东北大液固一体化成形技术课件03液态挤压

第三章

液态挤压什么是挤压正向挤压反向挤压液态挤压成形工艺融合了液态模锻、热挤压等工艺的优点，是一种全新的成形方法。它不同于液态模锻之处在于模腔不封闭，可产生大塑性变形；不同于热挤压之处在于加工对象是液态金属，成形力低。该工艺具有压力下结晶和大塑性变形的双重强韧化作用，使材料性能得到大幅度提高.型材液态挤压的工艺原理及参数选取型材是指按照一定标准，采用金属或其他材料以标准化、规模化的方式生产制造的材料，具有一定外观尺寸，且截面呈一定形状，如工字型、槽型、角型、圆型、扁六角等，从结构设计上能达到轻质高强的要求。

由液态金属直接成形管、棒、型材的关键在于适当控制工艺参数，使其满足以下要求:(1)加压前液态金属不流出模具；(2)挤出成形在液固态下进行，且挤压筒内的液态金属始终能保持等静压状态；(3)保证在变形区处于准固态，同时在成形模出口无液态金属挤出，变形区上部最好处于液固相区；(4)采用芯轴结构时需保证冲头能沿芯轴自由运动，且液态金属不会挤入二者间隙中；(5)芯轴安放要能承受较大拉力。正向挤压

侧向挤压管材液态挤压液态挤压成形管材时，需保证注入模膛的液态金属不向外流出，同时又不阻碍加压及加压后管材的顺利挤出，可采用简单易行的可调芯轴结构及阻流块模具结构，在较小变形力下便可以由液态金属直接得到具有变形组织的管材。

如图所示，两根支柱架起一横梁，芯轴吊挂在该横梁上，挤压时芯轴位置保持不变，芯轴上端带有调节螺杆便于调节其高度。

芯杆与冲头之间的间隙：既能保证液态金属不被挤入，又保证芯杆上下自由活动。

可调芯轴结构的作用采用可调芯轴结构的目的在于调节芯轴进入成形模的深度，有三个作用（1）保证挤压过程中管材流经芯轴下端部后要处于完全凝固态，如凝固不彻底，就需要增加插入段的长度，下调芯轴。（2）插入段的长短影响芯轴摩擦力的大小。在挤压过程中，由于已成形的管子的热胀冷缩作用，已成形管壁与芯轴始终有一定的摩擦力，因此等于一直在下方加一个背压，使挤压筒内未凝固部位的液态金属能一直承受静压力，使其在压力下结晶凝固，强制补缩。阻流块阻流块套入芯轴和管子出口部位，外壁与模具内壁有一定的摩擦力，内壁与芯轴有一定的摩擦力．浇入液态金属时，阻流块的摩擦力能平衡液态金属的重力，由此阻止液态金属下流。随后由于模具和液态金属具有较大的温差，尤其在成形模的下部和冷却板处的液态金属量较少，厚度较薄，很快凝固。在凝固自下而上进行到一定程度后开始施压，阻流块可以很方便地推出，不影响管材的顺利挤出及过程的进行。

为了保证浇入的液态金属不致冷却过快，在挤压筒和成形模部位均采用加热圈进行加热。同时为了保证在压力机挤压速率过快时液态金属不致流出，又采用了可调节高度的冷却模，如下部冷却腔不足，可以加厚，同时芯轴向下调长；如下部冷却腔过长，则可减薄，同时上调芯轴，这样就可以在各种条件下进行工艺实验。工艺参数的选定液态挤压的工艺参数包括浇注温度、模具温度、加压前停留时间、压下速率、比压值等。

1、浇注温度浇注温度和模具温度、加压前停留时问三者结合在一起直接决定了管材能否挤出。浇注温度高低直接影响以下几个方面：（1）浇注温度过高，首先会影响模具寿命，较高温度的液态金属直接冲刷模具难度较大；（2）在较高温度下液态金属黏度小，易于挤入冲头和挤压筒之间以及冲头和芯轴之间的间隙中，迅速形成飞刺，增大摩擦力，严重的情况甚至会擦伤模具；（3）温度高，液态金属吸气氧化严重，直接影响到制件质量，同时增大耗能量。因此，过高的浇注温度对生产无任何好处，是不可取的。

浇注温度低也有其不利之处，尤其是对脆性材料，若浇注温度太低，液态金属浇人模膛后，还没来得及加压已完全凝固，其变形抗力迅速增加，以至于采用比正常大得多的压力也不能挤出管子。此种情况出现后需设法清除模具内的金属，将严重影响正常生产。但总体来讲，只要能保证在液态金属未凝固前开始施压，浇注温度低一些，对提高模具寿命和生产效率都是有益的。

