專利名稱：半固態(tài)金屬材料的成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將金屬材料在半固態(tài)以壓力鑄造或鍛造成形的方法。
觸變金屬制品(thixotropic metal product)，特別是含鐵、銅或鋁的合金在半固態(tài)下成形的方法已公知二十余年了。法國專利2141979(同族專利為US3,948,650)首先描述了鑄造觸變金屬的方法，該法由以下步驟組成提高該合金溫度直至達(dá)到液態(tài)，冷卻使之局部凝固、強(qiáng)烈攪動此液—固混合體以便打碎技晶并將其至少2/3的初始組成轉(zhuǎn)變成大致為園形的小球。
重加熱至半固態(tài)的觸變金屬在其重加熱及運(yùn)至成形機(jī)時(shí)處理起來就象固體一樣，而在成形時(shí)則象均勻的粘滯的液體。
在半固態(tài)下制造制品的方法優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的方法較低的成形能量及較快的冷卻，這使得收縮減少、生產(chǎn)率較高而工具或模具的磨損和損壞減少。
這些方法一般包括以下步驟—以機(jī)械的或電磁釬焊生產(chǎn)初生相部分或全部為球狀組織的觸變金屬或合金的坯料或錠子。
—按制造該制品的每個(gè)生產(chǎn)周期所用的金屬重量切割坯料。
—重加熱此坯料直至達(dá)到液體部分與所期望的粘度相當(dāng)。此重加熱可以幅射或感應(yīng)加熱完成。
—將經(jīng)重加熱的金屬運(yùn)至成形設(shè)備(鍛壓機(jī)或壓力鑄造機(jī))。
—使欲生產(chǎn)的制品成形。
重加熱的半固態(tài)金屬的粘度是本方法的要點(diǎn)之一。若金屬的粘度過高、則其在成形時(shí)不象均一的液體那樣流動，從而所生產(chǎn)的制品有內(nèi)在缺陷。反之，若此粘度過低，則不再能象處理固體那樣處理坯料。部分金屬液流掉并損失，從而使成形機(jī)的進(jìn)料受到妨礙。
半固態(tài)時(shí)的粘度取決于以下參數(shù)a)初始相中的球比率程度。該組織越接近理想的，其中全部技晶都已變成較好的園球的球狀組織，則該粘度降得越低。
b)重加熱所得到的液態(tài)部分。液態(tài)部分越多則粘度越低。
c)該成形工藝的剪切速度。越是增加此速度，則越是降低此粘度。
此剪切速度一般是由成形機(jī)及制品的幾何形狀決定的，因必須通過球化率程度和液體部分的適當(dāng)組合才可以得到所需的粘度。
另一方面，從一個(gè)成形周期到另一周期，此粘度必須是可重現(xiàn)的，從而保證產(chǎn)品本身及其質(zhì)量的重現(xiàn)性。
在保持半固態(tài)的期間，就調(diào)整液態(tài)部分的比率和固態(tài)部分的球化程度而言，坯料的重加熱在重現(xiàn)性方面起著決定性的作用，這見于W.Lowe的文章“Evolution microstructurale et comportement rhé-ologique d′alliages aluminium—siliciumàl＇étatsemi—Solide[Microstruc-tural evolution and rheological proper—ties of aluminium—silicon alloy ina semi—solid state”National polytechnic Institute of Grenoble，October，1992。
這樣，所提到的問題就包括通過影響重加熱制度尋找持久地確保該重加熱的坯料的恒定的粘度的簡單而可靠的方法，這些坯料是將要被引入注射成型機(jī)或鍛壓機(jī)的。
己提出各種解決方案以確保這一制度a.在“Manufacture of Automotive Components By Pressure DieCasting in Semi Liquid State”(published in Die Casting World.October.1992)一文中，R.Moschini談到了一種方法，該法包括在將坯料自重加熱爐運(yùn)往注射成型機(jī)的過程中，用連在操縱裝置上的速讀熱電偶直接測量該坯料的溫度幾秒鐘。如果測得的溫度超出預(yù)定的范圍，則使此坯料改道繞行，以便防止其以不適宜的溫度進(jìn)入該機(jī)器。
