徑向鍛應變誘發法制備發動機鋁合金凸輪軸的半固態工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬半固態加工與成形技術領域，尤其涉及徑向鍛應變誘發法制備發動機鋁合金凸輪軸的半固態工藝。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著人們對生活環境的要求不斷提高，節能減排成為了新課題。而節能減排的重要手段即為實現汽車的輕量化以減少汽車尾氣的排放。因此，在不影響零件性能的前提下，使零件盡可能簡化加工、降低重量，材料使用更加合理。輕量化具體包括材料輕量化、工藝輕量化和結構輕量化。材料輕量化主要是指用輕質的有色金屬取代鋼鐵銅等，如鋁合金和鎂合金。如鋁合金具有非常好的鑄造性能和加工性能。
[0003]凸輪軸是汽車發動機配氣機構中重要的零件，專門負責驅動氣門按時開啟和關閉，保證發動機在工作中定時為汽缸吸入新鮮的可燃混合氣并及時將燃燒后的廢氣排出汽缸。傳統的凸輪軸大多是鑄造或鍛造生產，部分場合也存在組合式裝配凸輪軸。鑄造式凸輪軸主要有冷硬鑄鐵、淬火鑄鐵等。近年開發了重融冷硬鑄鐵、淬火球墨鑄鐵等多種形式的凸輪軸，但因成本等原因其應用范圍有限。此外，鑄造凸輪的尺寸精度粗糙，微觀組織缺陷較多，機加工余量大，導致生產工藝復雜。而鍛造式凸輪軸以碳鋼為主進行熱鍛，但是鍛造式凸輪軸的生產效率低、材料利用率低，設備負荷大，模具損耗嚴重。組合式凸輪軸由精密鋼管和裝配于其上的凸輪節組成，焊接連接式凸輪軸容易使焊接部位產生裂紋，產生的熱變形使凸輪軸的尺寸精度降低，質量難以保證；燒結連接式凸輪軸需要在1000°c以上大型燒結爐內與鋼管擴散連接，軸容易產生彎曲，造成尺寸精度誤差，熱效率不高；擴管法由于高壓作業的特殊要求，也使其設備大型化。
[0004]為了進一步減輕凸輪軸的重量以及后續的機加工量，可以采用鋁合金半固態擠壓鑄造技術生產鋁合金凸輪軸代替鑄鐵或者碳鋼凸輪軸。半固態加工技術即采用微觀組織為球狀晶粒懸浮在共晶液相的半固態坯料進行成形的工藝。半固態成形技術的關鍵在于制備具有球狀晶懸浮在共晶液相的半固態坯料。但是常規的制備方法均有各自的缺點:對于機械攪拌法，高溫對機械攪拌器存在嚴重的腐蝕作用，導致漿料不純。對于電磁攪拌法，半固態或者液態的漿料對電磁攪拌器有強烈的熱輻射作用，導致電磁攪拌器需要增加額外的隔熱冷卻裝置，設備復雜。此外機械攪拌和電磁攪拌制備的半固態坯料內部存在成分偏析現象，坯料中心位置的微觀組織較差，并且不可避免的存在微觀孔洞，不能夠獲得均勻的、無缺陷的半固態坯料。而應變誘發激活法涉及到的主要塑性變形方法是壓縮、乳制、等徑角擠壓、反復墩粗拔長等常規方法。但是這些方法制備大塊坯料時，大塑性變形所需要的成形力過大，現有設備很難實現。因此不能夠大批量的生產大尺寸的半固態坯料。
【發明內容】
[0005]為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供徑向鍛應變誘發法制備發動機鋁合金凸輪軸的半固態工藝，通過該工藝可以制備出均勻的、無微觀缺陷的鋁合金半固態坯料并成形出微觀組織缺陷少、機械性能好的鋁合金凸輪軸。
[0006]為了達到上述目的，本發明采取如下的技術方案:
[0007]徑向鍛應變誘發法制備發動機鋁合金凸輪軸的半固態工藝，包括以下步驟:
[0008]I)預熱鋁合金棒材，將鋁合金棒材隨爐加熱至250?350°C，并保溫，對于不同直徑的棒料具體的保溫時間為0.5D?0.7D分鐘，D為棒材的直徑；
