半固態連鑄技術研究現狀與展望

半固態連鑄的基本概念與技術關鍵

半固態連鑄是半固態加工與現代連鑄技術相結合的產物。它與普通連鑄的根本區別在于金屬熔體進入結晶器時的狀態不同。在普通連鑄中，金屬液以全液態進入結晶器。而在半固態連鑄過程中，金屬熔體以固液兩相共存的狀態進入結晶器，其中的固相為非枝晶粒狀組織。半固態連鑄的主要工藝流程為金屬冶煉→半固態漿料的制備→拉坯。其技術關鍵主要有兩個，一是連續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漿料的充型。

半固態連鑄的產生、發展與現狀

1概況

Flemings最早提出了半固態連鑄的技術思想，并首先對低熔點有色合金進行了試驗研究。進入八十年代以后，美國Alumax公司率先設計制造了一臺可以小批量生產的有色金屬半固態連鑄機。隨后，美國ISC（INLANDSTEELCOMPANY）開始了半固態圓坯連鑄機的商業化工作。在此基礎上，1995年美國ISC公司進一步開展了鋼鐵材料半固態連鑄的試驗研究，取得了可喜的結果。我國東南大學、清華大學、有色金屬總院等單位也分別開展了有色金屬半固態鑄造的研究。1996年本課題組與河北賀進建材機械廠等單位聯合立項，開展了黑色金屬半固態連鑄的研究，并取得了突破性進展，1998年初經國家教育部組織鑒定，達到了國際先進水平，填補了我國黑色金屬半固態連鑄研究的空白。

綜觀國內外半固態連鑄技術的研究可以發現，目前所取得的主要進展是：(1)確立了半固態連鑄的技術內涵；(2)從低熔點有色合金跨入了高熔點黑色金屬領域；(3)對連續冷卻攪拌條件下非枝晶固相的形成與演變有了明確的認識；(4)提出了半固態連鑄過程穩定性判據及其工藝設計準則；(5)對半固態連鑄坯的特點及質量評價有了客觀的認識。

2半固態連鑄機機型

現有的半固態連鑄機有兩類：水平連鑄機和垂直連鑄機。兩類機型的基本組成是一樣的，都包括制漿室，過渡段，結晶器，拉矯機構及冷卻加熱系統，二者的主要區別在于拉坯方向是水平的還是垂直的。

水平式半固態連鑄機漿料進入結晶器的壓力損失大，容易發生流道堵塞，難以生產高固相分數的半固態坯，而且這種連鑄機占地面積大。垂直式半固態連鑄機漿料充填結晶器容易，可以生產高固相分數的半固態坯。但是這種連鑄機需要地坑作業，鑄坯長度受到限制。目前半固態連鑄機以垂直式連為主。

適用于有色金屬的半固態連鑄機制漿室多用不銹鋼制造，而黑色金屬半固態連鑄機制漿室則無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，在有色金屬半固態連鑄中也有沿用早期機械攪拌的。為了減緩制漿室內金屬熔體的冷卻速度，多數都在制漿室外加設一個加熱裝置。此外，為了保證半固態漿料能夠順利進入結晶器，國外半態連鑄機在制漿室與結晶器之間加設了一個用耐火材料制作并具有加熱功能的過渡段，使半固態熔體通過時溫度有所回升。拉坯機構基本上是對現代連鑄技術的簡化，主要有液壓及機械式兩大類。液壓式拉坯機構運行平穩，便于調節，機械式拉坯機構操作簡便，投資小。

本課題組研制成功的適用于黑色金屬的半固態連鑄機采用旋轉永磁體三維磁攪拌，并取消了制漿室的外熱源加熱及過渡段。這種半固態連鑄機的最大優點是可靠性高，制漿室冷卻速度由制漿室材料、結構及冷卻水系統來調節，因而設備簡單，便于操作。利用這臺半固態連鑄機已成功實現了白口鐵、高錳鋼及普碳鋼的半固態連鑄，可以進行ф100mm以下的圓坯生產及近終形零件的直接成形。

3坯料質量

利用現有的半固態連鑄機所得坯料的主要特點是顯微組織為細小的粒狀晶，氣體含量低，宏觀偏析少，這種坯料在半固態溫度下具有優異的成型性能。

半固態連鑄坯的表面質量與普通連鑄坯相當。雖然沒有振動裝置，但仍可見到類似于振痕的環狀條紋。這種條紋的形成機理在一些文獻中進行了專門的討論。

從坯料顯微組織可見，其中的非枝晶粒狀組織形態并不是球形，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坯那樣圓整，但已經可以滿足成型需求。

