液固一體化成形課件

液固一體化成形技術(shù)

第1章緒論1.1金屬材料加工分類

材料成形技術(shù)的應(yīng)用背景板料成形Sheet-MetalFormingProcesses1應(yīng)用背景鑄造Casting焊接Welding鍛造Forging非金屬材料成形不同類型加工方式的組合一、金屬的成形（成型）方法

焊接金屬坯料機(jī)械加工焊接凝固成形塑性成形重力鑄造差壓鑄造離心鑄造壓力鑄造體積成形板材成形鍛造擠壓軋製粉末衝壓旋壓電磁內(nèi)高壓自由鍛模鍛砂型金屬型熔模金屬的成形（成型）方法

壓力鑄造設(shè)備及成形示意圖金屬的成形（成型）方法

離心鑄造設(shè)備及成形示意圖金屬的成形（成型）方法

差壓鑄造設(shè)備及成形示意圖鑄造成形方法鑄造成形能夠成型較復(fù)雜形狀的零件適用于流動(dòng)性好的金屬材料零件內(nèi)部易產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷，一般不能熱處理，強(qiáng)度、塑性低成本低機(jī)械加工有切削，材料有損耗

材料加工工程通常指金屬通過液態(tài)流動(dòng)成型或通過固態(tài)塑性變形獲得近淨(jìng)金屬零件的成形（成型）方法，即鑄、鍛、焊，特點(diǎn)少無切削。塑性成形方法塑性成形方法優(yōu)點(diǎn)零件組織致密，強(qiáng)度、塑性高高質(zhì)量的零件表面和尺寸精度缺點(diǎn)不能成形較復(fù)雜外形狀的零件受施壓和取件的約束，只能成形與施壓方向一致，簡單形狀的內(nèi)孔，不能成形零件的側(cè)內(nèi)孔相對鑄造成型，成本較高金屬體積成形方法分類什麼是液固一體化成形？F:\iKobulGJeZvffTOuF5lOO5.mp4什麼是液固一體化成形？

液固成形的科學(xué)含義是利用金屬材料從液態(tài)到固態(tài)，或從液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中具有的液—固特性所實(shí)現(xiàn)的加工。

該技術(shù)融合了金屬液態(tài)成形（如鑄造）與固態(tài)壓力成形（如鍛造）的優(yōu)點(diǎn)，在產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)成本及低能耗等方面都顯示出很大優(yōu)勢。由於涉及材料熱物理性質(zhì)、壓力下液固相變和塑形變形等諸多方面，其理論和技術(shù)不同於傳統(tǒng)的鑄造、鍛造和擠壓等方法。

金屬材料成形發(fā)展路線液相線以上：鑄造液相線以下：鍛造（塑性成形）

金屬材料成形發(fā)展的趨勢：精密、高效、低耗金屬材料加工鏈金屬加工鏈的物理意義：1、鑄鍛融合，必須是液固成形環(huán)節(jié)相連接，只有在液固成形區(qū)內(nèi)，才有可能認(rèn)定凝固與塑性變形共存，即在流動(dòng)填充中凝固，在凝固中塑性變形，從而建立固液成形理論，由此發(fā)展了鑄鍛共生理論。2、鑄鍛合併應(yīng)該說不是1+1=2的簡單混合，而應(yīng)該是1+1>2的融合，使材料成形體現(xiàn)液、液固和固三種狀態(tài)加工的科學(xué)組合，成為一個(gè)完整的加工體系。3、從成形上看，絕大部分合金材料在不同溫度下，可能處於三種狀態(tài)，因此，材料成形方法中，最基礎(chǔ)的是鑄、鍛，而液固成形也應(yīng)是基礎(chǔ)的一種補(bǔ)充，成為材料加工不可缺的一環(huán)，三環(huán)相扣，即構(gòu)成一個(gè)完整的加工鏈。鑄造環(huán)液固環(huán)鍛造環(huán)液固一體化成形工藝特點(diǎn)

液固成形被公認(rèn)為是頗具發(fā)展前景的節(jié)能降耗新技術(shù)，其主要特點(diǎn)如下：

(1)金屬在壓力下結(jié)晶凝固，可以消除其內(nèi)部缺陷，改善材料性能。

(2)金屬在半固態(tài)產(chǎn)生塑性變形，可以細(xì)化晶粒，誘導(dǎo)纖維定向分佈，從而提高製件性能。

(3)金屬在液固態(tài)時(shí)成形，變形力遠(yuǎn)小於熱加工，能耗小，有利於節(jié)能減排。

(4)可由液態(tài)金屬一次成形管、棒、板、型材類製件，無需二次變形，成本低，適應(yīng)性廣。1．2液固成形的工藝構(gòu)成高壓凝固成形液態(tài)模鍛、液態(tài)擠壓、液態(tài)軋製半固態(tài)成形流變成形、觸變成形精確成形在一個(gè)成形過程中先鑄，使其精確填充，後鍛，使其精確控形1.3液固成形技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

液固成形技術(shù)研究現(xiàn)狀

1937年，蘇聯(lián)學(xué)者在改進(jìn)壓鑄工藝的基礎(chǔ)上提出了液態(tài)模鍛。

20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)有150多家工廠採用液態(tài)模鍛工藝進(jìn)行生產(chǎn)，到70年代增至1500多家。美國對液態(tài)模鍛工藝的研究雖然起步較晚，但到20世紀(jì)90年代初期，已擁有包括合模系統(tǒng)、施壓系統(tǒng)、自動(dòng)真空澆注系統(tǒng)在內(nèi)的全自動(dòng)液態(tài)模鍛液壓機(jī)。

我國對液態(tài)模鍛工藝的研究起步較早，始於20世紀(jì)六七十年代；液態(tài)模鍛：工藝首先在部分軍工產(chǎn)品中得到應(yīng)用，如氣密性儀錶鋁件、鋁活塞、閥體、銅軸瓦等產(chǎn)品；

20世紀(jì)90年代以來，液態(tài)模鍛工藝有了長足的進(jìn)步。新型液態(tài)模鍛工藝具備自動(dòng)保護(hù)澆注系統(tǒng)，可用於生產(chǎn)鎂合金輪轂等製件，不僅工藝收得率和成品率理想，而且生產(chǎn)效率高。此外，還出現(xiàn)了多種複合工藝，如將液態(tài)模鍛與真空壓鑄複合，可製備無缺陷的高質(zhì)量製件。

與液態(tài)模鍛工藝相關(guān)的其他液固高壓成形工藝也層出不窮，且相互滲透、優(yōu)勢互補(bǔ)：1986年提出了液態(tài)擠壓新工藝；將液態(tài)模鍛與液態(tài)金屬浸滲工藝相複合用於製備金屬基複合材料；液固成形技術(shù)發(fā)展趨勢

1.大噸位、先進(jìn)液固高壓成形設(shè)備的開發(fā)2．新型液固高壓成形工藝的開發(fā)3．提高製件性能和近淨(jìng)成形製件(構(gòu)件)的精度4.開發(fā)多場耦合的有限元模型及相關(guān)演算法5．黑色金屬液固高壓成形

6．進(jìn)一步完善液固高壓成形理論

參考書《金屬材料固—液成形理論與技術(shù)》

著者：羅守靖出版日期：2007-03-01

出版社：化學(xué)工業(yè)出版社《液固高壓成形技術(shù)與應(yīng)用》著者：李賀軍出版社：國防工業(yè)出版社第2章液態(tài)模鍛2.1概述2.2液態(tài)模鍛工藝及設(shè)備2.3液態(tài)模鍛分類2.4特點(diǎn)和應(yīng)用範(fàn)圍2.5液態(tài)模鍛工藝參數(shù)2.6液態(tài)模鍛下金屬的力學(xué)行為2.7液態(tài)模鍛用模具2.8液態(tài)模鍛對產(chǎn)品組織性能的影響2.9液態(tài)模鍛應(yīng)用實(shí)例2.10液態(tài)模鍛發(fā)展現(xiàn)狀液態(tài)模鍛工藝過程是將液態(tài)金屬直接澆到模具型腔，然後在較高壓力下使其迅速充滿型腔，凝固並產(chǎn)生少量的塑性變形，從而獲得輪廓清晰，表面光潔，尺寸精確、晶粒細(xì)小、組織緻密、機(jī)械性能優(yōu)良的製件。

金屬熔煉模具準(zhǔn)備澆注液鍛脫模產(chǎn)品模具複位，噴塗料2.1概述液態(tài)模鍛成形技術(shù)的發(fā)展概況液態(tài)模鍛技術(shù)前蘇聯(lián)1937年應(yīng)用於軍事及高科技範(fàn)圍金屬構(gòu)件的製造該工藝屬鑄、鍛結(jié)合工藝，原從事鍛壓專業(yè)的學(xué)者稱其為液態(tài)模鍛,從事鑄造專業(yè)的人命其名為擠壓鑄造,但其內(nèi)容是一致的液態(tài)金屬在模具中經(jīng)過加壓成型,結(jié)晶凝固。因而它與鑄鍛有著不可分離的“血緣關(guān)係”。液態(tài)模鍛是一種省力、節(jié)能、材料利用率高的先進(jìn)工藝。液鍛件一般很接近工件最終加工尺寸,品質(zhì)高,因而為越來越多的國家的學(xué)者和廠家接受和應(yīng)用。2.2液態(tài)模鍛工藝及設(shè)備

1、把適量的金屬液澆入預(yù)熱的凹模型腔中，其中凹模固定在壓力機(jī)平臺(tái)上，一些金屬液在加壓前已開始冷卻。一、液態(tài)工藝過程2、上模接著下行進(jìn)入凹模與金屬液接觸，上模繼續(xù)下行，直到壓力達(dá)到所需要的值。為了避免金屬液在模具中提前凝固，應(yīng)使從澆注金屬液到加壓的時(shí)間間隔為最小。3、金屬液在上模保壓的條件下結(jié)晶凝固，從而使金屬內(nèi)部非?？@密。4、上?；貜?fù)到原來的位置，卸料（1)靜壓液鍛過程

分四個(gè)階段：

第一階段－結(jié)殼

液態(tài)金屬澆入模具後，由於具有一定粘度，液面呈現(xiàn)凸、凹不平，在靜壓力作用下迅速壓平；合金液在低溫模壁強(qiáng)烈散熱作用下沿模壁迅速結(jié)晶（凝固），形成外殼；隨時(shí)間增長，外殼層不斷增厚，固液相間的溫差不斷減小，結(jié)殼速度逐漸減慢。七、液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)1.液鍛過程

殼層在較大溫差下迅速結(jié)晶形成，殼體較薄，尚未有枝晶形成，組織緻密、晶粒細(xì)小，性能高。（液鍛力），僅起壓平液面的作用，其在合金液內(nèi)部產(chǎn)生的壓強(qiáng)（比壓力）近似為0。

壓平後的液面高度

液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)

