半固态成形锭坯铸造zhLIZCIO(billet casting for semisolid forming)

一种生产具有细小的均匀的球状等轴晶粒组织的、供半固态模锻用锭坯的铸造工艺。这种工艺生产的锭坯又称半固态成形用材料(SSM，semisolid material)。这种材料的生产工艺有电磁流体动力学铸造法(即电磁搅拌法，简称MHD法)、应变诱导熔化法(简称SIMA法)、机械搅拌法、化学晶粒细化法、形变热处理法和奥斯普雷(Osprey)法(即喷射沉积法)等多种，其中只有前两种进入了商业化生产阶段。

1978年，美国阿卢马克斯工程金属工艺公司(AEMP)最先采用电磁搅拌法(图1)以工业规模铸出适合半固态加工的锭坯。此法电磁感应线圈产生的电磁场对凝固中的铝熔体进行强力搅拌，将结晶的树枝状晶的“枝”与“叉”打落，从而形成细小的等轴球状晶组织。控制电磁场强弱、电磁线圈高度、铸造速度、冷却强度等工艺参数，就可控制晶粒大小。20世纪90年代初，维维斯(C．Vives)发明了旋转永久磁铁电磁搅拌铸造法(图2)，此法转子结构简单、体积也不大、可装于现有的铸造机上，转子高度可达700mm，有利于延长搅拌时间，进一步改善铸锭组织；电能消耗低，平均为2kw•h／t锭；设备造价低；不但可铸圆锭，且可铸扁锭和空心锭等。

电磁搅拌铸造法对铸造直径<40mm的SSM锭有困难，为此，半固态加工几十克重的零件用的坯料用SIMA法生产。该法的工艺是，对热挤压或热轧的直径较大的棒材施加相当大的冷变形，然后把它加热到固相线与液相线之间的某一温度，即固一液状态，保温一定的时间，凝固后就可形成具有均匀球状晶粒的SSM坯料。这种获得半固态成形锭坯的工艺，目前还不能从理论上给予圆满的解释，但一般认为是由于回复与再结晶的结果。

采用机械法搅拌熔体也可获得等轴球状晶粒组织锭坯，不过晶粒较粗大，一般平均尺寸约为200μm。化学晶粒细化法是向铝熔体中添加Al-Ti-B中间合金来细化变形铝合金晶粒。形变热处理晶粒细化法是对热加工的铸造材料施加一定量的冷变形，而后把它加热到再结晶温度以上的某一温度，保温适当的时间，通过回复与再结晶，形成适合于半固态加工的细小的等轴球状晶组织。此法与SIMA法的基本区别是，前者的加热温度低，而后者的加热温度则相当高。奥斯普雷法又称喷射沉积法，也可用于生产SSM坯料。熔融金属通过气体(氮或氩)雾化形成液滴流，以一定的速度冲向下方的成坯盘，直径约100μm的液滴在向下运动过程中，受到惰性气流冷却，表面温度迅速下降，发生凝固，形成外壳，而沉积时由于撞击，外壳破裂，内部正在凝固的树枝状晶破碎，形成非常细小的球状等轴晶。