金屬擠壓鑄造工藝性能表征與試驗(yàn)方法
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邢書明1 李春奎2
（1．北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院；2．吉林冠通汽車配件有限公司）
摘要為評判金屬及其合金的擠壓鑄造充型能力、開裂敏感性和補(bǔ)縮能力3個主要的擠壓鑄造工藝性能，分別定義了極限充型長度、極限留模時間以及有效補(bǔ)縮距離3個指標(biāo)，給出了這些表征量的試驗(yàn)測定方法和相應(yīng)的模具原理。探討了擠壓鑄造金屬材料、工藝操作和模具及設(shè)備對擠壓鑄造工藝性能的影響。
關(guān)鍵詞 擠壓鑄造；工藝性能；表征量
中圖分類號 TG249.9；TG21+1 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 012
擠壓鑄造技術(shù)誕生至今已有幾十年歷史，但其工藝性能一直未引起重視。通常人們認(rèn)為無論鑄造合金還是鍛造合金都可以進(jìn)行擠壓鑄造，但事實(shí)上，正是由于對材料的擠壓鑄造工藝性能不明確，導(dǎo)致擠壓鑄造成形件的廢品時常發(fā)生，一定程度上影響了這一技術(shù)的推廣應(yīng)用。針對擠壓鑄造過程常見的充型不完整、縮孔、縮松、裂紋等缺陷，提出了材料擠壓鑄造的3個評價指標(biāo)：擠壓鑄造充型能力、擠壓鑄造開裂傾向、擠壓鑄造補(bǔ)縮能力，并對其定量試驗(yàn)方法進(jìn)行了介紹。
1 擠壓鑄造充型能力（加壓流變能力）
1.1 定義和表征量
擠壓鑄造充型能力是一個反映金屬熔體在擠壓鑄造工藝條件下充滿模具型腔能力大小的工藝量。其本質(zhì)上是金屬熔體在外加壓力作用下的流動和變形的能力，因此，也可以稱為加壓流變能力。采用極限充型長度Lm來定量表征。
極限充型長度是指在一定擠壓鑄造工藝條件下，金屬熔體能夠充填擠壓鑄造模具型腔的最大距離，它與冷隔、澆不足等缺陷直接相關(guān)。顯然，極限充型長度受合金材料、擠壓鑄造工藝和模具3方面的影響很大。如果固定其中的擠壓鑄造工藝和擠壓鑄造模具，則極限充型長度數(shù)值的大小就可以定量表征不同金屬熔體的擠壓鑄造充型能力的好壞。
極限充型長度可以參照美標(biāo)和液態(tài)成形（鑄造）中的流動性試驗(yàn)方法來測定。擠壓鑄造模具型腔采用標(biāo)準(zhǔn)化的阿基米德螺旋線模具型腔，將金屬熔體澆入螺旋線模具型腔的頭部，并對金屬熔體施加一定壓力，使其沿著螺旋線模具型腔發(fā)生流動與變形。隨著流動和變形的進(jìn)行，金屬熔體溫度不斷降低，流變阻力逐漸增大，到達(dá)某一長度時，流變阻力與擠壓力相平衡，流變停止，冷卻后測量形成的螺旋線試樣長度，即可得到極限充型長度。
圖1為一個測定極限充型長度試樣的實(shí)物圖。試樣橫截面是一個直徑為10 mm的圓形，其形狀取平面阿基米德螺旋線，該螺旋線的平面極坐標(biāo)方程為r-a+ b（θ-θ0）。其中，，r為任意極角處螺旋線的半徑，mm；a為起始半徑，即極角θ等于θ0時的試樣半徑，規(guī)定取50 mm，與中央壓室半徑相同；b為螺線系數(shù)。為了保證相鄰螺旋線模具型腔間有必要的模具厚度，取0. 15 mm／(0)，即螺旋線的螺距為54 mm。對應(yīng)任意極角θ時的螺旋線的理論長度L可以通過弧長積分獲得。實(shí)際長度可以進(jìn)行實(shí)際測量獲得。
