高性能鋁合金結(jié)構(gòu)件液態(tài)模鍛技術(shù)研究

李 順，李宏偉，張 新，王長順，胡錦川，王思濤，杜之明，王 成

(1.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072；2.北京北方車輛集團(tuán)有限公司 工藝技術(shù)中心，北京 100072；3.中國人民解放軍駐北方車輛軍事代表室，北京 100072；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006)

高性能鋁合金結(jié)構(gòu)件液態(tài)模鍛技術(shù)研究

李 順1，李宏偉2，張 新2，王長順2，胡錦川3，王思濤2，杜之明4，王 成3

(1.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072；2.北京北方車輛集團(tuán)有限公司 工藝技術(shù)中心，北京 100072；3.中國人民解放軍駐北方車輛軍事代表室，北京 100072；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006)

介紹了液態(tài)模鍛成形技術(shù)的概念和特點(diǎn)；分析了國內(nèi)外液態(tài)模鍛成形技術(shù)和成形設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了鋁合金及其復(fù)合材料液態(tài)模鍛成形零部件的實(shí)例；指出了液態(tài)模鍛在成形技術(shù)方面存在的難點(diǎn)，提出了相應(yīng)的解決方案；對液態(tài)模鍛成形技術(shù)和成形設(shè)備的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

液態(tài)模鍛；鋁合金；研究進(jìn)展

隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)和武器裝備制造業(yè)向現(xiàn)代化、高速化方向發(fā)展，產(chǎn)品輕量化要求日趨強(qiáng)烈, 特別是輕量化程度要求高的飛機(jī)、航天器、高速列車、汽車、艦艇、火炮和坦克等裝備的重要受力部件和結(jié)構(gòu)件, 需要大量使用鋁及鋁合金鍛件和模鍛件來替代原來的鋼結(jié)構(gòu)件[1]。例如，飛機(jī)的所有結(jié)構(gòu)件，汽車(特別是重型汽車和大中型客車) 的輪轂、保險杠、底座大梁，坦克的負(fù)重輪和炮臺機(jī)架，直升機(jī)的動環(huán)和不動環(huán)，火車的氣缸和活塞裙都已應(yīng)用鋁合金模鍛件來制造。而傳統(tǒng)的模鍛技術(shù)已不能完全滿足這些鋁合金關(guān)重零部件的制造需求和使用性能，正是這種需求使得液態(tài)模鍛和半固態(tài)模鍛成形技術(shù)的研究受到廣泛的關(guān)注[2-4]。

液態(tài)模鍛成形工藝是建立在壓力下金屬凝固原理基礎(chǔ)上，將一定量的熔融金屬直接澆入金屬模腔，隨后在壓力的作用下，使熔融或半熔融的金屬液發(fā)生流動并凝固成形，從而獲得具有近凈形狀的固態(tài)零件。其優(yōu)點(diǎn)是省力、節(jié)能、材料利用率高和工序簡單，制件接近零件的最終尺寸，性能接近熱模鍛件。液態(tài)模鍛雖然具有上述優(yōu)點(diǎn)，但都是以凝固為主，輔以少量塑性變形的成形技術(shù)，在成形過程中存在合金凝固過程，是由于制件形狀、合金成分、應(yīng)力狀態(tài)的影響總是存在著不均勻的應(yīng)變場。當(dāng)金屬在凝固的末期(脆性溫度區(qū))，延展性或塑性不足以承受當(dāng)時應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變量時，會發(fā)生沿晶斷裂，即熱裂紋，這是凝固成形形成裂紋缺陷的一般規(guī)律；因此，對鋁合金液-固態(tài)模鍛過程組織性能不均勻性的研究具有特別重要的意義，其理論研究成果對鋁合金液-固態(tài)模鍛成形技術(shù)具有重要的應(yīng)用意義[5]。另外，研究液-固態(tài)模鍛成形的凝固過程和控制方法，對于實(shí)現(xiàn)液-固態(tài)模鍛制件組織性能均勻化的精確控制有重要指導(dǎo)意義，可以為輕質(zhì)合金制件采用近凈成形技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)[6]。

