一種鋁合金半固態擠壓鑄造的方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種鋁合金半固態擠壓鑄造的方法及系統，屬有色金屬材料制備及應用的技術領域。該方法包括如下步驟：先將鋁合金塊體切制成鋁合金小塊體后分別用鋁箔包覆，然后將包覆的鋁合金小塊體預熱；將預熱好的所述鋁合金小塊體熔煉，得到液態鋁合金；將液態鋁合金通過具有彎曲通道或倒置錐形通道的澆口注入到保溫裝置中進行保溫，得到鋁合金半固態漿料；將鋁合金半固態漿料澆注到保溫性擠壓模具，進行擠壓成型處理；最后在所述擠壓成型處理完成后繼續施壓，之后頂出鑄件，空冷，最終得到鋁合金半固態擠壓鑄件。此制備方法工藝先進，工序嚴密，數據精確翔實，制備鋁合金半固態擠壓鑄件熱處理后硬度可達82.9HB，抗拉強度可達279Mpa。
【專利說明】
一種鋁合金半固態擠壓鑄造的方法及系統
技術領域
[0001] 本發明涉及一種鋁合金半固態擠壓鑄造的方法及系統，屬有色金屬材料制備及應 用的技術領域。
【背景技術】
[0002] 鋁合金是有色合金，具有較好的強度、韌性、導電性、導熱性，常用作結構材料，在 航空航天、電子工業、汽車制造領域得到了廣泛的應用;但鋁合金抗拉強度低、硬度低、耐腐 蝕性差，使其在工業上的應用受到了限制。
[0003] 當前應用較為廣泛的鋁合金成型方法為壓力鑄造。但是，壓鑄件容易出現氧化、氣 孔等缺陷，導致鑄件的力學性能下降。半固態擠壓鑄造方法，是一種近凈成形的方法，具有 加工溫度低、可熱處理強化、節約成本等優點。目前，鋁合金半固態擠壓鑄造方法還處于研 究階段，其工藝技術還有待提高。現階段半固態成型發展瓶頸主要是：1)制備半固態漿料工 藝穩定性差，制備成本較高;2)半固態漿料轉移難度較大，不能使半固態漿料順利的轉移到 成型模具中進行加工成型。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種鋁合金半固態擠壓鑄造的方法 及系統。該方法以鋁合金為原材料，經在真空熔煉爐熔煉、漿料制備、擠壓成型，以提高鋁合 金材料的力學性能。本發明提出一種簡便的半固態漿料制備方法和系統，同時也實現半固 態漿料自動澆注、定量澆注，解決了半固態成型過程中漿料轉移難題，同時降低了半固態 漿料制備成本。
[0005] 為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
[0006] -種鋁合金半固態擠壓鑄造的方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一，鋁合金預處理:先將鋁合金塊體切制成鋁合金小塊體后分別用鋁箱包覆， 然后將包覆的鋁合金小塊體預熱；
[0008] 步驟二，熔煉:將預熱好的所述鋁合金小塊體熔煉，得到液態鋁合金；
[0009] 步驟三，鋁合金半固態漿料的制備：將步驟二得到的液態鋁合金通過具有彎曲通 道或倒置錐形通道的澆口（即具有彎曲通道或倒置錐形通道的模具)注入到保溫裝置中進 行保溫，得到鋁合金半固態漿料；
[0010]步驟四，擠壓成型處理:將步驟三得到的所述鋁合金半固態漿料澆注到保溫性擠 壓模具，進行擠壓成型處理；
[0011]步驟五，脫模冷卻：在所述擠壓成型處理完成后繼續施壓，之后頂出鑄件，空冷，最 終得到鋁合金半固態擠壓鑄件。
[0012]本發明的技術原理是：1)采用彎曲通道或倒置錐形通道，優選為準蛇形通道法制 備金屬半固態漿料，工藝簡單，制備成本較低，利用準蛇形通道的自攪拌作用，打碎枝晶；同 時準蛇形通道澆口溫度較低，合金液獲得較大的過冷度，大量形核，細化晶粒，最終得到半 固態漿料;2)采用電磁栗澆注，半固態漿料在洛倫茲力的作用下，澆注到擠壓模具型腔;更 優選地，通過可編程邏輯控制器(PLC)控制，實現自動澆注和定量澆注。
[0013] 上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，作為一種優選實施方式，步驟一中，所述預 熱的溫度為 180_22(TC (比如 182Γ、185Γ、188Γ、195Γ、200-(：、205Γ、210-(：、215Γ、218 °C)，更優選為 195°C_205°C，所述預熱的時間為 10_25min(比如 llmin、13min、15min、18min、 21min、23min、24min)，更優選所述預熱的時間為15min。
