北京交通大学邢书明教授：多种铸造技术交叉融合发展综述

导读

近年来，各种特种铸造技术互相交叉融合，均取得了巨大发展。重力铸造技术不断引入非重力因素，向加压铸造方向发展；压铸技术在保持其生产薄壁复杂件方面优势的同时，向低速和可热处理方向发展；低压和差压铸造技术向更高压方向发展；半固态铸造技术则开始淡化其“半固态”特征，向液态成形和固态成形方向融合发展。这种交叉与融合发展的物理本质是流变充型、流变凝固和流变补缩。

[邢书明]

邢书明，教授，博士生导师。从事半固态加工、挤压铸造（液态模锻）及压铸等金属材料绿色先进成型技术研究与开发30余年，在废杂铝回收再生、铝合金和钢铁材料半固态加工和液态模锻（挤压铸造）方面成果丰富。完成了国家863计划、国际科技合作、国家自然科学基金及大量企业委托项目，著有液态模锻方面专著2部，发表学术论文200余篇，拥有发明专利20余项，获得多项科技奖励。被聘为中国循环经济精密成型与再制造专业委员会首席技术专家、中国兵工学会挤压铸造专业委员会委员、中国机械工程学会压铸、液态模锻、半固态加工学术委员会委员。

课题组或部门研究成果简介

成果1：铝合金件高性能成型技术

针对铝代钢铁实现结构件轻量化对铝合金结构件高性能成型的重大需求，应用随流半固态成型技术（SSMF），在合金液输送至成型模具内的过程进行过冷细晶均质化处理，在气氛保护条件下直接推入成型模具腔内，并进行加压成型。它不需要专门的工序进行半固态浆料的制备，实现了半固态熔体的制备与成型无缝连接，适用于各种铝合金结构件、气密零件、高传导零件的清洁、高效、低成本成型。

成果2：液锻复合金属陶瓷超耐磨材料

针对金属/陶瓷界面润湿性差，均匀分散难度大的问题，发明了陶瓷/金属超耐磨材料及其制备新技术——“粘流混合+液锻复合”的液锻金属陶瓷。它既不需要制备预制体，也不需要进行陶瓷表面金属化，直接进行随流混合和液锻复合，低成本地实现了陶瓷颗粒在金属中的均匀分散和金属/陶瓷之间的微机械高强度结合，其抗磨性使高铬铸铁的3倍以上。

与固态模锻、固态型材加工等固态成形技术相比，非固态成形技术（包括液态成形和半固态成形）具有短流程、低成本、对材料于零件结构复杂程度适应性强等一系列突出优势，在零件成形制造业中的份额不断扩大。特种铸造技术几乎涵盖了所有非固态成形工艺技术，包括熔模铸造、消失模铸造、重力金属型铸造、冷冻铸造、离心铸造、压铸、低压铸造、差压铸造、液态模锻、半固态铸造10个大类。学科交叉使各种特种铸造技术在保持自己独特优势的同时，都在努力克服自身的工艺限制，出现了多工艺交叉与融合发展的强劲趋势。重力铸造技术不断引入非重力因素，向加压铸造方向发展；压铸技术在保持其在生产薄壁复杂件方面优势的同时，向低速和可热处理方向发展；低压和差压铸造技术向更高压方向发展；半固态铸造开始淡化其“半固态”特征，向液态成形和固态模锻方向融合发展。以铝合金件非固态成形的流变充型、流变凝固和流变补缩的本质物理过程为主线，综述了非固态成形技术在互相融合中的发展成果和发展趋势。

1重力铸造向加压铸造方向发展

重力铸造是金属材料最经典的液态成形技术，普通砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失模铸造、冷冻型铸造等众多的工艺方法都属于重力铸造的范畴。由于不需要专门的设备来提供流变动力，所以，成形设备简单，生产线投资较小，是最基本、适应性最强的一类零件成形技术。但是，由于仅靠大气压力驱动的流动充型、流动凝固和流动补缩，收缩缺陷难以根除，冷隔、浇不足的问题时有发生，良品率一般只有80%~90%，工艺出品率一般超不过70%。围绕这些问题，近年来自动化程度大幅提高的翻转铸造应用迅速扩大，消失模压力铸造和压力冒口铸造重力铸造新技术开始受到重视。

1.1翻转铸造（可倾斜金属型重力铸造）

翻转铸造时，将合金液浇入水平敞口的浇口盆内，随后将铸型（或模具）在闭合状态下由竖直锁模状态旋转至水平锁模状态，使得浇冒口在上、铸型在下，铝水在翻转过程逐步由浇口盆通过浇冒口进入型腔内，最后冷却凝固成形。翻转铸造的充型、凝固和补缩过程实际上是在大气压和液柱压力的共同作用下完成的，与固定式重力铸造相比，液柱压力可以成倍提高，因而其充型能力显著提高；凝固期间补缩的驱动力不仅是大气压力，还有明显增大的液柱压力，因此补缩效果也明显提高，具有提高良品率和工艺出品率的突出作用。

