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液态模锻的特点及工艺参数

发布时间:2020/6/8
            液态模锻的特点及工艺参数
  一、成形方法和特点
  液态模锻是以熔融的金属为原料,直接浇注到金属模的型腔内,然后以一定的压力作用于液态或半固态金属上,使之在压力下结晶并发生较小的塑性变形而最终成形。
  国外在20世纪30年代就开始进行液态模锻的研究。目前俄罗斯已经拥有万能液态模锻液压机,在其上生产有色金属、铸铁、碳钢、不锈钢等各种材料的锻件;美国的自动液态模锻机从金属熔化、浇注、成形、渣料处理全部实现自动化。目前在国内,液态模锻也已经在生产上越来越多地得到应用,例如生产铝合金活塞、镍黄铜高压阀体、仪表外壳、铜合金涡轮、球墨铸铁齿轮和钢质法兰等锻件。
  液态模锻的工艺流程一般是:原材料配制一熔炼一浇注一合模并加压一热处理一冷却一卸模并顶出锻件一检验入库。
  按照加压的方式,液态模锻的工艺方法可以分为三种。
  (1)平冲头加压法如图88所示,金属液注入凹模3平冲头2下行与凹模构成封闭型腔,加压力使液体凝固成形。
  (2)异形冲头加压法 如图89所示,适用于轴对称、形状复杂的空心件,加压时,金属液略有反向流动。按冲头端面形状又分为凹形冲头、凸形冲头和复合形冲头三种情况。
  (3)间接液态模锻法 如图90所示,适用于一模压制多个锻件。金属液浇入下模3后,上模2与下模3合成型腔,凸模1下行把金属挤入型腔成形。类似于立式压铸,但内浇道短而粗,金属液以低速度压人型腔,不易产生喷流和涡流现象,型腔内的气体容易排出。
  
  图88平冲头加压法
  1一芯子;2一冲头;3一凹模 4一下模板
  
  (a)凹形冲头 (b)凸形冲头 (c)复合形冲头
  图89异形冲头加压法
  1一芯子;2一冲头;3一凹模;4一下模板
  目前,液态模锻一般是在液压机上进行,液压机的压力和加压速度能够准确控制,够在任意位置可靠地实现保压,最适合液态模锻的工艺需要。
  液态模锻实质上是铸造与锻造的结合工艺,兼有铸造与锻造的双重工艺特色。这就使其在两个方面具有应用的优势。
  ①可以用于成形种类繁多的材料,如有色合金、碳钢、不锈钢、脆性灰口铁和球墨铸铁等。
  ②当产品形状复杂,用一般模锻工艺无法生产,而在性能要求上又高于铸件时,采用液态模锻更能发挥优越性。
  与压力铸造相比,液态模锻具有以下特点。
  ①压力铸造时气体不易排出,容易产生皮下气泡、缩孔和裂纹,并难以避免涡流现象;而液态模锻时气体容易从型腔内排出,避免了相关缺陷,没有浇注冲击,可以克服涡流现象。
  
  图90间接液态模锻法
  l一凸模;2一上模;3一下模
②压力铸造时金属液经过浇道进入模腔,可能会使金属在压力不足的状况下结晶,导致铸件晶粒粗大并存在缩孔;液态模锻能使金属在适当的压力下结晶,锻件组织致密、均匀。
③压力铸造模具结构比较复杂,浇道系统耗用较多的金属液,材料利用率不高。而液态模锻的模具结构比较简单,使用寿命长,材料利用率也较高,生产成本低。
与普通模锻相比,液态模锻与具有以下特点。
①金属在压力下凝固结晶,获得的组织致密,强度性能与一般模锻件相近,并且尺寸精确,表面光洁程度高。
②容易充填成形,所需要的液压机吨位只相当于普通模锻的1/5;一次性成形,不需多模膛模具,节省锻模钢材及加工费用。
  二、成形机理
液态模锻时,金属的凝固特征与铸造有显著的区别(图91)。铸件凝固时,外壳和底部先凝固,顶部最后凝固,为了避免铸造缺陷,必须加大冒口。但是,液态模锻的凝固次序却有所不同:金属液与模具表面接触便开始凝固,最后是心部凝固。在凝固过程中,大部分气体被排出,铸造缺陷在加压作用下被消除。图92表示了A1—7%Si合金的加压与缺陷分布的关系,可见,当单位压力加至50MPa时,缩孑L等缺陷便可以完全消除。
  
