一种铝合金半固态二次复合挤压铸造方法与流程

本发明涉及一种铝合金半固态二次复合挤压铸造方法，属铝合金半固态成型技术领域。

背景技术：

铝合金半固态成型技术包括流变成型和触变成型两大类，触变成型所用的半固态金属坯料具有较高的固相分数，在输送和加热时较为方便，易于实现自动化操作，因此，早期的半固态成型技术的工业应用主要集中在触变成型工艺上；随着触变成型技术的应用和推广，其设备成本高、加工余料不能快速回收、二次重熔造成坯料表面氧化、生产周期长、能耗高制约了触变成型技术的发展；因此，流变成型技术近年来成为铝合金半固态成型领域的研究热点；流变成型技术是在合金由液态冷却至预定半固态的温度区间来控制浆料的质量，因此，采用适当的工艺手段在短时间内制备出高质量的半固态浆料，以及半固态浆料和流变成型之间的快速衔接成为流变成型技术的关键。

铝合金半固态浆料的制备工艺分为两种，一种是熔体经过外加作用场搅拌，另一种是熔体不需要外加作用场搅拌；前种方法是在合金凝固过程中运用外场施加强烈搅拌，搅拌引起的对流抑制了枝晶的生长，在搅拌剪切速率较高且冷却速率较低的情况下，枝晶最终演变为球状或近球状，例如机械搅拌法、电磁搅拌法、超声波振动法；然而，运用外场搅拌的方法共同特点是半固态浆料制备时需要增加特殊设备，工艺复杂，成本较高，从而制约了半固态成型技术的工业化应用；另外一种工艺是通过控制温度、合金元素、形核等内部因素来制得半固态浆料，例如低过热度浇注法、化学晶粒细化法、控制形核法、应变诱导熔体活化法；然而，该方法的缺点是需要对温度、成分等外部条件进行精确的控制，所以当前无外场搅拌法还处于实验室研究阶段，很少用于工业化生产。

挤压铸造技术是一种在半固态加工领域具有潜在应用前景的新型金属加工方法，该技术是对注入模具型腔中的液态或半液态的金属或合金施加较高的机械压力，使已凝固的外壳发生塑性变形，液态或半液态的金属在等静压的作用下及时补缩，从而得到组织致密、力学性能高的铸件；挤压铸造技术主要有直接挤压铸造和间接挤压铸造两种方法，直接挤压铸造是压力直接作用于液态金属表面，压力传递距离短，但金属液必须精确定量充型，同时对于复杂异形零件有二次充型的过程，容易形成冷隔等缺陷，因此只适合于生产形状简单、对称结构的铸件；间接挤压铸造是压力通过浇道传递给模腔内的金属熔体，因此压力传递距离长，易产生缩松等缺陷。

如何将半固态成型技术与挤压铸造技术高效、稳定的结合并实现成型过程精确控制，成为半固态成型的关键；目前，半固态挤压铸造技术大多采用先制浆再挤压铸造的方法，即利用电磁搅拌、超声波等外场，或者通过倾斜板、蛇形浇道等外加装置制得半固态浆料，然后将浆料浇入模具型腔中，在液压挤压机上实现挤压铸造，该过程中浆料的质量极难控制，同时很难实现制浆与成型的紧密衔接，因此缺乏稳定、专用的成型工艺与装备。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的状况，通过二次复合挤压铸造技术实现半固态浆料的制备与挤压铸造成型一体化，铝合金液在冲头作用下的充型过程即为半固态浆料的制备过程，充型完毕后经过冲头保压及二次复合挤压即为成型过程，达到制浆与成型的紧密衔接，提高铝合金半固态铸件的质量。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：铝合金、无水乙醇、石墨润滑油、氧化锌脱模剂、kcl-nacl基体精炼剂，其准备用量如下：以克、毫升为计量单位

