第一壓鑄
1、概述（淄博冠虹金屬）

自1971年美(měi)國麻省理(lǐ)工學院的(de)D.B.Spencer和(hé)M.C.Flemings發明(míng)了(le)一種攪動鑄造（stir cast）新工藝，即用(yòng)旋轉雙桶機械攪拌法制備出Sr15% Pb流變漿料以來(lái)，半固态金屬（SSM）鑄造工藝技術經曆了(le)20餘年的(de)研究與發展。攪動鑄造制備的(de)合金一般稱爲非枝晶組織合金或稱部分(fēn)凝固鑄造合金（Partially Solidified Casting Alloys）。由于采用(yòng)該技術的(de)産品具有高(gāo)質量、高(gāo)性能和(hé)高(gāo)合金化(huà)的(de)特點，因此具有強大(dà)的(de)生命力。除軍事裝備上的(de)應用(yòng)外，開始主要集中用(yòng)于自動車的(de)關鍵部件上，例如，用(yòng)于汽車輪毂，可(kě)提高(gāo)性能、減輕重量、降低廢品率。此後，逐漸在其它領域獲得(de)應用(yòng)，生産高(gāo)性能和(hé)近淨成形的(de)部件。半固态金屬鑄造工藝的(de)成形機械也(yě)相繼推出。目前已研制生産出從600噸到2000噸的(de)半固态鑄造用(yòng)壓鑄機，成形件重量可(kě)達7kg以上。當前，在美(měi)國和(hé)歐洲，該項工藝技術的(de)應用(yòng)較爲廣泛。半固态金屬鑄造工藝被認爲是21世紀最具發展前途的(de)近淨成形和(hé)新材料制備技術之一。

2、工藝原理(lǐ)

在普通(tōng)鑄造過程中，初晶以枝晶方式長(cháng)大(dà)，當固相率達到0.2左右時(shí)，枝晶就形成連續網絡骨架，失去宏觀流動性。如果在液态金屬從液相到固相冷(lěng)卻過程中進行強烈攪拌，則使普通(tōng)鑄造成形時(shí)易于形成的(de)樹枝晶網絡骨架被打碎而保留分(fēn)散的(de)顆粒狀組織形态，懸浮于剩餘液相中。這(zhè)種顆粒狀非枝晶的(de)顯微組織，在固相率達0.5-0.6時(shí)仍具有一定的(de)流變性，從而可(kě)利用(yòng)常規的(de)成形工藝如壓鑄、擠壓，模鍛等實現金屬的(de)成形。

3、合金制備

制備半固态合金的(de)方法很多(duō)，除機械攪拌法外，近幾年又開發了(le)電磁攪拌法，電磁脈沖加載法、超聲振動攪拌法、外力作用(yòng)下(xià)合金液沿彎曲通(tōng)道強迫流動法、應變誘發熔化(huà)激活法（SIMA）、噴射沉積法（Spray）、控制合金澆注溫度法等。淄博冠虹認爲其中，電磁攪拌法、控制合金澆注溫度法和(hé)SIMA法，是最具工業應用(yòng)潛力的(de)方法。

3.1機械攪拌法

機械攪拌是制備半固态合金最早使用(yòng)的(de)方法。Flemings等人(rén)用(yòng)一套由同心帶齒内外筒組成的(de)攪拌裝置（外筒旋轉，内筒靜止），成功地制備了(le)錫-鉛合金半固态漿液；H.Lehuy等人(rén)用(yòng)攪拌槳制備了(le)鋁-銅合金、鋅-鋁合金和(hé)鋁-矽合金半固态漿液。後人(rén)又對(duì)攪拌器進行了(le)改進，采用(yòng)螺旋式攪拌器制備了(le)ZA-22合金半固态漿液。通(tōng)過改進，改善了(le)漿液的(de)攪拌效果，強化(huà)了(le)型内金屬液的(de)整體流動強度，并使金屬液産生向下(xià)壓力，促進澆注，提高(gāo)了(le)鑄錠的(de)力學性能。

