傾斜冷卻法漿料制備研究現狀

任新凱，曹風江，譚建波

（1.河北科技大學材料科學與工程學院，河北 石家莊 050018；2.滄州職業技術學院機械工程系，河北 滄州 061001）

常用半固態漿料的制備方法有機械攪拌法、電磁攪拌法、應變激活法和傾斜冷卻法等。其中傾斜冷卻法屬于流變成形的一種，它具有成本低、流程短、易推廣操作及應用等優點。這種制備方法簡單、占地面積小，可以方便地配合一些成形設備使用，在國外半固態漿料制備已得到廣泛應用［1］。

最近國內有許多傾斜冷卻法的變種，如波浪法、斜槽法、直管法、斜管法、蛇形通道法和正弦波通道法等，從原理上看還屬于傾斜冷卻法的范疇。

半固態成形鑄件具有獨特的優點，例如組織具有較低的孔隙率，特別是半固態壓鑄件使其力學性能得到很大提高（有很高的延伸率），還可實現薄壁件生產，且凝固收縮率較低，可以用來熱處理等等，這些為大幅度提高鑄件性能提供了可能。半固態成形件現在主要應用在汽車零件的生產，如需要高拉伸強度的部分，受沖擊部件的減震器，壓力密封部件和焊接件或發動機和變速箱軸承等。

1 原 理

作為一種新型的半固態合金制備技術——傾斜冷卻法首先在日本提出，其原理是：將略高于液相線的熔融金屬倒在傾斜的冷卻板上，通過冷卻板的激冷作用，在凝固過程初期，冷卻板壁上有細小的晶粒形核并長大，由于合金流體的沖擊和物體的自重作用使晶粒從冷卻板壁上脫落并翻轉，以達到攪拌效果。通過冷卻板的合金熔體落入容器，將其緩慢冷卻到一定的半固態溫度后保溫，以增加晶核的數目和晶體的游離，細化晶粒，獲得理想的微觀組織［1］。

2 傾斜冷卻制備半固態合金漿料的方法

2.1 波浪法

波浪法是在傾斜板是平直的或有一定弧度的基礎上，增加多個斜坡來達到破碎初生枝晶的目的。謝豐廣等人采用新型的波浪型傾斜板技術，對半固態A2017合金進行了研究。研究的主要內容包括：不同波浪形對合金組織的影響，傾斜板長度對合金組織的影響及傾斜板預熱溫度對合金組織的影響［2］。研究結果表明：在波浪型傾斜板長度為400mm～500mm、澆注溫度為720℃、傾角為45°的試驗條件下制備出的A2017半固態坯料，組織細小均勻。圖1為新型傾斜板示意圖。

圖1 新型傾斜板半固態成形技術示意圖

2.2 斜槽法

斜槽法是在原來的傾斜板的基礎上做一些改動，第一種方法是傾斜板的角度可以變，第二種為在傾斜板上加振動，有一維、二維和三維振動等。圖2和圖3為東北大學所用裝置簡圖［3］。

圖2 實驗裝置示意圖（1，2，3，4 點）

圖2裝置的冷卻板的角度可以調節，為優化工藝參數提供了方便；但它存在著不足，澆注閥的底端經常合不嚴，給試驗和研究帶來不便，其原因是：澆注完畢后，凹處的殘留金屬不易清理，導致后續實驗中可能會出現金屬液泄漏。

為進一步降低成本、簡化設備與工藝，解決平直傾斜板容易結殼的問題，他們采用施加了振動并帶有波浪形表面的傾斜板，實驗裝置如圖3所示。

張小立等人的阻尼冷卻管法簡圖如圖4所示。這種裝置相當于對金屬漿料進行了攪拌和剪切［3］。

周榮鋒等人研究了傾斜板長度對過共晶高鉻鑄鐵半固態組織的影響［4］，所采用的裝置簡圖如圖5所示，他們得到的結論是：傾斜板過長或較短都不利于獲得理想的半固態組織。

圖3 波浪形傾斜板振動半固態成形技術示意圖

圖4 實驗裝置簡圖

圖5 傾斜板取樣板裝置示意圖

蔣文明等人研究了不同傾斜板凹槽半徑條件下的亞共晶高鉻鑄鐵組織［5］，實驗結果表明：凹槽半徑越大，越有利于得到半固態組織。他們使用的裝置圖如圖6所示。這也為半固態工作者的后續研究提供了參考，但是不是平板就更好，這還有待于研究。

