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金屬熔體外場(chǎng)處理技術(shù)的研究進(jìn)展

2016-08-15 10:30:50 安裝信息網(wǎng)

劉國(guó)鈞

（北京有色金屬研究總院國(guó)家復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心）

摘要金屬熔體外場(chǎng)處理技術(shù)是金屬熔體處理技術(shù)的重要類(lèi)別之一，它應(yīng)用于金屬半固態(tài)或低溫液態(tài)流變成形等各種鑄造場(chǎng)合，目的是實(shí)現(xiàn)凝固組織的整體均勻化和細(xì)化。基于性?xún)r(jià)比，提出了評(píng)價(jià)外場(chǎng)處理技術(shù)的3個(gè)原則：工藝簡(jiǎn)單原則、均勻細(xì)化原則和減少缺陷原則。結(jié)合對(duì)現(xiàn)有外場(chǎng)處理技術(shù)的客觀評(píng)價(jià)，引薦了一種類(lèi)似豆?jié){機(jī)原理的“金屬熔體切割破散處理技術(shù)”。

關(guān)鍵詞熔體處理；組織均勻化；晶粒細(xì)化；外場(chǎng)處理；半固態(tài)；漿料制備

中圖分類(lèi)號(hào) TG249.2+6；TG111 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 008

1金屬熔體外場(chǎng)處理技術(shù)概述

1.1 金屬熔體外場(chǎng)處理的概念

鑄造需要借助某些方法對(duì)金屬熔體進(jìn)行各種處理，以獲得理想的優(yōu)質(zhì)鑄件。隨著知識(shí)累積，又發(fā)展了諸如晶粒細(xì)化處理、復(fù)合材料制備等熔體處理技術(shù)，由此也產(chǎn)生了成分偏析、孕育衰退、污染金屬等一系列問(wèn)題。筆者綜述的熔體外場(chǎng)處理技術(shù)（或稱(chēng)均細(xì)處理技術(shù)），就是一類(lèi)對(duì)熔體施加一定的外場(chǎng)，或以凝固組織均勻化和細(xì)化為目的的熔體處理新技術(shù)。該技術(shù)范疇興起于20世紀(jì)90年代的金屬半固態(tài)加工技術(shù)，但適用的溫度范圍可高于半固態(tài)區(qū)間。

金屬熔體處理技術(shù)的分類(lèi)見(jiàn)表1。按照熔體處理的目的，可分為凈化處理、變質(zhì)處理、復(fù)合強(qiáng)化處理、外場(chǎng)處理（均細(xì)處理）；按照熔體處理的原理，可分為化學(xué)處理和物理處理。

1.2金屬熔體進(jìn)行外場(chǎng)處理的用途

20世紀(jì)70年代，F(xiàn)LEMINGS M C等研究發(fā)現(xiàn)，剪切攪拌至合金半固態(tài)溫度后獲得的金屬漿料，其凝固組織特征顛覆了傳統(tǒng)的樹(shù)枝狀結(jié)晶長(zhǎng)大方式，形成了細(xì)小、球形的等軸晶組織，見(jiàn)圖1。在流變學(xué)方面，該組織材料還具有剪切變稀的“流變性”，和高固相分?jǐn)?shù)時(shí)靜置增稠的“觸變性”。由此，開(kāi)創(chuàng)了攪拌金屬漿料可直接“流變成形”或高固相分?jǐn)?shù)下“觸變成形”的金屬半固態(tài)加工技術(shù)。

為了獲得這種特殊的組織結(jié)構(gòu)，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，施加外場(chǎng)（不限于攪拌）的熔體處理技術(shù)手段迅速發(fā)展，直至今天成為了金屬熔體處理技術(shù)領(lǐng)域的重要類(lèi)別——熔體外場(chǎng)處理技術(shù)。

這里有幾點(diǎn)說(shuō)明：①除流變成形、觸變成形等鑄造場(chǎng)合外，外場(chǎng)處理技術(shù)還應(yīng)用于金屬的合金化、復(fù)合材料制備等情形；②除半固態(tài)成形外，外場(chǎng)處理技術(shù)更適用于低溫液態(tài)流變成形，即低溫液態(tài)流變成形不失半固態(tài)的低溫優(yōu)勢(shì)，但比半固態(tài)成形更具實(shí)用前景；③由于半固態(tài)成形過(guò)程存在凝固，所以它的力學(xué)性能只能在合金的鑄造性能范圍之內(nèi)，不會(huì)像業(yè)內(nèi)期盼的那樣，出現(xiàn)向塑性變形性能質(zhì)變的可能；由于高固相分?jǐn)?shù)觸變成形的工藝環(huán)節(jié)多且充型性能低、可能固液分離，導(dǎo)致易出現(xiàn)次生鑄造缺陷，所以其力學(xué)性能可能低于低溫液態(tài)流變成形；④經(jīng)外場(chǎng)處理的流變?nèi)垠w或漿料，隨著保溫靜置時(shí)間的延長(zhǎng)或冷卻速度的降低，物理處理的效果將會(huì)逐漸衰減。