1 液態(tài)模鍛成形技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 工藝流程

液態(tài)模鍛是一種少無切削加工技術(shù)。其工藝流程如圖1所示，可分為金屬熔化和模具準(zhǔn)備、澆注、合模和施壓、卸模和頂出制件。

圖1 液態(tài)模鍛工藝流程圖

1.2 研究進(jìn)展

1.2.1 液態(tài)模鍛成形技術(shù)研究進(jìn)展

液態(tài)模鍛是一種借鑒壓力鑄造和熱模鍛工藝而發(fā)展起來的金屬加工技術(shù)。1937年，前蘇聯(lián) A.B.烏里托夫斯基就曾全面探討過液態(tài)模鍛技術(shù)[7]。初期，液態(tài)模鍛的研究主要集中在銅合金上，第二次世界大戰(zhàn)期間，采用該工藝成功地進(jìn)行了銅合金軸承套的大批量生產(chǎn)[8]，這標(biāo)志著液態(tài)模鍛技術(shù)開始從試驗(yàn)階段向工業(yè)化應(yīng)用階段轉(zhuǎn)移。到1964年，前蘇聯(lián)采用該工藝生產(chǎn)的廠家已有150家，約200多種產(chǎn)品，并以B.M.普倆茨基發(fā)表的專著《液態(tài)金屬模鍛》[9]為標(biāo)志，使這項(xiàng)技術(shù)在生產(chǎn)中得到確立。20世紀(jì)80年代，液態(tài)模鍛技術(shù)在日本、美國、英國、前西德、波蘭、法國、比利時、意大利和巴西等國家得到較快發(fā)展，用于鋁合金、銅合金、鑄鐵和碳鋼等金屬制品生產(chǎn)。其產(chǎn)品實(shí)例有愛國者導(dǎo)彈前倉蓋、殼體預(yù)制坯、齒輪、活塞、軸瓦、形狀復(fù)雜的管接頭、銅合金襯套、摩托車減震器、閥門、自行車零件和家用電器零件等。目前，有色金屬液態(tài)模鍛技術(shù)早已應(yīng)用于生產(chǎn)并獲得成功；黑色金屬液態(tài)模鍛技術(shù)盡管難度和深度較大，發(fā)展緩慢，但也正在逐步進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段[10]。

液態(tài)模鍛復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用如下：美國把液態(tài)模鍛復(fù)合材料技術(shù)用于F15戰(zhàn)斗機(jī)，戰(zhàn)機(jī)質(zhì)量減輕20%；美國還耗資1 500萬美元，研制了連續(xù)碳化纖維增強(qiáng)6061.2124鋁合金，分別用于戰(zhàn)斗機(jī)的垂直尾翼和翼根，其翼展為3 810 mm,翼根長1 026 mm；原蘇聯(lián)也把液態(tài)模鍛復(fù)合材料用于安-28、安-27飛機(jī)上。

液態(tài)模鍛復(fù)合材料在航天工業(yè)中的應(yīng)用如下：美國DWA公司應(yīng)用石墨纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為NASA和Lockheed公司制造衛(wèi)星上的波導(dǎo)管，其波導(dǎo)管不但軸向剛度好，而且比原有石墨/環(huán)氧-鋁層復(fù)合制造的波導(dǎo)管輕30%；航天飛機(jī)析架、衛(wèi)星拋物面天線骨架等也采用了液態(tài)模鍛復(fù)合材料。

液態(tài)模鍛復(fù)合材料在兵器工業(yè)中的應(yīng)用如下：美國ARCO公司開發(fā)的SXA材料，代替了ALS14410材料制造裝甲車履板，減輕了裝甲車質(zhì)量，提高了壽命，該材料也用于導(dǎo)彈導(dǎo)航系統(tǒng)中儀表外殼，戰(zhàn)術(shù)坦克上的光學(xué)紅外瞄準(zhǔn)鏡部件；美國LTU公司應(yīng)用SiC/ Al復(fù)合材料制造了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體、航板；美國海軍利用SiC/AI復(fù)合材料制造魚雷和水雷外殼等；美國1969年研制的M60A2主戰(zhàn)坦克在比1960年研制的M60坦克增大火炮口徑(從102 mm增大到152 mm)的情況下，通過在彈藥架、炮塔座圈、負(fù)重輪、拖帶輪和油箱等制件上采用鋁合金，使得M60A2車質(zhì)量較M60車質(zhì)量亦有減輕(從44 t減至46.3 t)；1967年裝備的M551輕型偵察坦克由于廣泛采用鋁合金制件，如車體、負(fù)重輪等，車質(zhì)量僅有16 t，該戰(zhàn)車機(jī)動性較高，能空投、空運(yùn)、水陸兩用；裝備的XM-723步兵戰(zhàn)車采用5083鋁合金、7093鋁合金裝甲和負(fù)重輪等制件，全車質(zhì)量僅19.5 t，便于用火車、飛機(jī)和其它交通工具裝運(yùn)；20世紀(jì)80、90年代，世界各軍事大國在裝甲車研制中均大量采用鋁合金及鋁合金復(fù)合材料，如俄羅斯的T-72、БМ∏-3步兵戰(zhàn)車、德國的TH495步兵戰(zhàn)車、美國的AIFV裝甲步兵車、法國的“凱撒炮”155自行火炮、意大利“達(dá)爾多”步兵戰(zhàn)車等。

