淺談液態(tài)模鍛技術(shù)及其應(yīng)用

文/邢書明·北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院

液態(tài)模鍛是一種集鑄造的廣泛適用性和鍛造的高品質(zhì)于一體的金屬綠色成形技術(shù)，以其高效、綠色、短流程、高品質(zhì)等一系列獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到了鑄造領(lǐng)域和鍛造領(lǐng)域的高度重視。其工業(yè)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)從早期的鋁合金，擴(kuò)展到了鎂合金、銅合金、合金鋼、球墨鑄鐵以及復(fù)合材料領(lǐng)域，成了傳統(tǒng)鑄造和鍛造產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)的重要選擇，特別是在高品質(zhì)復(fù)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(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。本文系統(tǒng)介紹了液態(tài)模鍛的技術(shù)關(guān)鍵、工藝方法、研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，并提供了大量應(yīng)用案例。

鍛造技術(shù)的升級(jí)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(bǔ)短中不斷發(fā)展，均已經(jīng)形成了豐富多彩的工藝技術(shù)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(yīng)性。可以說鑄造是“萬能”成形技術(shù)，對(duì)人類文明和社會(huì)發(fā)展起到了不可替代的作用。然而，面臨巨大的環(huán)保壓力，傳統(tǒng)鑄造粉塵污染嚴(yán)重、高能耗和質(zhì)量穩(wěn)定性低的“短”卻日益凸顯，經(jīng)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(yè)家不得不思考鑄造工藝升級(jí)，實(shí)現(xiàn)綠色鑄造，以適應(yīng)環(huán)保和清潔生產(chǎn)的要求。將鍛造領(lǐng)域的本質(zhì)因素“壓力”引入鑄造，出現(xiàn)了低壓鑄造、壓鑄和液態(tài)模鍛等非重力鑄造，特別是液態(tài)模鍛技術(shù)將是彌補(bǔ)鑄造短板的一個(gè)重要選擇。

鍛造作為金屬耐磨材料成形制造的另一個(gè)基本工藝，其最突出的“長”就是產(chǎn)品的組織性能優(yōu)異。但是，現(xiàn)如今，傳統(tǒng)鍛造的勞動(dòng)環(huán)境差、能耗高、對(duì)材料和工件的適應(yīng)性差的“短”也日益凸顯。為了克服鍛造技術(shù)在材料和工件適應(yīng)性方面的短板，鍛造領(lǐng)域不斷引入鑄造技術(shù)中的“液態(tài)流變”優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)了半固態(tài)鍛造和液態(tài)模鍛等特種鍛造技術(shù)。特別是液態(tài)模鍛具有“萬能鍛造”的特點(diǎn)，將是彌補(bǔ)鍛造技術(shù)短板的一個(gè)重要選擇。

液態(tài)模鍛的技術(shù)原理與特點(diǎn)

液態(tài)模鍛又稱擠壓鑄造，它的本質(zhì)特征有三點(diǎn)：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(bǔ)縮，即液態(tài)金屬在壓力的持續(xù)作用下發(fā)生凝固，并在壓力作用下補(bǔ)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(tǒng)鑄造的“氣隙”，冷卻速度比重力鑄造提高10倍以上。

液態(tài)模鍛技術(shù)集鑄造的廣泛適用性和鍛造的優(yōu)質(zhì)高效于一身，可以說是用鑄造方法生產(chǎn)鍛件，也可以說是用鍛造方法生產(chǎn)鑄件。由于其對(duì)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(yè)技術(shù)升級(jí)的新選擇，如圖1所示。

圖1 鑄鍛技術(shù)升級(jí)（液態(tài)模鍛）的技術(shù)原理

液態(tài)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(xiàn)在：

⑴成形缺陷少，開裂傾向小；

⑵流動(dòng)性極好，螺旋線長度可達(dá)1350mm；

⑶內(nèi)部致密，接近材料的理論密度；

⑷微觀組織顯著細(xì)化，均勻；

⑸強(qiáng)度、韌性同步提高。

鍛造企業(yè)采用液態(tài)模鍛技術(shù)的條件

從工程應(yīng)用的角度說，任何一個(gè)工藝技術(shù)都不是萬能的。液態(tài)模鍛技術(shù)也一樣，盡管其具有廣泛的適應(yīng)性，但是，其推廣應(yīng)用也是有條件的。鍛造生產(chǎn)企業(yè)采用液態(tài)模鍛應(yīng)著重審視如下三個(gè)方面的條件。

