专利名称：触变挤压模制装置及触变挤压模制方法
技术领域：
本发明涉及触变挤压模制装置及触变挤压模制方法。
背景技术：
近年来，已进行过各种尝试以解决与包括汽车、飞机以及高速电力机车在内的运 输行业中的燃料消耗和环境污染相关的问题。在这些情况下，减轻重量逐渐变得重要。当 前，铝和镁被广泛用作减轻运输车辆重量的材料。热挤压典型地用于制造铝基或镁基元件和部件。热挤压在制造成本方面非常有 利，这是因为仅通过一个热变形步骤就可制造出高度精确和复杂的模制品。虽然以A2X X X和A7X X X为代表的高强度难加工的铝合金、Mg-Al-Zn基合金、 高强度ττ基ΖΚ60合金以及含铜ZC63合金具有比其它铝合金和镁合金高的比强度和比刚 度，但它们的生产率是其它铝合金和镁合金的生产率的五分之一或六分之一。造成高强度 合金的生产率低的原因是极大降低的可挤压性。进一步地，由于在挤压初始阶段的高压力， 高强度合金显著地缩短了挤压模制装置的寿命。此外，通过传统的热挤压工艺制造的模制 金属结构沿预定方向伸长并变得各向异性，导致模制金属的强度低。另一方面，已知压铸和触变挤压模制可用于制造铝合金和镁合金。根据触变挤压 模制工艺，在固相和液相共存的温度区域中挤压模制金属材料。因此，触变挤压模制是结合 了铸造和锻造工艺的固有优点的新的相变模制工艺。然而，触变挤压模制工艺具有如下问题，即半固态金属在挤压模制过程中可被点 燃。虽然保护气体可用于阻止半固态金属的点燃，但它们对人类有害，导致金属设备腐蚀、 并产生包括全球变暖在内的继发问题。可利用挤压模制装置制造金属棒材和金属管材。例如，通过在高压下挤压固态金 属或利用具有分流模的挤压模制装置来制造金属管材。然而，高压挤压工艺牵涉原料的高 损耗，且分流模挤压工艺具有形成焊缝的问题。
发明内容
技术问题本发明致力于解决现有技术中的上述问题，且本发明的目的是提供一种可在低挤 压压力下模制金属以获得高生产率且延长设备寿命的触变挤压模制装置和触变挤压模制 方法。本发明的另一目的是提供一种可在挤压模制过程中阻止金属伸长和各向异性以 提高金属强度的触变挤压模制装置和触变挤压模制方法。本发明的又一目的是提供一种可在挤压模制过程中减少所用的保护气体量同时 不会发生点燃的触变挤压模制装置和触变挤压模制方法。本发明的再一目的是提供一种可阻止形成焊缝以防止由于加压和膨胀而毁坏最 终模制品的触变挤压模制装置和触变挤压模制方法。
技术方案根据本发明第一方面，上述及其它目的可通过提供一种触变挤压模制装置来实现，该触变挤压模制装置包括容器，其具有第一贯通孔和加热器，在第一贯通孔内收容有 10至30重量份的半固态坯料，加热器安装在第一贯通孔的外部以保持半固态坯料的温度 恒定；杆，其可从容器的前部插入第一贯通孔以向后对半固态坯料加压；模具环，其耦接到 容器的后部并且具有多个冷却剂流入/流出孔以防止沿周向的热变形；模具本体，其设置 在模具环的内侧，并且具有第二贯通孔和多个热电偶插孔，第二贯通孔与容器的第一贯通 孔连通并且具有比容器的第一贯通孔的直径小的直径，半固态坯料被挤压通过第二贯通 孔，多个热电偶插孔用于测量半固态坯料的温度；模具本体支撑件，其耦接到位于模具环内 侧的模具本体的后部，并且具有多个冷却剂流入/流出孔，以将挤压出的半固态坯料的相 转变成固态压出型材；模具平衡支撑件，其保持成与模具本体支撑件紧密接触，并且耦接到 模具环的后部；以及冷却单元，其耦接到模具平衡支撑件上以冷却固态压出型材。在实施方式中，热电偶插孔可包括第一热电偶插孔和第二热电偶插孔，第一热电 偶插孔用于测量模具本体的温度，第二热电偶插孔用于测量半固态坯料的温度。在实施方式中，半固态坯料可选自铝合金和镁合金。在实施方式中，半固态坯料可为含至少一种添加物的镁合金。在实施方式中，添加物可选自碱金属、碱金属氧化物、碱金属化合物、碱土金属、碱 土金属氧化物、碱土金属化合物及其混合物。在实施方式中，基于镁合金为100重量份，添加物的量可为0. 0001至30重量份。在实施方式中，可通过容器的加热器将半固态坯料保持为590至650°C的温度。