[0009]2)對鋁合金棒材進行徑向鍛造，即通過機械手夾持預熱鋁合金棒材旋轉軸向送進，徑向鍛機在坯料周圍對稱分布四個錘頭，沿坯料徑向進行高頻率往復鍛打，使坯料在多頭螺旋式延伸變形情況下拔長變細，斷面收縮率達到60%以上，對于不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直徑，鍛打至所需的直徑；
[0010]3)徑向鍛造后坯料的二次重熔，將徑向鍛造后的坯料放回電爐或者中頻感應加熱爐中進行二次重熔，即加熱至585?595°C并保溫15?20min，獲得具有球狀晶懸浮在共晶液相的半固態坯料，此時鋁合金棒材對應的固相率為35.5?52.5% ；
[0011]4)鋁合金凸輪軸的擠壓鑄造，對模具型腔和芯棒進行預熱，預熱溫度為200?300°C，并將按照凸輪軸毛坯體積分段切割的二次重熔坯料放入模具型腔，合模后，芯棒以20mm/s-60mm/s的速度從兩側向內擠壓，擠壓到位后上模具和芯軸持續加壓，保證凸輪軸零件所受比壓為80-100Mpa，直至零件完全凝固；
[0012]5)鋁合金凸輪軸的后續處理，將半固態擠壓鑄造獲得的凸輪軸進行T6熱處理，并對凸輪節進行化學氣相沉積處理，保證沉積層厚度達到5mm，硬度達到50HRC，最后磨削凸輪節。
[0013]相對于現有技術，本發明將徑向鍛造技術用于制備鋁合金半固態坯料并制造鋁合金凸輪軸零件具有以下優點:
[0014]1.本發明所采用的徑向鍛造技術采用多次小變形連續鍛造的方式實現坯料的大塑性變形，大大降低了塑性成形力，能夠在小噸位的設備上連續大批量制造鋁合金半固態坯料，具有成本低、連續生產能力強及性能高的特點。避免了傳統應變誘發法采用的等徑角擠壓、乳制、反復鍛造等工藝出現的變形材料尺寸增大則變形力過大，難以在現有設備上變形的缺點。因此該方法可取代或部分取代采用其他塑性變形方式制備的鋁合金，鎂合金，以及鋼鐵材料的半固態坯料，有效的解決其他塑性變形方法存在的體積限制的困難。通過徑向鍛造應變誘發法工藝制備出半固態漿料的微觀組織良好，微觀缺陷少，成形性能良好，，并且工藝過程簡單，容易操作，避免了機械攪拌法和電磁攪拌法存在的成分偏析，微觀組織不均勻的缺陷。
[0015]2.本發明采用半固態擠壓鑄造工藝成形鋁合金凸輪軸的過程中，半固態漿料以層流運動的方式順序充填模具型腔。層流運動有利于排出模具型腔內的空氣，能夠有效避免液態模鍛時液態金屬的紊流和噴射現象帶來的氣孔以及縮松縮孔等微觀組織缺陷，成形后的零件由于其金相組織為獨立細小的球狀晶分布在低熔點共晶體上，避免了液態模鍛件或者鑄造中傳統枝晶組織而出現的微觀應力集中。芯軸和上模同時保壓至零件凝固，能夠最大限度的消除氣孔以及縮松縮孔等微觀組織缺陷，并且成形零件可以進行熱處理進一步增強零件的機械性能。鋁合金在T6熱處理后的拉伸強度可達到290?310Mpa，伸長率達到8% -10%，機械性能與鑄鐵凸輪軸相當。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明的工藝原理示意圖。
[0017]圖2是本發明的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖，以ΦΙΟΟπιπι的鋁合金棒舉例，對本發明作進一步的詳細說明。
[0019]參照圖1和圖2，徑向鍛應變誘發法制備發動機鋁合金凸輪軸的半固態工藝，包括以下步驟:
[0020]I)預熱鋁合金棒材，將Φ 100鋁合金棒材隨爐加熱至250?350°C，并保溫60?70分鐘，保證整個坯料熱透；
[0021]2)對鋁合金棒材進行徑向鍛造，即通過機械手夾持預熱鋁合金棒材旋轉軸向送進，徑向鍛機在坯料周圍對稱分布四個錘頭，沿坯料徑向進行高頻率往復鍛打，使坯料在多頭螺旋式延伸變形情況下拔長變細，斷面收縮率達到60%以上，對于不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直徑，鍛打至所需的直徑；
