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1、液态模锻摘 要：介绍了液态模锻的概念、特点、分类、研究方法、应用以及国内外的发展状况；同时分别对铝、铜、镁合金的液态模锻成型过程的优缺点进行了分析介绍。关键词：液态模锻；工艺；应用及发展引 言液态模锻是一种介于铸造和模锻之间的金属成形工艺，是使注入模腔的金属在高压下凝固成型，然后施加机械静压力，利用金属铸造凝固成形时易流动和锻造技术使已凝固的封闭硬壳进行塑性变形，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，以获得无任何铸造缺陷的液锻件1。1液态模锻工艺原理、方法及特点1.1液态模锻工艺原理液态模锻是将一定量的熔融金属液体直接注入金属模膛，随后在机械静压力的作用下，使处于熔融和半熔融的
2、金属液体发生流动并凝固成形，且伴有小量塑性变形，从而获得毛坯或零件。液态模锻是针对铸造工艺中重力铸造，低压铸造，高压铸造等铸造方法易产生的铸造缺陷，如：疏松，缩孔，气泡等缺点，提出利用提高静压力对模具中的液态或半液态金属进行压力充型和压力下凝固之前，必须建立起工艺所要求的压力，用以避免由于被成形的金属从液态到固态时的体积收缩可能带来的缺陷，液态模锻工艺原理如图液态模锻工艺原理图1.2液态模锻方法1.2.1直接加压法（直接液态模锻）直接加压法液态模锻属于整体加压液态模锻成形方法，一般有两种形式。（1）平底冲头上直接加压。当金属液浇入凹模后，平底冲头与凹模形成封闭的型腔，并直接加载到金属液上，很快
3、建立起压力使锻件成形，如图所示：（2）异形冲头直接加压法。当金属液浇入凹模后，异形冲头与凹模形成封闭型腔在冲头的下行过程中先封闭型腔，并使金属液体流动充满型腔，使锻件成形，如图所示：1.2.2间接加压法。间接加压法属于局部加压法，是将金属浇入凹模或储液腔后，上模先闭合锁定形成整体型腔，然后通过上冲头挤入金属液，使金属反挤流动充满型腔，使之在压力下凝固成形，如图所示：1.2.3间接挤注法。间接挤注法是指将浇入到储液腔内的金属液，利用上柱塞或下柱塞，通过浇道挤入到封闭的型腔中获得所需的锻件，如图所示：1.3 液态模锻特点1）机械性能高。由于半凝固状态的金属液在充足的压力下凝固结晶, 组织致密，晶粒
4、细小, 故所得制件的机械性能可以接近或达到模锻件的水平。2）成形性高。液态金属液的流动性比固态时高,金属流动时不受任何阻力, 能均匀地填充模具型腔,故可生产形状复杂的薄壁零件。3）成品率高。液态模锻时, 加工温度比铸造时低得多, 制件在模内收缩小, 并又受三向压应力的影响,故不会形成气孔与显微疏松等缺陷。4）材料利用率高。与模锻相比,由于没毛边及实心孔所损耗的金属材料, 故材料利用率可达95%以上。若与压铸工艺相比,液态模锻工艺不需要设置浇口套、喷嘴、浇注系统等辅助消耗的金属材料(占制件的20%30%)。5）设备投资小。模锻工艺要采用热模锻压力机或摩擦压力机等投资较高的设备。压力铸造需要专门的
5、压铸机,设备投资昂贵,而液态模锻既可用专用油压机,也可用通用油压机,设备投资较小。这对于推广和应用液态模锻工艺是一个极为有利的因素。6）产品成本低。由于大大提高了产品的材料利用率,显著降低设备投资和模具费用,以及减少加热所消耗的热能,故产品成本比其他工艺降低。2 液态模锻的研究方法一般都选用正交试验的方法，首先选定一种成分的合金，在挤压过程中调整压力、浇注温度、模具预热温度等工艺参数，对液锻件结果分析后得到最佳的工艺参数。液态模锻的工艺参数主要包括比压、合金液浇注温度、模具预热温度、加压时间、保压时间等。1）比压。比压是指液锻时，液锻力作用在合金液上所形成的压强。对于结晶时体积收缩的合金，比如