圖6 傾斜板裝置示意圖

現在半固態成形研究最多的還是鋁合金，國內一些研究人員也開始了一些黑色金屬的試驗研究；一些人也用半固態鋁合金的設備來研究鎂合金，實踐證明半固態的大部分漿料制備方法都適合于制備鎂合金半固態漿料，他們取得一些初步成果。如鄭楠等采用自行設計制造的半固態鎂合金機械攪拌裝置，制備了鎂合金半固態漿料，研究了攪拌工藝參數對半固態鎂合金組織的影響［6］。

譚建波等研究了傾斜冷卻剪切流變參數對半固態AlSi9Mg合金組織的影響，考慮參數有澆注溫度、傾斜板長度、振動頻率等［7］。尋求制備半固態漿料最佳工藝參數，實驗裝置圖7所示，其中的振動臺是消失模專用振動臺，可以實現三維振動。

圖7 傾斜冷卻剪切裝置示意圖

2.3 直管法

把傾斜板改為管，再使傾斜角度成為90°，就成為下述單管強冷法（如圖8）。

圖8 試驗裝置示意圖

有人采用直管澆注法制備出合格的鋁合金半固態坯料，考察了尺寸不同的制備坩堝和直管在不同的溫度狀態下制備的坯料組織［8］。

圖8這種裝置還避免了圖2裝置中所出現的澆注閥底端殘留金屬液不易清理的問題，這種方法將澆注閥接觸面漏斗形改為一個圓環，清理殘留金屬時較容易。

2.4 斜管法

南昌大學利用冷卻傾斜管制漿工藝，采用正交試驗設計方法制備了變形鋁合金LY12半固態漿料。研究了制漿工藝參數對合金顯微組織的影響，確定了最佳制漿工藝參數。結果表明：傾斜角度、澆注長度、澆注溫度、結晶器預熱溫度對合金顯微組織具有重要影響。得出結論為：澆注溫度、斜管長度對合金的微觀組織有顯著性影響；傾斜角度、結晶器預熱溫度次之。這為大家后續研究中優化工藝參數提供了參考。

下面為南昌大學自制設備［9-12］（轉動輸送管）（LSPSF），其原理圖如圖9所示。

圖9 LSPSF法制備半固態漿料工藝示意圖

這種裝置在斜管的基礎上加了轉動。他們還利用這種設備研究了澆注溫度，輸送管轉速對不同合金半固態漿料制備的影響。

2.5 蛇形通道法

蛇形通道澆注式（簡稱SCP）的成形工藝是一種半固態合金漿料的制備和流變成形新工藝，進一步簡化了合金漿料的制備過程，并申請了發明專利。首先將低過熱合金液（一般過熱度≤100℃）澆入到立式蛇形通道中，低過熱合金液沿著蛇形通道的內壁向下流動，并向導熱性良好的彎曲形的通道內壁迅速傳熱，同時不斷改變流動方向，再流入制備坩堝中，適當凝固后就可獲得具有球狀初生相的半固態合金漿料，或使流過蛇形通道的合金熔體不再流入制備坩堝，而是直接流入壓鑄機或擠壓鑄造機的壓室內、或鍛造機的鍛模內，直接進行流變壓鑄成形、或流變擠壓鑄造成形、或流變鍛造（圖10）。

圖10 傾斜板裝置示意圖

蛇形通道澆注制備工藝簡化了制備合金漿料的工藝和設備，降低了漿料的制備成本。該制備工藝采用的立式蛇形通道內部通道圓滑、合金液的流動沖力較大，減少了清理工作，便于漿料的穩定制備[13-15]。

毛衛民等人試驗研究了蛇形通道的彎道數量和澆注溫度對蛇形通道澆注制備半固態A356鋁合金漿料組織的影響。他們的裝置圖如圖7所示。結果表明：蛇形通道的彎道數量越多，制備出的漿料組織就越理想，但是彎道多又容易造成通道的堵塞；當彎道數量為1 h～3 h，均可得到理想的球狀半固態鋁合金漿料。采用蛇形通道澆注制備半固態鋁合金漿料時，隨著澆注溫度的降低，制備出的漿料組織越來越好；當澆注溫度為640℃～680℃時，均可得到理想的球狀半固態A356鋁合金漿料。

2.6 正弦波通道法

這是一種比較新穎的方法制備半固態漿料。由鄭州航空工業管理學院首創［16］。這種方法改變了金屬液的流動方向，試圖用有規律的通道來對半固態組織形成機理進行研究，其裝置圖如圖11、圖12所示。

