金属材料的挤压铸造成型技术及其应用

金属材料的挤压铸造成型技术及其应用

姚志文 万秀莲 宋峰

南昌航空大学工程训练中心 南昌 330063

摘要：金属挤压铸造技术，其原理是对挤压铸型型腔内的液态（或半固态）金属施加较高的机械压力，使其成型和凝固，从而获得铸件或铸锭的一种工艺，广泛应用与机械、汽车、船舶、家电、航空航天等领域。首先对挤压铸造成形技术进行分析，然后举例描述挤压成形技术在金属材料上的应用，最后展望了金属材料挤压铸造成形技术的发展重点。

关键词：金属材料；挤压铸造；应用

一、前言

最早提到挤压铸造技术是在1819年英国人James Hollingrake的一项专利中。其后，在英国有一种类似挤压铸造的方法，用于生产铸铁水槽。1878年，前苏联著名冶金学家D.K.Chernov也提出了相似的概念。然而，直到20世纪30年代，才出现关于挤压力对合金凝固行为影响的研究。我国在1958年便开始开展挤压铸造技术的研究。20世纪70年代曾有一个快速发展阶段$材料对象涉及AI合金，Zn合金，Mg合金，Cu合金，钢铁等，零件近300种。进入90年代后，随着产品轻量化和高性能化的迫切需求，挤压铸造作为一种近净成形技术受到越来越广泛的关注。

二、挤压铸造成型技术工艺

金属挤压铸造技术，简称挤铸，也称“液态模锻”或“连铸连锻”。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。

挤压铸造从工艺方法可分为两大类：直接挤压铸造和间接挤压铸造。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，合型操作过程直接通过挤压铸形，使液体金属填满整个腔体，然后继续升压并且保持压力直到液态金属全部凝固为止；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，这种方式除了将金属压入型腔外，还要通过内浇道将压力作用在铸件上面，这种方法形成的铸件尺寸精度高。但是这种方式和直接挤压铸造的缺点是加压效果会比较差，另外铸件上还要有内浇道以及料柄，所以金属利用率就低于直接挤压铸造形式，间接挤压铸造用于产量大、形状复杂铸件较为合适。但是就质量而言来说，间接挤压铸件内部质量低于直接挤压件而高于压铸件。

三、挤压铸造材料研究及应用

1、铝合金材料

挤压铸造AI合金中最早得到重视的是AL-S系合金，这主要是由于这类合金具有极佳的铸造性能，挤压铸造AL-S合金主要是A356,390，ZL102，LM13等。此外，一般还通过添加少量Mg，Cu，Mn，等进一步改善材料性能。另外，Al-Cu系合金在挤压铸造工艺中也备受关注，因为该合金的铸造性强，挤压铸造技术可以使这一系类的合金子的力学性能得到提高，再加上外在微量元素和优化合金化元素的加入，使整个合金性能进一步提高；A-U5GT具有较高的纯度，历史悠久，应用也最广，主要是在Al-Cu的二元合金基础上加了Ti和Mg元素形成，因此它的力学性能比一般材料更好。

2. 金属基复合材料

金属基复合材料的主要制备方法就是挤压铸造，在这方面国内外的文献综述相对较多。这种技术有着一下特点：（1）加强金属材料的流动性，有利于间隙之间的填充，使铸造构件的组织更为紧密均匀；（2）在挤压铸造过程中，缩短了熔融金属与增强体之间的接触时间，有助于其界面的复合；（3）金属基复合材料在挤压铸造过程中具有极强的自由性，既可以采用AL、Zn、Mg作为基体材料，也可以用颗粒、纤维等；（4）既可以用于简单零件的锭坯制备，也可用于高难度的零件制造；（5）生产成本较低，容易实现大规模的工业化生产，综合性能优良、制备过程简单，因此其应用也最广泛。

