材料液态成型及控制

材料液态成型及控制压成形过程中流场、温度场等问题进行数值模拟，得出电机鼠笼转子流变挤压铸造最佳工艺参数，最后采用挤压铸造法以AZ91D镁合金为基体制备了一种SiCp/AZ91D镁基复合材料， SiCp/AZ91D镁基复合材料经热处理后抗拉强度和伸7000系高强铝合金流变挤压铸造工艺,优化了工艺参数，对电机鼠笼转子流变挤长率都得到了大幅提升。

摘要：挤压铸造是一种对液态金属施加机械压力来保证其凝固结晶，获取高性能、高强铝合金流变挤压铸造的计算模型采用数值模拟和实验相结合的方法,研究低缺陷铸件的先进铸造工艺技术，首先文章从理论研究、设备制造、选用材料、生产工艺、主要零件等几大方面介绍了挤压铸造的发展历史，通过建立7000系关键词：液态成型；挤压铸造；液态模煅；引言挤压铸造( Squeeze Casting， SC) 又称液态模煅，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。

在国内外已广泛应用于汽车、摩托车的发动机外壳等重要零部件毛坯的生产。

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]。

1挤压铸造技术介绍挤压铸造成形方法根据工艺特点可以区分为直接法(Direct Squeeze Casting)和间接法(Indirect Squeeze Casting)[2]。

1.1直接挤压铸造法直接挤压铸造方法是压力直接施加于金属熔体的整个液面上，模具不设充型系统，所以金属液凝固速度快，所获得的铸件组织致密，理论上可以生产出接近100%致密的铸件，这种方法适合于生产形状简单、对称结构的铸件，如活塞、卡钳、气缸等。

该方法的主要缺点是浇入到型腔内的金属熔液必须精确定量，否则由于熔液量的变动使铸件尺寸精度不稳定；要求铸件向冲头方向单向凝固以保证压力有效传递，使制品的形状受到了限制，成形形状复杂铸件存在一定困难。

1.2间接挤压铸造法间接挤压铸造方法是首先将模具合模形成封闭模腔，压力作用在模腔外充型系统的金属熔体上，将金属熔体送入封闭的模腔保压成形。

间接挤压铸造方法具有浇道长度短、截面大、充型速度低、保压时间长等优点，容易控制铸件尺寸，不需要配置精确的定量充型系统。

该方法可充分利用充型装置中液态金属的热容量，使铸件易于成形和在压力下对零件进行补缩，因此适合生产形状复杂、壁厚不均、尺寸精度和表面粗糙度要求高的铸件。

但是这种施压方式不会在铸件内形成塑性变形组织，铸件的力学性能低于直接法生产的铸件[3]。

2挤压铸造成形技术研究现状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。

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。

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《Extrusion Cast-ing》在西方的传播以及美国学者J. C. Benedyk 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。

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[1]。

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，铸铁，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中最为广泛应用的是铝合金材料，主要有Al-Si系合金、Al-Cu系合金、Al-Zn系合金、Al-Mg系合金等。

Al-Si 系合金是在挤压铸造铝合金中最早被重视的，这主要是由于这类合金具有极佳的铸造性能。

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铝合金，这种合金力学性能比常规铸造合金高出将近10%～20%[13]。

Al-Cu合金是一种高强度铸造铝合金，具体有Al-Cu-Mg，Al-Cu-Mn，Al-Cu-Si 3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。

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[9]。

Al-Zn系铝合金是7XXX系列超高强铝合金，主要是作为变形铝合金得到应用，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系列变形铝合金获得了高度的关注[9]。

Al-Mg 系合金的研究相对较少。

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镁合金材料挤压铸造镁合金可以避免压铸镁合金存在气孔、蠕变性能低、难以热处理和焊接等问题。

郭志宏对AZ80镁合金进行了一系列研究，他确定了AZ80镁合金试样合理的挤压铸造工艺方案，得出了最佳工艺参数，加入Y使AZ80镁合金固液界面前沿的成分过冷增大，使铸态组织得到细化，-Mg17Al12相由网状分布变为断网分布，从而提高AZ80镁合金的力学性能等[14]。

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[9]。

3.3其他金属材料[9]铸造锌合金通常是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，可以显著减少锌合金的缩松缺陷，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。

挤压铸造也可用于铜合金、钢等高熔点的金属材料，但由于模具材料和工艺的限制，研究相对较少。

3.4金属基复合材料挤压铸造是金属基复合材料的主要制备方法之一，文献众多，该技术具有以下优点[9]：（1）可以改善金属的流动性，为其填充增强体之间的间隙创造有利条件，从而获得无孔洞的组织。

