淺談半固態(tài)漿料制備技術(shù)
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論文導(dǎo)讀：但是該方法不適合于鋁合金半固態(tài)漿料的制備。那么我們就開辟了一條半固態(tài)漿料制備的新途徑。
關(guān)鍵詞：半固態(tài),漿料制備,研究方向
1 引言
所謂金屬半固態(tài)加工 [1 , 2] 就是將凝固過程中的合金進(jìn)行強(qiáng)力攪拌，使其預(yù)先凝固的樹枝狀初生固相破碎而獲得一種由細(xì)小、球形、非枝晶初生相與液態(tài)金屬共同組成的液、固混合漿料，即流變漿料，將這種流變漿料直接進(jìn)行成型加工的方法稱為半固態(tài)金屬的流變成形(rheoforming)；而將這種流變漿料先凝固成鑄錠，再根據(jù)需要將此金屬鑄錠分切成一定大小使其重新加熱至固液相溫度區(qū)間而進(jìn)行的成型加工稱為觸變成形(thixforming)，流變成形和觸變成型合稱為半固態(tài)加工(semi-solidprocessing method)，簡(jiǎn)稱SSM.
2半固態(tài)漿料制備工藝的研究
半固態(tài)加工的第一步，也是非常重要的一步就是制備合金半固態(tài)漿料，漿料質(zhì)量的好壞對(duì)后續(xù)工序以及鑄件質(zhì)量的影響很大。最早使用的漿料制備方法是機(jī)械攪拌法，經(jīng)過30年發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了諸如電磁攪拌、SIMA、SCR、噴射沉積、液相線鑄造等制備方法 [3] 。下面對(duì)一些應(yīng)用較為廣泛，目前研究較多的制備方法進(jìn)行介紹和分析。
(1) 機(jī)械攪拌法 [4]
機(jī)械攪拌法是最早用于半固態(tài)漿料制備的方法。其原理是在合金凝固過程中，使用攪拌器對(duì)合金熔體進(jìn)行強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌，樹枝晶由于剪切力的作用而斷裂成為顆粒狀結(jié)構(gòu)。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。機(jī)械攪拌分間歇式和連續(xù)式兩種，如圖1. 1所示：
(a) 間歇式(b) 連續(xù)式
圖1.1 兩種機(jī)械攪拌裝置示意圖
1.攪拌器 2.合金熔體 3.加熱線圈
攪拌時(shí)產(chǎn)生的剪切速率一般為100～300S － 1 。剪切速率受攪拌器結(jié)構(gòu)，材料耐腐蝕、耐高溫磨損性能的制約。漿料的質(zhì)量主要由攪拌溫度、攪拌速度以及冷卻速度這三個(gè)參數(shù)控制。然而，由于這些工藝參數(shù)不易控制，容易發(fā)生卷氣等缺陷；攪拌器和合金熔體是直接接觸的，因而容易造成污染；另外攪拌器與容器間存在攪拌死角，影響漿料的質(zhì)量。機(jī)械攪拌法在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較少。
最近幾年，華中科技大學(xué)和英國Brunel大學(xué)分別采用一種新型的攪拌方法——雙螺桿機(jī)械攪拌 [5] 制備出了初生 
相細(xì)小、圓整的鎂合金和Sn-Pb合金半固態(tài)漿料。采用雙螺桿結(jié)構(gòu)的攪拌器大大增大了攪拌的效率，具有強(qiáng)烈的攪拌效果，其剪切速率可以達(dá)到1000～15000S －1 。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。但是該方法不適合于鋁合金半固態(tài)漿料的制備，因?yàn)閿嚢杵鲿?huì)受到熔體的腐蝕。
(2) 電磁攪拌法 [6,7]
電磁攪拌法是應(yīng)用最為廣泛的一種方法。它利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使金屬液內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，并在洛倫茲力的作用下發(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流，從而達(dá)到攪拌的目的。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方法有兩種，一種是在感應(yīng)線圈中通入交變電流，另一種則采用旋轉(zhuǎn)永磁體的方法。電磁攪拌所引起的對(duì)流是三維對(duì)流，剪切速率在500S －1 左右，攪拌效果較好。它最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)合金熔體沒有污染，卷入的氣體量少，合金不易氧化。使用該方法可以實(shí)現(xiàn)連鑄，生產(chǎn)效率高。但是，電磁攪拌設(shè)備昂貴，且工藝也比較復(fù)雜。
(3) 應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法 [8]
應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法(SIMA)是對(duì)鑄錠加壓進(jìn)行一定量的預(yù)變形，使其組織具有強(qiáng)烈的拉伸形變機(jī)構(gòu)，然后將其加熱到半固態(tài)溫度保溫一段時(shí)間，熔化的部分液相滲入到小角度晶界中，使固相粒子分開，樹枝晶破碎，從而得到半固態(tài)組織。預(yù)變形量、保溫溫度以及保溫時(shí)間是SIMA法中的三個(gè)最重要的工藝參數(shù)。增加預(yù)變形量以及等溫溫度都可以促進(jìn)鑄錠中 相由枝晶組織向半固態(tài)顆粒狀組織轉(zhuǎn)化，但是過度提高預(yù)變形量以及等溫溫度會(huì)使晶粒明顯長(zhǎng)大。
SIMA法主要適合于各種高、低熔點(diǎn)的合金系列，尤其在制備高熔點(diǎn)合金的半固態(tài)鑄錠方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性。迄今為止，該方法已經(jīng)成功的應(yīng)用于不銹鋼、工具鋼和銅合金等。然而它也存在缺點(diǎn)，比如需要一道額外的變形工序，而且制備的半固態(tài)坯料尺寸較小。
