淺談液態(tài)模鍛技術與應用

文／邢書明，鮑培瑋·北京交通大學機電學院

韓亮，高穎，楊景華，楊慶來·河北省安全工具產(chǎn)業(yè)技術研究院

液態(tài)模鍛是一種金屬零件綠色成形技術，是集鑄造的廣泛適用性和鍛造的高品質于一身，具有高效、綠色、短流程、高品質等一系列突出的優(yōu)勢，受到了零件成形領域的普遍關注。液態(tài)模鍛的技術原理堅實牢固，綜合了流變力學、凝固原理及材料熱處理等經(jīng)典學科；液態(tài)模鍛工藝方法靈活多樣，有直接液鍛、間接液鍛、多向分級液鍛。

液態(tài)模鍛應用范圍不斷擴大，零件材料已經(jīng)從早期的鋁合金，擴展到鎂合金、銅合金、結構鋼、不銹鋼、球墨鑄鐵及復合材料領域；零件形狀已經(jīng)從簡單的杯形件，擴展到輪盤蓋、叉架座以及箱體類零件，在汽車、航空航天、交通運輸、礦山冶金、化工等領域都有巨大的應用空間。本文簡單介紹了液態(tài)模鍛的概念、技術原理、工藝方法、主要裝備、技術現(xiàn)狀和發(fā)展應用前景。

什么是液態(tài)模鍛

液態(tài)模鍛是將熔煉合格的液態(tài)金屬直接注入高強度的壓室或模腔內，然后持續(xù)施以機械靜壓力，使熔融態(tài)金屬在壓力作用下充滿模腔、結晶凝固和高壓補縮，最終獲得內部致密、外觀光潔、尺寸精確零件的一種材料成形方法。例如，鑄鍋技術本質上就是一個簡易的液態(tài)模鍛工藝。

液態(tài)模鍛在鍛造領域屬于一種特種鍛造技術；在鑄造領域屬于一種特種鑄造技術，一般稱為擠壓鑄造。早期也有從日文翻譯為“熔湯鍛造”，英文名稱有squeeze casting(簡寫SC)和molten metal die forging(簡寫MMDF)兩種；也有一些文獻中直譯為liquid metal forging(簡寫LMF)。

廣泛適用性

液態(tài)模鍛可以像熱模鍛一樣，獲得內部致密、無缺陷的高性能零件。液態(tài)模鍛與傳統(tǒng)的固態(tài)熱模鍛相比，突出的優(yōu)勢是對材料、零件結構的廣泛適用性，被譽為是“萬能鍛造”技術。

液態(tài)模鍛材料廣泛。液鍛件在凝固過程中，各部位處于壓應力狀態(tài)，有利于材料的流動和防止裂紋，因而基本不受合金塑性成形性能限制，既可用于鑄造合金成形，也可用于變形合金；既可用于鋁、銅、鎂、鋅等有色合金，又可用于鋼、鐵等黑色金屬；既可用于鎳、鈷等高溫金屬，還可用于復合材料和鑄石等特殊材料成形。

液態(tài)模鍛件的結構、形狀和尺寸廣泛。液態(tài)模鍛件的壁厚范圍很大，小至數(shù)毫米，大至幾十毫米，都可以順利成形。壁厚懸殊的復雜件，通過合理設計工藝，同樣可以得到成形良好的產(chǎn)品?？梢赃M行杯形件、輪盤蓋類、叉架座以及箱體類各種零件的液態(tài)模鍛。

液態(tài)模鍛工藝流程短。他不需要坯料，而是利用外加機械壓力對熔融態(tài)的金屬進行壓力加工，省去了坯料的切割、加熱等工序，可以一次成形零件，生產(chǎn)效率顯著高于模鍛。

液態(tài)模鍛綠色環(huán)保。液鍛過程材料消耗少、可以回用廢料，不需要常規(guī)模鍛中的坯料加熱，沒有氧化燒損；可以將零件的孔、槽、臺等結構方便地成形，加工余量小、工藝余料少，材料利用率可以高達100%，還可以利用回收料進行成形制造；液態(tài)模鍛工藝裝備的噸位小，能源消耗少。

液態(tài)模鍛與傳統(tǒng)鑄造的異同

⑴液態(tài)模鍛可以像傳統(tǒng)鑄造技術那樣一步成形復雜零件，具有廣泛適用性。其與傳統(tǒng)砂型鑄造相比，具有工件品質優(yōu)、節(jié)約能源、材料消耗小、綠色度高等一系列優(yōu)點。

⑵液態(tài)模鍛對金屬液施加高達100MPa 的壓強實現(xiàn)流變補縮，比普通鑄造僅靠冒口的重力補縮更易獲得致密鍛造件，甚至在“無冒口”的條件下可獲得無縮孔和縮松缺陷，內部組織致密、均勻、晶粒細小的工件。