根据本发明的第二方面，提供一种触变挤压模制装置，包括容器，在容器内收容 有10至30重量份的半固态坯料；挤压模具，其具有多个挤压孔、轴承以及心轴，半固态坯 料通过多个挤压孔而分流并被挤压成多股，轴承与容纳通过挤压孔的半固态坯料的腔室连 通，心轴位于轴承的中心轴线上；加热器，其用于保持收容在容器内的半固态坯料的温度恒 定；温度传感器，其检测容器内部由加热器加热的半固态坯料的温度；以及控制单元，其对 由温度传感器检测到的温度值与预设值进行比较，以控制加热器的打开/关断操作。在实施方式中，半固态坯料可选自铝合金和镁合金。在实施方式中，半固态坯料可为含至少一种添加物的镁合金。在实施方式中，添加物可选自碱金属、碱金属氧化物、碱金属化合物、碱土金属、碱 土金属氧化物、碱土金属化合物及其混合物。在实施方式中，基于镁合金为100重量份，添加物的量可为0. 0001至30重量份。在实施方式中，可通过容器的加热器将半固态坯料保持为590至650°C的温度。根据本发明的第三方面，提供一种利用根据第一方面所述装置的触变挤压模制方 法，该方法包括将容器内的10至30重量份的半固态坯料保持为恒定温度；保持模具本体 的温度恒定；在模具本体内在压力下将半固态坯料挤压模制成固态压出型材；以及冷却固 态压出型材。在实施方式中，半固态坯料可选自铝合金和镁合金。在实施方式中，半固态坯料可为含至少一种添加物的镁合金。在实施方式中，添加物可选自碱金属、碱金属氧化物、碱金属化合物、碱土金属、碱土金属氧化物、碱土金属 化合物及其混合物。在实施方式中，基于镁合金为100重量份，添加物的量可为0. 0001至30重量份。在实施方式中，可通过容器的加热器将半固态坯料保持为590至650°C的温度。根据本发明的第四方面，提供一种利用根据第二方面所述装置的触变挤压模制方 法，该方法包括由加热器加热收容在容器内的半固态坯料以保持半固态坯料的温度恒定； 使用温度传感器检测容器内部由加热器加热的半固态坯料的温度；以及使用控制单元对由 温度传感器检测到的温度值与预设值进行比较，以控制加热器的打开/关断操作。有益效果本发明的触变挤压模制装置和触变挤压模制方法具有下列有益效果。半固态坯料在被挤压模制之前保持在固液共存区内的恒定温度，因此能够在低压 下制造呈棒或管形式的固态压出型材。进一步地，在挤压初始阶段可显著地减小挤压压力，致使挤压模制装置的寿命增 加。进一步地，不会出现晶粒沿挤压方向的伸长和轴向对称，致使压出型材的机械强
度提高。进一步地，可将少量的添加物添加到金属合金中以阻止在挤压模制过程中发生点 燃，并且减少所用的保护气体量。进一步地，从挤压孔排出的半固态金属通过轴承和心轴并且无任何接缝地熔合， 从而使得呈管形式的压出型材在膨胀或抗压测试过程中免于毁坏。
在附图中图1是图示根据本发明实施方式的触变挤压模制装置的示意性侧视图；图2是图示图1的装置的一些部件(包括容器)的放大剖视图；图3是图示图1的装置的一些部件(模具环和模具本体)的已组装状态的立体 图；图4是图示图1的装置的一些部件(模具环、模具本体以及模具本体支撑件)的 分解状态的立体图；图5图示用于在图1的装置中测量压出型材的不同位置处的温度的热电偶的安装 位置；图6是示出作为时间的函数的图1的装置中压出型材在不同位置处的温度的变化 的曲线图；图7是图示本发明的触变挤压模制方法的流程图；图8是比较根据本发明方法和现有技术方法制造铝合金压出型材时的最大挤压 压力的柱状图；图9是比较根据本发明方法和现有技术方法制造镁合金压出型材时的最大挤压 压力的柱状图；图10示出根据本发明方法和现有技术方法制造的铝合金压出型材的截面结构的
影像；
图11示出根据本发明方法和现有技术方法制造的镁合金压出型材的截面结构的
影像；
图12是示出加到图1的装置的含添加物的镁合金在环境气压下的点燃温度的曲 线图；图13示出通过热挤压制造的镁合金压出型材的结构的影像；图14示出通过根据本发明的触变挤压模制制造的镁合金压出型材的结构的影 像；图15示出通过触变挤压模制制造的含添加物的镁合金压出型材的结构的影像；图16是示出在图13、图14以及图15中示出的压出型材的截面中存在的晶粒的长 宽比的曲线图；图17是图示根据本发明另一实施方式的触变挤压模制装置的剖视图；图18是图示用于在图17的触变挤压模制装置内保持坯料的温度恒定的程序的流 程图；以及图19示出利用图17的装置制造的管材的焊缝区域的显微图。