[0014] 上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，作為一種優選實施方式，步驟一中，所述 錯合金小塊體尺寸（即長X寬X高X50mmX 50mmX 50mm。
[0015] 上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，作為一種優選實施方式，步驟二中，所述熔 煉是在中頻感應熔煉爐內進行的，且在中頻感應加熱、抽真空、氬氣底吹過程中完成的。
[0016] 上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，作為一種優選實施方式，步驟二的熔煉包 括先后進行的第一子步驟和第二子步驟，所述第一子步驟中，抽真空至所述中頻感應熔煉 爐內壓強彡 l〇Pa;加熱溫度為580-620°C (比如582°C、585°C、590°C、595°C、600°C、605°C、 610°(：、615°(：、618°(：)，更優選為595-605°(： ;加熱時間為30-45111丨11(比如31111丨11、331^11、 35min、38min、41min、43min、44min)，更優選為40min;所述第二子步驟中，進行氬氣底吹，氬 氣速度為 800_1200C3/min(比如 810C3/min、830C3/min、850C3/min、900C 3/min、950C3/min、 1000(：3/11^11、1150(： 3/11^11、1170(：3/11^11、1190(：3/11^11、1200(： 3/11^11)，氬氣速度優選為1000(：3/ min，使中頻感應熔煉爐內壓強保持在0.045Mpa，此時繼續加熱升溫至680-750 °C進行熔煉 (比如685 °C、690 °C、695 °C、700 °C、710 °C、720 °C、730 °C、735 °C、740 °C、745 °C)，更優選加熱 升溫至 715-725 °C 進行恪煉，并恒溫保溫 15_30min (比如 16min、18min、20min、24min、26min、 28min、29min)，更優選恒溫保溫為20min。優選理由：第一子步驟更優先加熱溫度595-605°C 是因為，鋁合金的液相線溫度為617°C，加熱到595-605Γ后開啟氬氣底吹裝置，即不會造成 氬氣浪費，又能在鋁合金熔化后，起到均勻鋁合金成分、除雜和除氣的目的；第二子步驟的 熔煉溫度更優選在715-725Γ是因為，在這溫度區間內澆注，既能保證通道不會堵塞，又可 以得到組織形貌較好的半固態ZL101鋁合金坯料，保溫時間20min，這是經過多次實驗得到 的最佳參數，能夠澄清熔體中彌散分布的較大顆粒的夾雜物。
[0017] 上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，作為一種優選實施方式，步驟三中，所述 彎曲通道為準蛇形通道或螺形管通道。更優選地，所述彎曲通道設置有3-5個彎道。準蛇形 通道澆口具有自攪拌作用，能打碎枝晶；同時準蛇形通道澆口溫度較低，合金液獲得較大的 過冷度，大量形核，細化晶粒，從而得到半固態漿料。隨后被注入到保溫爐中保溫能進一步 使半固態漿料組織均勻化。進一步地，所述液態鋁合金注入所述保溫裝置時的流速為0.2-lkg/s，優選為0.5kg/s。準蛇形通道具有激冷作用，隨著彎道數量增加，制備的半固態坯料 品質也會隨之增加，但隨彎道數量的增加，掛料凝固殼質比例大幅度增加，并且容易堵塞通 道，降低生成效率。本發明中經過多次嘗試，彎曲通道設置有3-5個彎道，保證了坯料品質的 同時，不會堵塞通道。澆注速度較高時，坯料外表面會粗糙，并形成凹坑，澆注速度較低時， 坯料表面光滑，致密度增加，但較低的澆注速度并不利于合金熔體充滿準蛇形通道。經過多 次實驗，將最佳饒注速度定為〇. 5kg/s，既能保證合金恪體充滿整個準蛇形通道，又能夠獲 得表面光滑、致密度高的坯料。
[0018] 上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，作為一種優選實施方式，步驟三中，所述保 溫的溫度為550-62(TC (比如552。(：、555。(：、560。(：、570。(：、580。(：、590。(：、600。(：、615。(：、618 °〇，保溫的時間為15-2〇111；[11(比如16111；[11、17111；[11、18111；[11、19111；[11)。
