低压铸造招聘_铝合金挤压铸造表面_挤压铸造的发展和应用现状

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专题论述—— 挤压铸造的发展和应用现状　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　3/ 1998 中国铸造装备与技术

挤压铸造的发展和应用现状
唐靖林　曾大本 ( 北京市: 100084　清华大学) 常安国( 河北石家庄市: 050054　河北科技大学)
摘　要: 综述了挤压铸造技术的概况。主要介绍了直接挤压铸造工艺和间接挤压工艺的现状

、 发展和应用情况。 Tang Jingl in, Chang Anguo, Zeng Daben. Devel opment & Application of Squeeze Casting. Gener al t echnique of squeeze cast ing has been described of w hich t he direct and indirect pr ocesses and dev elo pment and application have been incl uded . 主题词: 挤压铸造　现状　发展　应用 　　挤压铸造( squeeze cast ing ) , 也称液态模锻( l iquid m et al fo rging) 、 挤压成形( squeeze f orming ) 、 压 力下结晶( pressure crystallizat ing) 和模压铸造( ex tr usion cast ing ) 等, 于本世纪 80 年代开始在欧洲和 日本进行商业化生产, 用于生产高质量的铸件。 挤压 铸造将液态和固态金属成形原理有机结合起来, 使 液 态金属以低速充型, 在高压( 50～100M Pa) 下凝 固, 最终获得致密的可以热处理的铸件。 挤压铸件的 主要特点是: 尺寸精度高、 无内部缩孔和气孔; 力学 性能与模锻件接近; 生产率与压铸相当。 挤压铸造分 为两大类: 直接挤压铸造( direct squeeze cast ing ) 和 间接挤压铸造( indirect squeeze cast ing ) 。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; 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。 挤压铸造工艺的主要用途: 实现接近净形化( near net shape) 成形, 生产高质 量铸件, 用于取代锻件。 挤压铸造工艺被认为是一 种理想的生产铝基复合材料的工艺 1　挤压铸造工艺简介 1. 1　直接挤压工艺 直接挤压铸造设备具有垂直的结构, 压力直接 作 用 于 液 态 金 属 的 整 个面 上, 可以 生 产 出 接 近 100% 致密的铸件。 根据成形过程中有无液态金属运 动, 直接挤压工艺分为两类, 见图 1。前者主要用于 生产锭料; 后者生产带有空腔的铸件。生产过程中, 首先将定量的金属液倾注入下模, 随后上 模( 即冲 头) 压向液态金属。在铸件凝固过程中, 压力保持在 50～150MP a 之间, 其主要作用: ( 1) 使金属与模具内腔表面紧密接触, 加速传热 过程, 得到微观组织非常细小的铸件。
收稿日期: 1997—12—08
[ 1～4]

图 1　直接挤压铸造工艺生产锭料和空腔铸件
( a ) 将定量液态金属浇入 下模; ( b ) 上冲头 下移至下 模对液态金属施加压力; ( c) 开模; ( d) 顶出铸件

( 2) 能精确复制模具内腔的细节。 ( 3) 在压力作用下, 铸件在凝固过程中经历了类 似于模锻的塑性变形, 因此可获得高致密度的铸件。 直接挤压工艺存在的主要问题是: ( 1) 必须精确定量浇入液态金属。 ( 2) 要求铸件向冲头方向单向凝固, 以保证压力 的有效传递。 ( 3) 控制冲头的插入过程, 以使液态金属以非湍 流的方式向上移动, 从而避免氧化夹渣等缺陷。 ( 4) 在提高生产率以及制造形状复杂铸件方面 存在一定困难。 ( 5) 挤压铸造金属模具通常由高质量的模具钢 制造, 而且要求有足够大的壁厚以经受高压。 1. 2　间接挤压铸造 在间接挤压过程中, 液态金属是通过浇注系统 引人型腔的。 挤压设备通常采用较大的压射筒, 压射 挤压活塞可以控制液态金属的射入速度。在注射后 期, 压射活塞通过浇道对型腔中的金属施加高压。 通 常, 确定压力是否有效传递和合理设计浇注系统, 是 间接挤压铸造工艺两个主要的问题。与直接挤压铸 件相比, 间接挤压铸件在一封闭型腔中成形, 十分容 易控制铸件尺寸, 因此不必精确定量液态金属。 间接 — 3 —