液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)p－比壓力（MPa）凸模接觸液面後，液鍛力從P0’～P0，在其內(nèi)部產(chǎn)生壓強(qiáng)p，使散熱進(jìn)一步加強(qiáng)，結(jié)晶進(jìn)程加快。

結(jié)晶過程中形成的微小空隙得到充分的合金液補(bǔ)縮。

壓力下結(jié)晶，獲得組織緻密、晶粒細(xì)小的組織。

合金液收縮和凝固，液面下降，凸模要下移h1距離。

第二階段－壓力下結(jié)晶

第三階段－壓力下結(jié)晶－塑性變形

壓力下結(jié)晶的結(jié)果是結(jié)殼，液面下降。

在P0作用下，殼體被鐓粗（塑性變形），凸模下降重新與液面接觸，形成新壓強(qiáng)p//，再次出現(xiàn)壓力下結(jié)晶過程。在此階段，壓力下結(jié)晶過程－塑性變形交替進(jìn)行，直至合金液全部凝固為止，凸模下降h2。

液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)－合金液體收縮率在此過程中，凸模、鍛件和模壁間要產(chǎn)生摩擦，消耗功，當(dāng)P0為恒定值時(shí)，P0在合金液內(nèi)部產(chǎn)生的壓強(qiáng)p不斷下降、變小，有壓力損失。V收－合金液收縮的體積

第四階段－塑性變形

液態(tài)合金全部凝固後，溫度下降，液鍛件因固態(tài)收縮而離開模壁，產(chǎn)生間隙，在足夠大的作用下，液鍛件產(chǎn)生塑性變形後仍與模壁接觸，凸模下降h3。

塑性變形量較小，但對鍛件的性能、表面品質(zhì)和尺寸精度起著重要的作用。

液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)總的壓下量討論：獲得合格的液鍛件，必須施加足夠大的液鍛力P0，保證四個(gè)階段順利完成。

如果P0不足，會(huì)不能完成三、四階段，在製件芯部會(huì)出現(xiàn)枝晶組織，影響性能。

(a)(b)(c)(d)(e)液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)（2）擠壓液鍛過程

亦分四個(gè)階段：

第一階段是液體金屬在壓力下流動(dòng)、充型並結(jié)殼。

二、三、四階段與靜壓液鍛相同。

液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)注意：液鍛方式不同，壓力損失不同。

一般正擠壓液鍛較反擠壓液鍛壓力損失小。

分型面不同，壓力損失有差別。

（3）間接液鍛過程

本質(zhì)上與1）、2）兩種不同，與立式壓鑄相似，區(qū)別在於設(shè)計(jì)原則與工藝參數(shù)不同。分三個(gè)階段

第一階段－壓力下充型

壓力下，一定速度（0.5～15m/s）通過澆道壓入型腔，實(shí)現(xiàn)充型。（壓鑄是以高速，約15～70m/s）

第二階段－壓力下結(jié)晶

合金液在慣性力作用下壓緊模壁，散熱、迅速結(jié)殼。

第三階段－壓力下結(jié)晶

壓頭的壓力使合金液產(chǎn)生很大的壓強(qiáng)p，在p的作用下合金液完全凝固。

液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)液態(tài)模鍛——成形初期以填充側(cè)面間隙為主首先形成敞口硬殼合模後硬殼封閉，壓力作用使殼體變形表觀現(xiàn)象：沖頭髮生下移，位移量較大金屬側(cè)向填充，消除間隙作用力隨沖頭下移緩慢升高液態(tài)模鍛——成形中期以製件高度壓縮為主，補(bǔ)充收縮特徵：形成閉合的凝固帶，並不斷向中心移動(dòng)已凝固部分塑性變形分佈明顯不同凝固帶在內(nèi)外壓力下產(chǎn)生結(jié)晶未凝固部分處於三向壓應(yīng)力作用液態(tài)模鍛——成形末期純液相區(qū)已消耗完，僅留中心凝固結(jié)晶區(qū)，隨即進(jìn)入閉式模鍛階段——此處最容易出現(xiàn)疏鬆力-行程曲線——塑性變形量很小，力有所增長但不大，基本處於保壓階段最終變形類同普通閉式模鍛擠壓力不足時(shí)鑄件缺陷示意圖(P<P0)擠壓過程中沖頭局部受阻形式缺陷示意圖液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)

壓力對合金物理參數(shù)的影響

：合金的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱率、密度、結(jié)晶潛熱

Q熔－單位品質(zhì)金屬的熔化潛熱，J/kg。

2．液鍛過程壓力的作用液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)(1)對熔點(diǎn)的影響

壓力與合金熔點(diǎn)之間有如下的近似關(guān)係，凝固時(shí)體積收縮的合金，如鋁、鐵、銅、鋁－矽等：

隨壓力增加，熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）升高，

在其他條件不變時(shí)，加大壓力可使過冷度增大，加速結(jié)晶的進(jìn)程；

液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)凝固時(shí)體積膨脹合金，如鉍、矽、銻等，壓力的作用剛好相反。

壓力下結(jié)晶凝固的合金，其組織緻密，原子間的平均距離縮短，導(dǎo)熱率提高。

以純銅錠為例:

大氣壓力下凝固時(shí)，其導(dǎo)熱率為326～335W/(m·K)。

在150MPa壓力下凝固時(shí)，其導(dǎo)熱率為352～356W/(m·K)。提高約6％。(2)對導(dǎo)熱率的影響

實(shí)驗(yàn)指出，在一定範(fàn)圍內(nèi)，壓力的增加對密度有明顯的提高。

壓力增大，密度增加，在某一壓力下達(dá)到最大值；繼續(xù)增加壓力，會(huì)使金屬內(nèi)部位錯(cuò)增加，其密度反而下降。

液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)(3)對密度的影響

液態(tài)金屬的結(jié)晶與臨界晶核尺寸、形核率、形核功、過冷度及晶粒數(shù)有關(guān)。

凝固時(shí)體積收縮合金：

增加壓力使臨界晶核尺寸和形核功減小，有助於晶核生成。

壓力提高過冷度，有利於成核率。

壓力還可以破碎長大的枝晶、使其脫落形成新晶核，細(xì)化晶粒。

凝固時(shí)體積膨脹合金，相反。

液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)(4)壓力對合金結(jié)晶過程的影響

壓力使合金液凝固過程十分迅速，合金液的元素來不及分解、擴(kuò)散，偏析現(xiàn)象大為減少，尤其是比重偏析。

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在液鍛件厚大部位的中心處常常發(fā)現(xiàn)低熔點(diǎn)共晶富集，異常偏析。液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)(5)壓力對偏析的影響

壓力可增加氣體在合金液中的溶解度，並可阻止合金液的氣體析出，防止液鍛件產(chǎn)生氣孔、針孔等。

液態(tài)模鍛工藝基礎(chǔ)(6)壓力對氣體析出的影響(7)壓力對尺寸精度和表面粗糙度的影響足夠的壓力使液鍛件緊密貼模，尺寸精度高，表面光潔。

液態(tài)模鍛液壓機(jī)液態(tài)模鍛液壓機(jī)採用四柱式結(jié)構(gòu)。本機(jī)器由主機(jī)及控制機(jī)構(gòu)兩大部分組成。主機(jī)由上梁、工作臺(tái)、滑塊、立柱、調(diào)整螺母、鎖緊螺母、打料機(jī)構(gòu)、主缸、頂出缸等組成,機(jī)器精度由調(diào)整螺母及緊固於上梁上端的鎖緊螺母來調(diào)整,滑塊依靠四立柱導(dǎo)向上下運(yùn)動(dòng)。打料機(jī)構(gòu)由打料桿、導(dǎo)套、彈簧等組成,打料桿打料後靠彈簧力自動(dòng)複位,。主缸安裝在上梁中心孔內(nèi),主缸尾部裝有充液閥,充液閥用於主缸上腔的充液、排油和保壓。頂出缸安裝在工作臺(tái)內(nèi),並在工作臺(tái)中心大孔鑲套銑槽加防轉(zhuǎn)連桿防轉(zhuǎn)?？刂茩C(jī)構(gòu)包括液壓動(dòng)力站及電氣控制系統(tǒng)。液態(tài)模鍛設(shè)備的要求1.液態(tài)模鍛時(shí)要求設(shè)備有足夠大的壓力，並持續(xù)作用一定時(shí)間。

2.液態(tài)模鍛要求儘量縮短液態(tài)金屬置入型腔後的開始加壓時(shí)間，故要求加壓設(shè)備有足夠的空程速率和一定的加壓速率。

3.需要有模具的開閉裝置。一般來說，有上下兩個(gè)壓縮缸就可以達(dá)到要求。上缸用來施加壓力並拉出上模，下缸可以用來頂出成形件。4.如果要在垂直分型面的模具中壓制成形件，而模具本身沒有鎖緊結(jié)構(gòu)或者沒有足夠的位移可以退出成形件，則壓力機(jī)就需要有兩個(gè)相互垂直的壓縮缸，以使水準(zhǔn)方向上能拉出半模，推出成形件。5.金屬收縮時(shí)，將把上模的型芯緊緊抱住，為了使上模拔出，垂直缸應(yīng)該有足夠的提升力量。6.液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和輔助裝置必須適應(yīng)生產(chǎn)批量的要求。2.3液態(tài)模鍛分類按加壓方式分為：凸模加壓凝固法直接液態(tài)模鍛法間接液態(tài)模鍛法凸模加壓凝固法