1.3金屬熔體進(jìn)行外場(chǎng)處理的優(yōu)點(diǎn)

金屬熔體均勻細(xì)化處理具有如下優(yōu)點(diǎn)：①消除組織偏析；②消除成分偏析；③晶粒細(xì)化強(qiáng)化；④各相彌散強(qiáng)化；⑤減少凝固缺陷。

2 金屬熔體外場(chǎng)處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與評(píng)價(jià)原則

筆者基于性?xún)r(jià)比，對(duì)不同的外場(chǎng)處理技術(shù)給出以下3個(gè)評(píng)價(jià)原則。

2.1 工藝簡(jiǎn)單原則

任何熔體處理方法都增加了鑄造生產(chǎn)周期、降低了生產(chǎn)效率。所以，應(yīng)該盡量選擇簡(jiǎn)單的工藝來(lái)降低成本。圖2所示斜坡法和蛇形通道法就是兩個(gè)簡(jiǎn)單的例子。它們的原理是利用后續(xù)熱液流的沖刷和控制最終澆注溫度，來(lái)達(dá)到一定的熔體處理效果。由于引入熔體中的外場(chǎng)能量微弱，所以均質(zhì)、細(xì)化程度有限，會(huì)殘存大量樹(shù)枝晶。

Flemings等于2000年提出新MIT法(SSR)的亮點(diǎn)也是簡(jiǎn)單實(shí)用，見(jiàn)圖3。它即使采用了圓柱攪拌器，也還會(huì)在攪拌心部引發(fā)漩渦而造成熔體卷氣等缺陷。與超聲振動(dòng)方法一樣，這種粗大的“源頭”式的處理器易冷凝粘連金屬、難控溫，同時(shí)沒(méi)有對(duì)熔體內(nèi)部整體實(shí)現(xiàn)均勻剪切。

2.2 均勻細(xì)化原則

對(duì)合金熔體施加強(qiáng)剪切和整體均勻化處理，直接造成熔體內(nèi)部溫度和成分場(chǎng)的短效均勻化，甚至夾雜和新相均被破碎、彌散化，形成“均質(zhì)熔體漿料”。在隨后的迅速凝固過(guò)程中，這些能量效果起到控制形核、抑制長(zhǎng)大的作用，從而獲得均勻、細(xì)小、彌散的理想鑄造組織。

雙螺桿處理法是符合這一原則的典型代表。圖4為采用雙螺桿法流變成形的鎂合金壓鑄試棒的金相組織�？梢钥闯�，合金熔體經(jīng)雙螺桿整體強(qiáng)剪切處理后，流變壓鑄的材料組織均得到了極大程度的均勻化、細(xì)化（見(jiàn)圖4b、圖4c）。更重要的是，低溫液態(tài)流變成形組織(見(jiàn)圖4c，粒徑為20μm)突破了半固態(tài)成形中晶粒細(xì)化程度（見(jiàn)圖4b，粒徑為40μm）的極限。雙螺桿法的缺點(diǎn)是不符合上述第一原則且工藝控制難度較大。

2.3減少缺陷原則

要求熔體處理過(guò)程無(wú)卷氣卷渣，避免攪拌漩渦和翻騰效應(yīng)。電磁攪拌技術(shù)是應(yīng)用于鋼鐵連鑄行業(yè)的成熟技術(shù)。它最大的優(yōu)勢(shì)就是能與高溫金屬熔體發(fā)生“非接觸式”攪拌。普通電磁攪拌技術(shù)處理金屬熔體的缺點(diǎn)是：①感應(yīng)電流集膚效應(yīng)導(dǎo)致外周與心部的攪拌力不均勻；②熔體流動(dòng)是同向粘滯層流、相對(duì)剪切力微弱；③會(huì)造成離心密度偏析和固液分離；④電磁攪拌漩渦容易卷氣卷渣，污染熔體。

由此對(duì)電磁攪拌技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。如：采用正反向交變的“雙向電磁攪拌”、低過(guò)熱度澆注的弱電磁攪拌、在液穴中心插入一根冷卻芯棒的“環(huán)縫式電磁攪拌”、設(shè)置齒形變向環(huán)路的“多曲縫式電磁攪拌”、增設(shè)槳葉或螺旋芯棒反向機(jī)械旋轉(zhuǎn)的“雙重耦合式電磁攪拌”等。

