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專題論述—— 擠壓鑄造的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　3/ 1998 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)

擠壓鑄造的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀
唐靖林　曾大本 ( 北京市: 100084　清華大學(xué)) 常安國(guó)( 河北石家莊市: 050054　河北科技大學(xué))
摘　要: 綜述了擠壓鑄造技術(shù)的概況。主要介紹了直接擠壓鑄造工藝和間接擠壓工藝的現(xiàn)狀

、 發(fā)展和應(yīng)用情況。 Tang Jingl in, Chang Anguo, Zeng Daben. Devel opment & Application of Squeeze Casting. Gener al t echnique of squeeze cast ing has been described of w hich t he direct and indirect pr ocesses and dev elo pment and application have been incl uded . 主題詞: 擠壓鑄造　現(xiàn)狀　發(fā)展　應(yīng)用 　　擠壓鑄造( squeeze cast ing ) , 也稱液態(tài)模鍛( l iquid m et al fo rging) 、 擠壓成形( squeeze f orming ) 、 壓 力下結(jié)晶( pressure crystallizat ing) 和模壓鑄造( ex tr usion cast ing ) 等, 于本世紀(jì) 80 年代開始在歐洲和 日本進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn), 用于生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄件。 擠壓 鑄造將液態(tài)和固態(tài)金屬成形原理有機(jī)結(jié)合起來, 使 液 態(tài)金屬以低速充型, 在高壓( 50～100M Pa) 下凝 固, 最終獲得致密的可以熱處理的鑄件。 擠壓鑄件的 主要特點(diǎn)是: 尺寸精度高、 無內(nèi)部縮孔和氣孔; 力學(xué) 性能與模鍛件接近; 生產(chǎn)率與壓鑄相當(dāng)。 擠壓鑄造分 為兩大類: 直接擠壓鑄造( direct squeeze cast ing ) 和 間接擠壓鑄造( indirect squeeze cast ing ) 。直接擠壓 工藝類似于金屬模鍛, 壓力直接施加于液態(tài)金屬的 整個(gè)面上; 間接擠壓工藝與壓鑄接近, 壓力通過澆道 間接作用于液態(tài)金屬上。 擠壓鑄造工藝的主要用途: 實(shí)現(xiàn)接近凈形化( near net shape) 成形, 生產(chǎn)高質(zhì) 量鑄件, 用于取代鍛件。 擠壓鑄造工藝被認(rèn)為是一 種理想的生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料的工藝 1　擠壓鑄造工藝簡(jiǎn)介 1. 1　直接擠壓工藝 直接擠壓鑄造設(shè)備具有垂直的結(jié)構(gòu), 壓力直接 作 用 于 液 態(tài) 金 屬 的 整 個(gè)面 上, 可以 生 產(chǎn) 出 接 近 100% 致密的鑄件。 根據(jù)成形過程中有無液態(tài)金屬運(yùn) 動(dòng), 直接擠壓工藝分為兩類, 見圖 1。前者主要用于 生產(chǎn)錠料; 后者生產(chǎn)帶有空腔的鑄件。生產(chǎn)過程中, 首先將定量的金屬液傾注入下模, 隨后上 模( 即沖 頭) 壓向液態(tài)金屬。在鑄件凝固過程中, 壓力保持在 50～150MP a 之間, 其主要作用: ( 1) 使金屬與模具內(nèi)腔表面緊密接觸, 加速傳熱 過程, 得到微觀組織非常細(xì)小的鑄件。
收稿日期: 1997—12—08
[ 1～4]

圖 1　直接擠壓鑄造工藝生產(chǎn)錠料和空腔鑄件
( a ) 將定量液態(tài)金屬澆入 下模; ( b ) 上沖頭 下移至下 模對(duì)液態(tài)金屬施加壓力; ( c) 開模; ( d) 頂出鑄件