具体实施例方式现将参照附图详述本发明的优选实施方式，使得本领域技术人员可容易地实施本 发明。对本发明所用金属的种类不作特别限制。例如，金属选自A7003铝合金、A7075铝 合金及其等同替代。A7003铝合金主要包含镁(Mg)和锌(Zn)，并且包含0. 2重量％的铜(Cu)、0· 3重 量％的硅(31)、0.35重量％的铁尔6)、0.3重量％的锰(Mn)以及其余为不可避免的杂质。 A7003铝合金广泛用于制造机动车辆的高强度的车轮。A7075铝合金主要包含镁(Mg)和锌(Zn)，并且包含2. 0重量％的铜(Cu)、0· 4重 量％的硅(31)、0.5重量％的铁尔6)、0.3重量％的锰(Mn)以及其余为不可避免的杂质。 A7075铝合金广泛用作飞机应用的高强度结构材料。A7003和A7075铝合金仅是示例性的，在本发明中，其它种类的铝合金、镁合金、铜 合金、陶瓷基复合材料以及低质量再生材料也是可用的。例如，诸如AZ91D、AM20、AM30、AM50、AM60、AZ31、Mg-Al, Mg-Al-Re, Mg-Al-Sn, Mg-Zn-Sn、Mg-Si、SiCp/Mg以及Mg-Zn-Y等镁合金以及纯镁均可用于本发明中。可添加添加物以升高镁合金的点燃温度并防止镁合金的氧化。添加物可选自碱金 属、碱金属氧化物、碱金属化合物、碱土金属、碱土金属氧化物、碱土金属化合物及其等同替 代。这些添加物可单独使用或以它们中的两种或更多种的混合物使用。碱金属氧化物可选自氧化钠、氧化钾及其等同替代。这些碱金属氧化物可单独使 用或以它们的混合物使用。碱土金属氧化物可选自氧化铍、氧化镁、氧化钙、氧化锶及其等 同替代。这些碱土金属氧化物可单独使用或以它们中的两种或更多种的混合物使用。碱土 金属化合物可选自碳化钙(CaC2)、氰氨化钙(CaCN2)、碳酸钙(CaCO3)、半水硫酸钙(CaSO4) 及其等同替代。这些碱土金属化合物可单独使用或以它们中的两种或更多种的混合物使 用。然而，对于碱金属氧化物、碱土金属氧化物以及碱土金属化合物的种类没有限制。也就是说，任何材料均可用作添加物，只要其能升高镁合金的点燃温度、抑制镁合金的氧化或减 少保护气体的所需量即可。基于镁 合金为100重量份，则添加物可添加0. 0001至30重量份的量。如果添加 物的添加量少于0. 0001重量份，则添加物的期望效果(即，升高点燃温度、抑制氧化以及减 少保护气体的量)是可以忽略的。同时，如果添加物的添加量多于30重量份，则表现不出 镁或镁合金的固有特性。添加物可具有1至500 μ m的尺寸。准备尺寸小于1 μ m的添加物特别困难并且从 经济方面也不期望。同时，大于500 μ m的添加物可能不易与熔融镁混合。将10至30重量份的半固态坯料供给到本发明的挤压模制装置之一中。使用量少 于10重量份的半固态坯料必需要相对高的压力，从而极大地缩短挤压模制装置的寿命。也 就是说，不能获得触变挤压优于热挤压的预期优点。另一方面，因为半固态坯料大体上为液 体，因此难于将多于30重量份的量的半固态坯料供给到挤压模制装置中。也就是说，使用 量介于上述限定范围内的半固态坯料能够在低压下制造压出型材并且易于操纵。图1是图示根据本发明实施方式的触变挤压模制装置100的示意性侧视图，图2 是图示装置100的一些部件的放大剖视图，图3是图示装置100的一些部件的已组装状态 的立体图，并且图4是图示装置100的一些部件的分解状态的立体图。如图1至4中所示，触变挤压模制装置100包括形成装置100的外观的容器110， 其具有第一中空贯通孔111和安装在容器110中的加热器112 ；杆120，其可插入容器110的 第一贯通孔111中以从容器110的前部对半固态的挤压坯料200加压；模具本体140，其耦 接到容器110的后部并具有第二中空贯通孔141，第二中空贯通孔141的直径小于容器110 的第一贯通孔111的直径；模具本体支撑件150，其位于模具本体140的后部以防止模具本 体140沿纵向发生热变形；模具平衡支撑件160，其耦接到模具本体支撑件150的后部；模 具环130，其围绕模具本体140和模具本体支撑件150以防止模具本体140沿周向发生热变 形；以及冷却单元170，其耦接到模具本体支撑件150的后部以冷却从半固态挤压坯料200 挤压出的高温固态压出型材210。