圖11 傾斜板裝置示意圖

2.7 其他研究方法

大連理工大學和北京有色金屬研究所合作用新型方法研究了半固態A356合金組織演變，他們的裝置圖如圖13所示，是電磁攪拌法和冷卻管法的結合［17］。可以考慮應用于制備半固態漿料。

圖12 正弦波形容器的正弦波形示意圖

圖13 新型半固態漿料制備方法

3 傾斜冷卻法制備漿料的應用及研究現狀

在國外，半固態觸變已得到廣泛應用，尤其是在汽車零件。而有許多生產過程是利用傾斜冷卻法制備坯料，然后二次加熱，成形所需鑄件，下面就這些研究做簡要論述。

3.1 在半固態連鑄中的應用

德國科學家使用50%PbSn合金在半固態連鑄生產現場做了研究，優化了工藝參數［18］。他們制備漿料的方法是傾斜冷卻法。

3.2 在半固態擠壓中的應用

英國、日本等國科學家對比了近液相線法和傾斜冷卻板法，使用這兩種方法制備5182鋁合金，然后做熱擠壓，最終為熱擠壓工藝提供完善的技術［19］。伊朗科學家M.Moradi對半固態擠壓中的偏析情況做了研究，得出主要的和次要的影響剪切速率的參數［20］。

3.3 在半固態軋制中的應用

日本學者對半固態軋制做了詳細的研究，如用雙輥連鑄機軋制半固態鋁合金條帶［21］。研究目的是為了提高軋制速度，他們使用傾斜冷卻法冷卻合金液，所使用的合金是A1050鋁合金。因為在國外發達國家半固態觸變已經實現了工業化生產，對觸變的研究較多，并且結合生產實際，深入研究也很多。

3.4 在半固態壓鑄中的應用

影響和制約著半固態流變壓鑄技術的主要問題在于漿料制備方法及定量澆注技術上的改進、壓鑄工藝參數的選取、澆注過程的控制和系統設計等方面［22］。

毛衛民等人利用LSPWES設備研究了A356合金的漿料制備和流變成形，他們使用弱電磁攪拌法和低過熱度澆注法成功制備了半固態漿料，同時探討了壓射比壓對鋁合金漿料流變擠壓鑄造過程的影響［5］。南昌大學在低過熱度傾斜板澆注式流變鑄造技術的基礎上，開發了剪切低溫澆注式半固態流變壓鑄工藝。使一定過熱度的合金熔體在自身重力和輸送管轉動的共同作用下流經輸送管，并在漿料蓄積器中靜態緩慢冷卻得到所需漿料，然后倒入壓鑄機的壓射室內進行流變壓鑄成形。采用多種方法結合的方式制備半固態漿料具有球狀晶細小、分布均勻等優勢，有發展前景。

3.5 在半固態鍛造中的應用

半固態鍛造較一般鍛造方法可以成形更復雜的零件。德國科學家G.Hirt對半固態鍛造進行了研究，他們研究了100Cr6和X210CrW12兩種鋼，并且與通常的鍛造、鑄造做了比較，性能得到很大提高。他們指出，半固態鍛造廠已經投入生產并且得到進一步發展；下一個階段就是尋求如何使用傾斜冷卻板法得到成本較低的坯料；他們還提出了一些可行性建議［23］。

觸變成形有許多優點，例如可以改進鑄件力學性能，產品有良好的表面光潔度，可實現近凈成形等。然而，觸變成形也有一些弊端，如半固態坯料不易制備，制作費用非常昂貴，而且還需要二次加熱浪費能源。流變成形從能源和節省成本的角度考慮也比觸變成形有優勢。半固態觸變成型要求固相成分高（通常要高于50%），對于一些薄壁零件，使用流變成形要比觸變成形更有利。

4 傾斜冷卻法制備漿料的應用前景

近年來，隨著中國工業的迅猛發展，要求開發研究優質、高性能的產品，尤其是汽車和航空航天工業正在向著輕量化、優能化、優成本和節能的方向發展，推動了中國在半固態加工領域的科研和開發工作，先后有一些高校和科研院所進行了深入系統的理論研究和應用開發，并取得了很大的進步［1］。但是還有許多方向研究甚少，如半固態模擬的研究，多種漿料的半固態研究，研制半固態黑色合金專用模具，關于半固態模型的描述等［24-25］。

與其他半固態漿料制備技術相比，傾斜冷卻法有諸多優點，從原理上看，它可以實現攪拌功能，在節能方面要比電磁攪拌和機械攪拌好的多。近幾年，工作者們對于它的研究逐漸引起國內外學者的關注，主要集中在半固態漿料的制備、成形組織的形貌和性能方面的研究，而在其他方面尤其是對晶粒在凝固過程中細化機理的研究還比較少，因此，傾斜冷卻法在半固態加工行業中具有廣闊的應用和發展前景。

總之，傾斜冷卻法的研究和應用空間很廣闊，是國內半固態成形技術研究的熱點。許多高校研究人員對傾斜冷卻法進行了改進和探索，并且得出了重要結論，為后續研究的人們提供參考。

［1］王英杰.傾斜冷卻板法在半固態加工中的應用［J］.河北工業科技，2007，24（1）：34-36.