二次复合挤压铸造方法如下：

(1)制造二次复合挤压铸造模具

二次复合挤压铸造模具用热作模具钢4cr5mosiv1制造，固定模、复合成型板、活动模芯型腔表面粗糙度均为：ra0.08-0.16μm；

(2)熔炼铝合金液

铝合金液的熔炼是在中频感应熔炼炉内进行的，是经过铝合金切块、预热、熔炼、精炼、静置过程中完成的；

①清理中频感应熔炼炉的熔炼坩埚，用金属铲、金属刷清理熔炼坩埚，使表面清洁，然后用无水乙醇清洗坩埚内表面，晾干；

②切制铝合金块，将铝合金块用机械进行切制，成20mm×15mm×10mm的金属块；

③预热铝合金块，将切制的铝合金块置于预热炉内，进行预热，预热温度为180℃，备用；

④预热熔炼坩埚，开启中频感应熔炼炉，预热坩埚，预热温度为200℃，备用；

⑤将预热后的铝合金块置于预热的熔炼坩埚内，开启中频感应熔炼炉，加热熔炼铝合金块，熔炼温度730℃±1℃，在此温度恒温保温20min，然后加入kcl-nacl基体精炼剂45g±1g，搅动铝合金液，使精炼剂与铝合金液充分混和；清理铝合金液中熔渣，将温度调至660℃±1℃，静置，恒温保温15min，成精炼铝合金液；

(3)二次复合挤压铸造

铝合金半固态二次复合挤压铸造是在挤压铸造机上进行的，是在半固态二次复合挤压铸造模具内，铝合金液经过浇道进行搅拌、充填、冲头保压、二次复合挤压、保压、脱模，成型为铝合金半固态铸件；

①安装二次复合挤压铸造模具

将二次复合挤压铸造模具的固定模固定于挤压铸造机的工作台上，并与挤压铸造机的料缸、冲头、压射杆垂直连接；

将二次复合挤压铸造模具的活动模背板固定在挤压铸造机的活动型板上；

将推杆连接在挤压铸造机的副油压缸上；

调整下部压射杆与上部推杆在同一中心线上；

将固定模油路、复合成型板油路、料缸油路通过油管与油温控制柜连接；

②预热料缸、二次复合挤压铸造模具

开启油温控制柜的开关，预热二次复合挤压铸造模具、料缸，二次复合挤压铸造模具预热温度为75℃±1℃，料缸预热温度为280℃±1℃；

③将石墨润滑油150ml注入料缸与冲头之间的间隙中，进行润滑；

④将氧化锌脱模剂150ml均匀地喷涂在挤压铸造模具的固定模、复合成型板、活动模芯表面，涂层厚度0.02mm；

⑤将铝合金液加入到料缸中，然后合模；

⑥挤压铸造机下部的压射杆、冲头推动铝合金液进入主浇口、波浪主浇道、分浇道、弯形浇道、波浪直浇道、铸件型腔，冲头的顶出距离为300mm，0mm-65mm时冲头顶出速度为38mm/s，65mm-115mm时冲头顶出速度为75mm/s，115mm-300mm时冲头顶出速度为275mm/s，然后冲头加压，压力为125mpa，恒压保压时间12s；

⑦挤压铸造机上部的副油压缸拉动上部推杆上移，推杆通过上推板、下推板及连接导柱拉动复合成型板上移，当上推板接触上限位块后，副油压缸停止运动，同时挤压铸造机主油压缸施压，推动活动模芯继续运动与固定模进行合模，活动模芯向下进行二次挤压，二次挤压距离为5mm，然后上部的主油缸进行保压，保压压力为235mpa，保压时间20s；

⑧挤压铸造机上部的主油压缸拉动活动模背板开模，冲头顶出铝合金半固态铸件，副油压缸顶出，推动推杆下移，推杆通过上推板、下推板及连接导柱推动复合成型板下移，当下推板接触下限位块后，副油压缸停止运动；

