消失模鑄造培訓(xùn)資料

1、6. 消失模鑄造,定義: 消失模鑄造技術(shù)是將與鑄件尺寸形狀相似的發(fā)泡塑料模型粘結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂層并烘干后，埋在干石英砂中振動(dòng)造型，在一定條件下澆注液體金屬，使模型氣化并占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成所需鑄件的方法。 對(duì)于消失模鑄造，有多種不同的叫法。,,,國(guó)內(nèi)主要的叫法有“干砂實(shí)型鑄造”、“ 負(fù)壓實(shí)型鑄造”，簡(jiǎn)稱(chēng)EPC鑄造。國(guó)外的叫法主要有：Lost Foam Process (U.S.A)、 Policast

2、Process(Italy)等。,1956年美國(guó)人H.F.SHOYER開(kāi)始了將聚苯乙烯泡沫塑料用于鑄造的試驗(yàn)，并獲得成功,引起了人們極大的興趣，1958年以專(zhuān)利的形式公布于眾，當(dāng)時(shí)稱(chēng)之為“無(wú)型腔鑄造”。起初，該法只是用來(lái)制造金屬雕像等藝術(shù)品鑄件，以后經(jīng)過(guò)許多實(shí)踐和探索，1962年西德從美國(guó)引進(jìn)專(zhuān)利，消失模鑄造法才開(kāi)始被開(kāi)發(fā)，并在工業(yè)上得到應(yīng)用。,1964年美國(guó)的T.R.SMITH發(fā)表了使用無(wú)粘結(jié)劑干砂造型生產(chǎn)消失模鑄件的專(zhuān)利。到了196

3、7年,采用普通粘土砂和自硬砂的消失模鑄造法獲得了成功,并在許多國(guó)家得到了應(yīng)用,生產(chǎn)了成千上萬(wàn)噸鑄件,但無(wú)粘結(jié)劑干砂實(shí)型鑄造卻沒(méi)得到發(fā)展,仍處于探索階段。在整個(gè)六十年代直至七十年代,消失模鑄造法僅限于單件小批生產(chǎn),典型產(chǎn)品是汽車(chē)模具、機(jī)器底座、藝術(shù)品等。1968年，德國(guó)人E.KRYZMOWSKI在砂箱內(nèi)抽成負(fù)壓進(jìn)行澆注,取得了專(zhuān)利，即現(xiàn)在的消失模鑄造。,八十年代以前，由于專(zhuān)利的制約，生產(chǎn)中使用無(wú)粘結(jié)劑干砂消失模鑄造受到限制；鑄造界與其他產(chǎn)

4、業(yè)部門(mén)協(xié)調(diào)不夠；由于工藝不當(dāng)、型砂和涂料不合適以及模型質(zhì)量不高所導(dǎo)致的實(shí)型鑄件外觀及內(nèi)在質(zhì)量不夠好，造成了一部分人的等待、觀望甚至懷疑的態(tài)度，使得消失模鑄造法發(fā)展緩慢。,1981年以后由于相應(yīng)專(zhuān)利技術(shù)失效，再加上經(jīng)過(guò)幾年努力，發(fā)泡聚苯乙烯原料珠粒有了很大進(jìn)步、模型組合粘結(jié)劑質(zhì)量改善、高質(zhì)量涂料被研制成功等工藝技術(shù)的進(jìn)步，消失模鑄造法得以迅速發(fā)展，并很快在生產(chǎn)上得到應(yīng)用。1982年美國(guó)首先公開(kāi)了世界上第一條生產(chǎn)復(fù)雜鋁鑄件的消失模鑄造生產(chǎn)線(xiàn)

5、。至此，消失模鑄造作為一種全新的鑄造工藝方法被應(yīng)用于生產(chǎn)。,1979年，由我國(guó)著名消失模鑄造專(zhuān)家、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員黃述哲教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，在中國(guó)最早開(kāi)始了消失模鑄造的原理性試驗(yàn)。同年，黃述哲教授在全國(guó)鑄造工藝學(xué)會(huì)上發(fā)表了“消失模鑄造基本特性的研究”論文報(bào)告，在國(guó)內(nèi)首次系統(tǒng)闡述了這一方法的特點(diǎn)和規(guī)律性。1982年，在光機(jī)所工廠建成了一條消失模鑄造實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線(xiàn)?！　“耸甏笃卩嵵輽C(jī)械所也開(kāi)始了消失模鑄造的試驗(yàn)性應(yīng)用