如何选取浇注温度？（1）浇注温度的选取主要依据液相线温度和凝固范围，凝固范围窄的合金过热度要大一些，因为这种合金凝固快。（2）浇注温度还与浇注金属总量相关，浇入金属量大，总热容量大，浇注温度就低一些。对锌合金过热度选为60～140℃，铝合金选为40～100℃，即锌合金在560~700℃左右浇注，纯铝取700℃左右浇注。

2、模具温度液态挤压过程中，模具必须保持一定的温度。（1）模具温度不足·

凝固区不能保持在靠近变形区部位，或者尚未加压液态金属已全部凝固，则会因所需变形力过大而挤不出管子；同时也有可能在挤出部分管子后，由于剩余部分温度过低而造成挤不动的现象。

（2）模具温度过高会降低模具使用寿命，加速模具的热疲劳；再者若凝固速率过慢，管子挤出过程中，会导致凝固速率小于挤出速率而出现挤出液态金属的现象。根据经验，锌合金、铝合金及纯铝的液态挤压模具温度为100～250℃。

3、加压前停留时间加压前停留时间对浇注温度或模具温度起相应的调节作用。若浇注温度高，模具温度高，加压前停留时间可以适当放长一些；若浇注温度较低，则可尽快开始加压。（1）加压前停留时间过短，不仅造成液态金属挤入冲头与挤压筒、冲头与芯轴的间隙中，而且会造成液态金属通过变形区和冷却腔挤出，出现不能保持管子形状的现象；（2）如加压前停留时间过长，则会造成压不动、挤不出管材的后果。

如何确定加压前停留时间？加压前停留时间选取受浇注温度和模具温度以及浇入液态金属量多少的制约，不能取定某一值。经验：观察浇注的液态金属凝固高度的办法来确定加压的开始时间，一般要待到凝固进行至高于变形区10～40mm处才开始加压。原因在于通用油压机的压下速率一般大于凝固速率，加压后凝固区逐渐会降至变形区附近。当然，具体确定尚需考虑浇入液态金属量的高度，如浇入液态金属量多，适当取大值，浇入量少，适当取小值。若按时间计，对锌合金和铝合金，一般需20～60s。

4、压下速率压下速率也是液体挤压异于液态模锻的一个重要方面。在液态模锻中可以完全不考虑压下速率，因为一般设备均能满足压下速率大于凝固速率的要求，使制件的内部承受较大的等静压，除非有些设备下行速率过慢或小型薄壁件将出现施压前就已经完全凝固的情况。但在液体挤压中，压下速率就显得十分重要。压下速率直接影响管材挤出速率，也就是说直接影响生产率。同时压下速率还与相关参数的选取密切相关，如加压前停留时间、模具温度等。

（1）压下速率过快，会很快使未凝固区下降到变形区或变形区以下，导致液态金属从下部挤出。（2）压下速率过慢，模具温度过低的情况出现，则可能导致中途停止、挤不动的现象出现．原因在于未凝固区不断上移，制件内部温度下降过快。压下速率是由设备和吨位决定的，只有调节其他相关因素，如模具温度或调节模具挤压筒的直径来适应实际需要。实验表明，在稳定阶段压下速率一般保持在5mm／s左右。5、比压这里的比压值和液态模锻的比压值也是一个不同的概念。在液态模锻中，比压可以加到无限大，因内部金属无处可流，所以可以把压力升到设备的最大吨位，比压达到最大值。但在液体挤压中．比压则完全不同，当压力达到一定值，使得变形区的金属满足变形条件时，管材就会被挤出，压力不再上升。

比压值受压下速率的影响，压下速率、变形速率大，则比压值也要大一些。但一般液压机的速率并不能无限调大，所以至一定程度后二者会自动平衡，稳定于某一值上。当然采用稍小一点的压力，应该也能挤出管材，只是压下速率相应也会放慢。但实际中除非设备吨位限制，一般均属自动平衡的情况，即在达到某一压下速率、变形速率后，比压值即可基本确定。若内部变形抗力增大，则压机所施加压力将相应增大，以保证变形速率。

影响比压值的另外一个因素是摩擦力和材料本身，在挤压筒处摩擦仅起消耗变形功的作用，但在管子出口处．摩擦力大，将使制件内部出现较大的等静压，等于施加较大背压，这对于提高制件性能是有一定益处的。根据实验．管材液体挤压其比压值对锌合金和铝合金基本均为60～300MPa。下表为不同型号锌合金液态挤压后的力学性能列于表中。可以看出，各项性能指标均远高于铸态，尤其是延伸率和冲击韧性值，高出数倍甚至十几倍。棒材液态挤压棒材、线材的生产一般采用挤压或拉拔工艺，变形量较大时需经多道挤压工序或拉拔工序。采用液态挤压方法可以直接由液态金属一次成形出棒材或线材，变形抗力远小于固态挤压或拉拔，特别适宜于中小批量生产。

