1. 半固態(tài)連鑄的基本概念與技術(shù)關(guān)鍵 半固態(tài)連鑄是半固態(tài)加工與現(xiàn)代連鑄技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它與普通連鑄的根本區(qū)別在于金屬熔體進(jìn)入結(jié)晶器時(shí)的狀態(tài)不同。在普通連鑄中，金屬液以全液態(tài)進(jìn)入結(jié)晶器。而在半固態(tài)連鑄過(guò)程中，金屬熔體以固液兩相共存的狀態(tài)進(jìn)入結(jié)晶器，其中的固相為非枝晶粒狀組織。半固態(tài)連鑄的主要工藝流程為金屬冶煉→半固態(tài)漿料的制備→拉坯。其技術(shù)關(guān)鍵主要有兩個(gè)，一是連續(xù)冷卻攪拌條件下非枝晶粒狀固相的形成與控制，二是含有非枝晶粒狀固相的半固態(tài)漿料的充型。 2．半固態(tài)連鑄的產(chǎn)生、發(fā)展與現(xiàn)狀 2.1 概況 Flemings 最早提出了半固態(tài)連鑄的技術(shù)思想[1]，并首先對(duì)低熔點(diǎn)有色合金進(jìn)行了試驗(yàn)研究[2]。進(jìn)入八十年代以后，美國(guó)Alumax 公司率先設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)可以小批量生產(chǎn)的有色金屬半固態(tài)連鑄機(jī)[1]。隨后，美國(guó)ISC（INLAND STEEL COMPANY）開始了半固態(tài)圓坯連鑄機(jī)的商業(yè)化工作。在此基礎(chǔ)上，1995年美國(guó)ISC公司進(jìn)一步開展了鋼鐵材料半固態(tài)連鑄的試驗(yàn)研究[3]，取得了可喜的結(jié)果。我國(guó)東南大學(xué)、清華大學(xué)、有色金屬總院等單位也分別開展了有色金屬半固態(tài)鑄造的研究。1996年本課題組與河北賀進(jìn)建材機(jī)械廠等單位聯(lián)合立項(xiàng)，開展了黑色金屬半固態(tài)連鑄的研究，并取得了突破性進(jìn)展[4]，1998年初經(jīng)國(guó)家教育部組織鑒定，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了我國(guó)黑色金屬半固態(tài)連鑄研究的空白。 綜觀國(guó)內(nèi)外半固態(tài)連鑄技術(shù)的研究可以發(fā)現(xiàn)，目前所取得的主要進(jìn)展是：（1） 確立了半固態(tài)連鑄的技術(shù)內(nèi)涵；（2） 從低熔點(diǎn)有色合金跨入了高熔點(diǎn)黑色金屬領(lǐng)域；（3） 對(duì)連續(xù)冷卻攪拌條件下非枝晶固相的形成與演變有了明確的認(rèn)識(shí)；（4） 提出了半固態(tài)連鑄過(guò)程穩(wěn)定性判據(jù)及其工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；（5） 對(duì)半固態(tài)連鑄坯的特點(diǎn)及質(zhì)量評(píng)價(jià)有了客觀的認(rèn)識(shí)。 2.2 半固態(tài)連鑄機(jī)機(jī)型 現(xiàn)有的半固態(tài)連鑄機(jī)有兩類：水平連鑄機(jī)和垂直連鑄機(jī)。兩類機(jī)型的基本組成是一樣的，都包括制漿室，過(guò)渡段，結(jié)晶器，拉矯機(jī)構(gòu)及冷卻加熱系統(tǒng)，二者的主要區(qū)別在于拉坯方向是水平的還是垂直的。 水平式半固態(tài)連鑄機(jī)漿料進(jìn)入結(jié)晶器的壓力損失大，容易發(fā)生流道堵塞，難以生產(chǎn)高固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)坯，而且這種連鑄機(jī)占地面積大。垂直式半固態(tài)連鑄機(jī)漿料充填結(jié)晶器容易，可以生產(chǎn)高固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)坯。但是這種連鑄機(jī)需要地坑作業(yè)，鑄坯長(zhǎng)度受到限制。目前半固態(tài)連鑄機(jī)以垂直式連為主。 適用于有色金屬的半固態(tài)連鑄機(jī)制漿室多用不銹鋼制造，而黑色金屬半固態(tài)連鑄機(jī)制漿室則無(wú)一例外地采用耐火材料制成。制漿室攪拌方式以非接觸式電磁攪拌為主，在有色金屬半固態(tài)連鑄中也有沿用早期機(jī)械攪拌的。