( 2) 能精確復(fù)制模具內(nèi)腔的細(xì)節(jié)。 ( 3) 在壓力作用下, 鑄件在凝固過程中經(jīng)歷了類 似于模鍛的塑性變形, 因此可獲得高致密度的鑄件。 直接擠壓工藝存在的主要問題是: ( 1) 必須精確定量澆入液態(tài)金屬。 ( 2) 要求鑄件向沖頭方向單向凝固, 以保證壓力 的有效傳遞。 ( 3) 控制沖頭的插入過程, 以使液態(tài)金屬以非湍 流的方式向上移動(dòng), 從而避免氧化夾渣等缺陷。 ( 4) 在提高生產(chǎn)率以及制造形狀復(fù)雜鑄件方面 存在一定困難。 ( 5) 擠壓鑄造金屬模具通常由高質(zhì)量的模具鋼 制造, 而且要求有足夠大的壁厚以經(jīng)受高壓。 1. 2　間接擠壓鑄造 在間接擠壓過程中, 液態(tài)金屬是通過澆注系統(tǒng) 引人型腔的。 擠壓設(shè)備通常采用較大的壓射筒, 壓射 擠壓活塞可以控制液態(tài)金屬的射入速度。在注射后 期, 壓射活塞通過澆道對(duì)型腔中的金屬施加高壓。 通 常, 確定壓力是否有效傳遞和合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng), 是 間接擠壓鑄造工藝兩個(gè)主要的問題。與直接擠壓鑄 件相比, 間接擠壓鑄件在一封閉型腔中成形, 十分容 易控制鑄件尺寸, 因此不必精確定量液態(tài)金屬。 間接 — 3 —

。

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擠壓鑄件內(nèi)部質(zhì)量低于直接擠壓件而高于壓鑄件。 另外, 與直接擠壓相比, 間接擠壓工藝采用了澆注系 統(tǒng), 因此材料利用率低于前者。 根據(jù)壓射筒位置, 間接擠壓鑄造設(shè)備分為水平 式和垂直式兩大類。水平式間接擠壓過程見圖 2[ 5] 。

為 VSC ( Ver tical Clamping Squeeze Cast ing Ma垂 chine ) 。另 一 類 采 用 水 平 合 型、 直 注 射, 簡(jiǎn) 稱 HV SC ( Ho rizont al Clamping Squeeze Cast ing Machine) 。 此類擠壓工藝可以生產(chǎn)大至 80kg 的鋁合金 鑄件。應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)的擠壓設(shè)備主要采用旋轉(zhuǎn)式 垂 直 擠 壓 ( r ot ary vert ical squeeze casting , 簡(jiǎn) 稱 RVSC ) 和倍 傳輸 ( do uble shut t le, 簡(jiǎn)稱 DS ) 機(jī)構(gòu)。 RVSC 由一個(gè)液態(tài)金屬注射裝置對(duì)安裝在輸送轉(zhuǎn)盤 上的三個(gè)鑄型供料。 DS 則由一個(gè)注射裝置向兩副 鑄型供料。 RVSC 可年產(chǎn) 4 百萬個(gè)鋁合金輪轂, 而且 在同一設(shè)備上, 可同時(shí)生產(chǎn)三種不同種類的鑄件。 生 產(chǎn)中 還 采 用 了 被 稱 為 PASCON ( P artial squeeze cont rol syst em ) 的由電腦控制的液壓系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)對(duì) 擠壓頭的控制。 通過合理設(shè)計(jì)鑄型, 澆注系統(tǒng)在鑄型

圖 2　水平式間接擠壓工藝示意圖
( a) 將液態(tài)金屬澆 入壓射筒; ( b) 壓 射活塞移 動(dòng); ( c ) 液 態(tài)金屬充型; ( d ) 充滿型腔后壓射活塞施高壓

