材料加工與成型2

材料加工與成型22.4金屬半固態(tài)加工

2.4.1概述1半固態(tài)加工的概念傳統(tǒng)的金屬成形主要分為兩類：一類是金屬的液態(tài)成形，如鑄造、液態(tài)模鍛、液態(tài)軋制、連鑄等；另一類是金屬的固態(tài)成形，如軋制、拉撥、擠壓、鍛造、沖壓等：在20世紀70年代美國麻省理工學院的Flemimgs教授等提出了一種金屬成形的新方法，即半固態(tài)加工技術。金屬半固態(tài)加工就是在金屬凝固過程中，對其施以劇烈的攪拌作用，充分破碎樹枝狀的初生固相，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的固—液混合漿料(固相組分一般為50％左右)，即流變漿料，利用這種流變漿料直接進行成形加工的方法稱之為半固態(tài)金屬的流變成形(rheoforming)；如果將流變槳料凝固成錠．按需要將此金屬錠切成一定大小，然后重新加熱(即坯料的二次加熱)至金屬的半固態(tài)溫度區(qū)，這時的金屬錠一般稱為半固態(tài)金屬坯料。利用金屬的半固態(tài)坯料進行成形加工，這種方法稱之為觸變成形(thixoforming)。半固態(tài)金屬的上述兩種成形方法合稱為金屬的半固態(tài)成形或半固態(tài)加工，目前在國際上，通常將半固態(tài)加工簡稱為SSM(semi-solidmetallurgy)半固態(tài)加工是利用金屬從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變或從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變(即液固共存)過程中所具有的特性進行成形的方法。這一新的成形加工方法綜合了凝固加工和塑性加工的長處，即加工溫度比液態(tài)低、變形抗力比固態(tài)小，可一次大變形量加工成形形狀復雜且精度和性能質(zhì)量要求較高的零件。所以國外有的專家將半固態(tài)加工稱為21世紀最有前途的材料成形加工方法。流變性：物質(zhì)在外力作用下的變形和流動性質(zhì),主要指加工過程中應力、形變、形變速率和粘度之間的聯(lián)系。

觸變性：物體(如涂料)受到剪切時，稠度變小，停止剪切時，稠度又增加或受到剪切時,稠度變大，停止剪切時，稠度又變小的性質(zhì).即，一觸即變的性質(zhì)。即受剪切力時，隨時間延長，粘度變小。2半固態(tài)金屬的特點半固態(tài)金屬(合金)的內(nèi)部特征是固液相混合共存，在晶粒邊界存在金屬液體，根據(jù)固相分數(shù)不同，其狀態(tài)不同，如圖為半固態(tài)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在高固相分數(shù)時，液相成分僅限于部分晶界；在低固相分數(shù)時，固相顆粒游離在液相成分之中。半固態(tài)金屬的金屬學和力學主要有以下幾個特點（2）由于晶粒間或固相粒子間夾有液相成分，固相粒子間幾乎沒有結(jié)合力，因此，其宏觀流動變形抗力很低；（3）隨著固相分數(shù)的降低，呈現(xiàn)黏性流體特性，在微小外力作用下即可很容易變形流動；（4）當固相分數(shù)在極限值(約75％)以下，漿料可以進行攪拌，并可很容易混入異種材料的粉末、纖維等。（1）由于固液共存，在兩者界面熔化、凝固不斷發(fā)生．產(chǎn)生活躍的擴散現(xiàn)象。因此溶質(zhì)元素的局部濃度不斷變化；（5）由于固相粒子間幾乎無結(jié)合力，在特定部位雖然容易分離，但由于液相成分的存在，又很容易地將分離的部位連接形成一體化，特別是液相成分很活躍，不僅半固態(tài)金屬間的結(jié)合，而且與一般固態(tài)金屬材料也容易形成很好的結(jié)合。（6）即使是含有陶瓷顆粒、纖維等難加工性材料，也可通過半熔融狀態(tài)在低加工力下進行成形加工。（7）當施加外力時，液相成分和固相成分存在分別流動的情況。雖然施加外力的方法和當時的邊界約束條件可能不同，但一般來說，存在液相成分先行流動的傾向或可能性。（8）上述現(xiàn)象在固相分數(shù)很高或很低或加工速度特別高的情況下都很難發(fā)生，主要是在中間固相分數(shù)范圍或低加工速度情況下顯著。（1）黏度比液態(tài)金屬高，容易控制：模具夾帶的氣體少，減少氧化、改善加工性，減少模具粘接，可進行更高速的部件成形，改善表面光潔度，易實現(xiàn)自動化和形成新加工工藝（2）流動應力比固態(tài)金屬低：半固態(tài)漿料具有流變性（粘度隨剪切速率而變）和觸變性（粘度隨剪切持續(xù)時間而變）。變形抗力非常小，可以更高的速度成形部件．且可進行復雜件成形，縮短加工周期，提高材料利用率，有利于節(jié)能節(jié)材，并可進行連續(xù)形狀的高速成形(如擠壓)，加工成本低；（3）應用范圍廣：凡具有固液兩相區(qū)的合合均可實現(xiàn)半固態(tài)加工。可運用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和鍛壓等。并可進行材料的復合及成形。半固態(tài)金屬加工具有許多獨有的優(yōu)點

