專利名稱：一種過共晶Al-Si合金擠壓鑄造成型方法及其模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及擠壓鑄造成型方法及其模具，具體指一種關(guān)于過共晶Al-Si合金，采用擠壓鑄造成型的方法及制備過程中應(yīng)用到的模具。
背景技術(shù)：
擠壓鑄造是一種結(jié)合鑄造和鍛造特點于一體的工藝，其特點是材料利用率高， 鑄件內(nèi)部氣孔和縮孔等缺陷顯著減少，晶粒細化和組織致密等。Al-Si系鑄造合金因其Si 含量比較高，提高了合金的鑄造性能且收縮率和線膨脹傾向小，同時具有耐磨性和良好的機械加工性能，在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。過共晶高硅鋁合金具有良好的耐磨性好、耐蝕性好、熱裂傾向小、體積穩(wěn)定性高和低熱膨脹系數(shù)等特點，是一種理想的新型汽車、摩托車等活塞用合金。在這種材料中隨著含硅量的增加組織中出現(xiàn)大量的初晶硅，特別是呈現(xiàn)粗大針片狀的初晶硅，嚴重割裂合金基體，并且硅相尖端和棱角部位會引起應(yīng)力集中，從而明顯降低了合金的力學(xué)性能，尤其是影響其塑性。過共晶高硅鋁合金鑄件的力學(xué)性能在很大程度上取決于Si相在基體中的形貌和分布，因此，改善共晶硅和初生硅的形貌和分布，不但可以提高合金的力學(xué)性能，而且還可以進一步提高合金的耐磨性。目前采用的細化硅相的方法有多種，如變質(zhì)處理、懸浮鑄造法、噴射沉積法、超聲波振動法、快速凝固法等，這些方法雖取得了一定的效果，由于受到生產(chǎn)規(guī)模限制以及工藝條件要求過于苛刻，因而在生產(chǎn)上都受到了一定的限制。而在壓力下凝固不但可以使合金組織細化，而且使Al-Si合金的共晶點右移，減少粗大初生硅相數(shù)量。因此，采用擠壓鑄造成型的方式，可以使得過共晶 Al-Si合金中硅相細化，合金的力學(xué)性能大幅度提高，同時生產(chǎn)工藝簡單、便于操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種制備高強韌過共晶Al-Si合金鑄件的方法及模具，其目的是提高過共晶Al-Si合金鑄件致密度、力學(xué)性能和生產(chǎn)率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
1. 一種過共晶Al-Si合金擠壓鑄造成型方法，其特征在于所述方法按照以下步驟進
行
(1)模具頂端設(shè)置有與坩堝相連的導(dǎo)流槽，利用傾倒裝置將金屬液通過導(dǎo)流槽注入模具中，金屬液成分按重量百分比為硅17.0 19.0%，銅1.0 2.0%，鎂0.3 0.7%，鎳 0. 5 1. 0%，鐵 0. 5 1. 0%，猛 0. 3 0. 7%，鉻 0. 5 1. 0%，鉬 0. 3 0. 7%，磷0· 07 0. 15%，雜質(zhì)總和< 0. 5%，余量為鋁；然后將擠壓機的擠壓頭迅速下降，開始對金屬液加壓，使金屬坯錠強行補縮并凝固，經(jīng)過保壓后，將坯錠取出。在步驟(1)中，金屬液注入模具之前，模具需要加熱至200 300°C，并在模具上涂有涂料。在步驟(1)中，金屬液注入模具時，金屬液的澆注溫度為690 780°C。在步驟(1)中，擠壓頭的下降速度為0. lmm/s 12mm/s，比壓為70MPa 1500Mpa。
在步驟(1)中，保壓時間為IOs 60s。金屬液成分按重量百分比為硅17. 0 19. 0 %，銅1. 0 2. 0 %，鎂0. 3 0. 7 %， 鎳0.5 1.0%，鐵0.5 1.0%，猛0.3 0.7%，鋯彡0.4%，鋪彡0.28%，鑭，鐠
，鈮，鉻0. 5 1. 0%，鉬0. 3 0. 7%，磷0. 07 0. 15%，雜質(zhì)總和彡0. 5%，余
量為鋁。一種過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法中的模具，其特征在于所述模具包括與坩堝相連的導(dǎo)流槽固定于蓋板上，而蓋板和加熱箱通過栓桿固定于擠壓機底座，加熱箱中設(shè)置有加熱棒；在蓋板上開有與擠壓機的擠壓頭相匹配的通孔，加熱箱中部與通孔對應(yīng)的位置開有金屬坯錠型腔，金屬型腔是一環(huán)形套筒，同時金屬型腔底部設(shè)有阻流塊；用于將金屬坯錠頂出的頂桿設(shè)置在阻流塊底部。所述加熱棒為電阻絲。通過本發(fā)明所述技術(shù)方案的實施，方法操作簡單，便于控制，產(chǎn)品質(zhì)量高，可以提高高硅過共晶Al-Si合金產(chǎn)品的合格率和生產(chǎn)效率。


