金属熔体外场处理技术的研究进展

 刘国钧

 （北京有色金属研究总院国家复合材料工程技术研究中心）

摘要金属熔体外场处理技术是金属熔体处理技术的重要类别之一，它应用于金属半固态或低温液态流变成形等各种铸造场合，目的是实现凝固组织的整体均匀化和细化。基于性价比，提出了评价外场处理技术的3个原则：工艺简单原则、均匀细化原则和减少缺陷原则。结合对现有外场处理技术的客观评价，引荐了一种类似豆浆机原理的“金属熔体切割破散处理技术”。

 关键词熔体处理；组织均匀化；晶粒细化；外场处理；半固态；浆料制备

 中图分类号  TG249.2+6；TG111 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 008

1金属熔体外场处理技术概述

1.1  金属熔体外场处理的概念

 铸造需要借助某些方法对金属熔体进行各种处理，以获得理想的优质铸件。随着知识累积，又发展了诸如晶粒细化处理、复合材料制备等熔体处理技术，由此也产生了成分偏析、孕育衰退、污染金属等一系列问题。笔者综述的熔体外场处理技术（或称均细处理技术），就是一类对熔体施加一定的外场，或以凝固组织均匀化和细化为目的的熔体处理新技术。该技术范畴兴起于20世纪90年代的金属半固态加工技术，但适用的温度范围可高于半固态区间。

 金属熔体处理技术的分类见表1。按照熔体处理的目的，可分为净化处理、变质处理、复合强化处理、外场处理（均细处理）；按照熔体处理的原理，可分为化学处理和物理处理。

1.2金属熔体进行外场处理的用途

 20世纪70年代，FLEMINGS M C等研究发现，剪切搅拌至合金半固态温度后获得的金属浆料，其凝固组织特征颠覆了传统的树枝状结晶长大方式，形成了细小、球形的等轴晶组织，见图1。在流变学方面，该组织材料还具有剪切变稀的“流变性”，和高固相分数时静置增稠的“触变性”。由此，开创了搅拌金属浆料可直接“流变成形”或高固相分数下“触变成形”的金属半固态加工技术。

 为了获得这种特殊的组织结构，从20世纪90年代开始，施加外场（不限于搅拌）的熔体处理技术手段迅速发展，直至今天成为了金属熔体处理技术领域的重要类别——熔体外场处理技术。

 这里有几点说明：①除流变成形、触变成形等铸造场合外，外场处理技术还应用于金属的合金化、复合材料制备等情形；②除半固态成形外，外场处理技术更适用于低温液态流变成形，即低温液态流变成形不失半固态的低温优势，但比半固态成形更具实用前景；③由于半固态成形过程存在凝固，所以它的力学性能只能在合金的铸造性能范围之内，不会像业内期盼的那样，出现向塑性变形性能质变的可能；由于高固相分数触变成形的工艺环节多且充型性能低、可能固液分离，导致易出现次生铸造缺陷，所以其力学性能可能低于低温液态流变成形；④经外场处理的流变熔体或浆料，随着保温静置时间的延长或冷却速度的降低，物理处理的效果将会逐渐衰减。

1.3金属熔体进行外场处理的优点

 金属熔体均匀细化处理具有如下优点：①消除组织偏析；②消除成分偏析；③晶粒细化强化；④各相弥散强化；⑤减少凝固缺陷。

2  金属熔体外场处理技术的发展现状与 评价原则

  笔者基于性价比，对不同的外场处理技术给出以下3个评价原则。

2.1  工艺简单原则

 任何熔体处理方法都增加了铸造生产周期、降低了生产效率。所以，应该尽量选择简单的工艺来降低成本。图2所示斜坡法和蛇形通道法就是两个简单的例子。它们的原理是利用后续热液流的冲刷和控制最终浇注温度，来达到一定的熔体处理效果。由于引入熔体中的外场能量微弱，所以均质、细化程度有限，会残存大量树枝晶。

 Flemings等于2000年提出新MIT法(SSR)的亮点也是简单实用，见图3。它即使采用了圆柱搅拌器，也还会在搅拌心部引发漩涡而造成熔体卷气等缺陷。与超声振动方法一样，这种粗大的“源头”式的处理器易冷凝粘连金属、难控温，同时没有对熔体内部整体实现均匀剪切。

2.2  均匀细化原则

 对合金熔体施加强剪切和整体均匀化处理，直接造成熔体内部温度和成分场的短效均匀化，甚至夹杂和新相均被破碎、弥散化，形成“均质熔体浆料”。在随后的迅速凝固过程中，这些能量效果起到控制形核、抑制长大的作用，从而获得均匀、细小、弥散的理想铸造组织。

