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Srr15%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余年的研究與發(fā)展。攪動(dòng)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，開始主要集中用于自動(dòng)車的關(guān)鍵部件上，例如，用于汽車輪轂，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)高性能和近凈成型的部件。半固態(tài)金屬鑄造工藝的成型機(jī)械也相繼推出。目前已研制生產(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)具發(fā)展前途的近凈成型和新材料制備技術(shù)之一。

    2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)易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打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。

    3半固態(tài)壓鑄工藝工藝優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

    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大樹枝晶。
   2） 成形溫度低（如鋁合金可降低1200℃以上），可節(jié)省能源。
   3） 模具壽命延長(zhǎng)。固較低溫度的半固態(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。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)
   1） 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，故成型體尺寸精度高，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，使密度差大、固溶度小的金屬制成合金，也可有效地使不同材料混合，制成新的復(fù)合材料。

    4展望

    盡管半固態(tài)連鑄技術(shù)還沒有達(dá)到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的水平，但在現(xiàn)有的試驗(yàn)研究及小規(guī)模生產(chǎn)中已經(jīng)顯示出了極強(qiáng)的生命力。綜合國(guó)內(nèi)外的有關(guān)研究不難看出，半固態(tài)連鑄技術(shù)將在下列領(lǐng)域具有光明的應(yīng)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(lǐng)域的一個(gè)難題。半固態(tài)連鑄坯在半固態(tài)溫度下具有類似于液態(tài)直接成型的成型優(yōu)勢(shì)，為高合金材料無(wú)偏析無(wú)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(shù)路線。本課題組的研究表明，通常認(rèn)為不能鍛造的白口鐵及高錳鋼，制成半固態(tài)連鑄坯后，在半固態(tài)溫度下可以順利成型壁厚2mm，長(zhǎng)度100mm以上的復(fù)雜零件。因此，半固態(tài)連鑄在難變形材料成型用坯的生產(chǎn)方面將大有可為。 
    (2)新一代鋼鐵材料研制 
    目前各國(guó)都在進(jìn)行鋼的研究，我國(guó)也已經(jīng)啟動(dòng)重大基礎(chǔ)規(guī)劃項(xiàng)目“新一代鋼鐵材料研究”。新一代鋼鐵材料要求高潔凈、超細(xì)化、超高強(qiáng)度，同時(shí)還要有大規(guī)模應(yīng)用的可能。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必然需要采用連鑄技術(shù)制坯，而現(xiàn)有的連鑄坯普遍存在柱狀晶區(qū)大，宏觀偏析嚴(yán)重的缺陷。半固態(tài)連鑄坯晶粒細(xì)小，宏觀偏析少的優(yōu)勢(shì)無(wú)疑會(huì)為新一代鋼鐵材料的制坯提供一條值得探索的技術(shù)路線。 
    (3)復(fù)合材料制坯與成型 
    復(fù)合材料是材料科學(xué)的一枝新秀，但迄今為止，復(fù)合材料的制備及其大規(guī)模成材仍是一個(gè)難題。半固態(tài)連鑄在解決這一難題方面會(huì)大有作為，這已被眾多的試驗(yàn)研究所證實(shí)[7]。 
    總之，半固態(tài)連鑄技術(shù)在高合金材料、難變形材料、細(xì)晶均質(zhì)化鋼鐵材料及高附加值的新材料成型方面有著獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

    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(jié)構(gòu)就交流感應(yīng)方式而言，實(shí)際上是一個(gè)能激發(fā)磁場(chǎng)的感應(yīng)器，它類仿于電機(jī)的定子，結(jié)晶器相當(dāng)于轉(zhuǎn)子。感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用于結(jié)晶器內(nèi)熔融的金屬液，并與金屬液有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，金屬液又是導(dǎo)電體，因此，也就在其中產(chǎn)生感受應(yīng)電流，該電流與感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)金屬液的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的方式由磁場(chǎng)方式?jīng)Q定，目前，普遍應(yīng)用的磁場(chǎng)有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)。
       電磁攪拌法是利用電磁感應(yīng)力的作用將析出的樹枝晶破碎成顆粒狀，屬于非接觸式攪拌。因此，金屬液純凈，不卷入氣體，控制方便，產(chǎn)量大，是目前工業(yè)應(yīng)用的主要方法之 一。這種方法也適用熔點(diǎn)較高的合金。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位的電磁攪拌技術(shù)稱為MHD(Magnetohydrofynamic)，用于生產(chǎn)連續(xù)流變錠料，其中鋁合金錠的直徑達(dá)50— 110mm。

