一种减少内表面擦伤的铝基复合材料热挤压管材制造方法与流程

本发明属于材料成型技术领域，具体涉及一种减少内表面擦伤的铝基复合材料热挤压管材制造方法。

背景技术：

铝基复合材料管材具有轻质、高强、高模量及低热膨胀系数等特点，广泛应用于航空、航天、机械、电子等领域。管材是一种常见的型材，可直接应用于机械装备中，要求管材具有良好的内、外表面质量。外表面的挤压缺陷可以通过后续机械加工去除，然而长度大、内径小的管材内表面难以进行机械加工，挤压后的内表面即直接使用。因此管材内表面缺陷(包括擦伤等)的控制尤为重要。管材内表面擦伤是挤压管材生产中最常见的废品产生原因之一,占挤压管材总废品量的50％以上。管材内表面擦伤从外观形貌上可分为两类，一是条状擦伤，常见于挤压管材前端，擦伤的方向与挤压方向相同，缺陷深且窄，二是鱼鳞状擦伤，常见于挤压管材尾端，面积较大、深度较浅。

管材内表面擦伤源于挤压针与坯料之间在三向应力作用下的强烈摩擦作用，由于合金的塑性较好，在合适的温度、挤压速度和表面润滑条件下，易于避免内外表面缺陷的产生。然而，铝基复合材料的塑性比相应的基体铝合金低，在热挤压过程中容易产生内外表面缺陷。目前缺乏针对铝基复合材料挤压管材内表面擦伤缺陷控制的方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种少内表面擦伤的铝基复合材料热挤压管材制造方法，具体技术方案为：

一种少内表面擦伤的铝基复合材料热挤压管材制造方法，包括以下步骤：

1)铸锭钻内孔：取圆柱状铝基复合材料铸锭，铸锭中心处沿轴线钻与铸锭同轴的圆柱状通孔，为内孔(如图6所示)；

2)内孔内表面处理：对步骤1)制备的铸锭内孔内表面进行酸洗或表面喷砂，然后用水清洗，干燥；

3)纯铝浇铸：将步骤2)处理后得到的铸锭放入模具中，预热后浇注熔化的纯铝液；

4)在铸锭内孔处的纯铝部分钻孔：铸锭内孔中心处沿轴线钻与铸锭内孔同轴的圆柱状通孔，该通孔内径比铸锭内孔内径小1～6mm；

5)挤压：步骤4)得到的铸锭，预热保温后，放入预热的热挤压模具中，在预热的挤压针表面涂敷一层石墨润滑剂后，进行热挤压，得到铝基复合材料热挤压管材。

所述铝基复合材料，增强材料为sic晶须、硼酸铝(al8b2o15)晶须、al2o3短纤维或si3n4晶须。基体铝合金为2×××或6×××系列商用铝合金，可购买得到。优选地，所述铝基复合材料为碳化硅晶须(sicw)含量15～30vol.％的sicw/6061al或sicw/2024al铝基复合材料。

所述铸锭内孔，直径比热挤压针外径(即要获得管材内径)大5-10mm。

步骤2)中的干燥为自然干燥；所述酸洗为：用质量分数为1％的氢氟酸浸泡10min；所述表面喷砂为：采用平均粒径45μm的球形玻璃微珠，喷砂压缩空气压力2-4个大气压。

步骤3)所述模具为耐热钢模具，模具内径与步骤2)处理后得到的铸锭的外径相同，模具形状为圆筒状，模具内径与步骤2)处理后得到的铸锭的外径相同，模具底部的内孔采用石墨垫密封；设铸锭高为h，则模具侧壁顶部边缘高出至少0.3h。

步骤3)所述预热，预热温度350～450℃，保温时间60-120min。

所述纯铝液为纯度99.9％(质量分数)以上的纯铝锭加热至700-800℃熔化后，保温30-60min制得。

所述浇注，使纯铝液充满铸锭内孔后，在铸锭上端面形成厚度(0.1-0.3)h的纯铝液层，在纯铝液层上放置完全覆盖纯铝液层的石墨密封垫，施加20～50mpa压力，保压5-10min后撤去压力，自然冷却到室温后将所得复合材料铸锭从模具中退出。

步骤4)所述通孔，内径比挤压针直径大2.5-4mm。

步骤5)所述铸锭预热保温，具体为：将铸锭放入电阻炉中预热，预热温度为475-505℃，到达预热温度后，保温时间按以下条件计算(1.5×d)min，其中d为单位为mm时的铸锭外径数值。