附图标记300标示用于切割半固态挤压坯料200和固态压出型材210的切割工 具，附图标记400是用于使挤压模制装置100操作的驱动装置。更详细地，第一热电偶插孔142形成在模具本体140的外周以测量模具本体140 的温度，第二热电偶插孔143从模具本体140的外周缘向里深入形成以测量压出型材210 的温度，并且循环流体(例如油或冷却水)流过的第一流入/流出孔144形成在模具本体 140的外周以防止模具本体140的温度升高同时维持温度恒定。在模具环130的外周，穿透模具环130的第二流入/流出孔131形成为与模具本 体140的第一流入/流出孔144连通，并且形成有气体或冷却水流过的第三流入/流出孔 132以防止通过模具本体140的压出型材210发生氧化或者冷却压出型材210。穿透模具本体支撑件150的外周的第四流入/流出孔151形成为与第三流入/流 出孔132连通，从而容许气体或冷却水从中流过。在下文中，将解释挤压模制装置100中的固态压出型材210的制造程序。首先，将 半固态挤压坯料供给到容器110内，并由加热器112加热至固液共存区。替代地，可在将半 固态挤压坯料供给到容器110之前将半固态挤压坯料加热至固液共存区，其温度在固液共存区内保持恒定。然后，使用杆120对半固态挤压坯料加压。此时，模具本体140构造成使得在模具本体140内挤压过程中能保持挤压坯料的 温度。模具本体140的这种构造将防止在挤压过程中由于半固态挤压坯料与模具本体140 之间的摩擦而导致模具本体140和固 态压出型材210的表面温度升高。结果，将防止固态 压出型材210的质量劣化。特别地，如果未精确控制被加热至固液共存区(通过加热固相和液相在该区内共 存)的半固态挤压坯料的温度，则材料的晶粒的尺寸不均勻一致，并且由于截面内的固相 率不均勻使得在模制过程中出现中心偏析和液相偏析，从而不可能获得均勻一致的机械性 能。冷却单元170用于防止在通过模具本体140的固态压出型材210内形成粗固体颗粒。图5示出用于在触变挤压模制装置中测量压出型材的不同位置处的温度的热电 偶的安装位置。更具体地，热电偶定位成在再加热过程中测量A7003铝挤压坯料的不同位 置处的温度。在不同位置进行温度测量以确认挤压坯料遍及整个区域的温度分布。为了 精确的温度控制，可通过热电偶将挤压坯料的不同位置处的温度直接测量为加热时间的函 数，并且评估所测得的温度的变化。图6是示出作为时间的函数的触变挤压模制装置中压出型材的不同位置处的温 度的变化的曲线图。如图6所示，在再加热的初始阶段半固态挤压坯料的各位置处的温度存在微小差 异。在半固态挤压坯料的不同位置处的温度达到固液共存区(大约620°C)之后，半固态挤 压坯料整体保持为大体恒定的温度。图7是图示本发明的触变挤压模制方法的流程图。如图7所示，本发明的方法包括将处于半固态的挤压坯料200保持为恒定温度 (Si)、保持模具本体的温度恒定(S2)、将挤压坯料模制成压出型材(S3)、初次冷却压出型 材(S4)以及二次冷却压出型材(S5)。在步骤Sl中，将挤压坯料200供给到触变挤压模制装置的容器110内，并由加热 器112加热到590至650°C的温度。该加热将处于固相与液相共存的半固态的挤压坯料200 保持为恒定温度。替代地，可在将挤压坯料200供给到容器110中之前在装置外部将该挤 压坯料200加热至固液共存区，其温度在固液共存区内保持恒定。在构成挤压坯料200的 半固态金属包含至少一种上述添加物的情况下，可更加有效地抑制处于固相与液相共存的 半固态的挤压坯料200发生氧化和点燃。当挤压坯料200在容器110内保持为固相与液相共存的半固态时，可使用保护气 体(例如SF6)防止挤压坯料200被点燃。在构成挤压坯料200的半固态金属中存在升高 挤压坯料200的点燃温度的添加物的情况下，可利用减少量的保护气体或者不利用保护气 体来保持挤压坯料200的温度恒定。在步骤S2中，使用热电偶测量模具本体140的温度，并且容许循环流体(例如油 或冷却水)响应于所测得的温度而流动，以将模具本体的温度保持为590至650°C的温度。 