我國液態(tài)模鍛技術(shù)從1957年起開始研究，20世紀(jì)80年代后期，該技術(shù)逐步發(fā)展并陸續(xù)用于生產(chǎn)。在液態(tài)模鍛產(chǎn)品方面主要是用于汽車、摩托車等車輛的零部件，如汽車活塞、空調(diào)機(jī)閥體、法蘭盤、搖盤、空心傳動軸等[11-13]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的鋁合金負(fù)重輪、螺旋槳具有代表性意義[14]；此外還用于高壓鍋、拉絲機(jī)收線盤、法蘭、電動機(jī)端蓋、迫擊炮下體和機(jī)槍槍管支架等。

國內(nèi)利用纖維復(fù)合材料制造不同性能要求的零件也有報道，例如，雙金屬、纖維強(qiáng)化性活塞和纖維復(fù)合材料模具等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)杜之明在與北京北方車輛集團(tuán)有限公司研究人員合作研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了鋁合金液態(tài)模鍛成形技術(shù)以及鋁基復(fù)合材料成形技術(shù)[15-18]，并由杜之明首次提出了半固態(tài)-塑性變形一體化模鍛的技術(shù)[19]，采取理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的技術(shù)路線，在液態(tài)模鍛成形技術(shù)研究方面取得了一定經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了一系列的液態(tài)模鍛成形工藝，制備了一大批鋁合金及鋁基復(fù)合材料負(fù)重輪和鋁基復(fù)合材料履帶板等零部件[20]，實(shí)現(xiàn)了車輛的減輕質(zhì)量和節(jié)能降耗。

1.2.2 液態(tài)模鍛成形設(shè)備研究進(jìn)展

在液態(tài)模鍛技術(shù)發(fā)展方面，日本的產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)發(fā)展水平和應(yīng)用上都處于世界前列。在20世紀(jì)80年代，日本宇部公司成功開發(fā)了HVSC和VSC系列液態(tài)模鍛機(jī)，使液態(tài)模鍛技術(shù)在日本得到迅速發(fā)展。該公司的液態(tài)模鍛機(jī)的液態(tài)模鍛過程可由計算機(jī)編程，并顯示精確控制和重要工藝參數(shù)，確保生產(chǎn)過程全自動進(jìn)行[21]。截至目前，日本宇部公司已銷售液態(tài)模鍛機(jī)307臺，設(shè)備最大合模力達(dá)35 000 kN。日本豐田公司的輪轂生產(chǎn)廠擁有14臺VSC系列液態(tài)模鍛設(shè)備，已形成年產(chǎn)400萬只高檔汽車鋁輪和120萬只復(fù)合材料活塞的生產(chǎn)能力，并已在23種車輛上得到使用。近年來，日本的液態(tài)模鍛新產(chǎn)品主要有用于日本日產(chǎn)汽車和馬自達(dá)汽車的A356合金承力件—汽車轉(zhuǎn)向節(jié)、下杠桿，以及要求精確成形并要求耐磨、耐壓的汽車空調(diào)壓縮機(jī)鋁渦旋盤等[22]。