  (a)不加压(b)加压力12.5MPa(c)加压力50MPa
  图92 Al一7%Si的显微疏松度
  如图93所示为法兰件液态模锻的凝固过程。金属液浇入型腔后,很快形成细晶外壳,在垂直于模壁的方向进行自然顺序结晶,如图93(a)所示。在浇注过程中,由于金属在凹模芮的翻滚作用,细晶硬壳上一些尚未结牢的晶体重熔或游离于熔渣之中。合模时,在冲重作用下,金属液翻滚向上,冲刷硬层上的枝晶使其熔断、剥落或移动,从而使金属液固相团明显增多,一直到形成封闭的外壳为止,如图93(b)所示。施加压力后,硬生塑性变形,使金属液在密闭的压力作用下挤入凝固前沿的枝晶间隙中,产生致密效应;同时半固态金属液仍然继续向上滚动,使黏附在硬层上的枝晶改向、剥落或移动,半固态金属液中的固相团继续增多,金属液的流动遇到更大的阻力,在更大的压力下被压入枝晶间隙中,产生更进一步的致密效应,如图93(d)所示。
  许多实验表明,压力增大,可以使共晶温度提高,如图94所示。在加压条件下结晶会使金属的性能发生显著的变化,如图95所示。
  采用液态模锻和铸造方法成形LDll铝合金活塞并进行力学性能对比,结果表明液态模锻件的性能比铸件有明显的改善。
   
  图93液态模锻的凝固过程
  液态模锻时,金属液在型腔内的流动一般有为五种方式:浇注时产生的机械冲刷式流动;密度差和自重产生的自然对流;异形冲头压制下的反向流动;塑性变形时在硬壳层内的流动;压挤进入枝晶间隙,在枝晶间的流动。
金属液的流动对凝固过程和锻件组织性能都有影响。
  
  图94 不同压力下的Al—Si合金状态图
  液态模锻的全过程中均存在塑性变形,与结晶凝固构成了液态模锻的两个基本过程:压力的作用使外壳产生塑性变形,而正在凝固的金属液却承受等静压力并挤入枝晶间隙内凝固,从而提高了锻件的性能。
  三、工艺参数
  1.比压
  液态模锻具有固溶体的铝合金时,比压不大就能使金属压实,而液态模锻共晶铝合金所需的比压要大得多;液态模锻结晶温度范围宽的铜合金,也需用较大的比压。比压过小达不到组织密实的效果;但是比虚过大,对锻件性能的改善并不明显。
  加压速度越慢,金属在模具内停留时间长,所需的比压也越大。凝固快,所需的比压也越大。锻件外形越复杂、金属浇注温越大。
  一般有色金属金属锻件的比压大于50MPa,圆柱形钢锻件的比压为250MPa左右。
  2.加压开始时间
  加压迟早对锻件质量有很大的影响。根据不同材料,可以在熔融或半熔融的状态下加压,加压开始时间以金属冷却到不低于固相线温度为准。在这段时间范围内的具体加压时机,与金属的浇注温度、液相一固相线温度、模具预热温度等有关。一般来说,金属呈熔融状态时开始加压效果较好。
  3.加压速度
  加压速度要快,以便模具能及时将压力作用于金属上,促使结晶、塑性变形和最终成形。但是加压过快,在凸模下方的金属可能会产生涡流,甚至凸、凹模之间的金属流失过多。加压速度,一般对小锻件取0.2~O.4m/s,大锻件取0.1m/s。
  4.保压时间
  液态模锻时,金属结晶与流动成形都需一定时间,因此在整个成形过程中都必须保压。但是过分延长保压时间没有必要,而且还会降低生产率和缩短模具寿命。保压时间主要取决于锻件厚度,钢件可按每lOmrh厚度取5s保压时间计算。铝件直径小于50mm时,每lmm厚度取0.5s保压;厚度大于lOOmm时,每lmm厚度取1~1.5s。
  5.浇注温度 浇注温度可参考铸造浇注温度确定,但应偏低一些,以便金属内部的气体排出。但是如果浇注温度太低,由于凝固快而使比压增大。浇注温度太高,所需比压也要增大,因为缩孔在最厚处生成,比压小则不易消除。如图96所示是lOOmm直径的铝青铜浇注温度与比压的关系。
  6.模具温度
  模具温度过高容易产生粘模现象,脱模困难;温度过低,则容易出现冷隔和表面裂纹等缺陷。对此,模具预热温度一般应在200~400℃之间。形状简单的铝合金锻件,模具温度应为200~300℃;碳钢锻件其模具温度为150~200℃。在压制过程中,当模具温度高于700℃时,应使用冷却装置,以保持合适的工作条件。
  四、液态模锻用的模具
  1.模具结构
  液态模锻的模具结构有三种基本形式。
  (1)简单模如图97所示,主要用于凸模加压凝固成形。
  (2)可分凹模如图98所示,凹模型腔由固定凹模与活动凹模组成,当锻件凝固后,凸模退出,活动凹模分开并取出锻件。
  (3)组合模如图99所示,主要用于间接液态模锻成形。凹模由多块组成,因而可得到形状复杂的锻件。凹模与垫块组合成型腔,浇人金属液,上模向下加压成形,然后垫块下行:上模退出并脱离锻件,凸模上行,将锻件带出凹模,继而被上模卸下,垫块同时回复,完成一次模锻过程。
  2.模具设计
  锻件图是设计模具的依据。制订锻件图时,应考虑下列问题。
  
