原標(biāo)題：大型結(jié)構(gòu)件擠壓鑄造（液態(tài)模鍛）高品質(zhì)成形

摘要：大型結(jié)構(gòu)件的高品質(zhì)整體成型是零件制造領(lǐng)域的難題。擠壓鑄造（也稱液態(tài)模鍛）以整體流變補(bǔ)縮解決了重力鑄造補(bǔ)縮效率低和收縮缺陷的問題，又以良好的流變充型能力突破了固態(tài)鍛造技術(shù)設(shè)備能力的限制，成為大型結(jié)構(gòu)件高品質(zhì)整體成形制造的新選擇。實(shí)踐證明，使用專用涂料、鑄造模具代替鍛造模塊并對模具溫度進(jìn)行有效調(diào)控是降低模具成本占比的有效途徑，局部多點(diǎn)加壓、復(fù)合擠壓以及隨流半固態(tài)擠壓鑄造都是顯著降低設(shè)備投資、確保高品質(zhì)成形的有效措施。

大型結(jié)構(gòu)件是很多大型裝備和機(jī)器的關(guān)鍵零部件，其成形質(zhì)量直接決定著整個(gè)裝備的運(yùn)行可靠性。交通運(yùn)輸車輛的車架、車體、枕梁、轉(zhuǎn)向架等大型框架零件已經(jīng)開始向整體成形方向發(fā)展，冶金礦山行業(yè)的軋鋼機(jī)軋輥和導(dǎo)衛(wèi)板（側(cè)導(dǎo)板）、圓錐破碎機(jī)的軋臼壁和破碎壁、反擊式破碎機(jī)的板錘、環(huán)錘式破碎機(jī)的環(huán)錘及顎式破碎機(jī)的顎板、各種球磨機(jī)和半自磨機(jī)的襯板、碾磨機(jī)的磨輥等大型耐磨件也在實(shí)現(xiàn)由砂型鑄造向高品質(zhì)綠色成形方向升級；軌道車輛的車輪、輪盤、輪轂等大型回轉(zhuǎn)體零件已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了向擠壓鑄造技術(shù)的綠色化轉(zhuǎn)型；國防軍工領(lǐng)域的很多大型結(jié)構(gòu)件也在不斷探求短流程、高品質(zhì)的綠色成形技術(shù)。

擠壓鑄造（液態(tài)模鍛）技術(shù)集成了傳統(tǒng)液態(tài)成形優(yōu)異的賦形能力、塑性成形的高致密和半固態(tài)成形的細(xì)晶均質(zhì)優(yōu)勢，已經(jīng)在很多可靠性要求高的零件成形中取得成功應(yīng)用，并且正在向大型結(jié)構(gòu)件的整體成形方向快速發(fā)展，特別是大型耐磨件的擠壓鑄造成形已經(jīng)成了耐磨領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展方向。

大型耐磨件的單件質(zhì)量都在數(shù)百乃至數(shù)千kg，輪廓尺寸可達(dá)數(shù)m，壁厚大。受耐磨材料塑性成形工藝性能的限制，目前這些大型耐磨件基本都是采用砂型鑄造方法生產(chǎn)。砂型鑄造大型耐磨件具有極高的工藝靈活性，但是受技術(shù)原理本身的限制，即使采用了約占工件質(zhì)量30%的大型保溫冒口，也很難做到均質(zhì)致密，內(nèi)部仍然存在不同程度的收縮缺陷，材料的耐磨性和可靠性有待改善。為了提高大型耐磨件的成形質(zhì)量和耐磨性，研究人員開展了大量的研究與探索。歸納起來，主要是如下3大方向：進(jìn)行材料成分及其冶金質(zhì)量的優(yōu)化，例如高錳鋼的再合金化、高鉻鑄鐵的變質(zhì)處理，都取得了可喜的效果，使大型耐磨件的使用壽命得到了大幅度提升；此外，對大型耐磨件進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鑲鑄或雙金屬復(fù)合鑄造；第三，通過優(yōu)化鑄造工藝，控制鑄造缺陷。采用寶珠砂或涼砂消失模鑄造，可以加速冷卻、細(xì)化組織；使用保溫和發(fā)熱冒口，可以提供補(bǔ)縮效率，大幅提高出品率；基于計(jì)算機(jī)充型與凝固模擬進(jìn)行澆注系統(tǒng)和冒口的優(yōu)化的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)順序凝固，提高補(bǔ)縮效果。然而，砂型重力鑄造受補(bǔ)縮壓力和砂型冷卻能力的限制，難以從根本上改變大型耐磨件晶粒粗大、收縮缺陷在所難免、使用中出現(xiàn)異常斷裂的問題。