循环流体的流动防止模具本体140的温度升高同时保持温度恒定。在步骤S3中，在容器110中处于固相与液相共存的半固态的挤压坯料200由杆120在压力下挤压进模具本体140内以被模制成固态压出型材210。由于挤压坯料200处 于固相与液相共存的半固态，因此可利用低压力将挤压坯料200模制成固态压出型材210。 挤压坯料200的这种改善的可挤压性不仅使得生产率提高，而且能够实现制造出具有精确 尺寸的复杂模制元件。当在压力下挤压挤压坯料200以将其模制成固态压出型材210时，可利用保护气 体(例如SF6)来防止挤压坯料200被点燃。在构成挤压坯料200的半固态金属中存在升 高挤压坯料200的点燃温度的添加物的情况下，可利用减少量的保护气体或者不利用保护 气体在压力下挤压挤压坯料200。此外，添加物存在于构成挤压坯料200的半固态金属中容 许压出型材210具有晶粒细化的更各向同性的结构。 在步骤S4中，冷却气体或水流过第三流入/流出孔132和第四流入/流出孔151， 以防止在模具本体140中通过挤压模制制造出的压出型材210发生氧化，并且初次冷却压 出型材210。在挤压模制过程中可在压出型材210与模具本体140之间产生摩擦，从而升高 压出型材210的表面温度。这种表面温度的升高导致压出型材210发生氧化，最终导致质 量劣化。特别地，如果未精确控制通过加热而被加热至固相与液相共存的固液共存区的半 固态挤压坯料200的温度，则材料的晶粒的尺寸不均勻一致，并且由于截面内的固相率不 均勻使得在模制过程中出现中心偏析和液相偏析，从而不可能获得均勻一致的机械性能。这样解决这些问题即，在挤压模制过程中，容许冷却气体或水流过第三流入/流 出孔132和第四流入/流出孔151以初次冷却压出型材210、并且防止压出型材210的表面 温度升高。在步骤S5中，从冷却单元170喷射冷却气体，以二次冷却在挤压模具本体140内 经过初次冷却的固态压出型材210。该后续冷却防止在固态压出型材210中形成粗固体颗 粒。在此，将固态压出型材210挤压模制成棒材。图8是比较根据本发明方法和现有技术方法制造铝合金压出型材时的最大挤压 压力的柱状图。在图8中，“A”代表A7003铝合金的热挤压过程中的最大挤压压力；“B”代表A7075 铝合金的热挤压过程中的最大挤压压力；“C”代表A7003铝合金的触变挤压过程中的最大 挤压压力；并且“D”代表A7075铝合金的触变挤压过程中的最大挤压压力。通过在800吨水平类型的热挤压装置内正挤压来进行热挤压以制造高强度铝合 金部件。在挤压比为11的情况下进行热挤压和触变挤压。在A7003铝合金的触变挤压过程中最大挤压压力是131MPa，这比在A7003铝合金 的热挤压过程中的最大挤压压力(417MPa)低约69%。在A7075铝合金的触变挤压过程中 最大挤压压力是107MPa，这比在A7075铝合金的热挤压过程中的最大挤压压力(729MPa)低 约 85%。图9是比较根据本发明方法和现有技术方法制造镁合金压出型材时的最大挤压 压力的柱状图。具体地，图9示出了在热挤压和触变挤压过程中AZ31镁合金的最大挤压压 力。如图9所示，在AZ31镁合金的触变挤压过程中最大挤压压力是llOMPa，这比在 AZ31镁合金的热挤压过程中的最大挤压压力(614MPa)低约82%。图10示出了根据本发明方法和现有技术方法制造的铝合金压出型材的截面结构的影像。具体地，图10示出了通过触变挤压和热挤压制造的A7003铝合金压出型材的与挤 压方向平行的截面内的不同位置(边缘、内部和中心)的结构。图11示出了根据本发明方法和现有技术方法制造的镁合金压出型材的截面结构 的影像。具体地，图11示出了通过触变挤压和热挤压制造的AZ31镁合金压出型材的与挤 压方向平行的截面内的不同位置(边缘、内部和中心)的结构。
