[科普中国]-液态模锻

简介

液态模锻，又称挤压铸造、连铸连锻，是一种既具有铸造特点，又类似模锻的新兴金属成形工艺。它是将一定量的被铸金属液直接浇注入涂有润滑剂的型腔中，并持续施加机械静压力，利用金属铸造凝固成形时易流动和锻造技术使已凝固的硬壳产生塑性变形，使金属在压力下结晶凝固并强制消除因凝固收缩形成的缩孔缩松，以获得无铸造缺陷的液态模锻制件。人们通常把这种方法称之为液态模锻。

液态模锻（挤压铸造）可分为两大类：直接挤压铸造（direct squeeze casting）和间接挤压铸造（indirect squeeze casting）。直接挤压工艺类似于金属模锻，压力直接施加于液态金属的整个面上；间接挤压工艺与压铸接近，压力通过浇道间接作用于液态金属上。间接挤压铸件内部质量低于直接挤压件而高于压铸件。1

特点液态模锻是铸锻相结合的一种新兴工艺，它既具有铸造工艺简单、生产成本低、可制件形状复杂的优点，又具有模锻产品晶粒细密、组织均匀、力学性能好、成型精度高的特点。主要有以下几点：

（1）在成形过程中，尚未凝固的金属液自始至终在等静压的作用下结晶凝固、流动成形；已凝固的金属层在压力下发生塑性变形，具有热变形组织，晶粒细小，组织均匀，同时压力使制件外侧紧贴模具内壁，使工件形状尺寸准确。

（2）由于先结晶凝固层产生塑性变形，要消耗一部分能量，因此金属液经受的等静压不是定值，而是随着凝固层的增厚而下降。

（3）固液区在压力作用下，发生强制性的补缩，从而能消除制件内部缩孔疏松等缺陷，提高了制件力学性能。

（4）与普通热模锻相比，金属液的流动性远大于固体金属，充填模具型腔的性能较好，能够用一副模具一次成形形状比较复杂的制件。

（5）密度、力学性能基本等同模锻件。

技术参数在液态模锻的成形过程中，涉及的工艺参数主要有：液锻比压、加压开始时间、保压时间、模具预热温度、金属液浇注温度、模具润滑等。研究工作者结合产品对液态模锻的工艺参数作了大量有益探索现将几个主要工艺参数总结如下：

液锻比压

单位面积上的压力。压力的作用是使金属液在等静压的作用下凝固，并消除制件气孔、缩孔疏松等缺陷，从而使制件获得较好的内部组织和较高的力学性能。比压过低时，未凝固的金属液在先凝固的封闭壳层内自由凝固，又液态金属比固态金属收缩值大，使最后凝固部分得不到补缩而产生缩孔疏松，使产品致密性下降；比压过高，虽对提高产品性能有一定的作用，但同时会降低模具寿命，增加设备动力消耗及费用。

开始加压时间

开始加压时间即施压前金属液在模具内的停留时间。开始加压时间应以金属液的温度不低于固相线温度为准，因而金属处于熔融状态时加压效果最好。开始加压时间若过晚，金属自由凝固外壳厚度增大，增加了变形抗力，减小了加压效果，影响制件质量。实际上由于现行的液压机合型行程较长、速度较慢，模具与合金液温差较大等原因，加压只可能过迟，而不会过早。因此应当在金属液浇入金属型型腔后立即加压。

金属液浇注温度

合金的浇注温度对零件的成形质量有很大的影响，浇注温度过高，容易产生缩孔，模具受热浸蚀愈严重，加压时，容易出现毛刺，可能会把模具卡住，甚至会导致模具出现热裂纹；浇注温度过低，会因为合金凝固过快而产生浇不充足或冷隔缺陷，但是如果此时的比压比较大，就可以很好地避免因温度低所造成的缺陷，所以一般都会通过提高比压来降低浇注温度，这也正是液态模锻的高比压低温稳定成形的突出优点。因为液态模锻时希望消除气孔、缩孔缩松，而在较低温度浇注时，气体易于从合金熔液内部逸出，易于消除气孔；且一旦施压后，还能使金属液同时进人过冷状态，获得同时形核的条件，进而获得等轴晶组织。通常根据合金的液相线温度和凝固范围来确定理想的金属液浇注温度，一般控制在最低值，对于薄壁件或热容量较小的合金浇注温度可取高些，反之取得低些。

保压时间

保压时间是指从金属液充满模具型腔后开始到撤消压力为止的时间段，这段时间实际上是金属液在压力下实现凝固、结晶和补缩的时间。保压时间的长短，主要取决于制件断面的最大壁厚， 一般取0.5~1Sec/mm。保压时间过短，即制件心部尚未完全凝固即卸压，会因制件内部得不到补缩而产生缩孔、缩松等缺陷；保压时间过长，增加了制件内应力，可能造成制件因凝固收缩而产生热裂，影响制件表面质量。

