一種鋁合金半固態二次復合擠壓鑄造方法與流程

本發明涉及一種鋁合金半固態二次復合擠壓鑄造方法，屬鋁合金半固態成型技術領域。

背景技術：

鋁合金半固態成型技術包括流變成型和觸變成型兩大類，觸變成型所用的半固態金屬坯料具有較高的固相分數，在輸送和加熱時較為方便，易于實現自動化操作，因此，早期的半固態成型技術的工業應用主要集中在觸變成型工藝上；隨著觸變成型技術的應用和推廣，其設備成本高、加工余料不能快速回收、二次重熔造成坯料表面氧化、生產周期長、能耗高制約了觸變成型技術的發展；因此，流變成型技術近年來成為鋁合金半固態成型領域的研究熱點；流變成型技術是在合金由液態冷卻至預定半固態的溫度區間來控制漿料的質量，因此，采用適當的工藝手段在短時間內制備出高質量的半固態漿料，以及半固態漿料和流變成型之間的快速銜接成為流變成型技術的關鍵。

鋁合金半固態漿料的制備工藝分為兩種，一種是熔體經過外加作用場攪拌，另一種是熔體不需要外加作用場攪拌；前種方法是在合金凝固過程中運用外場施加強烈攪拌，攪拌引起的對流抑制了枝晶的生長，在攪拌剪切速率較高且冷卻速率較低的情況下，枝晶最終演變為球狀或近球狀，例如機械攪拌法、電磁攪拌法、超聲波振動法；然而，運用外場攪拌的方法共同特點是半固態漿料制備時需要增加特殊設備，工藝復雜，成本較高，從而制約了半固態成型技術的工業化應用；另外一種工藝是通過控制溫度、合金元素、形核等內部因素來制得半固態漿料，例如低過熱度澆注法、化學晶粒細化法、控制形核法、應變誘導熔體活化法；然而，該方法的缺點是需要對溫度、成分等外部條件進行精確的控制，所以當前無外場攪拌法還處于實驗室研究階段，很少用于工業化生產。

擠壓鑄造技術是一種在半固態加工領域具有潛在應用前景的新型金屬加工方法，該技術是對注入模具型腔中的液態或半液態的金屬或合金施加較高的機械壓力，使已凝固的外殼發生塑性變形，液態或半液態的金屬在等靜壓的作用下及時補縮，從而得到組織致密、力學性能高的鑄件；擠壓鑄造技術主要有直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造兩種方法，直接擠壓鑄造是壓力直接作用于液態金屬表面，壓力傳遞距離短，但金屬液必須精確定量充型，同時對于復雜異形零件有二次充型的過程，容易形成冷隔等缺陷，因此只適合于生產形狀簡單、對稱結構的鑄件；間接擠壓鑄造是壓力通過澆道傳遞給模腔內的金屬熔體，因此壓力傳遞距離長，易產生縮松等缺陷。

如何將半固態成型技術與擠壓鑄造技術高效、穩定的結合并實現成型過程精確控制，成為半固態成型的關鍵；目前，半固態擠壓鑄造技術大多采用先制漿再擠壓鑄造的方法，即利用電磁攪拌、超聲波等外場，或者通過傾斜板、蛇形澆道等外加裝置制得半固態漿料，然后將漿料澆入模具型腔中，在液壓擠壓機上實現擠壓鑄造，該過程中漿料的質量極難控制，同時很難實現制漿與成型的緊密銜接，因此缺乏穩定、專用的成型工藝與裝備。

技術實現要素：

發明目的

本發明的目的是針對背景技術的狀況，通過二次復合擠壓鑄造技術實現半固態漿料的制備與擠壓鑄造成型一體化，鋁合金液在沖頭作用下的充型過程即為半固態漿料的制備過程，充型完畢后經過沖頭保壓及二次復合擠壓即為成型過程，達到制漿與成型的緊密銜接，提高鋁合金半固態鑄件的質量。