⑨冷却，铝合金半固态铸件在空气中冷却至25℃；

(4)清理铸件

用机械将成型零件从铝合金半固态铸件上切下，将成型零件置于钢质平板上，用机械清理各部及周边；

(5)清洁铸件

将清理后的成型零件置于钢质平板上，用砂纸打磨表面及内孔，然后用无水乙醇洗涤，洗涤后晾干；

(6)检测、分析、表征

对制备的成型零件的形貌、色泽、金相组织结构、力学性能进行检测、分析、表征；

用金相分析仪进行金相组织分析；

用微机控制的电子万能试验机进行抗拉强度及延伸率分析；

结论：成型零件金相组织致密性好，初生α-al由球状和近球状晶粒组成，蔷薇状晶粒较少，且晶粒尺寸明显降低，抗拉强度达235mpa，延伸率达8.5％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对当前铝合金半固态挤压铸造技术中浆料的质量极难控制，同时很难实现制浆与成型的紧密衔接、稳定性差的弊端，采用铝合金半固态二次复合挤压铸造的方法，通过二次复合挤压铸造技术实现半固态浆料的制备与挤压铸造成型一体化，铝合金液在冲头的作用下进入主浇口、波浪主浇道、分浇道、弯形浇道、波浪直浇道，由于模具的激冷作用，形成了大量晶核，同时铝合金液的流动方向经过多次改变，合金熔体在浇道中进行了强烈搅拌，促使凝固初期形成的晶核向球状转变，从而获得非枝晶组织浆料；然后经过冲头保压，和二次复合挤压铸造制成铝合金半固态铸件，经过机械切割制得成型零件，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，二次复合挤压铸造的成型零件形状精确，金相组织致密性好，初生α-al由球状和近球状晶粒组成，蔷薇状晶粒较少，且晶粒尺寸明显降低，抗拉强度达235mpa，延伸率达8.5％，是先进的铝合金半固态二次复合挤压铸造方法。

附图说明

图1、成型零件结构图；

图2、二次复合挤压铸造模具主视图；

图3、图2的右侧视图；

图4、图3的a-a剖面图；

图5、固定模结构图；

图6、复合成型板结构图；

图7、固定模与复合成型板组合后俯视图；

图8、图7的b-b剖面图；

图9、图7的c-c剖面图

图10、二次复合挤压铸造模具安装状态图；

图11、料缸及二次复合挤压铸造模具预热状态图；

图12、铝合金液注入料缸状态图；

图13、二次复合挤压铸造模具合模状态图；

图14、铝合金液充填模具型腔冲头保压状态图；

图15、二次复合挤压、保压状态图；

图16、二次复合挤压铸造后开模状态图；

图17、铝合金半固态铸件脱模状态图；

图18、成型零件金相组织形貌图；

图中所示，附图标记清单如下：

1、成型零件，2、固定模，3、活动模，4、活动模芯，5、左导柱，6、右导柱，7、复合成型板，8、推杆，9、活动模背板，10、左连接导柱，11、右连接导柱，12、支撑模架，13、上推板，14、下推板，15、上限位块，16、下限位块，17、复合成型板进油孔，18、复合成型板出油孔，19、固定模进油孔，20、固定模出油孔，21、复合成型板油路，22、固定模油路，23、主浇口，24、固定模波浪主浇道，25、固定模第一分浇道，26、固定模第一弯形浇道，27、固定模第一波浪直浇道，28、固定模第二分浇道，29、固定模第二弯形浇道，30、固定模第二波浪直浇道，31、固定模铸件型腔，32、复合成型板波浪主浇道，33、分流岛，34、复合成型板第一分浇道，35、复合成型板第一弯形浇道，36、复合成型板第一波浪直浇道，37、复合成型板第二分浇道，38、复合成型板第二弯形浇道，39、复合成型板第二波浪直浇道，40、活动模芯孔，41、连接导柱固定孔，42、波浪主浇道，43、第一分浇道，44、第二分浇道，45、第一波浪直浇道，46、第二波浪直浇道，47、铸件型腔，48、主油压缸，49、副油压缸，50、工作台，51、料缸，52、料缸保温套，53、冲头，54、压射杆，55、料缸循环油管，56、固定模循环油管，57、复合成型板循环油管，58、油温控制柜，59、活动型板，60、复合挤压间隙，61、测温装置，62、铝合金液，63、铝合金半固态铸件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为成型零件结构图，成型零件1为圆轴孔状，两侧部设有对称台阶。

图2、3、4、5、6、7、8、9所示，为二次复合挤压铸造模具结构图，模具由固定模2、活动模3和二次复合挤压装置组成；

固定模2通过左导柱5、右导柱6与活动模3连接；

活动模芯4固定安装在活动模3上，活动模3与支撑模架12、活动模背板9固定连接；

二次复合挤压装置由推杆8、上推板13、下推板14、上限位块15、下限位块16、左连接导柱10、右连接导柱11、复合成型板7组成；推杆8固定在上推板13、下推板14之间，上推板13、下推板14通过左连接导柱10、右连接导柱11与复合成型板7固定连接，上限位块15固定在活动模背板9下部，下限位块16固定在活动模3上部；当推动或拉动推杆8时，二次复合挤压装置整体做上下运动，上下运动的距离由上限位块15和下限位块16限制；

固定模2中心部位设有主浇口23，固定模波浪主浇道24与主浇口23相连，固定模第一分浇道25、固定模第二分浇道28与固定模波浪主浇道24相连，固定模第一分浇道25、固定模第一弯形浇道26、固定模第一波浪直浇道27相互连接，固定模第二分浇道28、固定模第二弯形浇道29、固定模第二波浪直浇道30相互连接，固定模第一波浪直浇道27、固定模第二波浪直浇道30与固定模铸件型腔31连接；

