万水朝宗的现代连铸连锻技术——兼谈铝、镁、铜及黑色金属、不锈钢的连铸连锻生产

连铸连锻特指在同一台设备同一套模具内连续完成铸造充型与锻造的技术。
  
   连铸连锻是一项新兴的传统技术，有强大的工艺技术优势，但介绍该技术的资料信息并不多，也比较分散，现综合整理如下。

  1.连铸连锻技术的特性

  1.1连铸连锻是一项传统的常见技术
  连铸连锻技术并不新鲜，是一项常规常见的技术。其工艺原理没有什么稀奇, 是一项“将铸造与锻造工艺相结合的技术”，工艺上最简单的表述是：充型+锻造。

  在工业应用上，将铸造与锻造工艺相结合，也不是什么困难的事，“先充型，后锻造”，不外如是。因而，广义的连铸连锻工艺，工业上可有很多很好的表达实现方式。

  1.2连铸连锻技术是一项更具工业经济性的技术
  我们还可以下另一个定语，这就是，相对于其它的特种工艺来说，连铸连锻技术，是最容易实现，或最容易具有工业经济性的技术。这一点非常重要，它是连铸连锻技术近年来被人们重新认识与加快开发的原因。

  2.连铸连锻技术发展的特点与机遇

  2.1连铸连锻技术发展的基础
  毫无疑问，连铸连锻技术的发展基础，首先依赖的是传统的铸造与锻造技术的发展，它必定表现为对应的工艺与装备的发展。

  上面这句话有更深一层的意思：工艺的发展依赖装备的发展；不同的装备，它所表达的工艺内涵是不尽一样的；没有装备的进步，就必然没有工艺的进步；工艺技术的本质就是装备技术：工艺的内容是通过装备这个手段（形式）才能表达的。所以，当我们说到具体的工艺时，必然有其对应的实施手段——具体的装备。

  铸造与锻造作为两项最传统的成形工艺（与装备）技术，发展到现在已经相当成熟了。特别是铸造技术，出现的工艺种类更多，而以往被看作是特种铸造的，如压铸、液态模锻（熔汤锻造）、低压（差压）铸造、半固态加工等，几成了常见常用的工艺。

  说铸造技术相当成熟，有两个最重要的特性指标：一是无论结构怎么复杂的毛坯都难不倒它，它都能生产出来；二是具有多种满足实现工业化、大批量和极具经济性的工艺与装备。它包括了多种可实现压铸、低压铸造的传统与特种工艺装备。还有一个辅助性的指标是，围绕这些主导设备的外围配套设备如熔炼、输送给汤、取件等机械手也已实现规模化、产业化。

  说锻造技术相当成熟，可体现在各种精密模锻技术层出不穷，实现了“近净成形”或“终极成形”。还有一项锻造技术就是多向模锻。

  2.2现代连铸连锻工艺与装备技术应出现的时间
  现代连铸连锻技术出现的机遇应在现代压铸技术出现后。而现代锻造与压铸技术的出现，都受制于现代液压技术的进步，其中现代液压技术（主要是高压油泵与液压阀技术）的进步对现代锻造技术的进步起到了至关作用。以上为硬件技术。

  还有一项带有相对决定性的“软件”技术，是成熟可靠经济的电器控制系统技术，它有赖于计时（响应）技术，特别是单片机（PC）与可编程（PLC）技术的进步。

  综合来说，现代连铸连锻工艺与装备技术出现的机遇，最早能是上世纪60年代之后。

  2.3现代连铸连锻技术的标志性技术
  现代连铸连锻标志性技术的出现，是在上世纪末。这项技术的名字简称是“压铸模锻”（全称是“挤压压铸模锻”）技术。它是由中国工程技术人员发明的技术。

  3.最广义的连铸连锻技术

  3.1最广义的铸造技术
  压力铸造是最广义的铸造技术。无论什么铸造工艺，它都得表现为在一定压强下充型的过程。在数学公式上，它表现为是压强与时间的函数，即F = f( p ，t )。

  重力铸造（包括金属模铸造、翻砂铸造），它的充型压强是：金属汤料的比重×入水口高度差；差压铸造，它的充型压强是：型腔内与型腔外的压强差±金属汤料的比重×入水口高度差。低压铸造的实质就是差压铸造，只是它的充型压强肯定是：充型比压 - 金属汤料的比重×入水口高度差；真空吸铸，它的充型压强是：金属汤料的比重×入水口高度差铸 -  1个大气压（0.1MPa）；普通压铸, 它的充型压强是：充型比压 -  金属汤料的比重×入水口高度差。

