半固態金屬鑄造工藝的歷史和趨勢
自1971年美國麻省理工學院的DBSpencer和MCFlemings發明了攪拌澆鑄（stir cast）新工藝，即採用旋轉雙筒機械攪拌法製備Srr15%pb流變漿料，半固態金屬（SSM）鑄造技術經歷了20多年的研發。
通過攪拌鑄造製備的合金一般稱為非枝晶合金或部分凝固鑄造合金（Partially Solidified Casting Alloys）。 由於採用該技術的產品具有高品質、高性能、高合金化的特點，具有很強的生命力。
除了在軍事裝備上的應用，它開始專注於自動車輛的關鍵部件，例如用於汽車輪轂，可以提高性能，減輕重量，降低報廢率。 此後，它逐漸應用於其他領域，生產高性能和近淨形零件。 用於半固態金屬鑄造技術的成型機也陸續推出。
目前已開發生產600噸至2000噸半固態鑄造壓鑄機，成型件重量可達7kg以上。 目前，這種工藝技術在美國和歐洲得到廣泛應用。 半固態金屬鑄造工藝被認為是21世紀最有前途的近淨成形和新材料製備技術之一。
工藝原理
在普通的鑄造過程中，初級晶體以枝晶的形式長大。 當固相比達到0.2左右時，枝晶形成連續的網絡骨架，失去宏觀流動性。 如果在從液相到固相的冷卻過程中劇烈攪拌液態金屬，普通鑄造時容易形成的樹枝狀網絡骨架會被破壞，保留分散的顆粒結構並懸浮在剩餘的液相中。 這種粒狀非枝晶組織在固相比達到0.5-0.6時仍具有一定的流變性，因此可採用壓鑄、擠壓、模鍛等常規成型工藝實現金屬成型。
合金製備
製備半固態合金的方法很多。 除機械攪拌方法外，近年來還發展了電磁攪拌方法，電磁脈衝加載法、超聲波振動攪拌法、合金液在外力作用下沿彎曲通道強制流動、應變誘導熔化活化等。 法（SIMA）、噴塗沉積法（Ospray）、控制合金澆注溫度法等，其中電磁攪拌法、合金澆注溫度控制法和SIMA法是工業應用最有前景的方法。
1、機械攪拌法
機械攪拌是最早用於製備半固態合金的方法。 弗萊明斯等人。 使用一套由同心齒狀內外筒（外筒旋轉，內筒靜止）組成的攪拌裝置，成功製備了錫鉛合金半固態漿料； H. Lehuy 等人。 用攪拌槳製備銅合金、鋅鋁合金和鋁矽合金的鋁半固態漿料。 後人對攪拌器進行改進，採用螺旋攪拌器製備ZA-22合金半固態漿料。 通過改進，提高了料漿的攪拌效果，加強了金屬液在模具中的整體流動強度，金屬液產生向下的壓力，促進了澆注，提高了鑄錠的機械性能。
2、電磁攪拌法
電磁攪拌是利用旋轉的電磁場在熔融金屬中產生感應電流。 熔融金屬在羅倫磁力的作用下運動，達到攪拌熔融金屬的目的。 目前產生旋轉磁場的方法主要有兩種：一種是傳統的在感應線圈中通交流電的方法； 另一種是法國C.Vives於1993年推出的旋轉永磁法，它利用電磁感應的優點，該裝置由具有高磁場強度的高性能永磁材料組成。 通過改變永磁體的排列方式，使金屬液產生明顯的三維流動，提高了攪拌效果，減少了攪拌過程中氣體的夾帶。
3. 應變誘導熔化激活法（SIMA）
應變誘導熔化活化法（SIMA）是將常規鋼錠預變形，如擠壓、軋製等熱加工成半成品棒材。 此時，顯微組織具有強烈的拉長變形結構，然後加熱到固液兩相區等溫一定時間，拉長的晶粒變成細小顆粒，然後快速冷卻以獲得非樹枝狀結構的錠。
SIMA工藝的效果主要取決於低溫熱加工和重熔兩個階段，或者在兩者之間增加一個冷加工階段，過程更容易控制。 SIMA技術適用於多種高、低熔點合金，在製備高熔點非枝晶合金方面具有獨特優勢。 已成功應用於不銹鋼、工具鋼、銅合金、鋁合金系列，獲得晶粒尺寸約20um的非枝晶結構合金。 它正在成為製備半固態成型原料的一種有競爭力的方法。 但其最大的缺點是製備的坯料尺寸較小。
4. 近年來開發的新方法