[0019] 上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，作為一種優選實施方式，步驟四中，所述擠 壓成型的擠壓壓強為80-120MPa (比如82MPa、85MPa、88MPa、92MPa、95MPa、1 OOMPa、105MPa、 11010^、11510^、11810^)，保壓時間為15-3〇8(比如168、188、2〇8、248、268、288)，保溫性擠 壓模具的溫度為180_220°C，更優選地，擠壓壓強為lOOMpa，保壓時間為20s，保溫性擠壓模 具的溫度為200°C。在一定范圍內，擠壓壓強越大，細化晶粒效果越明顯。而本發明中，當擠 壓壓強超過lOOMpa后，細化作用減慢，宏觀力學性能趨于穩定。模具溫度為180-220°C，優選 為200°C，是因為模具溫度過低，凝固速度會過快，即使增大壓力也對其無法進行補縮，從 而產生鑄造缺陷;模具溫度過高，會使得鋁合金熔體的熱量不容易散失，導致晶粒長粗，影 響最終性能;經過多次試驗后，優選200°C。上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，作為一種 優選實施方式，步驟四中，所述擠壓模具材質為熱作模具鋼，型腔尺寸為120mm X 30mm X 50mm，型腔表面粗糙度為RaO.08-0.16μπι。此處所指的型腔尺寸是指凸模蓋到凹模上以后凹 模內的空隙尺寸。
[0020] 上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，作為一種優選實施方式，步驟四中，在所述 鋁合金半固態漿料澆注到擠壓模具之前，還包括擠壓模具的型腔表面預處理：用涂覆劑均 勻涂覆所述擠壓模具的型腔表面，涂覆層厚度為〇. 3-0.5mm;所述涂覆劑的配制方法包括如 下步驟:稱取一定量的氧化鋅和水玻璃，加入一定量的去離子水，攪拌均勻得到乳白色懸浮 狀液體，即涂覆劑;更優選地，所述氧化鋅、水玻璃與去離子水的質量比為4-6:1:40-60;所 述攬摔的轉數為40 -60r/min (比如42r/min、45r/min、48;r/min、52;r/min、56;r/min、58;r/ 111；[11)，攬摔時間為60-90111；[11(比如65111；[11、68111；[11、72111；[11、76111；[11、80111；[11、85111；[11、88111；[11)，進一步 地，所述攪拌的轉數為50r/min，攪拌時間為80min。涂覆劑主要是用于保護模具，使脫模容 易；同時涂覆劑有保溫作用，防止半固態鋁合金坯料冷卻速度過快，提高成形能力。涂覆層 厚度優選為0. 3-0.5mm。
[0021] 上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，作為一種優選實施方式，步驟五中在所述 擠壓成型處理完成后繼續施壓15-20s(比如16s、18s)。
[0022] 上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，作為一種優選實施方式，步驟五之后還包 括熱處理步驟，具體方法如下:首先進行固溶處理，固溶溫度535±5°C，固溶時間5h;然后采 用75-85°C的溫水淬火;之后進行時效處理:時效溫度為200 ± 5°C，時效時間4h，最后空冷 至室溫。
[0023] 上述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，本發明主要用于半固態溫度區比較大的鑄 造鋁合金，比如半固態溫度區在40°C以上，這樣的鋁合金有ZAlSi7Mg、ZAlSi 9Mg，6061，A357 等。作為一種優選實施方式，所述鋁合金為ZAlSi?Mg(合金代號ZL101)。
[0024] -種制備鋁合金半固態漿料用澆口，所述模具具有彎曲通道或倒置錐形通道。
[0025] 在上述澆口中，作為一種優選實施方式，所述彎曲通道設置有3-5個彎道。
[0026] -種鋁合金半固態擠壓鑄造的系統，包括：
[0027] 鋁合金半固態漿料制備裝置，包括:上述澆口和保溫裝置;其中：