［2］謝豐廣，管仁國.新型傾斜板技術制備A2017半固態合金［J］.特種鑄造及有色合金，2008，28（10）：766-769.

［3］黃曉鋒，田載友.非枝晶半固態漿料制備技術的研究進展［J］.中國鑄造裝備與技術，2009（5）：5-9.

［4］周榮鋒，楊乘東.傾斜板長度對過共晶高鉻鑄鐵半固態組織的影響［J］.特種鑄造及有色合金，2008，28（2）：125-127.

［5］蔣文明，蔣業華.不同傾斜板凹槽半徑條件下的亞共晶高鉻鑄鐵組織［J］.特種鑄造及有色合金，2008，28（1）：34-36.

［6］鄭楠.AZ91D鎂合金半固態漿料制備工藝［J］.河南科技大學學報，2008，29（5）：5-8.

［5］毛衛民，朱達平.半固態A356鋁合金漿料的LSPWES制備和流變成形［J］.鑄造，2009，58（1）：10-13.

［7］譚建波，李志勇.傾斜冷卻剪切流變參數對半固態AlSi9Mg合金組織的影響［J］.中國有色金屬學報，2009，19（4）：607-612.

［8］鄭志強，葉晴.單管強冷制備半固態A356鋁合金漿料工藝的優化［J］.特種鑄造及有色合金，2008，28（12）：931-935.

［9］毛衛民，朱達平.半固態A356鋁合金漿料的LSPWES制備和流變成形［J］.鑄造，2009，58（1）：10-13.

［10］劉旭波，楊湘杰.鋁合金半固態漿料LSPSF法在線制備［J］.特種鑄造及有色合金，2008，28（10）：762-765.

［11］王小康，王明.旋轉澆注法制備AZ91D半固態漿料［J］.特種鑄造及有色合金，2008，28（11）：846-848.

［12］王小康，楊湘杰.轉動輸送管制備半固態A380漿料研究［J］.熱加工工藝，2008，37（23）：26-29.

［13］楊小容，毛衛民.采用蛇形管通道澆注法制備半固態漿料［J］.中國有色金屬學報，2009，19（5）：869-873.

［14］毛衛民，高沖.蛇形通道制備半固態鋁合金漿料的研究［J］.特種鑄造及有色合金，2009，29（10）：915-919.

［15］毛衛民.半固態金屬流變鑄造技術的研究進展［J］.特種鑄造及有色合金，2010，30（1）：24-36.

［16］張頌陽，郭曉琴.Sin函數冷卻法制備半固態鋁合金［J］.特種鑄造及有色合金，2009，29（5）：423-425.

［17］Zhang Xiao-li.Microstructure evolution of A356 alloy in a novel rheocasting approach ［J］. Journal of Materials Processing Technology，2009，209：2092-2098.

［18］Antonio de Padua Lima Filho.A Comparison of Deep Drawing and ironing of Meta Alioy Strip Produced conventionally and Non-conventionality via Semi Solid Material Processing ［J］.Diffusion and Defect Data，2008，（141-143）：49-54.

［19］Plato Kapranos.Thixo-extrusion of 5182 Aluminium Alloy［J］.Diffusion and Defect Data，2008，（141-143）：115-120.

［20］M.Moradi.Defect control and mechanical properties of thixoformed AlSi alloy［J］.Journal of Alloys and Compounds，2009，487：768-775.

［21］T.Haga.Semi-solid roll casting of aluminum alloy strip by melt drag twin roll caster ［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，111：64-68.

［22］侯文杰，譚建波.半固態流變壓鑄的研究現狀與發展趨勢［J］.鑄造技術，2009，30（1）：91-94.

［23］G.Hirt.Semi-Solid Forging of 100Cr6 and X21 OCrWl2 Steel.

［24］毛衛民.半固態金屬成形技術［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［25］康永林，毛衛民.金屬材料半固態加工理論與技術［M］.北京：科學出版社，2004.