[0022]3)徑向鍛造后坯料的二次重熔，將徑向鍛造后的坯料放回電爐或者中頻感應加熱爐中進行二次重熔，即加熱至585?595°C并保溫15?20min，獲得具有球狀晶懸浮在共晶液相的半固態坯料，此時鋁合金棒材對應的固相率為35.5?52.5% ；
[0023]4)鋁合金凸輪軸的擠壓鑄造，對模具型腔和芯棒進行預熱，預熱溫度為200?300°C，并將按照凸輪軸毛坯體積分段切割的二次重熔坯料放入模具型腔，合模后，芯棒以20mm/s-60mm/s的速度從兩側向內擠壓，擠壓到位后上模具和芯軸持續加壓，保證凸輪軸零件所受比壓為80-100Mpa，直至零件完全凝固；
[0024]5)鋁合金凸輪軸的后續處理，將半固態擠壓鑄造獲得的凸輪軸進行T6熱處理，進一步增加其力學性能，并對凸輪節進行化學氣相沉積處理，保證沉積層厚度達到5mm，硬度達到50HRC以增強表面的耐磨性，最后磨削凸輪節保證其型線。
[0025]通過以上步驟，能夠獲得80?10um的球狀晶粒均勻的分布在共晶基體中且微觀組織缺陷較少的鋁合金半固態坯料，顯著的減少了成分偏析、縮松縮孔等微觀缺陷。通過半固態鋁合金坯料的層流式順序充填模具型腔，可制備出氣孔少，縮松縮孔少，組織均勻的鋁合金凸輪軸制件，并通過T6熱處理增強零件的力學性能以及化學氣相沉積增強凸輪節部位的表面硬度和耐磨性。
【主權項】
1.徑向鍛應變誘發法制備發動機鋁合金凸輪軸的半固態工藝，其特征在于，包括以下步驟: 1)預熱鋁合金棒材，將鋁合金棒材隨爐加熱至250?350°C，并保溫，對于不同直徑的棒料具體的保溫時間為0.5D?0.7D分鐘，D為棒材的直徑； 2)對鋁合金棒材進行徑向鍛造，即通過機械手夾持預熱鋁合金棒材旋轉軸向送進，徑向鍛機在坯料周圍對稱分布四個錘頭，沿坯料徑向進行高頻率往復鍛打，使坯料在多頭螺旋式延伸變形情況下拔長變細，斷面收縮率達到60%以上，對于不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直徑，鍛打至所需的直徑； 3)徑向鍛造后坯料的二次重熔，將徑向鍛造后的坯料放回電爐或者中頻感應加熱爐中進行二次重熔，即加熱至585?595°C并保溫15?20min，獲得具有球狀晶懸浮在共晶液相的半固態坯料，此時鋁合金棒材對應的固相率為35.5?52.5% ； 4)鋁合金凸輪軸的擠壓鑄造，對模具型腔和芯棒進行預熱，預熱溫度為200?300°C，并將按照凸輪軸毛坯體積分段切割的二次重熔坯料放入模具型腔，合模后，芯棒以20mm/s-60mm/s的速度從兩側向內擠壓，擠壓到位后上模具和芯軸持續加壓，保證凸輪軸零件所受比壓為80-100Mpa，直至零件完全凝固； 5)鋁合金凸輪軸的后續處理，將半固態擠壓鑄造獲得的凸輪軸進行T6熱處理，并對凸輪節進行化學氣相沉積處理，保證沉積層厚度達到5mm，硬度達到50HRC，最后磨削凸輪節。
【專利摘要】徑向鍛應變誘發法制備發動機鋁合金凸輪軸的半固態工藝，先預熱鋁合金棒材，對鋁合金棒材進行徑向鍛造，徑向鍛造后坯料的二次重熔，然后進行鋁合金凸輪軸的擠壓鑄造，最后徑向鋁合金凸輪軸的后續處理，通過該工藝可以制備出均勻的、無微觀缺陷的鋁合金半固態坯料并成形出微觀組織缺陷少、機械性能好的鋁合金凸輪軸，工藝過程簡單，容易操作。
【IPC分類】B22D18-02, B21J5-00, B23P15-14, B21K1-12, B21J5-06
【公開號】CN104624914
【申請號】CN201410828403
【發明人】趙升噸, 張晨陽, 王永飛, 韓曉蘭, 李靖祥
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年12月26日