邢書(shū)明，高文靜，閆光遠(yuǎn)，鮑培瑋，潘琦俊，胡柏麗，王超，葉伍文

塑性成形

液態(tài)模鍛材料及其研究進(jìn)展

邢書(shū)明1，高文靜1，閆光遠(yuǎn)1，鮑培瑋1，潘琦俊2，胡柏麗2，王超2，葉伍文2

（1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100064；2.蕪湖禾田汽車(chē)工業(yè)有限公司，安徽 蕪湖 241100）

液態(tài)模鍛作為一種精密成型技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，液鍛件正在不斷替代普通鑄件和固態(tài)鍛件用于各行各業(yè)。但液態(tài)模鍛的材料范圍不夠明晰，導(dǎo)致鑄造合金液態(tài)模鍛研究與應(yīng)用很多，而各種變形合金的液態(tài)模鍛卻鮮有報(bào)道。如果定義適于液態(tài)模鍛技術(shù)成型的材料統(tǒng)稱(chēng)為液態(tài)模鍛材料，并用流變充型能力、流變補(bǔ)縮能力以及開(kāi)裂敏感性定量表征液鍛材料的工藝性能，則各種合金鋼、球墨鑄鐵、鋁合金、鎂合金、鋅合金、銅合金、生物材料及金屬基復(fù)合材料都屬于液鍛材料，且都具有較好的液鍛工藝性能。目前只有液鍛鋁合金、液鍛鎂合金、液鍛鋅合金和一些液鍛合金鋼研究應(yīng)用活躍，并取得了工業(yè)應(yīng)用。建議今后加強(qiáng)液鍛材料的工藝性能預(yù)報(bào)、變形合金特別是寬結(jié)晶溫度范圍合金的液態(tài)模鍛以及金屬基復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)。

液態(tài)模鍛；擠壓鑄造；金屬材料；復(fù)合材料；工藝性能

金屬材料通常根據(jù)成型類(lèi)別分為變形合金或變形材料和鑄造合金或鑄造材料兩大類(lèi)。液態(tài)模鍛（Molten Metal Die Forging，MMDF）是利用金屬材料在液相線附近的流變特性進(jìn)行零件成型的一種工藝技術(shù)，它既有液態(tài)流變的特征，又有高壓塑性流動(dòng)的成分，是一種鑄鍛交叉融合的材料成型技術(shù)，又名擠壓鑄造（Squeeze Casting）、液態(tài)金屬鍛造（Liquid Metal Forging）。如果把適于液態(tài)模鍛成型的材料統(tǒng)稱(chēng)為液態(tài)模鍛材料（簡(jiǎn)稱(chēng)液鍛材料，MMDF材料），那么可以將金屬材料分為固態(tài)變形材料、液鍛材料和鑄造材料三大類(lèi)。本文對(duì)液鍛材料的內(nèi)涵體系、液鍛工藝性能評(píng)價(jià)及液鍛材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析討論，歸納總結(jié)了液鍛材料的工藝特性及其組織性能特點(diǎn)，并分析了液鍛材料的發(fā)展方向。

1 液態(tài)模鍛材料體系

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，液鍛材料已經(jīng)形成了一個(gè)基本明晰的內(nèi)容體系。按照傳統(tǒng)的有色金屬與黑色金屬的分類(lèi)，液鍛材料可分為液鍛黑色金屬、液鍛有色金屬及液鍛復(fù)合材料三大類(lèi)。液鍛黑色金屬又可以細(xì)分為液鍛合金鋼和液鍛鑄鐵；液鍛有色合金及其復(fù)合材料可以細(xì)分為液鍛鋁合金、液鍛鎂合金、液鍛鋅合金、液鍛銅合金、液鍛生物材料；液鍛復(fù)合材料則包括液鍛鋼基復(fù)合材料、液鍛鐵基復(fù)合材料、液鍛有色金屬基復(fù)合材料三大類(lèi)。每個(gè)大類(lèi)還可以細(xì)分多個(gè)小類(lèi)，構(gòu)成了一個(gè)龐大的材料體系，如圖1所示。

