本发明涉及一种一体化模锻成型工艺。
背景技术：
：：液态模锻虽然综合了传统铸造、锻造的优点，但仍然是以凝固为主的成形，因此与固态模锻生产出的锻件相比在性能上仍然存在着一定的差距，主要原因是塑性变形量小，组织状态不是经变形的细晶组织。为了提高两种成形技术制件的性能，近年来一些学者提出采用先铸造制坯，然后进行普通热模锻，这种方法只适用于简单形状零件，主要目的是节约材料。有鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种一体化模锻成型工艺，使其更具有产业上的利用价值。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种提高和精确控制液态模锻制件组织性能的一体化模锻成型工艺。本发明一体化模锻成型工艺，用于制备t型件，所述的工艺需采用t型件成型系统完成，其中所述的t型件成型系统包括：锻模模具、压力控制装置，所述锻模模具至少包括t型成组件，所述t型成组件包括：凸模、左凹模、右凹模以及左滑块、右滑块，在所述的左滑块、右滑块上分别压设有的液压活塞；所述压力控制装置控制所述的左滑块、右滑块的移动，并通过调节压力控制装置的压力大小实现不同的速度；所述的工艺至少包括如下步骤：制备铝基复合材料；锻模模具进行预热，预热温度为250℃±10℃；根据铝基复合材料的液相温度确定浇筑温度，将熔融成液相的金属倒入容置液态铝基复合材料的空腔内，液态金属液填充t型件轴线垂直的圆柱体，在第一压力下进行液态填充，冲头压力小于或等于压在左滑块、右滑块上的液压活塞，冲头加载速度为15mm/s，冲头加载完成后保压20s，铝基复合材料凝固后在第二压力下继续加载冲头，使已凝固的金属部分推动所述的左滑块、右滑块向外移动，所述的左滑块、右滑块到达设定位置后，停止冲头加载，通过塑性变形完成两个轴线水平不等径地圆柱部分的成形；其中，第一压力小于第二压力。铝基复合材料的制备方法包括：基体材料为2a50锻铝合金，增强体材料为sicp颗粒，sicp颗粒颗粒度为7μm，体积分数8％；对sicp颗粒进行预处理，得到备用的增强体颗粒；熔炼2a50铝合金：用坩埚熔炼铝合金到640℃～660℃，加入精炼剂，精炼5分钟后除渣，除渣时对铝合金液进行搅拌，并上、下移动；在铝合金液中加入1.5wt％～2wt％的纯mg；sicp颗粒预热：将sicp颗粒用10g铝箔包裹起来，放入加热炉的坩埚中加热至600℃，并保温30min至60min；先将预热后的sicp颗粒加入搅拌坩埚内，然后加入铝合金液，进行加热，当温度加热至680℃以上时、保温30min以上后开始搅拌，搅拌时，依据坩埚内的材料含量调节搅拌棒的上下位置，每搅拌3至5分钟后改变搅拌棒旋转方向；搅拌温度680℃～700℃，搅拌时间：60min，搅拌速度：875r/min。进一步地，对sicp颗粒进行预处理具体包括：酸洗：用10％的hf溶液浸泡sicp颗粒24h进行酸洗；清洗：对酸洗24h后的sicp悬浊液用大量蒸馏水多次清洗，每1～2小时换一次蒸馏水，直至溶液达到中性；烘干：把sicp液体表面的清水除去，在烘干箱中140℃～160℃的条件下烘干24h～28h；研磨：烘干后的sicp出现结块现象，用研钵进行研磨，使其成为粉末状，研磨之后密封保存；烧结：经过上述过程处理的sicp需要在800℃±5℃高温下烧结2～3小时。进一步地，所述的烧结过程具体为：将坩埚放入加热炉中随炉预热到100℃～150℃，将sicp颗粒放入坩埚中随炉加热到300℃～400℃，保温30min左右，并不断搅拌；加热到800℃进行烧结，烧结过程中需要不断搅拌；随炉冷却至室温。进一步地，所述锻模模具包括下模板通过螺塞固定在下模板上的垫板，对置在所述垫板上的凹模固定套，所述左凹模、右凹模分别通过左法兰、右法兰连接在所述凹模固定套上，所述左滑块设置在所述左凹模上，所述右滑块设置在所述右滑块上，在所述的左滑块、右滑块上分别压设有的液压活塞，所述的凸模与左凹模、右凹模单边间隙为0.06至0.1mm；还包括上模板通过螺栓固定在上模板上的凸模固定板，所述凸模固定板和上模板之间设有凸模垫板。