翻转铸造技术早在上世纪80年代就有应用实践，主要用于铝合金活塞的金属型铸造。进入21世纪，铝合金件的应用急速发展。与反重力铸造技术相比，传统金属铸造生产效率和工艺出品率低的问题日益突出，翻转铸造受到了人们的重视。2016年浙江万丰科技开发有限公司研制了针对摩托车铝合金轮毂铸造生产专门设计了翻转式重力铸造机。2021年南京博乔机械有限公司推出了全自动翻转铸造机生产线，使反转铸造的自动化水平大幅提高。随着翻转重力铸造机械化自动化水平的提高，今后还会持续发展。

1.2消失模压力铸造

铝合金和镁合金消失模铸造的显微疏松较严重，铸件气密性较差，致使铸件力学性能偏低。为了解决这些问题，在消失模铸造技术上嫁接了加压凝固技术，形成了一个新的铸造技术——消失模加压铸造技术。该技术的基本原理是：将消失模砂箱内充气加压，使金属液在气压作用下凝固成形。图1为真空增压铸造法的技术原理示意图。

图 1 中国压铸件年产量与汽车年产量

1.3低压铸造和差压铸造

低压铸造的充型过程是抵抗重力作用而完成的，因此也称为反重力铸造。虽然低压铸造的压力很低，一般只有100 kPa左右。但是，这个压力足以使密度约2.5 g/cm3的铝合金液扬程达到4 m。这种对零件复杂程度的广泛适应性和压力充型与补缩的显著效果使这一技术得到了极其广泛的应用。距不完全统计，目前低压铸造已经成了汽车车轮、电池包、转向节、副车架、缸体、轨道交通摇枕座、枕梁、基座、薄壁多筋的腔体、地铁车辆牵引梁、壳体、大型平板件等各种铝合金件的主流生产工艺。

低压铸造的发展方向主要是通过采用多升液管，使生产效率成倍提高；通过侧向输液、中央增压技术，实现了“增压低压铸造”也称“连铸连锻”,见图2。

图2 增压低压铸造技术示意图

为了解决低压铸造中模腔内的气体难以排出，容易形成气孔缺陷的问题，出现了差压铸造技术。差压铸造可以理解为带有真空抽气系统的低压铸造。

低压铸造与高压融合发展的另一个成果就是铸旋技术。江跃岭股份有限公司使用募集资金投资建设了一条年产230万件铸旋汽车铝合金车轮生产线。铸造+旋压铝合金车轮（简称“铸旋车轮”）的内部组织均匀、流线成纤维状，其性能大大高于普通低压铸造车轮，能够满足车轮市场大直径、高强度、轻量化 的发展趋势，已在轿车中得到应用。2008年万丰奥特完成了高强度铸旋铝合金车轮成果，强度铸旋铝合金车轮外轮辋抗拉强度≥214 MPa,屈服强度≥140 MPa,伸长率≥7﹪,硬度（HB）≥60;内轮辋抗拉强度≥276 MPa,屈服强度≥214 MPa,伸长率≥10﹪,硬度（HB）≥80，达到国内领先水平，其工艺流程见图3。张立娟首先采用低压铸造得到单轮缘毛坯，趁热进行加热后，利用旋压机进行旋压，得到另一个轮缘。在旋压成形过程，轮辋发生流变，得到尺寸精确的轮缘和轮辋，随后可以热态入炉热处理。

图3 低压铸造+旋压的工艺流程

铸旋工艺实现了铸造铝合金进行塑性流变成形，实现了液态成形与固态成形的结合。车轮轮辋经过热旋压后其金属晶粒变细，并具有明显的纤维组织，大大提高了车轮的整体强度和耐腐蚀性,见图4。

（a）压铸毛坯 （b）预加工毛坯 （c）旋压毛坯

图4 低压铸造毛坯和铸旋毛坯的比较

2 压力铸造（Die casting）向低速和可热处理方向发展

常规铸造在生产薄壁复杂铝合金件方面遇到了很大困难，即使是低压铸造和差压铸造也因压力有限，难以成形薄壁复杂件。压力铸造利用高速射流充型凝固成型的一种非固态成形技术，由于液流速度高达每秒数十米，所以其与模壁之间的传热极快，压铸件表层组织极其细密，但液流中的气体没有时间排出，内部存在一定的气孔是压铸件的特点。由于内部存在一定的气孔或气体，如果重新加热热处理，这些气孔膨胀，将产生“鼓泡”缺陷，所以，压铸件通常是不做热处理的。为了提高压铸件的致密度、提高压铸件的力学性能，压铸领域发展了低过热压铸、真空压铸、超低速压铸以及充氧压铸等压铸新技术。