1.1 液鍛黑色金屬

最常用的黑色金屬就是鋼鐵材料，幾乎所有的鋼鐵材料都可以液態(tài)模鍛，因此，液鍛鋼鐵材料囊括了鑄鋼、鑄鐵和鍛鋼等全部的鋼鐵材料。

碳鋼和合金鋼都是典型的液鍛材料。液鍛鋼鐵材料的成型工藝性能比傳統(tǒng)鑄造和固態(tài)鍛造更優(yōu)越。例如，鑄造碳素結(jié)構(gòu)鋼的體收縮高達(dá)7%～11%，其鑄造工藝性能較差，必須創(chuàng)造順序凝固條件，使用大冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，才能獲得致密鑄件；而液態(tài)模鍛碳素結(jié)構(gòu)鋼零件，并不需要大冒口補(bǔ)縮，而是靠壓力補(bǔ)縮，只要所加壓力足夠，就可以獲得內(nèi)部致密的零件。再如，鑄造合金鋼常因合金元素的加入，結(jié)晶溫度范圍加大，流動(dòng)性下降，容易出現(xiàn)冷隔、熱裂缺陷；而液態(tài)模鍛合金鋼，則因材料在凝固完成之前始終存在一個(gè)大于材料當(dāng)時(shí)變形抗力的壓強(qiáng)作用，因此一般不會(huì)出現(xiàn)冷隔和熱裂缺陷。又如，高碳含量和高合金含量的鍛造碳鋼和鍛造合金鋼的鍛造性能較差，容易出現(xiàn)鍛造裂紋缺陷；而液鍛是在熔點(diǎn)以上進(jìn)行的壓力成型，材料的流變能力極強(qiáng)，液鍛高碳鋼和液鍛高合金鋼的開(kāi)裂危險(xiǎn)顯著降低。

圖1 液態(tài)模鍛材料體系

白口鑄鐵是優(yōu)良的液鍛材料。液鍛白口鐵在鋼鐵零件成型制造中占有一定份額。白口鐵硬度高，耐磨性?xún)?yōu)異，但其固態(tài)性脆，鑄造成型、固態(tài)鍛造以及軋制過(guò)程中都容易出現(xiàn)開(kāi)裂缺陷；而液態(tài)模鍛是在液態(tài)下高壓成型，白口鐵性脆的問(wèn)題并不能表現(xiàn)。相反，液鍛白口鐵便于直接成型耐磨零件，性能優(yōu)異[1]。

值得注意的是，石墨鑄鐵不是典型的液鍛材料。這是因?yàn)槭T鐵的性能取決于石墨形態(tài)和數(shù)量，而石墨形態(tài)除受化學(xué)成分控制外，主要受控于冷卻速度。液態(tài)模鍛的金屬型激冷作用抑制石墨形成，增加白口傾向，所以，液鍛石墨鑄鐵的白口傾向較大，難以用于薄壁零件成型。但是，球墨鑄鐵特別是高牌號(hào)球墨鑄鐵，則是優(yōu)良的液鍛材料。在化學(xué)成分不變的前提下，液鍛球墨鑄鐵的石墨球更加細(xì)小、圓整，強(qiáng)度和塑性都高于鑄造球墨鑄鐵[2]。

1.2 液鍛有色金屬

常見(jiàn)的有色金屬及其合金主要是鋁合金、鎂合金、鋅合金、銅合金和鈦合金等。除鈦合金外，幾乎所有的有色合金都是液態(tài)模鍛材料。在化學(xué)成分相同的條件下，液態(tài)模鍛有色合金的工藝性能和力學(xué)性能都比傳統(tǒng)鑄造有色合金和鍛造有色合金要好得多。