如图10和图11所示，在通过热挤压制造的压出型材中观察到晶粒沿多个挤压方 向的伸长和典型的各向异性。这些现象导致压出型材的机械性能沿挤压方向和沿挤压方向 的垂直方向不同，表明压出型材整体上具有不均勻一致的机械性能。相反，在通过触变挤压模制而制造的压出型材中未观察到晶粒的伸长和轴向对 称。因此，根据本发明的触变挤压模制装置和方法，压出型材的晶粒沿多个挤压方向 的伸长和各向异性受到控制，从而获得高强度的压出型材。图12是示出加到触变挤压模制装置的含添加物的镁合金在环境气压下的点燃温 度的曲线图。具体地，图12示出了包含氧化钙(CaO)作为添加物的AZ31镁合金在环境气 压下的点燃温度。不含氧化钙(CaO)的AZ31镁合金在570°C时开始点燃，该温度低于触变挤压过程 中固液共存区的温度(590 650°C)。因此，需要大量保护气体以防止不含氧化钙(CaO) 的AZ31镁合金在触变挤压过程中被点燃。相反，作为添加物而存在的氧化钙(CaO)升高了 AZ31镁合金在环境气压下的点燃 温度。例如，在环境气压下，含0. 05重量％和0. 3重量％氧化钙的AZ31镁合金的点燃温度 分别比不含添加物的AZ31镁合金的点燃温度高约30°C和40°C。总之，氧化钙(CaO)存在于 AZ31镁合金中极大地升高了合金的点燃温度，从而减少所用保护气体的量或消除对使用任 何保护气体的需要。虽然本文将氧化钙示例为添加物，但可以理解，可以使用以上所提及的添加物而 不受限制。图13示出通过热挤压制造的镁合金压出型材的结构的影像，图14示出通过根据 本发明的触变挤压模制制造的镁合金压出型材的结构的影像，并且图15示出通过触变挤 压模制制造的含添加物的镁合金压出型材的结构的影像。具体地，图13、图14以及图15示出了通过热挤压制造的镁合金压出型材、通过触 变挤压模制制造的镁合金压出型材以及通过触变挤压模制制造的含0. 001至30重量％氧 化钙(CaO)的镁合金压出型材的截面微观结构。在图13中，(a)、(b)以及(c)分别代表压出型材的边缘、内部以及中心位置。如 图13所示，压出型材在不同位置具有其结构沿挤压方向各向异性的伸长的晶粒。晶粒的伸 长导致压出型材的机械性能沿挤压方向和挤压方向的垂直方向不同，表明压出型材整体上 具有不均勻一致的机械性能。相反，通过触变挤压制造的镁合金(图14)和通过触变挤压制造的含0. 001至30 重量％ CaO的镁合金(图15)各自在中心(a)、内部(b)以及边缘(c)位置具有各向同性的 晶粒微观结构。这种结构可提高压出型材的强度。特别地，含0. 001至30重量％氧化钙(CaO)的镁合金的结构(图15)比图14的镁合金的结构精细。存在于氧化钙(CaO)中的钙与镁合金反应，从而产生稳定的MgCa或 Mg2Ca化合物，该化合物可稳定合金的微观结构并使得合金的晶粒细化。图16是示出在图13、图14以及图15中示出的压出型材的截面中存在的晶粒的长 宽比的曲线图。将长宽比定义为利用影像分析系统测得的长轴与短轴之比。通过热挤压而制造的 压出型材(图13)在中心、内部以及边缘位置的长宽比在大约3至大约4之间变动。相反，通过触变挤压制造的压出型材(图14和图15)的长 宽比被控制至2或者更 小。特别地，通过触变挤压制造的含0. 001至30重量％氧化钙(CaO)的镁棒材(图15)在 中心、内部以及边缘位置的长宽比大体均勻( 1. 5)。也就是说，图15的镁棒材具有各相 同性的微观结构。因此，氧化钙存在于镁棒材中能够实现使用减少量的保护气体或消除对 使用任何保护气体的需要。图17是图示根据本发明另一实施方式的触变挤压模制装置的剖视图。如图17所示，触变挤压模制装置包括容器12，在容器12中收容有呈半固态的挤压 坯料5。半固态的挤压坯料5在容器12内部被加压以通过挤压模具20。挤压模具20具有多个挤压孔22，在容器内部被加压的坯料5通过多个挤压孔22 而分流并被挤压成多股；腔室24，其容纳通过挤压孔22的坯料；轴承26，其与腔室24连通 以形成呈管形式的压出型材100的外周；以及心轴28，其位于轴承26的中心处以形成挤压 管材100的内周。加热器30埋设在容器12中并且盘绕以加热收容在容器12内的坯料，并且保持坯 料处于半固态。容器12的内部温度由于来自加热器30的热量而升高，从而保持坯料处于 半固态。通过温度传感器40检测容器12内部由加热器30加热的坯料的温度。温度传感 器40可安装在杆10处或容器12处。安装有控制单元50以对温度传感器40所检测到的温度(T)与预设温度(T。)进 行比较，进而控制加热器30的打开/关断操作。