冶金新技术讲座4

金属泥成形原理图
加压模锻前
金属泥 加压模锻后
电磁铸造
5.电磁铸造
采用电磁冶金技术，可借助磁场力使作为电磁导体的熔融金属悬浮， 实现非接触运输、非接触搅拌和非接触凝固，从而提高产品质量。 电磁铸造是利用电磁感应原理实现无模连续铸造技术，即液体金属 不与铸模接触成形，而是在电磁力约束下液态金属保持自由表面状态 下凝固成形，其表面呈镜面，由于在磁场作用下凝固，金属组织与结 构得到改善。
第七章 毛坯生产新技术—近终成形
近终成形技术(Near Net Shape Technology)是20世纪 80年代电渣精铸-电渣转铸及电渣离心铸造问世,以及微电 弧成形的发展，由国际冶金界首先定名为构件近终成形技 术，成为材料制备学的一个新分支。 连铸技术的发展及技术突破，在传统连铸技术基础上 开发了薄板坯连铸、辊式薄带连铸及超小断面线坯和空心 管坯连铸，构成近终形连铸（Near Net Shape Continuous）新概念。 当代一切提高金属零件质量的手段，不外乎提高金属 纯净度，控制零件凝固组织，以及通过微合金化及热处理 以改善性能。近终成形集中在一道工序完成物性转变，无 疑是物性转变与物性控制过程中最佳的短流程工艺之一。 近终成形技术分为六大类，其学科分支框图如下：
目前有色金属及合金半固态金属泥制备与成形技术较成熟， 已获得工业应用，但黑色金属泥成形进展缓慢，其技术难点 主要有：
金属泥成形
1）固-液相线区间大的合金； 2）连续稳定地制备半固态金属泥； 3）准确控制熔体温度、固相比率及分布； 4）半固态金属泥的输送； 5）工具及模具等装置的使用寿命。 目前制备半固态的金属泥主要采用电磁搅拌法为主的工 艺，同时探索：（1）非均匀形核法；（2）应变诱导熔体活 化法制备金属泥。同时研究压铸、挤压、注射、锻压等方法 对半固态金属泥进行加工。 金属泥成形原理如图所示。
立式电渣离心浇铸原理图
化渣炉
液体渣
电渣耐用模浇铸EPMC 电渣耐用模浇铸EPMC
熔化渣
钢水注入坩埚
精炼金属
倒模翻扣
铸模到位
坩埚倾转浇铸
坩埚翻转180º 到位
铸完脱模
电渣熔铸薄壁管
电渣熔铸空心管和厚壁管坯是电渣技术的难点，能够 生产电渣熔铸薄壁管仅有日本三菱一家。日本氏家昭发明 的WFT工艺，采用瓦形自耗电极，单相交流供电。这种工 艺短网线长，电效率低，功率因数低，同时有自感磁场引 起不均匀搅拌，影响铸管内在质量。同时未采取二次冷却， 抽管速度不能提高。 而采用双极串联供电，电极制造方便，电极在熔铸过 程无需焊接或交替更换。双极串联供电可消除自感磁场引 起的不均匀搅拌，防止产生波纹状偏析。由于两根电极邻 近，导电方向相反，磁场相互抵消，感抗接近零，因此网 路的功率因数可提高。采用二次冷却，可提高抽管速度。 两种电渣熔铸薄壁管的工艺原理如图所示。
近终成形新技术
-微电弧熔炼成形 Miniature Arc Melting Shape -电渣精炼成形 Electroslag Precision Casting
构件近终成形 Near Net Shape Comoponent
-喷射沉积成形 Osprey -金属泥成形 Metal Mud Shape -电磁铸造成形 Electromagnetic Casting -自蔓延成形 SHS
WFT法工艺原理图 WFT法工艺原理图
电极送进辊
结晶器
瓦形自耗电极 渣池
实心电极双极串联实心电极双极串联-固定芯棒抽管法
喷射沉积成形
3. 喷射沉积成形 喷射成形技术是在粉末冶金惰性气体雾化制粉基础上发 展起来的一种近终成形技术。既可省去传统的铸锭过程， 又免除粉末冶金的制粉、压制、烧结等多道工序，充分利 用经精炼的熔融金属被雾化形成细小液滴射流，使处于半 凝固状态颗粒沉积，在底衬上成形为接近成品形状的预成 形毛坯，其原理如图所示。 雾化金属液滴在飞行中及沉积时受到快速冷却可获得非 晶或微细组织，可有效防止成分偏析。 此外，喷射沉积成形技术能够掺入稳定的陶瓷化合物颗 粒，从而制取金属基复合材料或喷射不同成分的复合层， 制取多层金属的复合材料。
6.自蔓延成形