  图98可分凹模工作过程 图99组合模工作过程
  (1)分模面选择除了考虑一般模锻件图的设计原则,还要考虑加压部位。分模面可能有一个或多个,具体取决于锻件的复杂程度。
  (2)加工余量加工表面的余量为3~6mm。为了便于压实,某些太薄的部位可加放工艺余量。容易存积浮渣的部位也应加大余量。
  (3)凡影响脱模的部位均应考虑模锻斜度 由于液态模锻采用顶出器和卸料板等脱模装置,模锻斜度取10~30。锻件圆角半径可取3~10mm。
  (4)冷却收缩率对于形状简单的锻件,收缩率可由材料性质、成形温度和模具材料确定;对于形状复杂的锻件还要考虑收缩不均匀问题。
  模具材料要能承受一定的温度和交变应力。对于铝合金锻件,模具材料可选用3Cr2W8、4W2CrSiV、3W4Cr2V钢或碳素工具钢,对于钢和铜合金锻件,可选用耐热钢、钼基合金或锻模钢等。
  如图100所示是2A80(LD8)柴油机铝合金活塞零件图,如图101所示是液态模锻模具图。若用凸式冲头压匍,中心处离冲头施压较远,容易产生裂纹,为此采用浮动凹模。
  在凹模底部安置了八个弹簧,能将凹模浮起7mm。当冲头下行封闭型腔时,多余金属过溢流口排出。当冲头继续下行使上下模合成一体,并压缩弹簧,使下模体和下模镶块产生相对滑动,从而得到反向施压的有效作用。
  因此钼合金模具必须在真空或惰性气氛中使用。也可以采用金属陶瓷作为模具材料,它是以高纯度的人造氧化铝(添加少量氧化铬和氧化钛)为基体,加入lO%~15%的石蜡作为增塑剂,压力浇注成形,经焙烧、化学处理和多次浸渍而获得,具有良好的性能:抗拉强度294~392MPa,抗弯强度98~441MPa,冲击韧性1176~2157J/m2;再加上陶瓷原有的工作温度高(1600℃)、抗蚀性好、成本低等优点,有很好的应用前景。
  与普通模锻相比,等温模锻的锻模设计还有以下特点。
  ①模具采用精密铸造的方法制造时,要考虑模具材料的收缩率;锻模加热会引起膨胀,设计模腔尺寸时,要考虑锻模与毛坯膨胀系数的差异。
  ②等温模锻时,飞边温度保持不变,比普通模锻中飞边的阻力作用小。因此,飞边槽桥部高度应尽可能减小,以保证金属在模腔内充填良好。
  ③在真空或惰性气氛中等温锻造时,锻件表面光洁,因此可以适当减小或不留锻件加工余量。
  ④等温状态下合金的流动性好,筋的高度、模锻斜度、圆角半径、腹板厚度等模具结构参数可大为减小。
  ⑤由于锻模温度很高,在锻模和液压机上、下台面之间应采取隔热措施。
  模具的加热方法很多,主要有火焰式、电阻式和感应式三种。
  火焰式加热用煤气或油作燃料。加热方式简单、投资少,但是温度难于控制,在压力机台面上布置燃烧装置比较困难,工作环境较差。
  电阻式加热一般采用硅碳棒或电阻丝作为加热元件。硅碳棒的电阻率较大,加热速度快,但容易使得模具表面温度偏高;此外,若变形速度快或操作不慎,硅碳棒容易损坏。电阻丝加热投资少,制造简单,但是它传递热量效率较低,在连续使用中电阻丝容易烧损断裂,或与模壁接触而短路。
  感应加热有明显的优点。由于集肤效应,模具直径不大时可采用中频感应加热;当直径大于150mm时,应采用工频感应加热。感应加热装置的计算步骤大致是:先计算模具重量,然后进行热工(an热模具所需的热量及功率等)、电工(感应圈的直径、匝数、电流、电压及功率因数等)计算并确定供电方案,而后计算平衡电容、补偿电容、导磁体尺寸及冷却水等。
  三、润滑
  润滑剂对等温模锻工艺的成败起着关键性的作用,因此要求比普通模锻要高。等温模锻采用的润滑剂应该:能使模具与毛坯间生成连续、均匀、致密的薄膜,起到分离作用;能减小摩擦系数和变形抗力;不使锻件和模具表面受到腐蚀;使锻件容易从模具内取出,润滑剂容易于从模具和锻件表面清除;加热时能保护毛坯表面避免氧化。
  等温模锻常用的润滑剂一般有氮化硼、玻璃等。氮化硼是较好的润滑和脱模剂。氮化硼属于六方层状结构,具有膨胀系数小、耐热性和抗氧化性好等优点;氮化硼与碱性氧化物和水混合加热时,很容易发生化学反应,产生一种泡沫状的灰白色疏松物,有助于脱模。Ti一6A1—4V的等温模锻采用玻璃润滑剂获得良好的效果。但是玻璃类润滑剂对陶瓷模有腐蚀作用,因此使用陶瓷模具时,应改用其他润滑剂。