擠壓鑄造的補(bǔ)縮壓力可以高達(dá)100 MPa，其鑄型是水冷金屬型，冷卻能力是砂型的十倍以上，只要恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用，就有可能突破砂型重力鑄造大型耐磨件補(bǔ)縮和冷卻的難題，從而使大型耐磨件在不提高材料成本的前提下進(jìn)一步提高耐磨性和使用壽命。事實(shí)上，擠壓鑄造技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的研究探索和應(yīng)用開發(fā)，不僅在鋁合金、鎂合金、鋅合金等有色零件高品質(zhì)成形中發(fā)揮了重要作用，而且已經(jīng)在鋼鐵零件成型領(lǐng)域取得了突破性應(yīng)用，成功制備了斗齒、錘頭等小型耐磨件，取得了預(yù)期的效果，正在向大型零件整體成形方向發(fā)展。

1、大型結(jié)構(gòu)件擠壓鑄造的模具技術(shù)

1.1 模具費(fèi)在產(chǎn)品成本中的占比

擠壓鑄造模具的造價(jià)隨著制件輪廓尺寸的增大急速上升，其使用壽命對產(chǎn)品成本產(chǎn)生重要影響。對于大型結(jié)構(gòu)件而言，模具費(fèi)用在成本中的占比會(huì)隨著使用壽命的變化可以在很大范圍變化。四腔100 kg級的錘頭模具見圖1，每模澆注量為420 kg，模具輪廓尺寸約1200 mm×1200 mm×1500 mm，質(zhì)量約為13 t，造價(jià)約45萬元。其中模具消耗件（模芯和型芯）造價(jià)約15萬元，其他結(jié)構(gòu)件幾乎是無限壽命。假定消耗件使用壽命為1000模，則產(chǎn)品模具費(fèi)攤銷為375元/t，這比砂型鑄造錘頭的造型成本稍高；而若使用壽命提高5倍，則模具費(fèi)攤銷降低了92%，只有30元/t，顯著低于砂型鑄造錘頭的造型成本。所以，如何提高模具消耗件的使用壽命、降低模具費(fèi)用在產(chǎn)品成本中的占比是大型耐磨件擠壓鑄造中必須解決的第一個(gè)關(guān)鍵問題。

圖1:錘頭四腔擠壓鑄造模具示意圖

如何定量測算模具費(fèi)用在成本中的占比，目前尚無統(tǒng)一的公式。采用“模具成本占比”來定量擠壓鑄造中模具對成本的影響。定義模具成本占比為模具消耗件的費(fèi)用在單位產(chǎn)品成本中所占的百分?jǐn)?shù)，見下式。模具成本占比α越大，說明模具費(fèi)用對產(chǎn)品成本影響越大。

式中，α為模具成本占比，%；Cm為模具一個(gè)生命周期中報(bào)廢消耗件的成本總和；C為單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本總和。

擠壓鑄造模具中的消耗件主要是孔芯、頂桿、模芯（也稱模仁）、活塊、壓頭、壓室等與金屬液直接接觸的零件，它們的費(fèi)用和使用壽命各不相同。假定 Ci為模具中各個(gè)消耗件(i =1,2,3,……n)的自身成本；Ni為模具中各個(gè)消耗件(i =1,2,3,…n)對應(yīng)的使用壽命；W為每個(gè)模的工件產(chǎn)量；Nmax為模具消耗件中壽命最長者的使用模次數(shù)；則模具成本占比可用下式進(jìn)行定量計(jì)算。