  从上面的公式也可以看出，差压铸造、低压铸造与普通压铸，充型压强的计算公式，其代数意义是一样的。

  所以说，所有的铸造工艺，都可表达为充型压强与充型速度的组合。理论上说，如果某一铸造装置所实现的充型压强是从零开始无级可调，工业上最大达到150 MPa的话，那么这种装置就可称为全能的铸造工艺装备了。

  3.2压铸机是一种全能的或广义的铸造工艺装置
  或许很多人都不知道，仅就充型特性来说，我们常见的普通压铸机，就是一种全能的铸造工艺装置。举例说，在压铸机上合格地生产出某些低压铸造件、重力铸造件、差压铸造件是完全可能的。

  普通压铸机，不但能生产需要高速度高压强充型的薄壁复杂毛坯，它也可以以低速低压充型，生产一些简单的厚大件毛坯。后一项功能，我们平时使用压铸机时用得很少，以至大部分人都忘记了，还习以为常，误以为压铸机没有这项功能，未能善用其解决实际的工艺问题。

  3.2“压铸模锻”是最广义的连铸连锻技术
  如果说，压铸机是一种广义的铸造工艺装置，那么，将压铸机与模锻机结合起来，它就不但是广义的连铸连锻工艺装置，而且是一种最具工业经济性的全能的连铸连锻工艺与装备技术。

  现代的压铸机多种多样，有卧式和立式，有热室式和冷室式。所以，现代的连铸连锻装备——压铸模锻机，也具有上述四种主体形式。

  4. 现代连铸连锻技术的再进步
  如果说，压铸模锻作为一项原理性技术的出现，使连铸连锻技术获得了突破性进步的话，那么，压铸技术与多向模锻技术的结合，就使连铸连锻技术再上了一个新台阶。

  多向压铸模锻技术，是解决更复杂锻件的生产而派生出来的。厚壁的柴油机铝活塞毛坯生产，需要对向压铸模锻机生产；轿车铝轮毂的生产，最好采用具有“对向三锻压”功能的压铸模锻机；而更复杂的发动机缸体毛坯生产，就需要多向压铸模锻机才能对付得了。

  5.不同始铸温度材料(包括锌合金、铝合金、镁合金、 铜合金、黑色金属、不锈钢)的连铸连锻生产

  连铸连锻机是一种成形设备，功能上并不因所生产的毛坯所用的材料有关。也就是说，生产不同材质的毛坯，只是其始铸温度不同，在其后的充型与模锻阶段，尽管工艺参数不同，但其工艺（工步）过程却是一样的，对设备应具备的功能要求也相同。

  5.1铝合金及其它低温合金的连铸连锻生产
  铝合金及其它低温合金（锌合金、锡合金）的连铸连锻生产，可采用冷室式和热室式连铸连锻机生产。

  铝合金用热室式压铸模锻机生产现时并不困难，不要因为看到铝合金的热室压铸工艺少见，就认为工艺技术还不过关或不够成熟。

  热室式工艺的生产效率比冷室式高，没有大量的余料（水口），生产成本要比冷室式低。所以，对于锌基、锡基合金等，都普遍采用了这种工艺。铝合金采用热室式充型，压室只需更换可长期承受更高温度（摄氏700以下）更耐腐蚀的材料就可以了。

  5.2铜合金的连铸连锻生产
  铜合金的连铸连锻生产建议用冷室式压铸模锻机生产。由于冷室式压铸工艺（主要是耐高温模具材料）已相当成熟，能承受摄氏1100度的压铸模具材料，同样适用于压铸模锻的模具制造上，压铸模锻模具的寿命与压铸模相近。

  5.3不锈钢与黑色金属的连铸连锻生产
  从经济角度上说，不锈钢比钢材等其它黑色金属的连铸连锻生产具有极好的效益，但制约两者的，是同一个问题，是相同的技术难度。

  不锈钢与其它黑色金属的始铸温度大致相同，采用什么样的耐高温模具材料，是其连铸连锻生产的最难点。非金属陶瓷复合材料的出现和应有，应能解决这个问题。在具体的细节上，降低充型速度，以减少热冲击 ，模具涂料的改进，选择适当的始锻温度和始锻时间等，都对提高模具寿命有极大的帮助。

