金屬材料的擠壓鑄造成型技術及其應用

2024年1月4日發(作者：一件新鮮事)

金屬材料的擠壓鑄造成型技術及其應用

摘要：金屬擠壓鑄造技術，其原理是對擠壓鑄型型腔內的液態（或半固態）金屬施加較高的機械壓力，使其成型和凝固，從而獲得鑄件或鑄錠的一種工藝，廣泛應用與機械、汽車、船舶、家電、航空航天等領域。首先對擠壓鑄造成形技術進行分析，然后舉例描述擠壓成形技術在金屬材料上的應用，最后展望了金屬材料擠壓鑄造成形技術的發展重點。

關鍵詞：金屬材料；擠壓鑄造；應用

一、前言

最早提到擠壓鑄造技術是在1819年英國人James Hollingrake的一項專利中。其后，在英國有一種類似擠壓鑄造的方法，用于生產鑄鐵水槽。1878年，前蘇聯著名冶金學家v也提出了相似的概念。然而，直到20世紀30年代，才出現關于擠壓力對合金凝固行為影響的研究。我國在1958年便開始開展擠壓鑄造技術的研究。20世紀70年代曾有一個快速發展階段$材料對象涉及AI合金，Zn合金，Mg合金，Cu合金，鋼鐵等，零件近300種。進入90年代后，隨著產品輕量化和高性能化的迫切需求，擠壓鑄造作為一種近凈成形技術受到越來越廣泛的關注。

二、擠壓鑄造成型技術工藝

金屬擠壓鑄造技術，簡稱擠鑄，也稱“液態模鍛”或“連鑄連鍛”。它是將一定量的被鑄金屬液直接澆注入涂有潤滑劑的型腔中，并持續施加機械靜壓力，利用金屬鑄造凝固成形時易流動和鍛造技術使已凝固的硬殼產生塑性變形，使金屬在壓力下結晶凝固并強制消除因凝固收縮形成的縮孔縮松，以獲得無鑄造缺陷的液態模鍛制件。

擠壓鑄造從工藝方法可分為兩大類：直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造。直接擠壓工藝類似于金屬模鍛，壓力直接施加于液態金屬的整個面上，合型操作過程直

接通過擠壓鑄形，使液體金屬填滿整個腔體，然后繼續升壓并且保持壓力直到液態金屬全部凝固為止；間接擠壓工藝與壓鑄接近，壓力通過澆道間接作用于液態金屬上，這種方式除了將金屬壓入型腔外，還要通過內澆道將壓力作用在鑄件上面，這種方法形成的鑄件尺寸精度高。但是這種方式和直接擠壓鑄造的缺點是加壓效果會比較差，另外鑄件上還要有內澆道以及料柄，所以金屬利用率就低于直接擠壓鑄造形式，間接擠壓鑄造用于產量大、形狀復雜鑄件較為合適。但是就質量而言來說，間接擠壓鑄件內部質量低于直接擠壓件而高于壓鑄件。

三、擠壓鑄造材料研究及應用

1、鋁合金材料

擠壓鑄造AI合金中最早得到重視的是AL-S系合金，這主要是由于這類合金具有極佳的鑄造性能，擠壓鑄造AL-S合金主要是A356,390，ZL102，LM13等。此外，一般還通過添加少量Mg，Cu，Mn，等進一步改善材料性能。另外，Al-Cu系合金在擠壓鑄造工藝中也備受關注，因為該合金的鑄造性強，擠壓鑄造技術可以使這一系類的合金子的力學性能得到提高，再加上外在微量元素和優化合金化元素的加入，使整個合金性能進一步提高；A-U5GT具有較高的純度，歷史悠久，應用也最廣，主要是在Al-Cu的二元合金基礎上加了Ti和Mg元素形成，因此它的力學性能比一般材料更好。

1.

金屬基復合材料

金屬基復合材料的主要制備方法就是擠壓鑄造，在這方面國內外的文獻綜述相對較多。這種技術有著一下特點：（1）加強金屬材料的流動性，有利于間隙之間的填充，使鑄造構件的組織更為緊密均勻；（2）在擠壓鑄造過程中，縮短了熔融金屬與增強體之間的接觸時間，有助于其界面的復合；（3）金屬基復合材料在擠壓鑄造過程中具有極強的自由性，既可以采用AL、Zn、Mg作為基體材料，也可以用顆粒、纖維等；（4）既可以用于簡單零件的錠坯制備，也可用于高難度的零件制造；（5）生產成本較低，容易實現大規模的工業化生產，綜合性能優良、制備過程簡單，因此其應用也最廣泛。

1.

