金属材料挤压铸造成形技术的研究进展

金属材料挤压铸造成形技术的研究进展罗慧馨沈阳工业大学摘要:挤压铸造技术是一种结合了铸造和塑性加工特点的短流程、高效、精确成形技术，广泛应用于机械、汽车、家电、航空、航天、国防等领域生产高性能和高精度的零件。首先简要介绍了金属材料挤压铸造成形技术的特点和历史。重点分析了液态金属压力下结晶的物理冶金行为和力学过程，此外，还总结了挤压铸造技术涉及的材料体系、挤压铸造过程的工艺参数优化、挤压铸造过程的零件成形、挤压铸造过程的数值模拟、挤压铸造成形装备研究方面的研究进展。最后展望了金属材料挤压铸造成形技术的发展重点。关键词:金属材料;挤压铸造LuoHuixinShenyangUniversityofTechnologyProgressinTechnologyofSqueezeCastingforMetalMaterialsAbstract:Squeezecastingisatechnologywithshortroute，highefficiency，preciseformingwhichpossessesthefeaturesofcastingandplasticprocessing．Itisappliedtoproducehighperformanceandhighprecisionpartswhicharewidelyusedinmachinery，automobile，household，aviation，aerospaceanddefense．Inthispaper，thecharacteristicsandhistoryofsqueezecastingareintroducedbriefly．Thentheeffectofappliedpressureonthemetallurgicalandmechanicalbehaviorofliquidmetalisanalyzed．Furthermore，theresearchprogressinthedevelopedmaterials，processoptimization，formingofparts，numericalsimulationandequipmentofsqueezecastingissummarizedcomprehensively．Finally，thefuturetrendsofsqueezecastingarepresented．Keywords:metalmaterials;squeezecasting1前言挤压铸造又称液态模锻，它是一种将一定量的液态金属注入模具型腔，然后施加较高的机械压力，使液态或半液态的金属在压力下低速充型、凝固和成形的技术。与其他铸造成形方法相比，挤压铸造技术具有选材范围宽、金属液利用率高(直接挤压铸造可达95%～98%)、铸件组织均匀致密、力学性能优良、表面光洁度和尺寸精度高等优点。与塑性成形方法相比，挤压铸造技术具有变形力和成形能较小、无需多道工序加工、可制造形状复杂的零件等特点。概言之，它是一种结合了铸造和塑性加工特点的短流程、高效、精确成形技术，广泛应用于机械、汽车、家电、航空、航天、国防等领域，生产高性能和高精度的零件［1－4］。最早提到挤压铸造技术是在1819年英国人JamesHollingrake的一项专利中。其后，在英国有一种类似挤压铸造的方法，用于生产铸铁水槽［3］。1878年，前苏联著名冶金学家D.K.Chernov也提出了相似的概念。然而，直到20世纪30年代，才出现关于挤压力对合金凝固行为影响的研究［1，3］。一般认为，1937年前苏联人V.M.Plyatskii出版专著《液态金属模锻》，是挤压铸造技术完全确立的标志。随着该书英文版《ExtrusionCasting》在西方的传播以及美国学者J.C.Benedyk［5］1970年在第6届国际压铸会议上的大力推荐，该技术在20世纪60年代后得到了飞速发展。