由式（1）和式（2）可見，降低模具成本占比的技術(shù)途徑有3個(gè)：一是提高各個(gè)模具消耗件的壽命Ni，二是提高單模產(chǎn)量W，三是降低模具消耗件自身的成本Ci。其中，提高模具消耗件壽命來降低模具成本占比受到了普遍重視，但是，在工件和模具材料確定的情況下，消耗件的壽命提高潛力很困難，提高單模產(chǎn)量W和降低模具消耗件自身成本Ci是降低模具成本占比的最有效的途徑。由此，可以認(rèn)為，工件單重越大，模具成本占比反而越低。也就是說，大型工件擠壓鑄造的模具成本占比反而小于小型零件。

1.2 模具的失效形式

模具消耗件壽命與其失效形式直接相關(guān)。模具消耗件的失效形式主要是兩類：①孔芯、頂桿、活塊、壓頭等運(yùn)動(dòng)件的變形、斷裂，見圖2；②模芯（也稱模仁）等賦形零件的變形、龜裂、熔焊和拉傷，見圖3和圖4。雖然各消耗件具體的時(shí)效形式有很大差異，但其失效的首要根源就是高溫金屬液的熱作用和高壓的力學(xué)作用。孔芯、頂桿、活塊、壓頭等的變形主要是因?yàn)榘涞慕饘僖合蚱鋫鳠釋?dǎo)致溫升過大，一旦超過其再結(jié)晶溫度，就會(huì)在抽芯、脫芯等過程被拉伸變形；賦形零件模芯的開裂主要發(fā)生在模具使用初期，高溫鋼水的熱沖擊作用，使其內(nèi)部熱應(yīng)力過大，超過了材料的極限強(qiáng)度而斷裂；局部熔焊則是發(fā)生在高溫金屬液直接長期沖擊的位置，高溫金屬液的熱量急速在此處積累，使模具局部溫度快速升高，一旦超過了材料的固相線溫度，就會(huì)出現(xiàn)局部熔化，隨后凝固過程與工件熔焊在一起。

圖2:模具消耗件變形失效

圖3:模芯開裂失效

圖4:熔焊或黏連失效

1.3 降低模具費(fèi)用占比的技術(shù)途徑

雖然模具失效的機(jī)理清晰，但要控制其失效、提高壽命，需要從模具材料、制造工藝、使用維護(hù)等多方面綜合治理，但以減低模具成本占比為目標(biāo)，問題則相對簡單。一般來說，模芯的壽命是所有模具消耗件中壽命最長的，其自身成本也最高。因此，提高模芯壽命、降低模芯自身成本是降低模具成本占比的關(guān)鍵。

1.3.1 使用鑄造模具

模具消耗件的壽命首先取決于其材料自身，因此，在小型工件擠壓鑄造中，使用高溫合金、高級熱作模具鋼等模塊材料制作模具消耗件，可以明顯提高使用壽命，也能使模具費(fèi)占比有所下降。但是，在大型結(jié)構(gòu)件擠壓鑄造中，消耗件尺寸大，若使用高級模具鋼鍛造模塊材料制造模芯，因材料利用率低導(dǎo)致自身制造成本很高，雖然提高了壽命，但并不能使模具費(fèi)用占比下降，有時(shí)甚至有所提高。相反，若使用鑄造模具鋼制造模芯，雖然使用壽命不及鍛造模具鋼，但其材料及制造成本顯著下降，進(jìn)而使模具成本占比降低。粗略估計(jì)，使用鑄造模芯可以減少材料用量50%左右，加工費(fèi)用減少40%左右，所以鑄造模芯的制造成本可以比鍛造模塊制造模芯降低至少60%。

由于鑄造模芯材料的熱強(qiáng)性較低，可以配合使用隔熱/絕熱雙層涂料，使模具最高工作溫度顯著降低，能有效防止開裂、熔焊和變形，達(dá)到提高使用壽命、降低模具成本占比的目的。