歐美各國由于壓鑄和熱模鍛技術(shù)比較強(qiáng)，過去對液態(tài)模鍛技術(shù)不夠重視，但近年來有明顯改變。大部分的壓鑄機(jī)生產(chǎn)廠家在普通臥式壓鑄機(jī)上推出液態(tài)模鍛新技術(shù)，例如瑞士布勒公司率先在臥式壓鑄機(jī)上實(shí)現(xiàn)液態(tài)模鍛[23]。該公司還開發(fā)了新一代實(shí)時壓射控制機(jī)構(gòu)，能對速度和最終壓力曲線進(jìn)行編程，以適合壓鑄零件的幾何形狀，實(shí)時控制質(zhì)量。布勒公司壓鑄機(jī)設(shè)備開發(fā)出的液態(tài)模鍛產(chǎn)品有滑輪、皮帶輪、發(fā)動機(jī)支架、托架、連桿和雪車離合器等。荷蘭Prince Machine公司、法國JL公司以及美國Grandville和Michigan公司聯(lián)合開發(fā)的滿料筒液態(tài)模鍛技術(shù)，也是在普通臥式壓鑄機(jī)上實(shí)現(xiàn)液態(tài)模鍛過程。其工藝過程分為3個步驟：首先是向壓射料筒內(nèi)100%充滿金屬液；然后緩慢地把金屬液平穩(wěn)地壓入鑄型型腔；最后讓金屬液在高壓力下凝固[24]。在產(chǎn)品生產(chǎn)上，為福特汽車公司開發(fā)生產(chǎn)了質(zhì)量為10 kg的A380鋁合金的下曲軸箱，為通用汽車公司生產(chǎn)了質(zhì)量為7 kg的A356-T6鋁合金的后上控制桿。

中國液態(tài)模鍛技術(shù)理論水平及所開發(fā)產(chǎn)品等方面，與一些先進(jìn)國家是相當(dāng)?shù)?；但液態(tài)模鍛的生產(chǎn)批量、制件質(zhì)量檔次還有相當(dāng)?shù)牟罹?，其中最關(guān)鍵的是液態(tài)模鍛設(shè)備的差距[25]。在國內(nèi)工作的100多臺液態(tài)模鍛設(shè)備中，約80%是經(jīng)改裝的普通液壓機(jī)，進(jìn)口的先進(jìn)設(shè)備只有十幾臺，因而在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品檔次和生產(chǎn)成本等方面有較大差距。使用普通液壓機(jī)，設(shè)備不穩(wěn)定性對制件質(zhì)量影響較大。由于液態(tài)模鍛模具長期處在較高溫度下工作，會造成液壓機(jī)機(jī)油溫度升高，黏度降低，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備油路系統(tǒng)內(nèi)漏。操作者僅憑經(jīng)驗(yàn)來控制某些參數(shù)，很難保證制件質(zhì)量的一致性，最終導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸超差，甚至造成成批不合格[26]。另外，國內(nèi)沒有定量澆注設(shè)備的廠家，國外設(shè)備較昂貴，也是制約國內(nèi)液態(tài)模鍛技術(shù)發(fā)展的因素之一。

近幾年，國內(nèi)有少數(shù)企業(yè)開始生產(chǎn)出小型液態(tài)模鍛機(jī)，如佛山市順德區(qū)華人機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的Y28立式液態(tài)模鍛機(jī)，合模力可達(dá)1 500 kN，能生產(chǎn)銅套和鋁套。我國臺灣地區(qū)在液態(tài)模鍛機(jī)研究上有一些進(jìn)展，據(jù)相關(guān)報道，臺灣久大油壓鑄機(jī)公司在2000年就開發(fā)出了自動化液態(tài)模鍛機(jī)，可滿足汽機(jī)車、自行車產(chǎn)業(yè)零件輕量化生產(chǎn)的要求，最大合模力達(dá)到了1 600 kN。目前，在大陸尚無專用大型液態(tài)模鍛機(jī)開發(fā)成功的相關(guān)報道。

2 液態(tài)模鍛成形技術(shù)難點(diǎn)及其解決方法

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

液態(tài)模鍛成形技術(shù)難點(diǎn)如下。

1)大型復(fù)雜零件的組織性能不均勻。用輕質(zhì)合金替代原有鋼質(zhì)材料制造形狀復(fù)雜的關(guān)重件，采用壓鑄不能滿足性能要求，采用固態(tài)鍛造也難以成形。液態(tài)模鍛是成形這類零件最有前途的方法，但有可能因?yàn)橹萍鞑糠质翰痪鶆驅(qū)е孪鄳?yīng)的組織性能不均勻問題。在合金凝固過程中，由于制件形狀、合金成分和應(yīng)力狀態(tài)的影響還存在著不均勻的應(yīng)變場，其在凝固的末期(脆性溫度區(qū))，當(dāng)延展性或塑性不足以承受應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變量時，會發(fā)生沿晶斷裂，即熱裂紋。此外，在成形過程中，由于始鍛時有一定金屬與模壁接觸形成固相，施加載荷后成形制件各部分的應(yīng)變不均勻，產(chǎn)生微裂紋的可能性進(jìn)一步提高。