6、研究。 　　九十年代開(kāi)始以來(lái)，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中理工大學(xué)、西安交大等也紛紛加入了消失模鑄造的研究。,6.1 消失模鑄造工藝,最普遍實(shí)用的方法是把涂有耐火材料涂層的模型放入砂箱，模型四周用干砂充填緊實(shí)，澆注液態(tài)金屬，取代泡沫塑料模型，這種鑄造工藝被稱(chēng)為：消失模鑄造（EPC）、氣化模鑄造及實(shí)型鑄造等。美國(guó)鑄造協(xié)會(huì)消失模鑄造委員會(huì)采用了“消失模鑄造”作為該工藝的名稱(chēng)。    消失模鑄造是一

7、項(xiàng)創(chuàng)新的鑄造工藝方法，可用于生產(chǎn)有色及黑色金屬動(dòng)力系統(tǒng)的零件，包括：汽缸體、汽缸蓋、曲軸、變速箱、進(jìn)氣管、排氣管及剎車(chē)轂等鑄件。,玻璃鋁合金檢具,汽缸體,消失模鑄造（又稱(chēng)實(shí)型鑄造）是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模型粘結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動(dòng)造型，在負(fù)壓下澆注，使模型氣化，液體金屬占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。     消失模鑄造分為兩類(lèi)：用板

8、材加工成形的氣化模鑄造和用模具發(fā)泡成形的消失模鑄造。前者的主要特點(diǎn)是：1）模樣不用模具成形，而是采用市售的泡沫板材，用數(shù)控加工機(jī)床分塊制作，然后粘合而成。2）通常采用樹(shù)脂砂或水玻璃砂作充填砂，也有人采用干砂負(fù)壓造型。后者的主要特點(diǎn)是，模樣在模具中成形和采用負(fù)壓干砂造型。它主要適用于中、小型鑄件的大批生產(chǎn)。通常稱(chēng)這種方法為L(zhǎng)ost Foam Casting,簡(jiǎn)稱(chēng)LFC法。 泡沫塑料EPC模采用無(wú)粘結(jié)劑干砂結(jié)合抽真空的鑄造法,稱(chēng)為消失模鑄造

9、法,也叫EPC 法,干砂負(fù)壓消失模鑄造技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)LFC）是一項(xiàng)精確成形的鑄造新技術(shù)，被鑄造界的權(quán)威人士稱(chēng)為“代表21世紀(jì)的鑄造新技術(shù)”，“使鑄造技術(shù)在與其他成形方法和替代材料的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地的一張王牌”。,LFC法與傳統(tǒng)的粘土砂鑄造的主要工藝流程比較如下圖：,1、預(yù)發(fā)泡,模型生產(chǎn)是消失模鑄造工藝的第一道工序，復(fù)雜鑄件如汽缸蓋，需要數(shù)塊泡沫模型分別制作，然后再膠合成一個(gè)整體模型。每個(gè)分塊模型都需要一套模具進(jìn)行生產(chǎn)，另外在膠合操作中還可

10、能需要一套胎具，用于保持各分塊的準(zhǔn)確定位，模型的成型工藝分為兩步，第一步是將聚苯乙烯珠粒預(yù)發(fā)到適當(dāng)密度，一般通過(guò)蒸汽快速加熱來(lái)進(jìn)行，此階段稱(chēng)為預(yù)發(fā)泡。,2、模型成型,經(jīng)過(guò)預(yù)發(fā)泡的珠粒要先進(jìn)行穩(wěn)定化處理，然后再送到成型機(jī)的料斗中，通過(guò)加料孔進(jìn)行加料，模具型腔充滿(mǎn)預(yù)發(fā)的珠粒后，開(kāi)始通入蒸汽，使珠粒軟化、膨脹，擠滿(mǎn)所有空隙并且粘合成一體，這樣就完成了泡沫模型的制造過(guò)程，此階段稱(chēng)為蒸壓成型。    成型后

