金屬擠壓鑄鍛成形方法及其制品的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種金屬擠壓鑄鍛成形方法及其制品，尤其是輕合金或輕合金復(fù)合材料在同一套模具內(nèi)完成鑄造、鍛造的擠壓鑄鍛成形方法及其制品。本發(fā)明是對擠壓鑄造、連鑄連鍛等技術(shù)的發(fā)展改進，主要是解決連鑄連鍛工件塑性變形量小于鍛造臨界變形量的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是在鑄造階段預(yù)留未充填型腔，其容積需大于工件鍛造臨界變形量所對應(yīng)的體積；鍛造階段再通過柱塞擠壓實現(xiàn)塑性變形或晶粒細化充填過程來充滿型腔。本發(fā)明提供了一種新的金屬熱加工成形方法，是將鑄造、鍛造、半固態(tài)加工三者融合的一種方法，適用于高性能的承力零件、氣密性零件如鋁車輪、連桿等的制造。
【專利說明】金屬擠壓鑄鍛成形方法及其制品
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬或金屬基復(fù)合材料的成形方法及其制品，尤其是輕合金或輕合金復(fù)合材料在同一套模具內(nèi)完成鑄造、鍛造的成形方法及其制品。
【背景技術(shù)】
[0002]擠壓鑄造和模鍛都屬現(xiàn)有的金屬熱加工成形方法。擠壓鑄造是將液態(tài)金屬材料在重力或機械力作用下充滿鑄模型腔，然后使金屬液在較高壓力下結(jié)晶凝固。不足之處是，擠壓比壓雖高于其他鑄造方法，但仍不能使工件產(chǎn)生明顯的塑性變形。
[0003]模鍛是對固態(tài)金屬坯料加熱，然后放入鍛模，鍛壓機加壓后，固態(tài)金屬坯料產(chǎn)生塑性變形充滿鍛模型腔。模鍛主要適用于形狀簡單的工件；對于形狀復(fù)雜的工件，鍛件的機加工切削量比鑄件大得多，因此模鍛零件的生產(chǎn)成本比擠壓鑄造高。
[0004]現(xiàn)有金屬半固態(tài)成形方法是先通過機械、電磁攪拌或超聲波等處理，制備球狀或近球狀晶粒的半固態(tài)漿料或?qū)牍虘B(tài)坯料重熔，再控制固相分數(shù)在固液混合體中占35%?65%，然后加壓將半固態(tài)漿料注滿模具型腔，并在壓力下完全凝固。半固態(tài)成形技術(shù)的特點是:充填型腔前必須有一個制備球狀或近球狀晶粒半固態(tài)漿料的過程。
[0005]現(xiàn)有鑄-鍛聯(lián)合工藝是先用鑄模制得鑄坯，再將鑄坯重新加熱后放入鍛模進行鍛造；需要兩套模具、兩套設(shè)備，兩次加熱，生產(chǎn)成本高?？蓞⒖贾袊鴮＠颁X車輪的鑄鍛工藝”(申請?zhí)?00580012476.6)、“連桿的鑄鍛聯(lián)合工藝”(申請?zhí)?5106018)。
[0006]現(xiàn)有連鑄連鍛技術(shù)是對擠壓鑄造、鑄-鍛聯(lián)合工藝等的發(fā)展，其特點是:金屬材料在液態(tài)下充滿模具型腔，待其凝固后，立刻對同一套模具內(nèi)的固態(tài)金屬材料進行鍛造；因其鍛造量是基于填補工件的縮孔、縮松、氣孔和凝固收縮等形成，故鍛造量偏小，一般小于鍛造臨界變形量，以致工件塑性變形量比模鍛小。此技術(shù)可參考《連鑄連鍛技術(shù)》，陳炳光、陳昆編著，機械工業(yè)出版社2004年4月第一版；中國專利“金屬液態(tài)壓鑄鍛造雙控一次成形的方法”(申請?zhí)?00410052493.X)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種金屬擠壓鑄鍛成形方法，以克服連鑄連鍛工件塑性變形量小于鍛造臨界變形量的不足；本發(fā)明另一目的是提供由所述金屬擠壓鑄鍛成形方法制備的金屬或金屬基復(fù)合材料制品。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是這樣的，一種金屬擠壓鑄鍛成形方法，包括在同一套模具內(nèi)完成鑄造、鍛造，其特征是，包含以下步驟及工藝條件:
