1概述

    自1971年美國麻省理工學院的D.B.Spencer和M.C.Flemings發明瞭一種攪動鑄造（stir cast）新工藝，即用旋轉雙桶機械攪拌法制備出Srr15%pb流變漿料以來，半固態金屬（SSM）鑄造工藝技術經歷了20餘年的研究與發展。攪動鑄造制備的合金一般稱為非枝晶組織合金或稱部分凝固鑄造合金（Partially Solidified Casting Alloys）。由於採用該技術的產品具有高質量、高性能和高合金化的特點，因此具有強大的生命力。除軍事裝備上的應用外，開始主要集中用於自動車的關鍵部件上，例如，用於汽車輪轂，可提高性能、減輕重量、降低廢品率。此後，逐漸在其它領域獲得應用，生產高性能和近淨成型的部件。半固態金屬鑄造工藝的成型機械也相繼推出。目前已研製生產出從600噸到2000噸的半固態鑄造用壓鑄機，成形件重量可達7kg以上。當前，在美國和歐洲，該項工藝技術的應用較為廣氾。半固態金屬鑄造工藝被認為是21世紀最具發展前途的近淨成型和新材料制備技術之一。

    2工藝原理

   在普通鑄造過程中，初晶以枝晶方式長大，當固相率達到0.2左右時，枝晶就形成連續網絡骨架，失去宏觀流動性。如果在液態金屬從液相到固相冷卻過程中進行強烈攪拌，則使普通鑄造成形時易於形成的樹枝晶網絡骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態，懸浮于剩餘液相中。這種顆粒狀非枝晶的顯微組織，在固相率達0.5-0.6時仍具有一定的流變性，從而可利用常規的成形工藝如壓鑄、擠壓，模鍛等實現金屬的成形。

    3半固態壓鑄工藝工藝優勢和產品優勢

    工藝優勢
   1） 不需加任何晶粒細化劑即可獲得細晶粒組織，消除了傳統鑄造中的柱狀晶和粗大樹枝晶。
   2） 成形溫度低（如鋁合金可降低1200℃以上），可節省能源。
   3） 模具壽命延長。固較低溫度的半固態漿料成形時的剪切應力，比傳統的枝晶漿料小三個數量級，故充型平穩、熱負荷小，熱疲勞強度下降。
   4） 減少污染和不安全因素。因作業時擺脫了高溫液態金屬環境。
   5） 變形阻力小，採用較小的力就可實現均質加工，對難加工材料的成形容易。
   6） 凝固速度加快，生產率提高，工藝週期縮短。
   7） 適於採用計算機輔助設計和製造，提高了生產的自動化程度。

產品優勢
   1） 件質量高。因晶粒細化、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，力學性能大幅度提高。
   2） 凝固收縮小，故成型體尺寸精度高，加工余量小，近淨成形。
   3） 成形合金範圍廣。非鐵合金有鋁、鎂、鋅、錫、銅、鎳基合金；鐵基合金有不鏽鋼、低合金鋼等。
   4） 製造金屬基復合材料。利用半固態金屬的高粘度，使密度差大、固溶度小的金屬製成合金，也可有效地使不同材料混合，製成新的復合材料。

    4展望

    儘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，製成半固態連鑄坯后，在半固態溫度下可以順利成型壁厚2mm，長度100mm以上的複雜零件。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)新一代鋼鐵材料研製 
    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淨、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，必然需要採用連鑄技術制坯，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証實[7]。 
    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着獨到的技術優勢。

    5電磁攪拌法

    5.1 電磁攪拌器的原理：
       電磁攪拌器的基本結構就交流感應方式而言，實際上是一個能激發磁場的感應器，它類仿于電機的定子，結晶器相當于轉子。感應器產生的磁場作用於結晶器內熔融的金屬液，並與金屬液有相對運動，金屬液又是導電體，因此，也就在其中產生感受應電流，該電流與感應器產生的磁場相互作用而產生電磁力，推動金屬液的運動。運動的方式由磁場方式決定，目前，普遍應用的磁場有旋轉磁場和行波磁場。
       電磁攪拌法是利用電磁感應力的作用將析出的樹枝晶破碎成顆粒狀，屬於非接觸式攪拌。因此，金屬液純淨，不捲入氣體，控制方便，產量大，是目前工業應用的主要方法之 一。這種方法也適用熔點較高的合金。目前，在工業生產中占主導地位的電磁攪拌技術稱為MHD(Magnetohydrofynamic)，用於生產連續流變錠料，其中鋁合金錠的直徑達50— 110mm。

