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半固態(tài)金屬鑄造工藝的歷史與趨勢

發(fā)布時間：2018/4/3 8:04:34 信息來源：本站編輯閱讀次數(shù)：5414次

　自1971年美國麻省理工學(xué)院的D.B.Spencer和M.C.Flemings發(fā)明了一種攪動鑄造（stir cast）新工藝，即用旋轉(zhuǎn)雙桶機械攪拌法制備出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，因此具有強大的生命力。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，成形件重量可達7kg以上。當(dāng)前，在美國和歐洲，該項工藝技術(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)固相率達到0.2左右時，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動性。如果在液態(tài)金屬從液相到固相冷卻過程中進行強烈攪拌，則使普通鑄造成形時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0.5-0.6時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、超聲振動攪拌法、外力作用下合金液沿彎曲通道強迫流動法、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.機械攪拌法
　　機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。后人又對攪拌器進行了改進，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，改善了漿液的攪拌效果，強化了型內(nèi)金屬液的整體流動強度，并使金屬液產(chǎn)生向下壓力，促進澆注，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)生運動，從而達到對金屬液攪拌的目的。目前，主要有兩種方法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場：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)生的磁場強度高，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，提高了攪拌效果，減少了攪拌時的氣體卷入。
　　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，如進行擠壓，滾壓等熱加工制成半成品棒料，這時的顯微組織具有強烈地拉長形變結(jié)構(gòu)，然后加熱到固液兩相區(qū)等溫一定時間，被拉長的晶粒變成了細小的顆粒，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階段，或者在兩者之間再加一個冷加工階段，工藝就更易控制。SIMA技術(shù)適用于各種高、低熔點的合金系列，尤其對制備較高熔點的非枝晶合金具有獨特的優(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，正成為一種有競爭力的制備半固態(tài)成形原材料的方法。但是，它的最大缺點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)金屬中加細化劑，并進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行強烈攪動，在一定固相分數(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)達到適宜粘度后，進行壓鑄或擠壓成形。
　　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。該方法對坯料的加熱、輸送易于實現(xiàn)自動化，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，并在鑄型下方進行強制冷卻的鑄造方法，如圖4所示。中心偏析是連鑄中的大問題，且在連軋線材時可能會發(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低熔點金屬進行帶材連鑄試驗研究，對傳熱、凝固及變形進行了分析。認為，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，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)。
　　對高熔點金屬如磷青銅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
　　半固態(tài)壓鑄工藝的優(yōu)點可歸納工藝優(yōu)勢和產(chǎn)品優(yōu)勢。
　　1.工藝優(yōu)勢
　　1）不需加任何晶粒細化劑即可獲得細晶粒組織，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)漿料成形時的剪切應(yīng)力，比傳統(tǒng)的枝晶漿料小三個數(shù)量級，故充型平穩(wěn)、熱負荷小，熱疲勞強度下降。
　　4）減少污染和不安全因素。因作業(yè)時擺脫了高溫液態(tài)金屬環(huán)境。
　　5）變形阻力小，采用較小的力就可實現(xiàn)均質(zhì)加工，對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）適于采用計算機輔助設(shè)計和制造，提高了生產(chǎn)的自動化程度。
　　2.產(chǎn)品優(yōu)勢
　　1）件質(zhì)量高。因晶粒細化、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)明了一種攪動鑄造（stir cast）新工藝，即用旋轉(zhuǎn)雙桶機械攪拌法制備出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，因此具有強大的生命力。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，成形件重量可達7kg以上。當(dāng)前，在美國和歐洲，該項工藝技術(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)固相率達到0.2左右時，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動性。如果在液態(tài)金屬從液相到固相冷卻過程中進行強烈攪拌，則使普通鑄造成形時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0.5-0.6時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、超聲振動攪拌法、外力作用下合金液沿彎曲通道強迫流動法、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.機械攪拌法
　　機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。后人又對攪拌器進行了改進，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，改善了漿液的攪拌效果，強化了型內(nèi)金屬液的整體流動強度，并使金屬液產(chǎn)生向下壓力，促進澆注，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)生運動，從而達到對金屬液攪拌的目的。目前，主要有兩種方法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場：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)生的磁場強度高，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，提高了攪拌效果，減少了攪拌時的氣體卷入。
　　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，如進行擠壓，滾壓等熱加工制成半成品棒料，這時的顯微組織具有強烈地拉長形變結(jié)構(gòu)，然后加熱到固液兩相區(qū)等溫一定時間，被拉長的晶粒變成了細小的顆粒，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階段，或者在兩者之間再加一個冷加工階段，工藝就更易控制。SIMA技術(shù)適用于各種高、低熔點的合金系列，尤其對制備較高熔點的非枝晶合金具有獨特的優(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，正成為一種有競爭力的制備半固態(tài)成形原材料的方法。但是，它的最大缺點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)金屬中加細化劑，并進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行強烈攪動，在一定固相分數(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)達到適宜粘度后，進行壓鑄或擠壓成形。
　　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。該方法對坯料的加熱、輸送易于實現(xiàn)自動化，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，并在鑄型下方進行強制冷卻的鑄造方法，如圖4所示。中心偏析是連鑄中的大問題，且在連軋線材時可能會發(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低熔點金屬進行帶材連鑄試驗研究，對傳熱、凝固及變形進行了分析。認為，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，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)。
　　對高熔點金屬如磷青銅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
　　半固態(tài)壓鑄工藝的優(yōu)點可歸納工藝優(yōu)勢和產(chǎn)品優(yōu)勢。
　　1.工藝優(yōu)勢
　　1）不需加任何晶粒細化劑即可獲得細晶粒組織，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)漿料成形時的剪切應(yīng)力，比傳統(tǒng)的枝晶漿料小三個數(shù)量級，故充型平穩(wěn)、熱負荷小，熱疲勞強度下降。
　　4）減少污染和不安全因素。因作業(yè)時擺脫了高溫液態(tài)金屬環(huán)境。
　　5）變形阻力小，采用較小的力就可實現(xiàn)均質(zhì)加工，對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）適于采用計算機輔助設(shè)計和制造，提高了生產(chǎn)的自動化程度。
　　2.產(chǎn)品優(yōu)勢
　　1）件質(zhì)量高。因晶粒細化、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。