进一步地，压力控制装置包括：油箱、液压泵、溢流阀、节流阀、换向阀和液压缸；启动后，通过节流阀调节油压的压力，以不同地速率带动油缸活塞移动，直到满足压力机继续施压后的行程为止，压力控制装置由两个油缸来控制左、右两个滑块。进一步地，还包括固定连接装置，所述固定连接装置包括：平行间距设置的固定环和移动环，所述的固定环、移动环均与两根导柱连接，所述导柱上设有螺纹，所述移动环上套设有导套，所述导套内设有于所述导柱上螺纹配合的螺纹，所述导套下方的导柱上设有螺母，所述的移动环通过两根带螺纹的导柱和螺母支撑起来，所述压力控制装置的液压缸设置在所述移动环上，所述移动环可通过螺纹调节高度，控制液压缸的中心与锻模模具的左、右滑块的中心在同一水平高度。进一步地，t型件成型系统还包括：液压机、加热炉、温控仪、可控硅温度仪；采用可控温度仪和开式加热炉做为加热熔化金属，开式加热炉的功率为10kw，温度传感器材料为镍铬-镍硅合金，采用4根电阻丝加热模具；在电阻丝内外加装瓷管，并在加热时包裹耐火的石棉材料来减少模具与环境的热交换；采用xmt-101数显温度控制仪器测量模具的温度，温度控制装置的测量范围是1-1300摄氏度，误差小于等于1摄氏度；线圈电压380v，可以实现过电压和过电流保护；所述液压机为2000kn液态模锻液压机。进一步地，采用机油石墨润滑剂对所述锻模模具进行润滑，将质量分数为5％的石墨粉加入到质量分数为95％的机油中，均匀搅拌后用喷枪喷涂在模具型腔表面，其厚度为0.05-0.1mm。进一步地，所述第一压力为10mpa、20mpa或30mpa；所述t型成组件的材质为5crnimo。进一步地，还包括将t型件固溶在温度525℃保温了2个小时，取出后淬火，再在175℃时效8小时，对所述t型件进行硬度测试。借由上述方案，本发明一体化模锻成型工艺至少具有以下优点：在一个模具形腔中，液态金属首先在一个较低压力作用下完成充型、凝固，获得与成形零件形状相近的毛坯；继续增加压力后已成形金属会迫使一些活动模块产生移动，释放出一些模具空间，同时使预段毛坯在压力作用下实现了真正意义上的塑性变形，最后获得成形零件。此技术对提高和精确控制液态和半固态模锻制件组织性能有重要意义，为汽车轻量化和重型机械、武器装备采用轻质铝基复合材料制件提供一项高效、节能的近净成形技术奠定理论基础。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1是本发明模锻模具的结构示意图；图2是本发明压力控制装置的结构示意图；图3是本发明固定连接装置的结构示意图；图4是本发明铝基复合材料的制备的流程图；1-上模板；2-凸模垫板；3-凸模；4-凸模固定板；5、10、17-螺栓；6、9-左、右凹模；7、13-左、右滑块；8、11-左、右法兰；12-液压活塞；14-凹模固定套；15-垫板；16-下模板；21-油箱；22-液压泵；23-溢流阀；24-节流阀；25-换向阀；26-液压缸；31-移动环；32-导柱；33-导套；35-固定环；36-螺母；37-止转销定。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。参见图1至图4，本发明一较佳实施例所述的一种一体化模锻成型工艺，工艺包括：在一个模具形腔中，液态或半固态金属首先在第一压力作用下完成充型、凝固，获得与成形零件形状的毛坯；施加第二压力后已成形金属会迫使一些活动模块产生移动，释放出一些模具空间，同时使预段毛坯在压力作用下实现了真正意义上的塑性变形，最后获得成形零件，其中，第一压力值小于第二压力值。本实施例选择形状简单的t形件做为一体化模锻的典型件，液态或半固态充填轴线垂直的圆柱体，两个轴线水平不等径的圆柱部分是在充填金属凝固后通过塑性变形而成。一体化成形过程中即要完成液态或半固态充填又要完成塑性变形，所以对成形装置要求较高，较复杂。本实施例一体化模锻系统，包括三个主要部分：模具部分、压力控制装置、固定连接装置。模具部分是成形装置的主体；压力控制装置控制活动滑块的移动，并通过调节其压力大小实现不同的速度；固定连接装置是将模具与压力控制装置连接起来并使模具活动型芯与液压缸匹配合适。