 双螺杆处理法是符合这一原则的典型代表。图4为采用双螺杆法流变成形的镁合金压铸试棒的金相组织。可以看出，合金熔体经双螺杆整体强剪切处理后，流变压铸的材料组织均得到了极大程度的均匀化、细化（见图4b、图4c）。更重要的是，低温液态流变成形组织(见图4c，粒径为20μm)突破了半固态成形中晶粒细化程度（见图4b，粒径为40μm）的极限。双螺杆法的缺点是不符合上述第一原则且工艺控制难度较大。

2.3减少缺陷原则

 要求熔体处理过程无卷气卷渣，避免搅拌漩涡和翻腾效应。电磁搅拌技术是应用于钢铁连铸行业的成熟技术。它最大的优势就是能与高温金属熔体发生“非接触式”搅拌。普通电磁搅拌技术处理金属熔体的缺点是：①感应电流集肤效应导致外周与心部的搅拌力不均匀；②熔体流动是同向粘滞层流、相对剪切力微弱；③会造成离心密度偏析和固液分离；④电磁搅拌漩涡容易卷气卷渣，污染熔体。

 由此对电磁搅拌技术进行了改进。如：采用正反向交变的“双向电磁搅拌”、低过热度浇注的弱电磁搅拌、在液穴中心插入一根冷却芯棒的“环缝式电磁搅拌”、设置齿形变向环路的“多曲缝式电磁搅拌”、增设桨叶或螺旋芯棒反向机械旋转的“双重耦合式电磁搅拌”等。

 图5为螺旋式电磁搅拌压铸和双重耦合式电磁搅拌连铸的工作原理示意图。图6、图7分别为采用图5工艺与相应普通工艺的组织对比图。

 由此可见，改进的电磁搅拌技术对均衡电流集肤效应、增加熔体剪切力等促成组织均细化的因素都有了极大改善，但不完美。原因是：①电磁搅拌设备投资造价较高；②电磁搅拌线圈体积大，与传统铸造设备安装对接困难；③电磁搅拌漩涡容易卷气卷渣，污染熔体；④引入双重耦合搅拌，将使电磁搅拌失去其非接触式搅拌的优势。

3  金属熔体外场处理技术的新进展

 为了使处场处理技术更加具有实用性和优质效果，研究者进行了“金属熔体均匀化处理的切割破散方法与装置”的一系列发明。简言之，该技术可以形象地用“金属豆浆机”来形容。图8为切割破散技术的工作过程和原理示意图。图9、图10分别为该技术与压铸取汤浇包和连铸热顶（导流管）对接的方案示意图。

 以图9为例，该技术的工作步骤：首先，自动取汤勺取汤后在熔炉上方暂停，切割片机构补充供丝并下降进入汤勺搅拌腔内，完成第1步；接着，切割片开始在搅拌腔内高速旋转、切割——破散处理熔体，同时，还沿轴向上（正转）下（反转）往复运动进行整体均匀化处理，期间，细化丝也均匀熔化。处理10余秒或达到浇注温度后，切割片转停至平行于上挡口方向，完成第2步；切割片机构升出汤勺上挡口，迅速转移汤勺浇注，完成第3步。随后进行图10所示连铸时的步骤：在启动引锭的同时，切割片机构下降进入热顶（导流管）并开始连续高速旋转和连续喂丝。连铸结束后，再将切割片机构从液面保护罩的装配孔中升出。

 切割破散技术的主要创新点是：①切割片的旋转前端锐利似刀形，使得其高速旋转时阻力极小，能直接切割——破散熔体引起强剪切紊流，且不飞溅，还可以设计切片侧面的斜度和斜度方向，以增加或抑制紊流；②切割片在熔体内高速旋转的同时，还上下往复移动，进一步增加熔体的整体均匀化处理效果；③在搅拌腔上部的液面附近，发明了液面保护罩装置（较薄，见图10）或上挡口装置（较厚，见图9），达到彻底稳定熔体液面的目的；④实现了细化剂、合金元素、复合材料等添加物在铸造时的实时加入技术。

 其他特点是：①本装置的转轴和切割片是用特殊的耐腐蚀金属和高强陶瓷材料制成，具有较高的使用寿命；②本技术用于处理易氧化的低熔点合金熔体时，装置整体设置了封闭罩并通入保护气氛，以消除金属氧化污染。

 图11为采用切割破散技术处理铝合金熔体时的液面波动情况（切割片转速均为1 000 r／min）。图11a说明，高速旋转的切割片在铝合金熔体内部产生的剪切、紊流效果极强，但没有飞溅；从图11b可以看出，搅拌腔安装了液面保护罩或上挡口装置后，彻底稳定了液面。

4  结  语

 (1)金属熔体外场处理技术是以凝固组织均匀化和细化为目的的熔体处理技术新领域，进行实用技术研发具有积极意义。

 (2)实用的外场处理技术应该同时符合工艺简单、均匀细化和减少缺陷等3个评价原则。

 (3)金属熔体切割破散处理技术具有简单、高效和无卷气的技术特点。