2)鋁基復(fù)合材料的耐磨增強(qiáng)。特殊性能要求的零件，對復(fù)合材料的制備提出了更高的要求。例如，鋁合金履帶板需要具有高強(qiáng)度，還需要具有一定的韌度和耐磨損性能。高體分率增強(qiáng)能滿足其耐磨損性能，但延伸率低；低體分率增強(qiáng)則不能滿足其耐磨損性能。

3)尺寸精度和表面質(zhì)量控制。模具表面粗糙度、模具溫度、涂料、澆注溫度和澆注質(zhì)量等對制件尺寸精度和表面質(zhì)量有著重要影響。筆者認(rèn)為目前金屬液的熔煉質(zhì)量和澆注質(zhì)量是最主要的影響因素。大型零部件液態(tài)模鍛成形過程的液態(tài)金屬的澆注遠(yuǎn)不如壓鑄成形。熔融金屬從熔煉爐取出到成形模膛，液面上會立刻形成氧化層，嚴(yán)重影響制件表面質(zhì)量，人工澆注液態(tài)金屬的質(zhì)量不佳使制件的尺寸誤差較大。

2.2 解決技術(shù)方法

2.2.1 液態(tài)模鍛成形過程組織性能的均勻性控制技術(shù)

杜之明[27]在已開展的汽車鋁合金活塞、特種車輛履帶板、鋁合金輪轂?zāi)M件和筒形件等液態(tài)模鍛研究工作中發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)單向加載進(jìn)行的成形過程中，由于制件各部分壁厚、應(yīng)力狀態(tài)不同，各區(qū)域的性能存在差異。

以筒形件為例，如圖2所示，圖中左側(cè)為常規(guī)單向加載的液態(tài)模鍛成形方式，由于直壁厚度大于底部厚度，加載后底部最先完成凝固，繼續(xù)加載，底部幾乎承載了全部載荷而進(jìn)行塑性變形狀態(tài)，限制和減緩了沖頭的繼續(xù)下行；而此時直壁部分可能尚未完全凝固。直壁和底部存在較大的不均勻凝固，從而在直壁與底部轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變，易產(chǎn)生微裂紋。

常規(guī)單向加載條件下鋁合金液態(tài)模鍛制件在制件直壁和底部轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)微裂紋(見圖3)，微裂紋可以通過超聲波、渦流等進(jìn)行無損檢測和射線法、透射電鏡進(jìn)一步進(jìn)行觀察。觀察到內(nèi)部裂紋擴(kuò)展成外部宏觀裂紋，如圖4所示。

程遠(yuǎn)勝等[28]通過復(fù)合加載方式，即在最后凝固區(qū)域或易產(chǎn)生宏觀缺陷的區(qū)域施加局部載荷和金屬補(bǔ)縮，改善了凝固成形的應(yīng)力場獲得組織性能均勻的制件(見圖5)，取得了一些成果，但是對局部加載和局部補(bǔ)縮對制件凝固均勻性和性能均勻性的影響還沒得出數(shù)量的關(guān)系，需要進(jìn)一步深入研究。

圖2 液態(tài)模鍛示意圖

圖3 鋁輪轂液態(tài)模鍛制件裂紋缺陷 圖4 常規(guī)單向加載條件下鋁輪轂液態(tài)模鍛制件

圖5 復(fù)合加載下鋁輪轂液態(tài)模鍛制件

2.2.2 鋁基復(fù)合材料耐磨增強(qiáng)增潤技術(shù)

鋁合金履帶板需要具有高強(qiáng)度，還需要具有一定的韌性和耐磨損性能，高體分率增強(qiáng)能夠滿足其耐磨損性能，但延伸率低。例如，采用SiCp·Al2O3混雜增強(qiáng)制備鋁合金復(fù)合材料，體分率>20%時，其耐磨損性能超過對磨材料GCr15，但延伸率δ≤3%。此問題的解決途徑是：1)尋求能夠降低鋁基復(fù)合材料摩擦系數(shù)的增強(qiáng)材料和制備工藝，提高低體分率增強(qiáng)復(fù)合材料的耐磨損性能，從而同時滿足強(qiáng)度和韌性的要求；2)在增強(qiáng)材料上涂覆增潤材料，因?yàn)橐话沅X基復(fù)合材料的摩擦因數(shù)為0.6～0.8，若使其降低0.2～0.3，可以解決該難點(diǎn)[29]。