半固態(tài)加工的基本工藝力法可分為流變成形和觸變成形兩種。經(jīng)加熱熔煉的合金原料液體通過機械攪拌、電磁攪拌或其他復合攪拌、在結(jié)晶凝固過程中形成半固態(tài)漿料，下面的工藝分兩種：其一是將半固態(tài)漿料直接壓入模具腔進而壓鑄成形或?qū)Π牍虘B(tài)漿料進行出接軋制、擠壓等加工方式成形，即流變成形；另一種是將半固態(tài)漿料制成坯料，經(jīng)過重新加熱至半固態(tài)溫度，形成半固態(tài)坯料再進行成形加工，此即觸變成形。3半固態(tài)加工的基本工藝方法4.半固態(tài)金屬加工后的力學性能不同加工方法所獲得鋁合金的力學性能比較4.2非枝晶的形成與演化

與常規(guī)鑄造方法形成的枝晶組織不同，利用流變鑄造方法生產(chǎn)的半固態(tài)金屬具有獨特的非枝晶、近似球形的顯微結(jié)構(gòu)。所謂流變鑄造就是讓合金在劇烈攪拌的狀態(tài)下凝固。結(jié)晶開始時，攪拌促進了晶核的產(chǎn)生，此時晶核是以枝晶生產(chǎn)方式生長的。隨著溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長方式生長，但由于攪拌的作用，造成晶粒之間互相磨損、剪切以及液體對晶粒劇烈沖刷，這樣，枝晶臂被打斷，形成了更多的細小晶粒，其自身結(jié)構(gòu)也逐漸向薔薇形演化。隨著溫度的繼續(xù)下降，最終使得這種薔薇結(jié)構(gòu)演化成更簡單的球形結(jié)構(gòu)。

球形結(jié)構(gòu)的最終形成要靠足夠的冷卻速度和足夠高的剪切速率，同時這是一個不可逆的結(jié)構(gòu)演化過程，即一旦球形的結(jié)構(gòu)生成，只要在液固區(qū)，無論怎樣升降合金的溫度（但不能讓合金完全熔化），它也不會變成枝晶。固相微粒尺寸大小與冷卻速度密切相關，冷卻速度越快，固相微粒尺寸越?。鋮s速度越慢，固相微粒尺寸越大。半固態(tài)組織演變機制（1）枝晶臂根部斷裂機制因剪切力的作用使枝晶臂在根部斷裂。（2）枝晶臂根部熔斷機制晶體在表面積減小的正常長大過程中，枝晶臂由于受到流體的快速擴散、溫度漲落引起的熱振動及在根部產(chǎn)生應力的作用，有利于熔斷，同時固相中根部熔質(zhì)含量較高，也降低熔點，促進此機制的作用。（3）枝晶臂彎曲機制此機制認為，位錯的產(chǎn)生并積累導致塑性變形。在兩相區(qū)，位錯間發(fā)生攀移并結(jié)合成晶界，當相鄰晶粒的傾角超過20°時，界面能超過固液界面能的兩倍，液相將侵入晶界并迅速滲入，從而使枝晶臂從主干分離。

