半固態(tài)金屬鑄造工藝

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2932

   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。

5.2 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(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。


5.3 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(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。
   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，如圖1所示。



圖1超聲波處理法示意圖


5.4 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，見圖2。



圖2 觸變鑄造工藝示意圖

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