原标题：挤压铸造技术与装备的若干新发展

挤压铸造作为一种金属零件精密成形技术，近年来取得了巨大发展。工艺技术口径不断拓宽，挤压铸造技术已经突破了传统概念的束缚，其技术范畴不断向半固态、压铸以及锻造方向扩展，出现了近液相线挤压铸造（NLSC）、超高压挤压铸造、高速压射挤压铸造、带砂芯挤压铸造、集成了低压铸造优势的混合铸造（HFC）以及与传统热变形加工相结合的复合挤压铸造等技术。工艺装备方面，基于产品的挤压铸造专机增多、自动化和智能化程度显著提高、模具温度的实时调控更加完善，国内在用的全自动挤压铸造机组已达300台套；产业化应用方面，材料范围和服务领域不断扩大，已经渗透至消费电子、汽车、自行车、高铁、军工和航天等领域。铸锻结合的复合挤压铸造、超高压挤压铸造、挤压铸造专用材料以及多功能挤压铸造将是今后的主要研究方向。

一、挤压铸造技术的新发展

1.近液相线挤压铸造和半固态挤压铸造

经典挤压铸造的金属液温度高于液相线温度以上30~80 ℃。然而，为了进一步提高挤压铸造件的力学性能，生产过程不断降低浇注温度，出现了近液相线温度挤压铸造NLSC（Near liquids squeeze casting）和半固态挤压铸造SSSC（Semi-solid squeeze casting）。其技术特征是，金属液的浇注温度接近其液相线温度，即低过热挤压铸造。研究者将这一技术用于ADC12和AZ91D支架的生产，发现在AZ91D液相线温度595 ℃下挤压铸造的抗拉强度比常规挤压铸造（过热30 ℃）提高了35 MPa，伸长率由2.0%提高到3.3%。类似地，在ADC12液相线温度下挤压铸造的铸态抗拉强度比常规挤压铸造（过热30 ℃）提高了约70 MPa，伸长率由1.2%提高到2.4%。

近液相线挤压铸造是经典挤压铸造技术与半固态加工技术融合发展的结果，因此，也称为半固态挤压铸造或流变挤压铸造。研究者采用低频电磁搅拌进行熔体预处理，结合近液相线挤压铸造的方法成功制备了组织细小、均匀致密且无宏观缺陷的GW103K铸锭，其屈服强度比传统挤压铸造提高了8 MPa，T6处理后提高了13 MPa，效果更加明显；140 MPa比压条件下半固态挤压铸造Al-8Si-Mg-Fe合金T6处理后的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到了352.5 MPa、280.4 MPa和7.3%。半固态挤压铸造 Al-7Si-1.0Cu-0.5Mg合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到了为379 MPa、299 MPa和7.5%。可见，近液相线温度挤压铸造和半固态挤压铸造都可以进一步细化铸态组织、显著提高合金的力学性能。将GISS技术与挤压铸造技术结合的半固态挤压铸造也有明显的细化组织和提高力学性能的作用。
与其他半固态铸造技术一样，近液相线温度的熔体或半固态熔体的制备是关键，只要解决了熔体制备生产效率低和成本高的问题，近液相线温度挤压铸造和半固态挤压铸造将成为零件成形领域有竞争力的工艺技术。

2.超高压挤压铸造

在传统的挤压铸造概念中，比压存在饱和值。当比压低于这个饱和值时，随着比压增大，不仅能使材料的密度增大、微观组织细化、力学性能提高，而且还能改善工艺性能，特别是Al-Cu合金的热烈敏感性改善显著；当比压超过这个饱和值时，再继续增大比压，材料性能保持稳定甚至下降。所以，传统的铝合金挤压铸造的比压一般不超过120 MPa。

但是，随着研究工作的深入和挤压铸造材料范围的扩大，挤压铸造的比压存在饱和值的理念受到了挑战，出现了比压高达近千MPa的超高压挤压铸造。研究者针对汽车用Al-20Si合金进行的超高压挤压铸造试验，发现虽然比压对强度的影响都表现出饱和值，但强度的饱和值高达560 MPa，远高于通常认知的临界比压，见图1。在低于560 MPa条件下，随着比压升高，初生Si相的数量逐渐减少，尺寸逐渐减小，圆整度越来越高，α-Al枝晶数量越来越多，合金的抗拉强度先升高后降低，伸长率则持续升高。比压达到560 MPa时，Al-20Si合金的抗拉强度达到最大值（165 MPa），随后比压再继续增加，强度则有所下降。但材料的塑性则不存在饱和值，比压由300 MPa增加到720 MPa时，Al-20Si合金的伸长率由3.4%提高到 6.1%。采用935 MPa的比压对过共晶Al-17.5Si合金进行挤压铸造，其硬度（HBS）比金属型重力铸造显著提高，由54提高到64.5。