圖1為擠壓鑄造金屬坯錠模具結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為金屬型重力鑄造過共晶Al-17. 5Si合金相組織； 圖3為金屬型擠壓鑄造過共晶Al-17. 5Si合金相組織； 圖4為本發(fā)明的工藝成形過程示意圖。附圖標(biāo)記說明
1.擠壓頭、2.導(dǎo)流槽、3.蓋板、4.金屬坯錠型腔、5.加熱箱、6.阻流塊、7.栓桿、8.頂桿、9.加熱棒。
具體實施例方式
本發(fā)明采用金屬型模具和擠壓鑄造方法來改進成型技術(shù)，其中制備過共晶Al-Si合金產(chǎn)品的設(shè)備包括擠壓機及金屬坯錠模具和熱處理加熱爐，其中擠壓金屬坯錠模具外圍是電阻絲，利用電阻絲對模具加熱并設(shè)有熱電偶控制模具溫度，模具上方是擠壓頭可以快速下降達到需要擠壓的位置，模具底部是阻流塊，阻礙金屬液流出，模具下方是頂出機構(gòu)。對于擠壓機的要求是可以準(zhǔn)確控制擠壓力，并保證擠壓時的速度。熱處理加熱爐加熱時溫度一定要均勻且控溫準(zhǔn)確，否則可能因坯錠組織不均勻而導(dǎo)致其相關(guān)的性能下降，達不到要求。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。圖1為擠壓鑄造金屬坯錠模具結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，與坩堝相連的導(dǎo)流槽2固定于蓋板3上，而蓋板3和加熱箱5通過栓桿7固定于擠壓機底座，加熱箱5中設(shè)置有加熱棒 9，加熱棒9采用電阻絲，以保證金屬型腔的溫度恒定；在蓋板3上開有與擠壓機的擠壓頭1 相匹配的通孔，加熱箱5中部與通孔對應(yīng)的位置開有金屬坯錠型腔4，金屬坯錠型腔4是一環(huán)形套筒，同時金屬坯錠型腔4底部設(shè)有阻流塊6，阻擋金屬液流出；當(dāng)金屬液注入金屬坯錠型腔4中，擠壓頭1迅速下壓，并在一定壓力下保壓一定時間，之后升起擠壓頭1，由頂桿 8作用在阻流塊6上，將金屬坯錠頂出。在鑄造時，通過傾倒裝置將金屬液通過導(dǎo)流槽2注入模具的金屬坯錠型腔4中， 注入之前模具需要用加熱箱5加熱并涂有涂料。金屬液成分按重量百分比為硅17. 0 19. 0%，銅 1. 0 2. 0%，鎂0.3 0· 7%，鎳0. 5 1. 0%，鐵0. 5 1. 0%，錳0.3 0· 7%,鋯 0 0. 4 %，鈰 0. 28 %，鑭 0. 12 %，鐠 0. 02 %，鈮 0. 08 %，鉻 0. 5 1. 0%，鉬0.3 0.7%，磷0.07 0. 15%，雜質(zhì)總和彡0.5%，余量為鋁。然后擠壓頭1迅速下壓，到達蓋板3處，確保金屬液是在液態(tài)情況下一次性受到設(shè)定的壓力。在此過程中可以憑借擠壓力使得金屬坯錠強行補縮并凝固，保壓一段時間，升起擠壓頭1，利用頂桿8緩慢將坯錠頂出。相關(guān)工藝參數(shù)液態(tài)金屬的澆注溫度為690°C 780°C，模具溫度為200°C 300°C，擠壓速度0. lmm/s 12mm/s,比壓為70MPa 1500Mpa，保壓時間為IOs 60s。取下已成形的金屬坯錠，除去飛邊和外圍氧化皮及雜質(zhì)，本發(fā)明的整體工藝流程見圖4所示。在這一過程中，由于壓力的作用，使得凝固平衡態(tài)被破壞，壓力下凝固的合金固溶度得到了擴展，壓力凝固組織也是非平衡的亞穩(wěn)相，其固溶度的增加類似于快速凝固。 一方面，在壓力下金屬液凝固溫度上升，其結(jié)果就是在合金元素還沒能來得及形核及長大時，基體已經(jīng)開始形核并長大，這樣就使得合金元素被迫分割在基體枝晶之間的間隙中，形成共晶組織。另一方面，也有很多合金元素溶解在基體之中，使得固溶度上升，這一點可以由由擴散系數(shù)和熔體粘度關(guān)系來解釋，以至于擠壓出來的坯錠具有很好的塑性。以下僅以Al-17. 5Si 二元合金擠壓鑄造成型工藝說明問題。如圖2、3分別為重力鑄造與擠壓鑄造組織對比，明顯可見，圖2的重力鑄造合金組織，其主要組織是初生Si相和共晶Si相組織以及Al基體。初生Si相呈粗大塊狀，形狀不規(guī)則且棱角鮮明，對Al基體產(chǎn)生了嚴重的割裂，嚴重降低合金的力學(xué)性能，特別是塑性。共晶Si相呈針片或板條狀，雜亂無章分布在Al基體中，在受力狀況下很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中， 導(dǎo)致裂紋源生成，降低合金性能。而同樣成分合金，在壓力下凝固的組織是由初生α-Al枝晶組織和共晶Si相，初生Si相幾乎找不到。圖3中可見，初生α -Al枝晶組織十分發(fā)達， 且很密集，有利于合金性能的提高，共晶Si相由原來針片或板條狀變?yōu)榉浅＜殞悠瑺?，從而降低了對其基體的割裂作用，減小了基體中可能產(chǎn)生的應(yīng)力集中，因而使合金的機械性能得到較大程度的改善，尤其是塑性有很大幅度提高，見表1。
