邢書明， 邢若蘭

(1. 北京交通大學(xué) 機械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044； 2. 北京市總工會職工大學(xué)， 北京 100054)

液態(tài)模鍛既是一種特種鍛造技術(shù)，也是一種特種鑄造技術(shù)，在鍛造領(lǐng)域被稱為液態(tài)模鍛，而在鑄造領(lǐng)域則稱為擠壓鑄造。液態(tài)模鍛的本質(zhì)特征是對處于液態(tài)的金屬材料施加高壓而流變與凝固成形。自二戰(zhàn)戰(zhàn)場上作為一種零件快速成形技術(shù)被發(fā)明以來，作為一種金屬零件成形制造技術(shù)取得了巨大發(fā)展，目前已經(jīng)進入了規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用階段。文章對近10年來液態(tài)模鍛技術(shù)在工藝、裝備、材料、標(biāo)準(zhǔn)以及工業(yè)應(yīng)用等5大方面進行了綜述，指出目前的問題和今后的發(fā)展方向。

1 液態(tài)模鍛工藝方法的研究與進展

液態(tài)模鍛工藝方法的突出特征就是加壓，其加壓方式靈活多樣。各種工藝方法都是施壓途徑、施壓方向、模腔數(shù)量和結(jié)構(gòu)、型芯使用等方面的交叉與綜合。目前，已經(jīng)形成了包括直接液鍛、間接液鍛、復(fù)合液鍛和智能液鍛4大類加壓方式的一個完整體系，液態(tài)模鍛工藝方法分類見表1，基本類型圖1所示。

表1 液態(tài)模鍛工藝方法分類一覽表[1]

1.1 直接液鍛

直接液態(tài)模鍛是最早采用的液鍛工藝，如圖1(a)所示。其壓頭直接作用在工件金屬上，工件的承壓面積與其水平投影面積相同，無澆道、無冒口，工藝出品率可達100%。由于這種工藝下金屬的流變方向與壓頭施壓方向相同，其壓力傳遞簡潔、加壓效果明顯。但是，研究和應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，直接液鍛工藝存在2個突出問題，限制了其應(yīng)用。

圖1 液態(tài)模鍛的基本類型Fig.1 Basic types of molten metal die forging

1)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(zhì)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(xué)成分影響，而這兩個因素是很難準(zhǔn)確控制的。因此，直接液鍛不適于尺寸精度要求高且不加工的工件。為了提高其尺寸精度，可以在模具上設(shè)置溢流槽的方法進行定量[2]。但是，溢流槽定量只能解決澆注量過量帶來尺寸精度低的問題，澆注欠量的情況下就會因尺寸不合格或內(nèi)部不致密而報廢。

2)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(fù)雜的情況下，凸模與凹模的配合間隙很難均勻一致，在工作過程升溫帶來的熱膨脹和變形可能導(dǎo)致凹凸模之間的配合關(guān)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，成型質(zhì)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。

1.2 間接液態(tài)模鍛

專業(yè)化液鍛機出現(xiàn)后，間接液態(tài)模鍛越來越受重視。與直接液鍛不同，其壓頭并不直接作用在工件金屬上，而是作用在料筒內(nèi)的金屬上，間接地對工件金屬加壓，如圖1(b)所示。其最大的優(yōu)勢是可以獲得尺寸精確的零件毛坯，并可以一模多腔，生產(chǎn)效率顯著提高。近年來間接液態(tài)模鍛工藝的主要進展是圍繞充分補縮展開的，主要表現(xiàn)是薄壁化以及高性能化。

薄壁化是間接液鍛的研究熱點之一。通常認為液態(tài)模鍛適合做壁厚大于10 mm的厚壁零件，但是隨著間接液態(tài)模鍛技術(shù)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。因此利用間接液態(tài)模鍛技術(shù)生產(chǎn)薄壁零件的研究與應(yīng)用越來越多。目前已經(jīng)可以生產(chǎn)壁厚2～3 mm的鋁合金復(fù)雜件，從而出現(xiàn)了與壓鑄技術(shù)競爭發(fā)展的態(tài)勢，相應(yīng)地出現(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。

高性能化是間接液鍛的又一個研究重點。液態(tài)模鍛從一開始就給人一種高性能化的期望。但是，實際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)令人失望的結(jié)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。近年來的研究和應(yīng)用證明，液態(tài)模鍛件性能不穩(wěn)定的原因，首先在于液態(tài)合金在給料和充型過程都有造成氧化、卷氣和卷渣的危險；其次，液態(tài)模鍛成形是流變與凝固的強耦合過程，收縮缺陷、熱裂缺陷以及冷隔等缺陷發(fā)生概率較高；第三，液態(tài)模鍛屬于液態(tài)成型的范疇，其凝固過程的熔質(zhì)再分配無法完全避免，偏析現(xiàn)象在所難免。突破這3方面的問題，是實現(xiàn)高性能的關(guān)鍵。