實(shí)踐表明，增強(qiáng)體涂覆是增強(qiáng)體表面改性比較成功的技術(shù)手段之一。涂層除對增強(qiáng)體具有一定的保護(hù)作用外，對提高增強(qiáng)體與基體的潤濕性和控制界面反應(yīng)的發(fā)生也起著積極的作用。采用增強(qiáng)體增潤涂覆后，在相同體積分?jǐn)?shù)增強(qiáng)時，可提高材料的韌性，這樣就可解決高體分率增強(qiáng)時，延伸率低的技術(shù)難點(diǎn)。

2.2.3 液態(tài)模鍛成形制件尺寸精度和表面質(zhì)量控制技術(shù)

影響液態(tài)模鍛成形制件尺寸精度和表面質(zhì)量的因素主要有3個：1)模具成形型腔的表面粗糙度，型腔表面越光滑，制件表面質(zhì)量越好，尺寸精度高；2)模具表面涂料，涂料隔熱和脫模有2種功能，但涂料過厚或者不均勻，就會影響表面質(zhì)量和尺寸精度；3)前面已介紹的澆注液態(tài)金屬的氧化和質(zhì)量控制水平。隨著模具加工業(yè)和涂料工業(yè)的發(fā)展，前2個因素已不是技術(shù)難點(diǎn)；因此，液態(tài)模鍛成形制件尺寸精度和表面質(zhì)量控制主要在于合金液的熔煉質(zhì)量和澆注質(zhì)量多少的精確控制，亦就是定量澆注設(shè)備的研制。

目前，國內(nèi)還沒有專門生產(chǎn)液態(tài)模鍛澆注設(shè)備的企業(yè)?，F(xiàn)有的定量澆注設(shè)備都是用于壓鑄，一次澆注的合金量較小，澆注方法主要有2種：一是容積法，采用螺桿泵或機(jī)械勺定量澆注，如重慶碩龍科技有限公司使用螺桿泵和高溫澆注管定量澆注；二是電磁泵流量控制法，如北京北方恒利公司和中北大學(xué)的[30-31]。上述2種方法均不能用于大質(zhì)量液態(tài)模鍛定量澆注。容積法的螺桿泵推進(jìn)注射量較小，只能用于壓鑄工藝；機(jī)械勺不便于運(yùn)輸，環(huán)境差。經(jīng)實(shí)踐證明，電磁泵流量控制法沒有充分考慮液態(tài)金屬在黏性流動過程中的凝固損失，難以實(shí)現(xiàn)定量的精確控制。

為實(shí)現(xiàn)定量澆注精確控制，有研究者提出采用質(zhì)量法定量澆注控制，即通過澆包的裝入合金的質(zhì)量信號來控制一次合金澆注量。筆者對國內(nèi)外定量澆注設(shè)備進(jìn)行了深入的調(diào)研，提出了技術(shù)原理，并給出設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖(見圖6)。

圖6 定量澆注原理圖

3 結(jié)語

隨著科技的飛速發(fā)展，新工藝、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的制造業(yè)正面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。展望鑄、鍛結(jié)合的先進(jìn)的液態(tài)模鍛技術(shù)，也要面對更多的技術(shù)要求和激烈的市場競爭，需要繼續(xù)完善和發(fā)展。

1)目前，國內(nèi)外學(xué)者對液壓模鍛技術(shù)的力學(xué)成形理論、模具熱應(yīng)力分析、強(qiáng)韌化材料機(jī)理、液鍛凝固速度的測試及液態(tài)模鍛縮孔的計算機(jī)模擬研究做了理論創(chuàng)新和研究，取得了一定的成效，也進(jìn)一步完善了液態(tài)模鍛理論體系[32]。

2)由于操作簡單、實(shí)用，液態(tài)模鍛技術(shù)成為制備鋁基復(fù)合材料最常用的方法之一。采用液態(tài)浸滲方法用于制備鋁基復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)材料制備與零件成形一體化工藝，增強(qiáng)材料可以選用陶瓷顆粒、晶須、纖維增強(qiáng)和混雜增強(qiáng)。