液態(tài)模鍛鋁合金是最常用的液鍛材料，它涵蓋了所有傳統(tǒng)的鑄造鋁合金和變形鋁合金。傳統(tǒng)的鑄造鋁合金主要是化學(xué)成分位于共晶點(diǎn)附近的鋁-硅-鎂合金、鋁-硅-銅-鎂、鋁-銅合金、鋁-鎂合金、鋁-鋅合金，它們的結(jié)晶溫度范圍較窄，流動(dòng)性好，熱裂傾向較小。遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)的鋁合金，因結(jié)晶溫度范圍寬，普通鑄造工藝性能較差而被排出在外。液態(tài)模鍛不要求窄結(jié)晶溫度范圍，因此液鍛鋁合金不僅包括了傳統(tǒng)的鑄造鋁合金，還包括了寬結(jié)晶溫度范圍的非標(biāo)準(zhǔn)鑄造鋁合金。

傳統(tǒng)的變形鋁合金為單相固溶體組織，一般不希望存在共晶組織。所以，鋁銅系變形合金一般銅含量不大于6%（銅在鋁中的最大固溶度為5.7%），鋁錳系變形鋁合金一般錳含量不大于1.5%（錳在鋁中的最大固溶度為1.8%），鋁鎂系變形合金鎂含量一般不大于11%，鋁鎂硅系變形合金的硅含量一般不大于1.7%（硅的最大固溶度為1.65%），鋁鋅系變形合金的鋅含量則不高于7%。這些變形鋁合金流動(dòng)性較差、結(jié)晶溫度范圍寬，容易出現(xiàn)熱裂缺陷，一般不作為鑄造鋁合金使用。但是，液態(tài)模鍛不要求材料具有好的流動(dòng)性，高壓可以抑制熱裂傾向，所以，這些變形鋁合金同樣可以是液態(tài)模鍛鋁合金。

液態(tài)模鍛鋅合金也是常用的液鍛材料。鋅合金是以鋅為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金，常加的合金元素有鋁、銅、鎂、鎘、鉛、鈦等。鋅合金同樣分為鑄造鋅合金和變形鋅合金兩大類(lèi)。無(wú)論鑄造鋅合金還是變形鋅合金，它們的熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好、易熔焊、釬焊和塑性加工，都可以液態(tài)模鍛，都是優(yōu)良的液鍛材料。劉曉璇等[3]利用液態(tài)模鍛鋅合金制備了機(jī)械圓環(huán)零件，性能優(yōu)異。

鎂合金也是最早應(yīng)用的液鍛材料之一。鎂合金的主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。使用最廣的是鎂鋁合金、鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。鎂合金在傳統(tǒng)意義上也分為變形鎂合金和鑄造鎂合金兩大類(lèi)，但它們都可以是液態(tài)模鍛材料。液態(tài)模鍛可以有效克服鎂合金收縮系數(shù)大的不足，用來(lái)成形各種鎂合金零件。例如，徐景超等利用液鍛鎂合金制作了人體植入物[4]。

液態(tài)模鍛銅合金既保留了鑄造銅合金優(yōu)良的成型性能，又兼顧了鍛造銅合金內(nèi)部組織致密的優(yōu)勢(shì)，可以成型各種銅合金零件[5]。但是，鈦合金不是典型的液鍛材料。鈦合金雖然強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高，是重要的戰(zhàn)略合金，但是，鈦的活性大，與大氣中O2、N2、H2、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，其熔制必須在真空環(huán)境進(jìn)行，熔融態(tài)的鈦合金無(wú)污染地澆入模腔進(jìn)行液鍛是個(gè)難題，不適于傳統(tǒng)意義的液態(tài)模鍛。因此，可以說(shuō)鈦合金不屬于傳統(tǒng)意義上的液鍛材料。