此法在原理上及其實(shí)際應(yīng)用上均有很多缺點(diǎn)。一方面，恒定的溫度不保證恒定的粘度，實(shí)際上，在給定的溫度下，液體部分可根據(jù)在同樣的標(biāo)準(zhǔn)說明書范圍內(nèi)的合金成分的差異而變化。比如，在AlSi7Mg型(相當(dāng)于Aluminum Association of the USA的牌號A356及A357)的鋁合金中，硅可以6.5變到7.5％，這導(dǎo)致在577℃時(shí)液體部分的顯著變化。
該金屬初生相的球化程度也可從一批料到另一批料而有所改變，這在恒定的液體部分時(shí)導(dǎo)致給定溫度下的粘度的變化。
最后，對于具有實(shí)質(zhì)上的等溫共晶平臺的合金，如鋁—硅合金而言，溫度的測量對熔融的共晶部分未提供任何信息。
另一方面，從實(shí)施的觀點(diǎn)出發(fā)，由于粉塵在熱電偶上的堆積或紅外線測量的不精確性，以每小時(shí)60—100個(gè)周期重復(fù)的生產(chǎn)速度所測量的半固態(tài)金屬材料的表面溫度和中心溫渡就產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的問題。
b.重加熱溫度也可通過控制供給爐內(nèi)的電力而得以調(diào)整，這在感應(yīng)爐中是很容易作到的。但這里還要強(qiáng)調(diào)，初始相中的球化率的變化及在標(biāo)準(zhǔn)說明書中的化學(xué)成分的變化使得保證重加熱坯料的粘度的充分的恒定性是不可能的。此外，在同一套設(shè)備中由于局部環(huán)境狀況，如外界溫度或空氣流的變化使能量通過對流的損失發(fā)生顯著的變化是可以理解的。
c.最后，一直推薦的是用透度計(jì)類型的探頭，如M.C.Flemings，R.G.Riek及K.P.Roung在“Rheocasting”(Materials scienec and Engi-neering，Vo1.25，1976，PP.103—177)一文中所述的探頭直接測量重加熱后的坯料粘度。此法雖然不產(chǎn)生偏離，但也有實(shí)際的應(yīng)用問題。在高生產(chǎn)率時(shí)，粉塵非常迅速地堆積在此探頭上從而改變其幾何形狀及表面狀況，因此使測量失真。另一方面，在壞料成形前對其切割或打孔而引起的外部物體的貫入可引起諸如氧化物夾雜或氣泡之類的缺陷，這是會惡化所生產(chǎn)的制品質(zhì)量的。
本發(fā)明的目的在于避免上述方法中的缺點(diǎn)及提供一種借助重加熱調(diào)整重加熱后坯料粘度的簡單有效而可靠的方法，該法將導(dǎo)致所生產(chǎn)制品的恒定的，可重現(xiàn)的質(zhì)量。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種使金屬材料于半固態(tài)時(shí)成形的方法，它包括—制備觸變金屬材料的坯料，它在重量上與生產(chǎn)此制品的每個(gè)生產(chǎn)周期所用的金屬相當(dāng)，—將此坯料于半固態(tài)下重加熱，直至達(dá)到與成形所需的粘度相當(dāng)?shù)囊后w部分的比率，—將此坯料運(yùn)往鍛壓機(jī)或壓鑄機(jī)，其特征在于通過相應(yīng)地將重加熱功率調(diào)到與填充鍛?；蜩T模型腔時(shí)該材料對鍛錘或噴射柱塞阻力相關(guān)的數(shù)值而將此坯料的粘度調(diào)到所需值。
控制調(diào)節(jié)重加熱的這一數(shù)值可以是在鍛錘或噴射柱塞上測得的背壓，甚至是在壓鑄情況下的，以壓機(jī)恒定的水壓設(shè)定值下的噴射柱塞的給料速度。
事實(shí)上，在壓鑄重加熱至液體部分約為50％的AlSiMg型的鋁一硅合金的過程中，申請人觀察到在相當(dāng)于填充鑄模型腔的第二階段時(shí)的變形壓力完全預(yù)料不到地是在30—80Mpa之間，這就是說，這比理論上的，或比如在上述W.Loue的文章中所述的粘度的理論測算所預(yù)計(jì)的壓力高得多，后者表明該壓力在0.001—0.1MPa的數(shù)量級上。
申請人還觀察到，當(dāng)從一個(gè)到另一個(gè)生產(chǎn)周期時(shí)重加熱材料的粘度由于重加熱的不穩(wěn)定性而引起的液體部分的變化，或是由于固相中球化率程度的不同而改變時(shí)，填充壓力也不同。