3)液態(tài)模鍛技術(shù)應(yīng)用主要集中在鋁鎂合金、高溫合金和復(fù)合材料的成形，隨著模具材料的發(fā)展，也在向黑色金屬成形方面發(fā)展。如近期從國外進(jìn)口的離心機(jī)鋼質(zhì)轉(zhuǎn)轂就是采用液態(tài)模鍛生產(chǎn)的，零件直徑為260～780 mm，若采用熱模鍛生產(chǎn)全系列產(chǎn)品，鍛造設(shè)備最大壓力需要100 000 kN，而采用液態(tài)模鍛，鍛造設(shè)備最大壓力只需30 000 kN。

4)液態(tài)模鍛技術(shù)有助于節(jié)能降耗，將獲得更多應(yīng)用。液態(tài)模鍛與鑄造相比，不用設(shè)置澆冒口或余塊，金屬液利用率>90%，使制件性能大幅度提高。與鍛造相比，可以制造形狀復(fù)雜的制件，并實(shí)現(xiàn)毛坯精化，減少后續(xù)加工量，節(jié)省了材料，特別是有色合金材料，可節(jié)省50%～70%。液態(tài)模鍛是液態(tài)金屬充填，所需變形壓力小，是熱模鍛成形壓力的1/5～1/3，可以利用小設(shè)備實(shí)現(xiàn)大制件。

5)液態(tài)模鍛設(shè)備研究遠(yuǎn)不如壓鑄機(jī)，主要是利用普通油壓機(jī)輔以人工操作，效率較低。近10年發(fā)展速度較快，實(shí)現(xiàn)了從模具清理、噴涂、施壓到取件全自動化，其中以日本的宇部公司的立式和臥式2種系列液態(tài)模鍛機(jī)最為成功。

6)需要提高大型復(fù)雜制件性能和實(shí)現(xiàn)精確控制。液態(tài)模鍛是以凝固為主輔以少量的塑性變形的成形技術(shù)，金屬在凝固過程中的均勻性、成形載荷分布對制件性能的影響較大，需進(jìn)一步深入研究。

[1] 劉靜安．鋁合金鍛壓生產(chǎn)現(xiàn)狀及鍛件應(yīng)用前景分析[J]．鋁加工,2005,161：5-9.

[2] 洪慎章，曾振鵬.鋁合金零件半固態(tài)模鍛的應(yīng)用及發(fā)展[J]．鍛壓技術(shù)，2004(4)：5-7.

[3] 劉勁松，王惠敏．半固態(tài)模鍛及其工業(yè)應(yīng)用前景展望[J].模具制造，2004(3)：47-49.

[4] Park H N，Govender G，Ivanchev L.Opportunities and challenges for use of SSM foeming in the aeroapace industry[J].Solid State Phenomena,2006,116-117: 92-95.

[5] 程遠(yuǎn)勝, 韓杰才, 杜之明，等.40Cu-W合金偽半固態(tài)觸變模鍛成形研究[J].特種鑄造及有色合金,2009,29(12):1115-1117.

[6] 杜之明,姜巨福,程遠(yuǎn)勝，等.復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋁合金空心閥體液-固成形技術(shù)的研究[J].材料工程,2009(S1): 209-214.

[7] Robert M.Aikin J，Gautham R.Properties of A356 squeeze and A357 semi-solid castings[J].Die Casting Engineer,1999(6): 44-45.

[8] 洪慎章. 液態(tài)模鍛工藝的應(yīng)用及模具材料[J]. 模具技術(shù),1998(4):40-44.

[9] 張錦升.液鍛興起與進(jìn)展[R].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)科研報告，1984.

[10] Yin F, Wang G X, Hong S Z,et al.Technological Study of liquid die forging for the aluminum alloy connecting rod of an air compressor[J].Journal of Materials Processing Technology，2003,139: 462-464.

[11] 胡茂良,趙密,吉澤升，等.汽車空調(diào)器搖盤液態(tài)模鍛模具設(shè)計及工藝研究[J].特種鑄造及有色合金,2005,25(3):155-157.

[12] 費(fèi)良軍,吳岳壹.鋁合金汽車汽缸體局部增壓鑄造技術(shù)研究[J].特種鑄造及有色合金,2010,30(2):144-146.

[13] 羅繼相,邵龍.摩托車鉗體液態(tài)模鍛技術(shù)[J].鑄造技術(shù),2010,31(5):620-624.

[14]韓飛,王衛(wèi)衛(wèi),房文斌，等.鋁合金螺旋槳液態(tài)模鍛模具設(shè)計[J].模具工藝,2005(1):44-46.