3.2電磁攪拌法

電磁攪拌是利用(yòng)旋轉電磁場(chǎng)在金屬液中産生感應電流，金屬液在洛倫磁力的(de)作用(yòng)下(xià)産生運動，從而達到對(duì)金屬液攪拌的(de)目的(de)。目前，主要有兩種方法産生旋轉磁場(chǎng)：一種是在感應線圈内通(tōng)交變電流的(de)傳統方法；另一種是1993年由法國的(de)C.Vives推出的(de)旋轉永磁體法，其優點是電磁感應器由高(gāo)性能的(de)永磁材料組成，其内部産生的(de)磁場(chǎng)強度高(gāo)，通(tōng)過改變永磁體的(de)排列方式，可(kě)使金屬液産生明(míng)顯的(de)三維流動，提高(gāo)了(le)攪拌效果，減少了(le)攪拌時(shí)的(de)氣體卷入。

3.3 應變誘發熔化(huà)激活法（SIMA）

應變誘發熔化(huà)激活法（SIMA）是将常規鑄錠經過預變形，如進行擠壓、滾壓等熱(rè)加工制成半成品棒料，這(zhè)時(shí)的(de)顯微組織具有強烈的(de)拉長(cháng)形變結構，然後加熱(rè)到固液兩相區(qū)等溫一定時(shí)間，被拉長(cháng)的(de)晶粒變成了(le)細小的(de)顆粒，随後快(kuài)速冷(lěng)卻獲得(de)非枝晶組織鑄錠。

SIMA工藝效果主要取決于較低溫度的(de)熱(rè)加工和(hé)重熔兩個(gè)階段，或者在兩者之間再加一個(gè)冷(lěng)加工階段，工藝就更易控制。SIMA技術适用(yòng)于各種高(gāo)、低熔點的(de)合金系列，尤其對(duì)制備較高(gāo)熔點的(de)非枝晶合金具有獨特的(de)優越性。已成功應用(yòng)于不鏽鋼、工具鋼和(hé)銅合金、鋁合金系列，獲得(de)了(le)晶粒尺寸20um左右的(de)非枝晶組織合金，正成爲一種有競争力的(de)制備半固态成形原材料的(de)方法。但是，它的(de)最大(dà)缺點是制備的(de)坯料尺寸較小。

3.4 近幾年開發的(de)新方法

近幾年來(lái)，東南(nán)大(dà)學及日本的(de)Aresty研究所發現，通(tōng)過控制合金的(de)澆注溫度，初生枝晶組織可(kě)轉變爲球粒狀組織。淄博冠虹金屬鑄造告訴您其特點是，不需要加入合金元素也(yě)無需攪拌。V.Dobatkin等人(rén)提出了(le)在液态金屬中加細化(huà)劑，并進行超聲處理(lǐ)後獲得(de)半固态鑄錠的(de)方法，稱之爲超聲波處理(lǐ)法，如圖1所示。

4、成形方法

半固态合金成形方法很多(duō)，主要有：

（1）流變鑄造（Rheoforming, Rheocast）

在金屬液從液相到固相冷(lěng)卻過程中進行強烈攪動，在一定固相分(fēn)數下(xià)，直接将所得(de)到的(de)半固态金屬漿液壓鑄或擠壓成形，見圖2。

1 壓鑄合金 2 連續供給合金液 3 感應加熱(rè)器 4 冷(lěng)卻器 5 流變鑄錠 6 壓射室 7 壓鑄模

如R.Shibata等人(rén)曾将用(yòng)電磁攪拌方法制備的(de)半固态合金漿液直接送入壓鑄機射室中成形。該方法生産的(de)鋁合金鑄件的(de)力學性能較擠壓鑄件高(gāo)，與半固态觸變鑄件的(de)性能相當。問題是，半固态金屬漿液的(de)保存和(hé)輸送難度較大(dà)，故實際投入應用(yòng)的(de)不多(duō)。

