读书心得-半固态铸造工艺综述

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7kg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。
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） 成形合金范围广。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。
图1超声波处理法示意图
五.成型方法：
半固态合金成形方法很多，主要有： 1.流变铸造（Rheoforming, Rheocast） 2.触变铸造（Thixoforming, Thixocast） 3.射铸成形（Injection Molding） 4.低温连铸（CRM） 5.带材连铸
1.流变铸造
图3触变铸造工艺示意图
3.射铸成形
直接把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。
二、概述
自1971年美国麻省理工学院发明了 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 工艺技术已经经历了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。
四、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：
1.电磁搅拌法， 2.电磁脉冲加载法， 3.超声振动搅拌法， 4.外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法， 5.应变诱发熔化激活法（SIMA）， 6.喷射沉积法（Ospray）， 7.控制合金浇注温度法等。
其中，电磁搅拌法、SIMA法和控制合金浇 注温度法，是最具工业应用潜力的方法。
图2 流变铸造工艺示意图
2.触变铸造
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，进行 压铸或挤压成形，如图3所示。美国的 EOPCO，HPM Corp., Prince Machine, 利的IDRAUSA, 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。
六、技术优势
半固态压铸工艺的优点可归纳： 1.工艺优势， 2.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粗大树枝晶。 2） 成形温度低（如铝合金可降低1200℃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。
4.控制合金浇注温度法
近几年来，东南大学及日本 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。
5.超声波处理法
V.Dobatkin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。
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。当时采用一套由同心带齿内 外筒组成的搅拌装置（外筒旋转，内筒 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 螺旋式搅拌器制备了ZA-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。
三、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。
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。
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。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。
4.低温连铸
所谓低温连铸就是控制金属液 的过热度在0℃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 带材连铸试验研究，对传热、凝固及变形进行 了分析。认为，带材厚度与轧辊的压力、固相 率、流变剪切速度以及连铸速度有关。当挤压 下比压大时，则助长显微偏析。为了保证表面 和内部质量及尺寸精度，必须严格控制固相率、 初晶形态尺寸及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℃， 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。
读书心得报告——
半固态铸造工艺综述
一、介绍
在去年的读书会上我曾经报告过 摘自《DIE CASTING ENGINEER》的 一篇文章是关于介绍Semi-solid metal casting（半固体金属铸造）， 其中简单介绍了一些SSM casting的 一些最基本概念和工艺。这次和各 位更加详细的介绍分享一下半固态 铸造工艺之综述，能够让各位了解 一下这种新型的铸造技术。
END
谢谢大家！
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。