為了減緩制漿室內(nèi)金屬熔體的冷卻速度，多數(shù)都在制漿室外加設(shè)一個(gè)加熱裝置。此外，為了保證半固態(tài)漿料能夠順利進(jìn)入結(jié)晶器，國(guó)外半態(tài)連鑄機(jī)在制漿室與結(jié)晶器之間加設(shè)了一個(gè)用耐火材料制作并具有加熱功能的過(guò)渡段，使半固態(tài)熔體通過(guò)時(shí)溫度有所回升。拉坯機(jī)構(gòu)基本上是對(duì)現(xiàn)代連鑄技術(shù)的簡(jiǎn)化，主要有液壓及機(jī)械式兩大類。液壓式拉坯機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，便于調(diào)節(jié)，機(jī)械式拉坯機(jī)構(gòu)操作簡(jiǎn)便，投資小。 本課題組研制成功的適用于黑色金屬的半固態(tài)連鑄機(jī)采用旋轉(zhuǎn)永磁體三維磁攪拌，并取消了制漿室的外熱源加熱及過(guò)渡段。這種半固態(tài)連鑄機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，制漿室冷卻速度由制漿室材料、結(jié)構(gòu)及冷卻水系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)，因而設(shè)備簡(jiǎn)單，便于操作。利用這臺(tái)半固態(tài)連鑄機(jī)已成功實(shí)現(xiàn)了白口鐵、高錳鋼及普碳鋼的半固態(tài)連鑄（鑄坯見圖1），可以進(jìn)行ф100mm以下的圓坯生產(chǎn)及近終形零件的直接成形。 圖1 半固態(tài)連鑄坯實(shí)物照片 2.3 坯料質(zhì)量 利用現(xiàn)有的半固態(tài)連鑄機(jī)所得坯料的主要特點(diǎn)是顯微組織為細(xì)小的粒狀晶，氣體含量低，宏觀偏析少，這種坯料在半固態(tài)溫度下具有優(yōu)異的成型性能。 半固態(tài)連鑄坯的表面質(zhì)量與普通連鑄坯相當(dāng)。雖然沒(méi)有振動(dòng)裝置，但仍可見到類似于振痕的環(huán)狀條紋。這種條紋的形成機(jī)理在文獻(xiàn)[5]中進(jìn)行了專門的討論。 從圖2所示的坯料顯微組織可見，其中的非枝晶粒狀組織形態(tài)并不是球形，而是外形不圓滑的粒狀晶，其尺寸一般為60m―120m。盡管其顯微組織并不象等溫條件下得到的半固態(tài)坯那樣圓整，但已經(jīng)可以滿足成型需求。 3. 問(wèn)題及任務(wù) 半固態(tài)連鑄技術(shù)歷史還很短，人們的認(rèn)識(shí)也還不盡一致，有許多問(wèn)題有待深入研究。歸納起來(lái)，目前存在的問(wèn)題主要有如下四個(gè)： （1） 對(duì)半固態(tài)連鑄過(guò)程穩(wěn)定性重視不夠，拉漏及拉斷現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。 （2） 配套設(shè)施不夠完善，工藝設(shè)計(jì)及過(guò)程控制缺乏依據(jù)。 （3） 坯料組織及表面質(zhì)量有待改善。 （4） 生產(chǎn)率低，目前只有500mm/min，遠(yuǎn)不能與現(xiàn)代連鑄相提并論。 圖2 半固態(tài)連鑄坯組織 圍繞這些問(wèn)題，人們已經(jīng)開展了一些研究，并取得了不少進(jìn)展，但今后的任務(wù)還很艱巨。為了使半固態(tài)連鑄技術(shù)真正成為一種有魅力的制坯技術(shù)，今后的研究重點(diǎn)是如下幾個(gè)方面： （1）過(guò)程穩(wěn)定性研究。 通過(guò)對(duì)半固態(tài)連鑄過(guò)程失穩(wěn)現(xiàn)象的觀察分析，已經(jīng)提出了半固態(tài)連鑄過(guò)程穩(wěn)定性的三個(gè)判據(jù)[6]，并在白口鐵，ZGMn13及Al－Si合金中得到了證實(shí)，但這三個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)的廣泛適用性及其表達(dá)形式的簡(jiǎn)化還有待進(jìn)一步研究。只有建立了廣泛適用且形式簡(jiǎn)單的穩(wěn)定性判據(jù)，才能對(duì)半固態(tài)連鑄過(guò)程的穩(wěn)定性進(jìn)行有效的控制，因此，這是今后不可回避的研究任務(wù)之一。 （2） 連續(xù)冷卻條件下半固態(tài)漿料的流變性研究。 