液态模锻工艺及发展应用现状

  本文关键词：挤压铸造技术的发展及应用，由笔耕文化传播整理发布。

    摘要：　 阐述了国内外液态模锻发展的 现状，指出了国内液锻工艺及设备与国外的差距。
　　关键词：　液态模锻; 工艺; 应用
　　中图分类号：TG316.3　　　文献标识码：A　　　文章编号：1001-3814(2000)02-0045-02

The Developing and Application Situation of Liquid Forging Techno logy

　　液态模锻对铸锻人员并不陌生。原苏联于1937年就开始了此项工艺研究［1］。时至今天，发达国家已经广泛地应用此项技术于军事及高科技范围金属构件的制造，得益甚高，显示了很强的生命力。锻压专业命其名液态模锻，铸造专业命其名为挤压铸造，但其内容是一致的，液态金属在模具中经过加压成型，结晶凝固。因而它与铸锻有着不可分离的“血缘关系”。液锻(液态模锻)是一种省力、节能、材料利用率高的先进工艺。液锻件一般很接近工件最终加工尺寸，质量高，因而为越来越多的国家的学者和厂家接受和应用。近几年来，国内外对此工艺的研究和应用有新的突破和进展。本文主要介绍液锻的应用和发展状况的信息。

1　液锻工艺及应用

1.1　液锻原理
　　液锻是使注入模腔的金属，在高压下凝固成型。液态金属在高压之下，其固相线向高温方向移动，与原固相线出现一个ΔT，其大小取决于施加力的大小。若液态金属在接近固相线时，施加的压力使液态金属处于过冷状态。在大的过冷度条件下，液态金属便能生核并长大，形成晶粒的内生长，阻碍了原来(未加压时)枝晶的单向延伸，而形成等轴晶组织结构。也避免了未加压时先结晶区与后结晶区组织成分差异——偏析。由于结晶是在压力下进行的，其制件内部组织致密，无空洞与疏松［2］。
1.2　液锻特点
　　(1)液锻模具的充填性高于固体金属模锻的充填性。
　　(2)液锻件组织致密，无成分偏析，基本为等轴晶结构，无各向异性。又因为有铸件的基因而具有高的抗腐蚀性能。
　　(3)液锻模具的设计，考虑了模具中气体排出的结构形式，而压铸过程由于金属高速流动裹入了大量气体，不能排出而凝留于金属之中，造成铸件强度和延伸率低于液锻件。
　　(4)密度、力学性能基本同锻件。
1.3　液锻必须具备的条件
　　金属熔炼包括熔炼设备及熔炼出符合要求的高质量液态金属。
　　液锻用的压力机必须可装置液锻模具，操作方便，，压力机满足液锻的要求。现代用的液锻压力机为多液压缸、可数控的液锻设备，生产效率高。
1.4　液锻的分类
　　（1）固液态(半固态)模锻：把金属毛坯加热到似熔非熔状态，能从加热炉中以固体形式转移到模锻模具中。它具有低的变形抗力，省去了复杂的熔炼过程，接近普通模锻，但其工艺要求较高。
　　（2）液态挤压模锻：液态挤压模锻是省力，又能生产出高质量型材的工艺。该工艺是液态金属处于准固态进入挤压模定径区成形。其型材质量不低于固态金属挤压型材。
　　（3）液态金属与固体构件组合(如双金属构件)液锻；液态金属与高强度或具有其它优良性能的长、短纤维(如∶矿纤维、陶瓷纤维等)浸润复合模锻或挤压，形成一种新性能材质的液锻件或挤压型材。
1.5　液态模锻的应用
　　(1)铝合金液锻。铝合金液锻当前应用最为广泛，例如∶大、中、小型柴油机活塞(裙)，小汽车摩托车零件。液锻活塞生产的原因是由于亚共晶、共晶、过共晶的Al-Si合金材质，液锻件综合性能超过了普通的模锻件［3］。另外液锻时，可以直接把耐磨环及冷却通道埋入其中，大大地提高了活塞寿命，是普通模锻远不能相比的。在其它一些铝合金及其复合材料的液锻方面，在国内外亦有大的进展及应用。铝合金属于各种金属材料应用最多的。
　　(2)铜合金液锻。铜锌系黄铜，液锻可细化组织，对铅黄铜能细化质点，其组织与锻造组织很相似，无显微空洞与疏松，而液锻件组织中的α基体各向同性,易细化。锡青铜和铅青铜液锻均可获得细小等轴晶组织［3］，是改善合金性能的重要手段。铅锡青铜的耐磨性也得到了改善。铅青铜及其它无铅青铜，在压力下结晶，改变其(α+β)共晶组织为很细的α+(α+γ)共晶相，即成为新的共晶组织(γ是固熔体，硬而脆)。压力下，共晶体右移有利于合金塑性提高。从整体来看，压力下结晶，可以大幅度提高力学性能。
　　(3)铸铁液锻压力下结晶，抑制石墨化，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。铸铁在压力下结晶所生成的渗碳体，在石墨化退火时，析出速度明显增加，并生成石墨化高的石墨相［4］。在压力下结晶可细化组织，明显地提高其力学性能。
　　(4)钢的液锻。压力下使铁-碳平衡图发生变化，液相线和固相线温度升高，δ相区缩小［3］，Fe-Fe3C共析点向低温和碳含量降低方向移动，γ相区扩大，α相区缩小［5］。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［3］。
　　（5）其它合金液锻。如镁合金、锌合金等，压力下结晶均有细化晶粒致密组织，提高力学性能的作用。

