挤压铸造是一种集铸造、锻造为一体的先进铸造成型技术，与传统的重力铸造相比，液态金属在压力作用下强制进行补缩，从而可获得连续致密组织、晶粒细小、性能优异的精密铸件。由于挤压铸造具有诸多优点，挤压铸造技术已经在航空航天、汽车、机械制造及船舶工业得到了应用。
挤压铸造按照压力传递形式，可分为直接挤压铸造 (Direct squeeze casting) 和间接挤压铸造（Indirect squeeze casting）两种。直接挤压铸造是冲头直接作用在液态金属上，无浇注系统，压力直接作用在铸件上使金属液凝固成型，直接挤压铸造适合生产形状简单的挤压铸件。间接挤压铸造是冲头通过浇道将压力传递给铸件，使金属液在模具型腔内受压力作用凝固成型，这种成型方式可生产壁厚不均、形状复杂的零件，随着装备制造业的不断发展，对零件的质量及力学性能也逐渐地提高，间接挤压铸造作为一种新工艺将得到更广泛的应用。
1 间接挤压铸造的理论研究进展
间接挤压铸造理论的研究对于指导生产实践有一定的积极意义，无论是直接挤压铸造还是间接挤压铸造，其核心工艺参数都是压力，都是将压力作用在金属液上而引起的一系列组织性能的变化，所以现在关于挤压铸造的理论研究都是以压力为切入点进行的，然后再进一步探究压力对金属凝固结晶、成分偏析、凝固传热以及相图变化等方面的影响。
1.1 压力对显微组织的影响
目前关于挤压铸造压力下晶粒细化的理论主要有两种说法。Frank 等认为，液态金属在较高压力作用下，使凝固时的过冷度增加，从而提高形核率，最终使晶粒细化。Chadwick 等认为，压力只是使合金凝固时，凝壳与模壁之间的热交换系数增加，使凝壳与模壁之间的有效接触面积增加而导致合金的凝固速度增大，从而细化了晶粒。图1为 ADC12 铝合金间接挤压铸造和金属型铸造的显微组织。由图 1 可以看出，间接挤压铸造组织更加细小，金属型铸造中存在较多树枝晶。
罗继相等研究了压力与宏观晶粒长大速度之间的关系，获得晶粒长大速度的表达式，得出压力对其长大速度的影响，与合金成分有关，同时与形核增长率和其长大速度有关。形核增长率大于长大速度时，可使组织晶粒细化。随着压力的提升、凝固速度的加快，同时可以使得一次及二次枝晶间距均减小，达到细化树枝晶的作用。
贾湛湛等采用数控动态热力学物理模拟试验机研究了压力对材料力学行为的影响，得出材料的流变应力随温度的升高而减小，随着应变速率的增大而增加，当挤压铸造的压力较大时，材料流变压力也较大。
1.2 挤压铸造的传热及凝固
J.O. Aweda 等 [8] 研究了压力与热传递系数之间的关系，得到压力能增大铸件的热传递系数，随着压力的增加铸件的传热系数也逐渐增大。K.M. Amin 等 [9] 研究了 Al-4%Cu 挤压铸造下压力对冷却曲线及微观组织的影响。
Zhang Milan 等对挤压铸造铸件的凝固时间间隔和温度分布进行了分析，推算出了凝固时间间隔与压力之间关系的公式，并且质疑经验公式的使用范围。A. Boschetto 等通过相关公式推导力学性能与冷却速度之间的关系式，通过不同压力下铸件的不同力学性能推算出了压力与冷却速度的关系。
目前国内外学者对直接挤压铸造的凝固热力学和动力学做了较多的研究，间接挤压铸造过程较为复杂，金属液不仅有流动过程而且还在压力作用下凝固结晶，是一个流动场和压力凝固场耦合的过程。对于这一复杂的过程需要广大学者去更深层次地探索研究。
2 间接挤压铸造工艺的研究进展
2.1 挤压铸造工艺参数对铸件组织及缺陷的影响
( 1 ) 浇注温度
浇注温度是指金属液在充型时的温度。于海朋等对 Al-5Cu 合金间接挤压铸造浇注温度进行了研究，结果表明，适当地提高浇注温度有利于减小热裂倾向，在浇铸温度为 750℃时挤压铸件抗拉强度为273.8MPa，经 T6处理后其抗拉强度为450MPa。卢磊、张大童等对挤压铸造 Al-6.8Zn-2.5Mg-2.0Cu 的合金组织及性能进行了研究，结果表明，与金属型铸造相比，挤压铸造可以显著细化合金显微组织，减小铸件缩松缺陷，从而提高抗拉强度。浇注温度高时合金液的流动性好，有利于充型，但温度过高会使挤压铸件凝固速度变慢，产生缩孔、缩松等铸造缺陷；浇注温度高时也会导致挤压铸件脱模困难，使模具寿命降低；浇铸温度低，合金液的流动性差，充型困难，经常出现冷隔、浇不足等缺陷。因浇注温度过高而产生的缩孔如图 2 所示。
