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首頁 - 新聞資訊 - 技術文章 |
| 液態(tài)模鍛技術及其應用 |
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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，以其高效、綠色、短流程、高品質(zhì)等一系列獨特的優(yōu)勢受到了鑄造領域和鍛造領域的高度重視。其工業(yè)應用范圍不斷擴大，已經(jīng)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(tǒng)鑄造和鍛造產(chǎn)品技術升級的重要選擇，特別是在高品質(zhì)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(jīng)濟優(yōu)勢。本文系統(tǒng)介紹了液態(tài)模鍛的技術關鍵、工藝方法、研究與應用現(xiàn)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(fā)展，均已經(jīng)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(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，實現(xiàn)綠色鑄造，以適應環(huán)保和清潔生產(chǎn)的要求。將鍛造領域的本質(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(chǎn)品的組織性能優(yōu)異。但是，現(xiàn)如今，傳統(tǒng)鍛造的勞動環(huán)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(tài)流變”優(yōu)勢，出現(xiàn)了半固態(tài)鍛造和液態(tài)模鍛等特種鍛造技術。特別是液態(tài)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(tài)模鍛的技術原理與特點
液態(tài)模鍛又稱擠壓鑄造，它的本質(zhì)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(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)技術升級的新選擇。
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�。虎屏鲃有詷O好，螺旋線長度可達1350mm；⑶內(nèi)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(yè)采用液態(tài)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(tài)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(chǎn)企業(yè)采用液態(tài)模鍛應著重審視如下三個方面的條件。
產(chǎn)品與市場條件
產(chǎn)品及其市場是審視液態(tài)模鍛可行性的首要條件。液態(tài)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(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，則會出現(xiàn)組織生產(chǎn)困難，模具費用的攤銷過大，從而導致技術經(jīng)濟性不好。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。這些零件是一個持續(xù)改進、有持續(xù)需求的長線產(chǎn)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(tài)模鍛。
此外，受投資規(guī)模和現(xiàn)有設備能力的限制，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)模鍛技術生產(chǎn)。
主要設備條件
液態(tài)模鍛的工藝流程。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(tài)模鍛需要的主要設備如表1 所示。其中核心設備是液態(tài)模鍛機，目前生產(chǎn)鋼鐵零件的液態(tài)模鍛機尚未達到標準化、系列化的狀態(tài)，需要根據(jù)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(chǎn)品就需要一套模具，可以根據(jù)產(chǎn)品結構進行分組分類，通過更換模腔來實現(xiàn)一模多用；其熔煉
設備與傳統(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、澆注機和取件機則是根據(jù)產(chǎn)品及規(guī)模進行配置的周邊設備，也需要非標訂制；質(zhì)量檢驗、熱處理、光整等設備同于現(xiàn)有的耐磨鑄鍛件。
有色金屬液態(tài)模鍛的設備與鋼鐵件液態(tài)模鍛的主要區(qū)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(tài)模鍛與傳統(tǒng)鍛造相比，工藝流程短，生產(chǎn)場地小，投資不大。例如，年產(chǎn)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）
液態(tài)模鍛技術應用實例
液態(tài)模鍛技術正處于快速推廣與應用的時期，國內(nèi)外都有大量的應用實例。僅北京交通大學邢書明教授開發(fā)的液態(tài)模鍛產(chǎn)品就多達幾十種，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)達到了300kg，最小的只有幾十克。液態(tài)模鍛耐磨鋼件有破碎機錘頭、球磨機襯板、板錘、輥環(huán)、磨輥、斗齒、軋輥、軋鋼機側(cè)導板等，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口、滑動軸承、機車觸頭、氧槍噴頭、高壓開關觸頭等，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、分離機轉(zhuǎn)鼓等。
總體來看，目前液態(tài)模鍛技術已經(jīng)成熟，進入了針對具體產(chǎn)品的應用開發(fā)階段。開發(fā)的內(nèi)容主要是面向產(chǎn)品的液態(tài)模鍛工藝設計、液態(tài)模鍛模具設計以及液態(tài)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(tài)模鍛作為鑄鍛技術的升級，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。
⑵液態(tài)模鍛技術已經(jīng)成熟，但需要針對具體產(chǎn)品進行液態(tài)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(fā)。
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