棒(线)材液态挤压不需要安装芯轴，为保证坯料内部处于较大的三向压应力状态，成形模内壁需带有一定的锥度(右图)，使金属在挤人成形模后能继续产生一定的塑性变形。

其他型材液态挤压液态挤压其他型材与成形棒材类似，一般不需安放芯轴，但同时也无法利用芯轴与模壁摩擦所产生的背压使液态金属承受更高的等静压，因此性能提高受到一定限制。为改善此状况，一般在成形模侧壁上端加工一定的斜度，一方面使进入成形模后仍未完全凝固的液态金属随断面减小而快速凝固，不至于在未完全凝固状态下被挤出模具；另一方面还可以使挤入成形模的金属在挤出过程中经受二次变形而得到进一步强化；同时，使仍处于凹模内的金属处于三向压应力状态，保证液态金属在压力下结晶和强制补缩。

下表为纯铝和ZA27合金角型材液态挤压时的工艺参数。研究表明，利用此参数可以制备出高质量的角型材，且相比热挤压和冷挤压而言成形力得到明显降低。液态挤压对锌合金组织与性能的影响

下表为不同锌合金液态挤压管材、液态模锻和铸态性能的比较。经液态挤压后，锌合金的各项性能指标均有不同程度的提高。

从表中可以看出，经液态挤压后，三种锌合金的塑性指标均得到大幅度提高，同时也不损失强度指标，其强韧化效果是其他方法较难达到的。ZAl3经液态挤压后，强度指标比金属型铸造提高22％一25％，冲击韧性值是铸态件的17倍～25倍，延伸率提高了近10倍，断面收缩率提高近20倍，说明材料已由铸态脆性材料变为塑陛较好的材料；液态挤压ZA27的抗拉强度比铸态提高23．4％，比液态模锻提高14．6％；延伸率比铸态提高4．5倍，比液态模锻提高22．5％；硬度比铸态提高23％；冲击韧性提高效果亦十分明显。

工艺参数对锌合金的性能影响也很大，如果液态金属浇注后的停留时间过短，在大变形区仍有液相存在时即开始加压，则金属完全结晶发生于进入模孔之后，如下图所示。此时，变形强化的作用相对要弱一些，其性能提高不明显。由表5—6可以看出，该情况下液态挤压ZA27合金的性能相对于铸态虽有较大提高，但延伸率和冲击韧性值均低于液态模段。生产中应选择合理工艺参数，避免此现象发生。

表5—7和表5—8所列为液态挤压和金属型铸造ZAl3和ZA27A的磨损性能对比情况，可以看出，液态挤压使制件的耐磨性得到了明显提高。液态挤压对锌合金组织的影响

液态挤压使锌合金力学性能大幅度提高的主要原因在于该工艺使合金在整个凝固过程中一直处于高压状态，并经历大塑性变形，由此直接影响其结晶凝固过程，进而改变合金的组织形态。

压力是液态挤压中最为关键的参数，压力会引起合金的热物性参数变化。如压力对合金平衡相图影响可以通过Clausius-Clapeyron方程描述: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。图为ZA13合金铸态和液态挤压成形的金相组织，可以看出液态挤压组织细小、均匀，粗大的初晶得到破碎，而金属型铸造组织呈明显树枝状初晶。沿变形(纵截面)方向的组织呈纤维状分布，为富铝和富锌相被拉长所致，属典型的变形组织特征。

金属熔体在压力下凝固会导致晶粒细化关于其机理，Chadwick和Yue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。下图为ZA13合金铸态和液态挤压SEM照片，可以看出铸态初晶粗大，共晶体呈片状分布，白色的富铜相也十分粗大；经液态挤压后，各相均明显细化，没有发现片状的共晶体存在，变形特征不仅在变形方向上得到明确显示，而且在横剖面上也能发现变形特征。另外，两种工艺的共晶体及初晶均有较大差别。液态挤压时由于冷速快，初晶中有很多高熔点相来不及析出而弥散分布于基体中，起到弥散强化的作用。