產(chǎn)品與市場(chǎng)條件

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

如果液態(tài)模鍛件批量過小，則會(huì)出現(xiàn)組織生產(chǎn)困難，模具費(fèi)用的攤銷過大，從而導(dǎo)致技術(shù)經(jīng)濟(jì)性不好。一般來說，一種規(guī)格的液態(tài)模鍛產(chǎn)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(tài)模鍛的典型產(chǎn)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(gè)持續(xù)改進(jìn)、有持續(xù)需求的長線產(chǎn)品。即使每個(gè)訂單批量不是很大，但其市場(chǎng)潛量巨大，仍然可以考慮采用液態(tài)模鍛。

此外，受投資規(guī)模和現(xiàn)有設(shè)備能力的限制，液態(tài)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(tài)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(tài)模鍛技術(shù)生產(chǎn)。

主要設(shè)備條件

液態(tài)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(yīng)地，液態(tài)模鍛需要的主要設(shè)備如表1所示。其中核心設(shè)備是液態(tài)模鍛機(jī)，目前生產(chǎn)鋼鐵零件的液態(tài)模鍛機(jī)尚未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的狀態(tài)，需要根據(jù)工藝要求非標(biāo)訂制；液鍛模具是必不可少的工裝，并不是一種產(chǎn)品就需要一套模具，可以根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分組分類，通過更換模腔來實(shí)現(xiàn)一模多用；其熔煉設(shè)備與傳統(tǒng)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(jī)、澆注機(jī)和取件機(jī)則是根據(jù)產(chǎn)品及規(guī)模進(jìn)行配置的周邊設(shè)備，也需要非標(biāo)訂制；質(zhì)量檢驗(yàn)、熱處理、光整等設(shè)備同于現(xiàn)有的耐磨鑄鍛件。

表1 液態(tài)模鍛主要設(shè)備一覽表

圖2 液態(tài)模鍛的基本工藝流程

有色金屬液態(tài)模鍛的設(shè)備與鋼鐵件液態(tài)模鍛的主要區(qū)別是熔煉設(shè)備。特別是鋁合金、鎂合金等易氧化材料，一般不用感應(yīng)電爐熔煉，而用電阻爐或燃?xì)鉅t熔煉。

場(chǎng)地和投資條件

液態(tài)模鍛與傳統(tǒng)鍛造相比，工藝流程短，生產(chǎn)場(chǎng)地小，投資不大。例如，年產(chǎn)20萬件單重100kg的合金鋼零件，設(shè)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(chǎn)20萬模液鍛車間簡圖

液態(tài)模鍛技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

液態(tài)模鍛技術(shù)正處于快速推廣與應(yīng)用的時(shí)期，國內(nèi)外都有大量的應(yīng)用實(shí)例。僅北京交通大學(xué)邢書明教授開發(fā)的液態(tài)模鍛產(chǎn)品就多達(dá)幾十種，獲得發(fā)明專利近20多件。目前單重最大的液態(tài)模鍛鋼件已經(jīng)達(dá)到了300kg，最小的只有幾十克。液態(tài)模鍛耐磨鋼件有破碎機(jī)錘頭、球磨機(jī)襯板、板錘、輥環(huán)、磨輥、斗齒、軋輥、軋鋼機(jī)側(cè)導(dǎo)板等，液態(tài)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(tài)模鍛銅合金件有高爐風(fēng)口、滑動(dòng)軸承、機(jī)車觸頭、氧槍噴頭、高壓開關(guān)觸頭等，液態(tài)模鍛鋼管件有法蘭盤、液壓閥體、蝶閥的碟板；液態(tài)模鍛通用鋼件有齒輪、皮帶輪、車輪、分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓等。

總體來看，目前液態(tài)模鍛技術(shù)已經(jīng)成熟，進(jìn)入了針對(duì)具體產(chǎn)品的應(yīng)用開發(fā)階段。開發(fā)的內(nèi)容主要是面向產(chǎn)品的液態(tài)模鍛工藝設(shè)計(jì)、液態(tài)模鍛模具設(shè)計(jì)以及液態(tài)模鍛設(shè)備配置，形成工藝+模具+設(shè)備的一體化成套技術(shù)。

結(jié)論

⑴液態(tài)模鍛作為鑄鍛技術(shù)的升級(jí)，適于生產(chǎn)高要求、大批量、難變形材料或難鍛造材料、沒有復(fù)雜內(nèi)腔的合金鋼及有色合金鑄件。與固態(tài)模鍛相比，液態(tài)模鍛具有工藝流程短、生產(chǎn)效率高、綠色環(huán)保、材料利用率高、成本低的優(yōu)勢(shì)。

⑵液態(tài)模鍛技術(shù)已經(jīng)成熟，但需要針對(duì)具體產(chǎn)品進(jìn)行液態(tài)模鍛工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、涂料設(shè)計(jì)以及設(shè)備配置等成套技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)。