[0028] 所述澆口設置于所述保溫裝置的入口處且與所述保溫裝置內部連通，用于接收熔 煉得到的液態鋁合金并初步制備所述鋁合金半固態漿料;所述保溫裝置用于接收通過所述 澆口初步制備得到的所述鋁合金半固態漿料并保溫，以形成組織均勻的鋁合金半固態漿 料；
[0029] 擠壓成型裝置，包括保溫性擠壓模具，用于將來自所述保溫裝置的所述鋁合金半 固態漿料擠壓成型。
[0030] 上述系統中，作為一種優選實施方式，所述系統還包括:鋁合金半固態漿料輸送裝 置，用于將所述鋁合金半固態漿料輸送至所述保溫性擠壓模具中；其中所述鋁合金半固態 漿料輸送裝置包括:保溫性輸料管，進口與所述保溫裝置的出口連接，出口伸入所述擠壓成 型裝置內且與所述保溫性擠壓模具對齊;和電磁栗，設置于所述保溫性輸料管進口與出口 之間；更優選地，所述電磁栗通過可編程邏輯控制器(PLC)控制，以實現自動和定量澆注。
[0031] 上述系統中，作為一種優選實施方式，所述鋁合金半固態漿料制備裝置還包括:套 筒，用于固定所述澆口于所述保溫裝置入口處;和支撐所述套筒的升降裝置，用于移動所 述澆口；更優選地，所述鋁合金半固態漿料制備裝置還包括小車，所述升降裝置固定于所述 小車上，所述保溫裝置放置于所述小車上。升降裝置及保溫裝置放置于小車上，能夠簡單有 效的實現半固態擠壓鑄造。
[0032] 上述系統中，作為一種優選實施方式，所述保溫裝置包括:位于內層的保溫加熱 絲;位于所述保溫加熱絲之外的外層保溫棉。
[0033] 上述系統中，作為一種優選實施方式，所述擠壓成型裝置包括擠壓機、保溫性擠壓 模具、推板、頂桿;所述擠壓機包括設置于上部的主油缸、設置于下部的副油缸和底座;所述 保溫性擠壓模具包括相對設置的凸模和凹模，所述凸模由第一螺釘和第一固定板與所述擠 壓機連接，所述凸模的內部設置有加熱棒;所述凹模由第二螺釘和第二固定板與所述擠壓 機連接，所述凹模的內部設置有加熱絲;所述推板設置于所述副油缸的頂端，所述推板的上 表面連接有頂桿，用于將擠壓鑄造成型的鑄件頂出。
[0034] 上述系統中，作為一種優選實施方式，所述保溫性輸料管由內至外依次由輸料管 加熱絲、輸料管保溫棉、殼體構成。
[0035] 上述系統中，作為一種優選實施方式，所述保溫性輸料管由頭尾相接的第一水平 部、與所述第一水平部垂直的第一豎立部、與所述第一豎立部垂直的第二水平部、與所述第 二水平部垂直的第二豎立部構成，其中所述第一水平部的頭端與所述保溫裝置的底部出口 相連，水平延伸一定距離后來到所述第一水平部的尾端，在所述第一水平部的尾端向上彎 曲延伸一定距離后來到所述第一豎立部的尾端，在所述第一豎立部的尾端彎曲后水平延伸 一定距離形成所述第二水平部，并在所述第二水平部的尾端向下彎折形成所述第二豎立 部，在所述第二豎立部的尾端為向所述凹模內澆注所述鋁合金半固態漿料的開口；更優選 地，所述電磁栗設置在所述保溫性輸料管的第一豎立部內。
[0036] 對用本發明提供的方法制備的鋁合金半固態擠壓鑄件的形貌、色澤、金相組織、 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；用微機控制電子萬能試 驗機進行抗拉強度分析;用掃描電鏡進行拉伸斷口分析;用布氏硬度計進行硬度分析。用本 發明提供的方法制備的鋁合金半固態擠壓鑄件為塊體，硬度可達82.9HB，抗拉強度可達 279Mpa〇
[0037] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0038] (1)本發明針對鋁合金壓鑄件強度低、不可熱處理強化的情況，以鋁合金為原材 料，經在真空熔煉爐熔煉、半固態漿料制備、擠壓成型，制成半固態擠壓鑄件，此制備方法工 藝先進，工序嚴密，數據精確翔實，制備的鋁合金半固態擠壓鑄件經熱處理后硬度可達 82.9HB，抗拉強度可達279Mpa，是十分理想的鋁合金半固態成型方法。
[0039] (2)本發明采用彎曲通道優選準蛇形通道法制備金屬半固態漿料，工藝簡單，制備 成本較低，利用準蛇形通道的自攪拌作用，打碎枝晶；同時準蛇形通道澆口溫度較低，合金 液獲得較大的過冷度，大量形核，細化晶粒，從而得到初步的半固態漿料；同時降低了半固 態漿料制備成本。
[0040] (3)本發明采用電磁栗澆注，半固態漿料在洛倫茲力的作用下，澆注到擠壓模具型 腔，通過PLC控制，實現自動澆注和定量澆注，解決了半固態成型過程中漿料轉移難題。
【附圖說明】