如圖所示，熔化的金屬澆入凹模1中，凸模2下行與凹模形成封閉型腔，待熔融的金屬逐漸凝固時(shí)加壓使其成形，這種方法適用於鑄錠或形狀簡單的厚壁件，在凸模壓力下液態(tài)金屬不產(chǎn)生向上移動(dòng)。直接液態(tài)模鍛法如圖所示，熔融的金屬澆入凹模1，凸模2下行與凹模形成封閉型腔，同時(shí)將液態(tài)金屬壓成一定形狀。型腔中的液態(tài)金屬在一定壓力的作用下向上流動(dòng)，中間冷卻凝固。如果沒有使多餘金屬液溢出的措施，則凸模的最終位置由注入的溶液的量來決定，並在工件底部和頂部厚度的變化上反映出來。杯狀和空心的法蘭狀工件常採用此方法。間接液態(tài)模鍛法如左圖所示，熔融的金屬澆入下模2中，上模1與下模2組成部分型腔，待凸模3下行時(shí)將液態(tài)金屬擠出形成一定的形狀。間接液態(tài)模鍛常採用組合模具，其特點(diǎn)是除凸模作用於工件外，上模也參與加壓作用。金屬流動(dòng)和直接液態(tài)模鍛法相似。2.4特點(diǎn)及應(yīng)用範(fàn)圍一、特點(diǎn)（1）成型時(shí)液態(tài)金屬受壓，壓力下完成結(jié)晶凝固，補(bǔ)縮好，緻密。（2）已凝固的金屬在壓力下發(fā)生塑性變形，具有熱變形組織，晶粒細(xì)小，組織均勻；同時(shí)壓力使工件外側(cè)緊貼模膛，工件尺寸、形狀準(zhǔn)確。（3）與壓力鑄造相比較，液體充填平穩(wěn)，不易卷氣形成氣孔缺陷。（4）與普通熱模鍛相比，金屬液的流動(dòng)性遠(yuǎn)大於固體金屬，充填模腔的性能較好，能夠用一副模具一次形成比較複雜的形狀。二、應(yīng)用範(fàn)圍(1)鋁合金液鍛。鋁合金液鍛當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛,例如∶大、中、小型柴油機(jī)活塞(裙),小汽車摩托車零件(2)銅合金液鍛。銅鋅系黃銅,液鍛可細(xì)化組織,對鉛黃銅能細(xì)化質(zhì)點(diǎn),其組織與鍛造組織很相似,無顯微空洞與疏鬆(3)鑄鐵液鍛壓力下結(jié)晶,抑制石墨化,可出現(xiàn)白口。(4)鋼的液鍛。壓力下結(jié)晶可細(xì)化結(jié)晶組織,提高成分的均勻性,使金屬夾雜細(xì)化並分佈均勻(5)其他合金液鍛。如鎂合金、鋅合金等,壓力下結(jié)晶均有細(xì)化晶?？@密組織,提高力學(xué)性能的作用。2.5液態(tài)模鍛工藝參數(shù)1、冶煉品質(zhì)

由於液態(tài)模鍛(除平?jīng)_頭間接液態(tài)模鍛外)無澆、冒口系統(tǒng)，無排渣、集渣和鎮(zhèn)靜能力，澆入的液態(tài)金屬幾乎全都用於製件本身，從這一意義講，液態(tài)模鍛對金屬液品質(zhì)的要求比普通鑄造工藝要嚴(yán)格得多。2、澆注溫度澆注溫度是指開始澆注時(shí)合金在坩堝內(nèi)的加熱溫度，對液態(tài)模鍛成形品質(zhì)及模具壽命有較大影響。澆注溫度過高會(huì)降低模具使用壽命，導(dǎo)致壓制時(shí)金屬液飛濺，形成嚴(yán)重飛邊或毛刺，同時(shí)也會(huì)增大液態(tài)金屬的吸氣量和氧化現(xiàn)象，影響製件品質(zhì)。澆注溫度過低，金屬液與模壁接觸後很快凝固形成厚的硬殼，即使在較大壓力下也很難消除內(nèi)部缺陷，對於薄壁件尤為嚴(yán)重。選擇澆注溫度的主要依據(jù)是合金相圖。對於凝固範(fàn)圍窄的合金，可選擇較大的過熱度，此類合金凝固速度快，與模壁接觸後很快形成硬殼；對壁薄、熱容量小的零件，過熱度也應(yīng)稍大一些。同時(shí)，澆注溫度還與澆注金屬的總量有關(guān)，澆注金屬量大時(shí)，總的熱容量較大，因此澆注溫度可以適當(dāng)?shù)鸵恍?、模具溫度模具溫度對製件品質(zhì)和模具壽命也有較大影響。模具溫度過高：會(huì)加劇模具熱疲勞，逐漸形成龜裂，或燒傷模具內(nèi)表面，降低使用壽命，同時(shí)，製件與凹模的粘著力增大，脫模困難，甚至可能出現(xiàn)“粘焊”現(xiàn)象，導(dǎo)致製件表面產(chǎn)生皰痕，影響其表面品質(zhì)。模具溫度過低：金屬液澆入後迅速冷卻凝固，形成內(nèi)外冷隔或較厚的硬殼層，阻礙液態(tài)模鍛過程的順利進(jìn)行，從而影響製件內(nèi)部品質(zhì)和表面粗糙度。模具溫度的高低還取決於製件的複雜程度和尺寸大小。模具溫度一般低於液態(tài)金屬的澆注溫度，依據(jù)液態(tài)模鍛合金的不同而有所差別。鋁合金液態(tài)模鍛：澆注溫度為690℃～720℃，模具溫度一般為200℃～300℃；銅合金：澆注溫度為680℃～1150℃，模具溫度一般為250℃～350℃；普通碳素鋼：澆注溫度約為1520℃，模具溫度一般為250℃～350℃；不銹鋼：澆注溫度約為1600℃，模具溫度一般為300℃～350℃。4、加壓前停留時(shí)間加壓前停留時(shí)間是指金屬液從澆注完畢至施壓開始時(shí)在模膛內(nèi)的停留時(shí)間，該參數(shù)對製件的成形品質(zhì)至關(guān)重要，特別是對於薄壁件。實(shí)際上，該參數(shù)可以對澆注溫度和模具溫度起相應(yīng)的調(diào)節(jié)作用。澆注溫度和模具溫度都較高時(shí)，加壓前停留時(shí)間可長一些；若澆注溫度較低，則必須儘快施壓。加壓過早，有可能使金屬液擠入凸、凹模間隙中，造成噴濺，還可能擠入模芯與芯子的配合處，造成脫芯困難，甚至?xí)p壞模具。加壓前停留時(shí)間過長，則會(huì)使成形力急劇增大，甚至難以成形。由於加壓前停留時(shí)間與澆注溫度、模具溫度和金屬澆入量的多少有關(guān)，很難取某一固定值，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取?？梢酝ㄟ^觀察液態(tài)金屬的顏色和凝固高度的方法粗略估計(jì)加壓開始時(shí)間。幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：1)對於鋼製件，只要生產(chǎn)節(jié)拍許可，愈短愈好；2)對於有色金屬件，加壓前延時(shí)10～20s；3)對於易產(chǎn)生偏析件，如85Cu-10Sn-2Pb-3Ni和91Cu-7Sb-2Ni等青銅，延時(shí)需更長些。5、比壓

比壓是指施加在製件單位面積上的平均壓力，是液態(tài)模鍛的關(guān)鍵參數(shù)。臨界比壓值是完全消除鑄造缺陷的最低比壓值。比壓值過小：達(dá)不到強(qiáng)制補(bǔ)縮、強(qiáng)化性能的目的。比壓值過大：會(huì)增加能耗，降低模具壽命。

比壓值的選取受成形材料、模具溫度、澆注溫度、工件尺寸、形狀、零件壁厚等因素的影響，如純金屬和共晶成分合金凝固範(fàn)圍窄，沿模具內(nèi)壁易形成管狀凝固層，塑性變形的阻力較大，所需比壓值較鋁、鎂等其他合金大。實(shí)際生產(chǎn)中，通常採用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。式中p——比壓(MPa)；K1——合金種類係數(shù)(MPa)K2——液鍛方式係數(shù)；H——鍛件中液鍛阻力較大部分的高度(mm)；α——與H部分相對應(yīng)的平均厚度(mm)。對於間接液態(tài)模鍛，有p=K1?K2

對於靜壓液態(tài)模鍛，有p6、保壓時(shí)間

升壓階段一旦結(jié)束，便進(jìn)入穩(wěn)定加壓，即保壓階段，直至加壓結(jié)束(卸壓)的時(shí)間間隔，為保壓時(shí)間。保壓過程是液態(tài)模鍛工藝中重要的環(huán)節(jié)，其目的是使液態(tài)金屬在凝固過程中持續(xù)處於壓力作用之下，從而達(dá)到強(qiáng)制補(bǔ)縮、消除縮和縮松的目的。

一般而言，長時(shí)間保壓有利於製件內(nèi)部品質(zhì)的提高，但保壓時(shí)間不能過長，這是因?yàn)椋孩僖簤簷C(jī)自身特點(diǎn)決定了長時(shí)間保壓會(huì)逐漸卸壓；②合金收縮受阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，保壓時(shí)間過長會(huì)出現(xiàn)表面裂紋，影響製件品質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)將造成報(bào)廢；③保壓時(shí)間越長，合金溫度越低，收縮量越大，取件時(shí)所需的脫模力也越大，給取件造成困難。

保壓時(shí)間長短與合金特性和製件大小有關(guān)，可按下述情況進(jìn)行選用：1)鋁合金製件，壁厚在50mm以下，可取0.5s/mm，壁厚在100mm以上，可取1.0～1.5s/mm；2)銅合金製件，壁厚在100mm以下，可取1.5s/mm；3)黑色金屬製件，壁厚在100mm以下，可取1.5s/mm。7、加壓速度加壓速度指加壓開始時(shí)液壓機(jī)行程速度。加壓速度過快，金屬液易捲入氣體和金屬液飛濺；過慢自由結(jié)殼太厚，降低加壓效果。加壓速度的大小主要與製件尺寸有關(guān)。對於小件，取0.2～0.4m/s；對於大件取0.1m/s。8、模具塗層和潤滑

液態(tài)模鍛模具受熱腐蝕和熱疲勞嚴(yán)重，為此常在模具與液態(tài)金屬直接接觸的模膛部分，塗覆一層“隔熱層”，該層與模具本體結(jié)合緊密，不易剝落。壓制前，在塗層上再噴上一層潤滑層，以便於製件從模具取出和冷卻模具。這種“隔熱層”上複合潤滑層，效果最好，但目前，多數(shù)不採用“隔熱層”，而直接塗覆潤滑劑，效果也不錯(cuò)，尤其對於有色金屬合金液態(tài)模鍛，情況更佳。

