石家莊愛迪爾電氣有限公司

    自1971年美國麻省理工學(xué)院的D.B.Spencer和M.C.Flemings發(fā)明了一種攪動鑄造（stir cast）新工藝，即用旋轉(zhuǎn)雙桶機械攪拌法制備出Srr15%pb流變漿料以來，半固態(tài)金屬（SSM）鑄造工藝技術(shù)經(jīng)歷了20余年的研究與發(fā)展。攪動鑄造制備的合金一般稱為非枝晶組織合金或稱部分凝固鑄造合金（Partially Solidified Casting Alloys）。由于采用該技術(shù)的產(chǎn)品具有高質(zhì)量、高性能和高合金化的特點，因此具有強大的生命力。除軍事裝備上的應(yīng)用外，開始主要集中用于自動車的關(guān)鍵部件上，例如，用于汽車輪轂，可提高性能、減輕重量、降低廢品率。此后，逐漸在其它領(lǐng)域獲得應(yīng)用，生產(chǎn)高性能和近凈成型的部件。半固態(tài)金屬鑄造工藝的成型機械也相繼推出。目前已研制生產(chǎn)出從600噸到2000噸的半固態(tài)鑄造用壓鑄機，成形件重量可達(dá)7kg以上。當(dāng)前，在美國和歐洲，該項工藝技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。半固態(tài)金屬鑄造工藝被認(rèn)為是21世紀(jì)具發(fā)展前途的近凈成型和新材料制備技術(shù)之一。

    2工藝原理

   在普通鑄造過程中，初晶以枝晶方式長大，當(dāng)固相率達(dá)到0.2左右時，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動性。如果在液態(tài)金屬從液相到固相冷卻過程中進行強烈攪拌，則使普通鑄造成形時易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相中。這種顆粒狀非枝晶的顯微組織，在固相率達(dá)0.5-0.6時仍具有一定的流變性，從而可利用常規(guī)的成形工藝如壓鑄、擠壓，模鍛等實現(xiàn)金屬的成形。

    3半固態(tài)壓鑄工藝工藝優(yōu)勢和產(chǎn)品優(yōu)勢

    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1200℃以上），可節(jié)省能源。
   3） 模具壽命延長。固較低溫度的半固態(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。

產(chǎn)品優(yōu)勢
   1） 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，故成型體尺寸精度高，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，使密度差大、固溶度小的金屬制成合金，也可有效地使不同材料混合，制成新的復(fù)合材料。

    4展望

    盡管半固態(tài)連鑄技術(shù)還沒有達(dá)到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的水平，但在現(xiàn)有的試驗研究及小規(guī)模生產(chǎn)中已經(jīng)顯示出了極強的生命力。綜合國內(nèi)外的有關(guān)研究不難看出，半固態(tài)連鑄技術(shù)將在下列領(lǐng)域具有光明的應(yīng)用前景： 
    (1)高合金和難變形材料成形 
    高合金和難變形材料的成型一直是材料加工領(lǐng)域的一個難題。半固態(tài)連鑄坯在半固態(tài)溫度下具有類似于液態(tài)直接成型的成型優(yōu)勢，為高合金材料無偏析無缺陷連鑄和難變形材料的順利成型找到了一條可行的技術(shù)路線。本課題組的研究表明，通常認(rèn)為不能鍛造的白口鐵及高錳鋼，制成半固態(tài)連鑄坯后，在半固態(tài)溫度下可以順利成型壁厚2mm，長度100mm以上的復(fù)雜零件。因此，半固態(tài)連鑄在難變形材料成型用坯的生產(chǎn)方面將大有可為。 
    (2)新一代鋼鐵材料研制 
    目前各國都在進行鋼的研究，我國也已經(jīng)啟動重大基礎(chǔ)規(guī)劃項目“新一代鋼鐵材料研究”。新一代鋼鐵材料要求高潔凈、超細(xì)化、超高強度，同時還要有大規(guī)模應(yīng)用的可能。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，必然需要采用連鑄技術(shù)制坯，而現(xiàn)有的連鑄坯普遍存在柱狀晶區(qū)大，宏觀偏析嚴(yán)重的缺陷。半固態(tài)連鑄坯晶粒細(xì)小，宏觀偏析少的優(yōu)勢無疑會為新一代鋼鐵材料的制坯提供一條值得探索的技術(shù)路線。 
    (3)復(fù)合材料制坯與成型 
    復(fù)合材料是材料科學(xué)的一枝新秀，但迄今為止，復(fù)合材料的制備及其大規(guī)模成材仍是一個難題。半固態(tài)連鑄在解決這一難題方面會大有作為，這已被眾多的試驗研究所證實[7]。 
    總之，半固態(tài)連鑄技術(shù)在高合金材料、難變形材料、細(xì)晶均質(zhì)化鋼鐵材料及高附加值的新材料成型方面有著獨到的技術(shù)優(yōu)勢。