1.3 液鍛金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新材料，包括鋼基復(fù)合材料、鐵基復(fù)合材料、有色金屬基復(fù)合材料三大類(lèi)。這些復(fù)合材料都可以用液態(tài)模鍛方法制備與成型，所以都是液鍛材料。

液態(tài)模鍛是有色金屬基復(fù)合材料制備與零件成形的重要方法之一。蔣傲雪等[6]利用液態(tài)模鍛技術(shù)制備了SiCp含量為8.5%的SiCp/AZ91D鎂基復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理后復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到241 MPa，伸長(zhǎng)率為4.22%，硬度達(dá)到152.5 HV。趙敏等[7]利用液態(tài)模鍛技術(shù)制備了TiB2/Al復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)其在低載高速下具有自潤(rùn)滑特性。李政[8]利用液態(tài)模鍛技術(shù)制備了不同Mg2Si含量的原位自生Mg2Si/ZA40復(fù)合材料，比重力鑄造Mg2Si/ZA40復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性、伸長(zhǎng)率和耐磨性能分別提高了約7%、6.7%、7%、24%和18%。在較高載荷下復(fù)合材料的相對(duì)耐磨性更好,且制備成本較低。陳國(guó)欽等[9]利用液態(tài)模鍛技術(shù)制備了50%TiB2/Cu復(fù)合材料，揭示了其摩擦磨損特性。

鋼鐵基復(fù)合材料無(wú)論傳統(tǒng)的鑄造工藝性能還是鍛造工藝性能都不好，但液態(tài)模鍛的工藝性能并不差，因此液態(tài)模鍛是制備鋼鐵基復(fù)合材料的一個(gè)有效方法，也是鋼鐵基復(fù)合材料零件成形很有前途的方法。邱博等[10]利用液態(tài)模鍛技術(shù)制備了陶瓷顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵的超級(jí)耐磨材料,其耐磨性是高鉻鑄鐵的3倍以上。龔文豪等[11]制備了65鋼基的氧化鋁顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，增強(qiáng)相顆粒的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了55%。余晶等[12]利用液態(tài)模鍛法制備Al２O３顆粒增強(qiáng)1065鋼基復(fù)合材料，其硬度和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到了HRC39和744 MPa。

2 液鍛材料的工藝性能研究進(jìn)展

工藝性能是材料性能的重要方面，液態(tài)模鍛是兼有鑄造和鍛造雙重特點(diǎn)的工藝技術(shù)，因此液鍛材料的工藝性能也綜合了材料的鑄造工藝性能和鍛造工藝性能。邢書(shū)明[13]早在2016年就提出了充型能力、開(kāi)裂敏感性和補(bǔ)縮能力3個(gè)主要的液鍛工藝性能，但對(duì)它們的定義以及數(shù)學(xué)模型尚不夠完善，這里進(jìn)行進(jìn)一步的介紹。

2.1 液鍛材料的充型能力及其數(shù)學(xué)模型

或

2.2 液鍛材料的補(bǔ)縮能力及數(shù)學(xué)模型

液鍛材料的補(bǔ)縮能力是指材料在液鍛條件下通過(guò)流變（流動(dòng)和變形的總稱(chēng)）對(duì)收縮進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充的能力。流變補(bǔ)縮的動(dòng)力依然是液鍛壓力，阻力是材料在補(bǔ)縮通道內(nèi)流變的抗力。一旦補(bǔ)縮動(dòng)力不足，就會(huì)形成收縮缺陷。由于液態(tài)模鍛壓力高達(dá)100 MPa左右，通常認(rèn)為足以克服材料的流變阻力，所以，材料補(bǔ)縮能力的研究并不多。實(shí)際上，液態(tài)模鍛材料在液鍛工藝不當(dāng)?shù)那闆r下，同樣可以出現(xiàn)收縮缺陷。為了消除收縮缺陷，仍然要依據(jù)順序凝固或同時(shí)凝固原則來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于液鍛過(guò)程的充型與補(bǔ)縮本質(zhì)相同，都是壓力作用下金屬熔體發(fā)生流變的物理過(guò)程，可以采用與充型能力類(lèi)似的形式定義液鍛材料的補(bǔ)縮能力。與充型能力不同的是用補(bǔ)縮通道幾何特征代替型腔充型通道的幾何特征。定義補(bǔ)縮能力為補(bǔ)縮動(dòng)力與補(bǔ)縮阻力的比，并考慮上體收縮率，則補(bǔ)縮能力如式（8）所示。