( 2 ) 模具预热温度
模具温度是充型前模具自身的温度，稳定的模具温度是获得优异挤压铸件的前提。当模具温度低时，合金液的热量损失快，温度迅速下降，流动性降低，充型困难，同样也会导致充不满、冷隔等铸造缺陷；当模具温度高时，合金液的热量不易散失，合金液充型时流动性好，利于充型，但铸件易产生粘膜现象，造成脱模困难，降低模具使用寿命，再经压力的作用，模具会产生变形以致压坏。因模具温度过高产生粘模现象而形成的表面缺陷如图 3 所示。
(3) 压力
在挤压铸造过程中，要想获得高质量的挤压铸件，必须设定合理的工艺参数，其中比压为最关键因素。金属液充满模具型腔后在压力的作用下凝固结晶 [16-17]。当比压较小时，远离浇口的位置压力损失较大，金属液凝固时得不到补缩，容易形成缩孔、缩松等缺陷。压力较大时，增加了挤压铸件的胀型力，容易出现飞边现象。图 4 为间接挤压铸造过程的时间与压力关系图。主要分为三个阶段，T1 为充型阶段，在压力作用下使金属液顺利充型。T2 为加压阶段，充型结束后进入压力结晶过程。 T3 为保压阶段，保证压力下结晶过程顺利进行。
( 4 ) 压射速度
压射速度是指在金属液浇注后冲头的有效行程速度。压射速度过快，金属液中会卷入大量气体使之保留在铸件中，气孔形成过程如图 5 所示。挤压铸造与压铸的主要区别就在于压射速度不同，挤压铸造是慢速高压充型，而压铸则是快速瞬间高压充型。较小的压射速度有效地降低了气孔的形成机率。
( 5 ) 保压时间
升压阶段一旦结束，便进入稳定加压过程，即保压阶段。从保压开始至结束( 卸压) 的时间间隔为保压时间。保压时间过短，即当铸件心部未完全凝固就卸压时，会使心部得不到补缩从而形成缩孔或缩松等缺陷，此时组织致密度下降，使力学性能降低。
本课题组还对 ADC12 铝合金近液相线间接挤压铸造偏析进行了研究，不同的冷却速度导致在不同的位置产生不同程度的偏析。增加 Al 含量和减少 Si 含量，可增加初生相，并且细化共晶组织。Si、Cu 和 Mg 可使维氏硬度值提高。中心区域是最大偏析区域，Al、Mg含量较少，Si、Mn 含量较多。
2.2 挤压铸造新工艺
( 1 ) 半固态挤压铸造
Wei Dai，Shusen Wu 等采用超声振动方法制备 AlCuMnTi 合金半固态浆料，并进行挤压铸造，结果表明：随着压力的增加平均晶粒尺寸减小，形状因子增大。当压力为 100MPa，模具温度为 270℃时，T5热处理后的力学性能最佳。抗拉强度和延伸率分别为326.5MPa 和 11%，比传统的挤压铸造试样的抗拉强度和延伸率分别提高了 6.5% 和 47%。
Vanluu 等用 AlSi9Mg 合金制备半固态浆料进行挤压铸造生产连杆，并对连杆组织及性能做了研究分析，结果表明，随着挤压压力的增大，球状系数增大，合金中的球状尺寸减小，从而增加了连杆的力学性能。当模具温度高于 300℃，形状系数会突然下降。在浇注温度为 575℃、模具温度为 250℃、压力为 100MPa 时，连杆具有较好的组织和力学性能。
Yang Zhang 等也对 AZ91-Ca 合金半固态注射成型挤压铸造进行了研究，在挤压铸造条件下具有更优异的显微组织与力学性能。
( 2 ) 近液相线挤压铸造
本课题组对近液相线挤压铸造进行了研究，这种新工艺无需制备半固态浆料便可得到半固态组织。对ADC12 铝合金近液相线挤压铸造部件差速器支架进行相组成及断裂形式分析，研究了不同工艺参数下组织演变机制及对断口形貌、力学性能的影响。在浇注温度 600℃、压力 150MPa、压射速度 0.15m/s 及保压时间 15s 的工艺参数下，可获得球状组织及共晶组织细小均匀的显微组织。阐述了近液相线组织的演变过程、形核及长大方式，并从热力学角度分析了近液相线球状组织长大的球化机理。
2.3 挤压铸造数值模拟