11、，在模具的水冷腔內(nèi)通過(guò)大流量水流對(duì)模型進(jìn)行冷卻，然后打開(kāi)模具取出模型，此時(shí)模型溫度提高且強(qiáng)度較低，所以在脫模和儲(chǔ)存期間必須謹(jǐn)慎操作，防止變形及損壞。,美國(guó)齒輪箱體鑄件、泡沫合肥叉車(chē)集團(tuán),3、模型簇組合,模型在使用之前，必須存放適當(dāng)時(shí)間使其熟化穩(wěn)定，典型的模型存放周期多達(dá)30天，而對(duì)于用設(shè)計(jì)獨(dú)特的模具所成型的模型僅需存放2個(gè)小時(shí)，模型熟化穩(wěn)定后，可對(duì)分塊模型進(jìn)行膠粘結(jié)合。 分塊模型膠合使用熱熔膠在自動(dòng)膠合機(jī)上進(jìn)行。膠合

12、面接縫處應(yīng)密封牢固，以減少產(chǎn)生鑄造缺陷的可能性。,4、模型簇浸涂,為了每箱澆注可生產(chǎn)更多的鑄件，有時(shí)將許多模型膠接成簇，把模型簇浸入耐火涂料中，然后在大約30～60C（86-140F）的空氣循環(huán)烘爐中干燥2～3個(gè)小時(shí)，干燥之后，將模型簇放入砂箱，填入干砂振動(dòng)緊實(shí)，必須使所有模型簇內(nèi)部孔腔和外圍的干砂都得到緊實(shí)和支撐。,5、澆注,模型簇在砂箱內(nèi)通過(guò)干砂振動(dòng)充填堅(jiān)實(shí)后，鑄型就可澆注，熔融金屬澆入鑄型后（澆注溫度鑄鋁約在760C/1400F，

13、鑄鐵約在1425C/2600F），模型氣化被金屬所取代形成鑄件。下圖是消失模工藝的砂箱和澆注示意圖。    在消失模鑄造工藝中，澆注速度比傳統(tǒng)空型鑄造更為關(guān)鍵。如果澆注過(guò)程中斷，砂型就可能塌陷造成廢品。因此為減少每次澆注的差別，最好使用自動(dòng)澆注機(jī)。,6、落砂清理,澆注之后，鑄件在砂箱中凝固和冷卻，然后落砂。鑄件落砂相當(dāng)簡(jiǎn)單，傾翻砂箱鑄件就從松散的干砂中掉出。隨后將鑄件進(jìn)行自動(dòng)分離、清理、檢查并放到

14、鑄件箱中運(yùn)走。    干砂冷卻后可重新使用，很少使用其他附加工序，金屬?gòu)U料可在生產(chǎn)中重熔使用。,LFC法的主要特點(diǎn)：    1）LFC是一種近無(wú)余量、精確成形的工藝；    2）容易實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)；    3）為鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的自由度；  

15、60; 4）金屬液的流動(dòng)前沿是熱解的消失模產(chǎn)物（氣體和液體），它會(huì)與金屬液發(fā)生反映并影響到金屬液的充填，如果金屬充型過(guò)程中熱解產(chǎn)物不能順利排除，就容易引起氣孔、皺皮、增碳等缺陷。這就要求工藝師掌握消失模鑄造成形原理，正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，制定合理的工藝方案。    5）模具的鑄造成本較高，要求有一定的生產(chǎn)批量，否則很難獲得好的經(jīng)濟(jì)效益。,美國(guó)GM Powertrain公司生產(chǎn)2.2L-14

16、缸體，重25kg。采用消失模鑄造后，其功率和扭矩提升，噪聲和振動(dòng)下降，重量比砂型鑄件減輕6.7kg,,綜上所述，消失模鑄造符合當(dāng)今鑄造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)有著廣闊的前景，與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相比，消失模鑄造技術(shù)具有與無(wú)倫比的優(yōu)勢(shì)，被國(guó)內(nèi)外鑄造界譽(yù)為“二十一世紀(jì)的鑄造技術(shù)” 、“鑄造工業(yè)的綠色革命”。,,1 技術(shù)方面    1）模型設(shè)計(jì)的自由度增大    新工藝有可能進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，并完