技術方案

本發明使用的化學物質材料為：鋁合金、無水乙醇、石墨潤滑油、氧化鋅脫模劑、kcl-nacl基體精煉劑，其準備用量如下：以克、毫升為計量單位

二次復合擠壓鑄造方法如下：

(1)制造二次復合擠壓鑄造模具

二次復合擠壓鑄造模具用熱作模具鋼4cr5mosiv1制造，固定模、復合成型板、活動模芯型腔表面粗糙度均為：ra0.08-0.16μm；

(2)熔煉鋁合金液

鋁合金液的熔煉是在中頻感應熔煉爐內進行的，是經過鋁合金切塊、預熱、熔煉、精煉、靜置過程中完成的；

①清理中頻感應熔煉爐的熔煉坩堝，用金屬鏟、金屬刷清理熔煉坩堝，使表面清潔，然后用無水乙醇清洗坩堝內表面，晾干；

②切制鋁合金塊，將鋁合金塊用機械進行切制，成20mm×15mm×10mm的金屬塊；

③預熱鋁合金塊，將切制的鋁合金塊置于預熱爐內，進行預熱，預熱溫度為180℃，備用；

④預熱熔煉坩堝，開啟中頻感應熔煉爐，預熱坩堝，預熱溫度為200℃，備用；

⑤將預熱后的鋁合金塊置于預熱的熔煉坩堝內，開啟中頻感應熔煉爐，加熱熔煉鋁合金塊，熔煉溫度730℃±1℃，在此溫度恒溫保溫20min，然后加入kcl-nacl基體精煉劑45g±1g，攪動鋁合金液，使精煉劑與鋁合金液充分混和；清理鋁合金液中熔渣，將溫度調至660℃±1℃，靜置，恒溫保溫15min，成精煉鋁合金液；

(3)二次復合擠壓鑄造

鋁合金半固態二次復合擠壓鑄造是在擠壓鑄造機上進行的，是在半固態二次復合擠壓鑄造模具內，鋁合金液經過澆道進行攪拌、充填、沖頭保壓、二次復合擠壓、保壓、脫模，成型為鋁合金半固態鑄件；

①安裝二次復合擠壓鑄造模具

將二次復合擠壓鑄造模具的固定模固定于擠壓鑄造機的工作臺上，并與擠壓鑄造機的料缸、沖頭、壓射桿垂直連接；

將二次復合擠壓鑄造模具的活動模背板固定在擠壓鑄造機的活動型板上；

將推桿連接在擠壓鑄造機的副油壓缸上；

調整下部壓射桿與上部推桿在同一中心線上；

將固定模油路、復合成型板油路、料缸油路通過油管與油溫控制柜連接；

②預熱料缸、二次復合擠壓鑄造模具

開啟油溫控制柜的開關，預熱二次復合擠壓鑄造模具、料缸，二次復合擠壓鑄造模具預熱溫度為75℃±1℃，料缸預熱溫度為280℃±1℃；

③將石墨潤滑油150ml注入料缸與沖頭之間的間隙中，進行潤滑；

④將氧化鋅脫模劑150ml均勻地噴涂在擠壓鑄造模具的固定模、復合成型板、活動模芯表面，涂層厚度0.02mm；

⑤將鋁合金液加入到料缸中，然后合模；

⑥擠壓鑄造機下部的壓射桿、沖頭推動鋁合金液進入主澆口、波浪主澆道、分澆道、彎形澆道、波浪直澆道、鑄件型腔，沖頭的頂出距離為300mm，0mm-65mm時沖頭頂出速度為38mm/s，65mm-115mm時沖頭頂出速度為75mm/s，115mm-300mm時沖頭頂出速度為275mm/s，然后沖頭加壓，壓力為125mpa，恒壓保壓時間12s；