所述热挤压模具及挤压针，预热温度为350-400℃，预热时间为1-3h。

所述热挤压，热挤压速度为0.5～1.5mm/s，挤压比(4-25):1。

有益效果

本发明针对铝基复合材料热挤压管材内表面出现鱼鳞状、条状擦伤等缺陷问题，提出通过在铸锭内孔和端面通过浇铸和机加形成与铸锭成为一体的纯铝层包覆层，借助铸锭内孔的纯铝层对挤压针的润滑作用、端面纯铝垫对挤压模具内表面的润滑作用，获得内、外表面光滑的铝基复合材料管材，解决了制备挤压管材内表面擦伤导致管材无法直接使用的问题。本发明优点如下：

(1)纯铝层在坯料和挤压针之间有效起到润滑作用，降低了挤压针与坯料之间的摩擦力，避免复合材料挤压管材内表面形成擦伤，同时提高了复合材料管材内孔直线度；

(2)复合材料管材内表面纯铝层厚度100-160微米、与管材结合紧密且表面光滑，该纯铝层可提高内孔耐蚀性，满足了管材内孔不经机械加工直接使用的要求；

(3)通过设计宏观螺纹状、阶梯状复合材料铸锭内孔，以及通过酸洗或表面喷砂处理，对铸锭内孔进行毛化处理，可以调控复合材料管材内表面纯铝层的厚度，以及纯铝层与铸锭之间的结合力；

(4)由于挤压针与坯料之间的摩擦力减小，挤压针承受拉应力减轻，挤压针的使用寿命提高50％以上。

图2为利用本发明提供的方法制备出的铝基复合材料热挤压管材，外表面光滑无擦伤。对制备得到的铝基复合材料热挤压管材内表面进行分析，结果如图3、4、5所示。其中图3为一段切开的管材内表面照片，显示热挤压态管材内表面光滑、擦伤轻微，可满足直接使用的要求。图4为管材截面抛光金相组织，纯铝层与管材内表面结合紧密、无裂纹；纯铝层厚度均匀、厚度约100μm左右；复合材料一侧无裂纹等缺陷，达到纯铝层均匀包覆管材内表面的效果。图5为热挤压态管材ct扫描图，结果显示热挤压态管材内、外表面无擦伤缺陷，说明该发明可获得表面质量良好的复合材料管材。

附图说明

图1热挤压示意图；其中1为热挤压模具，2为纯铝层，3为铸锭，4为挤压针；

图2实施例1制备的铝基复合材料热挤压管材外表面宏观形貌照片；

图3实施例1制备的铝基复合材料热挤压管材内表面宏观形貌照片；

图4实施例1制备的铝基复合材料热挤压管材截面抛光金相组织；其中1为纯铝层，2铝基复合材料层，1一侧为铝基复合材料热挤压管材内表面一侧；

图5实施例1制备的铝基复合材料热挤压管材ct扫描图；

图6铝基复合材料铸锭内孔不同形状纯铝层结构剖面示意图；其中1为内孔，2为纯铝层，3为铸锭；(a)圆柱状；(b)60°螺纹状；(c)梯形螺纹状。

具体实施方式

实施例1铝基复合材料热挤压管材制备

1)铸锭钻内孔：取圆柱状铝基复合材料铸锭，铸锭中心处沿轴线钻与铸锭同轴的圆柱状通孔，为内孔(如图6(a)所示)；

2)内孔内表面处理：对步骤1)制备的铸锭内孔内表面进行酸洗，然后用水清洗，干燥；

3)纯铝浇铸：将步骤2)处理后得到的铸锭放入模具中，预热后浇注熔化的纯铝液；

4)在铸锭内孔处的纯铝部分钻孔：铸锭内孔中心处沿轴线钻与铸锭内孔同轴的圆柱状通孔，该通孔内径比铸锭内孔内径小3.5mm；

5)挤压：步骤4)得到的铸锭，预热保温后，放入预热的热挤压模具中，在预热的挤压针表面涂敷一层石墨润滑剂后，进行热挤压，得到铝基复合材料热挤压管材。

所述铝基复合材料，增强材料为sic晶须。所述铝基复合材料为碳化硅晶须(sicw)含量20vol.％的sicw/6061al铝基复合材料。

所述铸锭内孔，直径比热挤压针外径(即要获得管材内径)大7.5mm。

步骤2)中的干燥为自然干燥；所述酸洗为1％(质量分数)氢氟酸浸泡10min。

步骤3)所述模具为耐热钢模具，模具内径与步骤2)处理后得到的铸锭的外径相同，模具形状为圆筒状，模具内径与步骤2)处理后得到的铸锭的外径相同，模具底部的内孔采用石墨垫密封；设铸锭高为h，则模具侧壁顶部边缘高出0.5h。。