  其中，大胆采用不需制备的半固态桨料充型，以显著降低充型温度，是一个很值得走的方向。值得说明的是，在连铸连锻工艺上，半固态桨料并不需制备，因为毛坯内部晶粒，最终由锻压工步实现破碎，不会产生枝晶体；还有一个有利因素是，连铸连锻工艺并不要求充型的百分百，因为在模锻的工步还有一个二次成形过程。某些简单的毛坯，充型满足率达到八成也可能足够了。连铸连锻的这两项工艺特性，在不锈钢与黑色金属的连铸连锻生产上应更好的加以利用。

  5.4镁合金与其它需熔炼保护合金的连铸连锻生产
  5.4.1镁合金连铸连锻生产的基本形式
  由于镁合金的熔点与铝合金相近，镁合金连铸连锻生产的装备与铝合金一样，所不同的是它在熔炼与给料过程，需要防氧化保护。

  铝合金连铸连锻生产可以是热室式，也可以是冷室式，似乎冷室式我们更乐意采用。但由于镁合金在熔炼与给料过程，需要防氧化保护，就工艺实施的难易程度看，热室式镁合金连铸连锻工艺显然比冷室式更简单可靠，工艺系统也比冷室式成本低。因此，在一般情况下，应加快发展热室式镁合金压铸模锻机，大胆应用热室式镁合金压铸模锻工艺。

  5.4.2非保护正常气氛（在大气下无保护气氛）镁合金的连铸连锻生产

  实现非保护正常气氛镁合金的连铸连锻生产，它的前提阻燃镁合金的使用，所以，其实质就是阻燃镁合金铸锻件的生产。

  现时，阻燃镁合金在功能上与普通镁合金是一样的，如果客户没有对镁合金品种提出要求，建议我们都使用阻燃镁合金，运用连铸连锻工艺生产，并作为新上镁合金铸锻件项目推荐的最优选工艺。

  材料方面，我国已有达到国际先进水平的阻燃镁合金研制成果，并获2003年国家科技进步二等奖。这种镁合金的燃点温度从熔点以下的520℃ （AZ91D镁合金的燃点是510℃）提高到高于熔炼温度（760℃），实现了镁合金在大气下的无保护熔炼与铸锻生产。
  
  设备方面，可选用现时所有的普通挤压压铸模锻机作配套生产，也就是说，生产镁合金连铸连锻件的装备与生产铝合金挤压压铸模锻机是完全一样的。

  5.4.1阻燃镁合金半固态连铸连锻生产
  
  挤压压铸模锻的另一个工艺优势可在阻燃镁合金铸锻件生产时充分发挥出来，这就是能够采用镁合金的半固态连铸连锻工艺。

  镁合金的熔点是650°C，其半固态温区宽，所以是一种理想的半固态射注成型金属。采用镁合金的半固态挤压压铸模锻工艺，可将镁合金的始铸温度从原来的760℃，降到合金熔融状态的560～630℃。

  很多普通镁合金经简单的阻燃合金化后，燃点都能高于560～630℃这个温度，这就使镁合金在大气下的无保护熔炼与铸锻生产具有普遍性，不再局限于现时研制出来的少数几个牌号。

  6．结语

  连铸连锻工艺有很多的表现形式，挤压压铸模锻机只是连铸连锻工艺表达装备的一种。
  换言之，挤压压铸模锻机的本质也是一种连铸连锻设备，它的最大优势是能与压铸机完全兼容，既可生产普通压铸件，也可生产各种结构最复杂的液态模锻件、低压铸造件，以及运用半固态加工工艺，在大气下无保护就能生产最普通的阻燃镁合金件。所生产出来的各种铸锻件毛坯，内部均为破碎晶粒、锻态组织。

   所以，在同等投资与新上项目的一般情况下，我们都建议选择普通挤压压铸模锻机，并特别希望，注意大胆运用半固态连铸连锻加工工艺，一方面可生产各种高熔点合金（如铜合金、黑色金属、不锈钢），以大幅度降低这种合金的始铸温度，降低高温熔体对模具型腔的热冲击，提高模具寿命；另一方面，使各种牌号镁合金，通过最普通的阻燃合金化处理后，就能在大气环境下无保护的正常铸锻生产，使镁合金生产的技术与装备门槛，降到与普通铝合金铸锻生产完全一样。
    我国的现代连铸连锻技术已达到世界最先进水平，连铸连锻—— 一项万水朝宗的技术！
   
作者：广东肇庆鸿银机电科技有限公司 欧阳生
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