17、全可以從第一階段就能在模型上增加一些附加功能。例如：柴油預(yù)熱器有一個(gè)特殊功能部件，它可采用消失模鑄造工藝進(jìn)行制造，而不能采用傳統(tǒng)鑄造方法生產(chǎn)。    2）免除了鑄件生產(chǎn)中使用的砂芯    3）很多鑄件可以不要冒口補(bǔ)縮    4）提高鑄件精度    可獲得形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可100重復(fù)生產(chǎn)高精度鑄件，可使鑄件壁厚偏差

18、控制在-0.15~+0.15mm之間。    5）在模型接合面不產(chǎn)生飛邊    6）具有減輕鑄件重量約1/3的優(yōu)勢(shì)    7）減少加工余量    可以減小機(jī)加工余量，對(duì)某些零件甚至可以不加工。這就大大減少了機(jī)加工和機(jī)床投資（例如，對(duì)于不同情況可以減少一半投資）。    8）與傳統(tǒng)

19、空腔鑄造相比，模具投資下降。    9）完全消除了傳統(tǒng)的落砂和出芯工序,目前，國(guó)內(nèi)外在柴油機(jī)和汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的泡沫模型的結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)上有較大差異，從分片方案到模片的工藝處理均不盡相同。歐美國(guó)家在分片方案上多采用自缸蓋結(jié)合面至油底殼面水平切分(包括“V”形和直列式缸體) 的方式，如圖1 所示。這種分型方案的優(yōu)點(diǎn)是有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化大批量生產(chǎn)，且膠合線(xiàn)互不干涉，膠合質(zhì)量有保證； 不足之處是膠合線(xiàn)較多且大部分分

20、布在非加工面上，外觀的整體美感不及普通砂型鑄造件。與之配套的模片工藝處理較大的地方是將曲軸箱沿起模方向進(jìn)行局部封實(shí)和鏤空處理，如圖2所示。,2 經(jīng)濟(jì)方面    1）可整體生產(chǎn)復(fù)雜鑄件    采用新工藝設(shè)計(jì)，分塊模型可膠合組成整體模型，鑄成復(fù)雜整體部件，對(duì)比原先多個(gè)鑄件組合裝配部件（如柴油預(yù)熱器）而言，可獲益1到10倍。    2）減少車(chē)間人員

21、    建立消失模鑄造工廠，所雇員工數(shù)量少于傳統(tǒng)鑄造工廠，因此應(yīng)當(dāng)考慮這一因素。 3）鑄造工藝靈活    鑄造工藝的靈活性非常重要，因?yàn)樾鹿に囉锌赡芡瑫r(shí)生產(chǎn)在砂箱中變化放置大量類(lèi)似的或不同的鑄件，澆注系統(tǒng)也因此十分靈活?？傊?，我們可以說(shuō)，每種優(yōu)勢(shì)都與經(jīng)濟(jì)利益相一致，同時(shí)還改善了工作條件。,3 環(huán)境保護(hù)    聚苯乙烯和PMMA在燃燒

22、時(shí)產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、水及其他碳?xì)浠衔餁怏w，其含量均低于歐洲允許的標(biāo)準(zhǔn)。干砂可使用天然硅砂，100%反復(fù)循環(huán)使用，不含有粘結(jié)劑。模型使用的涂料是在水中添加粘結(jié)劑等輔料組成，不產(chǎn)生污染。,大量生產(chǎn)條件下傳統(tǒng)粘土砂型鑄造與消失模鑄造工藝特點(diǎn)的比較,6.2 消失模鑄造輔料,消失模鑄造用涂料的基本組成包括耐火填料、載體、懸浮劑、粘結(jié)劑和添加劑等5種基本組分，其有別于普通砂型鑄造涂料的幾個(gè)主要性能有強(qiáng)度、透氣性、吸著性、涂刷性和不流淌性等。