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挤压铸件内部质量低于直接挤压件而高于压铸件。 另外, 与直接挤压相比, 间接挤压工艺采用了浇注系 统, 因此材料利用率低于前者。 根据压射筒位置, 间接挤压铸造设备分为水平 式和垂直式两大类。水平式间接挤压过程见图 2[ 5] 。

为 VSC ( Ver tical Clamping Squeeze Cast ing Ma垂 chine ) 。另 一 类 采 用 水 平 合 型、 直 注 射, 简 称 HV SC ( Ho rizont al Clamping Squeeze Cast ing Machine) 。 此类挤压工艺可以生产大至 80kg 的铝合金 铸件。应用于商业生产的挤压设备主要采用旋转式 垂 直 挤 压 ( r ot ary vert ical squeeze casting , 简 称 RVSC ) 和倍 传输 ( do uble shut t le, 简称 DS ) 机构。 RVSC 由一个液态金属注射装置对安装在输送转盘 上的三个铸型供料。 DS 则由一个注射装置向两副 铸型供料。 RVSC 可年产 4 百万个铝合金轮毂, 而且 在同一设备上, 可同时生产三种不同种类的铸件。 生 产中 还 采 用 了 被 称 为 PASCON ( P artial squeeze cont rol syst em ) 的由电脑控制的液压系统, 实现对 挤压头的控制。 通过合理设计铸型, 浇注系统在铸型

图 2　水平式间接挤压工艺示意图
( a) 将液态金属浇 入压射筒; ( b) 压 射活塞移 动; ( c ) 液 态金属充型; ( d ) 充满型腔后压射活塞施高压

中就与铸件分离, 以减少铸件的后续加工。另外, 操 作者可借助此系统设计压头的冲程, 具体结果可以 显示在监视器上。 1. 3　工艺参数 挤压铸造的主要工艺参数包括: 金属液的冶金 质量、 浇注温度、 金属型的温度、 金属液向铸型的输 送方式、 选择合适的铸型涂料、 冲头速度, 比压大小、 施加压力的开始时间和压力保持时间等。对于不同 的合金系以及不同形状和大小的铸件, 均须对这些 参数进行优化和严格控制, 以充分发挥挤压铸造工 艺的优势。通常情况下, 对于宽结晶范围的合金来 说, 采用低浇注温度有利于获得良好的铸件质量; 同 时, 比压要足够大, 以消除缩松。挤压铸造的比压范

目 前, 日 本 UBE 开 发 出 所 谓 倾 转-对 接 式 [ 2、 7～8] , 主要用于生产高质量的铝合金 HVSC 和 VSC 汽车零件, 工作原理见图 3。VSC 具有如下特点:

图 3　垂直间接挤压铸造示意图
( a) 浇注 液态金属; ( b) 压射筒倾转; ( c) 压射 筒与 铸型对接; ( d ) 充型、 施高压

围是 50～150M Pa, 在某些情况下, 尤其是铸件形状 十分简单时, 比压为 50MP a 就足以获得无缺陷的铸 件。 铸型温度一般为 200～300℃。 另外, 可以通过改 变铸型涂料厚度以调节铸型不同部位的传热。 2　挤压铸造的优缺点 目前, 机械制造业的目标是: 通过实现真正净形 化( net shape) 成形使材料消耗降低到最低限度; 生 产高强度的成形件, 使零件轻量化。 与传统铸锻工艺 相比, 挤压铸造因本身具有一系列优点, 成为一种有 很大应用潜力的成形工艺。 主要优点有以下几方面: ( 1) 在使用材 料方面, 挤压 铸造工艺有其 简便 性、 经济性和高效性。 ( 2) 力学性能显著提高。与传统铸造合金相比, 屈服强度提高 10% ～15% ; 延长率以及疲劳强度提 高 50% ～150% ; 力学性能与变形合金接近。 由于晶 体结构致密化, 挤压铸件质量亦明显优于重力金属 型铸造和低压铸造。挤压铸造和变形铝合金的力学
[ 9～11]

( 1) 采用了所谓的倾转-对接式注射装置, 与非 倾转式注射装置相比周期缩短。 ( 2) 另外还采用了分离式压射室, 活动部分有利 于保温以保证液态金属低速充型; 固定在铸型上的 另一部分则起冷却作用, 以加速成形件出型时间。 ( 3) 低速充型的液态金属可有效地将气体排出。 ( 4) 型腔、 浇道以及注射活塞排列在一条线上, 可以有效地传递压力。 垂直式间接挤压设备采用垂直位置的压射筒, 在活塞作用下, 液态金属向上慢速充型; 通过控制模 具的热梯度以实现顺序凝固; 冲头对凝固过程中的 铸件施加高压以强化补缩, 有助于获得无收缩缺陷 和气孔的气密性铸件, 使铸件可以热处理和焊接。 当前, 商业化的垂直间接挤压设备有两大类 : 一类设备采用垂直合型、 垂直注射( inject io n ) , 简称 — 4 —
[ 6]