1.2影響因素
影響擠壓鑄造充型能力的因素很多，主要是工件幾何特征、擠壓鑄造材料本身、擠壓鑄造模具和擠壓鑄造工藝參數(shù)4方面。
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。顯然，最小壁厚越小，輪廓尺寸越大，充型能力就越差。工件壁厚變化的順序性對擠壓鑄造充型能力的影響是顯著的。如果沿充型方向存在均勻一致的壁厚或者存在順序漸變的壁厚，擠壓鑄造的充型能力都不錯。相反，如果存在嚴(yán)重的壁厚不均勻，且壁厚沒有漸變的順序，而是局部存在小壁厚，這種工件的充型能力就很差。
合金材料方面，材料的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱、密度都會影響充型過程的降溫速度，進(jìn)而影響充型能力，其影響規(guī)律是：所有加速金屬熔體在充型過程降溫的因素都能降低充型能力，相反，所有延緩金屬熔體在充型過程降溫的因素都能提高充型能力；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(jìn)而影響充型能力，其影響規(guī)律是：所有提高合金熔體流變抗力的因素都將降低充型能力，如高粘度、糊狀凝固、發(fā)達(dá)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充型能力。
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充型能力。影響規(guī)律是：所有加大金屬熔體在模具型腔內(nèi)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充型能力，如高導(dǎo)熱的模具材料、較低的模具溫度、導(dǎo)熱性涂料、較薄的涂料層、粗糙的表面等都會降低擠壓鑄造充型能力。此外，模具上的澆注系統(tǒng)、溢流系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)也會對充型能力產(chǎn)生重要影響，因此，在進(jìn)行充型能力試驗(yàn)時需要固定這些因素。
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(guī)律是：開始加壓時間越長，充型能力越差；擠壓力越大，充型能力越好；壓頭速度越快，充型能力越好。一般來說，保壓時間對充型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(xiàn)出一定影響，保壓時間延長，充型能力略有提高。
根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟煌�，可以有選擇地控制一些參數(shù)，對比研究另外一些參數(shù)對充型能力的影響。例如，在評價不同材料的充型性能時，需要將擠壓鑄造工藝參數(shù)和模具參數(shù)固定一致；在評價不同擠壓鑄造工藝參數(shù)的影響時，需要針對同一擠壓鑄造合金在相同的模具條件下進(jìn)行。由于工件幾何特征差異較大，所以，一般都是選擇一類典型件（如輪形件、桿形件或座類零件等），將其幾何特征固定下來，研究材料、模具及工藝對擠壓鑄造充型能力的影響。這里推薦使用尺寸固定的螺旋線試樣進(jìn)行試驗(yàn)。
1.3試驗(yàn)方法、模具和擠壓鑄造機(jī)技術(shù)要求