以上三種假說都有一定的依據(jù)，但附加位錯如何發(fā)生恢復和再結(jié)晶或如何遷移、固液漿料的溫度起伏還缺乏必要的試驗依據(jù)，因此金屬半固態(tài)組織的演變機制還有許多基本理論及技術問題需要解決2.4.3金屬半固態(tài)的制備方法（1）電磁攪拌法電磁攪拌法是利用感應線圈產(chǎn)生的平行于或者垂直于鑄形方向的強磁場對處于液—固相線之間的金屬液形成強烈的攪拌作用．產(chǎn)生劇烈的流動。使金屬凝固析出的枝晶充分破碎并球化，進行半固態(tài)漿料或坯料的制備、該方法不污染合金液、金屬漿料純凈，不卷入氣體，可以連續(xù)生產(chǎn)流變漿料或連鑄錠坯，產(chǎn)量可以很大；通常，影響電磁攪拌效果的因素有攪拌功率、攪拌時間、冷卻速度、金屬液溫度、澆注速度等。金屬半固態(tài)漿料或坯料的制備是半固態(tài)成形加工的基礎、目前半固態(tài)漿料或坯料的制備方法很多．但常用的方法主要是電磁攪拌法和機械攪拌法，其中電磁攪拌法占主導地位。不同的電磁攪拌方式示意圖垂直式水平式（2）機械攪拌法機械攪拌法分為非連續(xù)機械攪拌法和連續(xù)機械攪拌法。非連續(xù)機械攪拌法是最早應用于制備半固態(tài)金屬漿料的方法．該法利用機械旋轉(zhuǎn)的葉片或攪拌捧改變凝固中的金屬初晶的生長與演化，以獲得球狀或類球狀的初生固相的半固態(tài)金屬流變漿料。在攪拌過程中，通過控制攪拌室的溫度來控制半固態(tài)金屬的初生固相分數(shù)，通過改變?nèi)~片或攪拌棒的轉(zhuǎn)速來控制剪切速率，并可以保證整個攪拌過程中的剪切速率不變：該種攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作方便，但該種攪拌方法的半固態(tài)金屬漿料的產(chǎn)量很小，只適用于實驗室的小規(guī)模試驗研究。底注式傾轉(zhuǎn)式非連續(xù)機械攪拌法連續(xù)機械攪拌方法也是最早應用于制備半固態(tài)金屬漿料的方法，其攪拌工藝原理如圖。該裝置結(jié)構(gòu)較復雜，造價較高。但攪拌室上方的金屬熔池可以防止卷人氣體，又可保證連續(xù)供給金屬液，利用連續(xù)機械攪拌方法，可以提供半固態(tài)金屬漿料、也可以在連續(xù)攪拌器的出口安放一個結(jié)晶器和牽引機構(gòu)來生產(chǎn)半固金屬錠料。棒式螺旋式連續(xù)機械攪拌方法（3）應變誘導熔化激活法應變誘導熔化激活法是制備半固態(tài)金屬坯料的另一種力法。其要點是：利用傳統(tǒng)連鑄方法預先連續(xù)鑄造出晶粒細小的金屬錠坯。將該金屬錠坯在回復再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)進行大變形量的熱擠壓變形，通過變形破碎鑄態(tài)組織，然后再對熱態(tài)擠壓變形過的坯料加以少量的冷變形，在坯料的組織中儲存部分變形能量，最后按需要將經(jīng)過變形的金屬錠坯切成一定大小，迅速將其加熱到固液兩相區(qū)并適當保溫，即可獲得具有觸變性的球狀半固態(tài)坯料。該方法已成功地應用于不銹鋼、鋼合金等較高熔點合金，但由于增加了預變形工序，使生產(chǎn)成本提高，與電磁攪拌法相比，它僅僅用于生產(chǎn)小直徑坯料。（4）其它方法

