2.第4章 半固态金属铸造工艺

第4章半固态金属铸造工艺

4.1 概述

自1971年美国麻省理工学院的D.B.Spencer和M.C.Flemings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。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。

4.2 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。

4.3 半固态金属的流变特性

半固态金属的流变特性是指在外力作用下半固态金属的流动、变形性能。研究半固态金属的流变特性对半固态金属的制备和成形技术具有重要的指导意义。当金属液中固体金属颗粒的组分大于0.05～0.1时，其流变行为即呈现非牛顿体型。在更高的固体组分(0.5～0.6)时，浆料呈非线性粘塑性，具有宾汉(Binghan)流体的特性。虽然合金成份、半固态金属的制造条件、固体相的形状与大小等因素对半固态金属的流变性能都有影响，但固相组分的数量对流变性能的影响最大。通常用半固态金属的表观粘度作为其流变性的指标。有研究者通过在一定剪切变形速度及冷却条件下的搅拌试验，测定了在不同固体组分下的铝、铜、铁半固态金属的表观粘度得到如下公式所示的半固态金属表观粘度表达式：

式中ηa半固态金属表观粘度，Pa.s，

ηLa金属液表观粘度(Pa.s)，

ρm合金密度(kg.m-3)，

C 凝固速度，s-1，

剪切变形速度，s-1，

f s固相率。

由于半固态金属浆料中的固相率Array主要由半固态金属的温度来决定，因

此在实际应用中温度的控制非常重

要。使半固态金属发生变形时的剪切

应变率对表观粘度也有很大影响。用

高温旋转粘度计对稳定状态的半固态

A356铝合金的表观粘度进行了测定，

结果如图4-1所示。该表观稳定态粘

度可以用公式的形式来表示：

图4-1 A356铝合金浆料稳态表观粘度与剪切率的关系

式中η表观粘度，

C 稠度，

m 为指数，其数值为-1.2至-1.3。

上述情况都是在搅拌试验进行几十分钟，粘度不再变化，达到稳定状态时得出的结果。对于连续冷却状态，则表观粘度较稳定态的稍高。在实际成型加工中，半固态金属充填型腔的时间只持续几秒钟，在这一瞬间由于液体相的粘度，固体颗粒的数量、大小、形貌均在变化，情况变得十分复杂。有关实验通过对锡-15%铅所作的试验后指出，在给定的结构下，半固态浆料的瞬时结构特性为随着剪切率的增加表观粘度有所增加。

将搅拌的半固态金属浆料凝固后再重新加热至半固态，由于半固态金属的触变性，当切变速率很小或等于零时，半固态金属的粘度很高，可以象固体一样夹持及搬运，而当其受到较高剪切应力，产生较大切变速率时，粘度迅速降低，变得与流体一样很容易成形。和其它具有触变性能的材料一样，半固态金属浆料也具有滞后回线现象，如图4-2所示。对于初晶为树枝状的半固态合金，当固相率达到0.3左右就无法流动，而初晶形状为近乎圆形的半固态合金，即使固相率超过0.5，也还有流动性，这说明凝固时晶粒形态对流变

性有重大影响。制造半固态金属浆料时，搅拌速度、冷却速度及固相组分对非树枝状结构

的生成具有如图4-3所示的影响。

图4-2 半固态金属剪切应力与粘度的触变现象图4-3 非树枝晶结构生成机理示意图

4.4 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（Ospray）、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。

（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；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。图4-4为采用机械搅拌方式连续生产金属浆料的装置。对于铝、铜合金和铸铁，该法可实现固相率为0.5的浆料的连续生产。机械搅拌也可采用剪切冷却辊方式（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。电磁搅拌法与机械搅拌相比，减少了搅拌器对浆料的污染，但在制备高固相率的浆料时，搅拌速度会急剧降低，表观粘度迅速增加，使浆料的排出发生困难。图4-5为一种采用半固态金属制造铝基复合材料的电磁搅拌装置。该装置中的4对磁极以0～3000r/min的速度回转。为了使浆料产生三维运动，磁铁与旋转中心轴之间有10°的偏转角，呈螺旋形放置。采用该装置已制造出A356铝合金为基体，加入平均颗粒尺寸为29μm 的20vol%SiC颗粒的复合材料锭。

图4-4 机械搅拌式半固态金属制造装置图4-5 制造铝基复合材料用电磁搅拌装置

（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