2　国内外液态模锻技术

2.1　国外液态模锻技术
　　原苏联40年代初就用液态模锻生产铜合金轴承零件，目前，已把铝合金、铜合金、铸铁、碳钢和各种合金用于生产。产品包括2mm的薄壁件至120mm厚壁件，重量达49.5kg的碳钢工件和320kg的有色金属件，最大的投影面积直经762mm。其产品实例有齿轮坯、活塞、轴瓦、形状复杂的管接头、阀门、挤奶器等。
　　日本1968年政府拨款资助厂商用液态模锻技术生产大型铝合金活塞和钢零件。产品有铝合金连杆，大型活塞(直径400mm，高600mm)，铜制轴瓦，汽缸体，汽车轮毂等。
　　美国1969年设在芝加哥的伊利诺斯工艺所着手开展此项工作［1］。现产品实例有∶齿轮坯、齿轮箱、柴油机活塞等。美国陆军司令部的岩岛兵工厂，利用液态模锻技术制造了M85机枪管支架和机匣底座。1972年伊利诺斯工艺研究所选用7075(我国牌号LC9)超硬铝合金液锻成舰用导弹零件，毛坯 φ168×318 mm，壁厚19 mm和“爱国者号”导弹的前仓盖。该产品体积大，直径为415.3 mm，重27.4 kg。美国使用的M374迫击炮弹体直径81 mm，采用了液锻，提高炮弹的杀伤力，降低了成本。由于液锻技术的日益发展，原苏联利用电子计算机，振动与超声技术，对优化液态模锻技术，改善工件组织和性能起到了良好的作用。
2.2　国外液锻复合材料的应用
　　金属与金属、金属与非金属液锻复合材料已得到了广泛的应用。日本RAT金属工业利用液锻铝基陶瓷纤维材料生产活塞［3］，其性能优异，应用面广，获得了很高的市场评价。
　　液锻复合材料在航空中的应用:美国把液锻复合材料技术用于F15战斗机，重量减轻20%。生产的发动机叶片比钛合金轻，刚性好；原苏联也把液锻复合材料用于安-28，安-27飞机上；美国耗资1500万美元，研制了连续碳化纤维增强6061、2124铝合金，分别用于战斗机的垂直尾翼和翼根，其翼展为3810mm，翼根长1026mm［5］。
　　液锻复合材料在航天工业中的应用：美国DWA公司应用石墨纤维增强铝基复合材料为NASA和Lockheed公司制造卫星上的波导管，其波导管不但轴向刚度好，而且比原有石墨/环氧-铝层复合制造的波导管轻30%。除此之外还有航天飞机桁架，卫星抛物面天线骨架等［5］。
　　液锻复合材料在兵器中的应用：美国ARCO公司开发SXA材料代替ALS14410制造装甲车履板，减轻了装甲车重量，提高了寿命。该材料也用于导弹导航系统中仪表外壳，战术坦克上的光学红外瞄准镜部件。美国LTU公司应用SiC/Al复合材料制造了战术导弹发动机壳体、航板；美国海军利用SiC/Al复合材料制造鱼雷、水雷外壳等［5］。
2.3　国内液锻技术
　　我国液锻技术1957年就开始研究［1］。60年代后期，此项技术逐步发展并陆续用于生产。其产品有汽车活塞、齿轮坯、涡轮、电磁铁壳体、风扇皮带轮、生活用的高压锅、拉丝机的收线盘、货车铲板、法兰、电机端盖、汽车的轮毂、模具坯等。近几年来，在军品中采用液态模锻研制出了一批零件，如85mm气缸尾翼座、迫击炮下体等。国内利用纤维复合材料制造不同性能要求的零件也有报导。例如∶双金属、纤维强化性活塞［6］，纤维复合材料模具等。我国液态模锻技术发展较慢，与原苏联、日、美相比存在着较大的差距。就其液锻设备而言，我国主要是四柱万能液压机。天津锻压机床厂生产了全自动15000kN液压液锻机，用于汽车铝合金轮毂生产线［7］。济南铸锻研究所也生产了一种液压液锻机。该机较之万能液压机有了很大的进步，增加了一些功能，但仍不能满足液态模锻的要求。国外已有成熟的液锻设备。如原苏联有JIM型液态模锻压力机，其分模面为水平和垂直两种；日本有自动化液态模锻压力机；美国也研究出了3TMW式自动化液锻压力机。目前，液态模锻在我国研究投资较少，发展较慢，实际应用不够广泛。