噴射成形法液態(tài)異步軋擠法超聲振動法粉末冶金法傾斜冷卻板制備法低過熱度鑄造法2.4.4半固態(tài)金屬觸變成形1

Thixomolding成形工藝及設備Thixomolding工藝是由美國DowChemical公司開發(fā)的技術，1992年由日本制鋼所引入并完成成形機構(gòu)研制開發(fā)，已成為目前半固態(tài)加工領域中最成功的、應用最廣的技術之一。其設備由原料入料與預熱裝置、螺旋注射機及加熱裝置以及壓鑄機等部分組成。該技術類似于塑料的注射成形法、利用碎化的顆粒狀鎂合金作為原料，通過料斗送入高速螺旋機進行混合、加熱到半固態(tài)狀態(tài)，通過噴嘴高速注射到壓鑄模具中，經(jīng)充模、壓鑄、凝固成形得到成形件。該設備的特點是預制顆粒狀鎂合金原料，使原料進入料斗后邊加熱邊剪切攪拌．最后形成半固態(tài)的狀態(tài)再射入模中。半固態(tài)漿料的固相分數(shù)可控性強，成形件質(zhì)量高、性能穩(wěn)定，因螺旋機內(nèi)密閉性好．在成形過程中不需要嚴格的保護性氣氛進行保護，僅在投料口處用少量的Ar氣保護即可，工作環(huán)境得到明顯改善。Thixomolding工藝簡圖2觸變壓鑄（Thixo-casting)

觸變壓鑄是半固態(tài)金屬通過一定截面的孔洞注入閉合的模具內(nèi)并合模、加壓。是目前在工業(yè)制造半固態(tài)金屬零件應用最多的半固態(tài)成形方法。3觸變鍛造（thixo-forging)

觸變鍛造是將半固態(tài)金屬坯料移入鍛壓模具內(nèi)，然后模具的一部分向另一部分運動并壓壓成形。其優(yōu)點是：擴大了復雜成形件的范圍，可實現(xiàn)近終成形，顯著減少工藝環(huán)節(jié)，材料利用率高。4觸變擠壓（Thixo-extrusion）5觸變軋制（Thixo-rolling）2.4.5半固態(tài)金屬的流變成形觸變成形需將坯料進行二次加熱再進行成形加工，其工藝可控性強、過程較穩(wěn)定且易操作，因而較快進入工業(yè)化生產(chǎn)。但其生產(chǎn)流程較長，相對成本要高一些。相比較而言，流變成形省去了二次加熱，由半固態(tài)漿料直接進行成形，但其工藝過程控制難度要大一些。近年來．由于流變成形的生產(chǎn)流程短、相對成本較低．受到國內(nèi)外許多研究者的重視，因而對流變成形方法從理論、實驗、技術和設備各方面都開展了大量的研究工作，并取得了迅速的進展，成為半固態(tài)加工領域的新熱點。1雙螺旋式半固態(tài)流變成形2錐桶式半固態(tài)流變成形3半固態(tài)金屬直接軋制成形2.5連續(xù)鑄軋

2.5.1概述現(xiàn)代治金工業(yè)正向著短流程、節(jié)能型、連續(xù)化、自動化、高質(zhì)量方向發(fā)展。連鑄作為治金和軋制成形的中間環(huán)節(jié)，起到承上啟下的重要作用。隨著連鑄技術的進一步發(fā)展，出現(xiàn)了連鑄坯熱送熱裝、直接軋制技術和簿板坯連續(xù)鑄軋技術，使連鑄和軋制這兩個原先獨立存在的工藝過程更加緊密地銜接在一起，因此連鑄已不再是一個純粹的治金和凝固過程，而是在連鑄、凝固的同時伴隨著軋制過程。原來的全凝固壓力加工規(guī)律和塑性變形本構(gòu)關系，也發(fā)生了相應的變化，該項技術已經(jīng)成為一種新的邊緣科學。