在随后的50多年中，前苏联、美国、德国、日本和澳大利亚等国先后对这项技术进行了广泛的研究［1－4］。我国在1958年便开始开展挤压铸造技术的研究，20世纪70年代曾有一个快速发展阶段，材料对象涉及Al合金，Zn合金，Mg合金，Cu合金，钢铁等，零件近300种。进入90年代后，随着产品轻量化和高性能化的迫切需求，挤压铸造作为一种近净成形技术受到越来越广泛的关注［6］。2挤压铸造理论研究挤压铸造理论研究是高性能零件挤压铸造成形的技术基础，其核心是揭示液态金属压力下结晶的物理冶金行为和力学过程。挤压铸造技术经过多年的研究，目前已经建立了比较完备的液态金属压力下结晶凝固和塑性变形的理论体系［7－9］，涉及的主要内容包括:压力对合金状态图的影响、压力对金属形核与长大的影响、压力对金属熔体中气体的溶解与析出的影响等;挤压铸造过程中铸件的成形、凝固与热传导;挤压铸造过程中压力的传递、分布与损失;挤压铸造过程中铸件的收缩、补缩、晶粒组织与偏析形成等。由于压力是挤压铸造中最为关键的参数，其对材料组织和性能影响的研究最受关注。首先，压力会引起合金的热物性参数(如凝固温度、热导率、密度、比热容和结晶潜热)的变化。如压力对合金平衡相图影响可以通过Causius-Capeyron方程描述:dTf=Tf(Vl－Vs)(1)dPLf式中，Tf为合金的平衡凝固温度，Vl为合金液相的体积，Vs为合金固相的体积，Lf为合金的潜热，P为合金受到的压力。可见，对于凝固收缩的合金，凝固点Tf一般是随着合金压力的增加而增加，并得到了试验验证［10］。其次，金属熔体在压力下凝固会导致晶粒细化［11］(见图1)，关于其机理，Chadwick和Yue［3］认为，压力只是使合金凝固时，凝壳与模壁之间的热交换系数增加及使凝壳与模壁之间的有效接触面积增加而导致合金的凝固速度增大，从而细化了晶粒。而Franklin等人［12］认为压力导致合金凝固过程中出现了更大的过冷度，使合金形核率的增加，从而使晶粒得到了细化。目前，多数研究者倾向于认为上述两种机制都起作用，但在不同凝固阶段起作用的程度不同，并且还受到其他工艺参数的共同影响，如施压时刻、保压时间、浇注温度、合金成分等［4］。如果施加压力是在如下温度区间:T＞Tm+ΔT，ΔT为由于施加压力引起的合金凝固温度的增量，则熔体过冷效应可以忽略不计，热交换系数的变化起决定性作用。如果压力施加的时间是处在如下温度区间:Tm≤T≤Tm+ΔT，则熔体过冷将起非常重要的作用，如果保压时间持续到合金完全凝固，则熔体过冷效应继续起作用。关于挤压铸造力学成形理论，霍文灿及其课题组进行了开拓性的工作［13－15］，如建立了挤压铸造组合体力学模型，分析了挤压铸造过程中的塑性流动，测量了挤压铸造过程的力－位移曲线，建立了挤压铸造过程塑性变形与合金凝固的定量关系，利用主应力法和能量法求解了临界比压。总之，他们认为挤压铸造过程是高压下结晶凝固和塑性变形下强制补缩的图1在0MPa(a)和75MPa(b)挤压压力下高强韧Al-Cu合金的金相照片Fig.1Metalcaststructureofahigh-strengthandhightoughnessAl-Cu-basedalloysqueezedby0MPa(a)and75MPa(b)值得一提的是，目前挤压铸造基础理论的建立，主要是基于直接挤压铸造(或液态模锻)工艺，在间接挤压铸造条件下液态金属压力下结晶的物理冶金行为和力学过程研究还需要深入。3挤压铸造材料研究挤压铸造技术具有比较大的选材空间。挤压铸造材料包括Al合金，Mg合金，Zn合金，Cu合金，铸Fe，铸钢等。此外，基于挤压铸造的工艺特点，挤压铸造金属基复合材料也备受青睐。3.1铝合金材料挤压铸造Al合金中最早得到重视的是Al-Si系合金，这主要是由于这类合金具有极佳的铸造性能，挤压铸造Al-Si合金主要是A356，390，ZL101，ZL102，LM13等［6-8］。此外，一般还通过添加少量Mg，Cu，Mn等进一步改善材料的性能。