模具设计的要点如下：(1)成形零件的模具材料液态和半固态模锻成形过程中，成形零件与熔融金属接触，要吸收大量的热量,因此可能因为温度过高而导致强度降低，这就要求选用的材料具有一定的强度、耐热性和耐蚀性。对模具钢进行适当的热处理以提高硬度，如果硬度不够，模具可能损伤。本试验成形零件选择5crnimo。(2)凸、凹摸间隙间隙要适当。凹、凸间隙过小，会因凸模与凹模产生的装配误差而相碰或咬住；过大，铝基复合材料熔液则可通过模具间隙喷出，①造成危险，②产生纵向飞边，减小加压效果，③阻碍冲头的下移,造成压力损失,使锻件尺寸不足,并加剧模具损伤，使间隙更大,造成恶性循环。根据实际生产经验单边间隙为0.06-0.1mm较为合适。(3)脱模结构由于零件的形状限制不能利用顶杆直接顶出制件，而是需要先顶出组合凹模，然后将组合凹模打开取出模锻件。同时为了方便取出凹模,在凹模与凹模模套之间需要设计一定的斜度。(4)排气熔融金属本身和倒入型腔过程中将会夹带一些气体，这些气体如果不排型腔,会阻碍金属充型，造成锻件内部裹气、外表面有气泡凹陷，严重影响制件的质量模。一般情形下，模具要设排气孔。本试验没有但设置排气孔，而是利用通过凸、凹模间隙将气体排出。t形件成形模具工作原理：在成形时，首先将熔融金属倒入组合凹模中，在较小的冲头3压力下进行液态填充，在填充时金属逐渐凝固。此时，液压机给冲头的力小于或等于活动滑块外部控制压力，所以滑块保持不动，型腔保持图中涂黑区域。继续加大压力，金属坯料对活动滑块的压力增大，逐渐超过活动滑块外部控制压力，已成形部分的金属将推动滑块6、13向外移动，型腔形状产生变化，型腔空间变大，此时充填形成的圆柱体(φ50)产生压缩塑性变形，两水平柱体(φ20，φ30)通过变径角挤亚剪切大塑性变形而成。本实施例中，(1)改变活动型芯的控制方式。原设计采用弹簧实现控制，在工作时，一可能会出现失效和压力随型芯位移量增大；二是控制压力小；三是弹簧元件及安装附件占用空间大，且不能得到大的型芯移动量，若要实现会使模具尺寸变得很大，因此可以设计一套液压系统来取代原来的弹簧。(2)在凹模外侧增加斜度以减小凹模与模套的接触面积，并用定位销定位，以控制飞边的形成，并起到减小成形后的脱模阻力的作用。压力控制装置由油箱、液压泵、溢流阀、节流阀、换向阀和液压缸六个部分组成，图2为其原理图。液压系统启动后，通过节流阀调节油压的压力，以不同地速率带动油缸活塞移动，直到满足压力机继续施压后的行程为止。此套系统由两个油缸来控制左、右两个滑块，由于左右两边圆柱面直径不同，所受到的压力也不一样，我们可以通过这套系统来增加更多的试验条件变化，从而对一体化模锻技术进行更充分地研究。为了固定和连接接活动滑块控制油压缸与成形模具设计了辅助设备，如图3所示的。这套辅助设备是由两个内外直径相同的大圆环组成，由两根带螺纹的导柱和螺母支撑起来的。上面的圆环可通过螺纹调节高度使控制油缸的中心与模具活动滑块的中心在同一水平高度。油压缸就固定在这个可以上下移动的圆环上。以铝基复合材料为例进行本发明的t型件组织性能的验证。在t型件5个点截取10mm×10mm×15mm的试样对其进行密度和硬度测试。1点为直径30mm滑块的接触端，2点为与直径20mm滑块接触的端面，3点和4点分别为两不同尺寸的转角处，5点为与冲头接触的上表面。微观组织结论：晶粒的形貌和大小受到压力和变形方向的影响，在晶界附近和部分晶粒处出现了一些黑色的点状物，这些点状物是一些析出相，由于铝基复合材料中mg的的含量较高，所以含有较多的mg2si相。液态充填模锻件密度测试结果与分析锻件的密度基本均匀，但仍存在着一定的分布规律：1、5点是与滑块接触位置密度较低，这是因为在是挤出φ30mm和φ20mm圆柱体的前端部分，挤出时没有参加塑性变形，是在充填时压力较小情况下的凝固组织，所以组织较疏松；2、4点位于转角处金属参与了剪切塑性变形，密度较大；与主冲头接触位置3，受到的压力大，类似镦粗变形，所以材料较致密；转角处即有上方金属传递的压力，又受到两侧已凝固金属的阻碍及油缸的压力，密度值较大。侧缸压力的变化对1、3、5点的影响规律不明显，但可以看到转角处的真密度随压力呈现增大的趋势。