2.3 液鍛材料的開(kāi)裂敏感性及其數(shù)學(xué)模型

代入冷裂敏感性因子的定義式（11），可得冷裂敏感性因子的數(shù)學(xué)表達(dá)式（12）。

3 液鍛材料的研究與應(yīng)用進(jìn)展

3.1 液鍛有色金屬的研究與應(yīng)用進(jìn)展

液鍛鋁合金是最活躍的液鍛材料。雖然《擠壓鑄造鋁合金件》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中列出的液鍛鋁合金只有9種鋁-硅-鎂系鑄造鋁合金、4種鋁銅系鑄造鋁合金和1種7×××系的變形鋁合金7A04[21]，但近年來(lái)研究開(kāi)發(fā)的液鍛鋁合金遠(yuǎn)不止這些，已經(jīng)向各種變形鋁合金領(lǐng)域快速延伸，并開(kāi)始關(guān)注液鍛鋁合金中鐵含量有害作用的變化[22-24]。例如，液鍛鋁鎂（5×××系）變形鋁合金已經(jīng)投入應(yīng)用。諸葛躍等[25]利用液鍛5083鋁鎂合金成功制備了法蘭盤(pán)，王向榮等[26]研究液鍛5035變形鋁鎂合金發(fā)現(xiàn)，一旦存在縮松缺陷，在隨后的陽(yáng)極氧化處理中會(huì)出現(xiàn)白點(diǎn)，影響美觀，但通過(guò)改進(jìn)陽(yáng)極氧化裝掛方式以及增加堿蝕、活化等工序，可以最大限度地減少白點(diǎn)的產(chǎn)生。又如，液鍛鋁鎂硅合金（6系變形鋁合金）的研究和應(yīng)用也很多。孫躍軍等[27]研究證明，液鍛6061鋁合金的力學(xué)性能可以與鍛造6061相媲美，經(jīng)雙級(jí)時(shí)效處理后，強(qiáng)度高達(dá)368 MPa的同時(shí)，伸長(zhǎng)率高達(dá)10%以上。易蒲淞等[28]對(duì)比研究了液態(tài)模鍛6082鋁合金和固態(tài)鍛造6082鋁合金的高溫流變性能與變形激活能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)液鍛比壓為100 MPa時(shí)，500 ℃的真應(yīng)力還可達(dá)20～55 MPa，液鍛比壓為100 MPa和50 MPa下的激活能分別為223.056 kJ/mol 和198.52 kJ/mol，均高于任治華[29]所得6082鋁合金固態(tài)擠壓棒材的激活能176.76 kJ/mol。再如，7075鋁合金的液態(tài)模鍛成型工藝性良好，力學(xué)性能優(yōu)異[30]，7055鋁合金在75 MPa比壓下液態(tài)模鍛，其強(qiáng)塑性可與鍛造7055相媲美，抗拉強(qiáng)度達(dá)到681.4 MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到7.14%[31]。趙愈亮等[32]研究發(fā)現(xiàn)，液鍛2×××系合金中雜質(zhì)硅具有提高強(qiáng)度和塑性的有益元素。