1）自蔓延高温合成原理 自蔓延成形是指对燃烧合成过程中高温熔体进行制备加工。高温熔体 产生的热源是反应生成热∆H：
M + AO → MO + A + ∆H
自蔓延成形
M为还原剂金属，AO为金属或非金属氧化物，MO为反应产物。在选 择M时：1）必须其氧化物MO的生成自由能小于AO的生成自由能，这是 必要条件；2）还原剂不仅要有强还原能力，其本身必须有较高的沸 点，如Al。 2）自蔓延高温合成技术的应用 （1）自蔓延高温合成难熔化合物和硬质合金 自蔓延高温合成是下式在铝热反应中增加X元素，X元素是C、N、 Si、B中的一种，反应如下：
喷射沉积成形原理图
坩埚 雾化氮气 喷Leabharlann 颗粒 底衬预成形坯 沉积室
Osprey工艺生产合金管 Osprey工艺生产合金管
Osprey工艺生产合金板和带材 Osprey工艺生产合金板和带材
喷射沉积成形
喷射沉积成形技术关键之一是熔融金属经高压气雾化成微小弥散 液态颗粒，以高速喷射到水冷基板上，进行沉积，可能出现以下三种 情况： 如液态金属在基板上沉积之前已完全凝固，只能获得粉末，而不 能形成致密的沉积层； 如液态金属颗粒在喷射过程仍保留在液相线温度以上，基板上形 成熔池，出现铸态组织； 处于两种状态之间，在基板上获得半凝固态或在与基板接触时金 属颗粒来不及形核和结晶，温度降至液相线温度以下成为过冷体， 从而在基板上获得具有快速凝固组织的沉积物。 喷射沉积成形另一个关键问题是存在3%-5%的孔隙度，必须通过加 热等静压、等温锻造及热轧等工序解决这两个关键问题。
微电弧熔炼成形
1.微电弧熔炼成形
微电弧熔炼成形MAMS是一项金属密集型的新工艺，如图所示。 用电脑控制焊接机械手，按所 需构件尺寸及形状编制程序，发 出指令，进行氩弧堆焊，焊丝是 所制备构件同成分金属丝，作自 耗电极，通过微小电弧熔炼堆焊 成所需构件。 金属熔炼在惰性气体Ar的保护 下，氩气对气氛中N、H、O的稀 释促使堆焊金属中N、H、O的逸 出，起精炼作用。
电渣精密熔铸
2.电渣精密熔铸
传统的电渣熔铸由于自耗电极与结晶器之间要保持 一定距离，限制铸件尺寸不得过小、过细，形状不能过于 复杂。电渣精铸由于具有保持电渣熔铸件金属纯净，组织 致密，成分均匀，表面光洁的优点，而且形状更复杂，尺 寸更精确。目前电渣精铸形成四个分支： 电渣转铸（ESPC）
电渣精铸
电渣离心浇铸（CESC） 电渣模铸（ESMC） 电渣铸管
（4）自蔓延焊接 自蔓延焊接即传统铝热焊。
第八章 计算机集成系统与人工智能控制
钢铁工业发展趋势是高效化、连续化及自动化。 人工智能是利用计算机模拟人类智能活动。如日本新日铁开发了 “ALIS”高炉操作专家系统，规则达700多条，实际命中率达到99.5%； 转炉吹炼专家系统使转炉操作更灵活方便；连铸的人工智能专家系统 包括结晶器钢水液位控制实时专家系统、漏钢预报专家系统、浇铸工 况监视与浇铸控制多功能专家系统及在线实时设备诊断模糊专家系统 等，已成功地应用于生产。 计算机一体化制造系统CIMS是将企业中的各种过程控制计算机系 统与管理计算机紧密结合为一体，把企业生产、经营各个环节有机关 联，促使产品质量改善，生产效率提高，科学管理，灵活经营，是一 种多功能智能系统。包括：1）功能与应用结合；2）智能化与自动化 结合；3）层次分散系统；4）专家系统。支持的环境是数据库、网络、 系统技术。
钢铁企业计算机集成制造系统CIMS 钢铁企业计算机集成制造系统CIMS
CIMS（Computer Integrated Manufacturing System） 是在计算机技术、信息技术和系统科学的基础上，将制造 工厂生产经营活动所需的各种自动化系统有机地集成起来， 根据竞争多变的市场需要，获得用于多品种、中小批量生 产的高效益、高柔性的智能生产系统。是信息技术、钢铁 工业技术与管理科学三者相互渗透，相互结合的产物，如 图所示。
AO + X + Al → AX + Al2O3 + ∆H
当然难熔化合物的熔点要小于反应温度，才能借助SHS进行合成。 为了制取以难熔无机化合物为基体的硬质合金，可在混合物中加入Ni、 Co、Cu及其氧化物；为了改善硬质合金的力学性能，可加入合金添加 剂Mn。