連鑄與熱軋冷軋帶鋼直接將金屬熔體“軋制”成半成品帶坯或成品帶材的工藝稱為連續(xù)鑄軋。這種工藝的顯著特點是其結(jié)晶器為兩個帶水冷系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鑄軋輥，熔體在其輥縫間完成凝固和熱軋兩個過程，而且在很短的時間內(nèi)（2-3s）完成的。它也不同于薄板坯連鑄連軋，“連鑄連軋”這個詞包括如下概念：由連鑄機生產(chǎn)出來的高溫無缺陷坯，無需清理和再加熱（但需經(jīng)過短時均熱和保溫處理）而直接軋制成材，這樣把“鑄”和“軋”直接連成一條生產(chǎn)線的工藝流程就稱為連鑄連軋。連續(xù)鑄軋示意圖鋁合金鑄軋連續(xù)鑄軋技術具有投資省、成本低、流程短等優(yōu)點，從20世紀50年代以來一直在有色合金，特別是鋁帶的生產(chǎn)上得到了廣泛的應用。該技術可直接鑄軋厚度為幾毫米的近凈形狀（nearnetshape）帶材，并且鑄軋帶無需熱軋開坯就可冷軋成更薄的帶材或箔材。1951年美國亨特·道格拉斯（Hunter-Douglas）公司設計制造成功全球首臺工業(yè)生產(chǎn)用雙輥式鋁帶坯連續(xù)鑄軋機，使這種技術進入工業(yè)化生產(chǎn)階段；1981年中國治金工業(yè)部鋁加工試驗廠（即現(xiàn)在的華北鋁業(yè)有限公司的前身）制成￠650mmx1600mm雙輥傾斜式鑄軋機，并投入試生產(chǎn)。經(jīng)過50多年的發(fā)展，鋁合金帶坯的連續(xù)鑄軋技術取得了長足進展，截止2000年底，全球約有400臺連續(xù)鑄軋機在運轉(zhuǎn)。

這些鑄軋機的總生產(chǎn)能力達3600kt/a。全世界鋁錠熱軋帶坯的生產(chǎn)能力約18000kt/a，鑄軋機供冷軋用的帶坯生產(chǎn)能力約占總供坯能力的17％。截止2000年底，中國擁有的鋁帶坯連續(xù)鑄軋生產(chǎn)線近90條，總生產(chǎn)能力約717.5kt／a，占向冷軋供坯總生產(chǎn)能力2300kt／a的30％，比世界平均鑄軋機供坯能力所占份額17％高13個百分點。到2008年我國已經(jīng)擁有鋁鑄軋機460多臺套,產(chǎn)能達到4100kt/a,2008年產(chǎn)量達到3500kt。鑄軋法已經(jīng)成為我國鋁板帶材生產(chǎn)的主要方式。全球鑄軋工業(yè)在向著鑄軋速度更快、帶坯更寬與更薄、產(chǎn)品精度與自動化程度更高的方向發(fā)展，但就速度、寬度與厚度來說，在今后一段相當長的時間內(nèi)是處于穩(wěn)定的階段。鋼鐵材料鑄軋雖然連續(xù)鑄軋工藝已廣泛應用于有色金屬的生產(chǎn)中，但是，用其生產(chǎn)鋼鐵材料還只是處于試生產(chǎn)階段，其主要困難是鋼鐵材料的熔點高，控制鑄軋過程穩(wěn)定性的操作參數(shù)范圍窄，邊部質(zhì)量控制與側(cè)封難度大，鑄軋過程中鋼鐵材料的傳熱、凝固過程比有色金屬更復雜。目前已有多條試驗線和接近工業(yè)化水平的半工業(yè)生產(chǎn)線，具有代表性的工藝有美國紐柯公司的Castrip、歐洲的Eurostrip、韓國浦項的Postrip、日本新日鐵的Hikari和寶鋼Baostrip等。目前，浦項用Postrip生產(chǎn)不銹鋼，紐柯用Castrip生產(chǎn)碳鋼，新日鐵·三菱重工雙輥薄帶連鑄技術研究的下一代產(chǎn)品是TWIP鋼和硅鋼。我國寶鋼BAOSTRIP除不銹鋼外，研究重點將放在硅鋼上。寶鋼薄帶連鑄機的典型工廠在2003年4月正式投入熱試。截至2007年10月11日，進行了115爐試驗，實現(xiàn)了碳鋼、不銹鋼和硅鋼等鋼種整爐成卷。已申請專利20多項、技術秘密８項，薄帶鑄坯邊部質(zhì)量、表面質(zhì)量明顯提高，表面橫、縱裂紋明顯減少。盡管在近十幾年雙輥薄帶鑄軋技術取得了很大進展，但要工業(yè)規(guī)模正常生產(chǎn)，工藝還有待進一步完善。需采用先進的控制技術解決鋼水的注入系統(tǒng)及澆鑄過程存在的控制問題，保證連鑄過程的穩(wěn)定性和連續(xù)性；側(cè)封板是帶鋼連鑄機的關鍵組件，其結(jié)構(gòu)的設計、材料的選擇對帶鋼邊部質(zhì)量和漏鋼影響很大，至今仍是研究的重點課題之一。目前使用的鑄輥大多是內(nèi)部水冷的鋼輥、銅輥或鍍鎳銅輥，造價高，并且壽命低。2.5.2連續(xù)鑄軋工藝的基本原理以美國亨特·道格拉斯（Hunter-Douglas）公司設計一種雙輥式鋁帶坯連續(xù)鑄軋機為例：1鑄軋的基本條件（1）澆注系統(tǒng)預熱溫度