步驟一，設(shè)備準(zhǔn)備、模具準(zhǔn)備、金屬液準(zhǔn)備；所述金屬液的澆注溫度不得高于該材料在擠壓鑄造或重力鑄造中的澆注溫度；
步驟二，合模、鎖模；
步驟三，鑄造；采用重力澆注或低壓鑄造或沖頭壓射或電磁澆注方式，將定量金屬液注入模具的型腔、澆道或擠壓室，但型腔不能全部充滿，而是留待步驟四再充滿；所述未充填型腔的容積需大于工件鍛造臨界變形量所對應(yīng)的體積；
步驟四，鍛造；通過一個或一個以上的柱塞對同一模具中的金屬材料施加一次或一次以上的擠壓，直至將型腔充滿；所述擠壓的擠壓比壓需大于金屬材料在終鍛溫度時的高溫強度極限，擠壓開始條件為型腔中固液混合體的固相分數(shù)達35%以上；
步驟五，保壓；型腔充滿后繼續(xù)保持擠壓力；保壓時間視工件的不同，在1-1800秒內(nèi)選
??；
步驟六，解除鎖模、開模，頂出取件。
[0009]進一步，所述金屬擠壓鑄鍛成形方法，其特征在于:步驟一所述的金屬液的澆注溫度比該材料在擠壓鑄造或重力鑄造中的澆注溫度低5%?15%。
[0010]進一步，所述金屬擠壓鑄鍛成形方法，其特征在于:步驟四所述的擠壓比壓大于金屬材料在室溫時的抗壓屈服極限。
[0011]進一步，所述金屬擠壓鑄鍛成形方法，其特征在于:步驟四所述的擠壓開始條件為型腔中固液混合體的固相分數(shù)超過65 %。
[0012]進一步，所述金屬擠壓鑄鍛成形方法，步驟四所述的擠壓比壓大于金屬材料在室溫時的抗壓屈服極限，其特征在于:步驟四所述的擠壓開始條件為型腔中固液混合體的固相分數(shù)超過65%。
[0013]進一步，所述金屬擠壓鑄鍛成形方法，其特征在于:步驟四所述的擠壓開始條件為型腔中金屬材料已經(jīng)全部凝固且溫度區(qū)間低于固相線溫度、高于終鍛溫度。
[0014]進一步，所述金屬擠壓鑄鍛成形方法，步驟四所述的擠壓比壓大于金屬材料在室溫時的抗壓屈服極限，其特征在于:步驟四所述的擠壓開始條件為型腔中金屬材料已經(jīng)全部凝固且溫度區(qū)間低于固相線溫度、高于終鍛溫度。
[0015]優(yōu)選地，所述金屬擠壓鑄鍛成形方法，工件材料為ZLlOlA鋁合金，其特征是:還包括以下工藝條件，鋁液澆注溫度為615?685°C，步驟三所述未充填型腔的容積需大于15%，步驟四所述擠壓比壓為150?350MPa，擠壓開始條件為型腔中固液混合體的固相分數(shù)超過50%或65%。
[0016]由上述金屬擠壓鑄鍛成形方法中任意一種方法制備的金屬或金屬基復(fù)合材料制品O
[0017]優(yōu)選地，由前述金屬擠壓鑄鍛成形方法制備的ZLlOlA鋁合金車輪、承力零件。
[0018]有益效果:采用本發(fā)明的技術(shù)方案，能實現(xiàn)工件塑性變形量大于鍛造臨界變形量，而且成本接近鑄件、性能達到或接近鍛件之效果。澆注溫度低則工件性能好；而低溫可能導(dǎo)致的澆不足鑄造缺陷，可以通過鍛造的塑性變形充填來消除。在金屬材料處于固液混合體狀態(tài)下開始擠壓，則可兼有部分半固態(tài)加工的效果，但本發(fā)明并不需要復(fù)雜的半固態(tài)漿料制備過程。本發(fā)明也沒有預(yù)先制作模鍛用鑄坯、二次加熱的工序。本發(fā)明是在同一套模具中，將鑄造、鍛造、半固態(tài)加工三者融合的創(chuàng)新。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]附圖用來與實施例一起便于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0020]圖1是金屬擠壓鑄鍛成形方法的原理示意圖。
