浅谈液态模锻技术及其应用

2018-11-14邢书明北京交通大学机械与电子控制工程学院

锻造与冲压 2018年21期

文/邢书明·北京交通大学机械与电子控制工程学院

液态模锻是一种集铸造的广泛适用性和锻造的高品质于一体的金属绿色成形技术，以其高效、绿色、短流程、高品质等一系列独特的优势受到了铸造领域和锻造领域的高度重视。其工业应用范围不断扩大，已经从早期的铝合金，扩展到了镁合金、铜合金、合金钢、球墨铸铁以及复合材料领域，成了传统铸造和锻造产品技术升级的重要选择，特别是在高品质复杂零件及消耗性耐磨、耐热、耐蚀零件的低成本精密成形中具有突出的技术经济优势。本文系统介绍了液态模锻的技术关键、工艺方法、研究与应用现状，并提供了大量应用案例。

锻造技术的升级方向

铸造和锻造是金属耐磨材料成形的两类基本工艺，两者在互相取长补短中不断发展，均已经形成了丰富多彩的工艺技术体系。

铸造作为金属耐磨材料成形制造的基本工艺之一，其“长”在灵活性和广泛的适应性。可以说铸造是“万能”成形技术，对人类文明和社会发展起到了不可替代的作用。然而，面临巨大的环保压力，传统铸造粉尘污染严重、高能耗和质量稳定性低的“短”却日益凸显，经常被人紧抓不放，甚至到了“零容忍”的程度。因此，铸造科技工作者和铸造企业家不得不思考铸造工艺升级，实现绿色铸造，以适应环保和清洁生产的要求。将锻造领域的本质因素“压力”引入铸造，出现了低压铸造、压铸和液态模锻等非重力铸造，特别是液态模锻技术将是弥补铸造短板的一个重要选择。

锻造作为金属耐磨材料成形制造的另一个基本工艺，其最突出的“长”就是产品的组织性能优异。但是，现如今，传统锻造的劳动环境差、能耗高、对材料和工件的适应性差的“短”也日益凸显。为了克服锻造技术在材料和工件适应性方面的短板，锻造领域不断引入铸造技术中的“液态流变”优势，出现了半固态锻造和液态模锻等特种锻造技术。特别是液态模锻具有“万能锻造”的特点，将是弥补锻造技术短板的一个重要选择。

液态模锻的技术原理与特点

液态模锻又称挤压铸造，它的本质特征有三点：一是加压充型，即金属液在压力作用下充填模腔和型腔；二是加压凝固和高压补缩，即液态金属在压力的持续作用下发生凝固，并在压力作用下补缩，可以获得没有收缩缺陷的工件；三是快速冷却，即在高压作用下，铸件与模具之间始终紧密接触，没有传统铸造的“气隙”，冷却速度比重力铸造提高10倍以上。

液态模锻技术集铸造的广泛适用性和锻造的优质高效于一身，可以说是用铸造方法生产锻件，也可以说是用锻造方法生产铸件。由于其对材料的铸造和锻造工艺性能几乎没有要求，所以有人称其为“万能锻造”，成了铸造和锻造行业技术升级的新选择，如图1所示。

图1 铸锻技术升级（液态模锻）的技术原理

液态模锻件的组织性能显著高于铸造件，与模锻件相媲美。具体表现在：

⑴成形缺陷少，开裂倾向小；

⑵流动性极好，螺旋线长度可达1350mm；

⑶内部致密，接近材料的理论密度；

⑷微观组织显著细化，均匀；

⑸强度、韧性同步提高。

锻造企业采用液态模锻技术的条件

从工程应用的角度说，任何一个工艺技术都不是万能的。液态模锻技术也一样，尽管其具有广泛的适应性，但是，其推广应用也是有条件的。锻造生产企业采用液态模锻应着重审视如下三个方面的条件。