鑄軋澆注系統(tǒng)包括控制金屬液面高度的前箱、橫澆道、供料嘴底座和供料嘴四部分。它是用來作為液體金屬流過的通道，必須具備良好的保溫性能，使液體金屬不過多地散失熱量，保證鑄軋正常進行。整個澆注系統(tǒng)內(nèi)，不應有潮氣、油膜、氧化渣以及其他雜物存在。經(jīng)整體裝配并調(diào)試好后，入爐進行預熱。預熱溫度為300℃左右，保溫4h以上。

澆注系統(tǒng)如果預熱不好，液體金屬失熱過多，不能進行正常鑄軋，即使勉強開了頭，也會因供料嘴內(nèi)有凝塊而中斷鑄軋。因此澆注系統(tǒng)預熱溫度是鑄軋的基本條件。（2）金屬液面高度

整個澆注系統(tǒng)是一個連通器。前箱內(nèi)液體金屬面水平高度就決定著供料嘴出口處液體金屬壓力的大小。液面高度控制不好，鑄軋過程就不能正常進行。若液面低，供應金屬的壓力過小，則鑄軋板面易于產(chǎn)生孔洞；若液面過高，金屬靜壓力過大，容易造成鑄軋板面起棱，或在鑄軋板面上出現(xiàn)被沖破的氧化皮，影響板面質(zhì)量；液面如太高，且供料嘴與鑄軋輥間隙過大，易將氧化膜沖破，使液體金屬進入間隙，造成鑄軋中斷。2鑄軋的熱平衡條件

所謂連續(xù)鑄軋的熱平衡，就是進入整個鑄軋系統(tǒng)的熱量要等于從鑄軋系統(tǒng)導出的熱量。如果失去這個熱干衡，連續(xù)鑄軋將無法進行，或者液體金屬冷凝在澆注系統(tǒng)中。

影響鑄軋熱平衡條件的有三個工藝參數(shù)，即鑄軋溫度、鑄軋速度和冷卻速度。在很小的鑄軋區(qū)內(nèi)，要想在很短時間內(nèi)建立熱平衡條件是非常困難的。但是只要達到熱平衡條件，在任意條件下（即改變或固定某一參數(shù)時）均可使鑄軋正常進行，只不過調(diào)整其他參數(shù)而已。（1）鑄軋溫度

鑄軋溫度一般以金屬出爐溫度為準。鑄軋溫度的選定，必須充分考慮液體金屬從爐內(nèi)經(jīng)流槽入前箱，再進入澆道系統(tǒng)，最后從供料嘴送至鑄軋輥上。在整個流程中溫度的散失，必須保證為適應鑄軋要求的金屬流動性。鑄軋溫度選得過低，使金屬容易冷凝在澆注系統(tǒng)中；選得過高，則不容易成形，或板坯質(zhì)量變差。金屬鑄軋出爐溫度的選定，要考慮整個澆注系統(tǒng)的長短，以及氣候和室內(nèi)溫度情況。一般要比所鑄軋的金屬熔點高60-80℃。（2）鑄軋速度

鑄軋速度是鑄軋工藝參數(shù)中最重要的一個。根據(jù)鑄軋工藝的要求，鑄軋速度必須是無級調(diào)速。鑄軋過程中冷卻速度的調(diào)整，主要是靠鑄軋速度，當然水冷強度也起著配合作用。

