径向锻应变诱发法制备发动机铝合金凸轮轴的半固态工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属半固态加工与成形技术领域，尤其涉及径向锻应变诱发法制备发动机铝合金凸轮轴的半固态工艺。
【背景技术】
[0002]近年来，随着人们对生活环境的要求不断提高，节能减排成为了新课题。而节能减排的重要手段即为实现汽车的轻量化以减少汽车尾气的排放。因此，在不影响零件性能的前提下，使零件尽可能简化加工、降低重量，材料使用更加合理。轻量化具体包括材料轻量化、工艺轻量化和结构轻量化。材料轻量化主要是指用轻质的有色金属取代钢铁铜等，如铝合金和镁合金。如铝合金具有非常好的铸造性能和加工性能。
[0003]凸轮轴是汽车发动机配气机构中重要的零件，专门负责驱动气门按时开启和关闭，保证发动机在工作中定时为汽缸吸入新鲜的可燃混合气并及时将燃烧后的废气排出汽缸。传统的凸轮轴大多是铸造或锻造生产，部分场合也存在组合式装配凸轮轴。铸造式凸轮轴主要有冷硬铸铁、淬火铸铁等。近年开发了重融冷硬铸铁、淬火球墨铸铁等多种形式的凸轮轴，但因成本等原因其应用范围有限。此外，铸造凸轮的尺寸精度粗糙，微观组织缺陷较多，机加工余量大，导致生产工艺复杂。而锻造式凸轮轴以碳钢为主进行热锻，但是锻造式凸轮轴的生产效率低、材料利用率低，设备负荷大，模具损耗严重。组合式凸轮轴由精密钢管和装配于其上的凸轮节组成，焊接连接式凸轮轴容易使焊接部位产生裂纹，产生的热变形使凸轮轴的尺寸精度降低，质量难以保证；烧结连接式凸轮轴需要在1000°c以上大型烧结炉内与钢管扩散连接，轴容易产生弯曲，造成尺寸精度误差，热效率不高；扩管法由于高压作业的特殊要求，也使其设备大型化。
[0004]为了进一步减轻凸轮轴的重量以及后续的机加工量，可以采用铝合金半固态挤压铸造技术生产铝合金凸轮轴代替铸铁或者碳钢凸轮轴。半固态加工技术即采用微观组织为球状晶粒悬浮在共晶液相的半固态坯料进行成形的工艺。半固态成形技术的关键在于制备具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料。但是常规的制备方法均有各自的缺点:对于机械搅拌法，高温对机械搅拌器存在严重的腐蚀作用，导致浆料不纯。对于电磁搅拌法，半固态或者液态的浆料对电磁搅拌器有强烈的热辐射作用，导致电磁搅拌器需要增加额外的隔热冷却装置，设备复杂。此外机械搅拌和电磁搅拌制备的半固态坯料内部存在成分偏析现象，坯料中心位置的微观组织较差，并且不可避免的存在微观孔洞，不能够获得均匀的、无缺陷的半固态坯料。而应变诱发激活法涉及到的主要塑性变形方法是压缩、乳制、等径角挤压、反复墩粗拔长等常规方法。但是这些方法制备大块坯料时，大塑性变形所需要的成形力过大，现有设备很难实现。因此不能够大批量的生产大尺寸的半固态坯料。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供径向锻应变诱发法制备发动机铝合金凸轮轴的半固态工艺，通过该工艺可以制备出均匀的、无微观缺陷的铝合金半固态坯料并成形出微观组织缺陷少、机械性能好的铝合金凸轮轴。
[0006]为了达到上述目的，本发明采取如下的技术方案:
[0007]径向锻应变诱发法制备发动机铝合金凸轮轴的半固态工艺，包括以下步骤:
[0008]I)预热铝合金棒材，将铝合金棒材随炉加热至250?350°C，并保温，对于不同直径的棒料具体的保温时间为0.5D?0.7D分钟，D为棒材的直径；
[0009]2)对铝合金棒材进行径向锻造，即通过机械手夹持预热铝合金棒材旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布四个锤头，沿坯料径向进行高频率往复锻打，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，断面收缩率达到60%以上，对于不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直径，锻打至所需的直径；
[0010]3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料放回电炉或者中频感应加热炉中进行二次重熔，即加热至585?595°C并保温15?20min，获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时铝合金棒材对应的固相率为35.5?52.5% ；
[0011]4)铝合金凸轮轴的挤压铸造，对模具型腔和芯棒进行预热，预热温度为200?300°C，并将按照凸轮轴毛坯体积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的速度从两侧向内挤压，挤压到位后上模具和芯轴持续加压，保证凸轮轴零件所受比压为80-100Mpa，直至零件完全凝固；
[0012]5)铝合金凸轮轴的后续处理，将半固态挤压铸造获得的凸轮轴进行T6热处理，并对凸轮节进行化学气相沉积处理，保证沉积层厚度达到5mm，硬度达到50HRC，最后磨削凸轮节。
[0013]相对于现有技术，本发明将径向锻造技术用于制备铝合金半固态坯料并制造铝合金凸轮轴零件具有以下优点:
[0014]1.本发明所采用的径向锻造技术采用多次小变形连续锻造的方式实现坯料的大塑性变形，大大降低了塑性成形力，能够在小吨位的设备上连续大批量制造铝合金半固态坯料，具有成本低、连续生产能力强及性能高的特点。避免了传统应变诱发法采用的等径角挤压、乳制、反复锻造等工艺出现的变形材料尺寸增大则变形力过大，难以在现有设备上变形的缺点。因此该方法可取代或部分取代采用其他塑性变形方式制备的铝合金，镁合金，以及钢铁材料的半固态坯料，有效的解决其他塑性变形方法存在的体积限制的困难。通过径向锻造应变诱发法工艺制备出半固态浆料的微观组织良好，微观缺陷少，成形性能良好，，并且工艺过程简单，容易操作，避免了机械搅拌法和电磁搅拌法存在的成分偏析，微观组织不均匀的缺陷。