2.6液態(tài)模鍛下金屬的力學(xué)行為物理化學(xué)過程+力學(xué)過程液態(tài)模鍛時(shí)的塑性變形1、溫度場發(fā)生變化2、沖頭施加壓力，使凝固硬殼產(chǎn)生塑性變形，壓制製件高度，實(shí)現(xiàn)縮孔的補(bǔ)縮。已凝固的封閉外殼層、正在凝固的固-液相區(qū)和液相區(qū)，三位一體，組成一個(gè)連續(xù)的組合體。1、組合體的連續(xù)性——溫度的連續(xù)性2、組合體三個(gè)區(qū)的力學(xué)性質(zhì)（1）已凝固區(qū)是一個(gè)連續(xù)變形體，最終將替代其他兩區(qū)。（2）固-液區(qū)是脆性體。（3）液相區(qū)是粘性體。3、組合體的力學(xué)行為外殼：塑性變形；固-液區(qū)：熱裂；液相區(qū)在等靜壓作用下擠入微小裂紋。液態(tài)模鍛過程中金屬的塑性流動(dòng)沖頭與金屬液接觸，有如下兩個(gè)過程：1、沖頭下端金屬結(jié)殼，其他方位殼層繼續(xù)增厚——凝固過程2、液態(tài)金屬被壓縮，形成壓力下結(jié)晶的力學(xué)條件——力學(xué)過程（1）、初期金屬流動(dòng)方式：上下殼層徑向流動(dòng)，側(cè)壁彎曲；（2）、基本金屬流動(dòng)方式：塑性變形、壓力下結(jié)晶、強(qiáng)制補(bǔ)縮；（3）、最後階段金屬流動(dòng)方式：液相區(qū)消失；（4）、密實(shí)金屬的塑性流動(dòng)。液態(tài)模鍛過程力-位移曲線升壓——初期金屬流動(dòng)保壓——基本金屬流動(dòng)最後略有上升——最後階段整個(gè)過程中的壓力分配1、硬殼層的塑性變形2、液態(tài)金屬承受的等靜壓2.7液態(tài)模鍛用模具作用：1.使液態(tài)金屬在壓力下凝固成形，模具材料應(yīng)有較高的熱強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度。2.使製件順利進(jìn)行熱交換。3.模具操作簡單、安全、生產(chǎn)率高、壽命長、成本低。設(shè)計(jì)原則：1.根據(jù)製件的形狀和尺寸，進(jìn)行成型方式和凹模結(jié)構(gòu)的選擇。2.為確保加壓效果，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使製件重要的受力部位或易產(chǎn)生疏鬆的部位靠近沖頭。3.間接液態(tài)模鍛或有內(nèi)澆道時(shí)必須保證內(nèi)澆道足夠厚。模具設(shè)計(jì)步驟1.對零件進(jìn)行工藝分析，根據(jù)其合金種類、結(jié)構(gòu)形狀、精度及各種技術(shù)要求進(jìn)行成性分析，與壓鑄、熱模鍛工藝對比，結(jié)合考慮現(xiàn)場情況（設(shè)備、工具等），確定工藝方案。若採用液態(tài)模鍛，確定加壓方式。2.繪製鍛件圖（1）分模面選擇：使模膛具有最小深度，可有一個(gè)或幾個(gè)分模面；分模面處無毛刺。（2）加工餘量及其他：a.非配合面可不設(shè)餘量，配合面留3~6mm餘量.b.較薄部位、高度方向、缺陷較多易形成裂紋及冷隔部位要加大加工餘量。（3）.圓角半徑內(nèi)圓角過小，液鍛時(shí)易開裂；外圓角過小，熱處理時(shí)易產(chǎn)生熱應(yīng)力而裂開；圓角過小，金屬液流動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致製件品質(zhì)缺陷。圓角半徑必須小時(shí)，可預(yù)留餘量，成型後通過機(jī)械加工處理。圓角半徑很小時(shí)，脫模困難，模具磨損嚴(yán)重。但圓角半徑也不能過大，會(huì)產(chǎn)生縮孔、疏鬆等缺陷。鍛件等壁厚時(shí)（a圖）鍛件不等壁厚時(shí)（b、c圖）（4）拔模斜度為使製件順利脫模，在脫模方向設(shè)拔模斜度。下頂出，不留斜度，用上橫樑打料機(jī)構(gòu)，留斜度。外脫模，斜度小些，內(nèi)脫模，斜度大些。（5）收縮率導(dǎo)致製件與模具尺寸不同鋁合金：有芯模時(shí)取0.8%，無芯模時(shí)取1%.鎂合金：取0.8%。低碳鋼製件：取2%~2.8%。（6）最小孔徑

有色金屬取Ф25~Ф35mm,黑色金屬取Ф38~Ф45mm,孔深不大於2.5倍孔徑。（7）其他要求

在鍛件圖上標(biāo)明推出元件的位置和尺寸，注明鍛件的合金牌號(hào)及技術(shù)要求，模鍛件的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)等。

3.對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步分析（1）工作零件：凸模、凹模、芯模等，確定其結(jié)構(gòu)、間隙等。（2）定位、導(dǎo)向裝置：導(dǎo)柱、導(dǎo)套、導(dǎo)正銷、導(dǎo)板等。（3）開、合模、拔芯裝置：汽缸或液壓缸、齒輪齒條、斜楔等機(jī)構(gòu)。（4）卸料裝置：頂桿、打料桿、卸料板、彈性裝置等。（5）預(yù)熱、冷卻裝置：冷卻水管、加熱線圈等。（6）連接裝置：固定板、範(fàn)本、模柄、螺栓、定位銷等。（7）排氣孔和溢流槽。（8）確定模具材料及技術(shù)要求。4.進(jìn)行相關(guān)計(jì)算

計(jì)算凸、凹模尺寸，比壓值，選擇設(shè)備，模具閉合高度，頂出桿尺寸等。5.繪製模具總裝圖

列出模具零件明細(xì)表及標(biāo)準(zhǔn)件清單，提出各種技術(shù)要求。6.繪製非標(biāo)零件圖7.模具加工、安裝、調(diào)試

試模後，可能要對模具要進(jìn)行修改，直到生產(chǎn)出合格模鍛件，模具設(shè)計(jì)工作才算完成。2.8液態(tài)模鍛對產(chǎn)品組織性能的影響液態(tài)模鍛對鋁矽合金的影響與鑄造相比，液鍛製品α相增加，共晶相（α+Si）減少，α相細(xì)密，枝晶程度減弱。液態(tài)模鍛對產(chǎn)品室溫力學(xué)性能的影響

ZA27合金在鑄造過程中會(huì)發(fā)生非平衡凝固，組織不均勻，在晶界處生成網(wǎng)狀共晶體，其塑性、韌性較低，在一定程度上限制了該合金的應(yīng)用。液態(tài)模鍛後，其性能得到較大提高。砂型鑄造、金屬型鑄造與液態(tài)模鍛鋅合金性能比較

下圖為液態(tài)模鍛後其抗拉強(qiáng)度與塑性、衝擊韌性的關(guān)係曲線，可以看出，隨著抗拉強(qiáng)度的增加，其塑性和韌性也有所提高，充分顯示了液態(tài)模鍛工藝的強(qiáng)韌化特徵，這主要與液態(tài)模鍛後組織得到均勻、細(xì)化有關(guān)。合金抗拉強(qiáng)度和塑性、韌性的關(guān)係模具溫度對鋅合金性能的影響下圖可以看出，鋅合金的強(qiáng)度、硬度隨模具溫度的增高略有降低，但塑性、韌性卻大幅度提高。不同模具溫度下的ZA27合金性能比較

模具溫度越低，液態(tài)金屬澆入模具後的冷卻速度越快，其激冷作用就越強(qiáng)；另外，少量合金元素在鋁和鋅中的固溶度很小，易形成金屬間化合物，冷卻速度很大時(shí)，一些硬質(zhì)點(diǎn)相(如CuZn3)來不及充分析出，使初生相的過飽和度增大，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性下降。

下圖為不同澆注溫度對ZA27合金性能的影響?？梢钥闯觯S澆注溫度升高(630℃以下)，鋅合金的機(jī)械性能指標(biāo)同時(shí)上升，其中塑性指標(biāo)提高幅度最大。不同澆注溫度下ZA27合金的性能比較

鑄造溫度高，壓力下結(jié)晶時(shí)間充分在一定範(fàn)圍內(nèi)提高澆注溫度時(shí)，澆入模具內(nèi)的液態(tài)金屬不至於立即凝固，以保證其始終在壓力下結(jié)晶凝固，得到均勻、緻密的液態(tài)模鍛組織。液態(tài)模鍛對鋅合金耐磨性能的影響下表為ZA27合金液態(tài)模鍛與鑄態(tài)磨損性能對比情況?？梢钥闯觯簯B(tài)模鍛ZA27的磨損量和摩擦因數(shù)均比鑄態(tài)ZA27小，且隨著比壓值的增大而減小。典型摩擦力矩一時(shí)間曲線如下圖所示。根據(jù)磨合黏著理論，滑動(dòng)摩擦阻力來源於變形、刻槽及黏著過程。從圖可以看出，液態(tài)模鍛試樣的曲線波動(dòng)小、磨損率也較小，說明黏著輕微，而鑄態(tài)試樣則發(fā)生大幅度波動(dòng)，表明摩擦介面發(fā)生了強(qiáng)烈的黏著，磨損率也較大。ZA-27合金摩擦力距-時(shí)間曲線

(a)

鑄態(tài)；(b)液態(tài)模鍛ZA27合金液態(tài)模鍛與鑄態(tài)磨損性能比較

液態(tài)模鍛對鋅合金高溫性能的影響

鋅合金在100℃～120℃條件下其性能就開始急劇下降，但鋅合金的真正工作範(fàn)圍往往為150℃～200℃，因此需尋找提高鋅合金高溫強(qiáng)度的有效措施，液態(tài)模鍛工藝的應(yīng)用就是其中的一種重要措施。

下圖為液態(tài)模鍛鋅合金與鑄態(tài)鋅合金高溫力學(xué)性能的對比情況，可以看出，延伸率和斷面收縮率等塑性指標(biāo)隨溫度升高而升高，且提高幅度大於鑄態(tài)，而抗拉強(qiáng)度則隨溫度升高有所下降，但與鑄態(tài)相比，在相同溫度下仍提高了12％～287％。合金鑄態(tài)和液態(tài)模鍛件不同溫度下的性能(a)抗拉強(qiáng)度；（b）延伸率；（c）斷面收縮率。金屬內(nèi)部缺陷及其控制氣孔：成因

金屬模具，透氣性較差；模具內(nèi)表面潤滑劑在液態(tài)金屬澆注後所產(chǎn)生的水氣或油氣；液態(tài)金屬澆入型腔後與模壁接觸處很快凝固，中心未凝固區(qū)所析出的氣體很難透過已凝固層排出；液態(tài)金屬中含氣量過大，熔化溫度、澆注溫度過高，加壓前停留時(shí)間過長。製品中的氣孔

措施：熔體處理:精煉、除氣參數(shù)控制：在條件許可的前提下，降低澆注溫度，減少液態(tài)停留時(shí)間

縮孔、縮松成因：液態(tài)模鍛時(shí)，沖頭與金屬液完全接觸後，與模腔內(nèi)壁接觸的金屬液很快會(huì)凝固形成硬殼層，硬殼層包覆的液態(tài)金屬進(jìn)一步冷卻凝固收縮時(shí)，其補(bǔ)縮過程只能依靠來自硬殼層的塑性變形，這與鑄造時(shí)的冒口補(bǔ)縮有本質(zhì)區(qū)別。如果液態(tài)模鍛工藝參數(shù)控制不當(dāng)，比如壓力不夠或保壓時(shí)間過短，則會(huì)造成中心最後凝固區(qū)形成縮孔和疏鬆。凝固及生產(chǎn)縮孔示意圖措施延長保壓時(shí)間有助於減小形成縮孔的趨勢。在縮孔附近，由於沒有壓力作用，相應(yīng)會(huì)形成疏鬆區(qū)。比壓對消除縮孔有較大影響，當(dāng)比壓不足以使已凝固層產(chǎn)生塑性變形時(shí)，便起不到強(qiáng)制補(bǔ)縮的作用，導(dǎo)致液態(tài)模鍛件出現(xiàn)內(nèi)部缺陷。選擇合理的保壓時(shí)問、比壓值及適當(dāng)?shù)哪＞唛g隙對於消除內(nèi)部缺陷至關(guān)重要。直接沖頭擠壓鑄造7A04鋁合金形成異常偏析示意圖直接沖頭擠壓冷隔形成示意圖二次液流冷隔形成示意圖液鍛件組織和缺陷分析擠壓料缸帶入夾渣圖擠壓鑄件上容易產(chǎn)生裂紋的部位圖例液鍛件組織和缺陷分析2.9液態(tài)模鍛應(yīng)用實(shí)例