    5電磁攪拌法

    5.1 電磁攪拌器的原理：
       電磁攪拌器的基本結(jié)構(gòu)就交流感應(yīng)方式而言，實際上是一個能激發(fā)磁場的感應(yīng)器，它類仿于電機的定子，結(jié)晶器相當(dāng)于轉(zhuǎn)子。感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場作用于結(jié)晶器內(nèi)熔融的金屬液，并與金屬液有相對運動，金屬液又是導(dǎo)電體，因此，也就在其中產(chǎn)生感受應(yīng)電流，該電流與感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生電磁力，推動金屬液的運動。運動的方式由磁場方式?jīng)Q定，目前，普遍應(yīng)用的磁場有旋轉(zhuǎn)磁場和行波磁場。
       電磁攪拌法是利用電磁感應(yīng)力的作用將析出的樹枝晶破碎成顆粒狀，屬于非接觸式攪拌。因此，金屬液純凈，不卷入氣體，控制方便，產(chǎn)量大，是目前工業(yè)應(yīng)用的主要方法之 一。這種方法也適用熔點較高的合金。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位的電磁攪拌技術(shù)稱為MHD(Magnetohydrofynamic)，用于生產(chǎn)連續(xù)流變錠料，其中鋁合金錠的直徑達(dá)50— 110mm。

    5.2攪拌效果
    采用先進的電磁攪拌技術(shù)， 經(jīng)過國內(nèi)外大量的實驗與工業(yè)生產(chǎn)通過使用電磁攪拌所達(dá)到的主要效果：
    降低夾渣含量；
    減少中心縮孔；
    消除宏觀偏析；
    增加等軸晶比率；
    改善凝固組織等；

    6半固態(tài)實驗用電磁攪拌器

    6.1工作原理

    電磁攪拌方法則利用電磁感應(yīng)在半凝固的金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在外加磁場的作用下促使金屬固液漿料激烈地攪動，使傳統(tǒng)的枝晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵У臄嚢杞M織。

    6.2系統(tǒng)組成

    本系統(tǒng)以INTER高性能十六位單片機為核心組成的交--直--交變頻電源、電磁感應(yīng)器、操作控制界面、冷卻系統(tǒng)等組成。

    6.3系統(tǒng)優(yōu)點

    為了實驗室研究方便，感應(yīng)器內(nèi)半固態(tài)金屬液受力與枝晶的關(guān)系。本系統(tǒng)采用了電壓、頻率、攪拌時間連續(xù)可調(diào)，使半固態(tài)金屬液受力情況一目了然。簡潔操作控制界面，人機接口簡單明了，所有操作在控制面板上可立即完成。

    6.4主要技術(shù)參數(shù)

    我公司可根據(jù)用戶需求定制設(shè)備

    6.5系統(tǒng)概況：

    1、系統(tǒng)采用 IPM智能電源模塊作為核心器件，其本身具有短路、過流、過熱、欠壓保護功能，系統(tǒng)設(shè)計中又增設(shè)了可靠的緩沖電路和其他抗干擾電路。
    2、采用工業(yè)級單片機作為核心控制，其能適應(yīng)于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，處理速度快。
    3、開關(guān)、接觸器、整流、濾波、緩沖電路等電子器件，一律選用可靠器件，在設(shè)計中選用了較大的耐壓、過流、散熱保護系數(shù)。
    4、在結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造方面盡量做到減少分布電容、電感和提高抗輻射，感應(yīng)和耦合干擾的能力。
    5、參數(shù)和程序設(shè)計嚴(yán)密，系統(tǒng)投入和停機邏輯，能較好的防止誤碼操作和事故停電造成的系統(tǒng)損壞。

    6.6基本功能：

    1、有輸入電壓，輸出電流表盤指示，工作頻率，工作電壓數(shù)碼指示。
    2、電流、頻率在設(shè)定的工作范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)。
    3、系統(tǒng)在攪拌狀態(tài)可以通過調(diào)節(jié)電壓改變工作電流。
    4、有正攪，反攪，自動攪拌三種攪拌方式，任何攪拌狀態(tài)下攪拌時間，攪拌停止時間，換相停止時間可在參數(shù)范圍內(nèi)任意設(shè)定。
    5、故障指示分為系統(tǒng)停機故,障，攪拌停止故障和報警故障三類。
    A、系統(tǒng)停機故障：包括冷卻風(fēng)機失靈，IPM模塊故障，整流熔斷器故障，主接觸器故障，控制電源故障等。
    B、攪拌停止故障：包括：冷卻水嚴(yán)重不足，攪拌器繞組嚴(yán)重過熱，冷卻風(fēng)機停。
    C、報警故障：包括：水流量、水壓不足，過流、欠壓三相電流不平衡等。

    6.7安裝注意事項

    a電源進線應(yīng)嚴(yán)格保證接線正確，否則不能正常工作。
    b各連接電纜規(guī)格必須符合廠方要求。
    c整套設(shè)備各部分外殼均應(yīng)可靠接地，以防干擾。
    d所有線路要保證絕緣良好。