23、消失模鑄造涂料的作用主要有：1)降低鑄件表面粗糙度值；2)防止或減少鑄件粘砂、砂眼等缺陷；3)提高鑄件落砂、清理效率；4)使金屬液流動(dòng)前沿氣隙中模樣熱解的氣體和液體產(chǎn)物順利地通過(guò)，排到鑄型中去，但又要防止金屬液的滲入，這是防止鑄件產(chǎn)生氣孔、金屬滲透和碳缺陷十分重要的條件；5)提高泡沫模樣的強(qiáng)度和剛度，防止模樣在運(yùn)輸、填砂振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生變形和破壞；6)對(duì)于鋁合金鑄件，尤其是薄壁鋁合金鑄件，有良好的保溫絕熱作用，以防止由于模樣熱解吸

24、熱使金屬流動(dòng)前沿溫度下降過(guò)快，避免冷隔和交不到缺陷。,1、涂料,消失模鑄造用模片粘合劑可分為4大類(lèi)：熱溶膠、水溶膠、溶劑揮發(fā)膠和雙組分膠。它們都必須滿(mǎn)足以下要求：對(duì)泡沫模樣午腐蝕作用；軟化點(diǎn)適中，快干性能好；粘合強(qiáng)度較好，并有一定的柔軟性；分解氣化溫度低，殘留物少。,2、粘合劑,1．消失模鑄造專(zhuān)用的可發(fā)性聚苯乙烯樹(shù)脂珠粒（EPS）；2．可發(fā)性甲基丙烯酸甲脂與苯乙烯共聚樹(shù)脂珠粒（STMMA）；3．可發(fā)性聚甲基丙烯酸甲脂樹(shù)脂珠粒（EPM

25、MA）。 用戶(hù)根據(jù)鑄件的特點(diǎn)和要求來(lái)選用需要的品種和規(guī)格，以確保獲得優(yōu)質(zhì)的泡沫塑料模型和消失模鑄件。,3、泡沫珠粒,6.3 消失模鑄造發(fā)展趨勢(shì),美國(guó)學(xué)者C.Bates教授等發(fā)表了《全球消失模生產(chǎn)技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展》的論文，比較詳細(xì)地論述了模樣制作、涂料、砂子緊實(shí)、澆注、充型和模樣熱解各個(gè)環(huán)節(jié)的成就和發(fā)展趨勢(shì)，許多北美的企業(yè)、高校和行業(yè)組織聯(lián)合起來(lái)，組成消失模鑄造聯(lián)盟，對(duì)該工藝進(jìn)行進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，經(jīng)過(guò)不懈的努力，使該工藝得到不斷

26、的改善，工藝過(guò)程得到更好的控制，也逐漸被更多的鑄造界人士所認(rèn)同，鑄造企業(yè)和鑄件的使用者都從中受益。1999年美國(guó)威斯康星大學(xué)的一項(xiàng)市場(chǎng)市場(chǎng)調(diào)查表明，在未來(lái)的6到10年中，消失模工藝的前景一片光明。市場(chǎng)調(diào)查表明：在1990年，有6%的鋁合金鑄件是使用消失模鑄造工藝生產(chǎn)的。預(yù)計(jì)到2007年，將會(huì)有29%的鋁合金鑄件使用該工藝。從1997年起，灰鑄鐵和球鐵方面也有較大增長(zhǎng)，目前約有2%的灰鑄鐵件是由消失模工藝生產(chǎn)的，預(yù)計(jì)到2009年將達(dá)到15

27、%。 　　消失模工藝不斷為人們所認(rèn)識(shí)，也為新產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了足夠的信心。通用（美國(guó)）、TEKSID（美國(guó)）、CASTI（意大利）、INTERMET（美國(guó)）、CITATION FORM（美國(guó)）、寶馬（德國(guó)）都已經(jīng)引進(jìn)了消失模鑄造工藝。,消失模鑄造技術(shù)自九十年代開(kāi)始在我國(guó)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，我國(guó)的消失模鑄造工業(yè)具有了一定規(guī)模，成為鑄造工業(yè)的重要組成部分。消失模鑄造技術(shù)也被國(guó)家重點(diǎn)推廣而成為改造傳統(tǒng)鑄造業(yè)應(yīng)用最廣泛的高新技術(shù)。