權(quán)利要求
1.一種過共晶Al-Si合金擠壓鑄造成型方法，其特征在于所述方法按照以下步驟進行模具頂端設(shè)置有與坩堝相連的導(dǎo)流槽，利用傾倒裝置將金屬液通過導(dǎo)流槽注入模具中，金屬液成分按重量百分比為硅17.0 19.0%，銅1.0 2.0%，鎂0.3 0.7%，鎳 0. 5 1. 0%，鐵 0. 5 1. 0%，猛 0. 3 0. 7%，鉻 0. 5 1. 0%，鉬 0. 3 0. 7%，磷0· 07 0. 15%，雜質(zhì)總和< 0. 5%，余量為鋁；然后將擠壓機的擠壓頭迅速下降，開始對金屬液加壓，使金屬坯錠強行補縮并凝固，經(jīng)過保壓后，將坯錠取出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法，其特征在于在步驟 (1)中，金屬液注入模具之前，模具需要加熱至200 300°C，并在模具上涂有涂料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法，其特征在于在步驟 (1)中，金屬液注入模具時，金屬液的澆注溫度為690 780V。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法，其特征在于在步驟 (1)中，擠壓頭的下降速度為0. 1謹/s 12謹/s，比壓為70MPa 1500Mpa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法，其特征在于在步驟 (1)中，保壓時間為IOs 60s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法，其特征在于金屬液成分按重量百分比為硅17. 0 19. 0%，銅1. 0 2. 0%，鎂0.3 0. 7%，鎳0. 5 1. 0%, 鐵0. 5 1. 0%，錳0. 3 0. 7%，鋯彡0.4%，鈰彡0.，鑭，鐠，鈮彡％， 鉻0. 5 1. 0%，鉬0. 3 0. 7%，磷0. 07 0. 15%，雜質(zhì)總和彡0. 5%，余量為鋁。
7.—種如權(quán)利要求1-6中任一項所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法中的模具，其特征在于所述模具包括與坩堝相連的導(dǎo)流槽(2)固定于蓋板(3)上，而蓋板(3)和加熱箱(5)通過栓桿(7)固定于擠壓機底座，加熱箱(5)中設(shè)置有加熱棒(9);在蓋板(3)上開有與擠壓機的擠壓頭(1)相匹配的通孔，加熱箱(5)中部與通孔對應(yīng)的位置開有金屬坯錠型腔(4)，金屬型腔(4)是一環(huán)形套筒，同時金屬型腔(4)底部設(shè)有阻流塊(6)；用于將金屬坯錠頂出的頂桿(8 )設(shè)置在阻流塊(6 )底部。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法中的模具，其特征在于 所述加熱棒(9)為電阻絲。
全文摘要
一種過共晶Al-Si合金擠壓鑄造成型方法，按照以下步驟進行模具頂端設(shè)置有與坩堝相連的導(dǎo)流槽，利用傾倒裝置將金屬液通過導(dǎo)流槽注入模具中，金屬液成分按重量百分比為硅17.0～19.0％，銅1.0～2.0％，鎂0.3～0.7％，鎳0.5～1.0％，鐵0.5～1.0％，錳0.3～0.7％，鉻0.5～1.0％，鉬0.3～0.7％，磷0.07～0.15％，雜質(zhì)總和≤0.5％，余量為鋁；然后將擠壓機的擠壓頭迅速下降，開始對金屬液加壓，使金屬坯錠強行補縮并凝固，經(jīng)過保壓后，將坯錠取出。通過本發(fā)明所述技術(shù)方案的實施，方法操作簡單，便于控制，產(chǎn)品質(zhì)量高，可以提高高硅過共晶Al-Si合金產(chǎn)品的合格率和生產(chǎn)效率。
文檔編號B22D18/02GK102423798SQ201110380589
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者劉蘭吉, 方虹澤, 曲迎東, 李潤霞, 李榮德, 焦文祝, 白彥華, 荀詩文 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)