1.3.2 模具溫度的調(diào)控

模具溫度調(diào)控一直是有模成形領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。對于大型結(jié)構(gòu)件擠壓鑄造來說必須解決，否則擠壓鑄造的工藝優(yōu)勢很難發(fā)揮出來。目前能用于大型結(jié)構(gòu)件擠壓鑄造模具的模溫機(jī)尚不成熟，且運(yùn)行費(fèi)用較高。可行的模具溫度調(diào)控措施如下：

（1）使用高導(dǎo)熱耐高溫模芯  回轉(zhuǎn)體或箱體類大型結(jié)構(gòu)件的擠壓鑄造使用高導(dǎo)熱耐高溫模芯+高強(qiáng)鑄造模套組合模具可以實(shí)現(xiàn)模具溫度的有限調(diào)節(jié)。將水道開在模套上而不是開在模芯上，通過溫度傳感器和伺服閥組成的控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)模具溫度的閉環(huán)調(diào)控。這樣既可以防止大型模芯使用中變形導(dǎo)致密封破壞出現(xiàn)漏水事故，又可以確保熱量能及時(shí)排出。其中高導(dǎo)熱耐高溫模芯的首選材料是高強(qiáng)石墨。石墨的導(dǎo)熱系數(shù)是模具鋼的3倍左右，且其熱膨脹系數(shù)僅為鋼的1/6，所以，屬于良好的模具材料，其使用壽命可以長達(dá)萬模以上。因此，利用石墨做模芯，用帶有內(nèi)冷水道的鑄鋼做模套，既可以有效實(shí)現(xiàn)模具的溫度調(diào)控，又可以降低模具成本占比。但是，石墨原料的選擇和拼接是直接影響模具造價(jià)的重要方面，需要巧妙設(shè)計(jì)。

（2）使用導(dǎo)熱體技術(shù)調(diào)節(jié)模具溫度  大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的擠壓鑄造模具還可以局部使用導(dǎo)熱體的方法來調(diào)節(jié)模具溫度場。所謂導(dǎo)熱體方法就是在需要進(jìn)行局部精細(xì)控制溫度的位置，在其模芯與模套之間嵌裝一個(gè)銅或鋁制成的冷卻體，其內(nèi)鑲鑄冷卻水管，通以水、油或液氮等冷卻介質(zhì)，并采用控制系統(tǒng)控制其流量達(dá)到調(diào)控其冷速的目的。在工件壁厚差異很大的特大型鋼鐵件擠壓鑄造中，這種方法尤為適用。

2、大型結(jié)構(gòu)件擠壓鑄造的工藝裝備

大型結(jié)構(gòu)件擠壓鑄造的另一個(gè)關(guān)鍵問題是其工藝裝備的大型化。按照傳統(tǒng)擠壓鑄造的概念，直徑1 m的輪形件直接加壓擠壓鑄造，比壓取100 MPa，則需要的擠壓力要高達(dá)到80000 kN，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此，要實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件擠壓鑄造必須重新認(rèn)識擠壓鑄造，并采用能夠“小馬拉大車”的工藝技術(shù)。歸納起來，可以有效降低擠壓鑄造機(jī)噸位的技術(shù)途徑有局部加壓擠壓鑄造、復(fù)合擠壓鑄造和隨流半固態(tài)擠壓鑄造。

2.1 局部加壓擠壓鑄造

為了減小或消除擠壓鑄造模具作動(dòng)件之間的過盈摩擦，降低擠壓鑄造機(jī)的噸位，邢書明等發(fā)明了多點(diǎn)局部加壓的擠壓鑄造方法，見圖5。這種方法變整體加壓位局部加壓，變直接補(bǔ)縮位間接補(bǔ)縮。回轉(zhuǎn)體零件擠壓鑄造，不是采用傳統(tǒng)的凹凸模擠壓，而是采用了上下模結(jié)構(gòu)，見圖5，沿圓周設(shè)置多個(gè)直徑與其壁厚接近的小壓頭，進(jìn)行局部擠壓，壓頭下方的金屬熔體就會(huì)依照最小阻力原理向壓頭周邊流動(dòng)補(bǔ)縮，這就相當(dāng)于重力鑄造中的多個(gè)冒口補(bǔ)縮。對于圖5的直徑1 m的輪形件，只需要5000 kN左右的擠壓鑄造機(jī)就可以使比壓達(dá)到100 MPa以上，所得零件致密無縮松。