不同侧缸压力的真密度(g/cm3)硬度测试先要将模锻件进行固溶+人工时效的t6热处理，固溶在温度525℃保温了2个小时，取出后淬火，再在175℃时效8小时。(1)液态充填模锻件硬度测试结果下表是测试力100n，保压15s的硬度测量结果。从测量的结果来看，硬度与密度分布变化趋势相似，说明致密度是影响材料力学性能的重要因素之一。侧缸压力对与冲头接触的位置几乎不产生影响，而1、2、4、5位置的硬度值随着测缸压力的增加呈现增加的趋势。由于转角处产生了一定的塑性变形，所以此处在整个制件取点位置中硬度值最大，特别是小直径端转角处，由金相图即可知这里的塑性变形程度是最大的，与硬度测试结果基本吻合。1、3、5点的硬度值较低，这是因为成形中这几处实际上是一定压力下的凝固而成，这与密度测量的结果也是一致的。硬度测试结果2a50的性能参数铝合金2a50，属于铝-镁-硅-铜系高强度锻铝合金，热态下可塑性高，易于锻造、冲压，成形性能好，在固溶+时效后强度高，具有良好的抗蚀性能和可切削性能良好，主要用于制作外形复杂的锻件。其具体的成分及性能参数如表2-3、2-4、2-5所示：表2-32a50的化学成分table2-3composition(wt.％)of2a50aluminumalloy表2-42a50(t6)的力学性能table2-4mechanicalpropertiesof2a50aluminumalloy(t6)表2-52a50(t6)的物理性能table2-5physicalpropertiesof2a50aluminumalloy(t6)sicp颗粒及预处理：所用增强体性能参数如表2-6所示。表2-6sicp的性能指标table2-6propertiesofsicpsicp颗粒表面通常吸附着有机物、气体、水蒸气等杂质，这些杂质一般会对实验产生不利影响。为保证搅拌均匀，避免发生sicp颗粒团聚现象，在搅拌前需要对sicp颗粒进行预处理，具体过程如下：(1)酸洗——用10％的hf溶液浸泡sicp颗粒24h进行酸洗，充分去除表面杂质。酸洗时可以看到液体表面有一层黑灰色油状物质，且有大量气泡产生。(2)清洗——对酸洗24h后的sicp悬浊液用大量蒸馏水多次清洗，约每1～2小时换一次蒸馏水，直至溶液达到中性。是清洗后的sicp颗粒。可以看到，酸洗过后sicp呈绿色，表面有一薄层冲洗残留的黑灰色杂质，烘干之前将其除去。(3)烘干——把sicp液体表面的清水除去，在烘干箱中140℃～160℃的条件下烘干24h～28h。(4)研磨——烘干后的sicp出现结块现象，需用研钵进行研磨，使其成为粉末状，研磨之后密封保存。此时的sicp松散干燥，但颜色呈现一定的灰绿色。采用x射线荧光衍射(xrd)分析了酸洗前后的sicp颗粒的成分，发现酸洗前后成分变化很小，用扫面电子显微镜分析(sem)酸洗前后的sicp颗粒，其表面形貌如酸洗过程中除去了杂质，酸洗后sicp颗粒表面变得十分光滑平整，只有一些细小的颗粒附着，这将改善sicp颗粒与铝液表面润湿性，增强界面结合效果。(5)烧结——经过上述过程处理的sicp需要在800℃±5℃高温下烧结2～3小时。烧结过程为：将坩埚放入加热炉中随炉预热到100℃～150℃，以除去坩埚中的气体水分等；将sicp颗粒放入坩埚中随炉加热到300℃～400℃，保温30min左右，并不断搅拌；加热到800℃进行烧结，烧结过程中需要不断搅拌；随炉冷却至室温。经过酸洗、烘干、高温焙烧后的sicp为晶莹的绿色，其表面应有一层极薄的sio2，放入袋中，密封保存。通过高温烧结可以去除sicp颗粒表面吸附的o2、co2、co等有害气体杂质，改善sicp颗粒和铝液的润湿性。高温烧结还可以使sicp颗粒和o2发生化学反应，在sicp表面生成一层极薄的sio2薄膜氧化层，改变了sicp颗粒表面的性质，当其和熔化的al液接触时，是sio2和al液接触，其润湿性提高，可以获得更高的界面结合强度，sicp颗粒对复合材料的强化效果也会随之增加。一般情形下，sio2在高温下与液态合金中的al、mg元素发生反应生成镁铝尖晶石mgal2o4：改善了sicp和与液相基体合金的润湿性，同时，可防止sicp和al液直接接触生成针状脆性相al4c3。