根據(jù)上述定義，擠壓鑄造充型能力試驗(yàn)需要的模具選用下加壓間接擠壓鑄造試驗(yàn)?zāi)＞撸妶D2。其中，為了體現(xiàn)分型面對充型能力的影響，將模具型腔平均分為上下兩部分，則上下模內(nèi)各有一個半徑為5 mm的阿基米德螺旋線模具型腔，最大可測量長度為2 000 mm。它由上模1、下模2和壓室3、壓頭4等4部分組成，壓室3位于下模2中央，其半徑等于螺旋線的起始半徑。其工作原理是：待測合金熔體以高于液相線溫度的某一溫度，一次澆入壓室3內(nèi)，然后迅速使上模1下行與下模2閉合，并施加一定壓力，隨即對壓頭4施加一個擠壓力，推動金屬熔體沿螺旋線模具型腔5流動，直至達(dá)到設(shè)定壓力，保壓凝固后，壓頭退回，上模打開，取出螺旋線試樣，測量其長度，即得極限充型長度。
試驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計中，選取阿基米德螺旋線起始半徑大小需要考慮兩方面，一方面是試驗(yàn)操作的穩(wěn)定性、便利性和充型長度的穩(wěn)定性。起始半徑過小，則開始加壓時間對極限充型長度的影響就越大；起始半徑過大，要求的擠壓鑄造機(jī)合模力就越大。因此，這里取50 mm，即壓室直徑為100 mm。這樣，如果試驗(yàn)比壓為100MPa，則擠壓鑄造機(jī)的擠壓缸壓力只需1000 k N即可。
為了安全考慮，在螺旋線模具型腔的末部，設(shè)有相互聯(lián)通的、深度小于0.1 mm的環(huán)形排氣道，既能保證排氣，又不會出現(xiàn)金屬液噴濺。
擠壓鑄造充型能力試驗(yàn)用擠壓鑄造機(jī)的選擇主要有兩點(diǎn)：一是壓力足夠，即擠壓力要確保能達(dá)到試驗(yàn)比壓的要求，相應(yīng)地鎖模力要等于擠壓力的2倍以上；二是鎖模缸的空載速度要快，確保在1 s內(nèi)完成鎖模。推薦選用三梁四柱立式擠壓鑄造機(jī)，包括主缸（上缸）和下缸兩個工作油缸，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。
2 擠壓鑄件開裂傾向
2.1定義和表征量
開裂是擠壓鑄件的一種常見缺陷。合金材料在擠壓鑄造成形條件下發(fā)生裂紋缺陷的傾向性稱為開裂傾向。目前尚無明確的表征和評價指標(biāo)。
擠壓鑄件開裂的根本原因是收縮受阻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大于材料當(dāng)時的強(qiáng)度極限。因此，開裂傾向本質(zhì)上受兩方面控制：一方面是收縮受阻產(chǎn)生的應(yīng)力水平，這個應(yīng)力會隨著擠壓鑄件溫度的降低而加大；另一方面是材料當(dāng)時的強(qiáng)度，其數(shù)值隨著擠壓鑄件溫度的降低而加大�？梢�，兩方面都與擠壓鑄件的出模溫度有關(guān)，而擠壓鑄件的出模溫度與擠壓鑄件在模內(nèi)停留時間直接相關(guān)。一般來說，擠壓鑄件在模內(nèi)停留時間越長，收縮越大，內(nèi)應(yīng)力水平也越高，超過一定時間，便出現(xiàn)開裂。因此，可以用開模后試樣留模期間的裂紋出現(xiàn)時間來定量表征，這一時間稱為極限留模時間。極限留模時間越長，說明開裂傾向越小。
2.2影響因素