1.導(dǎo)彈前艙蓋美國伊利諾伊理工學(xué)院工藝研究所應(yīng)美國陸軍發(fā)展局的要求，採用液態(tài)模鍛工藝成形“愛國者”導(dǎo)彈前艙蓋，毛坯重約27.4kg,直徑達(dá)415.3mm，最小壁厚3.8mm，是當(dāng)前生產(chǎn)的最大液態(tài)模鍛件之一。其材料為D6AC，化學(xué)成分如下：其工藝過程是：在感應(yīng)爐中熔煉，用移動(dòng)澆包澆注；鋼液澆入模具後，上沖頭以95.43MPa壓力合模試壓1S後，再把壓力降至76.37MPa。再進(jìn)行保壓4S，然後進(jìn)行卸壓和取件操作。具體工藝參數(shù)如下：（1）澆注溫度溫度太低製件沖模過程不完全，且上部氣孔較多；溫度太高熔融金屬在凸凹模間承受擠壓導(dǎo)致湍流，使前艙蓋較厚的部分內(nèi)部出現(xiàn)大的縮孔。最佳的澆注溫度是1593.3±27.8℃。（2）澆注方式澆注時(shí)偏離中心導(dǎo)致不均勻填充，發(fā)生湍流，甚至飛濺到凹模上，還可能沖刷塗料，因此產(chǎn)生鑄造缺陷和製件與模具熔接。所以必須將金屬液精確地澆注到模具中心。

(3)澆注時(shí)間。澆注時(shí)間最好為10s，時(shí)間太長會(huì)使熔融金屬進(jìn)入凹模E時(shí)產(chǎn)生微弱波紋而使製件分層，還會(huì)導(dǎo)致金屬盒凹模壁和製件發(fā)生反應(yīng)，可能引起熔接，降低凹模壽命或損壞模具部件。澆注太快會(huì)產(chǎn)生湍流，並使熔渣顆粒進(jìn)入凹模。

(4)比壓。在最大壓力95.43MPa下保壓ls後，再降為76.37MPa，證明結(jié)果是另人滿意的。壓力太低，製件內(nèi)部有氣孔。

(5)保壓時(shí)間。該所研製的其他液態(tài)模鍛件曾採用過20s。但對導(dǎo)彈前艙，這個(gè)時(shí)間就顯得過長，因?yàn)樵谘u件收縮與沖頭膨脹的反壓力影響下，就會(huì)明顯出現(xiàn)破裂，在邊緣產(chǎn)生裂紋在邊緣產(chǎn)生垂直裂紋，因此壓力作用時(shí)間以5s為準(zhǔn)。(6)模具預(yù)熱溫度。凹模預(yù)熱溫度為177℃；沖頭預(yù)熱溫度也應(yīng)為177℃。

(7)模具及潤滑。模具材料為4Cr5MoSiV，鋼，且每次澆注前在頂桿上部設(shè)置一陶瓷墊塊，壓制完畢，與製件一同頂出。塗料採用石墨加A1203粉。加壓設(shè)備為l0000kN。製件基體組織為馬氏體，部分出現(xiàn)枝晶。經(jīng)常規(guī)熱處理後，為回火馬氏體組織。將製件去毛刺、稱重、噴砂和表面塗漆，然後經(jīng)射線照相檢查無裂紋和孔洞後，方可進(jìn)入機(jī)械加工工序。2.鋁合金輪轂（1）應(yīng)用背景

品質(zhì)輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐磨性好、耐衝擊、美觀大方；世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國家逐漸採用鋁合金輪轂代替鋼輪轂

2．工藝性分析生產(chǎn)鋁輪轂技術(shù)有多種：重力鑄造、低壓鑄造、液態(tài)模鍛、旋壓和熱模鍛。除了一些大型、批量小的鋁輪轂採用重力鑄造外，主要採用低壓鑄造生產(chǎn)，但也存在不足：廢品率達(dá)15％～20％；毛刺多，清理工作量大．綜合性能低於液態(tài)模鍛。採用液態(tài)模鍛技術(shù)，在廢品率、毛刺和性能方面，大大優(yōu)於低壓鑄造。3．工藝方案分析液態(tài)模鍛生產(chǎn)輪轂工藝存在多種成形方案，主要有三種。1)間接液態(tài)模鍛這種方案日本用得較多，稱為Ube方案，如圖所示，金屬流動(dòng)方向與加工方向一致，其充型性和排氣性好。2)直接液態(tài)模鍛其原理如圖所示，金屬流動(dòng)方向與加壓方向相反，型腔內(nèi)空氣容易排出，且壓力直接作用在製品表面上。3)複合液態(tài)模鍛其原理是把前兩種方法綜合而成，鋁液採用下壓頭注入，然後上模型加壓。4、工藝參數(shù)材料選用A356鋁合金（1）澆注溫度：720-800℃

（2）模具溫度：160-240℃

（3）比壓：180-200MPa

（4）保壓時(shí)間：45-60s

5、性能對比Φ100mm鋼平法蘭液態(tài)模鍛模具鋼平法蘭液態(tài)模鍛件力學(xué)性能鋁活塞液態(tài)模鍛解放牌汽車鋁活塞毛坯圖鋁活塞液態(tài)模鍛解放牌汽車鋁活塞液態(tài)模鍛圖解放牌汽車活塞的力學(xué)性能鋁活塞液態(tài)模鍛

液態(tài)模鍛工藝對所加工材料沒有限制，適用於低熔點(diǎn)合金（如鎂、鋅、鋁和銅等），也適用於高熔點(diǎn)合金（如鐵、高溫合金等）。其中，合金液態(tài)模鍛最有代表性莫過於鋁合金活塞和鋅合金殼體零件。80mm100mm

液態(tài)模鍛鋁合金活塞鋅基合金殼體零件

液態(tài)模鍛成形件

下圖是採用液態(tài)模鍛技術(shù)成形的鑿巖機(jī)缸體零件，該零件為鋼質(zhì)零件，重10kg，此專案為國家“六五”攻關(guān)課題。研究成果“鑿巖機(jī)缸體液態(tài)模鍛工藝研究”獲航天部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（1987）。鑿巖機(jī)缸體零件（品質(zhì)10kg，低碳鋼）100mm液態(tài)模鍛成形件LD10自行車曲柄管接件液態(tài)模鍛成形件150mm鋼質(zhì)液態(tài)模鍛件（品質(zhì)為2kg-80kg）液態(tài)模鍛成形件利用液態(tài)模鍛技術(shù)成形的大型零件液態(tài)模鍛成形件利用液態(tài)模鍛技術(shù)成形的有色金屬零件液態(tài)模鍛成形件十三、負(fù)重輪的液態(tài)模鍛成形研究與應(yīng)用負(fù)重輪液態(tài)模鍛模具示意圖負(fù)重輪零件圖136採用Procast軟體對成形凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬參數(shù)澆注溫度720℃模具預(yù)熱溫度300℃

（下模）200℃(上模)比壓50MPa

負(fù)重輪數(shù)值模擬的幾何模型1、簡單加載下負(fù)重輪液態(tài)模鍛成形的數(shù)值模擬137（1）溫度場模擬結(jié)果製件在凝固不同時(shí)刻的固相分?jǐn)?shù)分佈a(bǔ))t=0.152sb)t=0.368sc)t=3.439d)t=13se)t=23s金屬液充型結(jié)束至完全凝固需要大約23s。在製件的轉(zhuǎn)角處存在金屬液的最後凝固區(qū)，這些最後凝固區(qū)的金屬液凝固收縮時(shí)，受周圍已凝固金屬的阻礙，會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，在此區(qū)可能會(huì)形成裂紋和縮孔縮松。138（2）製件在充型後不同時(shí)刻的溫度分佈

a)t=0.152sb)t=0.368s

c)t=3.439sd)t=23s溫度最高的區(qū)域?yàn)檠u件直壁與底面的轉(zhuǎn)角處。在加壓23s時(shí)製件凝固已經(jīng)結(jié)束，溫度在510℃左右。139製件特徵點(diǎn)取樣位置固相分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線

溫度隨時(shí)間的變化曲線

140（3）負(fù)重輪製件縮孔縮松位置在製件的直壁與底面的轉(zhuǎn)角處存在金屬液的最後凝固區(qū)，此區(qū)域的金屬凝固收縮時(shí)得不到周圍已凝固金屬的有效補(bǔ)縮，就會(huì)產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。141（4）應(yīng)力場模擬結(jié)果製件不同部位的第一主應(yīng)力

製件不同部位的熱裂指數(shù)

製件凝固過程中最大拉應(yīng)力發(fā)生在製件的直壁與底面的轉(zhuǎn)角處，且此處也是熱節(jié)最集中的地方，所以此部位是發(fā)生熱裂的危險(xiǎn)區(qū)域。142特徵點(diǎn)取樣位置第一主應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線

最大拉應(yīng)力和最大應(yīng)變都發(fā)生在製件直壁與底面的轉(zhuǎn)角處1432、負(fù)重輪簡單加載液態(tài)模鍛試驗(yàn)負(fù)重輪液鍛模具結(jié)構(gòu)圖模具1442A50來料檢查、清洗模具預(yù)熱溫度200～300℃150℃左右噴石墨潤滑劑

鋁合金熔煉，至720℃保溫30分鐘精煉將鋁液倒入模具合模，加壓、保壓30s開模，頂出製件負(fù)重輪液態(tài)模鍛成形工藝流程圖14545kW鋁合金熔煉爐和2000KN液態(tài)模鍛壓力機(jī)

負(fù)重輪製件146裂紋3、簡單加載成形的負(fù)重輪缺陷分析氣孔內(nèi)部縮松147先凝固區(qū)（直壁和底部）後凝固區(qū)（熱結(jié)，轉(zhuǎn)角處）限制金屬轉(zhuǎn)移需要周圍金屬補(bǔ)縮兩區(qū)產(chǎn)生內(nèi)部拉應(yīng)力熱結(jié)處產(chǎn)生內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展為轉(zhuǎn)角處橫向裂紋內(nèi)部裂紋橫向裂紋橫向裂紋－多出現(xiàn)在製件內(nèi)部直壁與底部的轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生的主要原因：凝固的不均勻性148縱向裂紋——製件留模時(shí)間過長製件直壁部分緊箍在模具凸模上鋁合金熱收縮大於鋼熱收縮產(chǎn)生收縮熱應(yīng)力－直壁圓環(huán)受內(nèi)壓直壁周向受拉應(yīng)力－縱向裂紋縱向裂紋控制措施：嚴(yán)格控制保壓時(shí)間

