(nèi)通交變電流的傳統(tǒng)方法；另一種是1993年由法國的C.Vives推出的旋轉(zhuǎn)永磁體法，其優(yōu)點(diǎn)是電磁感應(yīng)器由高性能的永磁材料組成，其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度高，通過改變永磁體的排列方式，可使金屬液產(chǎn)生明顯的三維流動(dòng)，提高了攪拌效果，減少了攪拌時(shí)的氣體卷入。
　　3.應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）
　　應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）是將常規(guī)鑄錠經(jīng)過預(yù)變形，如進(jìn)行擠壓，滾壓等熱加工制成半成品棒料，這時(shí)的顯微組織具有強(qiáng)烈地拉長形變結(jié)構(gòu)，然后加熱到固液兩相區(qū)等溫一定時(shí)間，被拉長的晶粒變成了細(xì)小的顆粒，隨后快速冷卻獲得非枝晶組織鑄錠。
　　SIMA工藝效果主要取決于較低溫度的熱加工和重熔兩個(gè)階段，或者在兩者之間再加一個(gè)冷加工階段，工藝就更易控制。SIMA技術(shù)適用于各種高、低熔點(diǎn)的合金系列，尤其對(duì)制備較高熔點(diǎn)的非枝晶合金具有獨(dú)特的優(yōu)越性。已成功應(yīng)用于不銹鋼、工具鋼和銅合金、鋁合金系列，獲得了晶粒尺寸20um左右的非枝晶組織合金，正成為一種有競(jìng)爭(zhēng)力的制備半固態(tài)成形原材料的方法。但是，它的最大缺點(diǎn)是制備的坯料尺寸較小。
　　4.近幾年開發(fā)的新方法
　　近幾年來，東南大學(xué)及日本的Aresty研究所發(fā)現(xiàn)，通過控制合金的澆注溫度，初生枝晶組織可轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛄罱M織。該方法的特點(diǎn)是，不需要加入合金元素也無需攪拌。V.Dobatkin等人提出了在液態(tài)金屬中加細(xì)化劑，并進(jìn)行超聲處理后獲得半固態(tài)鑄錠的方法，稱之為超聲波處理法。
　　成型方法
　　半固態(tài)合金成形方法很多，主要有：
　　1.流變鑄造（Rheoforming， Rheocast）將金屬液從液相到固相冷卻過程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪動(dòng)，在一定固相分?jǐn)?shù)下，直接將所得到的半固態(tài)金屬漿液壓鑄或擠壓成形。
　　如R.Shibata等人曾將用電磁攪拌方法制備的半固態(tài)合金漿液直接送入壓鑄機(jī)射室中成形。該方法生產(chǎn)的鋁合金鑄件的力學(xué)性能較擠壓鑄件高，與半固態(tài)觸變鑄件的性能相當(dāng)。問題是，半固態(tài)金屬漿液的保存和輸送難度較大，故實(shí)際投入應(yīng)用的不多。
　　2.觸變鑄造（Thixoforming， Thixocast）
　　將已制備的非枝晶組織錠坯重新加熱到固液兩相區(qū)達(dá)到適宜粘度后，進(jìn)行壓鑄或擠壓成形。
　　美國的EOPCO，HPM Corp.， Prince Machine， THT Presses，以及瑞士的Buhler公司，意大利的IDRA USA， Italpresse of America，加拿大的Producer USA，日本的Toshib a Machine Corp和UBE Machinery Services等均已能生產(chǎn)半固態(tài)鋁合金觸變成形專用設(shè)備。該方法對(duì)坯料的加熱、輸送易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，故是當(dāng)今半固態(tài)鑄造的主要工藝方法。
　　3.射鑄成形（Injection Molding）
　　直接把熔化的金屬液而不是處理后半固態(tài)漿液冷卻至適宜的溫度，并輔以一定的工藝條件壓射入型腔成形。如美國威斯康辛的觸變成形發(fā)展中心，曾采用該方法進(jìn)行鎂合金的半固態(tài)鑄造。美國康奈爾大學(xué)的K.K.Wang教授等人研制出類似的鎂合金射鑄成型裝置，將半固態(tài)漿液從料管加入，經(jīng)適當(dāng)冷卻后壓射入型腔。
　　4.低溫連鑄
　　所謂低溫連鑄就是控制金屬液的過熱度在0℃左右，并在鑄型下方進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的鑄造方法，如圖4所示。中心偏析是連鑄中的大問題，且在連軋線材時(shí)可能會(huì)發(fā)生破斷。因此，該工藝有很大意義。
　　5.帶材連鑄
