淺談液態模鍛技術及其應用

文/邢書明·北京交通大學機械與電子控制工程學院

液態模鍛是一種集鑄造的廣泛適用性和鍛造的高品質于一體的金屬綠色成形技術，以其高效、綠色、短流程、高品質等一系列獨特的優勢受到了鑄造領域和鍛造領域的高度重視。其工業應用范圍不斷擴大，已經從早期的鋁合金，擴展到了鎂合金、銅合金、合金鋼、球墨鑄鐵以及復合材料領域，成了傳統鑄造和鍛造產品技術升級的重要選擇，特別是在高品質復雜零件及消耗性耐磨、耐熱、耐蝕零件的低成本精密成形中具有突出的技術經濟優勢。本文系統介紹了液態模鍛的技術關鍵、工藝方法、研究與應用現狀，并提供了大量應用案例。

鍛造技術的升級方向

鑄造和鍛造是金屬耐磨材料成形的兩類基本工藝，兩者在互相取長補短中不斷發展，均已經形成了豐富多彩的工藝技術體系。

鑄造作為金屬耐磨材料成形制造的基本工藝之一，其“長”在靈活性和廣泛的適應性?？梢哉f鑄造是“萬能”成形技術，對人類文明和社會發展起到了不可替代的作用。然而，面臨巨大的環保壓力，傳統鑄造粉塵污染嚴重、高能耗和質量穩定性低的“短”卻日益凸顯，經常被人緊抓不放，甚至到了“零容忍”的程度。因此，鑄造科技工作者和鑄造企業家不得不思考鑄造工藝升級，實現綠色鑄造，以適應環保和清潔生產的要求。將鍛造領域的本質因素“壓力”引入鑄造，出現了低壓鑄造、壓鑄和液態模鍛等非重力鑄造，特別是液態模鍛技術將是彌補鑄造短板的一個重要選擇。

鍛造作為金屬耐磨材料成形制造的另一個基本工藝，其最突出的“長”就是產品的組織性能優異。但是，現如今，傳統鍛造的勞動環境差、能耗高、對材料和工件的適應性差的“短”也日益凸顯。為了克服鍛造技術在材料和工件適應性方面的短板，鍛造領域不斷引入鑄造技術中的“液態流變”優勢，出現了半固態鍛造和液態模鍛等特種鍛造技術。特別是液態模鍛具有“萬能鍛造”的特點，將是彌補鍛造技術短板的一個重要選擇。

液態模鍛的技術原理與特點

液態模鍛又稱擠壓鑄造，它的本質特征有三點：一是加壓充型，即金屬液在壓力作用下充填模腔和型腔；二是加壓凝固和高壓補縮，即液態金屬在壓力的持續作用下發生凝固，并在壓力作用下補縮，可以獲得沒有收縮缺陷的工件；三是快速冷卻，即在高壓作用下，鑄件與模具之間始終緊密接觸，沒有傳統鑄造的“氣隙”，冷卻速度比重力鑄造提高10倍以上。

液態模鍛技術集鑄造的廣泛適用性和鍛造的優質高效于一身，可以說是用鑄造方法生產鍛件，也可以說是用鍛造方法生產鑄件。由于其對材料的鑄造和鍛造工藝性能幾乎沒有要求，所以有人稱其為“萬能鍛造”，成了鑄造和鍛造行業技術升級的新選擇，如圖1所示。

圖1 鑄鍛技術升級（液態模鍛）的技術原理

液態模鍛件的組織性能顯著高于鑄造件，與模鍛件相媲美。具體表現在：

⑴成形缺陷少，開裂傾向??；

⑵流動性極好，螺旋線長度可達1350mm；

⑶內部致密，接近材料的理論密度；

⑷微觀組織顯著細化，均勻；

⑸強度、韌性同步提高。

鍛造企業采用液態模鍛技術的條件

從工程應用的角度說，任何一個工藝技術都不是萬能的。液態模鍛技術也一樣，盡管其具有廣泛的適應性，但是，其推廣應用也是有條件的。鍛造生產企業采用液態模鍛應著重審視如下三個方面的條件。

產品與市場條件

產品及其市場是審視液態模鍛可行性的首要條件。液態模鍛技術屬于有模成形技術，而且是永久性模具。因此，模具費用的攤銷在其成本構成中占有重要地位。從模具投資和費用攤銷的角度看，液態模鍛不適于單件小批量的常規產品，適用于大批量、消耗性零配件和傳統鑄鍛技術均難以生產的高端鍛件的生產。