液态挤压时模具内的金属流动和变形是不均匀的，因而也会影响其组织形貌，导致沿制件管壁不同部位的组织形貌也不尽相同。下图显示了液态挤压管材(壁厚为8mm)沿管壁径向不同部位的金相组织。图5(a)为靠近内壁处的组织，图(b)为靠近管壁中部的组织，可以看出其组织形貌基本相同，但管壁中部的组织更为细小，说明对于管材液态挤压，沿管壁径向中部变形量较大且均匀，性能也最好。研究表明，沿管子轴向其组织分布情况基本没有变化，与图中所示的管材中部组织相同。

值得注意的是，如果加压前停留时间较短或模具温度、浇注温度较高，也会影响锌合金的组织形态。下图为加压前停留时间较短时液态挤压ZA27合金试样的横向组织，可以看出，其组织形态与液态模锻基本相同，观察其纵剖面也未见流线组织分布，其性能基本等同于液态模锻。

液态挤压对铝合金组织与性能的影响ZL108合金元素含量分别Si11％～13.0％、Cu1.0％～2.0％、Mg0.4％～1.0％、Mn0.3％～0.9％，其余为Al。常态ZL108合金的抗拉强度只有200MPa，塑性和韧性也较低。经液态挤压后，其各项性能指标均有较大改善。表为ZL108合金液态挤压和铸态性能的比较，根据试样取样位置的不同，其性能也有所不同。液态挤压制件的缺陷产生及其控制方法液态挤压锌合金、铝合金管棒材质量受多种因素的影响，如模具结构与精度、工艺参数选取与过程控制等，稍有不甚，即会导致成形制件出现诸如表面划痕、裂纹、包层、内贴层、断层、液态金属挤出、撕开和冷隔等缺陷。根据试验结果，主要有以下几种缺陷及其相应的预防或消除方法。表面划痕表面划痕是一种常见的表面缺陷，液态挤压管材、棒材、型材表面均有可能出现此缺陷。金属黏模、模具内表面粗糙是使制件表面产生划痕的主要原因，因此对模具表面的粗糙度特别是成形模表面粗糙度应有严格要求。此外，模具间隙也是影响制件表面质量的重要因素。如模具间隙过大，挤入间隙内的金属硬质点会在压制及回程过程中使挤压筒内壁或成形模表面产生严重划伤，从而影响制件表面质量。若模具硬度足够高，发生这类划伤的可能性会大大减小。表面裂纹液态挤压制件表面裂纹的形成因素较复杂，典型的包括芯子安装偏斜、模具表面精度较低以及定径带高度不适中等。1)芯子安装偏斜液态挤压管材因芯子位置偏斜而使管材壁厚不同时，其金属的流动速度也会有所不同，壁厚的一边金属流动快，壁薄的一边金属流动慢，由此壁薄的一边就会受到拉应力作用，加之挤压过程中金属仍处于较高温度，强度较低，所以在管壁较薄的一边可能出现拉裂现象。2)模具表面精度较低液态挤压型材或棒材时，金属流人带有一定锥度(有时为增加变形而进行的特殊设计)的表面精度不够高的成形模后，会使周边部位的金属流动受阻，而其余部位的金属流动速度较快，使挤出型材和棒材的外表面受到较大拉应力，因超过变形极限而产生裂纹。另外，如果挤压型材的模具表面粗糙度不均匀，金属流动时受到的阻力也不均匀，阻力较大的地方金属流动慢，更易形成拉应力，当超过材料的抗拉强度时便会产生裂纹。3)定径带高度不适中液态挤压时，为保证挤出成形模的制件完全处于固态，需设计较长的定径带以延长冷却时间，但如此一来也增大了制件外表面所受的摩擦力，导致外表面金属比中部金属的流动速度慢许多，从而增大了形成表面裂纹的可能性。3．表面气泡和起皮产生表面气泡和起皮的原因是多方面的，主要是由于表层金属向内部回流所引起，当表面氧化层流入内部时，不可能与内部金属产生紧密结合。此外，润滑剂涂刷不均、过厚，以及润滑剂未完全干燥即浇人液态金属等，均会导致气泡或起皮现象的发生。液态金属挤出液态挤压成形的基本要求是要保证挤出成形模的制件必须完全凝固，即金属坯料按下图所述的最佳流动模式进行，处于坯料内部的液态金属随着挤压过程的进行而不断减少，以保证液态金属不被挤出定径带。但实际生产中完全控制金属内部的凝固速度是比较困难的，很难达到图中所示的理想状态。当压下速度与凝固速度控制不当时极易形成液态金属被挤出的现象，造成挤压过程中断。