1.3 復(fù)合液鍛和智能液鍛

液態(tài)模鍛技術(shù)的進一步發(fā)展，產(chǎn)生了“間-直復(fù)合的液態(tài)模鍛”和智能液態(tài)模鍛。所謂“間-直復(fù)合的液態(tài)模鍛”就是間接加壓充型、直接加壓補縮的復(fù)合液態(tài)模鍛，如圖1(c)所示。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(fù)雜重要零件的液態(tài)模鍛中應(yīng)用越來越多。目前，局部加壓、分級加壓和多向加壓的復(fù)合液態(tài)模鍛研究和應(yīng)用成了新熱點。這種根據(jù)需要靈活加壓的復(fù)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(fù)合液鍛和智能液鍛的技術(shù)關(guān)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(shù)，即對液態(tài)模鍛的溫度場和凝固過程進行模擬仿真?？上驳氖?，這種模擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)專業(yè)人員熟悉并靈活應(yīng)用的手段。只要盡量符合實際地輸入有關(guān)的條件，如材料參數(shù)、工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)以及冷卻參數(shù)，就可以比較準(zhǔn)確地預(yù)報成型質(zhì)量，為工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制提供重要參考。

2 液態(tài)模鍛技術(shù)裝備的研究與應(yīng)用進展

液態(tài)模鍛技術(shù)裝備經(jīng)歷了最早的油壓機改制型、壓鑄機改制型2個階段,如圖2所示。目前正在向?qū)I(yè)化和大型化的方向快速邁進。

圖2 改制型液態(tài)模鍛機Fig.2 Modified MMDF machine

專業(yè)化液態(tài)模鍛技術(shù)裝備在國內(nèi)外都是基于壓鑄技術(shù)裝備發(fā)展起來的。國外專業(yè)化的液態(tài)模鍛裝備生產(chǎn)商基本都是壓鑄機企業(yè)。日本宇部興產(chǎn)生產(chǎn)的HVSC和VSC系列擠壓鑄造機，截至2017年已銷售307臺[3]，是中國早期液態(tài)模鍛裝備的主要供應(yīng)商。日本東芝公司的DXHV和DXV擠壓鑄造機采用電磁泵裝置輸液，縮短了金屬液充型至開始加壓的時間，減少料缸中因凝固結(jié)殼給鑄件帶來的夾渣、冷隔等缺陷。但是，電磁泵的使用可靠性還不能令人滿意。歐洲一些壓鑄機專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)(如瑞士布勒)甚至通過改造壓鑄機的壓射系統(tǒng)實現(xiàn)液態(tài)模鍛，實現(xiàn)了一機多用。

國內(nèi)專業(yè)化的液態(tài)模鍛裝備生產(chǎn)商主要是廣州合德輕量化成型技術(shù)有限公司和蘇州三基鑄造裝備股份有限公司。他們已經(jīng)都可以生產(chǎn)立式、臥式專業(yè)化的液態(tài)模鍛機，其技術(shù)水平已經(jīng)接近國際先進水平，可以實時控制壓射過程、工藝參數(shù)計算機控制與顯示、可傾轉(zhuǎn)料筒合模澆注，形成了模具清理與冷卻、噴涂、給湯澆注、液鍛、取件、完整性識別、冷卻、切澆口等全流程自動化的液鍛島，實現(xiàn)了無人化全自動作業(yè)。其中，蘇州三基鑄造裝備有限公司形成了SCH臥式擠壓鑄造機和SCV立式擠壓鑄造機兩大系列。SCH臥式擠壓鑄造機是臥式合模、立式壓射的結(jié)構(gòu)；SCV立式擠壓鑄造機則是立式合模、立式壓射的結(jié)構(gòu)，近5年投放市場百余臺套。廣州合德輕量化成型技術(shù)有限公司起步較晚，但其機型也包括了臥式合模、立式壓射的HVSC系列臥式液態(tài)模鍛機和立式合模、立式壓射結(jié)構(gòu)的HSC系列的立式液態(tài)模鍛機兩大系列，可實現(xiàn)加料、給湯、噴霧、取件、冷卻、轉(zhuǎn)運、堆垛、去毛邊、打磨等工作的全自動化作業(yè)，近5年投放市場158臺。此外，上海一達也實現(xiàn)了在壓鑄機上進行壓鑄與液態(tài)模鍛的便利切換，實現(xiàn)了一機多用。