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性能见表 1, 不同铸造工艺在铸态和热处理态的力 学性能对比见表 2。
表 1　挤压铸造合金、 变形合金在完全热处理状态 下的力学性能对比
　　力学性能 变形合金( 纵向) 变形合金( 横向) 挤压铸造 抗拉强度
b/

　　( 6) 容易实现自动化生产, 制造接近净形化高质 量零件。 以往, 厚壁铸件通常采用重力铸造以及低压铸 造。 为防止铸件收缩, 铸件加工余量和浇冒口往往较 大, 铸造后须进行大量机械加工。 而挤压铸造工艺在 铸造厚壁铸件方面显示出极大的优越性, 厚壁处有 利于压力传递, 可以有效防止收缩缺陷。据报道, 整 个产品成本会下降; 减少切屑以及机械加工后, 铸件 成本为重力铸件的一半。 挤压铸造的主要缺点有如下几方面: ( 1) 不能使用砂芯。 ( 2) 侧壁厚≥5m m 。 ( 3) 适宜的铸件尺寸取决于施加的压力, 对于现 行 最 大 的 设 备 ( 15000kN ) , 设 计 面 积 不 大 于 1200cm 2 。 ( 4) 投资高。挤压铸造工艺适宜于大批量生产。 ( 5) 与压铸相比, 铸型寿命低。 ( 6) 铸造形状复杂件有一定限制。 ( 7) 由于具有较陡的温度梯度, 铸件有时出现所 谓的反偏析; 以至于表面偏析较严重时, 表面结晶温 度低于随后所要求的热处理温度。 3　应用情况 目前, 挤压铸造工艺主要用于汽车零件制造等 方面, 以轻合金挤压件取代黑色金属铸件, 从而实现 汽车的轻量化。日产、 马自达、 福特和通用等大型汽 车制造商均采用了挤压铸造工艺, 挤压设备大多是 垂直注射间接挤压。 例如, 日产公司采用此工艺制造 羊角 ( st eering knuckle) , 具 体 参 数 如 下: 材 质 为 A 356 铝合金, 熔炉保温温度为 750℃, 凝固时施加 的压力为 80M Pa , 热处理采用 530℃盐浴保温 4h , 随后水淬, 最后在 180℃时效 6h , 最终获得具有优良 性能的铸件。采用垂直间接挤压工艺生产的其它汽 车 零 件 包 括: Suspensio n arms、 ss m em bers、 Cro Brake calipers 、 Bracket s 和 Bousings 等, 最成功 的 复合材料挤压铸件是纤维增强发动机活塞。 在英国以及其它一些国家, 已有数家生产厂采 用直接挤压工艺生产高质量的汽车零件以及常规工 程零件; 另外, 纤维增强复合材料挤压铸件也投入使 用。由于挤压铸造工艺适用于很广泛的金属材料系 列, 预计, 经过研究开发, 将能生产出更多具有优良 性能的铸件。 4　结束语 虽然挤压铸造工艺具有很大的优越性和应用潜 — 5 —