中就與鑄件分離, 以減少鑄件的后續(xù)加工。另外, 操 作者可借助此系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓頭的沖程, 具體結(jié)果可以 顯示在監(jiān)視器上。 1. 3　工藝參數(shù) 擠壓鑄造的主要工藝參數(shù)包括: 金屬液的冶金 質(zhì)量、 澆注溫度、 金屬型的溫度、 金屬液向鑄型的輸 送方式、 選擇合適的鑄型涂料、 沖頭速度, 比壓大小、 施加壓力的開始時(shí)間和壓力保持時(shí)間等。對(duì)于不同 的合金系以及不同形狀和大小的鑄件, 均須對(duì)這些 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和嚴(yán)格控制, 以充分發(fā)揮擠壓鑄造工 藝的優(yōu)勢(shì)。通常情況下, 對(duì)于寬結(jié)晶范圍的合金來 說, 采用低澆注溫度有利于獲得良好的鑄件質(zhì)量; 同 時(shí), 比壓要足夠大, 以消除縮松。擠壓鑄造的比壓范

目 前, 日 本 UBE 開 發(fā) 出 所 謂 傾 轉(zhuǎn)-對(duì) 接 式 [ 2、 7～8] , 主要用于生產(chǎn)高質(zhì)量的鋁合金 HVSC 和 VSC 汽車零件, 工作原理見圖 3。VSC 具有如下特點(diǎn):

圖 3　垂直間接擠壓鑄造示意圖
( a) 澆注 液態(tài)金屬; ( b) 壓射筒傾轉(zhuǎn); ( c) 壓射 筒與 鑄型對(duì)接; ( d ) 充型、 施高壓

圍是 50～150M Pa, 在某些情況下, 尤其是鑄件形狀 十分簡(jiǎn)單時(shí), 比壓為 50MP a 就足以獲得無缺陷的鑄 件。 鑄型溫度一般為 200～300℃。 另外, 可以通過改 變鑄型涂料厚度以調(diào)節(jié)鑄型不同部位的傳熱。 2　擠壓鑄造的優(yōu)缺點(diǎn) 目前, 機(jī)械制造業(yè)的目標(biāo)是: 通過實(shí)現(xiàn)真正凈形 化( net shape) 成形使材料消耗降低到最低限度; 生 產(chǎn)高強(qiáng)度的成形件, 使零件輕量化。 與傳統(tǒng)鑄鍛工藝 相比, 擠壓鑄造因本身具有一系列優(yōu)點(diǎn), 成為一種有 很大應(yīng)用潛力的成形工藝。 主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面: ( 1) 在使用材 料方面, 擠壓 鑄造工藝有其 簡(jiǎn)便 性、 經(jīng)濟(jì)性和高效性。 ( 2) 力學(xué)性能顯著提高。與傳統(tǒng)鑄造合金相比, 屈服強(qiáng)度提高 10% ～15% ; 延長(zhǎng)率以及疲勞強(qiáng)度提 高 50% ～150% ; 力學(xué)性能與變形合金接近。 由于晶 體結(jié)構(gòu)致密化, 擠壓鑄件質(zhì)量亦明顯優(yōu)于重力金屬 型鑄造和低壓鑄造。擠壓鑄造和變形鋁合金的力學(xué)
[ 9～11]

( 1) 采用了所謂的傾轉(zhuǎn)-對(duì)接式注射裝置, 與非 傾轉(zhuǎn)式注射裝置相比周期縮短。 ( 2) 另外還采用了分離式壓射室, 活動(dòng)部分有利 于保溫以保證液態(tài)金屬低速充型; 固定在鑄型上的 另一部分則起冷卻作用, 以加速成形件出型時(shí)間。 ( 3) 低速充型的液態(tài)金屬可有效地將氣體排出。 ( 4) 型腔、 澆道以及注射活塞排列在一條線上, 可以有效地傳遞壓力。 垂直式間接擠壓設(shè)備采用垂直位置的壓射筒, 在活塞作用下, 液態(tài)金屬向上慢速充型; 通過控制模 具的熱梯度以實(shí)現(xiàn)順序凝固; 沖頭對(duì)凝固過程中的 鑄件施加高壓以強(qiáng)化補(bǔ)縮, 有助于獲得無收縮缺陷 和氣孔的氣密性鑄件, 使鑄件可以熱處理和焊接。 當(dāng)前, 商業(yè)化的垂直間接擠壓設(shè)備有兩大類 : 一類設(shè)備采用垂直合型、 垂直注射( inject io n ) , 簡(jiǎn)稱 — 4 —
[ 6]

