半固态金属铸造工艺

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1、半固态金属铸造工艺Company Document number: WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998半固态金属铸造工艺概述 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。合金制备 制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁

2、搅拌法，电磁脉 冲加载法、超声振动搅拌法、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、应变诱发熔化激 活法（SIMA）、喷射沉积法（Spray）、控制合金浇注温度法等。其中，电磁搅拌法、控制 合金浇注温度法和SIMA法，是最具工业应用潜力的方法。3.3.1机械搅拌法机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。Flemings等人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；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

3、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。3.3.2 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。3.3.3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

4、，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的拉长形变结构，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。3.3.4 近几年开发的新方法近

5、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。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。图1 超声波处理法示意图成形方法半固态合金成形方法很多，主要有：(1) 流变铸造(Rheoforming, Rheocast)图2触变铸造工艺示意图1压铸合金 2连续供给合金液 3感应加热器 4冷却器 5流变铸锭 6压射室 7压铸模 在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

6、成形，见图2。如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。(2) 触变铸造(Thixoforming, Thixocast) 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。图3触变铸造工艺示意图1坯料 2软度指示计 3坯料重新加热装置 4压射室 5压铸模美国的 EOPCO、HPM Corp.、Prince Machine、THT Presses 以及瑞士的 Buhle r 公 司、

7、意大利的 IDRA USA、Italpresse of America、加拿大的 Producer USA、日本的 Toshiba 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。(3) 射铸成形(Injection Molding) 形装置，将半固态浆液从料管加入，经适当冷却后压射入型腔。(4) 低温连铸所谓低温连铸就是控制金属液的过热度在0C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

8、。因 此，该工艺有很大意义。图4低温铸造法(CRM)连续铸造示意图(5) 带材连铸Flemings曾用SnT5% 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%P)，液相线温度1030C，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。技术优势半固态压铸工艺

9、的优点可归纳为工艺优势和产品优势。(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120C。以上)，可节省能源。3) 模具寿命延长。因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。 （2）产品优势1）铸件质量高。因晶粒细化、组

10、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，故成形后尺寸精度高，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，可使密度差大、固溶 度小的金属制成合金，也可有效地使用不同材料混合，制成新的复合材料。半固态铸造技术的最新发展3.6.1镁合金半固态温度区间扰动和浇温对铸态组织的影响AZ91HP镁合金在不锈钢坩埚电阻炉中升温至720C。保温10分进行精炼处 理后，在液相线附近进行短时保温处理，可减小枝晶组织形成趋势；降低处理 温度、对

11、熔体进行扰动均加速晶粒向等轴形乃至球形发展；在半固态温度区间 对熔体吹氩（Ar）处理，使熔体扰动，提高了形核率，加速了枝晶臂的熔断和 晶粒等轴化，可得到均匀分布的非枝晶组织；这使成形后的半固态铸件中，硬 脆的”相含量减少，且呈纤细的网状分布于初生的相晶界处，提高了镁合金 半固态铸件的力学性能（铸造， 2006， 55（2）：120-125）。3.6.2先进的半固态合金的制浆方法图 5 倾斜板法制备半固态浆料装置 图6高铬白口铸铁球状奥氏体半固态浆料组织 在已提出的先进的制浆方法中，倾斜板技术的原理和设备简单、工艺易 控、成本较低。图 5为采用倾斜板法制备半固态亚共晶高铬白口铸铁半固态浆 料装置

12、，金属液在在冷却体激冷作用下，奥氏体以非均匀方式大量形核长大、 枝晶熔断、折断、破碎进而细化，形成球状奥氏体，图 6为其球状奥氏体半固 态浆料组织形貌（铸造， 2006， 55（2）：156-159）。3.6.3 AI-6Si-2Mg铝合金半固态触变成形压铸图 7 半固态触变成形压铸 Al-6Si-2Mg 铝合金水泵盖及其微观组织Al-6Si-2Mg铝合金，液相线温度615C，固相线温度557C。，具有优良的触 变成形工艺性能。棒坯采用热顶法，电磁搅拌垂直半连续铸造，直径为60 70mm ；坯料在中频感应设备的线圈中加热，开始快速加热到500C，而后慢速 加热，芯部达560C后，进一步降低加热功率，在芯部达到575C后，移到 2800KN 卧式冷室压铸机上，压铸成汽车发动机上用水泵盖。压铸件微观组织 见图7,半固态压铸中，已熔化的a-Al在压铸高速剪切触变成形中，一部分使 初生a-Al长大，一部分凝固成细小呈球状的次生a-Al。共晶组织中Mg2Si比连 铸组织中更为细小；由于半固态组织中无气孔，经540C。，8小时固溶处理后水 淬，再经170C, 6小时人工时效，获得如下力学性能：抗拉强度340MPa,屈服 强度 310MPa,延伸率 （铸造，2005, 54 ：475-478）。