影響擠壓鑄造開裂傾向的因素很多，首要的是擠壓鑄造合金材料本身。擠壓鑄造合金的化學(xué)成分、純凈度、凝固組織、偏析等，是影響開裂傾向的最主要因素。一般來說，擠壓鑄造合金的結(jié)晶溫度范圍越大，趨于糊狀凝固，開裂傾向越大；雜質(zhì)含量越高，開裂傾向也越大；合金的線收縮率越大，開裂傾向也越大；合金的高溫強(qiáng)度和塑性越高，開裂傾向越小。
影響擠壓鑄造開裂傾向的第2大因素是擠壓鑄件的結(jié)構(gòu)。一般來說，擠壓鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，開裂傾向越大；有芯的情況下，擠壓鑄件壁厚越大，開裂傾向越小，而無芯的情況下，擠壓鑄件壁厚越大，開裂傾向越大；模具型腔或型芯尺寸越大，開裂傾向越大。
影響擠壓鑄造開裂傾向的第3類因素是擠壓鑄造工藝操作。擠壓鑄造工藝方面的影響因素主要是澆注溫度、模具溫度、擠壓鑄造壓力和開模至擠壓鑄件出模的時間（稱為開模滯留時間）和保壓時間等。一般來說，澆注溫度越高，開裂傾向越大；模具溫度越高，開裂傾向越��；使用涂料可以有效降低開裂傾向。擠壓鑄造壓力越大，開裂傾向越小；開模滯留時間越長，開裂傾向越大；保壓時間越長，開模后的收縮量越小，相應(yīng)地開裂傾向越小。
2.3試驗(yàn)方法
擠壓鑄造開裂傾向試驗(yàn)采用環(huán)形試樣，見圖3。當(dāng)擠壓鑄造結(jié)束時，試樣收縮受到孔芯的阻礙作用，到一定時間，便會出現(xiàn)縱向裂紋，在上端面上可見輻射狀的裂紋。通過觀察第1道裂紋出現(xiàn)的時間來評價材料的開裂傾向。
開裂傾向試驗(yàn)用模具見圖4。模具由凸模、凹模、孔芯和頂環(huán)4部分組成。試驗(yàn)時，將金屬熔體澆入孔芯與凹模形成的環(huán)形模具型腔內(nèi)，隨即使凸模下行進(jìn)入凹模，對金屬液施加一個擠壓力并保壓一定時間待試樣凝固后，凸模提起，開始計時，并觀察試樣表面，當(dāng)發(fā)現(xiàn)試樣上端面出現(xiàn)第1道裂紋時，記錄該時間，即為極限留模時間。試驗(yàn)時，可以將模具凸模固定在擠壓鑄造機(jī)的活動橫梁上，凹模固定在工作臺上，孑L芯固定在模底板上，利用擠壓鑄造機(jī)完成擠壓鑄造、開模、取件等動作。
極限留模時間不僅可以用來定量比較不同材料在相同擠壓鑄造條件下的開裂傾向，還可以為合理設(shè)計擠壓鑄造工藝提供參考。擠壓鑄造時，只要開模滯留時間小于極限留模時間，一般就不會出現(xiàn)開裂。
3擠壓鑄造補(bǔ)縮能力（加壓補(bǔ)縮能力）
3.1 定義與表征量
擠壓鑄造最突出的優(yōu)勢就是具有優(yōu)異的補(bǔ)縮能力。但是，擠壓鑄造補(bǔ)縮能力如何定量表征是一個難題。這里定義在一定的擠壓鑄造條件下，獲得無縮孑L擠壓鑄件的能力稱為擠壓鑄造補(bǔ)縮能力。擠壓鑄造過程的補(bǔ)縮機(jī)理是；擠壓力直接作用位置的金屬在擠壓力驅(qū)動下沿阻力最小的方向流動，即向出現(xiàn)體收縮的部位流動，流動過程需要克服粘滯力及與模具型腔的摩擦力，流變一定長度后，流變的驅(qū)動力被消耗的與流變阻力相當(dāng)，停止流變，此后的體收縮就無法得到補(bǔ)償，形成縮孔或縮松。由此得到啟發(fā)，可以用有效補(bǔ)縮距離來定量表征擠壓鑄造補(bǔ)縮能力。
所謂有效補(bǔ)縮距離可以定義為：金屬熔體在一定的擠壓鑄造條件下能進(jìn)行流變補(bǔ)縮的極限長度。類似于重力鑄造中的冒口有效補(bǔ)縮距離。這里采用專門的補(bǔ)縮能力試驗(yàn)方法來進(jìn)行定量評價。選擇一個圓柱形試樣作為補(bǔ)縮能力試樣。該試樣的高徑比為2，直徑為80mm，見圖5。這種擠壓鑄件在軸線方向的長度大，距加壓位置超過一定距離后，必然會出現(xiàn)軸線縮松。利用這一規(guī)律，采用上加壓直接擠壓鑄造方法成形，壓頭以下致密區(qū)的長度即為有效補(bǔ)縮距離。