[0041] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發 明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0042] 圖1為鋁合金半固態擠壓鑄造的系統示意圖；
[0043]圖2為實施例1制備的鋁合金半固態擠壓鑄件金相顯微組織圖；
[0044] 圖3為實施例1制備的鋁合金半固態擠壓鑄件拉伸斷口形貌圖；
[0045] 圖4為常規方法制備的鋁合金液態擠壓鑄件金相顯微組織圖。
【具體實施方式】
[0046] 以下將通過實施例結合附圖對本發明的內容做進一步的詳細說明，本發明的保護 范圍包含但不限于下述實施例。
[0047] 實施例中未注明具體實驗步驟或條件者，按照本領域內的文獻所描述的常規實驗 步驟的操作或條件即可進行。實施例中使用的各種試劑和原料均為市售產品。
[0048] 實施例1
[0049]運用本發明提供的鋁合金半固態擠壓鑄造方法制備鋁合金半固態擠壓鑄件。本實 施例使用的化學物質材料為:鋁合金、氧化鋅、水玻璃、鋁箱、丙酮、去離子水、氬氣;其準備 用量如下（以克、毫升、厘米3為計量單位）： 鋁合金：ZAlSi7Mg 固態塊體，2000g土 l()g 氧化鋅：ZnO 丨〇〇g±lg 水玻璃：Na2Si03· 9H，0 50g±ig
[0050]錯箔：A1 300mmX 0.5mmX30Qmm I人jft: C3H60 600mL±l()mL 2;離 /-水·· H，0 1 OOOmL ± 50mL 氬氣：Ar lOOOOOcm3± 丨()0 cm3
[0051 ]具體制備方法如下：
[0052] (l)制備擠壓模具
[0053] 擠壓模具為長方形，材質為不銹鋼，模具型腔尺寸為120mmX 30mmX 50mm，型腔表 面粗糙度為RaO · 08-0 · 16μπι。
[0054] (2)配制涂覆劑及涂覆擠壓模具
[0055] 稱取氧化鋅50g± lg、水玻璃10g± lg，量取去離子水500mL± 5mL，加入混漿機中進 行攪拌，攪拌轉數50r/min，攪拌時間80min;攪拌后成乳白色懸浮狀液體，即涂覆劑。用涂覆 劑均勻涂覆上述擠壓模具的型腔表面，涂覆層厚度為〇. 3-0.5mm。
[0056] (3)鋁合金預處理
[0057]①將鋁合金塊體用機械（比如用線切割等方式)切制成小塊體，小塊體尺寸<50mm X 50mm X 50mm;
[0058]②用鋁箱包覆切割后的鋁合金小塊體（用鋁箱包覆可以減少與空氣的接觸，降低 鋁合金被氧化的幾率）；
[0059]③預熱：將包覆的鋁合金小塊體置于加熱爐內預熱，預熱溫度200°C±5°C，預熱時 間15min〇
[0060] (4)制備鋁合金半固態漿料
[0061] 鋁合金的熔煉是在中頻感應熔煉爐內進行的，在中頻感應加熱、抽真空、氬氣底吹 過程中完成。具體步驟如下：
[0062] ①打開中頻感應熔煉爐，清理石墨熔煉坩堝內部，并用丙酮清洗，使坩堝內部潔 凈；
[0063] ②將包覆鋁箱的鋁合金塊置于坩堝底部；
[0064] ③關閉中頻感應熔煉爐，并密閉；然后開啟真空栗，抽取爐內空氣，使爐內壓強< 10Pa;再開啟中頻感應熔煉爐加熱器，開始加熱，加熱溫度600°C ± 5°C，加熱時間為40min;
[0065] ④在石墨坩堝底部通入氬氣底吹管，向坩堝內輸入氬氣，氬氣底吹速度1000C3/ min，使爐內壓強保持在0.045MPa，并由出氣管閥調控;繼續加熱熔煉，熔煉溫度為720°C ± 5 °C，在此溫度恒溫保溫20min。
[0066] 澆注：關閉氬氣底吹管，除去坩堝內熔液表面熔渣，然后啟動半固態漿液制備裝 置，將石墨坩堝嘴對準具有四個彎道的準蛇形通道澆口，將鋁合金熔液澆注至保溫裝置 中，澆注時的熔液溫度為700°C ;其中，準蛇形通道澆口的通道直徑為25mm，四彎道澆口高度 為380mm，饒注速度0 · 5kg/s。
[0067] 保溫:通過準蛇形通道澆口的初步形成的鋁合金半固態漿料在保溫爐中保溫，保 溫溫度為580°C，保溫時間為15-20min。
[0068] (5)擠壓成型
[0069] 小車移動至指定位置，接好鋁合金半固態漿料輸送裝置并通過鋁合金半固態漿料 輸送裝置將保溫后的半固態漿料定量澆注到擠壓成型裝置中的凹模型腔內，之后小車連同 鋁合金半固態漿料輸送裝置退回，啟動擠壓機進行擠壓，擠壓壓強為l〇〇MPa，保壓時間20s; 啟動擠壓機的同時要給模具加熱，使模具溫度維持在200°C。加熱模具是為了使模具在一個 較高的溫度下工作，主要是在擠壓機開啟后前幾個鑄件生產時作用較大，連續生產時，主要 用來調節模具溫度，使模具處于一個較為穩定的溫度范圍，保證工藝的穩定性。