挤压铸造过程的数值模拟主要包括以下三个方面。
( 1 ) 充型过程的模拟
王淑花、黄俊等对间接挤压铸造的不同浇口形状对充型的影响进行了模拟研究，结果表明带扩张角的浇道充型效果较好，充型较为平稳。
( 2 ) 温度场的模拟
Zhang 等人利用二维差分模型对铝合金挤压铸造凝固过程的温度场进行了模拟，得到了在不同压力下的界面传热系数的公式。根据传热模型得出了在不同工艺参数下的金属液凝固过程情况，当增大压力或降低浇注温度时会使界面交换系数增大。
骆建国、罗继相等以汽车空调器壳为模拟对象，结合实际生产工艺，运用 JSCAST 软件对铸件成形过程进行计算机模拟。模拟结果表明，在挤压铸件薄厚差异较大部位易于产生缩孔、缩松缺陷，与实际生产的挤压铸件缺陷位置相符。对于降低缺陷，提出了改善浇道位置，使缺陷尽可能靠近浇道，从而使压力能够对金属液进行强制补缩；同时还提出了改善型芯长度、优化零件结构等措施，降低挤压铸造中缩孔缩松的发生率。实现了利用数值模拟与生产工艺相结合，提前预知缺陷位置来提高产品质量，从而获得高品质的挤压铸件。
( 3 ) 应力场的模拟
清华大学朱维、韩志强等对挤压铸造过程进行了热力耦合应力分析。文中考虑了浇注过程对铸件初始温度场的影响，为随后的铸件凝固过程温度场分析提供了比较精确的初始条件。在同一压力下，离模壁愈近的各点，温度变化率愈大。刚开始加压时，冲头与铸件接触，由于冲头温度较低，传热较快，温度梯度较大。在随后的凝固过程中温度梯度逐渐减小。建立了应力场分析的有限元模型 , 对铸件凝固过程应力场及应变场进行了模拟，探讨了凝固过程压力损失的基本规律，为将要进行生产的铸件提供一种虚拟的仿真凝固实现过程。
目前模拟软件虽然在生产上得到了应用，但对于间接挤压铸造模拟的软件现在还没有得到开发。
3 挤压铸造设备研究现状
由于压铸设备的压射速度较快，较早的挤压铸造机系统仍是延用压铸系统，不能满足挤压铸造的低速充型高压凝固的要求，充型速度、压力难于控制，设备稳定性较差。当前能生产挤压铸造设备的企业主要为日本宇部兴产 (UBE) 、日本东芝机械、瑞士布勒，以及荷兰 Prince Machine 和意大利意德拉有限公司等先进的压铸机生产公司，先进的专用挤压铸造设备主要分布在日本、美国等发达国家，而又以日本最多。目前较为常用的挤压铸造设备对比见表 1。
在增压系统方面，我国国内采用的是一次连续增压，而美国等一些西方国家通常采用分段增压来提高铸件质量。苏州三基所采用的实时监测控制系统可实时监控冲头压射速度，并且显示面板采用位移时间压力轴，在冲头运动过程中显示压力随位移的变化，当冲头停止运动时显示压力随时间的变化，可更加直观地显示每一时刻的压力变化情况。这一控制方法有效地提高了设备的稳定性，目前已成功装备到哈尔滨吉星机械工程有限公司350 吨挤压铸造生产线，为丰田生产支架类系列产品。由三基公司研制的全球首台镁合金专用立式挤压铸造机已经成功应用到实际生产中，为生产高性能镁合金提供了有力保障。
4 挤压铸造工艺在汽车轻量化方面的应用
随着人们节约能源意识的加强和环境保护法规的日趋严格，开发新能源汽车和汽车轻量化的呼声越来越高，同时由于大众消费观念的转变，高速铁路的便捷，城市代步将是汽车发展的主流，小型、轻型、低耗的新能源汽车将受到人们的青睐。因而，要求汽车生产厂家开发出小型、轻型、舒适、低耗的新能源汽车。
减轻车重可提高汽车的行驶性能，美国铝业协会提出，如果车重减轻 25%，就可使汽车加速到 60mph 的时间从原来的 10s 减少到 6s；使用铝合金轮毂，使震动变小，可以使用更轻的反弹缓冲器；由于使用铝合金材料是在不减少汽车容积的情况下减轻汽车自重，减重效果为 125％。因而使汽车更稳定，乘客空间变大，在受冲击时铝合金结构能吸收分散更多的能量，因而更具舒适性和安全性。
4.1 挤压铸造在汽车上的应用现状