3　结束语

　　国内外经过长期努力和探索，液态模锻工艺有了长足的进步，广泛地应用于航天、航空、军工、民品等方面。就其液锻发展现状和应用结果来看，它无疑是一种极有用的工艺。
　　毛坯生产是现代化工业工艺及材料研究的重要环节。液态模锻在此方面有其特殊的魅力。因而液态模锻技术的研究具有深远的意义。液态模锻在我国应用较少，原因有认识问题及投资问题，希望今后应重视研究和应用。

作者简介：赵恒义(1956-)，男，陕西乾县人，高级工程师。
赵恒义（中国船舶重工集团公司第十二研究所， 陕西 兴平 713102）
周天西（中国船舶重工集团公司第十二研究所， 陕西 兴平 713102）
袁燕（中国船舶重工集团公司第十二研究所， 陕西 兴平 713102）

参考文献：
［1］　上海交通大学锻压教研室.液态模锻［M］.北京：国防工业出版社，1981.
［2］　 陈炳光.液态金属模锻模具设计［M］.武汉：华中理工大学出版社，1989.
［3］　齐丕骧.挤压铸造［M］.国防工业出版社，1984.
［4］　罗守靖等.钢质液态模锻［M］.哈尔滨工业出版社，1990.
［5］　 刘政等.国外铝基复合材料的开发与应用［J］.轻合金加工技术，1994，(1 ):7.
［6］　 李敏娜.汽车发动机用纤维强化活塞［J］.轻合金加工技术，1992，（3）.
［7］　罗相继.挤压铸造技术的发展及应用［J］.中国铸造装备技术，1999，(2): 3.

The Developing and Application Situation of Liquid Forging Techno logy

　　液态模锻对铸锻人员并不陌生。原苏联于1937年就开始了此项工艺研究［1］。时至今天，发达国家已经广泛地应用此项技术于军事及高科技范围金属构件的制造，得益甚高，显示了很强的生命力。锻压专业命其名液态模锻，铸造专业命其名为挤压铸造，但其内容是一致的，液态金属在模具中经过加压成型，结晶凝固。因而它与铸锻有着不可分离的“血缘关系”。液锻(液态模锻)是一种省力、节能、材料利用率高的先进工艺。液锻件一般很接近工件最终加工尺寸，质量高，因而为越来越多的国家的学者和厂家接受和应用。近几年来，国内外对此工艺的研究和应用有新的突破和进展。本文主要介绍液锻的应用和发展状况的信息。