4. 理论概述

挤压铸造工艺方面的影响因素主要是开始加压时间、挤压力、压头速度、保压时间等。其影响规律是：开始加压时间越长成形能力越差；挤压力越大，成形能力越好；压头速度越快，成形能力越好。一般来说，保压时间对成形能力的影响作用不大，只有在凝固时间很长的情况下才能表现出一定影响，保压时间延长，成形能力略有提高。其他的影响因素有工件几何特征方面，可以归纳为工件最小壁厚、最大轮廓尺寸以及壁厚变化的顺序性3方面。合金材料方面，材料的比热容、导热系数、结晶潜热、密度都会影响成形过程的降温速度，进而影响成形能力，其影响规律是：所有加速金属熔体在成形过程降温的因素都能降低成形能力，相反，所有延缓金属熔体在成形过程降温的因素都能提高成形能力；此外，合金材料的粘度、凝固特性和固相形貌都会影响金属熔体的高温流变性能，进而影响成形能力，其影响规律是：所有提高合金熔体流变抗力的因素都将降低成形能力，如高粘度、糊状凝固、发达的树枝晶等；相反，所有降低合金熔体流变抗力的因素都将提高成形能力。模具方面，模具材料、模具温度、涂料种类和厚度、表面粗糙度等都会一定程度上影响材料的成形能力。所有加大金属熔体在模具型腔内的流变阻力和加速金属熔体流变过程降温的因素都将降低挤压铸造成形能力，如高导热的模具材料、较低的模具温度、导热性涂料、较薄的涂料层、粗糙的表面等都会降低挤压铸造成形能力。

　　在金属材料成形工艺技术方面，由于部分过于复杂、过大的零件在凝固方面有很大的条件差距，要进一步优化材料成形技术，使零件铸造得均匀性和零件组织得到完善和性能的提高，并对铸造过程中所存在的难以进行完善得问题进行精确地控。除此之外，由于大型构件的铸造需要过高的成本、较长的时间，所以要将模拟技术的开发作为重要的铸造模型优化技术，进行开发和运用。

　　在金属材料挤压铸造过程中，要保证零件铸造的高精度和高效率，铸造机械设备是最基本的前提，因此要研究适用性广、大吨位、高效控制力的新型合索模结构，从以上方面进行新的挤压铸造技术设备的开发。

结语

尽管国内外针对挤压铸造技术已经做了不少工作，随着结构件向大型化、复杂化、高性能化和轻量化发展，为挤压铸造技术创造了广阔的发展空间，需要开展的工作主要体现在：

1. 深入分析间接挤压铸造时，液态金属压力下结晶的物理冶金行为和力学过程，进一步完善挤压铸造基础理论。对于大型复杂零件挤压铸造精确成形，需研制具有更优综合性能的新型材料，完善适合于金属材料挤压铸造技术的材料体系：

2. 在成形工艺方面，大型复杂零件各部位凝固条件相差较大，应通过工艺优化实现零件组织和性能的均匀性，进行铸造缺陷的精确控制；大型铸件的模具制造周期长，成本昂贵，开发准确的数值模拟技术是优化模具设计的重要手段；

3. 成形设备是高效精确成形的重要保证，需要从宽适应性、研究大吨位和新型合锁模机构、采用先进的控制系统等方面开发先进的挤压铸造装备。

参考文献：

　　[1]李伟刚.AZ80+RE镁合金轮毂挤压成形缺陷分析及模拟优化研究[D].中北大学，2015.

　　[2]张岩峰.CuSn10合金半固态浆料转棒诱导形核法制备及其挤压铸造成形[D].昆明理工大学，2015.

　　[3]郭志宏.AZ80镁合金挤压铸造工艺仿真与复合材料制备[D].中北大学，2014.

　　[4]熊艳春.工艺参数对Al_2O_3P/钢基复合材料挤压浸渗系统温度场的影响[D].昆明理工大学，2014.

　　[5]彭勇.铸锻一体化成形6061铝合金汽车制动器卡钳数值模拟与实验研究[D].中南大学，2014.作者简介： 姚志文1970年2月 男 本科 实验师 南昌 研究方向金属材料

万秀莲 1973年10月 女 本科 实验师 南昌 研究方向金属材料

宋峰 1972年 4月 男 本科 实验师 南昌 研究方向金属材料