鑄軋開始時，為了進一步預熱澆注系統(tǒng)，鑄軋速度要很高，一般為正常鑄軋速度的一倍半以上。隨著預熱的進行，供料嘴內(nèi)溫度均勻，就要逐漸增加冷卻水量和降低鑄軋速度。（3）冷卻強度

在鑄軋過程中，單位時間、單位面積上導出熱量的大小謂之冷卻強度。冷卻強度除和鑄軋輥的水冷強度有關外，和鑄軋速度、鑄軋區(qū)高度以及輥套材料也有很大關系。鑄軋速度慢，就意味著液體金屬在鑄軋區(qū)停留的時間長，有充分時間向外導熱，增加冷卻強度。鑄軋區(qū)長度增加，也就是冷卻面積增加，有利于熱的傳導。另外，輥套材料的導熱性能對冷卻強度也有很大影響。2.5.3典型的設備輪帶式鑄軋機是結(jié)合了輪式鑄軋機和帶式鑄軋機的優(yōu)點，在水平單帶上固定了一旋轉(zhuǎn)輥。1989年成功地澆鑄出5—10mm厚、150mml寬的薄帶，表面質(zhì)量良好。重慶大學鎂合金薄帶坯12453鎂合金薄帶連鑄示意圖

1.澆口；2.熔體；3.鑄輥；4.凝固殼；5.薄板坯2.6特殊凝固技術

凝固是指從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的相變過程，廣泛存在于自然界和工程技術領域。近年來，凝固技術得到了快速發(fā)展，除了反映在人們對傳統(tǒng)鑄錠和鑄件凝固過程進行優(yōu)化控制，使鑄錠和鑄件的質(zhì)量得到提高外，還表現(xiàn)為各種全新的凝固技術的形成，如快速凝固、定向凝固、連續(xù)鑄造、半固態(tài)鑄造、微重力凝固等。

2.6.1快速凝固1概述快速凝固技術是目前治金工藝和金屬材料專業(yè)的重要領域?？焖倌痰母拍詈图夹g，源于20世紀60年代初Duwez等人的研究，他們發(fā)現(xiàn)某些共晶合金在平衡條件下本應生成雙相混合物，但當液態(tài)合金以足夠快的冷卻速直凝固（合金熔液滴被氣體噴向冷卻板）時，則可能生成過飽和固溶體、非平衡晶體，更進一步能生成非晶體。上述結(jié)果稍后被許多研究結(jié)果所證實，而且由此發(fā)現(xiàn)一些材料具有超常的性能，如電磁、電熱、強度和塑性等方面的性能，出現(xiàn)了用于電工、電子等方面的非晶材料。

20世紀70年代出現(xiàn)了用快速凝固技術處理的晶態(tài)材料，80年代人們逐漸把注意力轉(zhuǎn)向各種常規(guī)金屬材料的快速凝固制備上，90年代大塊非晶合金材料的開發(fā)與應用取得重大進展。目前，快速凝固技術已成為治金工藝學和金屬材料學的一個重要分支。2快速冷卻與快速凝固通常以冷卻速度來表征快速冷卻的程度。冷卻速度在整個溫度域并非定值，因此要注意其溫度范圍。常采用凝固即將開始時的數(shù)值，或固液相共存區(qū)的平均值。大型鑄件的冷卻速度約為1×10-3～10-1K/s，中等鑄件的冷卻速度約為10K/s，特薄壓鑄件的冷卻速度可達102K/s，更高的冷卻速度則要采用特殊的快速凝固技術來獲得，快速凝固過程的冷卻速度可高達106～109K/s。快速冷卻可產(chǎn)生過冷，冷卻速度越快，過冷度越大。從熱力學角度看．過冷度越大，產(chǎn)生各種亞穩(wěn)定相的可能件就越大。當然，過冷并非只能通過快速冷卻得到，通過抑制凝固過程的形核，也可使合金熔液獲得很大的過冷度。過冷度越大．晶體的生長速度也越快、合金平衡凝固時，要通過擴散來實現(xiàn)溶質(zhì)的再分配，而當晶體成長速度增大后，溶質(zhì)來不及移動，故不能實現(xiàn)平衡凝固；同時，根據(jù)固液界面穩(wěn)定性理論、晶體成長速度足夠快時，固液界面將保持平滑。這些部預示著快速凝固可消除微觀偏析?？傊焖倌炭傻玫叫碌哪探M織。