步骤3)所述预热，预热温度400℃，保温时间90min。

所述纯铝液为纯度99.9％(质量分数)以上的纯铝锭加热至750℃熔化后，保温45min制得。

所述浇注，使纯铝液充满铸锭内孔后，在铸锭上端面形成厚度0.3h的纯铝液层，在纯铝液层上放置完全覆盖纯铝液层的石墨密封垫，施加35mpa压力，保压10min后撤去压力，自然冷却到室温后将所得复合材料铸锭从模具中退出。

步骤4)所述通孔，内径比挤压针直径大4mm。

步骤5)所述铸锭预热保温，具体为：将铸锭放入电阻炉中预热，预热温度为490℃，到达预热温度后，保温195min。

所述热挤压模具及挤压针，预热温度为375℃，预热时间为2h。

所述热挤压，热挤压速度为1.0mm/s，挤压比15:1。

图2为本实施例制备出的铝基复合材料热挤压管材，外表面光滑无擦伤。对制备得到的铝基复合材料热挤压管材内表面进行分析，结果如图3、4、5所示。其中图3为一段切开的管材内表面照片，显示热挤压态管材内表面光滑、擦伤轻微，可满足直接使用的要求。图4为管材截面抛光金相组织，纯铝层与管材内表面结合紧密、无裂纹；纯铝层厚度均匀、厚度约100μm左右；复合材料一侧无裂纹等缺陷，达到纯铝层均匀包覆管材内表面的效果。图5为热挤压态管材ct扫描图，结果显示热挤压态管材内、外表面无擦伤缺陷，说明该发明可获得表面质量良好的复合材料管材。

实施例2

1)铸锭钻内孔：取圆柱状铝基复合材料铸锭，铸锭中心处沿轴线钻与铸锭同轴的圆柱状通孔，为内孔(如图6(b)所示)；

2)内孔内表面处理：对步骤1)制备的铸锭内孔内表面进行表面喷砂，然后用水清洗，干燥；

3)纯铝浇铸：将步骤2)处理后得到的铸锭放入模具中，预热后浇注熔化的纯铝液；

4)在铸锭内孔处的纯铝部分钻孔：铸锭内孔中心处沿轴线钻与铸锭内孔同轴的圆柱状通孔，该通孔内径比铸锭内孔内径小1mm；

5)挤压：步骤4)得到的铸锭，预热保温后，放入预热的热挤压模具中，在预热的挤压针表面涂敷一层石墨润滑剂后，进行热挤压，得到铝基复合材料热挤压管材。

所述铝基复合材料，增强材料为sic晶须。所述铝基复合材料为碳化硅晶须(sicw)含量15vol.％的sicw/2024al铝基复合材料。

所述内孔，直径比热挤压针外径(即要获得管材内径)大5mm。

步骤2)中的干燥为自然干燥；所述所述表面喷砂为采用平均粒径45μm的球形玻璃微珠，喷砂压缩空气压力3个大气压。

步骤3)所述模具为耐热钢模具，模具内径与步骤2)处理后得到的铸锭的外径相同，模具形状为圆筒状，模具内径与步骤2)处理后得到的铸锭的外径相同，模具底部的内孔采用石墨垫密封；设铸锭高为h，则模具侧壁顶部边缘高出0.5h。

步骤3)所述预热，预热温度350℃，保温时间60min。

所述纯铝液为纯度99.9％(质量分数)以上的纯铝锭加热至700℃熔化后，保温30min制得。

所述浇注，使纯铝液充满铸锭内孔后，在铸锭上端面形成厚度0.1h的纯铝液层，在纯铝液层上放置完全覆盖纯铝液层的石墨密封垫，施加20mpa压力，保压5min后撤去压力，自然冷却到室温后将所得复合材料铸锭从模具中退出。