[0015]2.本发明采用半固态挤压铸造工艺成形铝合金凸轮轴的过程中，半固态浆料以层流运动的方式顺序充填模具型腔。层流运动有利于排出模具型腔内的空气，能够有效避免液态模锻时液态金属的紊流和喷射现象带来的气孔以及缩松缩孔等微观组织缺陷，成形后的零件由于其金相组织为独立细小的球状晶分布在低熔点共晶体上，避免了液态模锻件或者铸造中传统枝晶组织而出现的微观应力集中。芯轴和上模同时保压至零件凝固，能够最大限度的消除气孔以及缩松缩孔等微观组织缺陷，并且成形零件可以进行热处理进一步增强零件的机械性能。铝合金在T6热处理后的拉伸强度可达到290?310Mpa，伸长率达到8% -10%，机械性能与铸铁凸轮轴相当。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的工艺原理示意图。
[0017]图2是本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图，以ΦΙΟΟπιπι的铝合金棒举例，对本发明作进一步的详细说明。
[0019]参照图1和图2，径向锻应变诱发法制备发动机铝合金凸轮轴的半固态工艺，包括以下步骤:
[0020]I)预热铝合金棒材，将Φ 100铝合金棒材随炉加热至250?350°C，并保温60?70分钟，保证整个坯料热透；
[0021]2)对铝合金棒材进行径向锻造，即通过机械手夹持预热铝合金棒材旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布四个锤头，沿坯料径向进行高频率往复锻打，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，断面收缩率达到60%以上，对于不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直径，锻打至所需的直径；
[0022]3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料放回电炉或者中频感应加热炉中进行二次重熔，即加热至585?595°C并保温15?20min，获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时铝合金棒材对应的固相率为35.5?52.5% ；
[0023]4)铝合金凸轮轴的挤压铸造，对模具型腔和芯棒进行预热，预热温度为200?300°C，并将按照凸轮轴毛坯体积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的速度从两侧向内挤压，挤压到位后上模具和芯轴持续加压，保证凸轮轴零件所受比压为80-100Mpa，直至零件完全凝固；
[0024]5)铝合金凸轮轴的后续处理，将半固态挤压铸造获得的凸轮轴进行T6热处理，进一步增加其力学性能，并对凸轮节进行化学气相沉积处理，保证沉积层厚度达到5mm，硬度达到50HRC以增强表面的耐磨性，最后磨削凸轮节保证其型线。
[0025]通过以上步骤，能够获得80?10um的球状晶粒均匀的分布在共晶基体中且微观组织缺陷较少的铝合金半固态坯料，显著的减少了成分偏析、缩松缩孔等微观缺陷。通过半固态铝合金坯料的层流式顺序充填模具型腔，可制备出气孔少，缩松缩孔少，组织均匀的铝合金凸轮轴制件，并通过T6热处理增强零件的力学性能以及化学气相沉积增强凸轮节部位的表面硬度和耐磨性。
【主权项】
1.径向锻应变诱发法制备发动机铝合金凸轮轴的半固态工艺，其特征在于，包括以下步骤: 1)预热铝合金棒材，将铝合金棒材随炉加热至250?350°C，并保温，对于不同直径的棒料具体的保温时间为0.5D?0.7D分钟，D为棒材的直径； 2)对铝合金棒材进行径向锻造，即通过机械手夹持预热铝合金棒材旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布四个锤头，沿坯料径向进行高频率往复锻打，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，断面收缩率达到60%以上，对于不同尺寸的零件，按照其零件所需的坯料直径，锻打至所需的直径； 3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料放回电炉或者中频感应加热炉中进行二次重熔，即加热至585?595°C并保温15?20min，获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时铝合金棒材对应的固相率为35.5?52.5% ； 4)铝合金凸轮轴的挤压铸造，对模具型腔和芯棒进行预热，预热温度为200?300°C，并将按照凸轮轴毛坯体积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的速度从两侧向内挤压，挤压到位后上模具和芯轴持续加压，保证凸轮轴零件所受比压为80-100Mpa，直至零件完全凝固； 5)铝合金凸轮轴的后续处理，将半固态挤压铸造获得的凸轮轴进行T6热处理，并对凸轮节进行化学气相沉积处理，保证沉积层厚度达到5mm，硬度达到50HRC，最后磨削凸轮节。
【专利摘要】径向锻应变诱发法制备发动机铝合金凸轮轴的半固态工艺，先预热铝合金棒材，对铝合金棒材进行径向锻造，径向锻造后坯料的二次重熔，然后进行铝合金凸轮轴的挤压铸造，最后径向铝合金凸轮轴的后续处理，通过该工艺可以制备出均匀的、无微观缺陷的铝合金半固态坯料并成形出微观组织缺陷少、机械性能好的铝合金凸轮轴，工艺过程简单，容易操作。
【IPC分类】B22D18-02, B21J5-00, B23P15-14, B21K1-12, B21J5-06
【公开号】CN104624914
【申请号】CN201410828403
【发明人】赵升吨, 张晨阳, 王永飞, 韩晓兰, 李靖祥
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2014年12月26日