專(zhuān)利名稱(chēng)：一種制備觸變成形用板坯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備觸變成形用板坯的方法。本發(fā)明可用于制備觸變成形用半固態(tài)合金板坯，所制備的半固態(tài)合金具有未熔固相晶粒細(xì)小、球化程度高，觸變性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，而且制備工藝簡(jiǎn)單。
背景技術(shù)：
半固態(tài)觸變成形技術(shù)是一項(xiàng)非常好的合金及復(fù)合材料近凈成形技術(shù)。自從20世紀(jì)70年代MIT的Flemings教授等提出該技術(shù)以來(lái)，該技術(shù)在汽車(chē)、電子和3C等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。半固態(tài)觸變成形技術(shù)通常包括半固態(tài)坯料制備、二次加熱和半固態(tài)觸變成形三個(gè)工序，其中，最關(guān)鍵的技術(shù)就是半固態(tài)坯制備。到目前為止，半固態(tài)坯的制備方法主要有機(jī)械攪拌法，電磁攪拌法，等溫處理法和SIMA法(見(jiàn)《哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》2000年8月， 第32卷，第4期，《半固態(tài)漿制備技術(shù)的新進(jìn)展》，作者崔建忠等)。機(jī)械攪拌法和電磁攪拌法需要嚴(yán)格的氣體保護(hù)或者密封措施，且在制備大固相體分率半固態(tài)坯方面有很大困難， 整個(gè)制坯過(guò)程成本較高。等溫處理法獲得半固態(tài)坯組織粗大，晶粒球化程度低，很難制備合格的半固態(tài)坯。相比之下，SIMA法制備鎂合金半固態(tài)坯有一定優(yōu)勢(shì)。首先，SIMA法是固態(tài)變形誘導(dǎo)，半固態(tài)等溫處理后直接觸變成形，省去了二次加熱過(guò)程，從工序上、成本上都有一定優(yōu)勢(shì)；其次，SIMA法能夠獲得很高的固相體分率。材料經(jīng)過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)后在所需的半固態(tài)溫度進(jìn)行保溫，使得固相體分率很容易控制。但由于鎂合金滑移系少，塑性變形困難，因此，傳統(tǒng)的SIMA法中變形工序很難進(jìn)行。采用等徑道角擠壓為鎂合金材料的應(yīng)變誘導(dǎo)工藝 (見(jiàn)《材料科學(xué)與工藝》2010年10月，第18卷，第5期，《大塑性變形的AM60鎂合金半固態(tài)等溫處理研究》，作者王迎等)，很好地解決了鎂合金難以獲得較大塑性變形量的難題，從而使鎂合金材料獲得很好的應(yīng)變誘導(dǎo)效果，且結(jié)合半固態(tài)等溫處理工藝實(shí)現(xiàn)應(yīng)變誘導(dǎo)材料的熔化激活。但是，目前所采用的新SIMA法需要多道次反復(fù)加工，工藝操作復(fù)雜。攪拌摩擦加工(見(jiàn)《稀有金屬材料與工程》2011年1月，第40卷，第1期，183 188頁(yè)，《攪拌摩擦加工研究進(jìn)展及前景展望》，作者黃春平等)是在攪拌摩擦焊接的基礎(chǔ)上提出的一種用于材料微觀組織改性和制造的方法。其基本思想是，利用攪拌頭所造成加工區(qū)材料的劇烈塑性變形、混合、破碎、破裂和熱暴露，實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的致密化、均勻化和細(xì)化。與等通道轉(zhuǎn)角擠壓方法相比，攪拌摩擦加工技術(shù)，只需一次加工就可以實(shí)現(xiàn)合金板材的組織細(xì)化，所獲得的細(xì)晶合金等軸晶度高、高角晶界比例高，而且攪拌摩擦加工方法可以不受板料尺寸限制。由此可見(jiàn)，在運(yùn)用控制合金凝固的方法制備合金半固態(tài)坯的過(guò)程中，所制備的復(fù)合材料晶粒粗大，球化效果不理想。雖然新SIMA法相比于其他制備半固態(tài)坯的方法有一定的優(yōu)勢(shì)，但是由于工藝復(fù)雜，晶粒球化程度也不盡理想，且受板材尺寸限制。因此，發(fā)明新的合金半固態(tài)坯料制備方法就顯得十分重要