圖5:局部加壓擠壓鑄造示意圖

傳統(tǒng)的擠壓鑄造是對整個(gè)工件的整個(gè)水平投影面積范圍內(nèi)進(jìn)行直接加壓。這在小型工件上是可以的，但是對于大型結(jié)構(gòu)件而言，凸模（或壓頭）的熱膨脹量高達(dá)數(shù)mm，使凹凸模之間的動(dòng)作間隙經(jīng)常處于過盈配合狀態(tài)，大量的擠壓力消耗在了克服這種過盈摩擦力上，因而出現(xiàn)了名義比壓高達(dá)150 MPa，鋁合金輪轂內(nèi)部仍然存在縮松缺陷的“奇怪”現(xiàn)象。

相比之下，傳統(tǒng)鑄造技術(shù)補(bǔ)縮靠的是大氣壓力作用下冒口內(nèi)的金屬液流動(dòng)補(bǔ)縮。補(bǔ)縮壓力很低，只有0.1 MPa。但只要能創(chuàng)造順序凝固，確保補(bǔ)縮通道暢通，就能獲得補(bǔ)縮良好的致密鑄件。類似地，低壓鑄造補(bǔ)縮主要靠的是升液管的澆道補(bǔ)縮，雖然補(bǔ)縮壓力不足0.6 MPa，但是，只要工藝合理，同樣能獲得補(bǔ)縮良好的致密鑄件。這說明，如果能消除凹凸模之間的過盈摩擦，擠壓鑄造的補(bǔ)縮壓力可以大幅降低。通常說的液鍛比壓應(yīng)當(dāng)理解為是“名義比壓”，并不是真正作用于金屬熔體的比壓。因?yàn)榻饘僭谌埸c(diǎn)附近的變形抗力一般都不足1 MPa。因此，要實(shí)現(xiàn)良好的補(bǔ)縮，作用在金屬熔體上的比壓只要10 MPa左右就可以了！

2.2 間接-直接復(fù)合加壓擠壓鑄造

為了降低大型結(jié)構(gòu)件擠壓鑄造裝備的噸位，還可以利用間接充型、直接擠壓補(bǔ)縮的復(fù)合擠壓鑄造方法進(jìn)行成形。金屬液澆入壓室或型腔內(nèi)，通過下壓頭對金屬熔體加壓，金屬熔體在這一壓力作用下發(fā)生流變，充滿型腔，見圖6，這個(gè)過程屬于間接擠壓。隨后，利用壓頭在工件的厚大部位適時(shí)進(jìn)行直接擠壓，實(shí)現(xiàn)高壓補(bǔ)縮與凝固，直至凝固結(jié)束，這又像是直接擠壓。根據(jù)間-直復(fù)合的擠壓鑄造方法，利用8000 kN擠壓力就實(shí)現(xiàn)了火車鉤舌和車輪的擠壓鑄造，比按傳統(tǒng)直接擠壓鑄造方法計(jì)算需要的擠壓力降低了2/3。

圖6:間接-直接復(fù)合擠壓鑄造示意圖

2.3 隨流半固態(tài)擠壓鑄造

隨流半固態(tài)擠壓鑄造是順應(yīng)大型結(jié)構(gòu)件必須使用流槽澆注而發(fā)明的一種半固態(tài)擠壓鑄造方法，見圖7。其借鑒了低過熱斜坡冷卻法半固態(tài)漿料制備原理，與擠壓鑄造相結(jié)合成為一種擠壓鑄造新技術(shù)。