圖5為螺旋式電磁攪拌壓鑄和雙重耦合式電磁攪拌連鑄的工作原理示意圖。圖6、圖7分別為采用圖5工藝與相應(yīng)普通工藝的組織對(duì)比圖。

由此可見(jiàn)，改進(jìn)的電磁攪拌技術(shù)對(duì)均衡電流集膚效應(yīng)、增加熔體剪切力等促成組織均細(xì)化的因素都有了極大改善，但不完美。原因是：①電磁攪拌設(shè)備投資造價(jià)較高；②電磁攪拌線(xiàn)圈體積大，與傳統(tǒng)鑄造設(shè)備安裝對(duì)接困難；③電磁攪拌漩渦容易卷氣卷渣，污染熔體；④引入雙重耦合攪拌，將使電磁攪拌失去其非接觸式攪拌的優(yōu)勢(shì)。

3 金屬熔體外場(chǎng)處理技術(shù)的新進(jìn)展

為了使處場(chǎng)處理技術(shù)更加具有實(shí)用性和優(yōu)質(zhì)效果，研究者進(jìn)行了“金屬熔體均勻化處理的切割破散方法與裝置”的一系列發(fā)明。簡(jiǎn)言之，該技術(shù)可以形象地用“金屬豆?jié){機(jī)”來(lái)形容。圖8為切割破散技術(shù)的工作過(guò)程和原理示意圖。圖9、圖10分別為該技術(shù)與壓鑄取湯澆包和連鑄熱頂（導(dǎo)流管）對(duì)接的方案示意圖。

以圖9為例，該技術(shù)的工作步驟：首先，自動(dòng)取湯勺取湯后在熔爐上方暫停，切割片機(jī)構(gòu)補(bǔ)充供絲并下降進(jìn)入湯勺攪拌腔內(nèi)，完成第1步；接著，切割片開(kāi)始在攪拌腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)、切割——破散處理熔體，同時(shí)，還沿軸向上（正轉(zhuǎn)）下（反轉(zhuǎn)）往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行整體均勻化處理，期間，細(xì)化絲也均勻熔化。處理10余秒或達(dá)到澆注溫度后，切割片轉(zhuǎn)停至平行于上擋口方向，完成第2步；切割片機(jī)構(gòu)升出湯勺上擋口，迅速轉(zhuǎn)移湯勺澆注，完成第3步。隨后進(jìn)行圖10所示連鑄時(shí)的步驟：在啟動(dòng)引錠的同時(shí)，切割片機(jī)構(gòu)下降進(jìn)入熱頂（導(dǎo)流管）并開(kāi)始連續(xù)高速旋轉(zhuǎn)和連續(xù)喂絲。連鑄結(jié)束后，再將切割片機(jī)構(gòu)從液面保護(hù)罩的裝配孔中升出。

切割破散技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是：①切割片的旋轉(zhuǎn)前端銳利似刀形，使得其高速旋轉(zhuǎn)時(shí)阻力極小，能直接切割——破散熔體引起強(qiáng)剪切紊流，且不飛濺，還可以設(shè)計(jì)切片側(cè)面的斜度和斜度方向，以增加或抑制紊流；②切割片在熔體內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，還上下往復(fù)移動(dòng)，進(jìn)一步增加熔體的整體均勻化處理效果；③在攪拌腔上部的液面附近，發(fā)明了液面保護(hù)罩裝置（較薄，見(jiàn)圖10）或上擋口裝置（較厚，見(jiàn)圖9），達(dá)到徹底穩(wěn)定熔體液面的目的；④實(shí)現(xiàn)了細(xì)化劑、合金元素、復(fù)合材料等添加物在鑄造時(shí)的實(shí)時(shí)加入技術(shù)。

其他特點(diǎn)是：①本裝置的轉(zhuǎn)軸和切割片是用特殊的耐腐蝕金屬和高強(qiáng)陶瓷材料制成，具有較高的使用壽命；②本技術(shù)用于處理易氧化的低熔點(diǎn)合金熔體時(shí)，裝置整體設(shè)置了封閉罩并通入保護(hù)氣氛，以消除金屬氧化污染。

圖11為采用切割破散技術(shù)處理鋁合金熔體時(shí)的液面波動(dòng)情況（切割片轉(zhuǎn)速均為1 000 r／min）。圖11a說(shuō)明，高速旋轉(zhuǎn)的切割片在鋁合金熔體內(nèi)部產(chǎn)生的剪切、紊流效果極強(qiáng)，但沒(méi)有飛濺；從圖11b可以看出，攪拌腔安裝了液面保護(hù)罩或上擋口裝置后，徹底穩(wěn)定了液面。