屈服强度
0. 2 /

延长率 /% 6. 7 6. 4 16. 0

M Pa

M Pa

372 260 272

360 146 135

表 2　不同铸造工艺 A Z91 镁合金铸件的 力学性能
力学性能 砂型铸造 低压铸造 压铸　　 挤压铸造 砂型铸造 低压铸造 挤压铸造 抗拉强度
b/

屈服强度
0. 2 /

延长率 /% 2 2 3 6 2 3 5

M Pa

M Pa

铸 态 热 处 理 态

154 176 190 200 230 240 260

83 96 96 115 127 130 150

　　( 3) 成形件的缺陷少, 可以经过 T 6 ( 淬火和完全 人工时效) 处理。 挤压铸件的微细组织以及高致密度 得益于缓慢充型以及高压下的凝固, 从而使气孔、 缩 孔减少; 使晶核数目大大增加, 微观组织显著细化。 ( 4) 适宜于制造金属基复合材料。 挤压铸件的组 织致密, 微观孔洞极少, 能够充分发挥纤维、 颗粒等 增强材料的作用。产品主要有: 活塞、 活塞杆、 连杆、 阀体、 汽缸头、 汽缸衬套等。 ( 5) 适用合金范围广。因采用加压措施, 可削弱 对材料高流动性的要求, 可淡化合金固有的可铸性; 适用于常规铸造合金, 还适于变形铝合金, 见表 3。
表 3　2000 系列合金和 6000 系列合金不 同 成形工艺的对比
合金 种类 成形工艺 挤压铸造 2014 模锻 ( 最小值) 2024 挤压铸造 模锻 挤压铸造 6061 模锻 ( 最小值) 挤压铸造 6066 模锻( 最小值) 挤压铸造 6082 模锻 热处理 T6 T6 　 T4 — T6 T6 　 T6 T6 T6 T6 屈服强度
0. 2 /

抗拉强度 延长率
b /M

M Pa

Pa

% 3 6 2 10 12 8 7 5 5 8 7 8

436 379( 纵向) 372( 横向) 310 276 325 241( 纵向) 241( 横向) 385 310( 纵向) 260 255

467 434 434 445 427 335 262 262 405 345 285 295

专题论述—— 冲天炉熔炼智能控制技术的新进展　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　3/ 1998 中国铸造装备与技术

冲天 炉 熔 炼 智 能 控 制 技 术 的 新 进 展
南　海　魏华胜　修吉平　林汉同( 湖北武汉市: 430074　华中理工大学)
摘　要: 铸造业为了在下个世纪迎接激烈的竞争, 更好地为社会作出贡献, 发展冲天炉熔炼控 制技术就显得极其重要。 本文通过论述人工智能控制技术中的专家系统、 模糊控制和神经网络怎样 应用于冲天炉熔炼中, 以及怎样结合其它控制方法获得最优的控制效果, 提出人工智能控制技术必 然是冲天炉熔炼控制技术的主要发展方向之一。 Nan Hai, Wei Huasheng, Xiu Ji ping et al. New Devel opment of Intell igent Control Technology of Cupola Mel ting. It is very im por tant t o develop cupola m elt ing technolog y in o rder t o be co mpet itiv e and t o co nt ribut e t o so ciety in t he 21st cent ury. In t his paper how to use ex pert sy stem , fuzzy contr ol, and neur al net wo rk in cupo la melting and how t o obtain opt imal contro l result s by combining dif ferent contr ol met hods hav e been discussed of w hich to apply art ificial int el ligent co nt rol t echnolo gy must be one of t he most impo rt ant developing t endency of cupo la melt ing co ntr ol. 主题词: 冲天炉熔炼控制　人工智能　专家系统　模糊控制　神经网络 　　现代铸造业渊远流长, 新的铸造技术层出不穷, 为社会生产出无数优质铸件, 广泛地应用于汽车业、
收稿日期: 1997—12—02

机床制造业、 航空航天、 农业水利机械等方面, 为现 代工业的发展作出极其重要的贡献。进入 20 世纪 90 年代以来, 随着科技的发展和各行各业的激烈竞 争, 全球范围内, 各个行业努力发展, 迎接挑战, 以满 参　考　文　献
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力, 但是为了使挤压铸造工艺过程在最佳状态下运 行, 仍须进行必要的研究开发, 主要内容如下: ( 1) 通过对挤压铸造条件下金属的流动以及凝 固解析, 掌握挤压铸件的流动和凝固特性, 进一步优 化模具结构、 优化施加压力的方式和确定充型条件。 ( 2) 压力下凝固会使合金的熔点以及固溶体的 固溶度产生变化, 因此有必要针对此过程设计合金 系列, 目的是从以上变化中获得更大的益处。 ( 3) 为了减少废品率, 应控制金属进入型腔的过 程, 防止氧化和卷入气体; 还要控制铸型中金属的温 度梯度, 以达到顺序凝固的目的。 ( 4) 在挤压铸造中, 涂料的作用有其特殊性: 通 常期望它在注射充型时具有良好的隔热性能, 以保 证慢速充型过程; 一旦金属液充满铸型后, 则又期望 它具有较好的传热性能, 以使铸件以较快的速度凝 固, 从而有利于获得细小的微观组织和提高生产率。 因此, 涂料工艺的研究是挤压铸造至关重要的环节。 ( 5) 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。 为了充分发挥挤压铸造工艺和设备的优势, 通 过对以上问题的研究, 生产单位应由单纯性生产逐 步过渡到能够自主开发的高度; 实现对不同材质、 不 同种类挤压铸件的稳定生产。 — 6 —



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