快速凝固可以定義為：由液相到固相的相變過程進行得非?？?，從而獲得普通鑄件和鑄錠無法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的過程。對于快速凝固過程，采用適當?shù)募僭O和邊界條件解熱平衡方程式，可求解冷卻速度。也可采用熱電偶和示波器實測，或者通過測量試樣的枝狀晶二次枝間距和共晶層間距，求出凝固速度，再運用凝固速度和冷卻速度的關系式求出冷卻速度。3快速凝固組織的特征快速凝固條件下凝固過程的特征主要表現(xiàn)在以下幾個方面

(1)偏析形成傾向減小。隨著凝固速度的增大，溶質(zhì)的分配系數(shù)將偏離平衡，實際溶質(zhì)分配系數(shù)總是隨著凝固速度的增大趨近于1，偏析傾向減小。

(2)形成非平衡相。在快速凝固條件下，平衡相的析出被抑制，常析出非平衡的亞穩(wěn)定相。

(3)細化凝固組織。大的冷卻速度不僅可細化枝晶，而且由于形核速度的增大而使晶粒細化：隨著冷卻速度的增大，晶粒尺寸減小，可獲得微晶乃至納米晶。

(4)析出相的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。大的冷卻速度可使析出相的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，某些相同成分的合金在不同冷卻速度下可獲得完全不同的組織。4快速凝固的用途獲得新的凝固組織，開發(fā)新材料。新的凝固組織包括凝固組織的微細化、過飽和固溶體和非晶相的出現(xiàn)等。凝固組織越微細，得到高強度和超塑性材料的可能性就越大；過飽和固溶體結(jié)構(gòu)可得到高強度材料，并且可通過熱處理獲得各種性質(zhì)的材料；非晶材料具有優(yōu)異的電磁件能、耐腐蝕性能、強度和觸媒性能等特點。制備難加工薄帶材料、細小線材和塊體材料簡化制備工序，實現(xiàn)近終形成形5快速凝固方法該方法最早由Taylor于1924年提出，因此又稱為Taylor法。通過控制抽拉速度可以獲得2~20um的細線，其冷卻速度可達105~106K/s.Chen于1974年首先將Pd-Cu-Si合金熔液注入水中獲得直徑為2mm的非晶態(tài)棒。進而，Kavesh將此方法發(fā)展為線材的快速凝固制備技術。它是將熔融合金熔液通過噴嘴注入冷卻液中，通過導流管使合金熔液與冷卻液同步流動并被激冷，獲得快速凝固線材。

旋轉(zhuǎn)水紡線快速凝固法是日本大阪大學大中逸雄等于1978年提出的。在高速旋轉(zhuǎn)的鼓內(nèi)加入冷卻水，在離心力的作用下，冷卻水在鼓的內(nèi)壁形成旋轉(zhuǎn)的環(huán)形水池，將熔融合金熔液噴入旋轉(zhuǎn)水中激冷獲得快速凝固線材。以上方法在進行一定時間后需要停下來繞線，生產(chǎn)過程是間斷進行的。日本Unitika公司在此基礎上開發(fā)了連續(xù)式旋轉(zhuǎn)水紡線法，由于設計了繞線機構(gòu)，可及時將獲得的細絲卷取，從而實現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)。

傳送帶法綜合了合金熔液注入快冷法和旋轉(zhuǎn)水紡線法的特點。冷卻水被帶有溝槽的傳送帶從一端送到另一端，熔融合金熔液通過噴嘴射入到傳送帶上的冷卻水中冷卻凝固，并被送出，進入卷取機構(gòu)。2.6.2定向凝固

鑄造高溫合金由于其本身的高強度、高耐熱性的特有優(yōu)點，以及由于精密鑄造工藝和陶瓷型芯技術的發(fā)展，已成為現(xiàn)代航空發(fā)動機的渦輪葉片和導向葉片材料。在長期的實踐中，經(jīng)研究人員仔細地觀察發(fā)現(xiàn)晶界在高溫受力條件下是較弱的地方，這是因為晶界處原子排列不規(guī)則，雜質(zhì)較多，擴散較快。例如在Mar－M200（美國脾號