1、概述

2、工藝原理

半固態(tài)鑄造工藝原理在于，通過在液態(tài)金屬凝固過程中施加強烈攪拌，打破傳統(tǒng)鑄造中形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架，將其轉(zhuǎn)化為分散的顆粒狀組織懸浮于液相中。這種半固態(tài)漿料在固相率達(dá)到一定水平（如0.5-0.6）時仍能保持一定的流動性，使得能夠利用壓鑄、擠壓、模鍛等常規(guī)成形工藝對金屬進(jìn)行加工，從而優(yōu)化鑄件質(zhì)量并提升生產(chǎn)效率。

3、合金制備

制備半固態(tài)合金的方法很多，除機械攪拌法外，近幾年又開發(fā)了電磁攪拌法，電磁脈沖加載法、超聲振動攪拌法、外力作用下合金液沿彎曲通道強迫流動法、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）、噴射沉積法（Spray）、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。

3.1機械攪拌法

機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，強化了型內(nèi)金屬液的整體流動強度，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。

3.2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)生運動，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，提高了攪拌效果，減少了攪拌時的氣體卷入。

3.3 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，這時的顯微組織具有強烈的拉長形變結(jié)構(gòu)，然后加熱到固液兩相區(qū)等溫一定時間，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階段，或者在兩者之間再加一個冷加工階段，工藝就更易控制。SIMA技術(shù)適用于各種高、低熔點的合金系列，尤其對制備較高熔點的非枝晶合金具有獨特的優(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，它的最大缺點是制備的坯料尺寸較小。

3.4 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。

4、成形方法

半固態(tài)合金成形方法很多，主要有：

（1）流變鑄造（Rheoforming, Rheocast） 在金屬液從液相到固相冷卻過程中進(jìn)行強烈攪動，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。 1 壓鑄合金 2 連續(xù)供給合金液 3 感應(yīng)加熱器 4 冷卻器 5 流變鑄錠 6 壓射室 7 壓鑄模 如R.Shibata等人曾將用電磁攪拌方法制備的半固態(tài)合金漿液直接送入壓鑄機射室中成形。該方法生產(chǎn)的鋁合金鑄件的力學(xué)性能較擠壓鑄件高，與半固態(tài)觸變鑄件的性能相當(dāng)。問題是，半固態(tài)金屬漿液的保存和輸送難度較大，故實際投入應(yīng)用的不多。

（2）觸變鑄造（Thixoforming, Thixocast） 將已制備的非枝晶組織錠坯重新加熱到固液兩相區(qū)達(dá)到適宜粘度后，進(jìn)行壓鑄或擠壓成形。 美國的EOPCO、HPM Corp.、Prince Machine、 THT Presses以及瑞士的Buhler公司、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等均已能生產(chǎn)半固態(tài)鋁合金觸變成形專用設(shè)備。該方法對坯料的加熱、輸送易于實現(xiàn)自動化，故是當(dāng)今半固態(tài)鑄造的主要工藝方法。

（3）射鑄成形（Injection Molding） 直接把熔化的金屬液（而不是處理后半固態(tài)漿液）冷卻至適宜的溫度，并輔以一定的工藝條件壓射入型腔成形。如美國威斯康辛的觸變成形發(fā)展中心，曾采用該方法進(jìn)行鎂合金的半固態(tài)鑄造。美國康奈爾大學(xué)的K.K.Wang教授等人研制出類似的鎂合金射鑄成形裝置，將半固態(tài)漿液從料管加入，經(jīng)適當(dāng)冷卻后壓射入型腔。

（4）低溫連鑄 所謂低溫連鑄就是控制金屬液的過熱度在0℃左右，并在鑄型下方進(jìn)行強制冷卻的鑄造方法。中心偏析是連鑄中的大問題，且在連軋線材時可能會發(fā)生破斷。因此，該工藝有很大意義。

（5）帶材連鑄 Flemings曾用Sn-15% Pb低熔點金屬進(jìn)行帶材連鑄試驗研究，對傳熱、凝固及變形進(jìn)行了分析。認(rèn)為，帶材厚度與軋輥的壓力、固相率、流變剪切速度以及連鑄速度有關(guān)。當(dāng)擠壓下比壓大時，則助長顯微偏析。為了保證表面和內(nèi)部質(zhì)量及尺寸精度，必須嚴(yán)格控制固相率、初晶形態(tài)尺寸及排放金屬量等半固態(tài)金屬制造的工藝參數(shù)。 對高熔點金屬如磷青銅Cu-Sn-P合金（Cu-8%Sn-0.1%P），液相線溫度1030℃，難以熱加工，用此半固態(tài)合金制薄板有明顯效果。目前，已可以制備組織優(yōu)良的半固態(tài)不銹鋼鑄錠、高速工具鋼鑄錠。

5 技術(shù)優(yōu)勢

半固態(tài)壓鑄技術(shù)優(yōu)勢包括了產(chǎn)品優(yōu)勢和工藝優(yōu)勢.