28、 但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)消失模鑄造的生產(chǎn)應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國(guó)家仍然有很大的差距。目前，我國(guó)的消失模鑄造廠家大大小小有數(shù)百家。但大部分的工廠生產(chǎn)能力都不大（與國(guó)外動(dòng)輒數(shù)萬(wàn)噸的生產(chǎn)能力相比差距較大）。形成這種狀況，除了我國(guó)的消失模鑄造工業(yè)起步較晚之外，還因?yàn)椋?（一）很難接受技術(shù)和工藝的有償服務(wù)，這是我國(guó)企業(yè)的“通病”，消失模鑄造行業(yè)也不例外。我國(guó)的生產(chǎn)廠家過(guò)去在引進(jìn)消失模鑄造時(shí)，過(guò)分注重硬件設(shè)備的引進(jìn)，而忽視軟技術(shù)的引進(jìn)。消失模鑄

29、造對(duì)于大多數(shù)企業(yè)來(lái)講，畢竟是新生事物，從接觸到理解到應(yīng)用需要一個(gè)過(guò)程，是無(wú)法一蹉而就的?？科髽I(yè)自身的技術(shù)力量去探索生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品工藝等，周期較長(zhǎng)。所以，廠家在引進(jìn)消失模鑄造工藝時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意對(duì)技術(shù)和工藝的引進(jìn)。,（二）我國(guó)國(guó)產(chǎn)的消失模鑄造設(shè)備水平能基本滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，但提供者對(duì)于消失模鑄造技術(shù)和生產(chǎn)工藝的掌握卻差別不一。我們?cè)谝M(jìn)消失模鑄造工藝時(shí)，應(yīng)對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。 （三）我國(guó)引進(jìn)消失模鑄造的歷史不長(zhǎng)，既有理論又有實(shí)踐的消失模鑄造技

30、術(shù)人才還不多。因此，技術(shù)人才的培養(yǎng)，是我國(guó)消失模鑄造工業(yè)迅速發(fā)展的迫切需要。,現(xiàn)在，我國(guó)的消失模鑄造處于一個(gè)蓬勃發(fā)展的歷史時(shí)期，只要我們能夠吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并作出不懈的努力，前景將會(huì)一片光明。,7. 半固態(tài)鑄造,自1971年美國(guó)麻省理工學(xué)院的D.B.Spencer和M.C.Flemings發(fā)明了一種攪動(dòng)鑄造（stir cast）新工藝，即用旋轉(zhuǎn)雙桶機(jī)械攪拌法制備出Sr15% Pb流變漿料以來(lái)，半固態(tài)金屬（SSM）鑄造工藝技術(shù)經(jīng)歷了20余年

31、的研究與發(fā)展。攪動(dòng)鑄造制備的合金一般稱(chēng)為非枝晶組織合金或稱(chēng)部分凝固鑄造合金（Partially Solidified Casting Alloys）。由于采用該技術(shù)的產(chǎn)品具有高質(zhì)量、高性能和高合金化的特點(diǎn)，因此具有強(qiáng)大的生命力。除軍事裝備上的應(yīng)用外，開(kāi)始主要集中用于自動(dòng)車(chē)的關(guān)鍵部件上，例如，用于汽車(chē)輪轂，可提高性能、減輕重量、降低廢品率。此后，逐漸在其它領(lǐng)域獲得應(yīng)用，生產(chǎn)高性能和近凈成形的部件。半固態(tài)金屬鑄造工藝的成形機(jī)械也相繼推出。目

32、前已研制生產(chǎn)出從600噸到2000噸的半固態(tài)鑄造用壓鑄機(jī)，成形件重量可達(dá)7kg以上。當(dāng)前，在美國(guó)和歐洲，該項(xiàng)工藝技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。半固態(tài)金屬鑄造工藝被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的近凈成形和新材料制備技術(shù)之一。,7.1 半固態(tài)鑄造工藝原理,在普通鑄造過(guò)程中，初晶以枝晶方式長(zhǎng)大，當(dāng)固相率達(dá)到0.2左右時(shí)，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動(dòng)性。如果在液態(tài)金屬?gòu)囊合嗟焦滔嗬鋮s過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，則使普通鑄造成形時(shí)易于形成的樹(shù)枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打