液鍛鎂合金的研究比液鍛鋁合金要滯后一些，但研究工作也極其活躍。邰鑫等[33]研究證明，在澆注溫度710 ℃、120 MPa比壓條件下制備的液鍛建筑用鎂合金的抗腐蝕性能最好。傅松橋等[34]研究證明，液鍛AZ31鎂合金輪轂的晶粒尺寸可以細(xì)化至12～15 μm，并具有良好的耐磨性和耐蝕性。王恒[35]還研究了液態(tài)模鍛ZK61-Y 鎂合金輪轂等溫鍛成形及其組織性能，證明液鍛鎂合金可以進(jìn)行等溫鍛造，效率高，且可以進(jìn)一步提高性能。徐景超等[36]對(duì)Mg-3Nd-0.2Zn- 0.4Zr-0.2Mn鎂合金進(jìn)行液態(tài)模鍛，制備了骨科修復(fù)和重建醫(yī)療設(shè)備用的螺釘、棒、接骨板等，其力學(xué)性能優(yōu)異，強(qiáng)度達(dá)到了285 MPa，伸長(zhǎng)率9.3%。陳永生等[37]研究了擠壓鑄造態(tài)AZ91D的流變應(yīng)力和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，得到適用于擠壓鑄造態(tài)AZ91D 鎂合金的本構(gòu)方程和加工圖。

其他液鍛有色合金的應(yīng)用研究也表現(xiàn)出眾多優(yōu)勢(shì)。液鍛鋅合金可以代替錫青銅作傳動(dòng)機(jī)械上的螺母、蝸輪、軸套、軸瓦等，壽命可提高2～3倍，代替青銅和黃銅作軸承保持架，代替銅合金作各種接頭、管類(lèi)制件，代替錫基和鉛基巴氏合金作軸瓦、軸套。作軋鋼機(jī)上的滑塊、摩擦壓力機(jī)上的傳動(dòng)螺母、塑料機(jī)械上的傳動(dòng)螺母等，都有明顯的經(jīng)濟(jì)效果[38]。所以，液鍛鋅合金的研究與應(yīng)用很活躍。陳家堅(jiān)等[39]采用液鍛模鍛ZA27合金制備了外徑大于400 mm的大截面渦輪，其針孔度優(yōu)于1級(jí)，極限強(qiáng)度高達(dá)420 MPa的同時(shí)，伸長(zhǎng)率還保持了12%的水平。吳資湧[40]對(duì)液態(tài)模鍛ZA27的組織性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，其沖擊韌性達(dá)到了45.4 J/cm2，較金屬型重力鑄造提高了 52.9%。齊樂(lè)華等[41]對(duì)液鍛鋅合金的研究證明，鋅合金液鍛后相結(jié)構(gòu)不變，但微觀組織變化很大，晶內(nèi)共析體固溶強(qiáng)化程度增加，晶界共晶體彌散分布，同時(shí)具有固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化效應(yīng)，其沖擊斷口也由常規(guī)鑄造的脆性斷口變?yōu)轫g性斷口。液鍛鋅合金渦輪[42]的疏松和針孔缺陷少，細(xì)化和改善組織，大幅提高渦輪的綜合力學(xué)性能，輪緣中心的抗拉強(qiáng)度由重力鑄造的330 MPa提高到406 MPa，伸長(zhǎng)率由3.0%提高到13.7%。液鍛ZA27鋅合金經(jīng)半固態(tài)成型渦輪的硬度比常規(guī)鑄造提高了27.7%，具有更優(yōu)異的耐磨性[43]。液鍛銅合金[44-45]、液鍛生物功能材料[46]及液鍛有色金屬基復(fù)合材料[47-48]等的應(yīng)用研究工作也取得了一定發(fā)展。

3.2 液鍛鋼鐵材料的研究與應(yīng)用進(jìn)展

液鍛碳素結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼可以顯著提高工藝出品率和力學(xué)性能，但由于其所用設(shè)備尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化、模具設(shè)計(jì)缺乏規(guī)范，其推廣應(yīng)用的步伐較慢。而液鍛耐磨材料及液鍛合金鋼方面的研究與應(yīng)用則比較活躍。