⑦擠壓鑄造機上部的副油壓缸拉動上部推桿上移，推桿通過上推板、下推板及連接導柱拉動復合成型板上移，當上推板接觸上限位塊后，副油壓缸停止運動，同時擠壓鑄造機主油壓缸施壓，推動活動模芯繼續運動與固定模進行合模，活動模芯向下進行二次擠壓，二次擠壓距離為5mm，然后上部的主油缸進行保壓，保壓壓力為235mpa，保壓時間20s；

⑧擠壓鑄造機上部的主油壓缸拉動活動模背板開模，沖頭頂出鋁合金半固態鑄件，副油壓缸頂出，推動推桿下移，推桿通過上推板、下推板及連接導柱推動復合成型板下移，當下推板接觸下限位塊后，副油壓缸停止運動；

⑨冷卻，鋁合金半固態鑄件在空氣中冷卻至25℃；

(4)清理鑄件

用機械將成型零件從鋁合金半固態鑄件上切下，將成型零件置于鋼質平板上，用機械清理各部及周邊；

(5)清潔鑄件

將清理后的成型零件置于鋼質平板上，用砂紙打磨表面及內孔，然后用無水乙醇洗滌，洗滌后晾干；

(6)檢測、分析、表征

對制備的成型零件的形貌、色澤、金相組織結構、力學性能進行檢測、分析、表征；

用金相分析儀進行金相組織分析；

用微機控制的電子萬能試驗機進行抗拉強度及延伸率分析；

結論：成型零件金相組織致密性好，初生α-al由球狀和近球狀晶粒組成，薔薇狀晶粒較少，且晶粒尺寸明顯降低，抗拉強度達235mpa，延伸率達8.5％。

有益效果

本發明與背景技術相比具有明顯的先進性，是針對當前鋁合金半固態擠壓鑄造技術中漿料的質量極難控制，同時很難實現制漿與成型的緊密銜接、穩定性差的弊端，采用鋁合金半固態二次復合擠壓鑄造的方法，通過二次復合擠壓鑄造技術實現半固態漿料的制備與擠壓鑄造成型一體化，鋁合金液在沖頭的作用下進入主澆口、波浪主澆道、分澆道、彎形澆道、波浪直澆道，由于模具的激冷作用，形成了大量晶核，同時鋁合金液的流動方向經過多次改變，合金熔體在澆道中進行了強烈攪拌，促使凝固初期形成的晶核向球狀轉變，從而獲得非枝晶組織漿料；然后經過沖頭保壓，和二次復合擠壓鑄造制成鋁合金半固態鑄件，經過機械切割制得成型零件，此制備方法工藝先進，數據精確翔實，二次復合擠壓鑄造的成型零件形狀精確，金相組織致密性好，初生α-al由球狀和近球狀晶粒組成，薔薇狀晶粒較少，且晶粒尺寸明顯降低，抗拉強度達235mpa，延伸率達8.5％，是先進的鋁合金半固態二次復合擠壓鑄造方法。

