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1、半固态金属铸造工艺5.1概述自1971年美国麻省理工学院的D.B,Spencer和M.C.Fle mings发明了一种搅动铸造(stir cast)新工艺，即用旋 转双桶机械搅拌法制备出Srr15%pb流变浆料以来，半固 态金属(SSM)铸造工艺技术经历了 20余年的研究与发展。 搅动铸造制备的合金一般称为非枝晶组织合金或称部分凝 固铸造合金(Partially Solidified Casting Alloys)。由 于采用该技术的产品具有高质量、高性能和高合金化的特 点，因此具有强大的生命力。除军事装备上的应用外，开始 主要集中用于自动车的关键部件上，例如，用于汽车轮毂， 可提高性能、减轻
2、重量、降低废品率。此后，逐渐在其它领 域获得应用，生产高性能和近净成型的部件。半固态金属铸 造工艺的成型机械也相继推出。目前已研制生产出从600 吨到2000吨的半固态铸造用压铸机，成形件重量可达7k g以上。当前，在美国和欧洲，该项工艺技术的应用较为广 泛。半固态金属铸造工艺被认为是21世纪最具发展前途的 近净成型和新材料制备技术之一。5.2工艺原理在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0. 2左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如 果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使 普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留 分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩
3、余液相中。这种颗粒状非 枝晶的显微组织，在固相率达0.5-0.6时仍具有一定的流变 性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现 金属的成形。5.3合金制备制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开 发了电磁搅拌法，电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外力 作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、应变诱发熔化激活法 （SIMA）、喷射沉积法（Ospray）、控制合金浇注温度法 等。其中，电磁搅拌法、控制合金浇注温度法和SIMA法，是最具工业应用潜力的方法。1. 机械搅拌法机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。Flemings等 人用一套由同心带齿内外筒组成的搅拌装置（外筒旋转，内 筒
4、静止），成功地制备了锡-铅合金半固态浆液；H.Lehuy 等人用搅拌桨制备了铝-铜合金、锌-铝合金和铝-硅合金半 固态浆液。后人又对搅拌器进行了改进，采用螺旋式搅拌器 制备7ZA-22合金半固态浆液。通过改进，改善了浆液的 搅拌效果，强化了型内金属液的整体流动强度，并使金属液 产生向下压力，促进浇注，提高了铸锭的力学性能。2. 电磁搅拌法电磁搅拌是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属 液在洛伦磁力的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的 目的。目前，主要有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应 线圈内通交变电流的传统方法；另一种是1993年由法国的 C.Vives推出的旋转永磁体法，其优点是
5、电磁感应器由高性 能的永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永 磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了 搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。3. 应变诱发熔化激活法（SIMA）应变诱发熔化激活法（SIMA）是将常规铸锭经过预变形， 如进行挤压，滚压等热加工制成半成品棒料，这时的显微组 织具有强烈地拉长形变结构，然后加热到固液两相区等温一 定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却获 得非枝晶组织铸锭。SIMA工艺效果主要取决于较低温度的热加工和重熔两个 阶段，或者在两者之间再加一个冷加工阶段，工艺就更易控 制。SIMA技术适用于各种高、低熔点的合金系列，尤其对 制备