2.1 低过热度压铸

低过热度压铸是指合金液温度在液相线以上5~20 ℃的压铸。低过热压铸不是简单的降低压铸温度，而是要对铝合金液进行一定的预处理，使其内部形成了很多团簇结构，在低过热条件下仍然具有良好的流变性。预处理的方法有吹气、震动、搅拌等。JESSADA W 发明的 GISS技术与压铸技术结合就可以实现低过热压铸，有效提高压铸件的致密度。这一技术已经用于生产铝合金压缩机端盖、方向盘、轴向体、底壳、机油冷却器、摩托车零件等众多零件的压铸生产，见图5。GISS低过热压铸可以使浇注温度由原来的670~680 ℃降低至620~630 ℃，所得工件可以进行T5热处理。这种低过热压铸，不仅不降低工件的成形完整性，而且还缩短生产循环30%左右、缺陷发生率降低80%以上、提高模具寿命3~10倍。

图5 GISS低过热压铸件示例

2.2低速压铸和真空压铸

为了降低压铸件的气孔率，出现了真空压铸技术。真空压铸技术的原理与差压铸造极其类似。在金属液高速充型之前，使型腔内形成一个真空环境，见图6。

图6 真空压铸件实例

3 挤压铸造向高速免热处理方向发展

液态模锻是固态成形与非固态加压成形技术融合发展的典型产物。液态模锻的本质特征是对处于液态的金属材料施加高压而流变与凝固成形。它是目前所加压力最高的一种非固态压力成形技术，其所加压力已经高达200 MPa，超过了铝合金室温的屈服强度。根据其压头是否直接作用在工件金属上分为直接加压挤压铸造（也称冲头挤压）和间接加压挤压铸造（压头挤压铸造）两大类，见图7。

图7 挤压铸造原理图

3.1 压铸机上挤压铸造

传统的挤压铸造机就是在压铸机的基础上改制而来的。日本东芝公司的DXHV和DXV挤压铸造机就是在压铸机上采用电磁泵装置输液、液压压头充型和补缩的挤压铸造。这里的电磁输液，相当于低压铸造的升液过程，缩短了开始加压的时间，减少料缸中因凝固结壳给铸件带来的夹渣、冷隔等缺陷。但是，电磁泵的使用可靠性较差。

台湾玖大生产的挤压铸造机系列，是在立式压铸机的基础上改造而成，它由曲肘机构带动并锁模，由下缸活塞实施挤压充型和补缩。挤压（压射）系统采用了3段式压射压力，即开始以低速高压方式射出，使液体金属缓慢充型，当充满型时增压系统启动并增至2～4倍压力，以保压至铸件凝固。该机型上方还设有二次补压系统，必要时可局部补压。但是，因其只适合用于间接冲头挤压铸造，应用受到了一定的限制。

欧洲一些压铸机专业生产企业如瑞士布勒以及我国的力劲公司，甚至通过改造压铸机的压射系统实现一机多用，既能做压铸，又能做液态模锻。这种压铸机上的挤压铸造实现了压铸与挤压铸造的深度融合，正在快速发展。

3.2 液压机上挤压铸造（液态模锻）

液态模锻技术与固态模锻技术融合发展，形成了液压机上液态模锻技术。液压机是锻压行业的经典设备，利用液压机进行液态模锻是锻压行业最容易接受的液态模锻模式。这种液态模锻的加压方式以立式加压为主。通过增加作动油缸，可以方便地实现多点、多向及多级加压，生产大型复杂锻件的液态模锻，因此，液压机上液态模锻发展也很迅速，特别是在大型复杂锻件方面的应用越来越多。

液压机上的挤压铸造与低压铸造的气压输液单元嫁接，邢书明提出了气压输液的液态模锻技术。这一技术通过气压将保温炉内的金属液压入液态模锻机的料筒内，料筒下方的压头将其推入模腔并增压凝固补缩。可以很方便地解决传统液态模锻开放式浇注带来的氧化吸气问题，使成形品质的稳定性大幅提高。

液压机上液态模锻对材料几乎没有限制，变形铝合金和铸造铝合金均可以液态模锻，所得性能可以达到固态模锻的水平,见表1。

5 半固态成形技术向液态成形和固态模锻方向发展

半固态铸造技术是利用熔融态合金材料的流变特性加压成形零件的一个典型技术。其成形温度范围在液相线附近的低固相率（小于15%）范围时，称为流变铸造，其成形温度范围在近固相线的高固相率范围（≥15%）时，则称为触变铸造。半固态成形技术从固态成形与非固态成形技术的融合中诞生，又在两者的进一步融合中取得发展和应用。