6、铝合金，压力下结晶使其熔点升高，在结晶温度不变的条件下，相当于增加了过冷度。实际上，压力改变了形核条件，增加结晶核心一般只要工艺参数选择适当，用增加压力的方法比常压下用增加过冷度的方法更易获得细晶组织。增加压力对液锻件的性能提高会有很大的作用，但压力的提高往往受到设备的限制，且过高的压力也会使模具的寿命降低，增加了动力的消耗。合适的压力值与浇注温度、工件形状、尺寸、加压方式等因素有关，根据经验，浇注温度越高，所需的压力值也越大，目前尚无精确的计算公式，只能根据试验确定。2）模具预热温度。模具温度是充型前模具自身的温度。模具温度低，合金液的热量损失快，使温度迅速下降，流动性降低，充型困难，会导致
7、充不满、冷隔等铸造缺陷，在高温合金作用下，会产生较大的热应力，造成模具热疲劳损坏；模具温度高，合金液的热量不易散失，合金液充型时流动性好，利于充型，合金液易产生粘膜，造成脱模困难，降低模具使用寿命，再经液锻力的作用下，模具会产生变形以致压坏。压铸方式充型的液锻模，由于充型时有较大的压力和较高的充型速度，模具温度可尽量取低一些。3）浇注温度。浇注温度是指合金液在充型时的温度。浇铸温度高时合金液的流动性好，有利于充型，但温度过高会使液锻件内产生缩孔、缩松等铸造缺陷，并会导致脱模困难，使模具寿命降低；浇铸温度低，合金液的流动性差，充型困难。4）加压开始时间。加压开始时间是液态金属注人模膛至加压开始的
8、时间间隔。从理论上讲，液态金属注人模膛后，过热度丧失殆尽，到“零流动性温度”加压为宜。加压开始时间的选用主要与合金熔点和特性有关。5）保压时间。保压时间升压阶段一旦结束，便进人稳定加压，即保压阶段。从保压开始至结束(卸压)的时间间隔为保压时间。6）加压速度。加压速度指加压开始时液压机行程速度。加压速度过快，金属液易卷入气体和飞溅；过慢自由结壳太厚，降低加压效果。加压速度的大小主要与制件尺寸有关。3 液态模锻技术发展现状与应用液态模锻这种使液态金属在高压下充型和凝固的精确成形铸造技术，最近几年来在国内外稳步发展，表现在开发并投产的产品品种不断地增多，有向更高品质、更高性能和更多样化方向发展的趋势
9、；国外各大压铸机生产厂家，都投入了一定的精力改进并新开发了几种挤压铸造机；学术界和产业界密切配合，在液态模锻工艺、材料的组织与性能、模具工装、基础理论，以及在金属基复合材料、半固态加工技术等各方面进行了不少研究工作，并在实际生产中取得了可喜的成绩，使液态模锻己成为汽车、家电等行业高档有色金属铸件大批量生产的重要技术手段。关于液态模锻新产品的开发，各国均遵循如下方向：1）取代常规的压铸工艺，使其有更致密的组织，可固溶处理，并提高其力学性能；2）取代砂型、金属型铸造，使铸件内部组织更致密，表面轮廓更清晰，尺寸精度更高；3）取代锻造、热挤压等工艺，降低成本，简化工艺。3.1 液态模锻工艺应用领域在有
10、色金属方面：文献2中用铝合金液锻生产起动机连杆，使得成型工序减少，加工余量减少，且明显提高材料利用率和降低成本。文献3中采用液锻工序生产铝合金曲柄也获得了同样效果。相关文献报道铜合金液锻件品种也较多，如轴瓦、轴套零件、齿轮、套筒形零件、高压阀体、管接头等。在铸铁材料方面：铸铁在液态模锻压力下结晶，控制石墨化，可出现白口。压力下结晶会使共晶铸铁、过共晶铸铁获得亚共晶组织或共晶组织，同时促使石墨细化，并成为蠕虫状、球状析出，有类似于球化剂的作用。在钢制材料方面：钢的液锻，在压力下使铁-碳平衡图发生变化，液相线和固相线温度升高，相区缩小，Fe-Fe3C共析点向低温和碳含量降低方向移动，相区扩大，相区
11、缩小，压力下结晶可细化结晶组织，提高成分的均匀性，使金属夹杂细化并分布均匀4。在复合材料方面：液态模锻乃是复合材料铸件，尤其是短纤维型、粒子型金属基复合材料铸件有效的成形方法。为简化生产工艺，降低成本，以适应大批量生产条件，近十几年来，国内外大量研究液态模锻复合工艺，利用液态模锻液态金属在压力下充型和凝固的原理，增加液态金属对固态材料的各种空腔、间隙的充填性，并且与固态材料紧密接触，因而可以增加相互的咬合和机械夹紧作用。压力又可以提高液态金属对固态材料的浸润性，并能迅速升高固态材料的表面温度，进而增加其扩散结合的可能性。因此，液态模锻是一种较理想的复合铸锻工艺。3.2 液态模锻工艺国内外研究现