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)運(yùn)用攪拌摩擦加工制備未熔晶粒細(xì)小，球化程度高的半固態(tài)板坯，提供一種制備觸變成形用板坯的方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明步驟的過(guò)程為①對(duì)采用鑄造制備的原始合金板坯進(jìn)行均勻化退火處理；②運(yùn)用攪拌摩擦加工的方法，攪拌工具在高轉(zhuǎn)速下、低行進(jìn)速度條件下對(duì)所獲得板坯進(jìn)行多道次連續(xù)加工，最終在整個(gè)板坯上獲得細(xì)晶組織；③剪切、修整攪拌摩擦加工之后的板材；④在加熱爐中將加工后的鋁合金板料快速加熱到半固態(tài)溫度區(qū)間，并在該半固態(tài)溫度保溫至坯料溫度均衡，獲得具有球狀、細(xì)小固相構(gòu)成的半固態(tài)觸變成形板坯。本發(fā)明的有益效果在于1.運(yùn)用攪拌摩擦加工法制備的半固態(tài)坯料經(jīng)重熔后未熔固相晶粒細(xì)小、球化程度高、觸變性能優(yōu)異，且不需要延長(zhǎng)保溫時(shí)間。2.本發(fā)明中所述的合金半固態(tài)觸變成形板坯的制備方法工藝簡(jiǎn)單、而且不受板材尺寸的限制。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。圖1是攪拌摩擦加工法制備半固態(tài)觸變成形板坯的示意圖；圖2是攪拌摩擦加工路徑示意圖。圖中，1為攪拌加工工具的下肩，2為被加工合金板材，3為攪拌加工工具的攪拌針，4攪拌加工工具的上肩。所使用的攪拌加工工具包括上肩4、下肩1和攪拌針3，肩的直徑為b，針的上部直徑為a、針長(zhǎng)為C。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1、圖2。本發(fā)明所述的制備觸變成形用板坯的方法的步驟如下①對(duì)采用鑄造制備的原始合金板坯進(jìn)行均勻化退火處理；②運(yùn)用攪拌摩擦加工的方法，攪拌工具在高轉(zhuǎn)速下、低行進(jìn)速度條件下對(duì)所獲得板坯進(jìn)行多道次加工，最終在整個(gè)板坯上獲得細(xì)晶組織；③將攪拌摩擦加工法制備的板材邊角切割掉，獲得用于半固態(tài)重熔的板坯；④將加工后的鋁合金板料放在加熱爐中加熱，快速加熱到半固態(tài)溫度區(qū)間，并在該半固態(tài)溫度保溫至溫度均衡，獲得具有球狀、細(xì)小固相的半固態(tài)觸變成形板坯。實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)材料為半連續(xù)鑄態(tài)7075鋁合金，其化學(xué)成分為wt % 5. 6Zn-2. 5Mg-l. 6Cu-0. 23Cr_balAl。首先，截取出厚度為15mm的鑄態(tài)7075合金板材，對(duì)所獲得合金板材在462°C進(jìn)行保溫24小時(shí)，然后以0. 5°C /min的速度升溫至470°C并保溫4 小時(shí)，再進(jìn)行水淬處理；其次，對(duì)該7075鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊接加工實(shí)驗(yàn)，所采用的攪拌加工工具肩寬為16mm，針為上寬為10mm、下寬為8mm、長(zhǎng)為14. 9mm的錐形針，側(cè)面開(kāi)有螺距為0.5mm螺紋，攪拌加工過(guò)程中，攪拌工具的傾角為2. 5°。