　　Flemings曾用Sn-15%pb低熔點(diǎn)金屬進(jìn)行帶材連鑄試驗(yàn)研究，對(duì)傳熱、凝固及變形進(jìn)行了分析。認(rèn)為，帶材厚度與軋輥的壓力、固相率、流變剪切速度以及連鑄速度有關(guān)。當(dāng)擠壓下比壓大時(shí)，則助長顯微偏析。為了保證表面和內(nèi)部質(zhì)量及尺寸精度，必須嚴(yán)格控制固相率、初晶形態(tài)尺寸及排放金屬量等半固態(tài)金屬制造的工藝參數(shù)。
　　對(duì)高熔點(diǎn)金屬如磷青銅Cu-Sn-P合金（Cu-8%Sn-0.1%P），液相線溫度10300℃，難以熱加工，用此半固態(tài)合金制薄板有明顯效果。目前，已可以制備組織優(yōu)良的半固態(tài)不銹鋼鑄錠、高速工具鋼鑄錠。
　　技術(shù)優(yōu)勢(shì)
　　半固態(tài)壓鑄工藝的優(yōu)點(diǎn)可歸納工藝優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。
　　1.工藝優(yōu)勢(shì)
　　1）不需加任何晶粒細(xì)化劑即可獲得細(xì)晶粒組織，消除了傳統(tǒng)鑄造中的柱狀晶和粗大樹枝晶。
　　2）成形溫度低（如鋁合金可降低1200℃以上），可節(jié)省能源。
　　3）模具壽命延長。固較低溫度的半固態(tài)漿料成形時(shí)的剪切應(yīng)力，比傳統(tǒng)的枝晶漿料小三個(gè)數(shù)量級(jí)，故充型平穩(wěn)、熱負(fù)荷小，熱疲勞強(qiáng)度下降。
　　4）減少污染和不安全因素。因作業(yè)時(shí)擺脫了高溫液態(tài)金屬環(huán)境。
　　5）變形阻力小，采用較小的力就可實(shí)現(xiàn)均質(zhì)加工，對(duì)難加工材料的成形容易。
　　6）凝固速度加快，生產(chǎn)率提高，工藝周期縮短。
　　7）適于采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。
　　2.產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
　　1）件質(zhì)量高。因晶粒細(xì)化、組織分布均勻、體收縮減少、熱裂傾向下降，基體上消除了縮松傾向，力學(xué)性能大幅度提高。
　　2）凝固收縮小，故成型體尺寸精度高，加工余量小，近凈成形。
　　3）成形合金范圍廣。非鐵合金有鋁、鎂、鋅、錫、銅、鎳基合金；鐵基合金有不銹鋼、低合金鋼等。
　　4）制造金屬基復(fù)合材料。利用半固態(tài)金屬的高粘度，使密度差大、固溶度小的金屬制成合金，也可有效地使不同材料混合，制成新的復(fù)合材料?！　「攀?/span>
　　自1971年美國麻省理工學(xué)院的D.B.Spencer和M.C.Flemings發(fā)明了一種攪動(dòng)鑄造（stir cast）新工藝，即用旋轉(zhuǎn)雙桶機(jī)械攪拌法制備出Srr15%pb流變漿料以來，半固態(tài)金屬（SSM）鑄造工藝技術(shù)經(jīng)歷了20余年的研究與發(fā)展。攪動(dòng)鑄造制備的合金一般稱為非枝晶組織合金或稱部分凝固鑄造合金（Partially Solidified Casting Alloys）。由于采用該技術(shù)的產(chǎn)品具有高質(zhì)量、高性能和高合金化的特點(diǎn)，因此具有強(qiáng)大的生命力。除軍事裝備上的應(yīng)用外，開始主要集中用于自動(dòng)車的關(guān)鍵部件上，例如，用于汽車輪轂，可提高性能、減輕重量、降低廢品率。此后，逐漸在其它領(lǐng)域獲得應(yīng)用，生產(chǎn)高性能和近凈成型的部件。半固態(tài)金屬鑄造工藝的成型機(jī)械也相繼推出。目前已研制生產(chǎn)出從600噸到2000噸的半固態(tài)鑄造用壓鑄機(jī)，成形件重量可達(dá)7kg以上。當(dāng)前，在美國和歐洲，該項(xiàng)工藝技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。半固態(tài)金屬鑄造工藝被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的近凈成型和新材料制備技術(shù)之一。
　　工藝原理
　　在普通鑄造過程中，初晶以枝晶方式長大，當(dāng)固相率達(dá)到0.2左右時(shí)，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動(dòng)性。如果在液態(tài)金屬從液相到固相冷卻過程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，則使普通鑄造成形時(shí)易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相中。這種顆粒狀非枝晶的顯微組織，在固相率達(dá)0.5-0.6時(shí)仍具有一定的流變性，從而可利用常規(guī)的成形工藝如壓鑄、擠壓，模鍛等實(shí)現(xiàn)金屬的成形。