如果液態模鍛件批量過小，則會出現組織生產困難，模具費用的攤銷過大，從而導致技術經濟性不好。一般來說，一種規格的液態模鍛產品的最小批量不小于1000模，年訂貨量不小于10批，即不小于1萬件。

液態模鍛的典型產品有：錘頭、斗齒、板錘、襯板、大型磨球、篦條等耐磨件，法蘭、閥體、齒輪等通用零件和輪盤蓋、桿架類汽車、高鐵車輛零件。這些零件是一個持續改進、有持續需求的長線產品。即使每個訂單批量不是很大，但其市場潛量巨大，仍然可以考慮采用液態模鍛。

此外，受投資規模和現有設備能力的限制，液態模鍛件的單重一般不大于1噸，輪廓尺寸不大于1.5米。

液態模鍛件的材料幾乎沒有限制，錳鋼系列、白口鐵系列、合金鋼系列、鋁合金、鎂合金、銅合金、鋅合金等均可采用液態模鍛技術生產。

主要設備條件

液態模鍛的工藝流程如圖2所示。包括備配料、熔煉、噴涂料、澆注、液鍛、取件、清模等基本工序。

相應地，液態模鍛需要的主要設備如表1所示。其中核心設備是液態模鍛機，目前生產鋼鐵零件的液態模鍛機尚未達到標準化、系列化的狀態，需要根據工藝要求非標訂制；液鍛模具是必不可少的工裝，并不是一種產品就需要一套模具，可以根據產品結構進行分組分類，通過更換模腔來實現一模多用；其熔煉設備與傳統鑄造也有所不同，不求容量大，而要求快，一拖二的中頻爐比較合適；噴涂機、澆注機和取件機則是根據產品及規模進行配置的周邊設備，也需要非標訂制；質量檢驗、熱處理、光整等設備同于現有的耐磨鑄鍛件。

表1 液態模鍛主要設備一覽表

圖2 液態模鍛的基本工藝流程

有色金屬液態模鍛的設備與鋼鐵件液態模鍛的主要區別是熔煉設備。特別是鋁合金、鎂合金等易氧化材料，一般不用感應電爐熔煉，而用電阻爐或燃氣爐熔煉。

場地和投資條件

液態模鍛與傳統鍛造相比，工藝流程短，生產場地小，投資不大。例如，年產20萬件單重100kg的合金鋼零件，設備投資在500萬元左右，液鍛車間面積在500m2左右即可，車間供電約2000kW（其中熔煉1000kW，熱處理500kW，其他500kW），如圖3所示。

圖3 年產20萬模液鍛車間簡圖

液態模鍛技術應用實例

液態模鍛技術正處于快速推廣與應用的時期，國內外都有大量的應用實例。僅北京交通大學邢書明教授開發的液態模鍛產品就多達幾十種，獲得發明專利近20多件。目前單重最大的液態模鍛鋼件已經達到了300kg，最小的只有幾十克。液態模鍛耐磨鋼件有破碎機錘頭、球磨機襯板、板錘、輥環、磨輥、斗齒、軋輥、軋鋼機側導板等，液態模鍛鋁合金件有輪轂、連桿、懸臂、軸箱體、活塞等汽車零件，液態模鍛銅合金件有高爐風口、滑動軸承、機車觸頭、氧槍噴頭、高壓開關觸頭等，液態模鍛鋼管件有法蘭盤、液壓閥體、蝶閥的碟板；液態模鍛通用鋼件有齒輪、皮帶輪、車輪、分離機轉鼓等。

總體來看，目前液態模鍛技術已經成熟，進入了針對具體產品的應用開發階段。開發的內容主要是面向產品的液態模鍛工藝設計、液態模鍛模具設計以及液態模鍛設備配置，形成工藝+模具+設備的一體化成套技術。

結論

⑴液態模鍛作為鑄鍛技術的升級，適于生產高要求、大批量、難變形材料或難鍛造材料、沒有復雜內腔的合金鋼及有色合金鑄件。與固態模鍛相比，液態模鍛具有工藝流程短、生產效率高、綠色環保、材料利用率高、成本低的優勢。

⑵液態模鍛技術已經成熟，但需要針對具體產品進行液態模鍛工藝設計、模具設計、涂料設計以及設備配置等成套技術的應用開發。