文／邢书明，鲍培玮·北京交通大学机电学院
韩亮，高颖，杨景华，杨庆来·河北省安全工具产业技术研究院
液态模锻是一种金属零件绿色成形技术，是集铸造的广泛适用性和锻造的高品质于一身，具有高效、绿色、短流程、高品质等一系列突出的优势，受到了零件成形领域的普遍关注。液态模锻的技术原理坚实牢固，综合了流变力学、凝固原理及材料热处理等经典学科；
液态模锻工艺方法灵活多样，有直接液锻、间接液锻、多向分级液锻。
液态模锻应用范围不断扩大，零件材料已经从早期的铝合金，扩展到镁合金、铜合金、结构钢、不锈钢、球墨铸铁及复合材料领域；
零件形状已经从简单的杯形件，扩展到轮盘盖、叉架座以及箱体类零件，在汽车、航空航天、交通运输、矿山冶金、化工等领域都有巨大的应用空间。本文简单介绍了液态模锻的概念、技术原理、工艺方法、主要装备、技术现状和发展应用前景。
液态模锻是将熔炼合格的液态金属直接注入高强度的压室或模腔内，然后持续施以机械静压力，使熔融态金属在压力作用下充满模腔、结晶凝固和高压补缩，最终获得内部致密、外观光洁、尺寸精确零件的一种材料成形方法。例如，铸锅技术本质上就是一个简易的液态模锻工艺。
液态模锻在锻造领域属于一种特种锻造技术；
在铸造领域属于一种特种铸造技术，一般称为挤压铸造。早期也有从日文翻译为“熔汤锻造”，英文名称有squeeze casting(简写SC)和molten metal die forging(简写MMDF)两种；
也有一些文献中直译为liquid metal forging(简写LMF)。
广泛适用性
液态模锻可以像热模锻一样，获得内部致密、无缺陷的高性能零件。液态模锻与传统的固态热模锻相比，突出的优势是对材料、零件结构的广泛适用性，被誉为是“万能锻造”技术。
液态模锻材料广泛。液锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于材料的流动和防止裂纹，因而基本不受合金塑性成形性能限制，既可用于铸造合金成形，也可用于变形合金；
既可用于铝、铜、镁、锌等有色合金，又可用于钢、铁等黑色金属；
既可用于镍、钴等高温金属，还可用于复合材料和铸石等特殊材料成形。
液态模锻件的结构、形状和尺寸广泛。液态模锻件的壁厚范围很大，小至数毫米，大至几十毫米，都可以顺利成形。壁厚悬殊的复杂件，通过合理设计工艺，同样可以得到成形良好的产品。可以进行杯形件、轮盘盖类、叉架座以及箱体类各种零件的液态模锻。
液态模锻工艺流程短。他不需要坯料，而是利用外加机械压力对熔融态的金属进行压力加工，省去了坯料的切割、加热等工序，可以一次成形零件，生产效率显著高于模锻。
液态模锻绿色环保。液锻过程材料消耗少、可以回用废料，不需要常规模锻中的坯料加热，没有氧化烧损；
可以将零件的孔、槽、台等结构方便地成形，加工余量小、工艺余料少，材料利用率可以高达100%，还可以利用回收料进行成形制造；
液态模锻工艺装备的吨位小，能源消耗少。
液态模锻与传统铸造的异同
⑴液态模锻可以像传统铸造技术那样一步成形复杂零件，具有广泛适用性。其与传统砂型铸造相比，具有工件品质优、节约能源、材料消耗小、绿色度高等一系列优点。
⑵液态模锻对金属液施加高达100MPa 的压强实现流变补缩，比普通铸造仅靠冒口的重力补缩更易获得致密锻造件，甚至在“无冒口”的条件下可获得无缩孔和缩松缺陷，内部组织致密、均匀、晶粒细小的工件。
⑶液态模锻的模具是导热性优异的金属型。在高压作用下液态金属与金属型壁紧密贴合，不仅使液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，加工余量小，还能消除“气隙”现象，实现快速凝固。
⑷液态模锻不用传统的砂型，省去了繁杂的造型造芯、砂处理等工序，无粉尘污染和矽肺病危害、废液排放和污染小，是一种无砂型、无冒口、高品质、低能耗的绿色制造技术。
⑸液态模锻生产过程简单，便于组织机械化、自动化、甚至智能化生产；
属于“绿色锻造”技术。
液态模锻与压铸技术的异同
液态模锻和通常说的压铸是不同的，他们的区别主要表现在以下五个方面：
⑴液态金属的充型速度不同。压铸的充型速度高达每秒数十米，甚至每秒上百米，而液态模锻的金属熔体充型速度一般不足每秒一米。
⑵压力水平不同。液态模锻的压力一般都在20 ～150MPa，而压铸的压力一般只有50 ～80MPa。