液鍛碳鋼和合金鋼的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于其工藝出品率高、性能穩(wěn)定性好。其中，重力鑄造35#碳鋼的工藝出品率一般只有55%～60%，而相同成分的液鍛35#碳鋼的工藝出品率可達(dá)85%～100%，強(qiáng)度和韌塑性均顯著高于鑄鋼[49]。液鍛低合金鋼用來(lái)生產(chǎn)斗齒，替代精密鑄造斗齒和鍛造斗齒，不僅成本低、效率高，而且其性能優(yōu)異，對(duì)各種服役環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，斷齒率顯著降低[50]。液鍛4Cr5MoSiV模具鋼可以有效回用廢舊模具，使模具制造成本顯著下降。葉四友[51]在液態(tài)模鍛模具鋼制備與成型時(shí)，使用了內(nèi)冷鐵技術(shù)，有效解決了局部熱節(jié)處的收縮缺陷；液態(tài)模鍛45鋼支座本體取樣的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率分別為783.4 MPa、17.1%[52]，可與固態(tài)鍛造性能相媲美；液態(tài)模鍛B(tài)級(jí)鋼鉤舌本體取樣的低溫沖擊韌性比重力鑄造提高68%[53]。

液鍛白口鑄鐵主要用于板錘、磨球、錘頭等各種抗磨零件，可以顯著提高抗磨性[54]。尚群超[55]進(jìn)行的液態(tài)模鍛高鉻鑄鐵大型板型件證明，提高壓力可明顯細(xì)化組織,并提高熱處理態(tài)的硬度、沖擊韌性、耐磨性等性能。液鍛高錳鋼的主要優(yōu)勢(shì)是細(xì)化晶粒、提高耐磨性。液鍛灰鑄鐵的應(yīng)用主要是改善石墨形態(tài)、提高其性能。翟振輝[56]采用液態(tài)模鍛工藝制備出高性能灰鑄鐵件，與重力鑄造相比，隨著擠壓力的增大，灰鑄鐵件中石墨相由粗大片狀變?yōu)榧?xì)小球狀，基體組織也更細(xì)小化，且其氣密性、耐蝕性和綜合力學(xué)性能也顯著提高。液鍛壓力225 MPa時(shí)，液鍛HT250鑄鐵單位面積上的晶粒數(shù)量增加了約3.7倍，并且等軸樹(shù)枝晶粒減少了1/3～1/4，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了504 MPa，伸長(zhǎng)率3.4%。高翔的研究表明[57]，液鍛ADI球鐵螺旋傘齒輪可獲得良好的金相組織而且質(zhì)量穩(wěn)定，不熱處理強(qiáng)度就可達(dá)到506 MPa，伸長(zhǎng)率8%，硬度HB268。

液鍛鋼鐵基陶瓷復(fù)合材料的應(yīng)用研究極其活躍。由于“壓力潤(rùn)濕效應(yīng)”，液鍛陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料優(yōu)勢(shì)突出。張無(wú)虛[58]研究證明，液鍛Al2O3/高錳鋼復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。計(jì)偉志[59]很早就發(fā)現(xiàn)，液鍛鋁/鐵雙金屬活塞的頂界面區(qū)可以形成無(wú)缺陷均勻的冶金結(jié)合，界面抗剪強(qiáng)度可達(dá)50～80 MPa。邱博[60]開(kāi)發(fā)的液鍛ZTA/高鉻鑄鐵宏觀復(fù)合抗磨塊可以用來(lái)鑲鑄大型磨輥、抗磨輥套等大型耐磨件。

4 結(jié)語(yǔ)