[0070] (6)脫模，冷卻:擠壓成型后繼續施壓15s，以使鑄件在高壓下凝固，細化晶粒，之后 頂出鑄件，在空氣中冷卻至25°C，最終得到鋁合金半固態擠壓鑄件。
[0071] (7)熱處理工藝：將步驟(7)制備的鋁合金半固態擠壓鑄件進行固溶處理，固溶溫 度535 ± 5°C，固溶時間5h，然后采用80°C左右的溫水淬火;隨后進行人工時效處理:時效溫 度為200 ± 5 °C，時效時間4h，最后空冷。
[0072] (8)檢測、分析、表征
[0073]對經熱處理的鋁合金半固態擠壓鑄件的形貌、色澤、金相組織、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；用微機控制電子萬能試驗機進行抗拉強 度分析;用掃描電鏡進行拉伸斷口分析;用布氏硬度計進行硬度分析。具體結果見表1。 [0074]表1本實施例制備的鑄件的平均布氏硬度和平均抗拉強度
[0077] 經檢測，本實施例制備的鋁合金半固態擠壓鑄件為塊體，經熱處理后硬度達 82.9HB，抗拉強度達279Mpa。圖2為本實施例制備的鋁合金半固態擠壓鑄件金相顯微組織 圖；從該圖可以看出，合金熔液經過準蛇形通道的冷卻和攪拌作用，初生α-Al變成近球狀， 枝晶狀的初生α-ΑΙ基本消失;此外，共晶Si的長條狀經過擠壓后被打散并分散在基體中。從 高倍圖（即圖2)可知共晶硅由細長的針狀被打斷變得細小，而且分布比較均勻;這和常規鑄 件的組織差別明顯，常規的鑄造組織如圖4所示（圖4為常規方法制備的鋁合金液態擠壓鑄 件金相顯微組織圖，該鑄件的制備工藝條件為:澆注溫度為720°C，擠壓壓力為lOOMpa，保壓 時間為20s;經熱處理后，該鑄件的抗拉強度達241.5Mpa，硬度可達52.3HB)。圖3為本實施例 制備的鋁合金半固態擠壓鑄件拉伸斷口形貌圖，經過掃描電鏡發現，鋁合金半固態擠壓鑄 件致密度增加，呈現明顯的韌性斷裂特征。
[0078] 實施例2
[0079] 本實施例提供一種鋁合金半固態擠壓鑄造的系統，如圖1所示，該系統可應用于上 述鋁合金半固態擠壓鑄造的方法中，用于制備鋁合金半固態擠壓鑄件，該系統包括：
[0080] 鋁合金半固態漿料制備裝置，包括澆口 13和保溫裝置17;其中：澆口 13設置于保溫 裝置17的入口處且與保溫裝置17內部連通，用于接收熔煉得到的鋁合金并初步制備鋁合金 半固態漿料;保溫裝置17用于接收通過澆口 13的初步制備得到的鋁合金半固態漿料并保 溫，以形成組織均勻的鋁合金半固態漿料；
[0081] 擠壓成型裝置，包括保溫性擠壓模具（2,21)，用于將來自保溫裝置17的鋁合金半 固態漿料擠壓成型。
[0082] 優選地，上述系統還包括:鋁合金半固態漿料輸送裝置，用于將鋁合金半固態漿料 輸送至保溫性擠壓模具21中；其中鋁合金半固態漿料輸送裝置包括:保溫性輸料管7,進口 與保溫裝置17的出口連接，出口伸入所述擠壓成型裝置內且與保溫性擠壓模具21對齊;和 電磁栗19,設置于保溫性輸料管7進口與出口之間；更優選地，電磁栗19通過可編程邏輯控 制器(PLC)控制，以實現自動和定量澆注。
[0083]優選地，鋁合金半固態漿料制備裝置還包括:套筒14,用于固定澆口 13于保溫裝置 17的入口處;和支撐套筒14的升降裝置15,以便于移動澆口 13;更優選地，鋁合金半固態漿 料制備裝置還包括小車16,升降裝置15固定于小車16上，保溫裝置17放置于小車16上。
[0084]優選地，保溫裝置17包括:位于內層的保溫加熱絲11;位于保溫加熱絲11之外的外 層保溫棉12。
[0085]優選地，擠壓成型裝置包括擠壓機1、保溫性擠壓模具（2,21)、推板26、頂桿27;擠 壓機1包括設置于上部的主油缸6、設置于下部的副油缸25和底座24;保溫性擠壓模具（2， 21)包括相對設置的凸模2和凹模21，凸模2由第一螺釘4和第一固定板5與擠壓機1的機臺上 背板連接，凸模2的內部設置有加熱棒3;凹模21由第二螺釘22和第二固定板23與擠壓機1的 底座24連接，凹模21的內部設置有加熱絲20;推板26設置于副油缸25之上，推板26的上表面 連接有頂桿27,用于將擠壓鑄造成型的鑄件頂出。在凹模21的底部設置有供頂桿27穿過的 孔，在需要時，頂桿27穿過該孔而將鑄件從凹模21內頂出。由于在凹模21和凸模2內分別設 置有加熱用的加熱絲20和加熱棒3,所以在擠壓時可以實現保溫性擠壓。