（2）挤压铸造条件下熔融金属与增强体之间的接触时间短，有助于改善两者之间的界面复合状况。

（3）挤压铸造金属基复合材料的设计具有较大的自由度。

（4）挤压铸造法既可用于制备金属基复合材料的锭坯，也可用于制造形状较复杂的零件。

（5）制备成本较低，容易实现工业生产。

采用挤压铸造技术制备金属基复合材料有两种方式：一种是首先制备增强体预制件，然后将预制件放入模具中，液态金属浇入模具并在一定的压力下浸渗预制件，冷却凝固后获得复合材料；另一种是与搅拌铸造相结合，先采用搅拌的方法使增强体在金属熔体中分散均匀，再采用挤压铸造实现混合浆料凝固成形。

4挤压铸造工艺研究实验以AZ91D镁合金为基体采用挤压铸造法制备了一种SiCp/AZ91D镁基复合材料，挤压铸造后晶粒得到充分细化，平均尺寸减小到100μm以下。

SiCp/AZ91D 镁基复合材料经热处理后抗拉强度和伸长率都得到了大幅提升，其中抗拉强度最高达到233MPa，伸长率最高达到5.96%，材料的力学性能得到大幅度提升；同时采用挤压铸造法制备了含I-phase的Mg-Zn-Nd合金，以AZ91D合金为基体，采用挤压铸造法制备了Mg-Zn-Y准晶增强的镁基复合材料，研究了挤压压力、浇注温度以及准晶中间合金含量对材料显微组织和力学性能的影响，并对强化机制进行了分析[15]。

4.1基于试验研究，针对特定工艺参数进行分析现有文献中对压力的研究较为广泛，通过检测A356铝合金熔体的氢含量,并对不同挤压压力下(40、60、80 MPa)凝固的挤压铸造试样进行了图像分析,测得试样不同部位的微观孔洞的尺寸和体积分数[7]；同时对不同压力挤压铸造Mg-Al-Ca合金的组织和性能进行了研究，发现提高压力降低了挤压铸造合金中第二相的比例及其孔隙率[8]。

4.2以实验样本为基础，使用现代优化算法进行工艺参数优化通过建立7000系高强铝合金流变挤压铸造的计算模型,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了7000系高强铝合金流变挤压铸造工艺,优化了工艺参数；同时对电机鼠笼转子流变挤压成形过程中流场、温度场等问题进行数值模拟，得出电机鼠笼转子流变挤压铸造最佳工艺参数为：浇注温度595℃、模具预热温度为220℃、挤压速度为0.3m/s,保压时间为28s[17]；对ADC12铝合金汽车凸轮轴轴承盖的直接挤压铸造成形过程进行了数值模拟，确定了合适的成形方式并分析其充型及凝固过程，预测了成形的缺陷[18]。

5总结分三个方面阐述了挤压铸造工艺的常见研究方法，即通过实验对特定工艺参数进行分析；进行数值模拟，使用现代优化算法进行工艺参数优化；基于理论推导和经验公式计算工艺参数。

深入分析间接挤压铸造时，液态金属压力下结晶的物理冶金行为和力学过程，进一步完善挤压铸造基础理论。

对于大型复杂零件挤压铸造精确成形，需研制具有更优综合性能的新型材料，完善适合于金属材料挤压铸造技术的材料体系.参考文献[1] 张卫文.金属材料挤压铸造成形技术的研究进展[J].中国材料进展.2011,30(7):24-32.[2] Jianxin D, Ming S. Method for Functional Design of Axiomatic Design Based on Connections[J]. 中国机械工程学报. 2011, 24(3): 364-371.[3] 闵好年.大型零件复合挤压铸造成形系统的研究[D].广州:华南理工大学,2013.[4] 卜雷,张晶华,张增培.基于汽车拨叉件的挤压铸造模具设计[J].湖北工业大学学报.2010(04):74-76.[5] 赵鸿金，康永林，王朝辉，等.镁合金轴筒件直接挤压铸造的研究[J].特种铸造及有色合金.2005(10).[12] 李元元. 赵海东，邵明，等. 一种利用电磁力充型的间接挤压铸造方法及其装置：中国. 200910041401.0 [P]. 2009-07-21.[13] Lee J I，Han Y S，Lee H I，et al. Microstructures and Mechanical Properties of Squeeze Cast Al-Si-Cu-Mg Alloy [J].Korean Inst Met Mater, 1994,32 (10) : 1259－1268.[14] 郭志宏. AZ80镁合金挤压铸造工艺仿真与复合材料制备[D].太原：中北大学，2014.[15] 杨玲. Mg-Zn-RE准晶中间合金的制备及挤压铸造准晶增强镁基复合材料研究[D].太原：中北大学,2014.[16] 徐蕾. 7000系铝合金流变挤压铸造工艺及数值模拟研究[D].北京：有色金属研究总院,2014.[17] 罗磊. 流变挤压铸造工艺数值模拟实验与分析[D].南昌:南昌大学,2013.[18] 袁玉红，杜建平，李春龙，等. 凸轮轴轴承盖挤压铸造工艺及数值模拟研究[J]. 铸造技术.2015,36(3):697-700.[19] Yang L J. The Effect of Solidification Time in Squeeze Casting of Aluminum and Zinc Alloys [J]. Journal of Materials Processing Technology.2007,192/193:114-120.。