3.2影響因素
擠壓鑄造補(bǔ)縮能力受多方面因素影響，首先是合金材料自身的特性，如體收縮率、凝固模式、結(jié)晶溫度范圍、高溫強(qiáng)度等。其次是擠壓鑄造工藝，如擠壓鑄造加壓方式、擠壓力、比壓、擠壓速度、開始加壓時間等；還有工件自身因素，如壁厚均勻性、熱節(jié)位置、熱節(jié)數(shù)量、輪廓尺寸等。
合金材料方面，體收縮率大的合金擠壓鑄造補(bǔ)縮能力小，但凝固模式的影響作用與重力鑄造中的影響作用相反，結(jié)晶溫度范圍大、趨于糊狀凝固的合金，擠壓鑄造補(bǔ)縮能力較好，這是因?yàn)檫@種合金趨向同時凝固，凝固層較薄，變形抗力較小，擠壓鑄造補(bǔ)縮能力較高。類似地，高溫強(qiáng)度高的合金，在流變補(bǔ)縮過程中消耗的能量也大，補(bǔ)縮能力較差。
擠壓鑄造工藝方面，直接擠壓鑄造的補(bǔ)縮能力強(qiáng)于間接擠壓鑄造；擠壓力或比壓大，補(bǔ)縮能力強(qiáng)；高的擠壓速度的擠壓鑄造補(bǔ)縮能力強(qiáng)；開始減壓時間越短，補(bǔ)縮能力越強(qiáng)。
擠壓鑄件自身結(jié)構(gòu)方面，如壁厚均勻的擠壓鑄件補(bǔ)縮能力強(qiáng)；熱節(jié)位置距離加壓位置越近，補(bǔ)縮能力越強(qiáng)；熱節(jié)數(shù)量多而分散的擠壓鑄件補(bǔ)縮能力較差；輪廓尺寸越大，補(bǔ)縮能力越差。
由于擠壓鑄造的擠壓補(bǔ)縮壓力遠(yuǎn)大于重力，因此，在重力鑄造中對補(bǔ)縮起重要作用的重力在這里一般可以忽略不計。
3.3試驗(yàn)方法
鑒于擠壓鑄造的補(bǔ)縮壓力是通過具有非牛頓特性的金屬熔體傳遞的，也就是說不是等值傳遞，因此選擇高徑比較大的圓柱體的直接擠壓鑄造測定補(bǔ)縮能力。對于下加壓間接擠壓鑄造來說，重力的影響相對于擠壓力來說可以忽略。而且，如果把擠壓力看成是壓室上沿內(nèi)澆道入口處的水平力，則與直接擠壓鑄造區(qū)別不大。因此，擠壓鑄造補(bǔ)縮能力的試驗(yàn)統(tǒng)一簡化為一個圓柱體的直接擠壓鑄造。這樣試驗(yàn)?zāi)＞吆芎唵危ù怪狈帜５陌寄�、凸模、錐形鎖模套，見圖6。試驗(yàn)方法是：將待測合金熔體澆入凹模，在規(guī)定的時間用凸模對金屬熔體頂面施加設(shè)定的壓力，并保持一定時間后，抽出凸模，將凹模從鎖模套內(nèi)頂出，打開凹模，取出試件，對試件進(jìn)行超聲探傷或者沿軸線進(jìn)行縱剖，測量試樣頂面以下致密區(qū)的長度，即得有效補(bǔ)縮距離。
4 結(jié) 論
(1)擠壓鑄造的主要工藝性能表現(xiàn)為擠壓鑄造充型能力、開裂敏感性和補(bǔ)縮能力3個方面，分別用極限充型長度、極限留模時間和有效補(bǔ)縮距離3個試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行定量表征。
(2)擠壓鑄造的工藝性能試驗(yàn)受合金種類、擠壓鑄造工藝和模具3個方面影響，利用極限充型長度、極限留模時間和有效補(bǔ)縮距離3個試驗(yàn)指標(biāo)來定量對比研究這3方面的影響作用。
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