为避免此种现象的发生，实时控制挤压速度是最理想的选择，但调节压力机速度需通过调节加压泵的供油速度来实现，普通压力机不具备速度调速功能。研究表明，通过调节加压前停留时间也可以达到协调压下速度与凝固速度的目的。一般来讲，只要能保证挤压过程突然启动后的高速下行阶段液态金属不被挤出，即可实现随后的协调挤压成形，当然能否稳定成形还受模具温度等其他因素的影响。断层减径现象液态挤压棒材时，如果带锥度成形模入口处表面粗糙度过高，润滑不好，且该锥度与定径带相交处的角度不圆滑，则会出现在金属内部沿剪切带分层的现象，外部金属变成死区，内部金属通过剪切带挤出，亦即发生减径分层现象，说明金属通过剪切带撕裂流出比带动外层金属克服摩擦力一起流动要容易一些。撕裂挤出的棒料直径比定径带的直径小，圆度不能保证，还有可能伴随表面裂纹。因分层是模孔锥度部分的摩擦力太大所致，且周边摩擦力不均匀，摩擦力大的地方分层会更厚一些，摩擦力小的地方分层则薄一些。类似于挤压棒材时的减径分层现象，型材液态挤压时也有可能出现撕裂断层减径现象。管材内壁的冷隔与贴层右图为液态挤压管材时出现的内壁冷隔，其形成原因可用下图进行说明。在液态金属浇人型腔的初始阶段，由于挤压筒内壁、成形模、冲头及芯轴的温度都比较低，因此与其接触的液态金属快。速凝固形成硬壳，将未凝固的液态金属包裹于其中，如图(a)所示；随着加压过程的持续进行，贴近芯轴的凝固层受内部未凝固液态金属的加热可能会出现局部重熔，厚度减薄，出现局部液态金属与芯轴贴合的情况，如图(b)所示；随挤压继续进行，液态金属与芯轴的接触面会越来越大(图(c))，直至液态金属沿芯轴头部被挤出，形成图(d)所示的冷隔或贴层。综上所述，内壁冷隔及内壁贴层的形成与芯轴插入成形模内的深度有关。芯轴插入太深，且压下速度不大时，挤出的液态金属量较少，形成内壁冷隔；芯轴插入太短，且压下速度也较大的话，则会挤出较多的液态金属，形成内壁贴层。冷隔和内壁贴层会严重影响管件内部质量，应严格控制相关参数加以避免。制件缺陷的控制方法影响液态挤压制件质量的主要因素除浇注温度、模具温度、加压前停留时间、压下速度等因素外，还与模具表面粗糙度、润滑状态及管材液态挤压时的芯轴深度等因素有关。下面主要从模具表面粗糙度、润滑及芯轴深度三方面予以讨论。1．模具表面粗糙度模具表面粗糙度直接影响液态金属的流动形式，继而影响制件质量。模具表面粗糙度低，摩擦力小，金属流动比较均匀，更利于保证制件质量。因此模具加工时应保证其表面精度，尤其要降低成形模的表面粗糙度。2．润滑液态挤压的润滑作用主要有两点：①减小模具与坯料的摩擦力，以保证内部金属较均匀地流动；②保护模腔，以免被高温金属液直接浸蚀和擦伤。此外，润滑还可在某种程度上提高制件的表面质量。但对连续液态挤压而言，无法在挤压过程中对成形模部件施加润滑，因此对成形模本身的要求较高。润滑层的厚薄对成形质量也有影响，润滑层太薄不能形成流体润滑膜，因而起不到润滑作用，不均匀或过厚也容易给制件带来多种表面缺陷，如皮下气泡、起皮等。一般而言，润滑剂应尽量涂得均匀，防止积聚，同时涂刷后要待水分或油蒸发完再浇注液态金属，以免产生气体。3．芯轴深度液态挤压管材时，芯轴进入成形模的深度将直接影响制件质量，有时甚至会导致挤出制件报废。实际生产中，要注意控制芯轴的深度，避免产生内壁冷隔和贴层缺陷。根据试验，一般芯轴插入成形模孔内10mm～30mm为宜，具体需根据挤压比、管件壁厚和芯轴表面粗糙度来确定，挤压比大、壁厚小，可适当取较小值；挤压比小、壁厚大则需取较大值。液态挤压装备的基本概况

最初的挤压铸造装备都是在油压机和液压机上改装的，随后出现了专用的液态挤压装备。当前能生产挤压铸造设备的企业主要是日本宇部(UBE)，日本东芝机械，瑞士布勒，荷兰PrinceMachine以及意大利意德拉有限公司等公司，其中UBE生产和销售的挤压铸造机在数量上都处于首位。目前我国有100多台挤压铸造机，80%通过油压机或压铸机改装，只有较少专用挤压铸造机，且多为进口产品，合模力较小，无