(4) 超聲波處理法 [9]
超聲波處理法由V.I. Dobatkin 等人提出，其原理為在液態(tài)金屬中加入細(xì)化劑，并使用超聲波處理，由于超聲波的空化作用，使得枝晶組織變?yōu)榘牍虘B(tài)組織。
超聲波在介質(zhì)中傳導(dǎo)的時(shí)候，產(chǎn)生周期性的應(yīng)力和聲壓變化，在局部產(chǎn)生周期性高溫高壓效應(yīng)，使液體產(chǎn)生空化和攪動(dòng)。一般認(rèn)為，超聲波可以產(chǎn)生氣蝕作用，促進(jìn)形核，且可以使枝晶臂斷裂，成為新的形核核心，促進(jìn)半固態(tài)顆粒狀初生相的生長(zhǎng)，而抑制樹枝晶的發(fā)展。超聲波處理法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)熔體污染較小，但是其工藝較為復(fù)雜，設(shè)備投資大。
(5) 液相線鑄造法 [10]
液相線鑄造法是將合金熔體冷卻至液相線溫度附近保溫一段時(shí)間后進(jìn)行澆注，獲得所需要的半固態(tài)組織。日本的Toshio等人利用圖1.2所示的裝置制備半固態(tài)鋁合金漿料，裝置中的水冷斜板用于降低合金熔體的過熱度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在A356型鋁合金的流變成形過程中采用低的過熱度(10℃)和低于50％固相率就可以獲得較為理想的半固態(tài)組織。
圖1.2 液相線法制備半固態(tài)合金漿料
然而，液相線鑄造法要求嚴(yán)格控制工藝條件，否則得到的半固態(tài)漿料組織不均勻，一部分初生 相容易長(zhǎng)大成為粗大的枝晶，導(dǎo)致漿料組織惡化。液相線鑄造法具有工藝簡(jiǎn)單，適用合金范圍廣，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)變形鋁合金半固態(tài)漿料的制備具有極其重要的意義，對(duì)流變鑄造的應(yīng)用及發(fā)展將起到積極地推動(dòng)作用。
3 前景與展望
雖然現(xiàn)有的半固態(tài)制漿技術(shù)在工業(yè)中有一定的應(yīng)用，而且在制造業(yè)具有一定的地位和優(yōu)勢(shì)，但它們?nèi)源嬖谠S多的缺陷，如工藝復(fù)雜、成本高等，制約了它們?cè)诠I(yè)中進(jìn)一步的推廣。我們正探索一種新的半固態(tài)漿料制備工藝---機(jī)械振動(dòng)法，振動(dòng)可以使處于半固態(tài)溫度區(qū)間的合金熔體產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流，改變晶粒的生長(zhǎng)方式，從而獲得晶粒圓整的半固態(tài)漿料。與其它制備工藝相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 機(jī)械振動(dòng)屬于無接觸擾動(dòng)方式，因而熔體受到的污染較�。�
(2) 對(duì)工藝條件要求不是特別嚴(yán)格，工序簡(jiǎn)單，易于操作。免費(fèi)論文參考網(wǎng)。
(3) 設(shè)備簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)維護(hù)，成本相對(duì)較低。
如果我們能夠研究探索出振動(dòng)制漿的規(guī)律，制備出晶粒細(xì)小、圓整的半固態(tài)漿料，那么我們就開辟了一條半固態(tài)漿料制備的新途徑，必將為降低工業(yè)生產(chǎn)成本作出一定的貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 謝水生,黃聲宏.半固態(tài)金屬加工技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999.
[2] 毛衛(wèi)民.半固態(tài)金屬成形技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2004, 6.
[3] 閆淑芳，楊卯生．半固態(tài)金屬漿料制備工藝的研究進(jìn)展[J]．鑄造技術(shù)，2005，26(2)：155-158
[4] D.B. Spencer， R.Mehrabian， M.C. Flemings．Reologicalbehavior of Sn-15%Pb in the crystallization range[J]．MetallurgicalTransactions，1972，3(7)：1925-1932
[5] 李東南．半固態(tài)鎂合金材料及其制備技術(shù)的研究[D]．武漢：華中科技大學(xué)圖書館，2005．
[6] 馮鵬發(fā)，唐靖林，李雙壽等．半固態(tài)合金流變成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．鑄造，2004，53(12)：963-967
[7] 吳炳堯．半固態(tài)金屬鑄造工藝的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]．鑄造，1999，(3)：45-52．
[8] W. Lapkowski．Some studies regardingthixoforming of metal alloys[J]．Journal of MaterialsProcessing Technology，1998，80-81：463-468
[9] 劉政，趙素，雷蕾等．金屬半固態(tài)加工技術(shù)的應(yīng)用與進(jìn)展[J]．上海有色金屬，2005，26(2)：150-156
[10] Toshio Haga，P.Kapranos．SimpleRheocasting Process[J]．Journal of MaterialProcessing Technology，130－131(2002)594-598．