    5.2攪拌效果
    采用先進(jìn)的電磁攪拌技術(shù)， 經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外大量的實(shí)驗(yàn)與工業(yè)生產(chǎn)通過(guò)使用電磁攪拌所達(dá)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(tài)實(shí)驗(yàn)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(yīng)在半凝固的金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在外加磁場(chǎng)的作用下促使金屬固液漿料激烈地?cái)噭?dòng)，使傳統(tǒng)的枝晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵У臄嚢杞M織。

    6.2系統(tǒng)組成

    本系統(tǒng)以INTER高性能十六位單片機(jī)為核心組成的交--直--交變頻電源、電磁感應(yīng)器、操作控制界面、冷卻系統(tǒng)等組成。

    6.3系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

    為了實(shí)驗(yàn)室研究方便，感應(yīng)器內(nèi)半固態(tài)金屬液受力與枝晶的關(guān)系。本系統(tǒng)采用了電壓、頻率、攪拌時(shí)間連續(xù)可調(diào)，使半固態(tài)金屬液受力情況一目了然。簡(jiǎn)潔操作控制界面，人機(jī)接口簡(jiǎn)單明了，所有操作在控制面板上可立即完成。

    6.4主要技術(shù)參數(shù)

    我公司可根據(jù)用戶需求定制設(shè)備

    6.5系統(tǒng)概況：

    1、系統(tǒng)采用 IPM智能電源模塊作為核心器件，其本身具有短路、過(guò)流、過(guò)熱、欠壓保護(hù)功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中又增設(shè)了可靠的緩沖電路和其他抗干擾電路。
    2、采用工業(yè)級(jí)單片機(jī)作為核心控制，其能適應(yīng)于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，處理速度快。
    3、開關(guān)、接觸器、整流、濾波、緩沖電路等電子器件，一律選用可靠器件，在設(shè)計(jì)中選用了較大的耐壓、過(guò)流、散熱保護(hù)系數(shù)。
    4、在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造方面盡量做到減少分布電容、電感和提高抗輻射，感應(yīng)和耦合干擾的能力。
    5、參數(shù)和程序設(shè)計(jì)嚴(yán)密，系統(tǒng)投入和停機(jī)邏輯，能較好的防止誤碼操作和事故停電造成的系統(tǒng)損壞。

    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(shù)碼指示。
    2、電流、頻率在設(shè)定的工作范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。
    3、系統(tǒng)在攪拌狀態(tài)可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓改變工作電流。
    4、有正攪，反攪，自動(dòng)攪拌三種攪拌方式，任何攪拌狀態(tài)下攪拌時(shí)間，攪拌停止時(shí)間，換相停止時(shí)間可在參數(shù)范圍內(nèi)任意設(shè)定。
    5、故障指示分為系統(tǒng)停機(jī)故,障，攪拌停止故障和報(bào)警故障三類。
    A、系統(tǒng)停機(jī)故障：包括冷卻風(fēng)機(jī)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(yán)重不足，攪拌器繞組嚴(yán)重過(guò)熱，冷卻風(fēng)機(jī)停。
    C、報(bào)警故障：包括：水流量、水壓不足，過(guò)流、欠壓三相電流不平衡等。

    6.7安裝注意事項(xiàng)

    a電源進(jìn)線應(yīng)嚴(yán)格保證接線正確，否則不能正常工作。
    b各連接電纜規(guī)格必須符合廠方要求。
    c整套設(shè)備各部分外殼均應(yīng)可靠接地，以防干擾。
    d所有線路要保證絕緣良好。