⑶液態(tài)模鍛的模具是導熱性優(yōu)異的金屬型。在高壓作用下液態(tài)金屬與金屬型壁緊密貼合，不僅使液態(tài)模鍛件有較高的表面光潔度和尺寸精度，加工余量小，還能消除“氣隙”現(xiàn)象，實現(xiàn)快速凝固。

⑷液態(tài)模鍛不用傳統(tǒng)的砂型，省去了繁雜的造型造芯、砂處理等工序，無粉塵污染和矽肺病危害、廢液排放和污染小，是一種無砂型、無冒口、高品質、低能耗的綠色制造技術。

⑸液態(tài)模鍛生產(chǎn)過程簡單，便于組織機械化、自動化、甚至智能化生產(chǎn)；屬于“綠色鍛造”技術。

液態(tài)模鍛與壓鑄技術的異同

液態(tài)模鍛和通常說的壓鑄是不同的，他們的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下五個方面：

⑴液態(tài)金屬的充型速度不同。壓鑄的充型速度高達每秒數(shù)十米，甚至每秒上百米，而液態(tài)模鍛的金屬熔體充型速度一般不足每秒一米。

⑵壓力水平不同。液態(tài)模鍛的壓力一般都在20 ～150MPa，而壓鑄的壓力一般只有50 ～80MPa。

⑶壓力的傳遞方式和傳遞距離不同。壓鑄的澆道是最先凝固的位置，保壓期間壓力無法充分作用到鑄件本體上；而液態(tài)模鍛的凝固順序是自遠端向澆道處凝固，整個保壓期間始終存在通向鑄件的補縮通道，實現(xiàn)高壓補縮。

⑷適用的工件不同。壓鑄主要用來成形薄壁復雜件，而液態(tài)模鍛主要用來生產(chǎn)較大壁厚的重要工件。

⑸產(chǎn)品質量特點不同。壓鑄產(chǎn)品的質量特點是表面光潔、尺寸精度高，而內部常存在氣孔，致密度較低，采用熱處理調節(jié)性能時常因氣孔膨脹導致裂紋。液態(tài)模鍛產(chǎn)品表面質量和尺寸精度與壓鑄相當，內部致密度高，可以通過熱處理來調節(jié)性能。

⑹液鍛件力學性能高。液態(tài)模鍛使液態(tài)金屬以小于500mm/s 的低速充型，避免了壓鑄那樣卷入大量氣體的問題，能用熱處理方法進一步提高其機械性能。所以可以說是用鑄造方法生產(chǎn)出“鍛件的性能”。

液態(tài)模鍛的工藝流程

從理論上講，液態(tài)模鍛是金屬凝固、塑性變形和流變力學交差融合的結果。其中高壓凝固、金屬型快冷、金屬液強制流動和塑性變形都具有細化組織、提高性能的作用；靈活多樣的高壓作用下的補縮可以極大延長有效補縮距離，實現(xiàn)無冒口補縮，得到致密鍛件。

如圖1 所示，液態(tài)模鍛的工藝流程包括熔煉、澆注、加壓、保壓和脫模四個基本工序。其中熔煉工序與常規(guī)鑄造相同。澆注工序的任務是將熔煉合格的金屬熔體澆入模腔或壓室的操作過程，可以是人工澆注或機械手澆注；可以是重力下澆注或非重力下澆注。加壓工序是利用液態(tài)模鍛機對金屬熔體施加一個機械壓力的操作，加壓方式分為直接加壓和間接加壓兩種：壓力直接作用在模腔內的金屬熔體上，稱此為直接加壓；壓力首先作用在工件模腔以外壓室內的金屬熔體上，然后通過壓力傳遞，作用在模腔內金屬熔體上，稱為間接加壓。保壓工序是在金屬熔體充滿模腔后，仍然持續(xù)作用一個外加壓力直至金屬熔體全部凝固為止。脫模工序是液態(tài)模鍛工藝的最后環(huán)節(jié)，其任務是將成形了的工件從模腔內順利取出。

圖1 液態(tài)模鍛的一般工藝流程

液態(tài)模鍛有哪些具體的工藝方法

根據(jù)液態(tài)模鍛的加壓方式，可以分為直接液鍛、間接液鍛和復雜液鍛三大類，如圖2 所示。各種工藝有其特點和適用范圍。

圖2 液態(tài)模鍛的工藝分類

直接液鍛

直接液鍛是指液鍛力直接作用在工件上的液鍛方式，主要用于形狀簡單、需要加工的重要結構件，如杯形件、輪盤蓋類結構件。它的加壓方向可以是單向加壓，也可以是多向加壓。直接液鍛工藝存在如下兩個突出問題，限制了其應用。