圖中:1-擠壓缸，20-柱塞，21-柱塞套，3-擠壓室，4-澆口，50-未充填型腔，51-澆注后的金屬材料，52-鍛造后的工件，61-下模，62-側(cè)模，63-上模，7-頂桿，8-側(cè)模缸，9-底板?！揪唧w實施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合一個優(yōu)選實施例及其附圖，對本發(fā)明作進一步說明。
本實施例提供一種金屬擠壓鑄鍛成形方法及其制品，是一種牌號為ZLlOlA(美國牌號A356.2、日本牌號AC4CH)的鋁合金車輪，其包括以下步驟:
步驟一，設(shè)備、模具、鋁液等準(zhǔn)備；設(shè)備可以是專用的擠壓鑄鍛設(shè)備或改裝過的液態(tài)模鍛擠壓機、壓鑄機等；模具包括下模(61)、側(cè)模(62)、上模(63)、柱塞(20)、柱塞套(21)等，也可以沒有側(cè)模；允許一模多件；模具安裝在底板(9)上，需要清理、噴涂料，預(yù)熱至150-300°C左右，連續(xù)生產(chǎn)時可啟用模具冷卻裝置；精煉除氣后的鋁液澆注溫度控制在615?685°C，越接近液相線溫度越好；而ZLlOlA在擠壓鑄造、重力鑄造或低壓鑄造中的澆注溫度則一般為690?720°C ；
步驟二，合模、鎖模；先合模再澆注優(yōu)先；若是先澆注再合模、充填及鍛造的方式，對制品的尺寸一致性不利，同時，整個上模作擠壓沖頭，則所需設(shè)備噸位大大增加；根據(jù)常識，鎖模力需大于脹型力，可用側(cè)模缸(8)或其它鎖模機構(gòu)等實現(xiàn)鎖模；
步驟三，鑄造；采用重力澆注或其它澆注方式，將定量鋁液注入模具的型腔、澆道或擠壓室(3)，但型腔不能全部充滿，而是留待步驟四再充滿，即預(yù)留未充填型腔(50);所述未充填型腔的容積需大于工件鍛造臨界變形量所對應(yīng)的體積，以待后續(xù)塑性變形過程所需，可通過控制柱塞直徑等來達到目的；也可以設(shè)計工藝性附加腔室作為未充填型腔的一部分；擠壓室內(nèi)的金屬材料需略多于未充填型腔的容積；對于鋁合金，鍛造臨界變形量一般在12%?15% ;燒口(4)可以是一個或多個，澆注位置可以是頂注、底注或側(cè)注，或幾個澆口同時澆注；澆口中可放置過濾物件；
步驟四，鍛造；用設(shè)備上的擠壓缸(I)通過一個或一個以上的柱塞(20)對同一模具中失去常規(guī)鑄造流動性的金屬材料(51)施加一次或一次以上的擠壓，直至將型腔充滿，并且是以塑性變形或晶粒細化為主的充填過程；必要時可以采用柱塞下擠壓或上下同時擠壓的方式；有局部擠壓柱塞時，可以和主柱塞同步擠壓，也可以不同步擠壓；擠壓比壓為150?350MPa或更高，擠壓比壓越大則鍛造效果越強，但所需設(shè)備噸位越大；ZLlOlA鋁合金的固相線溫度為545°C，終鍛溫度為380°C，最佳塑性變形溫度區(qū)間約為450-550°C ;擠壓速度根據(jù)不同工件來調(diào)節(jié)，以有利于塑性變形為原則；擠壓開始條件為型腔中固液混合體的固相分數(shù)超過50%或65% ;若無外力作用，固液混合體一般在固相分數(shù)超過35%后就開始失去鑄造流動性；固相分數(shù)越大則其流動性越差，同時塑性變形效果越好，但所需擠壓力、鎖模力越大；實際生產(chǎn)中，也可通過擠壓開始時間或模具溫度等來控制擠壓開始條件；
步驟五，保壓；型腔充滿后繼續(xù)保持擠壓力；保壓時間視工件的不同，在1-1800秒內(nèi)選??；ZL101A鋁合金車輪的保壓時間一般為5-60秒；
步驟六，解除鎖模、開模，頂桿(7)頂出鍛造后的工件(52);頂出方式可以是上頂出，也可以是下頂出等。