液態(tài)模鍛技術(shù)裝備的專業(yè)化還表現(xiàn)在液態(tài)模鍛模具設(shè)計與制造的專業(yè)化。近年來，很多壓鑄模企業(yè)立足多年壓鑄模設(shè)計生產(chǎn)的經(jīng)驗，開始著力向液鍛模的設(shè)計與制造方向發(fā)展。目前很多壓鑄模模具廠基本可以做到基于零件的液鍛成形工藝分析、模流分析、模具CAD及CAE，為液態(tài)模鍛技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了專業(yè)化模具保障。但是，必須看到，目前液鍛模的設(shè)計還無規(guī)范可依，基本是專家型和經(jīng)驗式設(shè)計，因此，液鍛模的設(shè)計規(guī)范將是亟需研究的課題。

目前液態(tài)模鍛技術(shù)裝備存在的主要問題是給湯機澆注過程氧化嚴(yán)重、料筒傾出導(dǎo)致開始加壓時間長、壓射系統(tǒng)和模具熱制度控制水平較低，導(dǎo)致液態(tài)模鍛件的質(zhì)量穩(wěn)定性低。例如，液態(tài)模鍛6061車輪的抗拉強度和伸長率可以分別達到 371 MPa 和 16%[4]，高于模鍛件的性能。KANG等[5]在100 MPa 壓力下非固態(tài)模鍛Al-Si-Mg合金H型試件，其極限強度達到了320 MPa，延伸率達到了13%，可以與固態(tài)模鍛6061的性能相媲美，但其強度和伸長率離差分別達 40 MPa 和 3%。要從根本上提高液態(tài)模鍛件質(zhì)量、解決性能穩(wěn)定性低的問題，需要擺脫目前壓鑄島思路的約束，根據(jù)液鍛工藝特點開發(fā)出潔凈化給湯、壓射系統(tǒng)的實時控制、模具熱制度有效調(diào)控的“液鍛島”。

此外，零件輕量化和集成化制造需求催生了零件成型裝備的大型化。壓鑄裝備公稱力已經(jīng)達到了萬噸級，而液鍛裝備的大型化程度還很不夠。目前國內(nèi)最大噸位的立式液態(tài)模鍛機只有4 000 t，臥式液態(tài)模鍛機只有3 500 t。液態(tài)模鍛機組能力的大型化是液鍛技術(shù)裝備今后的又一個發(fā)展趨勢。

3 液態(tài)模鍛材料與產(chǎn)品的研究進展

3.1 液態(tài)模鍛材料的概念

邢書明教授早在2015年就提出了“液態(tài)模鍛材料”和“液態(tài)模鍛工藝性能”的概念[6-7]。簡單說，可以采用液態(tài)模鍛工藝進行零件成形的材料稱為液鍛材料；評價材料液態(tài)模鍛成形難易程度的性能稱為液鍛工藝性能。液鍛工藝性能主要包括充型能力、熱裂敏感性和補縮能力3個方面。

早期的液態(tài)模鍛材料主要是常用的鑄造鋁合金。隨著液態(tài)模鍛技術(shù)的發(fā)展，液態(tài)模鍛材料已經(jīng)突破了鑄造合金的限制，向變形鋁合金領(lǐng)域拓展，對標(biāo)模鍛件。例如，用變形鋁合金2A50液鍛特種車輛輪盤取得了大批量生產(chǎn)應(yīng)用，替代鍛造輪盤，性能滿足要求的同時成本顯著降低[8]；又如,用變形鋁合金7A04生產(chǎn)紡織機盤頭零件，也取得了預(yù)期的效果?？梢哉f所有變形合金和鑄造合金都是液鍛材料，但是材料的液鍛工藝性能與液鍛工藝直接相關(guān)。實驗證明，ZL205A鋁合金在30 MPa比壓下直接液鍛，其熱裂敏感性很大，螺旋線試樣出模就裂成了數(shù)段，但是，將比壓提高至60 MPa，則長達1 350 mm的螺旋線試樣未見任何裂紋，如圖3所示。

圖3 液鍛比壓對裂紋敏感性的影響Fig.3 Effects of the pressure on the cracking susceptibility

目前，液態(tài)模鍛材料除了鋁合金外，已經(jīng)向銅合金、鋼鐵材料及金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域延伸，并取得了成功的應(yīng)用。特別是鋼鐵耐磨材料液鍛件，強韌兼?zhèn)洌湍バ燥@著提高。

