半固态电磁搅拌器

半固态电磁搅拌器是在液态金属的凝固过程中进行强烈的搅拌，使普通铸造易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而形成分散的颗粒状组织形态，从而制成半固态金属液，然后将其压铸成坯料或铸件。

一、半固态电磁搅拌器概述   
自1971年美国麻省理工学院的D.B.Spencer和M.C.Flemings发明了一种搅动铸造（stir cast）新工艺，即用旋转双桶机械搅拌法制备出Srr15%pb流变浆料以来，半固态金属（SSM）铸造工艺技术经历了20余年的研究与发展。搅动铸造制备的合金一般称为非枝晶组织合金或称部分凝固铸造合金（Partially Solidified Casting Alloys）。由于采用该技术的产品具有高质量、高性能和高合金化的特点，因此具有强大的生命力。除军事装备上的应用外，开始主要集中用于自动车的关键部件上，例如，用于汽车轮毂，可提高性能、减轻重量、降低废品率。此后，逐渐在其它领域获得应用，生产高性能和近净成型的部件。半固态金属铸造工艺的成型机械也相继推出。目前已研制生产出从600吨到2000吨的半固态铸造用压铸机，成形件重量可达7kg以上。当前，在美国和欧洲，该项工艺技术的应用较为广泛。半固态金属铸造工艺被认为是21世纪较具发展前途的近净成型和新材料制备技术之一。

二、半固态电磁搅拌器工艺原理  
   在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0.2左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达0.5-0.6时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形。


三、半固态压铸工艺工艺优势和产品优势  
工艺优势  
   1） 不需加任何晶粒细化剂即可获得细晶粒组织，消除了传统铸造中的柱状晶和粗大树枝晶。 
   2） 成形温度低（如铝合金可降低1200℃以上），可节省能源。 
   3） 模具寿命延长。固较低温度的半固态浆料成形时的剪切应力，比传统的枝晶浆料小三个数量级，故充型平稳、热负荷小，热疲劳强度下降。 
   4） 减少污染和不安全因素。因作业时摆脱了高温液态金属环境。 
   5） 变形阻力小，采用较小的力就可实现均质加工，对难加工材料的成形容易。 
   6） 凝固速度加快，生产率提高，工艺周期缩短。 
7） 适于采用计算机辅助设计和制造，提高了生产的自动化程度  

产品优势   
1、	件质量高。因晶粒细化、组织分布均匀、体收缩减少、热裂倾向下降，基体上消除了缩松倾向，力学性能大幅度提高。    
2、凝固收缩小，故成型体尺寸精度高，加工余量小，近净成形。   
 3、 成形合金范围广。非铁合金有铝、镁、锌、锡、铜、镍基合金；铁基合金有不锈钢、低合金钢等。   
 4、 制造金属基复合材料。利用半固态金属的高粘度，使密度差大、固溶度小的金属制成合金，也可有效地使不同材料混合，制成新的复合材料

四、半固态电磁搅拌器展望  
 尽管半固态连铸技术还没有达到大规模工业应用的水平，但在现有的试验研究及小规模生产中已经显示出了较强的生命力。综合国内外的有关研究不难看出，半固态连铸技术将在下列领域具有光明的应用前景：
(1)	高合金和难变形材料成形   

高合金和难变形材料的成型一直是材料加工领域的一个难题。半固态连铸坯在半固态温度下具有类似于液态直接成型的成型优势，为高合金材料无偏析无缺陷连铸和难变形材料的顺利成型找到了一条可行的技术路线。本课题组的研究表明，通常认为不能锻造的白口铁及高锰钢，制成半固态连铸坯后，在半固态温度下可以顺利成型壁厚2mm，长度100mm以上的复杂零件。因此，半固态连铸在难变形材料成型用坯的生产方面将大有可为。

(2)	新一代钢铁材料研制 

  目前**都在进行**级钢的研究，我国也已经启动重大基础规划项目“新一代钢铁材料研究”。新一代钢铁材料要求高洁净、**细化、**高强度，同时还要有大规模应用的可能。为实现这一目标，必然需要采用连铸技术制坯，而现有的连铸坯普遍存在柱状晶区大，宏观偏析严重的缺陷。半固态连铸坯晶粒细小，宏观偏析少的优势无疑会为新一代钢铁材料的制坯提供一条值得探索的技术路线。   
(3)	复合材料制坯与成型 
  复合材料是材料科学的一枝新秀，但迄今为止，复合材料的制备及其大规模成材仍是一个难题。半固态连铸在解决这一难题方面会大有作为，这已被众多的试验研究所证实[7]。 总之，半固态连铸技术在高合金材料、难变形材料、细晶均质化钢铁材料及高附加值的新材料成型方面有着*到的技术优势

5、电磁搅拌法   
1 ）电磁搅拌器的原理：   电磁搅拌器的基本结构就交流感应方式而言，实际上是一个能激发磁场的感应器，它类仿于电机的定子，结晶器相当于转子。感应器产生的磁场作用于结晶器内熔融的金属液，并与金属液有相对运动，金属液又是导电体，因此，也就在其中产生感受应电流，该电流与感应器产生的磁场相互作用而产生电磁力，推动金属液的运动。运动的方式由磁场方式决定，目前，普遍应用的磁场有旋转磁场和行波磁场。      电磁搅拌法是利用电磁感应力的作用将析出的树枝晶破碎成颗粒状，属于非接触式搅拌。因此，金属液纯净，不卷入气体，控制方便，产量大，是目前工业应用的主要方法之 一。这种方法也适用熔点较高的合金。目前，在工业生产中占主导地位的电磁搅拌技术称为MHD(Magnetohydrofynamic)，用于生产连续流变锭料，其中铝合金锭的直径达50— 110mm。  
 2）搅拌效果   采用先进的电磁搅拌技术， 经过国内外大量的实验与工业生产通过使用电磁搅拌所达到的主要效果：   降低夹渣含量； 减少中心缩孔； 消除宏观偏析； 增加等轴晶比率； 改善凝固组织等

6、半固态实验用电磁搅拌器
1）工作原理   电磁搅拌方法则利用电磁感应在半凝固的金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促使金属固液浆料激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织。   2）系统组成   本系统以INTER高性能十六位单片机为核心组成的交--直--交变频电源、电磁感应器、操作控制界面、冷却系统等组成。   3）系统优点   为了实验室研究方便，感应器内半固态金属液受力与枝晶的关系。本系统采用了电压、频率、搅拌时间连续可调，使半固态金属液受力情况一目了然。简洁操作控制界面，人机接口简单明了，所有操作在控制面板上可立即完成。

主要用户
1、四川核聚能研究院
2、重庆理工大学
3、沈阳**航空大学
4、东北工业大学
5、兰州工业学院
6、西南理工大学
7、沈阳工业大学
8、哈尔滨大学
9、上海800所
10.西南交通大学
11、中国兵科院