⑴尺寸精度受澆注量波動。直接液鍛件的尺寸精度受控于澆注量的定量精度和金屬液的體收縮量的穩(wěn)定性。無論是質量定量還是體積定量，金屬液的定量精度都受金屬液的溫度和化學成分影響，而這兩個因素是很難準確控制的。因此，直接液鍛不適用于尺寸精度要求高且不機加工的工件。

⑵壓力傳遞與損耗大。直接液鍛的壓力傳遞和損耗難以穩(wěn)定，特別是在承壓面積大及壓頭(凸模)橫截面形狀復雜的情況下，凸模與凹模的配合間隙很難均勻一致。在工作過程中升溫帶來的熱膨脹和變形可能導致凹凸模之間的配合關系變?yōu)檫^盈配合，而過盈量又受模具和合金液熱制度的影響而不穩(wěn)定。這種過盈配合將極大地消耗液鍛壓力，使有效液鍛力顯著降低且不穩(wěn)定，成形質量的穩(wěn)定性降低。此外，開始加壓前形成的凝固殼對凸模的支撐作用，要求液鍛力必須大于凝固殼的變形抗力方能實現(xiàn)補縮，這也使得加壓補縮致密化的效果大打折扣。

間接液鍛

間接液鍛則是指液鍛力的作用點位于工件以外的壓室或儲料腔中，通過金屬熔體的流動，將液鍛力作用在工件上。這種工藝主要用于一模多腔的液鍛中，可以生產(chǎn)復雜工件，工件尺寸精確、表面光潔。既可以是單腔液鍛，也可以是多腔液鍛。薄壁和高性能是間接液鍛面臨的兩大挑戰(zhàn)。

通常認為液態(tài)模鍛適合做壁厚大于4mm 的厚壁零件，但是隨著間接液態(tài)模鍛技術的出現(xiàn)和發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)間接液鍛與壓鑄非常類似，甚至可以理解為超低速高壓壓鑄。目前已經(jīng)可以生產(chǎn)壁厚2 ～3mm 的鋁合金復雜件，從而出現(xiàn)了與壓鑄技術競爭發(fā)展的態(tài)勢，并出現(xiàn)了一種新的液態(tài)模鍛工藝“擠壓壓鑄”，即在壓鑄機上增加局部加壓功能進行擠壓鑄造。

液態(tài)模鍛從一開始就給人一種高性能化的期望，但在實際應用中經(jīng)常出現(xiàn)令人失望的結果：液態(tài)模鍛件的性能并沒有期望的那么好，特別是間接液鍛產(chǎn)品的性能波動很大，其性能穩(wěn)定性不能與固態(tài)鍛造件媲美，甚至低于低壓鑄造和壓鑄。要實現(xiàn)高性能間接液鍛需要從材料、工藝、模具、設備和人才五個維度協(xié)調聯(lián)動才能如愿。

復雜液鍛

復雜液鍛則是指存在多個同時或順序施加的液鍛力進行液鍛成形，也有人稱為復合液鍛或多向液鍛，主要用于大型復雜結構件的液態(tài)模鍛。這種工藝包括多向加壓的液鍛和多級加壓液鍛。

復雜液鍛可以理解為是直接液鍛與間接液鍛的綜合。隨著液態(tài)模鍛技術的進一步發(fā)展，產(chǎn)生了“間-直復合液態(tài)模鍛”和“智能液態(tài)模鍛”。所謂“間-直復合的液態(tài)模鍛”就是間接加壓充型、直接加壓補縮的復合液態(tài)模鍛。這種液鍛方式集成了直接液鍛有效壓力高和間接液鍛件尺寸精確的雙重優(yōu)勢，在復雜重要零件的液態(tài)模鍛中應用的越來越多。目前，局部加壓、分級加壓和多向加壓的復合液態(tài)模鍛研究和應用成了新熱點。這種根據(jù)需要靈活加壓的復合液鍛，體現(xiàn)了“智能化”的特點，所以也有人稱為“智能液鍛”。

復雜液鍛的技術關鍵在于事先對工件的凝固路徑和進程有深入細致的了解，要做到這一點，必須借助有效的CAE 技術，即對液態(tài)模鍛的溫度場和凝固過程進行模擬仿真。

液態(tài)模鍛需要哪些工藝裝備

液態(tài)模鍛車間除了有熱加工車間的水電氣和安全環(huán)保等共用基本設備外，主要生產(chǎn)設備包括熔體制備(熔煉)設備、澆注機械、涂料噴涂設備、液態(tài)模鍛機及取件機械等五部分。這些設備相應地完成液鍛材料的熔制、澆注、噴涂涂料、液鍛成形及取件等基本工序。其中核心設備是液態(tài)模鍛機，液態(tài)模鍛機分為壓鑄機改制型和液壓機改制型兩大類，他們的用途各不相同。

