进行半固态铸造的关键是制备出合格的半固态金属浆料。常用的半固态合金浆料的制备方法有机械搅拌法、电磁搅拌法和应变激活工艺等。

半固态触变铸造的理论基础是半固态浆液的触变性(或搅溶性)。触变性是浆体悬浮液所具有的一种特性。所谓触变性,即是指在一定的时间范围内浆料的黏度随剪切率的增加而减小的特性。这种特性是由于在浆体悬浮液中形成前述组织而出现的。就个别固态金属而言,这种特殊组织的形成是初次固体质点的部分连接所造成的。对于固体组分占50%的半固态浆料,当剪切率较低或等于零时,其黏度会大大提高,以至浆液像软固体一样,人工可以搬运。而随后再施加剪力,则又可使其黏度降低,重新获得流动性并很容易地铸造成形。通过如下的试验即可以说明这一特性。先制成两个380铝合金试棒,前者是砂型铸造的,后者是半固态流变铸造的。将二者都加热到约含40%固态组分的温度,此时二者都能保持其原来形状,具有一定的固体刚度,都可以像软固体一样由人搬运。但将二者从1.2m的高度抛下时,前者碰到地面像脆性固体一样碎裂,而后者却像液体一样飞溅。如果将二者送入绝热的活塞压射容器中,在预定的压力作用下,前者根本不能成形并出现大量的热裂纹和抗剪力;而后者在活塞冲击形成的剪力作用下产生流动,顺利地被压铸成形。

利用半固态金属的这一独特优点,先用连续制备器生产半固态浆液,然后将其全部凝成一定尺寸的锭料,再将锭料切割成所需尺寸、所需重量的小型锭料以供压铸使用。这些小型锭料在室温下可以长期储存,使用时再重新加热达到所要求的固体组分的软化度,然后即可钳送至压铸机的压射室中进行压铸。这一工艺即被称为半固态触变铸造或半固态锭料重温铸造,简称为触变铸造。由于这种方法更便于组织生产,因而成为世界各国开发应用的重点研究项目。

1.机械搅拌法

在半固态浆液制备器中,一般均由采用感应加热的液态金属熔池和与其相连的坩埚混拌冷却室组成。该法基本分为两种类型,一种由两个同心的圆筒所组成,内筒保持静止,外筒旋转,使切分的树枝晶被破碎。另一种是在熔融的金属中插入一搅拌棒进行搅拌,其装置结构如图6-3所示。它具有两个垂直相连的同心圆柱形筒,上部是合金储存室,下部是合金混合搅拌冷却室,通过搅拌棒的升降,调节浆液中固液组成及流出速度。

由直流电动机带动的搅棒是用富铝红柱石和石英制成的,也有用高纯度的三氧化二铝制成的,也可以直接用陶瓷热电偶保护管做搅棒,方形搅棒比圆形具有更好的搅拌效果。搅拌的速率为100～1000r/min,多为800～1000r/min。搅棒可以一直延伸到搅拌室的底部,并通过其升降来调节浆液的流出速度,这样也就控制了浆液的温度和固体组分。现在已用这种设备成功地生产了铝、铜、不锈钢和其他高温合金的半固态浆液。

机械搅拌法可以获得很高的剪切速率,冷却速度大,有益于形成细小、均匀的显微组织,搅拌在金属液面下进行,因而减少了空气的进入。但是,因为金属熔体与搅拌叶片直接接触,影响到搅拌器的寿命,同时金属浆料也易受到污染。由于在工业生产中难以解决这些问题,该方法在实验室的研究中应用较多。

2.电磁搅拌法

电磁搅拌法是利用电磁感应产生的电磁力搅拌正在凝固中的金属,属于非接触式搅拌。该法是利用旋转电磁场使金属液产生扰动,达到搅拌金属液获得半固态合金浆料的目的。常用的两种方法中,一种是在感应线圈内通交变电流的方法,另一种是1993年发明的旋转永磁体法,后者产生的磁场强度高。通过改变永磁体的排列方式,可以使金属液产生二维流动。电磁搅拌法克服了机械搅拌法的缺陷,不会污染金属液,控制方便灵活,在工业上得到了较广泛的应用。但其设备投资大,成本高。

目前,工业上用电磁搅拌法可以生产出直径达38～152mm的半固态铸棒。但是,交变电流的集肤效应使得电磁力从铸棒四周到中心逐渐减弱,所以电磁搅拌法不宜生产更大直径的铸棒,而且该种方法的电能消耗量大,搅拌效率有待于进一步提高。(www.daowen.com)

3.应变激活法

应用诱发应变激活技术首先要使合金原料获得足够的冷变形,而后加热到固液两相区,得到非常细小的、非枝晶的球状显微组织,形成半固态原料,然后加热到半固态状态保温,即可得到半固态合金浆料。应用该法获得的金属纯净,产量大,是目前工业生产中采用的主要技术之一。但是由于增加了预变形工序,使得生产成本提高。此外,与电磁搅拌法相比,它仅限于生产小型零件,作为电磁搅拌法的补充,应用于高熔点半固态合金。

4.喷射沉积法

金属熔化成液态后,雾化为熔滴颗粒,在喷射气体的作用下被直接收集在基板上。当每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切力打碎在熔滴内部形成的枝晶,凝固后成为颗粒状组织,经加热到局部熔化时,也可得到半固态金属浆料。与其他方法相比,该法成本较高,仅适合于制备大尺寸坯料。

5.其他方法

除上述方法外,切变-冷却轧制法、紊流效应法、粉末冶金法、电磁脉冲放电法、化学晶粒细化法、形变热处理法等也被用于制备半固态金属原料。

图6-3　制备半固态浆料几种方法示意图

(a)熔池搅拌 (b)机械搅拌连续生产 (c)电磁搅拌连续生产