（2）觸變鑄造（Thixoforming, Thixocast）

将已制備的(de)非枝晶組織錠坯重新加熱(rè)到固液兩相區(qū)達到适宜粘度後，進行壓鑄或擠壓成形，如圖3所示。

1 坯料 2 軟度指示計 3 坯料重新加熱(rè)裝置 4 壓射室 5 壓鑄模

美(měi)國的(de)EOPCO、HPM Corp.、Prince Machine、 THT Presses以及瑞士的(de)Buhler公司、意大(dà)利的(de)IDRA USA、Italpresse of America、加拿大(dà)的(de)Producer USA、日本的(de)Toshiba Machine Corp和(hé)UBE Machinery Services等均已能生産半固态鋁合金觸變成形專用(yòng)設備。該方法對(duì)坯料的(de)加熱(rè)、輸送易于實現自動化(huà)，故是當今半固态鑄造的(de)主要工藝方法。

（3）射鑄成形（Injection Molding）

直接把熔化(huà)的(de)金屬液（而不是處理(lǐ)後半固态漿液）冷(lěng)卻至适宜的(de)溫度，并輔以一定的(de)工藝條件壓射入型腔成形。如美(měi)國威斯康辛的(de)觸變成形發展中心，曾采用(yòng)該方法進行鎂合金的(de)半固态鑄造。美(měi)國康奈爾大(dà)學的(de)K.K.Wang教授等人(rén)研制出類似的(de)鎂合金射鑄成形裝置，将半固态漿液從料管加入，經适當冷(lěng)卻後壓射入型腔。

（4）低溫連鑄

所謂低溫連鑄就是控制金屬液的(de)過熱(rè)度在0℃左右，并在鑄型下(xià)方進行強制冷(lěng)卻的(de)鑄造方法，如圖4所示。中心偏析是連鑄中的(de)大(dà)問題，且在連軋線材時(shí)可(kě)能會發生破斷。因此，該工藝有很大(dà)意義。

（5）帶材連鑄

Flemings曾用(yòng)Sn-15% Pb低熔點金屬進行帶材連鑄試驗研究，對(duì)傳熱(rè)、凝固及變形進行了(le)分(fēn)析。認爲，帶材厚度與軋輥的(de)壓力、固相率、流變剪切速度以及連鑄速度有關。當擠壓下(xià)比壓大(dà)時(shí)，則助長(cháng)顯微偏析。爲了(le)保證表面和(hé)内部質量及尺寸精度，必須嚴格控制固相率、初晶形态尺寸及排放金屬量等半固态金屬制造的(de)工藝參數。

對(duì)高(gāo)熔點金屬如磷青銅Cu-Sn-P合金（Cu-8%Sn-0.1%P），液相線溫度1030℃，難以熱(rè)加工，用(yòng)此半固态合金制薄闆有明(míng)顯效果。目前，已可(kě)以制備組織優良的(de)半固态不鏽鋼鑄錠、高(gāo)速工具鋼鑄錠。

5 技術優勢

半固态壓鑄工藝的(de)優點可(kě)歸納爲工藝優勢和(hé)産品優勢。

(1) 工藝優勢

1）不需加任何晶粒細化(huà)劑即可(kě)獲得(de)細晶粒組織，消除了(le)傳統鑄造中的(de)柱狀晶和(hé)粗大(dà)樹枝晶。

2）成形溫度低（如鋁合金可(kě)降低120℃以上），可(kě)節省能源。

3）模具壽命延長(cháng)。因較低溫度的(de)半固态漿料成形時(shí)的(de)剪切應力，比傳統的(de)枝晶漿料小三個(gè)數量級，故充型平穩、熱(rè)負荷小，熱(rè)疲勞強度下(xià)降。

4）減少污染和(hé)不安全因素。因作業時(shí)擺脫了(le)高(gāo)溫液态金屬環境。

5）變形阻力小，采用(yòng)較小的(de)力就可(kě)實現均質加工，對(duì)難加工材料的(de)成形容易。

6）凝固速度加快(kuài)，生産率提高(gāo)，工藝周期縮短。

7）适于采用(yòng)計算(suàn)機輔助設計和(hé)制造，提高(gāo)了(le)生産的(de)自動化(huà)程度。

(2) 産品優勢

1）鑄件質量高(gāo)。因晶粒細化(huà)、組織分(fēn)布均勻、體收縮減少、熱(rè)裂傾向下(xià)降，基體上消除了(le)縮松傾向，力學性能大(dà)幅度提高(gāo)。