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性能見表 1, 不同鑄造工藝在鑄態(tài)和熱處理態(tài)的力 學(xué)性能對(duì)比見表 2。
表 1　擠壓鑄造合金、 變形合金在完全熱處理狀態(tài) 下的力學(xué)性能對(duì)比
　　力學(xué)性能 變形合金( 縱向) 變形合金( 橫向) 擠壓鑄造 抗拉強(qiáng)度
b/

　　( 6) 容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn), 制造接近凈形化高質(zhì) 量零件。 以往, 厚壁鑄件通常采用重力鑄造以及低壓鑄 造。 為防止鑄件收縮, 鑄件加工余量和澆冒口往往較 大, 鑄造后須進(jìn)行大量機(jī)械加工。 而擠壓鑄造工藝在 鑄造厚壁鑄件方面顯示出極大的優(yōu)越性, 厚壁處有 利于壓力傳遞, 可以有效防止收縮缺陷。據(jù)報(bào)道, 整 個(gè)產(chǎn)品成本會(huì)下降; 減少切屑以及機(jī)械加工后, 鑄件 成本為重力鑄件的一半。 擠壓鑄造的主要缺點(diǎn)有如下幾方面: ( 1) 不能使用砂芯。 ( 2) 側(cè)壁厚≥5m m 。 ( 3) 適宜的鑄件尺寸取決于施加的壓力, 對(duì)于現(xiàn) 行 最 大 的 設(shè) 備 ( 15000kN ) , 設(shè) 計(jì) 面 積 不 大 于 1200cm 2 。 ( 4) 投資高。擠壓鑄造工藝適宜于大批量生產(chǎn)。 ( 5) 與壓鑄相比, 鑄型壽命低。 ( 6) 鑄造形狀復(fù)雜件有一定限制。 ( 7) 由于具有較陡的溫度梯度, 鑄件有時(shí)出現(xiàn)所 謂的反偏析; 以至于表面偏析較嚴(yán)重時(shí), 表面結(jié)晶溫 度低于隨后所要求的熱處理溫度。 3　應(yīng)用情況 目前, 擠壓鑄造工藝主要用于汽車零件制造等 方面, 以輕合金擠壓件取代黑色金屬鑄件, 從而實(shí)現(xiàn) 汽車的輕量化。日產(chǎn)、 馬自達(dá)、 福特和通用等大型汽 車制造商均采用了擠壓鑄造工藝, 擠壓設(shè)備大多是 垂直注射間接擠壓。 例如, 日產(chǎn)公司采用此工藝制造 羊角 ( st eering knuckle) , 具 體 參 數(shù) 如 下: 材 質(zhì) 為 A 356 鋁合金, 熔爐保溫溫度為 750℃, 凝固時(shí)施加 的壓力為 80M Pa , 熱處理采用 530℃鹽浴保溫 4h , 隨后水淬, 最后在 180℃時(shí)效 6h , 最終獲得具有優(yōu)良 性能的鑄件。采用垂直間接擠壓工藝生產(chǎn)的其它汽 車 零 件 包 括: Suspensio n arms、 ss m em bers、 Cro Brake calipers 、 Bracket s 和 Bousings 等, 最成功 的 復(fù)合材料擠壓鑄件是纖維增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。 在英國(guó)以及其它一些國(guó)家, 已有數(shù)家生產(chǎn)廠采 用直接擠壓工藝生產(chǎn)高質(zhì)量的汽車零件以及常規(guī)工 程零件; 另外, 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料擠壓鑄件也投入使 用。由于擠壓鑄造工藝適用于很廣泛的金屬材料系 列, 預(yù)計(jì), 經(jīng)過研究開發(fā), 將能生產(chǎn)出更多具有優(yōu)良 性能的鑄件。 4　結(jié)束語 雖然擠壓鑄造工藝具有很大的優(yōu)越性和應(yīng)用潛 — 5 —