25-30s149縮孔縮松缺陷——多發(fā)生在製件的轉(zhuǎn)角處原因：後凝固金屬收縮時(shí)受已凝固金屬的阻礙，得不到有效補(bǔ)縮。製件轉(zhuǎn)角處內(nèi)部縮松150製件的金相組織——直壁和底部分別取樣直壁底部製件直臂，晶粒大小不均勻，存在局部細(xì)化程度較高的區(qū)域。製件底部，較直壁其晶粒形狀和尺寸均勻，圓整度高。151密度測試實(shí)驗(yàn)專案1234密度ρ（g/cm3）2.73072.731132.744262.74472取樣位置製件直壁部分的密度值低於製件底部的密度值，簡單加載成形的負(fù)重輪製件密度不均勻。152力學(xué)性能測試

拉伸試樣取樣位置實(shí)驗(yàn)專案123抗拉強(qiáng)度σb（MPa）254.8342.9347.4斷後伸長率φ

（%）4.26.256.37製件直壁部分的抗拉強(qiáng)度和斷後伸長率明顯低於製件底部，而底部兩部位的抗拉強(qiáng)度和伸長率相差不大。採用簡單加載方式成形的製件力學(xué)性能不均勻。153負(fù)重輪複合加載液態(tài)模鍛試驗(yàn)研究採用複合加載方式（右半側(cè)），即在最後凝固區(qū)域或易產(chǎn)生宏觀缺陷的區(qū)域（負(fù)重輪製件的直壁與底部的轉(zhuǎn)角處）施加局部載荷進(jìn)行金屬補(bǔ)縮。複合加載液鍛模具結(jié)構(gòu)圖複合加載示意圖液態(tài)模鍛過程中的複合加載和局部補(bǔ)縮技術(shù)（Zl2006I00102903）155負(fù)重輪的複合加載成形實(shí)驗(yàn)，主要是通過調(diào)節(jié)碟簧的彈性變形量來控制補(bǔ)縮量，補(bǔ)縮量參數(shù)為：2，4，6，8，10mm。補(bǔ)縮量達(dá)到6mm時(shí)製件表面缺陷消失。無宏觀缺陷的負(fù)重輪製件負(fù)重輪的液態(tài)模鍛成形具體工藝流程：試驗(yàn)準(zhǔn)備

鋁熔化、預(yù)製塊預(yù)熱、模具預(yù)熱、預(yù)製塊入模具出爐澆注780～800℃

滲入740℃內(nèi)加壓塊下行本體液態(tài)模鍛外加壓下行半固態(tài)模鍛：耐磨圈成形、與本體複合卸壓力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度：300MPa，抗拉強(qiáng)度：380MPa，延伸率：5%。性能考核：下圖是兩種耐磨圈的負(fù)重輪製件，均提供給北京618廠進(jìn)行裝車考核，現(xiàn)已完成5000km跑車.(2003)負(fù)重輪的液態(tài)模鍛成形負(fù)重輪製件2.10模鍛技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

原蘇聯(lián)40年代初就用液態(tài)模鍛生產(chǎn)銅合金軸承零件，目前，已把鋁合金、銅合金、鑄鐵、碳鋼和各種合金用於生產(chǎn)。產(chǎn)品包括2mm的薄壁件至120mm厚壁件，重量達(dá)49.5kg的碳鋼工件和320kg的有色金屬件，最大的投影面積直經(jīng)762mm。其產(chǎn)品實(shí)例有齒輪坯、活塞、軸瓦、形狀複雜的管接頭、閥門等。

日本1968年政府撥款資助廠商用液態(tài)模鍛技術(shù)生產(chǎn)大型鋁合金活塞和鋼零件。產(chǎn)品有鋁合金連桿，大型活塞(直徑400mm，高600mm)，銅制軸瓦，汽缸體，汽車輪轂等。

美國1969年設(shè)在芝加哥的伊利諾斯工藝所著手開展此項(xiàng)工作?，F(xiàn)產(chǎn)品實(shí)例有∶齒輪坯、齒輪箱、柴油機(jī)活塞等。美國陸軍司令部的巖島兵工廠，利用液態(tài)模鍛技術(shù)製造了M85機(jī)槍管支架和機(jī)匣底座。

1972年伊利諾斯工藝研究所選用7075(我國牌號(hào)LC9)超硬鋁合金液鍛成艦用導(dǎo)彈零件，毛坯φ168×318mm，壁厚19mm和“愛國者號(hào)”導(dǎo)彈的前倉蓋。該產(chǎn)品體積大，直徑為415.3mm，重27.4kg。美國使用的M374迫擊炮彈體直徑81mm，採用了液鍛，提高炮彈的殺傷力，降低了成本。由於液鍛技術(shù)的日益發(fā)展，原蘇聯(lián)利用電子電腦，振動(dòng)與超聲技術(shù)，對優(yōu)化液態(tài)模鍛技術(shù)，改善工件組織和性能起到了良好的作用。國外液鍛複合材料的應(yīng)用

金屬與金屬、金屬與非金屬液鍛複合材料已得到了廣泛的應(yīng)用。日本RAT金屬工業(yè)利用液鍛鋁基陶瓷纖維材料生產(chǎn)活塞，其性能優(yōu)異，應(yīng)用面廣，獲得了很高的市場評(píng)價(jià)。

液鍛複合材料在航空中的應(yīng)用:美國把液鍛複合材料技術(shù)用於F15戰(zhàn)鬥機(jī)，重量減輕20%。生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片比鈦合金輕，剛性好；原蘇聯(lián)也把液鍛複合材料用於安-28，安-27飛機(jī)上；美國耗資1500萬美元，研製了連續(xù)碳化纖維增強(qiáng)6061、2124鋁合金，分別用於戰(zhàn)鬥機(jī)的垂直尾翼和翼根，其翼展為3810mm，翼根長1026mm。

液鍛複合材料在航太工業(yè)中的應(yīng)用：美國DWA公司應(yīng)用石墨纖維增強(qiáng)鋁基複合材料為NASA和Lockheed公司制造衛(wèi)星上的波導(dǎo)管，其波導(dǎo)管不但軸向剛度好，而且比原有石墨/環(huán)氧-鋁層複合製造的波導(dǎo)管輕30%。除此之外還有太空梭桁架，衛(wèi)星拋物面天線骨架等。

液鍛複合材料在兵器中的應(yīng)用：美國ARCO公司開發(fā)SXA材料代替ALS14410製造裝甲車履板，減輕了裝甲車重量，提高了壽命。該材料也用於導(dǎo)彈導(dǎo)航系統(tǒng)中儀錶外殼，戰(zhàn)術(shù)坦克上的光學(xué)紅外瞄準(zhǔn)鏡部件。美國LTU公司應(yīng)用SiC/Al複合材料製造了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、航板；美國海軍利用SiC/Al複合材料製造魚雷、水雷外殼等。

國內(nèi)液鍛技術(shù)

我國液鍛技術(shù)1957年就開始研究。60年代後期，此項(xiàng)技術(shù)逐步發(fā)展並陸續(xù)用於生產(chǎn)。其產(chǎn)品有汽車活塞、齒輪坯、渦輪、電磁鐵殼體、風(fēng)扇皮帶輪、生活用的高壓鍋、拉絲機(jī)的收線盤、貨車鏟板、法蘭、電機(jī)端蓋、汽車的輪轂、模具坯等。近幾年來，在軍品中採用液態(tài)模鍛研製出了一批零件，如85mm氣缸尾翼座、迫擊炮下體等。國內(nèi)利用纖維複合材料製造不同性能要求的零件也有報(bào)導(dǎo)。例如∶雙金屬、纖維強(qiáng)化性活塞，纖維複合材料模具等。我國液態(tài)模鍛技術(shù)發(fā)展較慢，與原蘇聯(lián)、日、美相比存在著較大的差距。就其液鍛設(shè)備而言，我國主要是四柱萬能液壓機(jī)。天津鍛壓機(jī)床廠生產(chǎn)了全自動(dòng)15000kN液壓液鍛機(jī)，用於汽車鋁合金輪轂生產(chǎn)線。

國內(nèi)外經(jīng)過長期努力和探索，液態(tài)模鍛工藝有了長足的進(jìn)步，廣泛地應(yīng)用於航太、航空、軍工、民品等方面。就其液鍛發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用結(jié)果來看，它無疑是一種極有前途的工藝。

毛坯生產(chǎn)是現(xiàn)代化工業(yè)工藝及材料研究的重要環(huán)節(jié)。液態(tài)模鍛在此方面有其特殊的魅力。因而液態(tài)模鍛技術(shù)的研究具有深遠(yuǎn)的意義。液態(tài)模鍛在我國應(yīng)用較少，今後應(yīng)重視研究和應(yīng)用。液態(tài)擠壓什麼是擠壓正向擠壓反向擠壓液態(tài)擠壓成形工藝融合了液態(tài)模鍛、熱擠壓等工藝的優(yōu)點(diǎn)，是一種全新的成形方法。它不同於液態(tài)模鍛之處在於模腔不封閉，可產(chǎn)生大塑性變形；不同於熱擠壓之處在於加工對象是液態(tài)金屬，成形力低。該工藝具有壓力下結(jié)晶和大塑性變形的雙重強(qiáng)韌化作用，使材料性能得到大幅度提高.型材液態(tài)擠壓的工藝原理及參數(shù)選取型材是指按照一定標(biāo)準(zhǔn)，採用金屬或其他材料以標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化的方式生產(chǎn)製造的材料，具有一定外觀尺寸，且截面呈一定形狀，如工字型、槽型、角型、圓型、扁六角等，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上能達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的要求。

由液態(tài)金屬直接成形管、棒、型材的關(guān)鍵在於適當(dāng)控制工藝參數(shù)，使其滿足以下要求:(1)加壓前液態(tài)金屬不流出模具；(2)擠出成形在液固態(tài)下進(jìn)行，且擠壓筒內(nèi)的液態(tài)金屬始終能保持等靜壓狀態(tài)；(3)保證在變形區(qū)處於準(zhǔn)固態(tài)，同時(shí)在成形模出口無液態(tài)金屬擠出，變形區(qū)上部最好處於液固相區(qū)；(4)採用芯軸結(jié)構(gòu)時(shí)需保證沖頭能沿芯軸自由運(yùn)動(dòng)，且液態(tài)金屬不會(huì)擠入二者間隙中；(5)芯軸安放要能承受較大拉力。正向擠壓