6、较高熔点的非枝晶合金具有独特的优越性。已成功应用 于不锈钢、工具钢和铜合金、铝合金系列，获得了晶粒尺寸 20um左右的非枝晶组织合金，正成为一种有竞争力的制备 半固态成形原材料的方法。但是，它的最大缺点是制备的坯 料尺寸较小。4. 近几年开发的新方法近几年来，东南大学与日本的Aresty研究所发现，通过控 制合金的浇注温度，初生枝晶组织可转变为球粒状组织。该 方法的特点是，不需要加入合金元素也无需搅拌。V.Dobat kin等人提出了在液态金属中加细化剂，并进行超声处理后 获得半固态铸锭的方法，称之为超声波处理法，如图1所示。医电转换器I增强器超声振幼头如液水套图1超声波处理法示意图5.4成型
7、方法半固态合金成形方法很多，主要有：1. 流变铸造(Rheoforming, Rheocast)将金属液从液相到固相冷却过程中进行强烈搅动，在一定固 相分数下，直接将所得到的半固态金属浆液压铸或挤压成 形，见图2。图2触变铸造工艺示意图如R.Shibata等人曾将用电磁搅拌方法制备的半固态合金 浆液直接送入压铸机射室中成形。该方法生产的铝合金铸件 的力学性能较挤压铸件高，与半固态触变铸件的性能相当。 问题是，半固态金属浆液的保存和输送难度较大，故实际投 入应用的不多。2. 触变铸造(Thixoforming, Thixocast)将已制备的非枝晶组织锭坯重新加热到固液两相区达到适 宜粘度后，进
8、行压铸或挤压成形，如图3所示。铸成棒条图3触变铸造工艺示意图晶织枝组变造织潦铸组美国的 EOPCO, HPM Corp., Prince Machine, THT Presses,以与瑞士的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 Servi ces等均已能生产半固态铝合金触变成形专用设备。该方法 对坯料的加热、输送易于实现自动化，故是当今半固态铸造 的主要工艺方法。3. 射铸成形(Injection Molding)直接把
9、熔化的金属液而不是处理后半固态浆液冷却至适宜 的温度，并辅以一定的工艺条件压射入型腔成形。如美国威 斯康辛的触变成形发展中心，曾采用该方法进行镁合金的半 固态铸造。美国康奈尔大学的K.K.Wang教授等人研制出 类似的镁合金射铸成型装置，将半固态浆液从料管加入，经 适当冷却后压射入型腔。4. 低温连铸所谓低温连铸就是控制金属液的过热度在0C左右，并在铸 型下方进行强制冷却的铸造方法，如图4所示。中心偏析是 连铸中的大问题，且在连轧线材时可能会发生破断。因此， 该工艺有很大意义。图4低温铸造法（CRM ）连续铸造示意图5. 带材连铸Flemings曾用Sn-15%pb低熔点金属进行带材连铸试验
10、研究，对传热、凝固与变形进行了分析。认为，带材厚度与 轧辐的压力、固相率、流变剪切速度以与连铸速度有关。当 挤压下比压大时，则助长显微偏析。为了保证表面和内部质 量与尺寸精度，必须严格控制固相率、初晶形态尺寸与排放 金属量等半固态金属制造的工艺参数。对高熔点金属如磷青铜Cu-Sn-P合金（Cu-8%Sn-0.1% P）,液相线温度10300笆，难以热加工，用此半固态合金 制薄板有明显效果。目前，已可以制备组织优良的半固态不 锈钢铸锭、高速工具钢铸锭。5.5技术优势半固态压铸工艺的优点可归纳工艺优势和产品优势。1. 工艺优势1）不需加任何晶粒细化剂即可获得细晶粒组织，消除了传 统铸造中的柱状晶和
11、粗大树枝晶。2）成形温度低（如铝合金可降低1200C以上），可节省 能源。3）模具寿命延长。固较低温度的半固态浆料成形时的剪切 应力，比传统的枝晶浆料小三个数量级，故充型平稳、热负 荷小，热疲劳强度下降。4）减少污染和不安全因素。因作业时摆脱了高温液态金属 环境。5）变形阻力小，采用较小的力就可实现均质加工，对难加 工材料的成形容易。6）凝固速度加快，生产率提高，工艺周期缩短。7）适于采用计算机辅助设计和制造，提高了生产的自动化 程度。2. 产品优势1）件质量高。因晶粒细化、组织分布均匀、体收缩减少、 热裂倾向下降，基体上消除了缩松倾向，力学性能大幅度提 高。2）凝固收缩小，故成型体尺寸精度高，加工余量小，近净 成形。3）成形合金X围广。非铁合金有铝、镁、锌、锡、铜、 镍基合金；铁基合金有不锈钢、低合金钢等。4）制造金属基复合材料。利用半固态金属的高粘度，使密 度差大、固溶度小的金属制成合金，也可有效地使不同材料 混合，制成新的复合材料。