J.I.Lee等研究了一种成分为12%Si-3%Cu-0.7%Mg(质量百分数)的适合于挤压铸造的Al合金，这种合金力学性能比常规铸造合金高出将近10%～20%。如果再添加一些变质元素如Sr，Ti，B，该合金的伸长率将比常压铸造合金提高40%。另一个受到关注的挤压铸造Al合金是Al-Cu系合金，这主要是因为Al-Cu合金是一种高强度铸造Al合金，具体有Al-Cu-Mg，Al-Cu-Mn，Al-Cu-Si3个合金系。挤压铸造技术可以大幅度提高这类合金的力学性能，此外通过优化合金化元素、添加微量元素可使得合金的性能得到进一步改善［5］。在高强韧铸造Al-Cu合金的发展中，A-U5GT的历史最为悠久，应用最为广泛［15。它是在Al-Cu二元合金基础上通过添加Mg，Ti形成的。由于高纯(Si≤0.05%，Fe≤0.10%)而具有很好的力学性能。在工业生产条件下，它的力学性能可达到Rm=340～385MPa，A=11%(T5)。美国201.0和206.0也是在A-U5GT基础上发展起来的，它具有很好的力学性能和抗应力腐蚀能力。YenandEvans［10］研究了一种成分(质量百分数)为7.0～13.0Cu，0.4～1.2Mn，0.21～0.40V，0.31～0.70Zr，杂质元素为＜0.6%Si，＜0.8%Fe，＜0.2%Zn，＜0.1%Mn，＜0.2%Ni的挤压铸造铝合金，合金的抗拉强度为420MPa，屈服强度为340MPa，伸长率为6%，弹性模量为80GPa。我国20世纪60～70年代研制了ZL205A合金。该合金成分复杂，含有Cu，Mn，Zr，V，Cd，Ti，B等7种合金元素。ZL205A(T6)的典型抗拉强度高达510MPa，T5状态下典型伸长率达13%。华南理工大学针对Al-Cu-Mg，Al-Cu-Mn两个合金系，通过合金成分优化，研制了牌号为HGZL01的Al-Cu-Mg-Mn合金，其化学成分(质量百分数)为4.5～6.0Cu，0.2～0.8Mn，0.2～0.8Mg，并添加有Zr，V，Sc，Ti和B等，在挤压铸造条件下，该合金具有优良的强韧性［24］，在此基础上，进一步优化合金成分，开发了一种抗拉强度更优异的HGZL02挤压铸造Al-Cu合金。该合金在75MPa压力下，T5热处理的合金抗拉强度达到510MPa、伸长率为7.9%［11］。Al-Zn系铝合金是7XXX系列超高强Al合金，主要是作为变形Al合金得到应用，铸造Al-Zn合金应用并不广泛，但近年来利用挤压铸造技术研究7XXX系列变形Al合金获得了高度的关注。挤压铸造7010Al合金T6处理、50MPa比压下的抗拉强度可达550MPa以上，伸长率超过10%。除上述3类挤压铸造Al合金外，也有少量针对挤压铸造Al-Mg系合金的研究，如J.H.Lee等开展了针对5083(Al-4.7Mg-0.7Mn)合金的挤压铸造工艺、组织和性能的研究。Skolianos等研究了AA6061合金在不同挤压压力下的显微组织和力学性能。3.2其它金属材料挤压铸造Mg合金可以避免压铸Mg合金存在气孔、蠕变性能低、难以热处理和焊接等问题。AZ91作为铸造Mg合金的代表，其挤压铸造组织与性能方面的研究相对较多(图2［11］)。Sevik等人研究了Sn对挤压铸造AM60(Mg-5.93Al-0.18Mn)合金的组织和性能的影响，发现Sn可以有效细化晶界共晶相的尺寸，从而提高材料的强度和硬度。Zhu等人比较了Mg-9Al-0.6Zn-0.3Mn-1.0Ca-0.1Sr合金的压铸、挤压铸造和铸锭3种材料的蠕变性能，发现挤压铸造材料的蠕变性能最好(图3)。铸造Zn合金通常是Zn-Al系合金，该类合金的凝固温度范围宽，在常规铸造条件下容易形成缩松，导致材料的致密度和力学性能下降。挤压铸造改善了凝固过程中的补缩条件，可以显著减少Zn合金的缩松缺陷，并细化材料组织，从而提高材料的力学性能。和摩擦磨损性能［14-15］。挤压铸造也可用于Cu合金、钢等高熔点的金属材料，但由于模具材料和工