[15] Xu H, Zhang X, Li H W,et al.Hot deformation behavior of squeeze casting SiCp/2A50 matrix composites[J].Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition,2012(3):423-427.

[16] 張新，陳利華，王長順，等.熱擠壓對7055鋁合金力學(xué)性能及組織的影響[J]. 特種鑄造及有色合金，2009, 29(12)：1099-1101.

[17] 王長順，李宏偉，陳利華，等.特種車輛新型高強(qiáng)韌鋁合金負(fù)重輪液態(tài)模鍛工藝成型研究[J].新技術(shù)新工藝，2013(7)：88-90.

[18] 陳利華，畢泗元，王延龍，等.2Al4鋁合金等溫模鍛成型技術(shù)[J].新技術(shù)新工藝，2013(6)：30-32.

[19] Du Z M,Chen G,Han F,et al.Homogenization on microstructure and mechanical properties of 2A50 aluminum alloy prepared by liquid forging[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2011,21(11):2384-2390.

[20] 程遠(yuǎn)勝，張艷英，杜之明.局部增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料液態(tài)模鍛一體化成形技術(shù)[J].特種鑄造及有色合金，2010, 30(3):231-233.

[21] 鄧建新,邵明,游東東.液態(tài)模鍛設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展分析[J].鑄造.2008(8):643-646.

[22] 齊丕驤.國內(nèi)外液態(tài)模鍛技術(shù)發(fā)展概況[J].特種鑄造及有色合金,2002(2):20-22.

[23] Jahrgang.Aluminium squeeze casting for rear suspension system of isuzu trucks[J]. Aluminum Castings.1998(9):666-668.

[24] Research on prediction of the processing parameters of liquid extrusion by BP network[J].Journal of Material Processing Technology,1999,95:232-237.

[25] 齊丕驤.液態(tài)模鍛生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)展[J].鑄造技術(shù)，2007(S):13-17.

[26] 羅繼相,趙利華,謝少慶，等.液態(tài)模鍛實(shí)用技術(shù)研究[J].特種鑄造及有色合金,2005,25(3):150-152.

[27] 杜之明.Al2O3sf·SiCp/Al 復(fù)合材料半固態(tài)模鍛與制備及其熱擠壓成形[D].哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003.

[28] 程遠(yuǎn)勝,張艷英,杜之明，等.局部增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料液態(tài)模鍛一體化成形技術(shù)[J].特種鑄造及有色合金,2010，3(30):231-234.

[29] 程遠(yuǎn)勝，羅守靖，二之明，等.37Al/Al2O3復(fù)合材料杯形件偽半固態(tài)觸變成形研究[J].特種鑄造及有色金屬，2007(7)：160-163.

[30] 徐宏，侯華，楊晶，等.鋁合金電磁低壓鑄造CAD/CAE技術(shù)[J].兵工學(xué)報，2006,27(3)：510-514.

[31] 徐宏，楊晶，黨驚知，等.電磁泵低壓鑄造充型壓力控制及過程模擬[J].鑄造技術(shù)，2005,26(7)：625-628.

[32] 陶海,趙曉舉,黃有成.液態(tài)模鍛的應(yīng)用和發(fā)展[J].四川有色金屬,2002(4):4-6.

責(zé)任編輯彭光宇

AdvancesofLiquidForgingTechnologyforFormingHigh-performanceAluminumParts

LI Shun1，LI Hongwei2，ZHANG Xin2，WANG Changshun2，HU Jinchuan3，WANG Sitao2，DU Zhiming4，WANG Cheng3

(1.Beijing North Vehicle Group Co., Ltd.，Beijing 100072，China；2.Technology Center，Beijing North Vehicle Group Co., Ltd.，Beijing 100072，China；3.People’s Liberation Army stationed in North Vehicle Military Representative Office，Beijing 100072，China；4.School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology，Harbin 150006，China)

The concept of technology, forming technical characteristics and application status of the liquid die forging were introduced in detail.The present situation of the development of liquid forging forming technology and forming equipment both here and abroad were presented in the paper.Examples of the aluminum and composite parts forming liquid forging parts were introduced, and the difficulty in forming liquid forging technology was pointed out, and also put forward the corresponding solutions. The trend of development for liquid forging technology trends shaping and forming equipment was discussed.

liquid forging, aluminum, progress

TG 316

：A

李順(1968-)，男，研究員級高級工程師，主要從事特種車輛制造、加工和安裝等方面的研究。

2014-11-24