1　液锻工艺及应用

1.1　液锻原理
　　液锻是使注入模腔的金属，在高压下凝固成型。液态金属在高压之下，其固相线向高温方向移动，与原固相线出现一个ΔT，其大小取决于施加力的大小。若液态金属在接近固相线时，施加的压力使液态金属处于过冷状态。在大的过冷度条件下，液态金属便能生核并长大，形成晶粒的内生长，阻碍了原来(未加压时)枝晶的单向延伸，而形成等轴晶组织结构。也避免了未加压时先结晶区与后结晶区组织成分差异——偏析。由于结晶是在压力下进行的，其制件内部组织致密，无空洞与疏松［2］。
1.2　液锻特点
　　(1)液锻模具的充填性高于固体金属模锻的充填性。
　　(2)液锻件组织致密，无成分偏析，基本为等轴晶结构，无各向异性。又因为有铸件的基因而具有高的抗腐蚀性能。
　　(3)液锻模具的设计，考虑了模具中气体排出的结构形式，而压铸过程由于金属高速流动裹入了大量气体，不能排出而凝留于金属之中，造成铸件强度和延伸率低于液锻件。
　　(4)密度、力学性能基本同锻件。
1.3　液锻必须具备的条件
　　金属熔炼包括熔炼设备及熔炼出符合要求的高质量液态金属。
　　液锻用的压力机必须可装置液锻模具，操作方便，压力机满足液锻的要求。现代用的液锻压力机为多液压缸、可数控的液锻设备，生产效率高。
1.4　液锻的分类
　　（1）固液态(半固态)模锻：把金属毛坯加热到似熔非熔状态，能从加热炉中以固体形式转移到模锻模具中。它具有低的变形抗力，省去了复杂的熔炼过程，接近普通模锻，但其工艺要求较高。
　　（2）液态挤压模锻：液态挤压模锻是省力，又能生产出高质量型材的工艺。该工艺是液态金属处于准固态进入挤压模定径区成形。其型材质量不低于固态金属挤压型材。
　　（3）液态金属与固体构件组合(如双金属构件)液锻；液态金属与高强度或具有其它优良性能的长、短纤维(如∶矿纤维、陶瓷纤维等)浸润复合模锻或挤压，形成一种新性能材质的液锻件或挤压型材。
1.5　液态模锻的应用
　　(1)铝合金液锻。铝合金液锻当前应用最为广泛，例如∶大、中、小型柴油机活塞(裙)，小汽车摩托车零件。液锻活塞生产的原因是由于亚共晶、共晶、过共晶的Al-Si合金材质，液锻件综合性能超过了普通的模锻件［3］。另外液锻时，可以直接把耐磨环及冷却通道埋入其中，大大地提高了活塞寿命，是普通模锻远不能相比的。在其它一些铝合金及其复合材料的液锻方面，在国内外亦有大的进展及应用。铝合金属于各种金属材料应用最多的。
　　(2)铜合金液锻。铜锌系黄铜，液锻可细化组织，对铅黄铜能细化质点，其组织与锻造组织很相似，无显微空洞与疏松，而液锻件组织中的α基体各向同性,易细化。锡青铜和铅青铜液锻均可获得细小等轴晶组织［3］，是改善合金性能的重要手段。铅锡青铜的耐磨性也得到了改善。铅青铜及其它无铅青铜，在压力下结晶，改变其(α+β)共晶组织为很细的α+(α+γ)共晶相，即成为新的共晶组织(γ是固熔体，硬而脆)。压力下，共晶体右移有利于合金塑性提高。从整体来看，压力下结晶，可以大幅度提高力学性能。
　　(3)铸铁液锻压力下结晶，抑制石墨化，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。铸铁在压力下结晶所生成的渗碳体，在石墨化退火时，析出速度明显增加，并生成石墨化高的石墨相［4］。在压力下结晶可细化组织，明显地提高其力学性能。
　　(4)钢的液锻。压力下使铁-碳平衡图发生变化，液相线和固相线温度升高，δ相区缩小［3］，Fe-Fe3C共析点向低温和碳含量降低方向移动，γ相区扩大，α相区缩小［5］。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［3］。
　　（5）其它合金液锻。如镁合金、锌合金等，压力下结晶均有细化晶粒致密组织，提高力学性能的作用。