复合成型板7上设有复合成型板波浪主浇道32、分流岛33，复合成型板第一分浇道34、复合成型板第二分浇道37与复合成型板波浪主浇道32相连，复合成型板第一分浇道34、复合成型板第一弯形浇道35、复合成型板第一波浪直浇道36相互连接，复合成型板第二分浇道37、复合成型板第二弯形浇道38、复合成型板第二波浪直浇道39相互连接，复合成型板第一波浪直浇道36、复合成型板第二波浪直浇道39与活动模芯孔40连接；

固定模2、复合成型板7、活动模芯4合模后组成了主浇口23、波浪主浇道42、第一分浇道43、第二分浇道44、第一弯形浇道、第二弯形浇道、第一波浪直浇道45，第二波浪直浇道46，铸件型腔47；

在固定模2上设有固定模进油孔19、固定模出油孔20、固定模油路22，在复合成型板7上设有复合成型板进油孔17、复合成型板出油孔18、复合成型板油路21。

图10所示，为二次复合挤压铸造模具安装状态图，料缸51安装在工作台50中部，料缸51内部设有测温装置61、外部设有料缸保温套52，冲头53安装在压射杆54上，并与料缸51同中心配合连接，二次复合挤压铸造模具的固定模2固定安装在工作台50上，并与料缸51同中心配合连接，活动模背板9固定在活动型板59上，复合挤压装置通过推杆8固定在副油压缸49上，副油压缸49安装在活动型板59上，挤压铸造机的主油压缸48与活动型板59固定连接，料缸保温套52的油路、固定模油路22、复合成型板油路21分别依靠料缸循环油管55、固定模循环油管56、复合成型板循环油管57与油温控制柜58连接。

图11所示，为料缸及二次复合挤压铸造模具预热状态图，开启油温控制柜58的开关，预热二次复合挤压铸造模具、料缸51，二次复合挤压铸造模具预热温度为75℃±1℃，料缸51预热温度为280℃±1℃。

图12所示，为铝合金液注入料缸状态图，主油压缸48拉动活动模背板9上移开模，副油压缸49推动推杆8顶出，推杆8通过上推板13、下推板14、左连接导柱10和右连接导柱11推动复合成型板7顶出，当下推板14接触下限位块16后，副油压缸停止运动并锁死，此时活动模3和复合成型板7之间存在5mm的复合挤压铸造间隙60，向料缸51中注入铝合金液62。

图13所示，为二次复合挤压铸造模具合模状态图，挤压铸造机上部主油压缸48推动活动模背板9合模，当复合成型板7接触固定模2时，上部主油压缸48停止运动，完成合模。

图14所示，为铝合金液充填模具型腔冲头保压状态图，挤压铸造机下部的压射杆54、冲头53推动铝合金液62进入主浇口23、波浪主浇道42、第一分浇道43、第一分浇道44、第一弯形浇道、第二弯形浇道、第一波浪直浇道45、第二波浪直浇道46、铸件型腔47，冲头53的顶出距离为300mm，0mm-65mm时冲头53顶出速度为38mm/s，65mm-115mm时冲头53顶出速度为75mm/s，115mm-300mm时冲头53顶出速度为275mm/s，然后冲头53加压，压力为125mpa，恒压保压时间12s

图15所示，为二次复合挤压、保压状态图，挤压铸造机的副油压缸49拉动推杆8上移，推杆8通过上推板13、下推板14、左连接导柱10和右连接导柱11拉动复合成型板7退回，当上推板13接触上限位块15后，副油压缸49停止运动，同时挤压铸造机主油缸48施压，推动活动模背板9继续运动进行合模，使得活动模芯4对铸件进行二次复合挤压，二次挤压距离为5mm，最终固定模2、复合成型板7、活动模3压紧，主油压缸48进行保压，保压压力为235mpa，保压时间20s。

图16所示，为二次复合挤压铸造后开模状态图，主油压缸48拉动活动模背板9上移开模。

图17所示，为铝合金半固态铸件脱模状态图，冲头53顶出铝合金半固态铸件63，副油压缸49推动推杆8顶出，推杆8通过上推板13、下推板14、左连接导柱10和右连接导柱11推动复合成型板7顶出。

图18所示，为成型零件金相组织形貌图，图中所示，成型零件金相组织致密性好，初生α-al由球状和近球状晶粒组成，蔷薇状晶粒较少，且晶粒尺寸明显降低。