屈服強(qiáng)度
0. 2 /

延長(zhǎng)率 /% 6. 7 6. 4 16. 0

M Pa

M Pa

372 260 272

360 146 135

表 2　不同鑄造工藝 A Z91 鎂合金鑄件的 力學(xué)性能
力學(xué)性能 砂型鑄造 低壓鑄造 壓鑄　　 擠壓鑄造 砂型鑄造 低壓鑄造 擠壓鑄造 抗拉強(qiáng)度
b/

屈服強(qiáng)度
0. 2 /

延長(zhǎng)率 /% 2 2 3 6 2 3 5

M Pa

M Pa

鑄 態(tài) 熱 處 理 態(tài)

154 176 190 200 230 240 260

83 96 96 115 127 130 150

　　( 3) 成形件的缺陷少, 可以經(jīng)過 T 6 ( 淬火和完全 人工時(shí)效) 處理。 擠壓鑄件的微細(xì)組織以及高致密度 得益于緩慢充型以及高壓下的凝固, 從而使氣孔、 縮 孔減少; 使晶核數(shù)目大大增加, 微觀組織顯著細(xì)化。 ( 4) 適宜于制造金屬基復(fù)合材料。 擠壓鑄件的組 織致密, 微觀孔洞極少, 能夠充分發(fā)揮纖維、 顆粒等 增強(qiáng)材料的作用。產(chǎn)品主要有: 活塞、 活塞桿、 連桿、 閥體、 汽缸頭、 汽缸襯套等。 ( 5) 適用合金范圍廣。因采用加壓措施, 可削弱 對(duì)材料高流動(dòng)性的要求, 可淡化合金固有的可鑄性; 適用于常規(guī)鑄造合金, 還適于變形鋁合金, 見表 3。
表 3　2000 系列合金和 6000 系列合金不 同 成形工藝的對(duì)比
合金 種類 成形工藝 擠壓鑄造 2014 模鍛 ( 最小值) 2024 擠壓鑄造 模鍛 擠壓鑄造 6061 模鍛 ( 最小值) 擠壓鑄造 6066 模鍛( 最小值) 擠壓鑄造 6082 模鍛 熱處理 T6 T6 　 T4 — T6 T6 　 T6 T6 T6 T6 屈服強(qiáng)度
0. 2 /

抗拉強(qiáng)度 延長(zhǎng)率
b /M

M Pa

Pa

% 3 6 2 10 12 8 7 5 5 8 7 8

436 379( 縱向) 372( 橫向) 310 276 325 241( 縱向) 241( 橫向) 385 310( 縱向) 260 255

467 434 434 445 427 335 262 262 405 345 285 295

專題論述—— 沖天爐熔煉智能控制技術(shù)的新進(jìn)展　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　3/ 1998 中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)