产品与市场条件

产品及其市场是审视液态模锻可行性的首要条件。液态模锻技术属于有模成形技术，而且是永久性模具。因此，模具费用的摊销在其成本构成中占有重要地位。从模具投资和费用摊销的角度看，液态模锻不适于单件小批量的常规产品，适用于大批量、消耗性零配件和传统铸锻技术均难以生产的高端锻件的生产。

如果液态模锻件批量过小，则会出现组织生产困难，模具费用的摊销过大，从而导致技术经济性不好。一般来说，一种规格的液态模锻产品的最小批量不小于1000模，年订货量不小于10批，即不小于1万件。

液态模锻的典型产品有：锤头、斗齿、板锤、衬板、大型磨球、篦条等耐磨件，法兰、阀体、齿轮等通用零件和轮盘盖、杆架类汽车、高铁车辆零件。这些零件是一个持续改进、有持续需求的长线产品。即使每个订单批量不是很大，但其市场潜量巨大，仍然可以考虑采用液态模锻。

此外，受投资规模和现有设备能力的限制，液态模锻件的单重一般不大于1吨，轮廓尺寸不大于1.5米。

液态模锻件的材料几乎没有限制，锰钢系列、白口铁系列、合金钢系列、铝合金、镁合金、铜合金、锌合金等均可采用液态模锻技术生产。

主要设备条件

液态模锻的工艺流程如图2所示。包括备配料、熔炼、喷涂料、浇注、液锻、取件、清模等基本工序。

相应地，液态模锻需要的主要设备如表1所示。其中核心设备是液态模锻机，目前生产钢铁零件的液态模锻机尚未达到标准化、系列化的状态，需要根据工艺要求非标订制；液锻模具是必不可少的工装，并不是一种产品就需要一套模具，可以根据产品结构进行分组分类，通过更换模腔来实现一模多用；其熔炼设备与传统铸造也有所不同，不求容量大，而要求快，一拖二的中频炉比较合适；喷涂机、浇注机和取件机则是根据产品及规模进行配置的周边设备，也需要非标订制；质量检验、热处理、光整等设备同于现有的耐磨铸锻件。

表1 液态模锻主要设备一览表

图2 液态模锻的基本工艺流程

有色金属液态模锻的设备与钢铁件液态模锻的主要区别是熔炼设备。特别是铝合金、镁合金等易氧化材料，一般不用感应电炉熔炼，而用电阻炉或燃气炉熔炼。

场地和投资条件

液态模锻与传统锻造相比，工艺流程短，生产场地小，投资不大。例如，年产20万件单重100kg的合金钢零件，设备投资在500万元左右，液锻车间面积在500m2左右即可，车间供电约2000kW（其中熔炼1000kW，热处理500kW，其他500kW），如图3所示。

图3 年产20万模液锻车间简图

液态模锻技术应用实例

液态模锻技术正处于快速推广与应用的时期，国内外都有大量的应用实例。仅北京交通大学邢书明教授开发的液态模锻产品就多达几十种，获得发明专利近20多件。目前单重最大的液态模锻钢件已经达到了300kg，最小的只有几十克。液态模锻耐磨钢件有破碎机锤头、球磨机衬板、板锤、辊环、磨辊、斗齿、轧辊、轧钢机侧导板等，液态模锻铝合金件有轮毂、连杆、悬臂、轴箱体、活塞等汽车零件，液态模锻铜合金件有高炉风口、滑动轴承、机车触头、氧枪喷头、高压开关触头等，液态模锻钢管件有法兰盘、液压阀体、蝶阀的碟板；液态模锻通用钢件有齿轮、皮带轮、车轮、分离机转鼓等。

总体来看，目前液态模锻技术已经成熟，进入了针对具体产品的应用开发阶段。开发的内容主要是面向产品的液态模锻工艺设计、液态模锻模具设计以及液态模锻设备配置，形成工艺+模具+设备的一体化成套技术。