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 most早提出了半固態(tài)連鑄的技術(shù)思想，并首先對(duì)低熔點(diǎn)有色合金進(jìn)行了試驗(yàn)研究。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)。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，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，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渡段，使半固態(tài)熔體通過時(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渡段。這種半固態(tài)連鑄機(jī)的most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，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。
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)。雖然沒有振動(dòng)裝置，但仍可見到類似于振痕的環(huán)狀條紋。
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。