大型結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量大，一般都需要流槽澆注。大型結(jié)構(gòu)件熔體的熱容量大，澆注過程溫降小，因此可以采用較低溫度澆注。因此，就可以使溫度在液相線附近的金屬液流經(jīng)具有非自發(fā)形核作用的導(dǎo)流槽的過程中，形成含有一定固相的半固態(tài)合金熔體，在這種剪切稀化的流變過程順利進(jìn)入型腔，隨后進(jìn)行高壓凝固和補(bǔ)縮。這種方法利用了半固態(tài)合金剪切稀化的流變特性，不需要過大的比壓就可以實(shí)現(xiàn)充型和致密化。利用這種方法可以方便地生產(chǎn)半自磨機(jī)襯板、球磨機(jī)襯板、破碎機(jī)板錘等板型件。

圖7:隨流半固態(tài)成形擠壓鑄造示意圖

3、擠壓鑄造大型結(jié)構(gòu)件的組織與性能

擠壓鑄造成形的大型結(jié)構(gòu)件組織性能特點(diǎn)可以概括為細(xì)晶、致密和強(qiáng)韌兼?zhèn)洹D8為低壓鑄造、鑄旋與擠壓鑄造所得A356鋁合金大巴車輪轂的組織（輪緣取樣）對比。可以看出，擠壓鑄造的晶粒尺寸（圖c）比低壓鑄造（圖8a）顯著細(xì)化，與鑄旋車輪（圖8b）接近。

圖8:三種工藝下A356輪轂的細(xì)晶化

大型鋼鐵材料零件擠壓鑄造也證明了這種細(xì)化致密作用。圖9為1315板錘擠壓鑄造與金屬型鑄造的組織尺寸對比。材質(zhì)為高鉻鑄鐵KmTBCr26。可以看出，擠壓鑄造高鉻鑄鐵的奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和碳化物尺寸都顯著細(xì)化，且擠壓鑄造的碳化物有球化的趨勢。

(a)金屬型，(b)150MPa擠壓鑄造
圖9:擠壓鑄造和金屬型鑄造高鉻鑄鐵KmTBCr26的組織對比

擠壓鑄造大型結(jié)構(gòu)件在上述組織細(xì)化和致密化的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品的強(qiáng)度和韌塑性同步提高，見表1。1700 mm×150 mm×60 mm的卷取機(jī)側(cè)導(dǎo)板，單重為350 kg，材質(zhì)為高鉻鑄鋼ZG55Cr18Mo3NiV, 名義比壓150 MPa壓力下擠壓鑄造可以使沖擊韌性提高到14 J，比重力金屬型鑄造提高了1倍以上。694 mm×300 mm×110 mm的1214高鉻鑄鐵板錘，150 MPa名義壓力下擠壓鑄造可以使沖擊韌性提高到8 J以上，比重力金屬型鑄造提高了1倍以上。特種車輛負(fù)重輪材質(zhì)為2A50，在80 MPa壓力下擠壓鑄造強(qiáng)度和塑性比金屬型鑄造都有顯著提高，其極限強(qiáng)度可達(dá)350 MPa，同時(shí)伸長率為8%；鑄鋼ZG35大型橋梁支座100 MPa擠壓鑄造的強(qiáng)度比砂型鑄造提高了300 MPa，伸長率依然保持在12%的水平。真實(shí)比壓38 MPa下擠壓鑄造E級鋼鉤舌的-40 ℃沖擊韌度高達(dá)32 J，比金屬型鑄造提高了僅1倍。

表1:擠壓鑄造大型結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能

4、結(jié)論

（1）擠壓鑄造（也稱液態(tài)模鍛）可以進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)件整體成形，所得零件具有細(xì)晶致密、高韌兼?zhèn)涞耐怀鰞?yōu)勢；

（2）使用專用涂料、鑄造模具代替鍛造模塊并對模具溫度進(jìn)行有效調(diào)控以及提高單模產(chǎn)量是降低模具成本占比的有效途徑。

（3）采用局部多點(diǎn)加壓、間接+直接的復(fù)合擠壓以及隨流半固態(tài)擠壓都是顯著降低設(shè)備投資、確保高品質(zhì)成形的有效措施。

作者：
邢書明 閆光遠(yuǎn) 鮑培瑋
北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院

潘琦俊 胡柏麗 王超
蕪湖禾田汽車工業(yè)有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第02期