理論概述

擠壓鑄造工藝方面的影響因素主要是開始加壓時間、擠壓力、壓頭速度、保壓時間等。其影響規律是：開始加壓時間越長成形能力越差；擠壓力越大，成形能力越好；壓頭速度越快，成形能力越好。一般來說，保壓時間對成形能力的影響作用不大，只有在凝固時間很長的情況下才能表現出一定影響，保壓時間延長，成形能力略有提高。其他的影響因素有工件幾何特征方面，可以歸納為工件最小壁厚、最大輪廓尺寸以及壁厚變化的順序性3方面。合金材料方面，材料的比熱容、導熱系數、結晶潛熱、密度都會影響成形過程的降溫速度，進而影響成形能力，其影響規律是：所有加速金屬熔體在成形過程降溫的因素都能降低成形能力，相反，所有延緩金屬熔體在成形過程降溫的因素都能提高成形能力；此外，合金材料的粘度、凝固特性和固相形貌都會影響金屬熔體的高溫流變性能，進而影響成形能力，其影響規律是：所有提高合金熔體流變抗力的因素都將降低成形能力，如高粘度、糊狀凝固、發達的樹枝晶等；相反，所有降低合金熔體流變抗力的因素都將提高成形能力。模具方面，模具材料、模具溫度、涂料種類和厚度、表面粗糙度等都會一定程度上影響材料的成形能力。所有加大金屬熔體在模具型腔內的流變阻力和加速金屬熔體流變過程降溫的因素都將降低擠壓鑄造成形能力，如高導熱的模具材料、較低的模具溫度、導熱性涂料、較薄的涂料層、粗糙的表面等都會降低擠壓鑄造成形能力。

在金屬材料成形工藝技術方面，由于部分過于復雜、過大的零件在凝固方面有很大的條件差距，要進一步優化材料成形技術，使零件鑄造得均勻性和零件組織得到完善和性能的提高，并對鑄造過程中所存在的難以進行完善得問題進行精確地控。除此之外，由于大型構件的鑄造需要過高的成本、較長的時間，所以要將模擬技術的開發作為重要的鑄造模型優化技術，進行開發和運用。

在金屬材料擠壓鑄造過程中，要保證零件鑄造的高精度和高效率，鑄造機械設備是最基本的前提，因此要研究適用性廣、大噸位、高效控制力的新型合索模結構，從以上方面進行新的擠壓鑄造技術設備的開發。

結語

盡管國內外針對擠壓鑄造技術已經做了不少工作，隨著結構件向大型化、復雜化、高性能化和輕量化發展，為擠壓鑄造技術創造了廣闊的發展空間，需要開展的工作主要體現在：

1.

深入分析間接擠壓鑄造時，液態金屬壓力下結晶的物理冶金行為和力學過程，進一步完善擠壓鑄造基礎理論。對于大型復雜零件擠壓鑄造精確成形，需研制具有更優綜合性能的新型材料，完善適合于金屬材料擠壓鑄造技術的材料體系：

2.

在成形工藝方面，大型復雜零件各部位凝固條件相差較大，應通過工藝優化實現零件組織和性能的均勻性，進行鑄造缺陷的精確控制；大型鑄件的模具制造周期長，成本昂貴，開發準確的數值模擬技術是優化模具設計的重要手段；

3.

成形設備是高效精確成形的重要保證，需要從寬適應性、研究大噸位和新型合鎖模機構、采用先進的控制系統等方面開發先進的擠壓鑄造裝備。

參考文獻：

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[5]彭勇.鑄鍛一體化成形6061鋁合金汽車制動器卡鉗數值模擬與實驗研究[D].中南大學，2014.作者簡介： 姚志文1970年2月 男 本科 實驗師 南昌 研究方向金屬材料

萬秀蓮 1973年10月 女 本科 實驗師 南昌 研究方向金屬材料

宋峰 1972年 4月 男 本科 實驗師 南昌 研究方向金屬材料