步骤4)所述通孔，内径比挤压针直径大4mm。

步骤5)所述铸锭预热保温，具体为：将铸锭放入电阻炉中预热，预热温度为475℃，到达预热温度后，保温195min。

所述热挤压模具及挤压针，预热温度为350℃，预热时间为1h。

所述热挤压，热挤压速度为0.5mm/s，挤压比4:1。

经过与实施例1相同的表征，本实施例制备的铝基复合材料热挤压管材，外表面光滑无擦伤。内表面光滑、无擦伤，可满足直接使用的要求。管材截面抛光金相组织纯铝层与管材内表面结合紧密、无裂纹；管材内壁纯铝层厚度均匀、厚度110μm左右；复合材料一侧无裂纹等缺陷，达到纯铝层均匀包覆管材内表面的效果，获得了表面质量良好的复合材料管材。

实施例3

1)铸锭钻内孔：取圆柱状铝基复合材料铸锭，铸锭中心处沿轴线钻与铸锭同轴的圆柱状通孔，为内孔(如图6(c)所示)；

2)内孔内表面处理：对步骤1)制备的铸锭内孔内表面进行酸洗，然后用水清洗，干燥；

3)纯铝浇铸：将步骤2)处理后得到的铸锭放入模具中，预热后浇注熔化的纯铝液；

4)在铸锭内孔处的纯铝部分钻孔：铸锭内孔中心处沿轴线钻与铸锭内孔同轴的圆柱状通孔，该通孔内径比铸锭内孔内径小6mm；

5)挤压：步骤4)得到的铸锭，预热保温后，放入预热的热挤压模具中，在预热的挤压针表面涂敷一层石墨润滑剂后，进行热挤压，得到铝基复合材料热挤压管材。

所述铝基复合材料，增强材料为sic晶须。所述铝基复合材料为碳化硅晶须(sicw)含量30vol.％的sicw/6061al铝基复合材料。

所述内孔，直径比热挤压针外径(即要获得管材内径)大10mm。

步骤2)中的干燥为自然干燥；所述酸洗为1％(质量分数)氢氟酸浸泡10min。

步骤3)所述模具为耐热钢模具，模具内径与步骤2)处理后得到的铸锭的外径相同，模具形状为圆筒状，模具内径与步骤2)处理后得到的铸锭的外径相同，模具底部的内孔采用石墨垫密封；设铸锭高为h，则模具侧壁顶部边缘高出0.5h。

步骤3)所述预热，预热温度450℃，保温时间120min。

所述纯铝液为纯度99.9％(质量分数)以上的纯铝锭加热至800℃熔化后，保温60min制得。

所述浇注，使纯铝液充满铸锭内孔后，在铸锭上端面形成厚度0.3h的纯铝液层，在纯铝液层上放置完全覆盖纯铝液层的石墨密封垫，施加50mpa压力，保压10min后撤去压力，自然冷却到室温后将所得复合材料铸锭从模具中退出。

步骤4)所述通孔，内径比挤压针直径大4mm。

步骤5)所述铸锭预热保温，具体为：将铸锭放入电阻炉中预热，预热温度505℃，到达预热温度后，保温180min。

所述热挤压模具及挤压针，预热温度为400℃，预热时间为3h。

所述热挤压，热挤压速度为1.5mm/s，挤压比25:1。

经过与实施例1相同的表征，本实施例制备的25：1大挤压比铝基复合材料热挤压管材，外表面光滑无擦伤。内表面光滑、无擦伤，可满足直接使用的要求。管材截面抛光金相组织纯铝层与管材内表面结合紧密、无裂纹；纯铝层厚度均匀、厚度约80μm左右；复合材料一侧无裂纹等缺陷，达到纯铝层均匀包覆管材内表面的效果。热挤压态管材ct扫描图结果显示热挤压态管材内、外表面无擦伤缺陷，说明该发明可获得表面质量良好的复合材料管材。

另外，除上述实施例之外，当铸锭内孔表面加工成60°螺纹状(图6b)或梯形螺纹状(图6c)时，在(4-25)：1的挤压比下，铝基复合材料热挤压管材内外表面光滑、无擦伤，可满足直接使用的要求。另外管材内壁的纯铝层与复合材料之间的结合强度进一步提高，可防止纯铝层在大载荷或高低温循环使用条件下脱落，可获得表面质量良好的复合材料管材。