间接挤压铸造工艺在日本和美国应用比较广泛，特别是在汽车领域很好地取代了铝锻件，我国在苏州三基研发成功设备之前，仅有上海交大及二汽等少数购买了宇部设备的厂家进行生产。哈尔滨吉星从 2011 年开始利用国产设备为丰田开发产品，2014 年成为一汽丰田一级供应商，使用挤压铸造技术生产的支架系列产品达到了国际先进水平，现为亚洲龙及 RAV4 车型配套生产支架类系列产品，2018 年为国内某自主品牌汽车开发以铝代铸铁转向节，减重 50% 以上，如图 6 所示。
4.2 挤压铸造工艺批量生产汽车零件存在的问题
我国关于间接挤压铸造的研究起步较晚，目前在量产方面还有很多不足，导致挤压铸造产品质量稳定性差、废品率高等诸多问题，严重制约着间接挤压铸造技术的发展，批量生产汽车零件应从模具结构的设计与制作、生产参数选取与控制着手，来改善产品质量稳定性差、废品率高等诸多问题。
4.2.1 粘模
在挤压铸造过程中，对于壁厚较厚部位，往往会出现粘模现象。这主要是因为此处模具温度较高，解决粘模问题主要从脱模剂入手，通过喷涂脱模剂来调整模具温度场。这主要包括提高脱模剂的浓度、采用脱模效果更好的脱模剂，此外还有降低浇注温度等措施。通过这些手段在一定程度上都会减少粘模现象的发生，但是强化脱模剂浓度时会使模具表面形成一层较厚的脱模剂层，从而使铸件表面形成麻点缺陷。
4.2.2 冷隔、欠铸
在间接挤压铸造生产的铸件中，这种缺陷主要多发生于距离浇口较远的位置，也有一些会发生在薄壁位置处，这些位置都容易形成未熔合类缺陷。主要形成原因有以下几个方面。
( 1 ) 金属液充型速度过慢，导致远离浇口位置处型腔金属液没有充满就开始凝固。这时应适当调整压射速度，满足金属液充型性。
( 2 ) 模具温度过低，导致金属液流动性变差，使金属液没有充满型腔就已经开始凝固。针对这一问题需实时监控模具温度，并利用模温机对模具进行加热，使模具温度达到一个较合理稳定的范围。
( 3 ) 集渣包设置不当或型腔排气条件不好，使铝液流动不畅；气体和夹渣排不出去或气道过早地被堵塞，将气体留在型腔某一部位形成孔洞或未充满型。
( 4 ) 挤压压力不足或压力损失过大，无力将金属液压送到远而窄的型腔中去。为此，对于薄壁或外形较大的铸件，在铸型设计时，要选择好浇口位置，尽量缩短浇口至铸件端头的距离，设置好集渣包、排气通道，并在工艺上适当增加充型速度。
5 结语
间接挤压铸造作为一种新的近净成型技术，已经越来越受到铸造生产行业的广泛重视。尽管国内外学者对挤压铸造进行了研究，但由于间接挤压铸造设备较昂贵，其理论研究是以直接挤压铸造为依据展开的，与间接挤压铸造仍然有一定的差异，对于间接挤压铸造的研究应主要在以下几个方面下功夫。
( 1 ) 进一步完善间接挤压铸造理论
国内外学者对直接挤压铸造理论的研究较多，液态金属在冲头压力作用下直接凝固结晶，理论较为成熟；间接挤压铸造是在冲头作用下先进行充型，再施加压力，凝固过程比较复杂，理论仍需完善。
( 2 ) 进一步精确控制工艺参数
对于尺寸较大、薄厚不均的挤压铸造件工艺的开发应与先进的数值模拟技术及模具制造技术相结合，通过模拟来优化挤压铸造工艺参数，并且根据模拟结果来指导模具设计，将不可避免的缺陷控制到不重要位置。目前，人们多采用压铸或重力铸造的软件进行模拟，模拟精度较低。因此，开发一种间接挤压铸造模拟专用软件势在必行，当然模拟软件的开发也需要间接挤压铸造理论做支撑。
( 3 ) 进一步开发间接挤压铸造新工艺
半固态和近液相线成型工艺在间接挤压铸造中已得到了应用，但同样还存在一些问题需要解决，如半固态浆料的制备、近液相线温度的控制以及金属液充型问题。
( 4 ) 进一步明晰评价标准
目前关于铸件的技术要求及验收标准基本上是参照压铸和重力铸造给出的，技术要求含糊，验收标准不明晰，甚至矛盾或无法实现。因此需要设计人员加强对这一工艺方法的了解，并且也急需一部关于挤压铸造方面的标准，来规范和统一设计人员和用户的认识。
( 5 ) 开发能够实时监控各种主要铸造参数的设备
开发具有稳定性较好的控制系统且主要工艺参数能够实时监控的设备，是当下挤压铸造设备生产商的当务之急。只有先进的、具有较高稳定性和可靠性的生产设备，才能生产出品质具有高度一致性的产品，才能满足汽车等高端产品的需要，才能使间接挤压铸造技术得到进一步的推广应用。