近年來，東南大學和日本的阿雷蒂研究所發現，通過控制合金的鑄造溫度，可以將初生枝晶組織轉變為球晶組織。 這種方法的特點是不需要添加合金元素，也不需要攪拌。 V. Dobatkin 等人。 提出了在液態金屬中加入精煉劑，進行超聲波處理，得到半固態鑄錠的方法，稱為超聲波處理。
成型方法
半固態合金的成型方法很多，主要有：
1、流變成型（Rheocast）在冷卻過程中將熔融金屬從液態強烈攪拌到固態，直接對得到的具有一定固含量的半固態金屬漿液進行澆鑄或擠壓。
例如，R. Shibata 等人。 一次將電磁攪拌法製備的半固態合金料漿直接送入壓鑄機注射室成型。 用這種方法生產的鋁合金鑄件的力學性能高於擠壓鑄件，與半固態觸變鑄件相當。 問題是半固態金屬漿料的儲運困難，實際應用不多。
2.觸變澆鑄（Thixoforming, Thixocast）
將製備好的非樹枝狀結構鑄錠重新加熱至固液兩相區，達到合適的粘度，然後進行壓鑄或擠壓成型。
EOPCO、HPM Corp.、Prince Machine、美國THT Presses、瑞士Buhler、美國IDRA、美國Italpresse、加拿大生產商美國、Toshib a Machine Corp. 固體鋁合金觸變成型專用設備。 這種方法易於使坯料的加熱和輸送實現自動化，因此是當今半固態鑄造的主要工藝方法。
3.注塑成型
熔融金屬代替處理後的半固態漿液直接冷卻到合適的溫度，並在一定工藝條件下注入型腔成型。 例如，美國威斯康星州觸變成型開發中心就採用這種方法對鎂合金進行半固態鑄造。 美國康奈爾大學的KK Wang教授等人開發了類似的鎂合金注射成型裝置。 半固態漿料由料管加入，經適當冷卻後注入型腔。
4. 低溫連鑄
所謂低溫連鑄，就是將金屬液的過熱度控制在0℃左右，在結晶器下進行強製冷卻的鑄造方法，如圖4所示。 中心偏析是一個大問題連鑄，線材在連軋過程中可能會出現斷線。 因此，該過程具有重要意義。
5. 帶鋼連鑄
Flemings使用Sn-15%pb低熔點金屬進行帶材連鑄實驗，分析傳熱、凝固和變形。 認為帶鋼厚度與軋輥壓力、固相比、流變剪切速度和連鑄速度有關。 擠壓比壓力大時，促進微觀偏析。 為保證表面和內部質量和尺寸精度，需要嚴格控制固相比、初晶形尺寸、金屬出料量等半固態金屬製造工藝參數。
對於高熔點金屬，如磷青銅Cu-Sn-P合金（Cu-8%Sn-0.1%P），液相線溫度為10300℃，難以熱處理。 對這種半固態合金製成的薄板效果明顯。 目前可以製備組織優良的半固態不銹鋼錠和高速工具鋼錠。
技術優勢
半固態壓鑄工藝的優勢可以概括為工藝優勢和產品優勢。
1、工藝優勢
- 1）無需添加任何晶粒細化劑，即可獲得細晶組織，消除了傳統鑄造中的柱狀晶和粗大枝晶。
- 2）成型溫度低（如鋁合金可降低1200℃以上），可節約能源。
- 3)模具壽命延長。 半固態漿料在較低固體溫度下的剪切應力比傳統樹枝狀漿料小三個數量級，因此填充穩定，熱負荷小，熱疲勞強度降低。
- 4）減少污染和不安全因素。 擺脫運行過程中的高溫液態金屬環境。
- 5）變形抗力小，用很小的力即可實現均質加工，難加工材料成型容易。
- 6）加快凝固速度，提高生產率，縮短工藝週期。
- 7）適用於計算機輔助設計製造，提高了生產的自動化程度。
2.產品優勢
- 1) 零件是高質量的。 由於晶粒細化，組織分佈均勻，體收縮率降低，熱裂傾向降低，消除了基體的收縮傾向，力學性能大大提高。
- 2）凝固收縮小，成型體尺寸精度高，加工餘量小，近淨形。
- 3) 成型合金範圍廣。 有色合金包括鋁、鎂、鋅、錫、銅和鎳基合金； 鐵基合金包括不銹鋼和低合金鋼。
- 4）製造金屬基複合材料。 利用半固態金屬的高粘度製成密度差大、固溶度小的合金，還可以有效地將不同材料混合製成新型複合材料。
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