⑶压力的传递方式和传递距离不同。压铸的浇道是最先凝固的位置，保压期间压力无法充分作用到铸件本体上；
而液态模锻的凝固顺序是自远端向浇道处凝固，整个保压期间始终存在通向铸件的补缩通道，实现高压补缩。
⑷适用的工件不同。压铸主要用来成形薄壁复杂件，而液态模锻主要用来生产较大壁厚的重要工件。
⑸产品质量特点不同。压铸产品的质量特点是表面光洁、尺寸精度高，而内部常存在气孔，致密度较低，采用热处理调节性能时常因气孔膨胀导致裂纹。液态模锻产品表面质量和尺寸精度与压铸相当，内部致密度高，可以通过热处理来调节性能。
⑹液锻件力学性能高。液态模锻使液态金属以小于500mm/s 的低速充型，避免了压铸那样卷入大量气体的问题，能用热处理方法进一步提高其机械性能。所以可以说是用铸造方法生产出“锻件的性能”。
从理论上讲，液态模锻是金属凝固、塑性变形和流变力学交差融合的结果。其中高压凝固、金属型快冷、金属液强制流动和塑性变形都具有细化组织、提高性能的作用；
灵活多样的高压作用下的补缩可以极大延长有效补缩距离，实现无冒口补缩，得到致密锻件。
如图1 所示，液态模锻的工艺流程包括熔炼、浇注、加压、保压和脱模四个基本工序。其中熔炼工序与常规铸造相同。浇注工序的任务是将熔炼合格的金属熔体浇入模腔或压室的操作过程，可以是人工浇注或机械手浇注；
可以是重力下浇注或非重力下浇注。加压工序是利用液态模锻机对金属熔体施加一个机械压力的操作，加压方式分为直接加压和间接加压两种：压力直接作用在模腔内的金属熔体上，称此为直接加压；
压力首先作用在工件模腔以外压室内的金属熔体上，然后通过压力传递，作用在模腔内金属熔体上，称为间接加压。保压工序是在金属熔体充满模腔后，仍然持续作用一个外加压力直至金属熔体全部凝固为止。脱模工序是液态模锻工艺的最后环节，其任务是将成形了的工件从模腔内顺利取出。
图1 液态模锻的一般工艺流程
根据液态模锻的加压方式，可以分为直接液锻、间接液锻和复杂液锻三大类，如图2 所示。各种工艺有其特点和适用范围。
图2 液态模锻的工艺分类
直接液锻
直接液锻是指液锻力直接作用在工件上的液锻方式，主要用于形状简单、需要加工的重要结构件，如杯形件、轮盘盖类结构件。它的加压方向可以是单向加压，也可以是多向加压。直接液锻工艺存在如下两个突出问题，限制了其应用。
⑴尺寸精度受浇注量波动。直接液锻件的尺寸精度受控于浇注量的定量精度和金属液的体收缩量的稳定性。无论是质量定量还是体积定量，金属液的定量精度都受金属液的温度和化学成分影响，而这两个因素是很难准确控制的。因此，直接液锻不适用于尺寸精度要求高且不机加工的工件。
⑵压力传递与损耗大。直接液锻的压力传递和损耗难以稳定，特别是在承压面积大及压头(凸模)横截面形状复杂的情况下，凸模与凹模的配合间隙很难均匀一致。在工作过程中升温带来的热膨胀和变形可能导致凹凸模之间的配合关系变为过盈配合，而过盈量又受模具和合金液热制度的影响而不稳定。这种过盈配合将极大地消耗液锻压力，使有效液锻力显著降低且不稳定，成形质量的稳定性降低。此外，开始加压前形成的凝固壳对凸模的支撑作用，要求液锻力必须大于凝固壳的变形抗力方能实现补缩，这也使得加压补缩致密化的效果大打折扣。
间接液锻
间接液锻则是指液锻力的作用点位于工件以外的压室或储料腔中，通过金属熔体的流动，将液锻力作用在工件上。这种工艺主要用于一模多腔的液锻中，可以生产复杂工件，工件尺寸精确、表面光洁。既可以是单腔液锻，也可以是多腔液锻。薄壁和高性能是间接液锻面临的两大挑战。
通常认为液态模锻适合做壁厚大于4mm 的厚壁零件，但是随着间接液态模锻技术的出现和发展，人们发现间接液锻与压铸非常类似，甚至可以理解为超低速高压压铸。目前已经可以生产壁厚2 ～3mm 的铝合金复杂件，从而出现了与压铸技术竞争发展的态势，并出现了一种新的液态模锻工艺“挤压压铸”，即在压铸机上增加局部加压功能进行挤压铸造。
液态模锻从一开始就给人一种高性能化的期望，但在实际应用中经常出现令人失望的结果：液态模锻件的性能并没有期望的那么好，特别是间接液锻产品的性能波动很大，其性能稳定性不能与固态锻造件媲美，甚至低于低压铸造和压铸。要实现高性能间接液锻需要从材料、工艺、模具、设备和人才五个维度协调联动才能如愿。
复杂液锻
复杂液锻则是指存在多个同时或顺序施加的液锻力进行液锻成形，也有人称为复合液锻或多向液锻，主要用于大型复杂结构件的液态模锻。这种工艺包括多向加压的液锻和多级加压液锻。