    5.2攪拌效果
    採用先進的電磁攪拌技術， 經過國內外大量的實驗與工業生產通過使用電磁攪拌所達到的主要效果：
    降低夾渣含量；
    減少中心縮孔；
    消除宏觀偏析；
    增加等軸晶比率；
    改善凝固組織等；

    6半固態實驗用電磁攪拌器

    6.1工作原理

    電磁攪拌方法則利用電磁感應在半凝固的金屬液中產生感應電流，感應電流在外加磁場的作用下促使金屬固液漿料激烈地攪動，使傳統的枝晶組織轉變為非枝晶的攪拌組織。

    6.2系統組成

    本系統以INTER高性能十六位單片機為核心組成的交--直--交變頻電源、電磁感應器、操作控制界面、冷卻系統等組成。

    6.3系統優點

    為了實驗室研究方便，感應器內半固態金屬液受力與枝晶的關係。本系統採用了電壓、頻率、攪拌時間連續可調，使半固態金屬液受力情況一目瞭然。簡潔操作控制界面，人機接口簡單明瞭，所有操作在控制面板上可立即完成。

    6.4主要技術參數

型號		EMSSM02	EMSSM05	EMSSM10	EMSSM15
攪拌容量Kg		≤2	≤5	≤10	≤15
電    源 輸入參數	電壓	380V  3+N	380V  3+N	380V  3+N	380V  3+N
	頻率	50Hz	50Hz	50Hz	50Hz
	電流	8A	15A	30A	45A
	功率	5KVA	10KVA	20KVA	30KVA
電    源 輸出參數	電壓	0-380V	0-380V	0-380V	0-380V
	頻率	5-30 Hz	5-30 Hz	5-30 Hz	5-30 Hz
	電流	0-20A	0-40A	0-60A	0-90A
	功率	13KVA	26KVA	40KVA	60KVA
變頻方式		交-直-交
磁場方式		旋轉磁場
保溫參數	加熱功率KW	1	1	1.5	1.5
	輸入參數	220V 50Hz	220V 50Hz	220V 50Hz	220V 50Hz
	溫度控制	PID調節	PID調節	PID調節	PID調節
感應器冷卻方式		風冷	水冷	水冷	水冷

    我公司可根據用戶需求定製設備

    6.5系統概況：

    1、系統採用 IPM智能電源模塊作為核心器件，其本身具有短路、過流、過熱、欠壓保護功能，系統設計中又增設了可靠的緩衝電路和其他抗干擾電路。
    2、採用工業級單片機作為核心控制，其能適應于惡劣的工業現場，數據採集準確，處理速度快。
    3、開關、接觸器、整流、濾波、緩衝電路等電子器件，一律選用可靠器件，在設計中選用了較大的耐壓、過流、散熱保護係數。
    4、在結構設計和製造方面儘量做到減少分布電容、電感和提高抗輻射，感應和耦合干擾的能力。
    5、參數和程序設計嚴密，系統投入和停機邏輯，能較好的防止誤碼操作和事故停電造成的系統損坏。

    6.6基本功能：

    1、有輸入電壓，輸出電流表盤指示，工作頻率，工作電壓數碼指示。
    2、電流、頻率在設定的工作範圍內無級調節。
    3、系統在攪拌狀態可以通過調節電壓改變工作電流。
    4、有正攪，反攪，自動攪拌三種攪拌方式，任何攪拌狀態下攪拌時間，攪拌停止時間，換相停止時間可在參數範圍內任意設定。
    5、故障指示分為系統停機故,障，攪拌停止故障和報警故障三類。
    A、系統停機故障：包括冷卻風機失靈，IPM模塊故障，整流熔斷器故障，主接觸器故障，控制電源故障等。
    B、攪拌停止故障：包括：冷卻水嚴重不足，攪拌器繞組嚴重過熱，冷卻風機停。
    C、報警故障：包括：水流量、水壓不足，過流、欠壓三相電流不平衡等。

    6.7安裝注意事項

    a電源進線應嚴格保証接線正確，否則不能正常工作。
    b各連接電纜規格必須符合廠方要求。
    c整套設備各部分外殼均應可靠接地，以防干擾。
    d所有線路要保証絕緣良好。