[0022]本發(fā)明尤其適用于制備高性能的輕合金承力零件、氣密性零件，如車輪、連桿、制動泵等。材料可以是鑄造合金、變形合金或金屬基復(fù)合材料；已制備的半固態(tài)漿料也可用于本發(fā)明。[0023] 本發(fā)明并不只限于上述實施方式，采用與本發(fā)明上述實施例相同或近似的方式，而得到的金屬擠壓鑄鍛成形方法及其制品，均在本發(fā)明之權(quán)利要求書確定的專利保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬擠壓鑄鍛成形方法，包括在同一套模具內(nèi)完成鑄造、鍛造，其特征是，包含以下步驟及工藝條件: 步驟一，設(shè)備準(zhǔn)備、模具準(zhǔn)備、金屬液準(zhǔn)備；所述金屬液的澆注溫度不得高于該材料在擠壓鑄造或重力鑄造中的澆注溫度； 步驟二，合模、鎖模； 步驟三，鑄造；采用重力澆注或低壓鑄造或沖頭壓射或電磁澆注方式，將定量金屬液注入模具的型腔、澆道或擠壓室，但型腔不能全部充滿，而是留待步驟四再充滿；所述未充填型腔的容積需大于工件鍛造臨界變形量所對應(yīng)的體積； 步驟四，鍛造；通過一個或一個以上的柱塞對同一模具中的金屬材料施加一次或一次以上的擠壓，直至將型腔充滿；所述擠壓的擠壓比壓需大于金屬材料在終鍛溫度時的高溫強度極限，擠壓開始條件為型腔中固液混合體的固相分數(shù)達35%以上； 步驟五，保壓；型腔充滿后繼續(xù)保持擠壓力；保壓時間視工件的不同，在1-1800秒內(nèi)選??； 步驟六，解除鎖模、開模，頂出取件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬擠壓鑄鍛成形方法，其特征在于:步驟一所述的金屬液的澆注溫度比該材料在擠壓鑄造或重力鑄造中的澆注溫度低5%?15%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬擠壓鑄鍛成形方法，其特征在于:步驟四所述的擠壓比壓大于金屬材料在室溫時的抗壓屈服極限。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬擠壓鑄鍛成形方法，其特征在于:步驟四所述的擠壓開始條件為型腔中固液混合體的固相分數(shù)超過65 %。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬擠壓鑄鍛成形方法，其特征在于:步驟四所述的擠壓開始條件為型腔中固液混合體的固相分數(shù)超過65 %。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬擠壓鑄鍛成形方法，其特征在于:步驟四所述的擠壓開始條件為型腔中金屬材料已經(jīng)全部凝固且溫度區(qū)間低于固相線溫度、高于終鍛溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬擠壓鑄鍛成形方法，其特征在于:步驟四所述的擠壓開始條件為型腔中金屬材料已經(jīng)全部凝固且溫度區(qū)間低于固相線溫度、高于終鍛溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬擠壓鑄鍛成形方法，工件材料為ZLlOlA鋁合金，其特征是:還包括以下工藝條件，鋁液澆注溫度為615?685°C，步驟三所述未充填型腔的容積需大于15%，步驟四所述擠壓比壓為150?350MPa，擠壓開始條件為型腔中固液混合體的固相分數(shù)超過50 %或65 %。
9.由權(quán)利要求1-7之一所述的金屬擠壓鑄鍛成形方法制備的金屬或金屬基復(fù)合材料制品。
10.由權(quán)利要求8所述的金屬擠壓鑄鍛成形方法制備的ZLlOlA鋁合金車輪、承力零件。
【文檔編號】B21K1/76GK103990775SQ201410251953
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】支前明 申請人:支前明