12、状日本在液态模锻技术发展方面，无论是产业规模、技术发展水平和应用上来说都是走在世界的前列。近年来日本开发生产的液态模锻新产品主要有：日本宇部公司等用VSC630挤压铸造机为日本日产汽车公司和马自达汽车公司生产了A356合金的重要受力件汽车转向节，用HVSC800机生产了质量为2.7kg的A356合金的下杠杆，以及要求精确成型并要求耐磨、耐压的汽车空调压缩机涡旋盘，用VSC1800挤压铸造机生产了特大型件汽车横梁等。欧美各国，由于其高品质压住设备和锻压设备比较强，过去对液态模锻的发展不太重视，但近年来有明显改变。大部分的压铸机生产厂家在普通卧式压铸机上推出的液态模锻新技术。例如瑞士布勒公司率先在
13、卧式压铸机上实现挤压铸造。其特点是通过低速充型、实时控制的方法，避免气体的卷入；用加大内浇道和控制模具温度等方法对液态金属实施挤压。与此同时瑞士布勒公司又开发新一代实时压射控制机构，能对速度和最终压力曲线进行编程，以适合压铸件的几何形状，进行实时控制好质量。目前影响我国液态模锻发展的最大因素仍然是，液态模锻设备性能满足不了液态模锻工艺的要求。由于我国尚未开发出适合液态模锻工艺要求的专用或通用挤压铸造机，在一定程度上制约了液态模锻技术的发展，影响先进工艺技术的实施。而现在国内工作的液态模锻设备中近80%的只是经改装的通用油压机，进口的先进设备只有十几台，因而在生产效率、产品档次有较大差距。另外，
14、挤压铸件的生产成本也明显高于压铸件。3.3 液态模锻工艺研究新动态从目前的发展趋势来看，液态模锻技术的发展，主要为以下几个方面：1）进行金属和金属、金属和非金属材料的液锻研究。增加压力可以提高液-固界面的浸润性或得到更为牢固的结合，这使得液锻有可能成为较为理想的生产复合材料的工艺方法。2）发展半固态成形技术。所谓半固态金属成形是指将液态金属冷却或固态金属加热到固-液相线之间的温度进行液锻的一种成形工艺。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
15、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。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，是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较大塑性变形，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，使铸件性能改善，其组织为热挤压组织。4）深入研究钢材液锻的适应范围及模具材料和结构，扩大钢件的液锻范围，充分利用材料，提高经济效益。5）在液锻过程中，应用数理统计方法和使用电子计算机
16、、振动和超声波等新技术。6）对工艺参数进行优化，以稳定获得高质量、再现性好的挤压铸件。3.4 液态模锻工艺制备合金发展概况1）Al合金液态模锻。随着轿车工业飞速发展，轿车轻量化是轿车制造厂商首选目标之一。目前汽车上铝合金零件主要有活塞、汽缸体、汽缸盖、连杆、连杆盖、离合器壳、车轮、油泵阀体等，而决定这一指标的关键是铝合金零件品质。铝合金压铸件占轿车铝合金零件60%以上5。液态模锻活塞克服了金属型铸造活塞内部缺陷，又克服了锻造活塞机加工量大，成本高，需要重型设备的缺点。液态模锻以低速、大流量平稳充型、瞬时增压的技术优势，弥补了上述工艺缺陷，并迅速被推广应用。铸铝合金是一种应用比较广泛的金属材料，包括Al-Si类合金，Al-Cu类合金，Al-Mg类合金，Al-Zn类合金等四种合金。二元Al-Si合金(ZL102)又称铝硅明，含硅