图1 超高压挤压铸造铸件的力学性能

3.带砂芯挤压铸造技术

轻量化需求推动了复杂薄壁结构件成形的快速发展。压铸技术是薄壁复杂结构件成形的优先选择，但由于中空结构件高压铸造面临的砂芯材料的强度和溃散性的矛盾难以解决，目前尚无成熟应用。采用3D打印砂芯，强度足够高，但溃散性较差，发气量大，仍不适合批量化生产。挤压铸造的液流速度比压铸低得多，近年来带砂芯的挤压铸造引起了关注。

砂芯总体上分为可溶性盐芯和可溃散砂芯两大类。郑洪伟研究了用于高压铸造的可溶性盐芯，其抗弯强度达到了21 MPa。有研究者开展了铜合金氧枪喷头和钢质活塞件等具有复杂内腔制件的挤压铸造试验，证明可以使用可溶芯挤压铸造复杂内腔零件，但其溶出时间较长，生产效率有待提高。开展了挤压铸造A356.2铝合金专用砂型和专用涂料的研究，开发出了挤压铸造专用砂芯HDSC01和与之配套的专用涂料HDCoat03，成功解决了挤压铸造条件下砂芯强度和溃散性之间的矛盾。生产应用表明，在挤压铸造比压小于83 MPa和分段阶梯加压的条件下，可以进行铝合金复杂内腔结构件的挤压铸造，砂芯不会被压溃，所得铸件无粘砂、夹砂和气孔缺陷，组织细密，可以热处理强化。图2为采用带砂芯挤压铸造技术生产的汽车空悬系统结构件。

图2 带砂芯挤压铸造件

4.复合挤压铸造技术

近年来，研究者将挤压铸造技术与热挤压、热模锻和热扭转等传统热变形技术进行集成，形成了铸挤一体化、铸扭一体化以及铸锻一体化的多种复合挤压铸造技术，这种复合挤压铸造技术具有更强的发展潜力和更加广阔的应用前景。其中，铸挤一体化的复合挤压铸造技术是将挤压铸造技术制坯与热挤压成形工艺无缝衔接，对完成挤压铸造的工件毛坯直接进行热挤压，得到等截面的复合热挤压铸造件，其工艺过程简洁、能耗低，工艺控制得当时，所得工件性能可以与传统热挤压件相媲美，适用于铸造铝合金和变形铝合金，在制备等截面零件领域具有突出的优势。铸锻一体化的复合挤压铸造技术并不新鲜，直接加压挤压铸造的技术本就是铸锻兼容的复合挤压铸造，也称为“连铸连锻”或“原位锻造辅助挤压铸造（IFSC）”，利用这一工艺制备了Zr和Er改性的高强度Al-Zn-Mg-Cu 合金汽车控制臂。结果表明，原位锻造后，抗拉强度为 600.9 MPa，与挤压铸造相当，但伸长率提高了近30%，达到了 5.59%。铸扭一体化的复合挤压铸造技术则是将挤压铸造与扭转变形加工进行集成的一种新技术，分为平面和曲面挤压铸造扭转两种，都是首先利用挤压铸造技术得到的毛坯，然后在恰当的温度下不出模即进行扭转变形加工，获得表面光洁、性能优异的扭转件。其中平面挤压铸造扭转一体化主要用来制造圆柱体件，而曲面挤压铸造扭转复合成形工艺主要是制造回转件。

将搅拌技术与挤压铸造技术结合形成的混合搅拌挤压铸造技术在制备复合材料方面具有突出的优势。搅拌挤压铸造既可以使增强相在基体中均匀分布，也可以最大限度地降低孔隙率并提高力学性能。国外利用该技术制备了由二硫化钼（MoS2）和麦壳灰（WHA）增强的 A356 铝合金复合材料，最佳搅拌挤压铸造条件使复合材料的抗拉强度提高了23.72%。