等溫條件下的半固態(tài)漿料流變性研究已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但連續(xù)冷卻條件下半固態(tài)漿料的流變行為研究還較少。而這一問(wèn)題是決定半固態(tài)漿料順利下行的關(guān)鍵所在，因而也是半固態(tài)連鑄過(guò)程穩(wěn)定的基本問(wèn)題之一。它包括宏觀流變學(xué)與微觀流變學(xué)研究?jī)蓚€(gè)方面。宏觀流變學(xué)研究可以為攪拌工藝參數(shù)－組織特征－流動(dòng)行為之間建立起橋梁，進(jìn)而為提高生產(chǎn)率，改善坯料組織提供依據(jù)。 （3） 工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的研究 目前的半固態(tài)連鑄試驗(yàn)和生產(chǎn)都沒(méi)有明確的工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，因而工藝試驗(yàn)任務(wù)很大。本課題組雖然提出了半固態(tài)連鑄工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和定量的設(shè)計(jì)計(jì)算公式[6]，而這套工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的依據(jù)只是對(duì)有關(guān)問(wèn)題的定性認(rèn)識(shí)，其可靠性和有效性還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。 （4）坯料特性的研究 包括半固態(tài)連鑄坯的力學(xué)性能，物理性能及冶金質(zhì)量的系統(tǒng)研究。通過(guò)這一研究可以為半固態(tài)連鑄坯的應(yīng)用前景指明方向，也可以為半固態(tài)連鑄連軋工藝的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。 （5）與現(xiàn)代連鑄技術(shù)結(jié)合途徑的研究 半固態(tài)連鑄是在現(xiàn)代連鑄技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新技術(shù)，盡管它有自己獨(dú)特的技術(shù)內(nèi)涵，但要成為工業(yè)規(guī)模下的實(shí)用技術(shù)，必須借鑒現(xiàn)代連鑄技術(shù)。 4. 展望 盡管半固態(tài)連鑄技術(shù)還沒(méi)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(yàn)研究及小規(guī)模生產(chǎn)中已經(jīng)顯示出了極強(qiáng)的生命力。綜合國(guó)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(gè)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(shì)，為高合金材料無(wú)偏析無(wú)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(zhǎng)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 目前世界各國(guó)都在進(jìn)行超級(jí)鋼的研究，我國(guó)也已經(jīng)啟動(dòng)重大基礎(chǔ)規(guī)劃項(xiàng)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(qiáng)度，同時(shí)還要有大規(guī)模應(yīng)用的可能。為實(shí)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(shì)無(wú)疑會(huì)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(gè)難題。半固態(tài)連鑄在解決這一難題方面會(huì)大有作為，這已被眾多的試驗(yàn)研究所證實(shí)[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(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊，值得大力研究。