壓鑄機改制型的液態(tài)模鍛機組

圖3 所示是典型的一種壓鑄機改制型的液態(tài)模鍛機。臥式液態(tài)模鍛機可以理解為臥式壓鑄機改造升級而成，它的特點是下壓射、垂直擠壓、水平鎖模，主要用來進行間接液態(tài)模鍛，也可進行復雜液態(tài)模鍛。它的自動化程度與壓鑄機相當，可以做到無人操作。

圖3 臥式液態(tài)模鍛機(原為擠壓鑄造機)

如圖4 所示的立式液態(tài)模鍛機組可以理解為由立式壓鑄機改造而成，其特點是垂直合模、垂直加壓。配備模溫機、噴涂機、取件機、澆注機、切割機等周邊設備就構成一個液鍛自動化單元?？梢赃M行間接液鍛，也可以進行直接液鍛和復雜液鍛。

圖4 立式液態(tài)模鍛機(原為擠壓鑄造機)

液壓機改制型的液態(tài)模鍛機組

如圖5 所示，液壓機改制型的液態(tài)模鍛機從外觀看與液壓機極其相似，但其功能與普通油壓機大不相同，可以實現(xiàn)多向多級的復雜液鍛、快速液鍛和變程保壓等特殊動作。這類機型目前沒有標準化，主要是非標訂制?？梢杂脕磉M行間接液鍛，也可以進行直接液鍛和復雜液鍛。合肥海德數(shù)控機床有限公司在這方面有著豐富的經(jīng)驗，配備模溫機、噴涂機、取件機、澆注機、切割機等周邊設備，也可以構成一個液鍛自動化單元。這種機型價格低廉、使用范圍廣，但自動化成套程度有待提高。

圖5 液壓機改制的液態(tài)模鍛機

液態(tài)模鍛適合做什么零件

從理論上說，液態(tài)模鍛技術可以用來生產(chǎn)各種金屬材料的各種零件。

液態(tài)模鍛件的材質方面，目前已經(jīng)有鋁、銅、鋅、鎂等有色合金以及鋼鐵及其復合材料。特別是鑄造和鍛造性能都較差的特種材料，如合金鋼、復合材料、過共晶合金、偏析傾向大的合金，可以發(fā)揮出液態(tài)模鍛得天獨厚的優(yōu)勢。

液態(tài)模鍛件的形狀和結構適應性強，特別適用于結構和形狀簡單或一般復雜的重要零件或基本不加工的(近)凈成形零件，如氣密性、水密性零件結構、復雜曲面零件。目前涉及的產(chǎn)品已經(jīng)涵蓋了輪盤蓋、軸套、叉架座和箱體四大類常見零件，如汽車及摩托車輪轂、制動器、減振器、汽車活塞、摩托車發(fā)動機及傳動箱鋁件、壓氣機連桿零件、高壓閥體、蝸輪，以及各種鋁合金泵體件、鋁合金軸套、軍用零件和安全工具等。

液態(tài)模鍛零件的單件重量基本沒有限制，主要取決于熔煉設備。目前已經(jīng)能夠生產(chǎn)的零件單重小到幾十克，大到幾十甚至幾百千克。

液態(tài)模鍛零件的壁厚不能太小，一般來說壁厚越大，液態(tài)模鍛越方便。目前生產(chǎn)的液態(tài)模鍛件壁厚小到一毫米，大到近百毫米。

液態(tài)模鍛零件的輪廓尺寸主要取決于液鍛機臺面和鎖模力，目前生產(chǎn)的液態(tài)模鍛件輪廓尺寸最小的只有幾毫米，最大的可達一米以上。

液態(tài)模鍛對零件的批量要求不高，但由于液態(tài)模鍛是液鍛機、模具和工藝路線一體化的技術，不同的產(chǎn)品不僅僅模具不同，而且對液鍛機的技術要求也存在一定差異，所以液態(tài)模鍛適用于批量大、規(guī)格少、市場需求穩(wěn)定的零件。也就是說，只要產(chǎn)品是長線的，而不是單件，就可以采用液態(tài)模鍛。

結束語

液態(tài)模鍛誕生于二戰(zhàn)，發(fā)展于上個世紀，成熟于本世紀。經(jīng)歷了幾十年的研究和發(fā)展，目前已經(jīng)處于工業(yè)化推廣應用階段，已經(jīng)成了液態(tài)成形領域高性能結構件的首選工藝，正在與熱模鍛、壓鑄技術協(xié)同發(fā)展。液態(tài)模鍛是一個多技術集成的新技術，要真正發(fā)揮出液態(tài)模鍛的優(yōu)勢，需要從材料、工藝、模具、設備和人才五個維度協(xié)調聯(lián)動。