虽然半固态加工技术最早与压铸技术结合，形成了半固态压铸技术，并获得了工业应用。但是，半固态压铸件的性能水平及其稳定性与人们的期望值距离较大，所以，近年来半固态铸造技术开始呈现两级分化的发展态势：低固相分数的半固态铸造逐步向近液相线的液态成型方向发展，出现了液相线法流变铸造、GISS技术、随流半固态等高效快捷的成形技术，高固相线分数的半固态成形则向模锻方向发展，出现了应变诱导的SIMA法半固态模锻、半固态等温模锻等。

5.1 液相线法流变铸造

这种半固态成形技术是与低过热铸造技术融合发展的结果。低过热铸造件组织细密、性能优良是铸造界的常识。但是，低过热熔体的流变抗力较大，充型能力显著下降，容易产生冷隔缺陷。如果对低过热的合金熔体进行吹气、振动或搅拌，使其“剪切变稀”，流动能力可以显著提高。GISS技术是通过向合金熔体中吹入惰性气体，使合金液降温的同时，形成了尺寸较大的晶胚，在随后进入模腔后形核率显著提高，得到组织细密的零件。

虽然液相线法制备的半固态合金熔体中的固相并不是传统半固态概念中的“球形”颗粒，但这种半固态熔体已经具有了优异的流变成形工艺性能，彻底解决了传统半固态熔体制备成本高的突出问题，应用范围迅速扩大。

5.2 随流半固态流变成形

随流半固态铸造技术是液相线流变铸造技术的进一步发展，是将低压铸造的密闭输液、液态模锻的高压流变凝固与补缩、以及流变法制备低固相率半固态浆料的方法集成起来形成的一种制备与成形一体化的半固态成形技术，见图8，其包括推拉剪切振荡制备、气压密闭输送充型及高压流变凝固与补缩3个密不可分的工艺步骤。首先，利用气压将保温炉内的合金熔体压入连接保温炉和料筒的输液管内，并进行振荡流变，形成含有非枝晶初生固相的固液混合物，完成半固态合金的制备；然后，利用气压将这种具有良好流变性的混合物密闭压入料筒，利用机械压头推入成形模腔，完成流变充型；最后，继续增压，实现流变凝固和流变补缩，直至完全凝固成形。根据成形方式不同，可以分为随流半固态铸造、随流半固态模锻、随流半固态轧制等多种具体工艺。

图8 随流半固态成形技术示意图

随流半固态成形技术（SSMF）是典型的多技术融合发展的产物。材料的制备、充型和凝固补缩每个环节都存在着流变与凝固之间的交互作用。在制备阶段，本质上是一个流变孕育过程，通过过冷形成较大尺寸的晶胚和晶核，熔体内部悬浮着初生固相；充型阶段本质上是一个流变非枝晶化过程：流变促进了初生相的剥落、随流游离与圆整化；成型阶段本质上是流变与凝固的耦合作用，高压下的加压凝固和流变补缩，实现了致密化和晶粒细化。这种随流过冷，使体收缩减小；随流混合，促进了均温均质；随流凝固，初生相细小；随流补缩、凝固和成形，流程短、成本低、可以大批量生产。斜坡冷却法、蛇形通道法、旋转管法、摆动振荡法等半固态流变制浆方法与零件成形设备嫁接，都可以形成与随流半固态模锻技术类似的半固态流变成形技术。

这种工艺不受材料限制，可以进行合金钢、合金白口铁、铝合金、铜合金、铝合金、锌合金等各种金属材料的重要大型零件成形。今后需要提高自动控制水平，开发标准化、系列化的成套设备。

6 结论

（1）学科交叉使传统的特种铸造技术内涵扩大、边界淡化，形成了很多新的工艺技术。重力铸造技术不断引入非重力因素，向加压铸造方向发展，加速了翻转金属型铸造技术及加压消失模铸造技术的发展。

(2)传统压铸技术在保持其在生产薄壁复杂件方面优势的同时，向低速和可热处理方向发展，出现了真空压铸、超低速压铸；

(3)传统的低压和差压铸造技术向更高压方向发展，出现了高压低压铸造技术;挤压铸造技术正在向“低压”、“高速”方向发展，出现了压铸机上挤压铸造、挤压铸造机上压铸以及液压机上液态模锻的新动向。

（4）半固态铸造开始淡化其“半固态”特征，向液态成形和固态模锻方向融合发展。

文献引用格式：邢书明，邢若宇.学科交叉视角下的特种铸造技术及其融合发展[J].特种铸造及有色合金，2022,42（1）：7-13.