2　国内外液态模锻技术

2.1　国外液态模锻技术
　　原苏联40年代初就用液态模锻生产铜合金轴承零件，目前，已把铝合金、铜合金、铸铁、碳钢和各种合金用于生产。产品包括2mm的薄壁件至120mm厚壁件，重量达49.5kg的碳钢工件和320kg的有色金属件，最大的投影面积直经762mm。其产品实例有齿轮坯、活塞、轴瓦、形状复杂的管接头、阀门、挤奶器等。
　　日本1968年政府拨款资助厂商用液态模锻技术生产大型铝合金活塞和钢零件。产品有铝合金连杆，大型活塞(直径400mm，高600mm)，铜制轴瓦，汽缸体，汽车轮毂等。
　　美国1969年设在芝加哥的伊利诺斯工艺所着手开展此项工作［1］。现产品实例有∶齿轮坯、齿轮箱、柴油机活塞等。美国陆军司令部的岩岛兵工厂，利用液态模锻技术制造了M85机枪管支架和机匣底座。1972年伊利诺斯工艺研究所选用7075(我国牌号LC9)超硬铝合金液锻成舰用导弹零件，毛坯 φ168×318 mm，壁厚19 mm和“爱国者号”导弹的前仓盖。该产品体积大，直径为415.3 mm，重27.4 kg。美国使用的M374迫击炮弹体直径81 mm，采用了液锻，提高炮弹的杀伤力，降低了成本。由于液锻技术的日益发展，原苏联利用电子计算机，振动与超声技术，对优化液态模锻技术，改善工件组织和性能起到了良好的作用。
2.2　国外液锻复合材料的应用
　　金属与金属、金属与非金属液锻复合材料已得到了广泛的应用。日本RAT金属工业利用液锻铝基陶瓷纤维材料生产活塞［3］，其性能优异，应用面广，获得了很高的市场评价。
　　液锻复合材料在航空中的应用:美国把液锻复合材料技术用于F15战斗机，重量减轻20%。生产的发动机叶片比钛合金轻，刚性好；原苏联也把液锻复合材料用于安-28，安-27飞机上；美国耗资1500万美元，研制了连续碳化纤维增强6061、2124铝合金，分别用于战斗机的垂直尾翼和翼根，其翼展为3810mm，翼根长1026mm［5］。
　　液锻复合材料在航天工业中的应用：美国DWA公司应用石墨纤维增强铝基复合材料为NASA和Lockheed公司制造卫星上的波导管，其波导管不但轴向刚度好，而且比原有石墨/环氧-铝层复合制造的波导管轻30%。除此之外还有航天飞机桁架，卫星抛物面天线骨架等［5］。
　　液锻复合材料在兵器中的应用：美国ARCO公司开发SXA材料代替ALS14410制造装甲车履板，减轻了装甲车重量，提高了寿命。该材料也用于导弹导航系统中仪表外壳，战术坦克上的光学红外瞄准镜部件。美国LTU公司应用SiC/Al复合材料制造了战术导弹发动机壳体、航板；美国海军利用SiC/Al复合材料制造鱼雷、水雷外壳等［5］。
2.3　国内液锻技术
　　我国液锻技术1957年就开始研究［1］。60年代后期，此项技术逐步发展并陆续用于生产。其产品有汽车活塞、齿轮坯、涡轮、电磁铁壳体、风扇皮带轮、生活用的高压锅、拉丝机的收线盘、货车铲板、法兰、电机端盖、汽车的轮毂、模具坯等。近几年来，在军品中采用液态模锻研制出了一批零件，如85mm气缸尾翼座、迫击炮下体等。国内利用纤维复合材料制造不同性能要求的零件也有报导。例如∶双金属、纤维强化性活塞［6］，纤维复合材料模具等。我国液态模锻技术发展较慢，与原苏联、日、美相比存在着较大的差距。就其液锻设备而言，我国主要是四柱万能液压机。天津锻压机床厂生产了全自动15000kN液压液锻机，用于汽车铝合金轮毂生产线［7］。济南铸锻研究所也生产了一种液压液锻机。该机较之万能液压机有了很大的进步，增加了一些功能，但仍不能满足液态模锻的要求。国外已有成熟的液锻设备。如原苏联有JIM型液态模锻压力机，其分模面为水平和垂直两种；日本有自动化液态模锻压力机；美国也研究出了3TMW式自动化液锻压力机。目前，液态模锻在我国研究投资较少，发展较慢，实际应用不够广泛。

3　结束语

　　国内外经过长期努力和探索，液态模锻工艺有了长足的进步，广泛地应用于航天、航空、军工、民品等方面。就其液锻发展现状和应用结果来看，它无疑是一种极有用的工艺。
　　毛坯生产是现代化工业工艺及材料研究的重要环节。液态模锻在此方面有其特殊的魅力。因而液态模锻技术的研究具有深远的意义。液态模锻在我国应用较少，原因有认识问题及投资问题，希望今后应重视研究和应用。

作者简介：赵恒义(1956-)，男，陕西乾县人，高级工程师。
赵恒义（中国船舶重工集团公司第十二研究所， 陕西 兴平 713102）
周天西（中国船舶重工集团公司第十二研究所， 陕西 兴平 713102）
袁燕（中国船舶重工集团公司第十二研究所， 陕西 兴平 713102）

参考文献：
［1］　上海交通大学锻压教研室.液态模锻［M］.北京：国防工业出版社，1981.
［2］　 陈炳光.液态金属模锻模具设计［M］.武汉：华中理工大学出版社，1989.
［3］　齐丕骧.挤压铸造［M］.国防工业出版社，1984.
［4］　罗守靖等.钢质液态模锻［M］.哈尔滨工业出版社，1990.
［5］　 刘政等.国外铝基复合材料的开发与应用［J］.轻合金加工技术，1994，(1 ):7.
［6］　 李敏娜.汽车发动机用纤维强化活塞［J］.轻合金加工技术，1992，（3）.
［7］　罗相继.挤压铸造技术的发展及应用［J］.中国铸造装备技术，1999，(2): 3.

  本文关键词：挤压铸造技术的发展及应用，由笔耕文化传播整理发布。