复杂液锻可以理解为是直接液锻与间接液锻的综合。随着液态模锻技术的进一步发展，产生了“间-直复合液态模锻”和“智能液态模锻”。所谓“间-直复合的液态模锻”就是间接加压充型、直接加压补缩的复合液态模锻。这种液锻方式集成了直接液锻有效压力高和间接液锻件尺寸精确的双重优势，在复杂重要零件的液态模锻中应用的越来越多。目前，局部加压、分级加压和多向加压的复合液态模锻研究和应用成了新热点。这种根据需要灵活加压的复合液锻，体现了“智能化”的特点，所以也有人称为“智能液锻”。
复杂液锻的技术关键在于事先对工件的凝固路径和进程有深入细致的了解，要做到这一点，必须借助有效的CAE 技术，即对液态模锻的温度场和凝固过程进行模拟仿真。
液态模锻车间除了有热加工车间的水电气和安全环保等共用基本设备外，主要生产设备包括熔体制备(熔炼)设备、浇注机械、涂料喷涂设备、液态模锻机及取件机械等五部分。这些设备相应地完成液锻材料的熔制、浇注、喷涂涂料、液锻成形及取件等基本工序。其中核心设备是液态模锻机，液态模锻机分为压铸机改制型和液压机改制型两大类，他们的用途各不相同。
压铸机改制型的液态模锻机组
图3 所示是典型的一种压铸机改制型的液态模锻机。卧式液态模锻机可以理解为卧式压铸机改造升级而成，它的特点是下压射、垂直挤压、水平锁模，主要用来进行间接液态模锻，也可进行复杂液态模锻。它的自动化程度与压铸机相当，可以做到无人操作。
图3 卧式液态模锻机(原为挤压铸造机)
如图4 所示的立式液态模锻机组可以理解为由立式压铸机改造而成，其特点是垂直合模、垂直加压。配备模温机、喷涂机、取件机、浇注机、切割机等周边设备就构成一个液锻自动化单元。可以进行间接液锻，也可以进行直接液锻和复杂液锻。
图4 立式液态模锻机(原为挤压铸造机)
液压机改制型的液态模锻机组
如图5 所示，液压机改制型的液态模锻机从外观看与液压机极其相似，但其功能与普通油压机大不相同，可以实现多向多级的复杂液锻、快速液锻和变程保压等特殊动作。这类机型目前没有标准化，主要是非标订制。可以用来进行间接液锻，也可以进行直接液锻和复杂液锻。合肥海德数控机床有限公司在这方面有着丰富的经验，配备模温机、喷涂机、取件机、浇注机、切割机等周边设备，也可以构成一个液锻自动化单元。这种机型价格低廉、使用范围广，但自动化成套程度有待提高。
图5 液压机改制的液态模锻机
从理论上说，液态模锻技术可以用来生产各种金属材料的各种零件。
液态模锻件的材质方面，目前已经有铝、铜、锌、镁等有色合金以及钢铁及其复合材料。特别是铸造和锻造性能都较差的特种材料，如合金钢、复合材料、过共晶合金、偏析倾向大的合金，可以发挥出液态模锻得天独厚的优势。
液态模锻件的形状和结构适应性强，特别适用于结构和形状简单或一般复杂的重要零件或基本不加工的(近)净成形零件，如气密性、水密性零件结构、复杂曲面零件。目前涉及的产品已经涵盖了轮盘盖、轴套、叉架座和箱体四大类常见零件，如汽车及摩托车轮毂、制动器、减振器、汽车活塞、摩托车发动机及传动箱铝件、压气机连杆零件、高压阀体、蜗轮，以及各种铝合金泵体件、铝合金轴套、军用零件和安全工具等。
液态模锻零件的单件重量基本没有限制，主要取决于熔炼设备。目前已经能够生产的零件单重小到几十克，大到几十甚至几百千克。
液态模锻零件的壁厚不能太小，一般来说壁厚越大，液态模锻越方便。目前生产的液态模锻件壁厚小到一毫米，大到近百毫米。
液态模锻零件的轮廓尺寸主要取决于液锻机台面和锁模力，目前生产的液态模锻件轮廓尺寸最小的只有几毫米，最大的可达一米以上。
液态模锻对零件的批量要求不高，但由于液态模锻是液锻机、模具和工艺路线一体化的技术，不同的产品不仅仅模具不同，而且对液锻机的技术要求也存在一定差异，所以液态模锻适用于批量大、规格少、市场需求稳定的零件。也就是说，只要产品是长线的，而不是单件，就可以采用液态模锻。
液态模锻诞生于二战，发展于上个世纪，成熟于本世纪。经历了几十年的研究和发展，目前已经处于工业化推广应用阶段，已经成了液态成形领域高性能结构件的首选工艺，正在与热模锻、压铸技术协同发展。液态模锻是一个多技术集成的新技术，要真正发挥出液态模锻的优势，需要从材料、工艺、模具、设备和人才五个维度协调联动。
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