[0086] 優選地，保溫性輸料管7由內至外依次由輸料管加熱絲10、輸料管保溫棉9、殼體8 構成。
[0087] 優選地，保溫性輸料管7由頭尾相接的第一水平部、與第一水平部垂直的第一豎 立部、與第一豎立部垂直的第二水平部、與第二水平部垂直的第二豎立部構成;其中第一水 平部的頭端與保溫裝置17的底部出口相連，水平延伸一定距離后來到第一水平部的尾端， 在第一水平部的尾端向上彎曲延伸一定距離后來到第一豎立部的尾端，在第一豎立部的尾 端彎曲后水平延伸一定距離形成第二水平部，并在第二水平部的尾端向下彎折形成第二豎 立部，在第二豎立部的尾端為向凹模21內澆注鋁合金半固態漿料的開口；更優選地，電磁栗 19設置在保溫性輸料管7的第一豎立部內。
[0088] 優選地，澆口 13為彎曲通道模具，比如準蛇形通道澆口或螺形管通道澆口；對于準 蛇形通道模具而言，一般情況下設置3-5個彎道;比如，通道直徑為25mm，三彎道模具高度為 310mm、四彎道模具高度為380mm、五彎道模具高度為450mm。饒口 13還可以是具有倒置錐形 通道的澆口，但準蛇形通道效果最佳。
[0089] 按圖1鋁合金半固態擠壓鑄造的系統示意圖所示，安裝裝置，各部位置要正確，按 序操作。具體工作過程如下:經預處理的鋁合金熔煉完成后，關閉氬氣底吹管，除去坩堝內 熔液表面熔渣，然后啟動澆注系統，小車移動至指定位置，將石墨坩堝嘴對準蛇形通道澆口 13,將得到的液態鋁合金通過準蛇形通道澆口 13定量澆注到保溫裝置17中，澆注完畢，小車 退回。通過準蛇形通道澆口 13澆注得到的半固態漿料在保溫裝置17中保溫，保溫一段時間 后形成鋁合金半固態漿料18;鋁合金半固態漿料18通過電磁栗19和保溫性輸料管7進入凹 模21，啟動擠壓機進行擠壓成型;擠壓成型后繼續施壓，頂桿27頂出鑄件，在空氣中冷卻至 25 °C，最終得到鋁合金半固態擠壓鑄件。
【主權項】
1. 一種鋁合金半固態擠壓鑄造的方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一，鋁合金預處理:先將鋁合金塊體切制成鋁合金小塊體后分別用鋁箱包覆，然后 將包覆的鋁合金小塊體預熱； 步驟二，熔煉:將預熱好的所述鋁合金小塊體熔煉，得到液態鋁合金； 步驟三，鋁合金半固態漿料的制備：將步驟二得到的液態鋁合金通過具有彎曲通道或 倒置錐形通道的澆口注入到保溫裝置中進行保溫，得到鋁合金半固態漿料； 步驟四，擠壓成型處理:將步驟三得到的所述鋁合金半固態漿料澆注到保溫性擠壓模 具，進行擠壓成型處理； 步驟五，脫模冷卻:在所述擠壓成型處理完成后繼續施壓，之后頂出鑄件，空冷，最終得 到鋁合金半固態擠壓鑄件。2. 根據權利要求1所述的鋁合金半固態擠壓鑄造的方法，其特征在于， 步驟一中，所述預熱的溫度為180_220°C，所述預熱的時間為10_25min;優選地，所述預 熱的溫度為195°C-205°C，所述預熱的時間為15min;所述鋁合金小塊體尺寸彡50mm X 50mm X 50mm; 步驟二中，所述熔煉是在中頻感應熔煉爐內進行的，且在中頻感應加熱、抽真空、氬氣 底吹過程中完成的； 優選地，步驟二的熔煉包括先后進行的第一子步驟和第二子步驟，所述第一子步驟中， 抽真空至所述中頻感應熔煉爐內壓強彡l〇Pa;加熱溫度為580-620 °C，加熱時間為30-45min，更優選加熱溫度為595-605 °C，加熱時間為40min;所述第二子步驟中，進行氬氣底 吹，氬氣速度為800-1200C3/min，氬氣速度優選為1000C 3/min，使中頻感應熔煉爐內壓強保 持在0.045Mpa，此時繼續加熱升溫至680-750 °C進行熔煉，更優選加熱升溫至715-725 °C進 行恪煉，并恒溫保溫15_30min，更優選恒溫保溫為20min。3. 根據權利要求1所述的鋁合金半固態擠壓鑄造的方法，其特征在于， 步驟三中，所述彎曲通道為準蛇形通道或螺形管通道;優選地，所述彎曲通道設置有3-5個彎道；進一步地，所述液態鋁合金注入所述保溫裝置時的流速為0.2-lkg/s，優選為 0.5kg/s； 步驟三中，所述保溫的溫度為550-620°C，保溫的時間為15-20min。4. 