2）凝固收縮小，故成形後尺寸精度高(gāo)，加工餘量小，近淨成形。

3）成形合金範圍廣。非鐵合金有鋁、鎂、鋅、錫、銅、鎳基合金；鐵基合金有不鏽鋼、低合金鋼等。

4）制造金屬基複合材料。利用(yòng)半固态金屬的(de)高(gāo)粘度，可(kě)使密度差大(dà)、固溶度小的(de)金屬制成合金，也(yě)可(kě)有效地使用(yòng)不同材料混合，制成新的(de)複合材料。

6、半固态鑄造技術的(de)發展

6.1 鎂合金半固态溫度區(qū)間擾動和(hé)澆溫對(duì)鑄态組織的(de)影(yǐng)響

AZ91HP鎂合金在不鏽鋼坩埚電阻爐中升溫至720℃保溫10分(fēn)進行精煉處理(lǐ)後，在液相線附近進行短時(shí)保溫處理(lǐ)，可(kě)減小枝晶組織形成趨勢；降低處理(lǐ)溫度、對(duì)熔體進行擾動均加速晶粒向等軸形乃至球形發展；在半固态溫度區(qū)間對(duì)熔體吹氩（Ar）處理(lǐ)，使熔體擾動，提高(gāo)了(le)形核率，加速了(le)枝晶臂的(de)熔斷和(hé)晶粒等軸化(huà)，可(kě)得(de)到均勻分(fēn)布的(de)非枝晶組織；這(zhè)使成形後的(de)半固态鑄件中，硬脆的(de)β相含量減少，且呈纖細的(de)網狀分(fēn)布于初生的(de)α相晶界處，提高(gāo)了(le)鎂合金半固态鑄件的(de)力學性能（鑄造，2006，55（2）：120-125）。

6.2 先進的(de)半固态合金的(de)制漿方法

在已提出的(de)先進的(de)制漿方法中，傾斜闆技術的(de)原理(lǐ)和(hé)設備簡單、工藝易控、成本較低。圖5爲采用(yòng)傾斜闆法制備半固态亞共晶高(gāo)鉻白口鑄鐵半固态漿料裝置，金屬液在在冷(lěng)卻體激冷(lěng)作用(yòng)下(xià)，奧氏體以非均勻方式大(dà)量形核長(cháng)大(dà)、枝晶熔斷、折斷、破碎進而細化(huà)，形成球狀奧氏體，圖6爲其球狀奧氏體半固态漿料組織形貌（鑄造，2006，55（2）：156-159）。

6.3 Al-6Si-2Mg鋁合金半固态觸變成形壓鑄

Al-6Si-2Mg鋁合金，液相線溫度615℃，固相線溫度557℃，具有優良的(de)觸變成形工藝性能。棒坯采用(yòng)熱(rè)頂法，電磁攪拌垂直半連續鑄造，直徑爲60～70mm；坯料在中頻(pín)感應設備的(de)線圈中加熱(rè)，開始快(kuài)速加熱(rè)到500℃，而後慢(màn)速加熱(rè)，芯部達560℃後，進一步降低加熱(rè)功率，在芯部達到575℃後，移到2800KN卧式冷(lěng)室壓鑄機上，壓鑄成汽車發動機上用(yòng)水(shuǐ)泵蓋。壓鑄件微觀組織見圖7，半固态壓鑄中，已熔化(huà)的(de)α-Al 在壓鑄高(gāo)速剪切觸變成形中，一部分(fēn)使初生α-Al長(cháng)大(dà)，一部分(fēn)凝固成細小呈球狀的(de)次生α-Al。共晶組織中Mg2Si比連鑄組織中更爲細小；由于半固态組織中無氣孔，經540℃，8小時(shí)固溶處理(lǐ)後水(shuǐ)淬，再經170℃，6小時(shí)人(rén)工時(shí)效，獲得(de)如下(xià)力學性能：抗拉強度340MPa, 屈服強度310MPa, 延伸率3.5%（鑄造，2005，54（5）：475-478）。