机械搅拌法制备sicp颗粒增强铝基复合材料复合材料的强度、硬度、耐磨性能等是靠材料的晶界来传递或支撑的，因此基体与增强体之间的界面结合情况、界面结构和性能等对材料的力学性能、导热、热膨胀性能、断裂过程都起着重要的作用。机械搅拌法制备铝基复合材料在液态或半固态下进行，不可避免的将发生不同程度的界面反应。轻微的界面反应能有效地改善基体与增强体的浸润和结合，是有利的。剧烈严重的界面反应将造成增强体的损伤并易形成脆性界面。因此在制备过程中要特别注意复合材料的界面结合。sicp/al成形特点及界面反应问题大量的研究结果表明，sicp和铝在温度超过660℃时发生界面反应：3sic+4al＝al4c3+3si(2-2)当温度超过700℃后，反应较剧烈。al4c3是较脆且不稳定的化合物，在许多环境下(水、乙醇、hcl)容易腐蚀。al4c3生成条件是(1)一定的反应温度，在660℃以上；(2)一定的保温时间，1小时以上。但是当基体合金铝合金中的si含量达到10％以上时，可以完全避免al4c3的生成。采用机械搅拌法制备sicp颗粒增强铝基复合材料时，搅拌时间一般小于1h。另外，sicp颗粒增强体经过高温焙烧的预处理后，在sicp表面氧化生成sio2，在制备过程中避免了sicp和al的直接接触。因此，在sicp同al基体的界面上不会形成al4c3。即使在材料制备后的一段冷却过程中，可能有一定量的al4c3生成，在界面上也是轻微反应，有利于界面结合。大量研究结果表明，mg属于表面活性元素，在金属活动性顺序中，mg的活性高于al，因此适量的mg将吸附于sicp颗粒增强体表面，在界面处可发生如下反应。上述反应的最终产物主要为游离硅和镁铝尖晶石mgal2o4，能降低sicp与铝液的润湿角，使界面张力降低，提高sicp与铝液的润湿性，同时反应(2-5)能减少搅拌时铝的氧化。镁铝尖晶石mgal2o4是一种稳定的化合物，作为一种良好的界面反应物存在于sicp颗粒和基体铝合金的界面处，当分布均匀、厚度适当时，有利于界面结合。本发明研究内容所用基体材料2a50铝合金含mg量为0.4％～0.8％，为了控制合适的界面反应，需要加入一定量的纯mg，为保证合金镁的成分，加入量控制在1.5％～2％之间。复合材料制备工艺对sicp颗粒的预处理是为了提高其与铝合金的润湿性而进行的，但是单纯处理sicp颗粒仍不能保证sicp颗粒与铝合金之间良好的界面结合，还需要对铝液成分、sicp颗粒加入方式、搅拌等工艺参数进行严格控制。(1)sicp预热为使sicp与铝液更好的结合，sicp需要预热。按预定的复合材料体积分数，将称量好的sicp用10g铝箔包裹起来，放入搅拌坩埚底部随炉加热至600℃，并保温30min以上。在此温度下可以充分除去sicp中的气体和水分，且加入铝液搅拌时能减小两者的温差，利于sicp颗粒与铝液间的润湿，使sicp在基体中的分布更均匀。(2)熔炼铝合金——用另外一个坩埚熔炼铝合金到640℃～660℃，加入精炼剂，精炼5分钟后除渣，除渣时用勺子搅拌铝液，并上、下移动，以除去铝液中的气体等杂质。然后在合金液中加入1.5wt％～2wt％的纯mg，以减小sicp颗粒和铝液的润湿角，降低其表面张力，增加润湿性。(3)机械搅拌制备复合材料将熔炼坩埚中铝液倒入搅拌坩埚中，在680℃、保温30min以上后开始搅拌。搅拌时，依据坩埚内的材料含量调节搅拌棒的上下位置，每搅拌几分钟后改变搅拌棒旋转方向，以便叶片产生的漩涡流能使所有材料都被搅到，使其均匀。(4)搅拌参数为探究搅拌温度、搅拌时间、搅拌速度等参数对制备复合材料性能的影响，本发明做了多组搅拌参数的材料制备。其参数范围为：铝合金液温度：600℃～720℃；搅拌时间：10min～100min；搅拌速度：550r/min，875r/min。以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本
技术领域：
：的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。当前第1页12当前第1页12