縱觀液態(tài)模鍛材料及其研究應(yīng)用可見(jiàn)，液態(tài)模鍛工藝與各種金屬材料相結(jié)合，形成了一個(gè)范圍廣闊、內(nèi)涵豐富的材料新領(lǐng)域——液態(tài)模鍛材料及其成型。目前，液鍛材料已經(jīng)涵蓋了除鈦合金以外的所有金屬材料，不僅包括現(xiàn)有鑄造合金和變形合金，還可能填補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)鑄造合金與標(biāo)準(zhǔn)變形合金以外的空白區(qū)域。建議今后著力開(kāi)展如下研究。

1）液鍛材料成型工藝性能的表征與定量預(yù)報(bào)。文中提出用充型能力、流變補(bǔ)縮能力以及裂紋敏感性3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行描述，但能夠綜合材料、工藝和工件幾何特征的工藝性能數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型和試驗(yàn)測(cè)定技術(shù)還需要做大量工作，這將是今后的一個(gè)重要研究方向。這些研究一旦突破，液鍛材料的推廣應(yīng)用將呈井噴式發(fā)展。

2）液鍛顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用。液鍛顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可以分為先復(fù)合和后復(fù)合兩類(lèi)，先復(fù)合液鍛材料是先制備成金屬基復(fù)合材料的熔體，然后利用液態(tài)模鍛技術(shù)成型的材料，后復(fù)合液鍛復(fù)合材料則是在液鍛過(guò)程中制備出金屬基復(fù)合材料。這兩類(lèi)復(fù)合材料都有巨大的發(fā)展空間，這將成為復(fù)合材料制備與成型領(lǐng)域的新大陸。

3）液鍛寬結(jié)晶溫度范圍合金材料的研究與開(kāi)發(fā)。寬結(jié)晶溫度范圍合金材料的液態(tài)成型（鑄造）工藝性能、固態(tài)成型性能（塑性成形）及焊接工藝性能都不好，但是，它們有很多獨(dú)特的使用性能。液態(tài)模鍛極強(qiáng)的工藝適應(yīng)性為這類(lèi)材料的研究開(kāi)發(fā)提供了便利，液鍛寬結(jié)晶溫度范圍合金材料可能稱(chēng)為一類(lèi)新型金屬材料，值得大力研究。

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Materials for Molten Metal Die Forging (MMMDF) and Their Research Progress

XING Shu-ming1, GAO Wen-jing1, YAN Guang-yuan1, BAO Pei-wei1, PAN Qi-jun2, HU Bai-li2, WANG Chao2, YE Wu-wen2

(1. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100064, China;2. Hetian Automotive Industry Co., Ltd., Anhui Wuhu 241100, China)

As a net-shape forming technology, molten metal die forging (MMMDF) is constantly expanding its application and replacing ordinary castings and solid forgings in various field. However, the material range for molten metal die forging process is ambiguous, which leads to that the research and application of molten metal die forging cast alloy are in full swing, while the MMMDF wrought alloys are rarely reported. If the materials suitable for forming by MMMDF technology are defined as molten metal die forging materials, MMMDF materials for short, and the process properties of MMMDF materials are quantitatively characterized by rheological filling ability, rheological feeding ability and cracking sensitivity, all kinds of alloy steel, nodular cast iron, aluminum alloy, magnesium alloy, zinc alloy, copper alloy, biomaterials and metal matrix composites belong to MMMDF materials and have good process properties. At present, only MMMDF aluminum alloy, MMMDF magnesium alloy, MMMDF zinc alloy and some MMMDF alloy steels are actively studied and applied in industry. It is suggested to strengthen the study on the prediction of process properties of MMMDF materials, on MMMDF deformed alloys or wrought alloy, especially alloys with wide crystallization temperature range, and on the metal, matrix composites in the future.

moltenmetal die forging (MMMDF); squeeze casting; metal materials; composites; processing properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.001

TG316.3

A

1674-6457(2022)10-0001-11

2022-03-18

國(guó)家自然科學(xué)基金（510327）；安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（202004a05020069）

邢書(shū)明（1962—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榻饘倭慵咝阅芫艹尚汀?/p>