二、挤压铸造装备的新发展

挤压铸造机根据其产生的渊源可以分为两大类：一类是压铸机改制型的挤压铸造机，另一类是油压机改制型的立式挤压铸造机，其中，压铸机改制型的挤压铸造机是目前市场的主流。据不完全统计，目前这类挤压铸造机的保有量近300台套。近年来，这类挤压铸造机的发展主要是规格的系列化更加完善和设备能力的大型化，已经形成了40 000 kN以下比较完备的规格系列，可以满足不同工件的选型需要。

液压机改制型的挤压铸造机继承了液压机的低成本和灵活加压的优势，近年来也取得了巨大发展。从早期的三梁四柱式小吨位挤压铸造机，发展起了框架式大吨位立式挤压铸造机；从最简单的人工浇注，发展起了集自动浇注、自动取件和自动喷涂为一体的全自动挤压铸造岛；从最初的直接单向加压的挤压铸造机，发展到了多向分级挤压的智能加压挤压铸造机，满足了包括钢铁材料、复合材料及带镶件的多种材料挤压铸造的需要。

1.多向挤压铸造机

经典的挤压铸造机只有一个方向的挤压，或者向上挤压，或者水平挤压，或者向下挤压。这种单一方向的挤压铸造机在大型复杂结构件的挤压铸造时很容易出现冷隔、缩松等缺陷。为了适应副车架、电池底壳等大型结构件挤压铸造的需要，有研究者研发设计了40 000 kN精密挤压铸造机，见图3。其最大特点是可两级挤压，即压射系统对铸件进行一级挤压充型与补缩后，顶出部分对铸件进行二次挤压，其压射力与二次挤压缸力基本相等，每级挤压的压力和速度均可精确调控，能更好地满足高性能优质铸件的生产要求。

图3 双向分级挤压铸造机
1.液压 2.电气 3.合型 4.顶出（二次挤压）
5.护门 6.操作平台 7.注料 8.压射

2.HFC挤压铸造机

生产实践发现，与压铸相比，挤压铸造的生产效率低，其根本原因是挤压铸造件的壁厚比压铸件大，凝固时间长。如果相同的工件，采用挤压铸造和压铸两种工艺生产，其生产节拍差异很小。所有加压铸造的生产效率都受限于工件的凝固时间。为了提高挤压铸造生产效率，发明多工位挤压铸造机。最早的多工位挤压铸造机是固定位置挤压，转盘式多工位，进行白口铁磨球的挤压铸造。这种多工位挤压铸造机的浇注与加压的控制难以协调，没有达到产业化应用。近几年，多工位挤压铸造机组的自动化程度得到了极大提高，将浇注、喷涂和取件等辅助工作放在机外的一个工位，而挤压铸造工位仅是完成锁模、挤压补缩和凝固。这种多工位加压铸造机可以将生产节拍缩短50%左右，在大型工件的挤压铸造中深受欢迎。国内有高校与生产企业合作开发成功了三工位挤压铸造机，见图4。利用这种三工位挤压铸造机进行蠕墨铸铁件的挤压铸造，有效解决了挤压铸造球墨和蠕墨铸铁的球化衰退问题。安徽晨光耐磨材料股份有限公司在立式液锻机基础上进行了适当改造，开发了22 000 kN移动工作台立式挤压铸造机，该机也可在机外浇注、在机内挤压成形，实现了大型衬板的挤压铸造。

图4 三工位液态模锻机组（俯视图）

三、挤压铸造材料的新发展

虽然挤压铸造属于铸造的范畴，但其高压作用使材料的流动性、抗热裂能力、补缩能力都有大幅提高或改善。因此，理论上挤压铸造不仅适用于各种铸造合金，也适用于各种变形或锻造合金，还适用于复合材料，包括挤压铸造黑色金属、有色金属及复合材料3大类的挤压铸造材料体系已经基本形成。

1.过共晶铝合金挤压铸造

一般认为，亚共晶铝合金及近共晶的铝合金具有良好的液态成形工艺性能和综合力学性能，是早期挤压铸造铝合金的主流。过共晶Al-Si合金具有耐磨性好、强度高等特点，但受铸造工艺性能的限制，其应用有限，但挤压铸造技术的发展为这类合金材料的应用提供了便利。相比金属型铸造，挤压铸造Al-15Si合金微观组织中初生Si、共晶Si均得以不同程度地细化，且出现了先共晶α-Al枝晶，抗拉强度从255 MPa提高到278 MPa，其硬度（HV）由81.7提升到93.7。T6处理后，挤压铸造的Al-15Si合金的抗拉强度达到了341 MPa，硬度（HV）提升到107.3。挤压铸造 Al-17.5Si-4Cu-0.5Mg过共晶铝合金的研究也证实，其固溶度增加，导致其组织致密，共晶 Si纤细且呈层片状， 抗拉强度达到了332.1 MPa，比重力铸造提高了35%，伸长率高达13.51%，约为重力铸造的9倍。还有很多过共晶铝合金的挤压铸造研究和生产实践都证明，挤压铸造过共晶铝合金的强度、塑性和韧性均比重力铸造的显著提高。