模具预热温度

液态模锻是将高温液态金属直接浇入模具中，凝固时放出的热量使模具型腔表面温度迅速升高，在模具模壁方向存在温度差而产生热应力，故模具在使用前要进行均匀预热，以减小温差，降低热应力。模具温度过高，容易发生制件粘模，使脱模困难；模具温度过低，则使制件质量难以得到保证，如产生冷隔和表面裂纹等缺陷。

冷却

液态模锻卸压后，一般应立即脱模，故制件的出模温度较高。为了防止高温的制件空冷时在薄壁与厚壁的交界处产生裂纹，应将出模后的制件立即用沙子或者土埋上，待冷却到 150℃以下时再取出空冷。

技术优缺点(1) 液态模锻可以消除制件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使制件组织致密。加之，在压力下结晶，还有明显的细化晶粒、加快凝固速度和使组织均匀化的作用。因而液锻件的机械性能一般要高于普通铸件，而接近甚至达到同种合金的锻件水平，同时它没有锻件中通常存在的各向异性。

(2) 液态金属在压力下成形和凝固，使制件和型腔壁贴合紧密。模具之间的气隙减小，使导热系数增加，凝固速度加快，有利于晶粒细化。且液锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平。所以，液态模锻已成为近净成形的一种重要方法。

(3) 液锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态下，有利于制件的补缩和防止制件裂纹的产生。因而，液态工艺的实用性较强，适用的合金不受铸造好坏的限制。它不仅适用于铸造性能好的合金，而且也适用于铸造性能不好的变形合金。既可用于铝、铜、镁、锌等有色合金，还可用于铁、钢等黑色金属，还用于镍、钴等高温合金，甚至可用于复合材料和铸石等方面。

(4) 液态模锻是在压力机或挤压铸造机上进行的。便于实现机械化、自动化、可大大减轻人的劳动强度，改善车间的生产环境。

(5) 由于凝固层产生塑性变形，要消耗一部分能量，因此金属液经受的等静压值不是固定不变的，而是随着凝固层的增厚下降。

(6) 液态模锻的固液区在压力的作用下，发生强制性的补缩。对于薄壁和复杂的零件，因为制件的冷凝速度快，有时来不及加压就凝固了，因而，此工艺的应用将受到限制。34

发展液锻技术的新发展有以下几个方面：

(1)发展半固态成形技术 半固态加工利用了金属从液态向固态或固态向液态过渡(即固液共存)时的特性，综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度低，比如铝合金，与凝固加工相比，加工温度可降低 120℃；变形抗力小；可一次加工成形状复杂且精度要求高的零件。半固态技术在欧美国家及日本发展很快。

(2)用液锻工艺生产复合材料 日本进行了铝—碳纤维、铝—不锈钢丝纤维等增强复合材料的液锻研究，英国进行了可选择性的纤维、盘形刹车测径器等液锻研究，还研究了为改善以 Al-A12 为金属母体成分铸造颗粒性能时液锻工艺的作用，国内也进行了马达连杆轴瓦双金属液锻工艺的研究等。

（3）液锻工艺的新发展是液态挤压 液态挤压是在液态模锻的基础上，结合热挤压变形的特点而发展起来的一种液态成形工艺，其成形过程为：将液态金属直接浇入挤压桶内，借助挤压冲头对未凝固液态或准凝固金属施以压力，使其在压力下发生流动、结晶和凝固。随后，挤压成形模口处的准凝固金属经受断面缩减的大塑性变形，一次成形出管、棒、型材类制品。挤压的主要特征是利用压力下结晶和热挤压减轻大变形原理，使制件性能改善，其组织为热挤压组织。

利用液态挤压工艺也可以直接制备金属基复合材料管、棒、型材类制件，由此突破了现有复合材料成形方法均需二次变形，即先成形出复合材料坯体，再经挤、轧等工艺制成管、棒型材的限制，可以减少成形工序，降低成本，有望成为成形高性能复合材料的管、棒、型材的一条新途径。

国外液态模锻技术已经进入大规模工业应用范围。但是，由于我国尚未开发出适合液态模锻工艺要求的专用或者通用液态模锻机械，在一定程度制约了该技术的发展，影响先进工艺技术的实施。因此，发展我国液态模锻产业的最关键问题是尽快开发和生产自己的高效、低价位模锻机系列，并针对具体工作进行工艺技术的开发和试生产。

随着科学技术的飞速发展，新的工艺、新的技术不断涌现，传统制造业正面临这严重的挑战。作为铸、锻结合的液态模锻技术，也要面对更多的技术要求和市场的激烈竞争，因此液态模锻技术也相应的要完善和继续发展。5