3.2 液態(tài)模鍛的產(chǎn)業(yè)化與典型產(chǎn)品

液態(tài)模鍛作為一種零件成形技術(shù)已經(jīng)形成了一個新產(chǎn)業(yè)。一個新產(chǎn)業(yè)必須有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)做支撐。早在2011年，美國就公布了一個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ASTMB969/B969M-2011《擠壓鑄造、觸變和流變半固態(tài)鑄造鋁合金鑄件的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(Standard Specification for Aluminum-Alloy Casting Produced by the Squeeze Castng,Thixocast and Rheocast Semisolid Casting Processes)》。為了保證液態(tài)模鍛產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，2015年中國工業(yè)與信息化部發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T12551-2015《擠壓鑄造機》，為液態(tài)模鍛裝備的專業(yè)化提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)；2019年底中國鑄造協(xié)會公布了《鋁合金擠壓鑄造件》團體標(biāo)準(zhǔn)，2020年1月1日開始實施，填補了中國液態(tài)模鍛領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)空白；2021年，中國鍛標(biāo)委組織申請制定國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金液態(tài)模鍛件通用技術(shù)條件》。

目前，液態(tài)模鍛的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用迅速擴大。據(jù)不完全統(tǒng)計，國外壓鑄企業(yè)基本都有約占總產(chǎn)能10%的液態(tài)模鍛產(chǎn)能；國內(nèi)已經(jīng)形成年產(chǎn)10萬t以上的液態(tài)模鍛產(chǎn)能，液態(tài)模鍛生產(chǎn)企業(yè)近百家，遍布全國各地。已經(jīng)有了裝機數(shù)量在100臺套以上的企業(yè)、裝備10臺套以上的企業(yè)不少于30個，液鍛機公稱力2 000 t以上的企業(yè)有20余家。

液態(tài)模鍛的典型產(chǎn)品主要是汽車底盤零件、懸架系統(tǒng)零件、熱管理零件、電池包零件、電子通訊領(lǐng)域的5G零件、軍工領(lǐng)域的戰(zhàn)車輪盤、兵器零件、冶金礦山領(lǐng)域的耐磨、耐熱零件等，如圖4所示。其中，直接液態(tài)模鍛的典型零件是大型輪盤零件和大型板型件，例如液鍛汽車鋁合金車輪、戰(zhàn)車鋁合金輪盤、重卡輪轂、紡織機盤頭、破碎機板錘、軋鋼機側(cè)導(dǎo)板等，其性能與鍛件媲美而成本明顯低于鍛件。戰(zhàn)車輪盤是大型液鍛件的典型代表，采用3 000 t油壓機改制型液鍛機，以變形鋁合金2A50為原料，單機組產(chǎn)量達到了2萬件以上，產(chǎn)值過億元，已經(jīng)成功替代了鋼制輪盤和鍛造鋁合金輪盤列裝使用。間接液鍛的典型零件是叉架桿和罩殼座類的小型結(jié)構(gòu)件，正在與壓鑄產(chǎn)品深度交融發(fā)展。銅合金觸頭單個只有幾十克，但性能要求極高，采用液態(tài)模鍛技術(shù)生產(chǎn)合格率由精密鑄造的30%左右提高到85%以上，生產(chǎn)節(jié)奏不足1 min，取得了突出的提質(zhì)降耗的效果。

圖4 液鍛典型產(chǎn)品例Fig.4 Typical machine parts by melted die forging or squeeze casting

4 總結(jié)和展望

液態(tài)模鍛技術(shù)正在以前所未有的速度迅速發(fā)展，已經(jīng)形成了一個新產(chǎn)業(yè)，與壓鑄、低壓鑄造、固態(tài)熱模鍛等技術(shù)，構(gòu)筑了金屬零件成形技術(shù)的新體系。液態(tài)模鍛材料包括了鑄造合金、變形合金、基于標(biāo)準(zhǔn)合金成分進行優(yōu)化改良的新型液態(tài)模鍛合金和金屬基復(fù)合材料；液態(tài)模鍛件已經(jīng)涵蓋了輪盤蓋類、叉架座類、箱體罩等3大類常用零件。液態(tài)模鍛技術(shù)與裝備今后的主要發(fā)展方向是：

1)繼續(xù)擴大間接液鍛產(chǎn)品邊界，與壓鑄和半固態(tài)鑄造協(xié)同，向薄壁、復(fù)雜件的高性能成形方向延伸；

2)擴大直接液鍛產(chǎn)品邊界，對標(biāo)固態(tài)熱模鍛，向高強韌、大型復(fù)雜重要結(jié)構(gòu)件方向擴展；

3)提高液態(tài)模鍛裝備系統(tǒng)功能的完備性和可靠性，對接短流程、自動化和綠色環(huán)保需求，向多功能、智能化和大型化方向發(fā)展。