33、碎而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相中。這種顆粒狀非枝晶的顯微組織，在固相率達(dá)0.5-0.6時(shí)仍具有一定的流變性，從而可利用常規(guī)的成形工藝如壓鑄、擠壓，模鍛等實(shí)現(xiàn)金屬的成形。,,7.2 半固態(tài)鑄造的合金制備,制備半固態(tài)合金的方法很多，除機(jī)械攪拌法外，近幾年又開(kāi)發(fā)了電磁攪拌法，電磁脈沖加載法、超聲振動(dòng)攪拌法、外力作用下合金液沿彎曲通道強(qiáng)迫流動(dòng)法、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）、噴射沉積法（Spray）、控制合金澆注溫度法等。其中，

34、電磁攪拌法、控制合金澆注溫度法和SIMA法，是最具工業(yè)應(yīng)用潛力的方法。,1機(jī)械攪拌法機(jī)械攪拌是制備半固態(tài)合金最早使用的方法。Flemings等人用一套由同心帶齒內(nèi)外筒組成的攪拌裝置（外筒旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒靜止），成功地制備了錫-鉛合金半固態(tài)漿液；H.Lehuy等人用攪拌槳制備了鋁-銅合金、鋅-鋁合金和鋁-硅合金半固態(tài)漿液。后人又對(duì)攪拌器進(jìn)行了改進(jìn)，采用螺旋式攪拌器制備了ZA-22合金半固態(tài)漿液。通過(guò)改進(jìn)，改善了漿液的攪拌效果，強(qiáng)化了型內(nèi)金屬液

35、的整體流動(dòng)強(qiáng)度，并使金屬液產(chǎn)生向下壓力，促進(jìn)澆注，提高了鑄錠的力學(xué)性能。,2 電磁攪拌法電磁攪拌是利用旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，金屬液在洛倫磁力的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)金屬液攪拌的目的。目前，主要有兩種方法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：一種是在感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)通交變電流的傳統(tǒng)方法；另一種是1993年由法國(guó)的C.Vives推出的旋轉(zhuǎn)永磁體法，其優(yōu)點(diǎn)是電磁感應(yīng)器由高性能的永磁材料組成，其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度高，通過(guò)改變永磁體的排列方式，可使金屬液產(chǎn)生

36、明顯的三維流動(dòng)，提高了攪拌效果，減少了攪拌時(shí)的氣體卷入。,3 應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法（SIMA）是將常規(guī)鑄錠經(jīng)過(guò)預(yù)變形，如進(jìn)行擠壓、滾壓等熱加工制成半成品棒料，這時(shí)的顯微組織具有強(qiáng)烈的拉長(zhǎng)形變結(jié)構(gòu)，然后加熱到固液兩相區(qū)等溫一定時(shí)間，被拉長(zhǎng)的晶粒變成了細(xì)小的顆粒，隨后快速冷卻獲得非枝晶組織鑄錠。SIMA工藝效果主要取決于較低溫度的熱加工和重熔兩個(gè)階段，或者在兩者之間再加一個(gè)冷加工階段，工藝就更易控制。SIMA

37、技術(shù)適用于各種高、低熔點(diǎn)的合金系列，尤其對(duì)制備較高熔點(diǎn)的非枝晶合金具有獨(dú)特的優(yōu)越性。已成功應(yīng)用于不銹鋼、工具鋼和銅合金、鋁合金系列，獲得了晶粒尺寸20um左右的非枝晶組織合金，正成為一種有競(jìng)爭(zhēng)力的制備半固態(tài)成形原材料的方法。但是，它的最大缺點(diǎn)是制備的坯料尺寸較小。,7.3 半固態(tài)鑄造成形方法,（1）流變鑄造（Rheoforming, Rheocast）,觸變鑄造工藝示意圖1 壓鑄合金 2 連續(xù)供給合金液 3 感應(yīng)加熱器 4 冷卻