控制单元50电连接到温度传感器40和加 热器30。图18是图示用于在触变挤压模制装置内保持坯料的温度恒定的程序的流程图。首先，由温度传感器40检测挤压坯料5的温度(SlO)。在该步骤中，优选地，坯料 5在被供给到容器12中之前处于半固态。半固态是指固相与液相之间的中间状态。将由温度传感器40检测到的坯料的温度(T)发送到控制单元50，在控制单元50 中对该温度(T)与预设温度(T。)进行比较(S12)。如果温度⑴高于预设温度(T。)，则控制单元50将加热器30转变到“关断”态， 以防止坯料变成固相(S14)。控制单元50的这种操作容许坯料在半固态下被挤压。结果，从挤压孔22排出的 坯料的分流股通过轴承26和心轴28，并且再次在半固态下熔合而不留焊缝。当坯料为铝且触变挤压温度保持为630至650°C时，制造出不留任何焊缝的呈管 形式的无缝压出型材。图19示出根据图18的程序利用图17的装置制造的管材的焊缝区域的显微图。如图19所示，未观察到焊缝，这就表示在抗压测试或膨胀过程中可防止管材发生毁坏。应该理解，本发明适用于用于无缝管材的Ag、Cu、Al、Mg以及Ti以及铝。利用通过本发明方法制造的无缝压出型材(管材)的产品机械性能是均勻一致的，这可提高产品设计的自由度。另外，即使在经受加压、膨胀以及弯曲的一般机械结构 (构造)中也可获得较好的特性。此外，可实现重量减轻和厚度减小，于是消除了使接缝部 分较厚的需要。此外，与传统的简单的无缝压出型材相比，可制造具有复杂形状的外形。虽然描述了前述实施方式以实施本发明的触变挤压模制装置及方法，但这些实施 方式是为了示例性目的而提出的，并且不用于限制本发明。本领域技术人员将易于理解在 不脱离所附权利要求限定的本发明的主旨和范围的情况下可进行很多修改和变型，并且这 些修改和变型涵盖于本发明的范围和主旨内。
权利要求
一种触变挤压模制装置，包括容器，所述容器具有第一贯通孔和加热器，在所述第一贯通孔内收容有10至30重量份的半固态坯料，所述加热器安装在所述第一贯通孔的外部以保持所述半固态坯料的温度恒定；杆，所述杆可从所述容器的前部插入所述第一贯通孔以向后对所述半固态坯料加压；模具环，所述模具环耦接到所述容器的后部并且具有多个冷却剂流入/流出孔以防止沿周向的热变形；模具本体，所述模具本体设置在所述模具环的内侧，并且具有第二贯通孔和多个热电偶插孔，所述第二贯通孔与所述容器的第一贯通孔连通并且具有比所述容器的第一贯通孔的直径小的直径，所述半固态坯料被挤压通过所述第二贯通孔，所述多个热电偶插孔用于测量所述半固态坯料的温度；模具本体支撑件，所述模具本体支撑件耦接到位于所述模具环内侧的所述模具本体的后部，并且具有多个冷却剂流入/流出孔，以便将挤压出的半固态坯料的相转变成固态压出型材；模具平衡支撑件，所述模具平衡支撑件保持成与所述模具本体支撑件紧密接触，并且耦接到所述模具环的后部；以及冷却单元，所述冷却单元耦接到所述模具平衡支撑件上以冷却所述固态压出型材。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述热电偶插孔包括第一热电偶插孔和第二热电 偶插孔，所述第一热电偶插孔用于测量所述模具本体的温度，所述第二热电偶插孔用于测 量所述半固态坯料的温度。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述半固态坯料选自铝合金和镁合金。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述半固态坯料是含至少一种添加物的镁合金。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述添加物选自碱金属、碱金属氧化物、碱金属化 合物、碱土金属、碱土金属氧化物、碱土金属化合物及其混合物。
6.如权利要求4所述的装置，其中，基于镁合金为100重量份，所述添加物的量为 0. 0001至30重量份。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述容器的加热器将所述半固态坯料保持为590至 650°C的温度。
