半固態(tài)金屬鑄造工藝(上)

1概述
　　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(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。
　　2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。
　　3合金制備
　　設(shè)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、超聲振動攪拌法、外力作用下合金液沿彎曲通道強(qiáng)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。
　　3.1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。
　　3.2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(yùn)動，從而達(dá)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(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，提高了攪拌效果，減少了攪拌時(shí)的氣體卷入。
　　3.3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(diǎn)是制備的坯料尺寸較小。
　　3.4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�狀組織。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。
　　4成型方法
　　半固態(tài)合金成形方法很多，主要有：
　　4.1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，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。