沖天 爐 熔 煉 智 能 控 制 技 術(shù) 的 新 進(jìn) 展
南　�！∥喝A勝　修吉平　林漢同( 湖北武漢市: 430074　華中理工大學(xué))
摘　要: 鑄造業(yè)為了在下個(gè)世紀(jì)迎接激烈的競(jìng)爭(zhēng), 更好地為社會(huì)作出貢獻(xiàn), 發(fā)展沖天爐熔煉控 制技術(shù)就顯得極其重要。 本文通過論述人工智能控制技術(shù)中的專家系統(tǒng)、 模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)怎樣 應(yīng)用于沖天爐熔煉中, 以及怎樣結(jié)合其它控制方法獲得最優(yōu)的控制效果, 提出人工智能控制技術(shù)必 然是沖天爐熔煉控制技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。 Nan Hai, Wei Huasheng, Xiu Ji ping et al. New Devel opment of Intell igent Control Technology of Cupola Mel ting. It is very im por tant t o develop cupola m elt ing technolog y in o rder t o be co mpet itiv e and t o co nt ribut e t o so ciety in t he 21st cent ury. In t his paper how to use ex pert sy stem , fuzzy contr ol, and neur al net wo rk in cupo la melting and how t o obtain opt imal contro l result s by combining dif ferent contr ol met hods hav e been discussed of w hich to apply art ificial int el ligent co nt rol t echnolo gy must be one of t he most impo rt ant developing t endency of cupo la melt ing co ntr ol. 主題詞: 沖天爐熔煉控制　人工智能　專家系統(tǒng)　模糊控制　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 　　現(xiàn)代鑄造業(yè)淵遠(yuǎn)流長(zhǎng), 新的鑄造技術(shù)層出不窮, 為社會(huì)生產(chǎn)出無數(shù)優(yōu)質(zhì)鑄件, 廣泛地應(yīng)用于汽車業(yè)、
收稿日期: 1997—12—02

機(jī)床制造業(yè)、 航空航天、 農(nóng)業(yè)水利機(jī)械等方面, 為現(xiàn) 代工業(yè)的發(fā)展作出極其重要的貢獻(xiàn)。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來, 隨著科技的發(fā)展和各行各業(yè)的激烈競(jìng) 爭(zhēng), 全球范圍內(nèi), 各個(gè)行業(yè)努力發(fā)展, 迎接挑戰(zhàn), 以滿 參　考　文　獻(xiàn)
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力, 但是為了使擠壓鑄造工藝過程在最佳狀態(tài)下運(yùn) 行, 仍須進(jìn)行必要的研究開發(fā), 主要內(nèi)容如下: ( 1) 通過對(duì)擠壓鑄造條件下金屬的流動(dòng)以及凝 固解析, 掌握擠壓鑄件的流動(dòng)和凝固特性, 進(jìn)一步優(yōu) 化模具結(jié)構(gòu)、 優(yōu)化施加壓力的方式和確定充型條件。 ( 2) 壓力下凝固會(huì)使合金的熔點(diǎn)以及固溶體的 固溶度產(chǎn)生變化, 因此有必要針對(duì)此過程設(shè)計(jì)合金 系列, 目的是從以上變化中獲得更大的益處。 ( 3) 為了減少?gòu)U品率, 應(yīng)控制金屬進(jìn)入型腔的過 程, 防止氧化和卷入氣體; 還要控制鑄型中金屬的溫 度梯度, 以達(dá)到順序凝固的目的。 ( 4) 在擠壓鑄造中, 涂料的作用有其特殊性: 通 常期望它在注射充型時(shí)具有良好的隔熱性能, 以保 證慢速充型過程; 一旦金屬液充滿鑄型后, 則又期望 它具有較好的傳熱性能, 以使鑄件以較快的速度凝 固, 從而有利于獲得細(xì)小的微觀組織和提高生產(chǎn)率。 因此, 涂料工藝的研究是擠壓鑄造至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。 ( 5) 對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化, 以穩(wěn)定獲得高質(zhì)量、 再現(xiàn)性好的擠壓鑄件。 為了充分發(fā)揮擠壓鑄造工藝和設(shè)備的優(yōu)勢(shì), 通 過對(duì)以上問題的研究, 生產(chǎn)單位應(yīng)由單純性生產(chǎn)逐 步過渡到能夠自主開發(fā)的高度; 實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材質(zhì)、 不 同種類擠壓鑄件的穩(wěn)定生產(chǎn)。 — 6 —



  本文關(guān)鍵詞：擠壓鑄造的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。