2.变形铝合金挤压铸造

挤压铸造在锻造领域被称为液态模锻，属于特种锻造的范畴。因此，针对锻造合金（也称变形铝合金）进行挤压铸造的研究探索也日益活跃，期望其性能对标热模锻件，成本要低于热模锻件。特别是新能源汽车热管理系统的流道板（也称阀板、八通阀）要求固相线高于600 ℃，以便进行过炉钎焊，因此只能选用变形铝合金。但流道板具有复杂的流道，普通重力铸造难以成形，而压铸件的致密度不足，难以通过防渗漏检验。采用挤压铸造则可以完整成形，且性能优异。再如一些复杂外饰件（手机中框），要求进行阳极氧化处理，只能选用变形铝合金，但高性能和可阳极氧化的双重要求，对铸造技术提出了挑战，而目前很多热模锻结构件要寻求挤压铸造来生产。

作者利用卧式挤压铸造机挤压铸造6013铝合金薄板件（壁厚为2.5 mm），T6处理后母体取样，其抗拉强度为365 MPa，屈服强度为330 MPa，伸长率为8.5%，硬度（HV）为120，达到了热挤压材的国标要求。有公司利用非标定制的液态模锻机，生产出了固相线温度高达625 ℃的变形铝合金电动汽车热管理系统的流道板（阀板），经无损探伤检测内部致密，无缺陷、外观无裂纹、形状接近最终尺寸，工艺出品率高达95%。

3.复合材料挤压铸造

挤压铸造是制备金属基复合材料及其制品的有效方法，具有3大优势。首先，高压可以改善液固界面的润湿能力，进而实现非润湿体系的强结合。其次，挤压铸造的高压大幅度促进了原子在固液界面的转移，可以使液固界面间实现“压焊”，达到冶金结合状态。最后，挤压铸造可以实现复合材料的制备与成形一步完成。这些独特的优势，得到研究者的重视。研究证明，优化挤压铸造工艺参数可以得到高性能的金属基复合材料，特别是铝基复合材料的耐磨性可以显著提高。挤压铸造铝基颗粒增强复合材料发展迅速，已经成功用于制动盘；挤压铸造镁基复合材料的研究日益活跃，针对SiC颗粒增强AZ91D复合材料、碳纤维增强镁基（Cf/Mg）复合材料挤压铸造的研究都证实了挤压铸造复合材料及其制品具有流程短、制备效率高、质量稳定等一系列独特的优势。图5为碳纤维增强镁基（Cf/Mg）复合材料挤压铸造工艺流程。

图5 碳纤维增强镁基复合材料（Cf/Mg）挤压铸造工艺流程

四、未来展望

（1）挤压铸造最新的发展主要是工艺技术口径不断拓宽，出现了高速压射、阶梯保压、带砂芯挤压铸造、集成低压铸造优势的混合铸造HFC以及与热变形相结合的复合挤压铸造等新技术。

（2）挤压铸造技术装备的自动化和智能化程度显著提高，国内在用的全自动挤压铸造机组已近300台套。

（3）挤压铸造材料方面的最新发展是，在保持铝合金为主的同时，继续向镁合金、钢铁材料特别是复合材料方面扩展；应用领域不断扩大，在消费电子、汽车、自行车、高铁、军工和航天等领域都有大量成功应用。

（4）挤压铸造今后的发展方向是，与热变形相结合的复合挤压铸造、超高压挤压铸造、挤压铸造专用材料以及多功能挤压铸造。

《挤压铸造技术与装备的若干新发展》

邢书明1,2 石洪伟2 肖廷旭2 石和强3 杨颐亮3
1. 北京交通大学机械与电子控制工程学院；2. 广州和德轻量化成形技术有限公司；3. 广州和德智能装备有限公司

本文转载自：《特种铸造及有色合金》