(1) 工藝優(yōu)勢

1）不需加任何晶粒細(xì)化劑即可獲得細(xì)晶粒組織，消除了傳統(tǒng)鑄造中的柱狀晶和粗大樹枝晶。

2）成形溫度低（如鋁合金可降低120℃以上），可節(jié)省能源。

3）模具壽命延長。因較低溫度的半固態(tài)漿料成形時的剪切應(yīng)力，比傳統(tǒng)的枝晶漿料小三個數(shù)量級，故充型平穩(wěn)、熱負(fù)荷小，熱疲勞強度下降。

4）減少污染和不安全因素。因作業(yè)時擺脫了高溫液態(tài)金屬環(huán)境。

5）變形阻力小，采用較小的力就可實現(xiàn)均質(zhì)加工，對難加工材料的成形容易。

6）凝固速度加快，生產(chǎn)率提高，工藝周期縮短。

7）適于采用計算機輔助設(shè)計和制造，提高了生產(chǎn)的自動化程度。

(2) 產(chǎn)品優(yōu)勢

1）鑄件質(zhì)量高。因晶粒細(xì)化、組織分布均勻、體收縮減少、熱裂傾向下降，基體上消除了縮松傾向，力學(xué)性能大幅度提高。

2）凝固收縮小，故成形后尺寸精度高，加工余量小，近凈成形。

3）成形合金范圍廣。非鐵合金有鋁、鎂、鋅、錫、銅、鎳基合金；鐵基合金有不銹鋼、低合金鋼等。

4）制造金屬基復(fù)合材料。利用半固態(tài)金屬的高粘度，可使密度差大、固溶度小的金屬制成合金，也可有效地使用不同材料混合，制成新的復(fù)合材料。

6、半固態(tài)鑄造技術(shù)的發(fā)展

6.1 鎂合金半固態(tài)溫度區(qū)間擾動和澆溫對鑄態(tài)組織的影響

AZ91HP鎂合金在不銹鋼坩堝電阻爐中升溫至720℃保溫10分進(jìn)行精煉處理后，在液相線附近進(jìn)行短時保溫處理，可減小枝晶組織形成趨勢；降低處理溫度、對熔體進(jìn)行擾動均加速晶粒向等軸形乃至球形發(fā)展；在半固態(tài)溫度區(qū)間對熔體吹氬（Ar）處理，使熔體擾動，提高了形核率，加速了枝晶臂的熔斷和晶粒等軸化，可得到均勻分布的非枝晶組織；這使成形后的半固態(tài)鑄件中，硬脆的β相含量減少，且呈纖細(xì)的網(wǎng)狀分布于初生的α相晶界處，提高了鎂合金半固態(tài)鑄件的力學(xué)性能（鑄造，2006，55（2）：120-125）。

6.2 先進(jìn)的半固態(tài)合金的制漿方法

在已提出的先進(jìn)的制漿方法中，傾斜板技術(shù)的原理和設(shè)備簡單、工藝易控、成本較低。采用傾斜板法制備半固態(tài)亞共晶高鉻白口鑄鐵半固態(tài)漿料裝置，金屬液在在冷卻體激冷作用下，奧氏體以非均勻方式大量形核長大、枝晶熔斷、折斷、破碎進(jìn)而細(xì)化，形成球狀奧氏體。

6.3 Al-6Si-2Mg鋁合金半固態(tài)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(yōu)良的觸變成形工藝性能。棒坯采用熱頂法，電磁攪拌垂直半連續(xù)鑄造，直徑為60～70mm；坯料在中頻感應(yīng)設(shè)備的線圈中加熱，開始快速加熱到500℃，而后慢速加熱，芯部達(dá)560℃后，進(jìn)一步降低加熱功率，在芯部達(dá)到575℃后，移到2800KN臥式冷室壓鑄機上，壓鑄成汽車發(fā)動機上用水泵蓋。半固態(tài)壓鑄中，已熔化的α-Al 在壓鑄高速剪切觸變成形中，一部分使初生α-Al長大，一部分凝固成細(xì)小呈球狀的次生α-Al。共晶組織中Mg2Si比連鑄組織中更為細(xì)小；由于半固態(tài)組織中無氣孔，經(jīng)540℃，8小時固溶處理后水淬，再經(jīng)170℃，6小時人工時效，獲得如下力學(xué)性能：抗拉強度340MPa, 屈服強度310MPa, 延伸率3.5%（鑄造，2005，54（5）：475-478）。