38、器 5 流變鑄錠 6 壓射室 7 壓鑄模,在金屬液從液相到固相冷卻過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪動(dòng)，在一定固相分?jǐn)?shù)下，直接將所得到的半固態(tài)金屬漿液壓鑄或擠壓成形，見(jiàn)圖2。如R.Shibata等人曾將用電磁攪拌方法制備的半固態(tài)合金漿液直接送入壓鑄機(jī)射室中成形。該方法生產(chǎn)的鋁合金鑄件的力學(xué)性能較擠壓鑄件高，與半固態(tài)觸變鑄件的性能相當(dāng)。問(wèn)題是，半固態(tài)金屬漿液的保存和輸送難度較大，故實(shí)際投入應(yīng)用的不多。,（2）觸變鑄造（Thixoforming, T

39、hixocast）,將已制備的非枝晶組織錠坯重新加熱到固液兩相區(qū)達(dá)到適宜粘度后，進(jìn)行壓鑄或擠壓成形，如圖3所示。,觸變鑄造工藝示意圖1 坯料 2 軟度指示計(jì) 3 坯料重新加熱裝置 4 壓射室 5 壓鑄模,美國(guó)的EOPCO、HPM Corp.、Prince Machine、 THT Presses以及瑞士的Buhler公司、意大利的IDRA USA、Italpresse of America、加拿大的Producer USA、日

40、本的Toshiba Machine Corp和UBE Machinery Services等均已能生產(chǎn)半固態(tài)鋁合金觸變成形專(zhuān)用設(shè)備。該方法對(duì)坯料的加熱、輸送易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，故是當(dāng)今半固態(tài)鑄造的主要工藝方法。,汽車(chē)零件,,瑞士 BÜHLER 公司推出的觸變壓鑄設(shè)備,幾種鑄造方法鑄件性能比較,半固態(tài)壓鑄工藝的優(yōu)點(diǎn)可歸納為工藝優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。(1) 工藝優(yōu)勢(shì)1）不需加任何晶粒細(xì)化劑即可獲得細(xì)晶粒組織，消除了傳統(tǒng)鑄造中的柱狀晶和粗

41、大樹(shù)枝晶。2）成形溫度低（如鋁合金可降低120℃以上），可節(jié)省能源。3）模具壽命延長(zhǎng)。因較低溫度的半固態(tài)漿料成形時(shí)的剪切應(yīng)力，比傳統(tǒng)的枝晶漿料小三個(gè)數(shù)量級(jí)，故充型平穩(wěn)、熱負(fù)荷小，熱疲勞強(qiáng)度下降。4）減少污染和不安全因素。因作業(yè)時(shí)擺脫了高溫液態(tài)金屬環(huán)境。5）變形阻力小，采用較小的力就可實(shí)現(xiàn)均質(zhì)加工，對(duì)難加工材料的成形容易。6）凝固速度加快，生產(chǎn)率提高，工藝周期縮短。7）適于采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。(

42、2) 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)1）鑄件質(zhì)量高。因晶粒細(xì)化、組織分布均勻、體收縮減少、熱裂傾向下降，基體上消除了縮松傾向，力學(xué)性能大幅度提高。2）凝固收縮小，故成形后尺寸精度高，加工余量小，近凈成形。3）成形合金范圍廣。非鐵合金有鋁、鎂、鋅、錫、銅、鎳基合金；鐵基合金有不銹鋼、低合金鋼等。4）制造金屬基復(fù)合材料。利用半固態(tài)金屬的高粘度，可使密度差大、固溶度小的金屬制成合金，也可有效地使用不同材料混合，制成新的復(fù)合材料。,Al-6Si-2Mg鋁合金

43、半固態(tài)觸變成形壓鑄,Al-6Si-2Mg鋁合金，液相線(xiàn)溫度615℃，固相線(xiàn)溫度557℃，具有優(yōu)良的觸變成形工藝性能。棒坯采用熱頂法，電磁攪拌垂直半連續(xù)鑄造，直徑為60～70mm；坯料在中頻感應(yīng)設(shè)備的線(xiàn)圈中加熱，開(kāi)始快速加熱到500℃，而后慢速加熱，芯部達(dá)560℃后，進(jìn)一步降低加熱功率，在芯部達(dá)到575℃后，移到2800KN臥式冷室壓鑄機(jī)上，壓鑄成汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上用水泵蓋。壓鑄件微觀組織見(jiàn)圖7，半固態(tài)壓鑄中，已熔化的α-Al 在壓鑄高速剪切觸