側(cè)向擠壓管材液態(tài)擠壓液態(tài)擠壓成形管材時(shí)，需保證注入模膛的液態(tài)金屬不向外流出，同時(shí)又不阻礙加壓及加壓後管材的順利擠出，可採用簡單易行的可調(diào)芯軸結(jié)構(gòu)及阻流塊模具結(jié)構(gòu)，在較小變形力下便可以由液態(tài)金屬直接得到具有變形組織的管材。

如圖所示，兩根支柱架起一橫樑，芯軸吊掛在該橫樑上，擠壓時(shí)芯軸位置保持不變，芯軸上端帶有調(diào)節(jié)螺桿便於調(diào)節(jié)其高度。

芯桿與沖頭之間的間隙：既能保證液態(tài)金屬不被擠入，又保證芯桿上下自由活動(dòng)。

可調(diào)芯軸結(jié)構(gòu)的作用採用可調(diào)芯軸結(jié)構(gòu)的目的在於調(diào)節(jié)芯軸進(jìn)入成形模的深度，有三個(gè)作用（1）保證擠壓過程中管材流經(jīng)芯軸下端部後要處於完全凝固態(tài)，如凝固不徹底，就需要增加插入段的長度，下調(diào)芯軸。（2）插入段的長短影響芯軸摩擦力的大小。在擠壓過程中，由於已成形的管子的熱脹冷縮作用，已成形管壁與芯軸始終有一定的摩擦力，因此等於一直在下方加一個(gè)背壓，使擠壓筒內(nèi)未凝固部位的液態(tài)金屬能一直承受靜壓力，使其在壓力下結(jié)晶凝固，強(qiáng)制補(bǔ)縮。阻流塊阻流塊套入芯軸和管子出口部位，外壁與模具內(nèi)壁有一定的摩擦力，內(nèi)壁與芯軸有一定的摩擦力．澆入液態(tài)金屬時(shí)，阻流塊的摩擦力能平衡液態(tài)金屬的重力，由此阻止液態(tài)金屬下流。隨後由於模具和液態(tài)金屬具有較大的溫差，尤其在成形模的下部和冷卻板處的液態(tài)金屬量較少，厚度較薄，很快凝固。在凝固自下而上進(jìn)行到一定程度後開始施壓，阻流塊可以很方便地推出，不影響管材的順利擠出及過程的進(jìn)行。

為了保證澆入的液態(tài)金屬不致冷卻過快，在擠壓筒和成形模部位均採用加熱圈進(jìn)行加熱。同時(shí)為了保證在壓力機(jī)擠壓速率過快時(shí)液態(tài)金屬不致流出，又採用了可調(diào)節(jié)高度的冷卻模，如下部冷卻腔不足，可以加厚，同時(shí)芯軸向下調(diào)長；如下部冷卻腔過長，則可減薄，同時(shí)上調(diào)芯軸，這樣就可以在各種條件下進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)。工藝參數(shù)的選定液態(tài)擠壓的工藝參數(shù)包括澆注溫度、模具溫度、加壓前停留時(shí)間、壓下速率、比壓值等。

1、澆注溫度澆注溫度和模具溫度、加壓前停留時(shí)問三者結(jié)合在一起直接決定了管材能否擠出。澆注溫度高低直接影響以下幾個(gè)方面：（1）澆注溫度過高，首先會(huì)影響模具壽命，較高溫度的液態(tài)金屬直接沖刷模具難度較大；（2）在較高溫度下液態(tài)金屬黏度小，易於擠入沖頭和擠壓筒之間以及沖頭和芯軸之間的間隙中，迅速形成飛刺，增大摩擦力，嚴(yán)重的情況甚至?xí)羵＞?；?）溫度高，液態(tài)金屬吸氣氧化嚴(yán)重，直接影響到製件品質(zhì)，同時(shí)增大耗能量。因此，過高的澆注溫度對生產(chǎn)無任何好處，是不可取的。

澆注溫度低也有其不利之處，尤其是對脆性材料，若澆注溫度太低，液態(tài)金屬澆人模膛後，還沒來得及加壓已完全凝固，其變形抗力迅速增加，以至於採用比正常大得多的壓力也不能擠出管子。此種情況出現(xiàn)後需設(shè)法清除模具內(nèi)的金屬，將嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。但總體來講，只要能保證在液態(tài)金屬未凝固前開始施壓，澆注溫度低一些，對提高模具壽命和生產(chǎn)效率都是有益的。

如何選取澆注溫度？（1）澆注溫度的選取主要依據(jù)液相線溫度和凝固範(fàn)圍，凝固範(fàn)圍窄的合金過熱度要大一些，因?yàn)檫@種合金凝固快。（2）澆注溫度還與澆注金屬總量相關(guān)，澆入金屬量大，總熱容量大，澆注溫度就低一些。對鋅合金過熱度選為60～140℃，鋁合金選為40～100℃，即鋅合金在560~700℃左右澆注，純鋁取700℃左右澆注。

2、模具溫度液態(tài)擠壓過程中，模具必須保持一定的溫度。（1）模具溫度不足·

凝固區(qū)不能保持在靠近變形區(qū)部位，或者尚未加壓液態(tài)金屬已全部凝固，則會(huì)因所需變形力過大而擠不出管子；同時(shí)也有可能在擠出部分管子後，由於剩餘部分溫度過低而造成擠不動(dòng)的現(xiàn)象。

（2）模具溫度過高會(huì)降低模具使用壽命，加速模具的熱疲勞；再者若凝固速率過慢，管子擠出過程中，會(huì)導(dǎo)致凝固速率小於擠出速率而出現(xiàn)擠出液態(tài)金屬的現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鋅合金、鋁合金及純鋁的液態(tài)擠壓模具溫度為100～250℃。

3、加壓前停留時(shí)間加壓前停留時(shí)間對澆注溫度或模具溫度起相應(yīng)的調(diào)節(jié)作用。若澆注溫度高，模具溫度高，加壓前停留時(shí)間可以適當(dāng)放長一些；若澆注溫度較低，則可儘快開始加壓。（1）加壓前停留時(shí)間過短，不僅造成液態(tài)金屬擠入沖頭與擠壓筒、沖頭與芯軸的間隙中，而且會(huì)造成液態(tài)金屬通過變形區(qū)和冷卻腔擠出，出現(xiàn)不能保持管子形狀的現(xiàn)象；（2）如加壓前停留時(shí)間過長，則會(huì)造成壓不動(dòng)、擠不出管材的後果。

如何確定加壓前停留時(shí)間？加壓前停留時(shí)間選取受澆注溫度和模具溫度以及澆入液態(tài)金屬量多少的制約，不能取定某一值。經(jīng)驗(yàn)：觀察澆注的液態(tài)金屬凝固高度的辦法來確定加壓的開始時(shí)間，一般要待到凝固進(jìn)行至高於變形區(qū)10～40mm處才開始加壓。原因在於通用油壓機(jī)的壓下速率一般大於凝固速率，加壓後凝固區(qū)逐漸會(huì)降至變形區(qū)附近。當(dāng)然，具體確定尚需考慮澆入液態(tài)金屬量的高度，如澆入液態(tài)金屬量多，適當(dāng)取大值，澆入量少，適當(dāng)取小值。若按時(shí)間計(jì)，對鋅合金和鋁合金，一般需20～60s。

4、壓下速率壓下速率也是液體擠壓異於液態(tài)模鍛的一個(gè)重要方面。在液態(tài)模鍛中可以完全不考慮壓下速率，因?yàn)橐话阍O(shè)備均能滿足壓下速率大於凝固速率的要求，使製件的內(nèi)部承受較大的等靜壓，除非有些設(shè)備下行速率過慢或小型薄壁件將出現(xiàn)施壓前就已經(jīng)完全凝固的情況。但在液體擠壓中，壓下速率就顯得十分重要。壓下速率直接影響管材擠出速率，也就是說直接影響生產(chǎn)率。同時(shí)壓下速率還與相關(guān)參數(shù)的選取密切相關(guān)，如加壓前停留時(shí)間、模具溫度等。

（1）壓下速率過快，會(huì)很快使未凝固區(qū)下降到變形區(qū)或變形區(qū)以下，導(dǎo)致液態(tài)金屬從下部擠出。（2）壓下速率過慢，模具溫度過低的情況出現(xiàn)，則可能導(dǎo)致中途停止、擠不動(dòng)的現(xiàn)象出現(xiàn)．原因在於未凝固區(qū)不斷上移，製件內(nèi)部溫度下降過快。壓下速率是由設(shè)備和噸位決定的，只有調(diào)節(jié)其他相關(guān)因素，如模具溫度或調(diào)節(jié)模具擠壓筒的直徑來適應(yīng)實(shí)際需要。實(shí)驗(yàn)表明，在穩(wěn)定階段壓下速率一般保持在5mm／s左右。5、比壓這裏的比壓值和液態(tài)模鍛的比壓值也是一個(gè)不同的概念。在液態(tài)模鍛中，比壓可以加到無限大，因內(nèi)部金屬無處可流，所以可以把壓力升到設(shè)備的最大噸位，比壓達(dá)到最大值。但在液體擠壓中．比壓則完全不同，當(dāng)壓力達(dá)到一定值，使得變形區(qū)的金屬滿足變形條件時(shí)，管材就會(huì)被擠出，壓力不再上升。

比壓值受壓下速率的影響，壓下速率、變形速率大，則比壓值也要大一些。但一般液壓機(jī)的速率並不能無限調(diào)大，所以至一定程度後二者會(huì)自動(dòng)平衡，穩(wěn)定於某一值上。當(dāng)然採用稍小一點(diǎn)的壓力，應(yīng)該也能擠出管材，只是壓下速率相應(yīng)也會(huì)放慢。但實(shí)際中除非設(shè)備噸位限制，一般均屬自動(dòng)平衡的情況，即在達(dá)到某一壓下速率、變形速率後，比壓值即可基本確定。若內(nèi)部變形抗力增大，則壓機(jī)所施加壓力將相應(yīng)增大，以保證變形速率。

影響比壓值的另外一個(gè)因素是摩擦力和材料本身，在擠壓筒處摩擦僅起消耗變形功的作用，但在管子出口處．摩擦力大，將使製件內(nèi)部出現(xiàn)較大的等靜壓，等於施加較大背壓，這對於提高製件性能是有一定益處的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)．管材液體擠壓其比壓值對鋅合金和鋁合金基本均為60～300MPa。下表為不同型號(hào)鋅合金液態(tài)擠壓後的力學(xué)性能列於表中?？梢钥闯觯黜?xiàng)性能指標(biāo)均遠(yuǎn)高於鑄態(tài)，尤其是延伸率和衝擊韌性值，高出數(shù)倍甚至十幾倍。棒材液態(tài)擠壓棒材、線材的生產(chǎn)一般採用擠壓或拉拔工藝，變形量較大時(shí)需經(jīng)多道擠壓工序或拉拔工序。採用液態(tài)擠壓方法可以直接由液態(tài)金屬一次成形出棒材或線材，變形抗力遠(yuǎn)小於固態(tài)擠壓或拉拔，特別適宜於中小批量生產(chǎn)。