問題及任務

半固態連鑄技術歷史還很短，人們的認識也還不盡一致，有許多問題有待深入研究。歸納起來，目前存在的問題主要有如下四個：

（1）對半固態連鑄過程穩定性重視不夠，拉漏及拉斷現象時有發生。

（2）配套設施不夠完善，工藝設計及過程控制缺乏依據。

（3）坯料組織及表面質量有待改善。

（4）生產率低，目前只有500mm/min，遠不能與現代連鑄相提并論。

圍繞這些問題，人們已經開展了一些研究，并取得了不少進展，但今后的任務還很艱巨。為了使半固態連鑄技術真正成為一種有魅力的制坯技術，今后的研究重點是如下幾個方面：

（1）過程穩定性研究。

通過對半固態連鑄過程失穩現象的觀察分析，已經提出了半固態連鑄過程穩定性的三個判據，并在白口鐵，ZGMn13及Al－Si合金中得到了證實，但這三個穩定性判據的廣泛適用性及其表達形式的簡化還有待進一步研究。只有建立了廣泛適用且形式簡單的穩定性判據，才能對半固態連鑄過程的穩定性進行有效的控制，因此，這是今后不可回避的研究任務之一。

（2）連續冷卻條件下半固態漿料的流變性研究。

等溫條件下的半固態漿料流變性研究已取得了長足的發展，但連續冷卻條件下半固態漿料的流變行為研究還較少。而這一問題是決定半固態漿料順利下行的關鍵所在，因而也是半固態連鑄過程穩定的基本問題之一。它包括宏觀流變學與微觀流變學研究兩個方面。宏觀流變學研究可以為攪拌工藝參數－組織特征－流動行為之間建立起橋梁，進而為提高生產率，改善坯料組織提供依據。

（3）工藝設計準則的研究

目前的半固態連鑄試驗和生產都沒有明確的工藝設計準則，因而工藝試驗任務很大。本課題組雖然提出了半固態連鑄工藝設計準則和定量的設計計算公式，而這套工藝設計準則的依據只是對有關問題的定性認識，其可靠性和有效性還有待于進一步驗證。

（4）坯料特性的研究

包括半固態連鑄坯的力學性能，物理性能及冶金質量的系統研究。通過這一研究可以為半固態連鑄坯的應用前景指明方向，也可以為半固態連鑄連軋工藝的開發奠定基礎。

（5）與現代連鑄技術結合途徑的研究

半固態連鑄是在現代連鑄技術基礎上發展起來的一個新技術，盡管它有自己獨特的技術內涵，但要成為工業規模下的實用技術，必須借鑒現代連鑄技術。

展望

盡管半固態連鑄技術還沒有達到大規模工業應用的水平，但在現有的試驗研究及小規模生產中已經顯示出了極強的生命力。綜合國內外的有關研究不難看出，半固態連鑄技術將在下列領域具有光明的應用前景：

（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域的一個難題。半固態連鑄坯在半固態溫度下具有類似于液態直接成型的成型優勢，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路線。本課題組的研究表明，通常認為不能鍛造的白口鐵及高錳鋼，制成半固態連鑄坯后，在半固態溫度下可以順利成型壁厚2mm，長度100mm以上的復雜零件。因此，半固態連鑄在難變形材料成型用坯的生產方面將大有可為。

（2）新一代鋼鐵材料研制

目前世界各國都在進行超級鋼的研究，我國也已經啟動重大基礎規劃項目“新一代鋼鐵材料研究”。新一代鋼鐵材料要求高潔凈、超細化、超高強度，同時還要有大規模應用的可能。為實現這一目標，必然需要采用連鑄技術制坯，而現有的連鑄坯普遍存在柱狀晶區大，宏觀偏析嚴重的缺陷。半固態連鑄坯晶粒細小，宏觀偏析少的優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路線。

（3）復合材料制坯與成型

復合材料是材料科學的一枝新秀，但迄今為止，復合材料的制備及其大規模成材仍是一個難題。半固態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。

總之，半固態連鑄技術在高合金材料、難變形材料、細晶均質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優勢，應用前景廣闊，值得大力研究。