將工件固定后，采用1500rpm 的工具轉(zhuǎn)動(dòng)速度和15-25mm/min的行進(jìn)速度條件下，按照?qǐng)D2所示加工路徑進(jìn)行多道次加工；再次，對(duì)攪拌摩擦加工之后的板材進(jìn)行切割、修整；最后，在加熱爐中快速將板坯加熱到562°C (該合金的固相線溫度為535°C，液相線溫度為592°C )，待板料溫度恒定后，獲得固相率為55 %的半固態(tài)板坯，該半固態(tài)板料未熔固相的直徑為25-40 μ m,球化程度高，具有優(yōu)良的觸變性能。實(shí)施例2實(shí)驗(yàn)材料為A356 合金，A356 的化學(xué)成分為 wt % 7Si_0. 32Mg_0. 14Fe_0. 19Cu_0. 08 Mn-0. 09Zn-0. 20Ti_balAl。首先，截取出厚度為IOmm的鑄態(tài)A356合金板材，對(duì)所獲得合金板材在535°C進(jìn)行保溫2-4小時(shí)，再進(jìn)行水淬處理；其次，對(duì)該A356鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊接加工實(shí)驗(yàn)，所采用的攪拌加工工具肩寬為20mm，針為上寬為14mm、下寬為12mm、長(zhǎng)為9. 9mm 的錐形針，側(cè)面開(kāi)有螺距為0.5mm螺紋，攪拌加工過(guò)程中，攪拌工具的傾角為2. 5°。將工件固定后，采用IOOOrpm的工具轉(zhuǎn)動(dòng)速度和10-15mm/min的行進(jìn)速度條件下，按照?qǐng)D2所示加工路徑進(jìn)行多道次加工；再次，對(duì)攪拌摩擦加工之后的板材進(jìn)行切割、修整；最后，在加熱爐中快速將板坯加熱到580°C (該合金的固相線溫度為545°C，液相線溫度為615°C )， 待板料溫度恒定后，獲得固相率為50%的半固態(tài)板坯，該半固態(tài)板料未熔固相的直徑為 15-35 μ m，球化程度高，具有優(yōu)良的觸變性能。實(shí)施例3實(shí)驗(yàn)材料為鑄態(tài)AM60鎂合金材料，其合金成分為wt% 6. 5A1-0. 13Mn_0. 005Fe_0 .OlCu-O. 02Ni-Bal. Mg。首先，截取出厚度為IOmm的AM60鑄態(tài)鎂合金板材，對(duì)所獲得合金板材在箱式電阻爐中先加熱到350°C，保溫lh，然后加熱到410°C，保溫20h，用70°C的水淬火； 其次，對(duì)該AM60鑄態(tài)鎂合金材料進(jìn)行攪拌摩擦焊接加工實(shí)驗(yàn)，所采用的攪拌加工工具肩寬為16mm，針為上寬為10mm、下寬為8mm、長(zhǎng)為9. 9mm的錐形針，側(cè)面開(kāi)有螺距為0. 2mm螺紋， 攪拌加工過(guò)程中，攪拌工具的傾角為2. 5°。將工件固定后，采用1500rpm的工具轉(zhuǎn)動(dòng)速度和15-25mm/min的行進(jìn)速度條件下，按照?qǐng)D2所示加工路徑進(jìn)行多道次加工；再次，對(duì)攪拌摩擦加工之后的板材進(jìn)行切割、修整；最后，在加熱爐中快速將板坯加熱到585°C (該合金的固相線溫度為540°C，液相線溫度為615°C )，待板料溫度恒定后，獲得固相率為50%的半固態(tài)板坯，該半固態(tài)板料未熔固相的直徑為20-30 μ m，球化程度高，具有優(yōu)良的觸變性能。實(shí)施例4實(shí)驗(yàn)材料為AZ31 鎂合金，其化學(xué)成分為wt% 3Α1-1Ζη-0. 3Mn_0. 004Si_0. 002Cu-0. OOlFe-O. 04Ca-0. 003Ni-Bal. Mg。首先，截取出厚度為30mm的AZ31鑄態(tài)鎂合金板材，對(duì)所獲得合金板材在箱式電阻爐中先加熱到400°C，保溫IOh在室溫水淬；其次，對(duì)該AZ31鑄態(tài)鎂合金材料進(jìn)行攪拌摩擦焊接加工實(shí)驗(yàn)，所采用的攪拌加工工具肩寬為20mm，針為上寬為 20mm、下寬為14mm、長(zhǎng)為29. 8mm的錐形針，側(cè)面開(kāi)有螺距為0. 2mm螺紋，攪拌加工過(guò)程中，攪拌工具的傾角為2. 5°。