自蔓延成形
SHS法制备的几种难熔化合物
自蔓延制备陶瓷内衬复合钢管原理图
自蔓延镀膜（2）自蔓延镀膜-制备陶瓷内衬复合钢管
自蔓延成形
（3）自蔓延技术处理放射性废料 自蔓延技术可以用于放射性废料的固体封存处理。将废 料与硅热剂混合，经预热点燃，形成不溶于水的硅化物， 使废料封存其内，反应原理如下式：
4 Fe2O3 + 3Si → 3Fe2 Si4 + 2 Fe + 1024 KJ
MoO
3
+ Al + C → Mo 2 C
WO 2 + Al + C → WC V 2 O 3 + Al + N 2 → VN
SHS法制备的几种硬质合金
WO 2 + C + Mn + Al → WC + Mn TiO 2 + C + Cr2 O3 + Ni + Al → TiC + Cr3C 2 + Ni V2 O3 + C + NiO + Mn + Al → VC + Ni + Mn
金属泥成形
4. 金属泥成形 金属泥成形集铸压与压力加工工序一起，成为冶金工业中新 的短流程工艺，是当前材料制备科学的前沿。其优越性有：
生产周期短，铸塑机一样； 产品质量高，消除了铸造产品的疏松、缩孔、气体和宏观偏析； 生产成本低廉，能量消耗小。工模具损耗小，可直接生产零件； 投资省，主体设备轻量化，小型化； 生产灵活，可生产多种材料，不同规格的产品。
d = K1 + K 2 lg LST K1 , K 2 −由材料而定的系数
电渣转铸法可以连续生产多个小尺寸的异形件，也可以生产双金属 复合铸件和多层复合铸件，是生产复合装甲板最好的方法。
电渣精密熔铸
电渣转铸生产曲轴的示意图
熔炼曲柄臂与轴颈
熔炼第二臂并与轴颈焊合
电渣离心浇铸法
2）电渣离心浇铸法（CESC） 是有衬的电渣坩埚炉与离心浇铸相结合的新发展。电渣熔炼的炉渣既 是浇铸过程的保护渣，又代替离心浇铸的涂料，在铸造性型筒的内壁 形成一层均匀的渣壳。原理如下图：
电渣熔炼过程 电渣离心浇铸过程
电渣离心浇铸法
自耗电极熔化⇒炉渣精炼⇒铸模转动⇒炉渣注入铸模⇒离心力的作 用在模壁形成渣壳⇒钢水在液渣覆盖下进入旋转铸模⇒抛向模壁，均 匀分布，冷却凝固⇒轻的熔渣在铸件内壁形成一层保护渣壳，起保温 和润滑作用。 对于电渣离心浇铸，作为起涂料作用和在内壁起保温、润滑作用的 渣，需要考虑以下几点： 1）渣的成分应偏离共晶点，使其发生优先结晶，形成代替涂料的渣 壳； 2）渣的固相线温度低于铸造金属熔点100-200℃； 3）渣的密度是金属密度的1/3； 4）保证渣对金属流的良好覆盖性； 5）渣是长渣，η∝1/Τ ； 6）渣与金属凝固有不同的膨胀系数，利于铸件脱渣。
电渣精密熔铸
1）电渣转铸（ESPC）
自耗电极
渣池 固定铸模 金属熔池 可移动熔炼室 异形铸件
电渣精密熔铸
金属转铸使液态金属与熔渣接触面积扩大，钢-渣反应时间延长， 有利于金属中非金属夹杂物被炉渣吸附和溶解，有利于在钢液冷却过 程钢中过饱和气体N、H、O自钢液内形成气泡逸出。 由于热源转移到熔炼室，远离凝固前沿，使金属熔池变浅，两相区 缩小，使局部凝固时间LST缩短，使铸件一次枝晶间距和二次枝晶间 距缩短，显微偏析和碳化物颗粒度大为改善。二次枝晶间距d与LST存 在以下关系：
微电弧熔炼成形
构件成形是连续局部地一层又一层堆焊而成，具有可控热循环周期， 对构件起扩散退火及正火效应，所以生产的构件不仅尺寸精确，而且 金属纯净，组织致密，成分均匀，性能优良。 MAMS技术上的优越性： 1）生产的灵活性。只需准备与构件同钢种的焊丝盘条，编制好程序， 焊接机器人即可工作，不受批量限制，既可单件生产，也可成批生产， 产品易于转向。 2）经济的合理性。生产特大型铸件，采用MAMS无需大型炼钢设备、 锻压、模具及退火炉等设备，投资省，上马快。 3）质量的优越性。氩弧过程起精炼作用，成形过程是顺序凝固，周 期性热循环起自发热处理作用。 4）品种的多样性。若考虑用等离子弧作热源，不仅可生产合金钢及 超级合金构件，而且可生产难熔金属及其合金、活性金属及其合金。