棒(線)材液態(tài)擠壓不需要安裝芯軸，為保證坯料內(nèi)部處於較大的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，成形模內(nèi)壁需帶有一定的錐度(右圖)，使金屬在擠人成形模後能繼續(xù)產(chǎn)生一定的塑性變形。

其他型材液態(tài)擠壓液態(tài)擠壓其他型材與成形棒材類似，一般不需安放芯軸，但同時(shí)也無法利用芯軸與模壁摩擦所產(chǎn)生的背壓使液態(tài)金屬承受更高的等靜壓，因此性能提高受到一定限制。為改善此狀況，一般在成形模側(cè)壁上端加工一定的斜度，一方面使進(jìn)入成形模後仍未完全凝固的液態(tài)金屬隨斷面減小而快速凝固，不至於在未完全凝固狀態(tài)下被擠出模具；另一方面還可以使擠入成形模的金屬在擠出過程中經(jīng)受二次變形而得到進(jìn)一步強(qiáng)化；同時(shí)，使仍處於凹模內(nèi)的金屬處於三向壓應(yīng)力狀態(tài)，保證液態(tài)金屬在壓力下結(jié)晶和強(qiáng)制補(bǔ)縮。

下表為純鋁和ZA27合金角型材液態(tài)擠壓時(shí)的工藝參數(shù)。研究表明，利用此參數(shù)可以製備出高質(zhì)量的角型材，且相比熱擠壓和冷擠壓而言成形力得到明顯降低。液態(tài)擠壓對鋅合金組織與性能的影響

下表為不同鋅合金液態(tài)擠壓管材、液態(tài)模鍛和鑄態(tài)性能的比較。經(jīng)液態(tài)擠壓後，鋅合金的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有不同程度的提高。

從表中可以看出，經(jīng)液態(tài)擠壓後，三種鋅合金的塑性指標(biāo)均得到大幅度提高，同時(shí)也不損失強(qiáng)度指標(biāo)，其強(qiáng)韌化效果是其他方法較難達(dá)到的。ZAl3經(jīng)液態(tài)擠壓後，強(qiáng)度指標(biāo)比金屬型鑄造提高22％一25％，衝擊韌性值是鑄態(tài)件的17倍～25倍，延伸率提高了近10倍，斷面收縮率提高近20倍，說明材料已由鑄態(tài)脆性材料變?yōu)樗鼙葺^好的材料；液態(tài)擠壓ZA27的抗拉強(qiáng)度比鑄態(tài)提高23．4％，比液態(tài)模鍛提高14．6％；延伸率比鑄態(tài)提高4．5倍，比液態(tài)模鍛提高22．5％；硬度比鑄態(tài)提高23％；衝擊韌性提高效果亦十分明顯。

工藝參數(shù)對鋅合金的性能影響也很大，如果液態(tài)金屬澆注後的停留時(shí)間過短，在大變形區(qū)仍有液相存在時(shí)即開始加壓，則金屬完全結(jié)晶發(fā)生於進(jìn)入?？字?，如下圖所示。此時(shí)，變形強(qiáng)化的作用相對要弱一些，其性能提高不明顯。由表5—6可以看出，該情況下液態(tài)擠壓ZA27合金的性能相對於鑄態(tài)雖有較大提高，但延伸率和衝擊韌性值均低於液態(tài)模段。生產(chǎn)中應(yīng)選擇合理工藝參數(shù)，避免此現(xiàn)象發(fā)生。

表5—7和表5—8所列為液態(tài)擠壓和金屬型鑄造ZAl3和ZA27A的磨損性能對比情況，可以看出，液態(tài)擠壓使製件的耐磨性得到了明顯提高。液態(tài)擠壓對鋅合金組織的影響

液態(tài)擠壓使鋅合金力學(xué)性能大幅度提高的主要原因在於該工藝使合金在整個(gè)凝固過程中一直處於高壓狀態(tài)，並經(jīng)歷大塑性變形，由此直接影響其結(jié)晶凝固過程，進(jìn)而改變合金的組織形態(tài)。

壓力是液態(tài)擠壓中最為關(guān)鍵的參數(shù)，壓力會(huì)引起合金的熱物性參數(shù)變化。如壓力對合金平衡相圖影響可以通過Clausius-Clapeyron方程描述:式中，Tf為合金的平衡凝固溫度，Vl為合金液相的體積，Vs為合金固相的體積，Lf為合金的潛熱，P為合金受到的壓力?？梢?，對於凝固收縮的合金，凝固點(diǎn)Tf一般是隨著合金壓力的增加而增加。圖為ZA13合金鑄態(tài)和液態(tài)擠壓成形的金相組織，可以看出液態(tài)擠壓組織細(xì)小、均勻，粗大的初晶得到破碎，而金屬型鑄造組織呈明顯樹枝狀初晶。沿變形(縱截面)方向的組織呈纖維狀分佈，為富鋁和富鋅相被拉長所致，屬典型的變形組織特徵。

金屬熔體在壓力下凝固會(huì)導(dǎo)致晶粒細(xì)化關(guān)於其機(jī)理，Chadwick和Yue認(rèn)為，壓力只是使合金凝固時(shí)，凝殼與模壁之間的熱交換係數(shù)增加及使凝殼與模壁之間的有效接觸面積增加而導(dǎo)致合金的凝固速度增大，從而細(xì)化了晶粒。而Franklin等人認(rèn)為壓力導(dǎo)致合金凝固過程中出現(xiàn)了更大的過冷度，使合金形核率的增加，從而使晶粒得到了細(xì)化。目前，多數(shù)研究者傾向於認(rèn)為上述兩種機(jī)制都起作用。下圖為ZA13合金鑄態(tài)和液態(tài)擠壓SEM照片，可以看出鑄態(tài)初晶粗大，共晶體呈片狀分佈，白色的富銅相也十分粗大；經(jīng)液態(tài)擠壓後，各相均明顯細(xì)化，沒有發(fā)現(xiàn)片狀的共晶體存在，變形特徵不僅在變形方向上得到明確顯示，而且在橫剖面上也能發(fā)現(xiàn)變形特徵。另外，兩種工藝的共晶體及初晶均有較大差別。液態(tài)擠壓時(shí)由於冷速快，初晶中有很多高熔點(diǎn)相來不及析出而彌散分佈於基體中，起到彌散強(qiáng)化的作用。

液態(tài)擠壓時(shí)模具內(nèi)的金屬流動(dòng)和變形是不均勻的，因而也會(huì)影響其組織形貌，導(dǎo)致沿製件管壁不同部位的組織形貌也不盡相同。下圖顯示了液態(tài)擠壓管材(壁厚為8mm)沿管壁徑向不同部位的金相組織。圖5(a)為靠近內(nèi)壁處的組織，圖(b)為靠近管壁中部的組織，可以看出其組織形貌基本相同，但管壁中部的組織更為細(xì)小，說明對於管材液態(tài)擠壓，沿管壁徑向中部變形量較大且均勻，性能也最好。研究表明，沿管子軸向其組織分佈情況基本沒有變化，與圖中所示的管材中部組織相同。

值得注意的是，如果加壓前停留時(shí)間較短或模具溫度、澆注溫度較高，也會(huì)影響鋅合金的組織形態(tài)。下圖為加壓前停留時(shí)間較短時(shí)液態(tài)擠壓ZA27合金試樣的橫向組織，可以看出，其組織形態(tài)與液態(tài)模鍛基本相同，觀察其縱剖面也未見流線組織分佈，其性能基本等同於液態(tài)模鍛。

液態(tài)擠壓對鋁合金組織與性能的影響ZL108合金元素含量分別Si11％～13.0％、Cu1.0％～2.0％、Mg0.4％～1.0％、Mn0.3％～0.9％，其餘為Al。常態(tài)ZL108合金的抗拉強(qiáng)度只有200MPa，塑性和韌性也較低。經(jīng)液態(tài)擠壓後，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均有較大改善。表為ZL108合金液態(tài)擠壓和鑄態(tài)性能的比較，根據(jù)試樣取樣位置的不同，其性能也有所不同。液態(tài)擠壓製件的缺陷產(chǎn)生及其控制方法液態(tài)擠壓鋅合金、鋁合金管棒材質(zhì)量受多種因素的影響，如模具結(jié)構(gòu)與精度、工藝參數(shù)選取與過程控制等，稍有不甚，即會(huì)導(dǎo)致成形製件出現(xiàn)諸如表面劃痕、裂紋、包層、內(nèi)貼層、斷層、液態(tài)金屬擠出、撕開和冷隔等缺陷。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，主要有以下幾種缺陷及其相應(yīng)的預(yù)防或消除方法。表面劃痕表面劃痕是一種常見的表面缺陷，液態(tài)擠壓管材、棒材、型材表面均有可能出現(xiàn)此缺陷。金屬黏模、模具內(nèi)表面粗糙是使製件表面產(chǎn)生劃痕的主要原因，因此對模具表面的粗糙度特別是成形模表面粗糙度應(yīng)有嚴(yán)格要求。此外，模具間隙也是影響製件表面品質(zhì)的重要因素。如模具間隙過大，擠入間隙內(nèi)的金屬硬質(zhì)點(diǎn)會(huì)在壓制及回程過程中使擠壓筒內(nèi)壁或成形模表面產(chǎn)生嚴(yán)重劃傷，從而影響製件表面品質(zhì)。若模具硬度足夠高，發(fā)生這類劃傷的可能性會(huì)大大減小。表面裂紋液態(tài)擠壓製件表面裂紋的形成因素較複雜，典型的包括芯子安裝偏斜、模具表面精度較低以及定徑帶高度不適中等。1)芯子安裝偏斜液態(tài)擠壓管材因芯子位置偏斜而使管材壁厚不同時(shí)，其金屬的流動(dòng)速度也會(huì)有所不同，壁厚的一邊金屬流動(dòng)快，壁薄的一邊金屬流動(dòng)慢，由此壁薄的一邊就會(huì)受到拉應(yīng)力作用，加之?dāng)D壓過程中金屬仍處於較高溫度，強(qiáng)度較低，所以在管壁較薄的一邊可能出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。2)模具表面精度較低液態(tài)擠壓型材或棒材時(shí)，金屬流人帶有一定錐度(有時(shí)為增加變形而進(jìn)行的特殊設(shè)計(jì))的表面精度不夠高的成形模後，會(huì)使周邊部位的金屬流動(dòng)受阻，而其餘部位的金屬流動(dòng)速度較快，使擠出型材和棒材的外表面受到較大拉應(yīng)力，因超過變形極限而產(chǎn)生裂紋。另外，如果擠壓型材的模具表面粗糙度不均勻，金屬流動(dòng)時(shí)受到的阻力也不均勻