將工件固定后，采用2000rpm的工具轉(zhuǎn)動(dòng)速度和25mm/min的行進(jìn)速度條件下，按照?qǐng)D2所示加工路徑進(jìn)行多道次加工；再次，對(duì)攪拌摩擦加工之后的板材進(jìn)行切割、修整；最后，在加熱爐中快速將板坯加熱到595°C (該合金的固相線溫度為546°C， 液相線溫度為619°C )，待板料溫度恒定后，獲得固相率為50%的半固態(tài)板坯，該半固態(tài)板料未熔固相的直徑為25-35 μ m，球化程度高，具有優(yōu)良的觸變性能。本發(fā)明中攪拌摩擦加工在極高的熱輸入條件下，可導(dǎo)致被加工板材中部分低熔點(diǎn)相發(fā)生初熔、偏聚，分布于再結(jié)晶晶粒的晶界處。適當(dāng)改變攪拌摩擦加工工藝，可制得具有不同晶粒尺寸的合金組織；其次，調(diào)整重熔加熱溫度，可以控制固相分?jǐn)?shù)；再次，由于攪拌摩擦加工細(xì)晶合金等軸性高，在重熔過(guò)程中不需長(zhǎng)時(shí)間保溫即可獲得球化率高的未熔固相。因此，采用攪拌摩擦加工的方法制備觸變成形用板坯，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，所獲得半固態(tài)坯料觸變性能佳。 最后需要說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種制備觸變成形用板坯的方法，其特征在于，有以下步驟①對(duì)采用鑄造法制備的合金板坯進(jìn)行均勻化退火處理；②運(yùn)用攪拌摩擦加工的方法，攪拌工具在高速轉(zhuǎn)速、低速行進(jìn)的條件下對(duì)所獲得板坯進(jìn)行多道次加工，最終在整個(gè)板坯上獲得細(xì)晶組織；③剪切、修整攪拌摩擦加工之后的板材；④加熱爐中加熱獲得的合金板材，迅速升溫到該合金的半固態(tài)溫度區(qū)間，并在該半固態(tài)溫度保溫至溫度均衡，獲得具有球狀、細(xì)小未熔固相的半固態(tài)觸變成形板坯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備觸變成型用板坯的方法，其特征在于所述步驟①中鑄造法制備的合金板坯為變形鋁合金、鑄造鋁合金、變形鎂合金、鑄造鎂合金等；所述步驟 ②中所使用的攪拌加工工具為雙肩攪拌器，兩肩之間的寬度即針長(zhǎng)與被加工板厚相當(dāng)，在加工過(guò)程中，所采用的攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度為1000-2000rpm，攪拌加工工具的行進(jìn)速度為 10-25mm/min,在加工完一個(gè)道次后，將攪拌加工工具移動(dòng)一個(gè)針寬距離再加工第二個(gè)道次，如此反復(fù)，直到對(duì)整個(gè)板材加工完畢。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備觸變成形用板坯的方法，它可滿足合金半固態(tài)觸變成形的需要。其方法是首先，對(duì)獲得的鑄態(tài)板材進(jìn)行均勻化退火熱處理；然后，運(yùn)用攪拌摩擦加工的方法，攪拌工具在高旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下、低行進(jìn)速度條件下對(duì)所獲得板坯進(jìn)行多道次加工，最終在整個(gè)板坯上獲得細(xì)晶組織；經(jīng)過(guò)剪切、修整攪拌摩擦加工板材之后，在加熱爐中迅速加熱制得的合金板材到半固態(tài)溫度區(qū)間，并在該半固態(tài)溫度保溫至溫度均衡后，制得半固態(tài)合金板坯。采用本發(fā)明所制備的半固態(tài)合金材料晶粒細(xì)小，球化程度高，觸變性能優(yōu)異，且制備工藝簡(jiǎn)單、不受板坯尺寸限制。
文檔編號(hào)B23K20/12GK102489870SQ20111041876
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者劉明翔, 孫文菊, 王開(kāi), 薛寒松 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)