　　合金制備
　　制備半固態(tài)合金的方法很多，除機(jī)械攪拌法外，近幾年又開發(fā)了電磁攪拌法，電磁脈沖加載法、超聲振動(dòng)攪拌法、外力作用下合金液沿彎曲通道強(qiáng)迫流動(dòng)法、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）、噴射沉積法（Ospray）、控制合金澆注溫度法等。其中，電磁攪拌法、控制合金澆注溫度法和SIMA法，是最具工業(yè)應(yīng)用潛力的方法。
　　1.機(jī)械攪拌法
　　機(jī)械攪拌是制備半固態(tài)合金最早使用的方法。Flemings等人用一套由同心帶齒內(nèi)外筒組成的攪拌裝置（外筒旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒靜止），成功地制備了錫-鉛合金半固態(tài)漿液；H.Lehuy等人用攪拌槳制備了鋁-銅合金、鋅-鋁合金和鋁-硅合金半固態(tài)漿液。后人又對(duì)攪拌器進(jìn)行了改進(jìn)，采用螺旋式攪拌器制備了ZA-22合金半固態(tài)漿液。通過改進(jìn)，改善了漿液的攪拌效果，強(qiáng)化了型內(nèi)金屬液的整體流動(dòng)強(qiáng)度，并使金屬液產(chǎn)生向下壓力，促進(jìn)澆注，提高了鑄錠的力學(xué)性能。
　　2.電磁攪拌法
　　電磁攪拌是利用旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，金屬液在洛倫磁力的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)金屬液攪拌的目的。目前，主要有兩種方法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：一種是在感應(yīng)線圈內(nèi)通交變電流的傳統(tǒng)方法；另一種是1993年由法國的C.Vives推出的旋轉(zhuǎn)永磁體法，其優(yōu)點(diǎn)是電磁感應(yīng)器由高性能的永磁材料組成，其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度高，通過改變永磁體的排列方式，可使金屬液產(chǎn)生明顯的三維流動(dòng)，提高了攪拌效果，減少了攪拌時(shí)的氣體卷入。
　　3.應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）
　　應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）是將常規(guī)鑄錠經(jīng)過預(yù)變形，如進(jìn)行擠壓，滾壓等熱加工制成半成品棒料，這時(shí)的顯微組織具有強(qiáng)烈地拉長形變結(jié)構(gòu)，然后加熱到固液兩相區(qū)等溫一定時(shí)間，被拉長的晶粒變成了細(xì)小的顆粒，隨后快速冷卻獲得非枝晶組織鑄錠。
　　SIMA工藝效果主要取決于較低溫度的熱加工和重熔兩個(gè)階段，或者在兩者之間再加一個(gè)冷加工階段，工藝就更易控制。SIMA技術(shù)適用于各種高、低熔點(diǎn)的合金系列，尤其對(duì)制備較高熔點(diǎn)的非枝晶合金具有獨(dú)特的優(yōu)越性。已成功應(yīng)用于不銹鋼、工具鋼和銅合金、鋁合金系列，獲得了晶粒尺寸20um左右的非枝晶組織合金，正成為一種有競(jìng)爭(zhēng)力的制備半固態(tài)成形原材料的方法。但是，它的最大缺點(diǎn)是制備的坯料尺寸較小。
　　4.近幾年開發(fā)的新方法
　　近幾年來，東南大學(xué)及日本的Aresty研究所發(fā)現(xiàn)，通過控制合金的澆注溫度，初生枝晶組織可轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛄罱M織。該方法的特點(diǎn)是，不需要加入合金元素也無需攪拌。V.Dobatkin等人提出了在液態(tài)金屬中加細(xì)化劑，并進(jìn)行超聲處理后獲得半固態(tài)鑄錠的方法，稱之為超聲波處理法。
　　成型方法
　　半固態(tài)合金成形方法很多，主要有：
　　1.流變鑄造（Rheoforming， Rheocast）將金屬液從液相到固相冷卻過程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪動(dòng)，在一定固相分?jǐn)?shù)下，直接將所得到的半固態(tài)金屬漿液壓鑄或擠壓成形。