根據權利要求1所述的鋁合金半固態擠壓鑄造的方法，其特征在于，步驟四中，所述 擠壓成型的擠壓壓強為80-120MPa，保壓時間為15-30s，保溫性擠壓模具的溫度為180-220 °C ;優選地，擠壓壓強為lOOMpa，保壓時間為20s，保溫性擠壓模具的溫度為200°C ; 優選地，步驟四中，在所述鋁合金半固態漿料澆注到擠壓模具之前還包括擠壓模具的 型腔表面預處理：用涂覆劑均勻涂覆所述擠壓模具的型腔表面，涂覆層厚度為〇. 3-0.5mm; 所述涂覆劑的配制方法包括如下步驟:稱取一定量的氧化鋅和水玻璃，加入一定量的去離 子水，攪拌均勻得到乳白色懸浮狀液體，即涂覆劑;更優選地，所述氧化鋅、水玻璃與去離子 水的質量比為4-6:1:40-60;所述攪拌的轉數為40-60r/min，攪拌時間為60-90min，進一步 地，所述攪拌的轉數為50r/min，攪拌時間為80min。5. 根據權利要求1所述的鋁合金半固態擠壓鑄造的方法，其特征在于，步驟五中在所述 擠壓成型處理完成后繼續施壓15-20S; 優選地，步驟五之后還包括熱處理步驟，具體方法如下：首先進行固溶處理，固溶溫度 535 ± 5°C，固溶時間5h;然后采用75-85 °C的溫水淬火;之后進行時效處理:時效溫度為200 ± 5 °C，時效時間4h，最后空冷至室溫。6. -種制備鋁合金半固態漿料用澆口，其特征在于，所述澆口具有彎曲通道或倒置錐 形通道;優選地，所述彎曲通道設置有3-5個彎道。7. -種鋁合金半固態擠壓鑄造的系統，其特征在于，包括： 鋁合金半固態漿料制備裝置，包括:權利要求6所述的澆口和保溫裝置;其中： 所述澆口設置于所述保溫裝置的入口處且與所述保溫裝置內部連通，用于接收熔煉得 到的液態鋁合金并初步制備所述鋁合金半固態漿料;所述保溫裝置用于接收通過所述澆口 的初步制備得到的所述鋁合金半固態漿料并保溫，以形成組織均勻的鋁合金半固態漿料； 擠壓成型裝置，包括保溫性擠壓模具，用于將來自所述保溫裝置的所述鋁合金半固態 漿料擠壓成型。8. 根據權利要求7所述的系統，其特征在于，所述系統還包括:鋁合金半固態漿料輸送 裝置，用于將所述鋁合金半固態漿料輸送至所述保溫性擠壓模具中；其中所述鋁合金半固 態漿料輸送裝置包括:保溫性輸料管，進口與所述保溫裝置的出口連接，出口伸入所述擠壓 成型裝置內且與所述保溫性擠壓模具對齊;和電磁栗，設置于所述保溫性輸料管進口與出 口之間； 優選地，所述電磁栗通過可編程邏輯控制器控制，以實現自動和定量澆注； 更優選地，所述保溫性輸料管由內至外依次由輸料管加熱絲、輸料管保溫棉、殼體構 成； 進一步地，所述保溫性輸料管由頭尾相接的第一水平部、與所述第一水平部垂直的第 一豎立部、與所述第一豎立部垂直的第二水平部、與所述第二水平部垂直的第二豎立部構 成，其中所述第一水平部的頭端與所述保溫裝置的底部出口相連，水平延伸一定距離后來 到所述第一水平部的尾端，在所述第一水平部的尾端向上彎曲延伸一定距離后來到所述第 一豎立部的尾端，在所述第一豎立部的尾端彎曲后水平延伸一定距離形成所述第二水平 部，并在所述第二水平部的尾端向下彎折形成所述第二豎立部，在所述第二豎立部的尾端 為向所述凹模內澆注所述鋁合金半固態漿料的開口； 進一步地，所述電磁栗設置在所述保溫性輸料管的第一豎立部內。9. 根據權利要求7所述的系統，其特征在于，所述擠壓成型裝置包括擠壓機、保溫性擠 壓模具、推板、頂桿;所述擠壓機包括設置于上部的主油缸、設置于下部的副油缸和底座;所 述保溫性擠壓模具包括相對設置的凸模和凹模，所述凸模由第一螺釘和第一固定板與所述 擠壓機連接，所述凸模的內部設置有加熱棒;所述凹模由第二螺釘和第二固定板與所述擠 壓機連接，所述凹模的內部設置有加熱絲;所述推板設置于所述副油缸的頂端，所述推板的 上表面連接有頂桿，用于將擠壓鑄造成型的鑄件頂出。10. 根據權利要求7所述的系統，其特征在于， 所述保溫裝置包括:位于內層的保溫加熱絲;位于所述保溫加熱絲之外的外層保溫棉； 優選地，所述鋁合金半固態漿料制備裝置還包括:套筒，用于固定所述澆口于所述保溫 裝置入口處;和支撐所述套筒的升降裝置，用于移動所述澆口；更優選地，所述鋁合金半固 態漿料制備裝置還包括小車，所述升降裝置固定于所述小車上，所述保溫裝置放置于所述 小車上。
【文檔編號】B22D17/20GK106077558SQ201610446993
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月20日
【發明人】侯華, 田晉忠, 魯若鵬, 程書建, 趙宇宏, 王冰
【申請人】中北大學