附圖說明

圖1、成型零件結構圖；

圖2、二次復合擠壓鑄造模具主視圖；

圖3、圖2的右側視圖；

圖4、圖3的a-a剖面圖；

圖5、固定模結構圖；

圖6、復合成型板結構圖；

圖7、固定模與復合成型板組合后俯視圖；

圖8、圖7的b-b剖面圖；

圖9、圖7的c-c剖面圖

圖10、二次復合擠壓鑄造模具安裝狀態圖；

圖11、料缸及二次復合擠壓鑄造模具預熱狀態圖；

圖12、鋁合金液注入料缸狀態圖；

圖13、二次復合擠壓鑄造模具合模狀態圖；

圖14、鋁合金液充填模具型腔沖頭保壓狀態圖；

圖15、二次復合擠壓、保壓狀態圖；

圖16、二次復合擠壓鑄造后開模狀態圖；

圖17、鋁合金半固態鑄件脫模狀態圖；

圖18、成型零件金相組織形貌圖；

圖中所示，附圖標記清單如下：

1、成型零件，2、固定模，3、活動模，4、活動模芯，5、左導柱，6、右導柱，7、復合成型板，8、推桿，9、活動模背板，10、左連接導柱，11、右連接導柱，12、支撐模架，13、上推板，14、下推板，15、上限位塊，16、下限位塊，17、復合成型板進油孔，18、復合成型板出油孔，19、固定模進油孔，20、固定模出油孔，21、復合成型板油路，22、固定模油路，23、主澆口，24、固定模波浪主澆道，25、固定模第一分澆道，26、固定模第一彎形澆道，27、固定模第一波浪直澆道，28、固定模第二分澆道，29、固定模第二彎形澆道，30、固定模第二波浪直澆道，31、固定模鑄件型腔，32、復合成型板波浪主澆道，33、分流島，34、復合成型板第一分澆道，35、復合成型板第一彎形澆道，36、復合成型板第一波浪直澆道，37、復合成型板第二分澆道，38、復合成型板第二彎形澆道，39、復合成型板第二波浪直澆道，40、活動模芯孔，41、連接導柱固定孔，42、波浪主澆道，43、第一分澆道，44、第二分澆道，45、第一波浪直澆道，46、第二波浪直澆道，47、鑄件型腔，48、主油壓缸，49、副油壓缸，50、工作臺，51、料缸，52、料缸保溫套，53、沖頭，54、壓射桿，55、料缸循環油管，56、固定模循環油管，57、復合成型板循環油管，58、油溫控制柜，59、活動型板，60、復合擠壓間隙，61、測溫裝置，62、鋁合金液，63、鋁合金半固態鑄件。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明做進一步說明：

圖1所示，為成型零件結構圖，成型零件1為圓軸孔狀，兩側部設有對稱臺階。

圖2、3、4、5、6、7、8、9所示，為二次復合擠壓鑄造模具結構圖，模具由固定模2、活動模3和二次復合擠壓裝置組成；

固定模2通過左導柱5、右導柱6與活動模3連接；

活動模芯4固定安裝在活動模3上，活動模3與支撐模架12、活動模背板9固定連接；

二次復合擠壓裝置由推桿8、上推板13、下推板14、上限位塊15、下限位塊16、左連接導柱10、右連接導柱11、復合成型板7組成；推桿8固定在上推板13、下推板14之間，上推板13、下推板14通過左連接導柱10、右連接導柱11與復合成型板7固定連接，上限位塊15固定在活動模背板9下部，下限位塊16固定在活動模3上部；當推動或拉動推桿8時，二次復合擠壓裝置整體做上下運動，上下運動的距離由上限位塊15和下限位塊16限制；

固定模2中心部位設有主澆口23，固定模波浪主澆道24與主澆口23相連，固定模第一分澆道25、固定模第二分澆道28與固定模波浪主澆道24相連，固定模第一分澆道25、固定模第一彎形澆道26、固定模第一波浪直澆道27相互連接，固定模第二分澆道28、固定模第二彎形澆道29、固定模第二波浪直澆道30相互連接，固定模第一波浪直澆道27、固定模第二波浪直澆道30與固定模鑄件型腔31連接；

復合成型板7上設有復合成型板波浪主澆道32、分流島33，復合成型板第一分澆道34、復合成型板第二分澆道37與復合成型板波浪主澆道32相連，復合成型板第一分澆道34、復合成型板第一彎形澆道35、復合成型板第一波浪直澆道36相互連接，復合成型板第二分澆道37、復合成型板第二彎形澆道38、復合成型板第二波浪直澆道39相互連接，復合成型板第一波浪直澆道36、復合成型板第二波浪直澆道39與活動模芯孔40連接；

固定模2、復合成型板7、活動模芯4合模后組成了主澆口23、波浪主澆道42、第一分澆道43、第二分澆道44、第一彎形澆道、第二彎形澆道、第一波浪直澆道45，第二波浪直澆道46，鑄件型腔47；