　　如R.Shibata等人曾將用電磁攪拌方法制備的半固態(tài)合金漿液直接送入壓鑄機(jī)射室中成形。該方法生產(chǎn)的鋁合金鑄件的力學(xué)性能較擠壓鑄件高，與半固態(tài)觸變鑄件的性能相當(dāng)。問題是，半固態(tài)金屬漿液的保存和輸送難度較大，故實(shí)際投入應(yīng)用的不多。
　　2.觸變鑄造（Thixoforming， Thixocast）
　　將已制備的非枝晶組織錠坯重新加熱到固液兩相區(qū)達(dá)到適宜粘度后，進(jìn)行壓鑄或擠壓成形。
　　美國的EOPCO，HPM Corp.， Prince Machine， THT Presses，以及瑞士的Buhler公司，意大利的IDRA USA， Italpresse of America，加拿大的Producer USA，日本的Toshib a Machine Corp和UBE Machinery Services等均已能生產(chǎn)半固態(tài)鋁合金觸變成形專用設(shè)備。該方法對(duì)坯料的加熱、輸送易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，故是當(dāng)今半固態(tài)鑄造的主要工藝方法。
　　3.射鑄成形（Injection Molding）
　　直接把熔化的金屬液而不是處理后半固態(tài)漿液冷卻至適宜的溫度，并輔以一定的工藝條件壓射入型腔成形。如美國威斯康辛的觸變成形發(fā)展中心，曾采用該方法進(jìn)行鎂合金的半固態(tài)鑄造。美國康奈爾大學(xué)的K.K.Wang教授等人研制出類似的鎂合金射鑄成型裝置，將半固態(tài)漿液從料管加入，經(jīng)適當(dāng)冷卻后壓射入型腔。
　　4.低溫連鑄
　　所謂低溫連鑄就是控制金屬液的過熱度在0℃左右，并在鑄型下方進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的鑄造方法，如圖4所示。中心偏析是連鑄中的大問題，且在連軋線材時(shí)可能會(huì)發(fā)生破斷。因此，該工藝有很大意義。
　　5.帶材連鑄
　　Flemings曾用Sn-15%pb低熔點(diǎn)金屬進(jìn)行帶材連鑄試驗(yàn)研究，對(duì)傳熱、凝固及變形進(jìn)行了分析。認(rèn)為，帶材厚度與軋輥的壓力、固相率、流變剪切速度以及連鑄速度有關(guān)。當(dāng)擠壓下比壓大時(shí)，則助長顯微偏析。為了保證表面和內(nèi)部質(zhì)量及尺寸精度，必須嚴(yán)格控制固相率、初晶形態(tài)尺寸及排放金屬量等半固態(tài)金屬制造的工藝參數(shù)。
　　對(duì)高熔點(diǎn)金屬如磷青銅Cu-Sn-P合金（Cu-8%Sn-0.1%P），液相線溫度10300℃，難以熱加工，用此半固態(tài)合金制薄板有明顯效果。目前，已可以制備組織優(yōu)良的半固態(tài)不銹鋼鑄錠、高速工具鋼鑄錠。
　　技術(shù)優(yōu)勢(shì)
　　半固態(tài)壓鑄工藝的優(yōu)點(diǎn)可歸納工藝優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。
　　1.工藝優(yōu)勢(shì)
　　1）不需加任何晶粒細(xì)化劑即可獲得細(xì)晶粒組織，消除了傳統(tǒng)鑄造中的柱狀晶和粗大樹枝晶。
　　2）成形溫度低（如鋁合金可降低1200℃以上），可節(jié)省能源。
　　3）模具壽命延長。固較低溫度的半固態(tài)漿料成形時(shí)的剪切應(yīng)力，比傳統(tǒng)的枝晶漿料小三個(gè)數(shù)量級(jí)，故充型平穩(wěn)、熱負(fù)荷小，熱疲勞強(qiáng)度下降。
　　4）減少污染和不安全因素。因作業(yè)時(shí)擺脫了高溫液態(tài)金屬環(huán)境。
　　5）變形阻力小，采用較小的力就可實(shí)現(xiàn)均質(zhì)加工，對(duì)難加工材料的成形容易。
　　6）凝固速度加快，生產(chǎn)率提高，工藝周期縮短。
　　7）適于采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。
　　2.產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
　　1）件質(zhì)量高。因晶粒細(xì)化、組織分布均勻、體收縮減少、熱裂傾向下降，基體上消除了縮松傾向，力學(xué)性能大幅度提高。
　　2）凝固收縮小，故成型體尺寸精度高，加工余量小，近凈成形。
　　3）成形合金范圍廣。非鐵合金有鋁、鎂、鋅、錫、銅、鎳基合金；鐵基合金有不銹鋼、低合金鋼等。
　　4）制造金屬基復(fù)合材料。利用半固態(tài)金屬的高粘度，使密度差大、固溶度小的金屬制成合金，也可有效地使不同材料混合，制成新的復(fù)合材料。