8.一种触变挤压模制装置，包括容器，在所述容器内收容有10至30重量份的半固态坯料；挤压模具，所述挤压模具具有多个挤压孔、轴承以及心轴，所述半固态坯料通过所述多 个挤压孔而分流并被挤压成多股，所述轴承与容纳通过所述挤压孔的半固态坯料的腔室连 通，所述心轴位于所述轴承的中心轴线上；加热器，所述加热器用于保持收容在所述容器内的半固态坯料的温度恒定；温度传感器，所述温度传感器检测所述容器内部由所述加热器加热的半固态坯料的温 度；以及控制单元，所述控制单元对由所述温度传感器检测到的温度值与预设值进行比较，以 控制所述加热器的打开/关断操作。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述半固态坯料选自铝合金和镁合金。
10.如权利要求8所述的装置，其中，所述半固态坯料是含至少一种添加物的镁合金。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述添加物选自碱金属、碱金属氧化物、碱金属 化合物、碱土金属、碱土金属氧化物、碱土金属化合物及其混合物。
12.如权利要求10所述的装置，其中，基于镁合金为100重量份，所述添加物的量为 0. 0001至30重量份。
13.如权利要求8所述的装置，其中，所述容器的加热器将所述半固态坯料保持为590 至650°C的温度。
14.一种利用如权利要求1所述装置的触变挤压模制方法，所述方法包括将容器内的10至30重量份的半固态坯料保持为恒定温度；保持模具本体的温度恒定；在所述模具本体内在压力下将所述半固态坯料挤压模制成固态压出型材；以及冷却所述固态压出型材。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述半固态坯料选自铝合金和镁合金。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述半固态坯料是含至少一种添加物的镁合金。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述添加物选自碱金属、碱金属氧化物、碱金属 化合物、碱土金属、碱土金属氧化物、碱土金属化合物及其混合物。
18.如权利要求14所述的方法，其中，基于镁合金为100重量份，所述添加物的量为 0. 0001至30重量份。
19.如权利要求14所述的方法，其中，通过所述容器的加热器将所述半固态坯料保持 为590至650°C的温度。
20.一种利用如权利要求8所述装置的触变挤压模制方法，所述方法包括通过加热器加热收容在容器内的半固态坯料以保持所述半固态坯料的温度恒定；使用温度传感器检测所述容器内部由所述加热器加热的半固态坯料的温度；以及使用控制单元对由所述温度传感器检测到的温度值与预设值进行比较，以控制所述加 热器的打开/关断操作。
全文摘要
提供了触变挤压模制装置和方法。该装置的一个实施方式包括容器，其具有第一贯通孔和加热器，在第一贯通孔内收容有10至30重量份的半固态坯料，加热器安装在第一贯通孔的外部以保持半固态坯料的温度恒定；杆，其可从容器的前部插入第一贯通孔以向后对半固态坯料加压；模具环，其耦接到容器的后部并具有多个冷却剂流入/流出孔以防止沿周向的热变形；模具本体，其设置在模具环的内侧并具有第二贯通孔和多个热电偶插孔，第二贯通孔与容器的第一贯通孔连通并具有比容器的第一贯通孔的直径小的直径，半固态坯料被挤压通过第二贯通孔，多个热电偶插孔用于测量半固态坯料的温度；模具本体支撑件，其耦接到位于模具环内侧的模具本体的后部并具有多个冷却剂流入/流出孔，以将挤压出的半固态坯料的相转变成固态压出型材；模具平衡支撑件，其保持成与模具本体支撑件紧密接触并耦接到模具环的后部；以及冷却单元，其耦接到模具平衡支撑件上以冷却固态压出型材。根据所述装置和方法，可在低挤压压力下模制金属，延长装置的寿命，提高金属产品的强度，在加工过程中抑制金属的点燃，减少所用的保护气体量，并且抑制形成焊缝。
文档编号B29C47/92GK101970142SQ200880127981
公开日2011年2月9日 申请日期2008年9月24日 优先权日2008年1月14日
发明者尹泳沃, 张东仁, 金世光 申请人:韩国生产技术研究院