在固定模2上設有固定模進油孔19、固定模出油孔20、固定模油路22，在復合成型板7上設有復合成型板進油孔17、復合成型板出油孔18、復合成型板油路21。

圖10所示，為二次復合擠壓鑄造模具安裝狀態圖，料缸51安裝在工作臺50中部，料缸51內部設有測溫裝置61、外部設有料缸保溫套52，沖頭53安裝在壓射桿54上，并與料缸51同中心配合連接，二次復合擠壓鑄造模具的固定模2固定安裝在工作臺50上，并與料缸51同中心配合連接，活動模背板9固定在活動型板59上，復合擠壓裝置通過推桿8固定在副油壓缸49上，副油壓缸49安裝在活動型板59上，擠壓鑄造機的主油壓缸48與活動型板59固定連接，料缸保溫套52的油路、固定模油路22、復合成型板油路21分別依靠料缸循環油管55、固定模循環油管56、復合成型板循環油管57與油溫控制柜58連接。

圖11所示，為料缸及二次復合擠壓鑄造模具預熱狀態圖，開啟油溫控制柜58的開關，預熱二次復合擠壓鑄造模具、料缸51，二次復合擠壓鑄造模具預熱溫度為75℃±1℃，料缸51預熱溫度為280℃±1℃。

圖12所示，為鋁合金液注入料缸狀態圖，主油壓缸48拉動活動模背板9上移開模，副油壓缸49推動推桿8頂出，推桿8通過上推板13、下推板14、左連接導柱10和右連接導柱11推動復合成型板7頂出，當下推板14接觸下限位塊16后，副油壓缸停止運動并鎖死，此時活動模3和復合成型板7之間存在5mm的復合擠壓鑄造間隙60，向料缸51中注入鋁合金液62。

圖13所示，為二次復合擠壓鑄造模具合模狀態圖，擠壓鑄造機上部主油壓缸48推動活動模背板9合模，當復合成型板7接觸固定模2時，上部主油壓缸48停止運動，完成合模。

圖14所示，為鋁合金液充填模具型腔沖頭保壓狀態圖，擠壓鑄造機下部的壓射桿54、沖頭53推動鋁合金液62進入主澆口23、波浪主澆道42、第一分澆道43、第一分澆道44、第一彎形澆道、第二彎形澆道、第一波浪直澆道45、第二波浪直澆道46、鑄件型腔47，沖頭53的頂出距離為300mm，0mm-65mm時沖頭53頂出速度為38mm/s，65mm-115mm時沖頭53頂出速度為75mm/s，115mm-300mm時沖頭53頂出速度為275mm/s，然后沖頭53加壓，壓力為125mpa，恒壓保壓時間12s

圖15所示，為二次復合擠壓、保壓狀態圖，擠壓鑄造機的副油壓缸49拉動推桿8上移，推桿8通過上推板13、下推板14、左連接導柱10和右連接導柱11拉動復合成型板7退回，當上推板13接觸上限位塊15后，副油壓缸49停止運動，同時擠壓鑄造機主油缸48施壓，推動活動模背板9繼續運動進行合模，使得活動模芯4對鑄件進行二次復合擠壓，二次擠壓距離為5mm，最終固定模2、復合成型板7、活動模3壓緊，主油壓缸48進行保壓，保壓壓力為235mpa，保壓時間20s。

圖16所示，為二次復合擠壓鑄造后開模狀態圖，主油壓缸48拉動活動模背板9上移開模。

圖17所示，為鋁合金半固態鑄件脫模狀態圖，沖頭53頂出鋁合金半固態鑄件63，副油壓缸49推動推桿8頂出，推桿8通過上推板13、下推板14、左連接導柱10和右連接導柱11推動復合成型板7頂出。

圖18所示，為成型零件金相組織形貌圖，圖中所示，成型零件金相組織致密性好，初生α-al由球狀和近球狀晶粒組成，薔薇狀晶粒較少，且晶粒尺寸明顯降低。