最后，通過采用不是在一封閉線路中對壓鑄周期進(jìn)行控制的傳統(tǒng)壓鑄機(jī)，申請人觀察到，以恒定設(shè)定值向電動機(jī)預(yù)頂裝置供油時(shí)，為填充所需的壓力的增加表現(xiàn)為減慢了該柱塞的給料速度。
在此情況下，此觸變成形裝置包括一臺感應(yīng)重加熱爐，它包括兩個(gè)功率水平可分別調(diào)節(jié)的區(qū)，—一臺自動裝置，它將重加熱后的坯料拿起再送入壓鑄機(jī)的容器中，—一臺帶有常規(guī)注入系統(tǒng)的壓鑄機(jī)以最大值的百分?jǐn)?shù)表達(dá)的，對預(yù)頂裝置供油的調(diào)節(jié)是預(yù)先選定的，而柱塞速度及金屬注入時(shí)其所施加的背壓，即稱為填充壓的壓力是事后測定的。
—一臺微機(jī)，它接收來自該壓鑄機(jī)的柱塞速度和填充壓的數(shù)值，并運(yùn)用軟件中的這種信息，此軟件是控制重加熱爐中兩區(qū)中的加熱功率的。調(diào)整軟件的原理包括將柱塞速度的測量值與相應(yīng)于某一速度的設(shè)定點(diǎn)值相比較，所述的速度是作為在該制品加工過程中有給定的，令人滿意結(jié)果而選定的。加熱功率水平順次以，比如，3％的增量增加或減少，直至通過此設(shè)定點(diǎn)。然后以較小的增量，比如1％增減，以便達(dá)到此設(shè)定點(diǎn)。
實(shí)施例在一臺壓鑄機(jī)于750臺噸的封閉壓力下，及一臺包括分別帶有4和8個(gè)感應(yīng)器線圈的兩個(gè)重加熱區(qū)的重加熱爐中用AlSiMg型觸變鋁合金制成的一批坯料進(jìn)行汽車發(fā)動機(jī)零件的制備。此坯料在第一區(qū)中滯留328秒，而在第二區(qū)中滯留654秒。設(shè)定點(diǎn)值保持為—設(shè)定往電機(jī)預(yù)頂裝置輸油為最大值的90％，—柱塞速度為0.60m/秒，—填充壓力32MPa，對加工階段中所用的坯料料批而言可能獲得柱塞速度和填充壓力的設(shè)定點(diǎn)值的加熱設(shè)定值為—在第一區(qū)47.4Kw—在第二區(qū)15.5Kw當(dāng)使用第二種不同批次的觸變坯料時(shí)，可觀察到不改變該設(shè)定值，而注入?yún)?shù)變?yōu)椤俣?.51m/秒—填充壓力40MPa這表明材料的表現(xiàn)粘度較高。
用柱塞速度作為參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，而只簡單地記下填充壓力，這樣就完成了重加熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。此程序達(dá)到下列設(shè)定的加熱功率水平—第一區(qū)53.2kw(+11％)—第二區(qū)16.6kw(+7％)通過重加熱設(shè)定，實(shí)際上又恢復(fù)到與設(shè)定點(diǎn)值相同的注入?yún)?shù)—柱塞速度0.60m/秒—填充壓力31.8MPa還觀察到不僅柱塞速度恢復(fù)到用于調(diào)節(jié)的設(shè)定點(diǎn)值，而且填充壓力也恢復(fù)到其最初設(shè)定點(diǎn)。這清楚地表明這使得來自第二批坯料的金屬坯的表觀粘度與得自第一批料的金屬坯的該粘度相等。
權(quán)利要求
1.使金屬材料在半固態(tài)成形的方法。它包括—制備觸變金屬材料的坯料，在重量上它與制造該制品的每個(gè)生產(chǎn)周期所用的金屬相當(dāng)，—在半固態(tài)下重量加熱此坯料直到，達(dá)到與成形所需的粘度相應(yīng)的液體部分比率，—將此坯料運(yùn)至鍛壓機(jī)或壓鑄機(jī)，—通過鍛壓或鑄使該坯料成形，其特征在于通過將重加熱功率相應(yīng)地調(diào)到該材料在填充鍛?；蜩T模型腔時(shí)對鍛錘或噴射柱塞的阻力相關(guān)的數(shù)值而將此坯料的粘度調(diào)節(jié)到所需值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于調(diào)節(jié)重加熱的這一值是在鍛錘上或噴射柱塞上測得的背壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用壓鑄進(jìn)行成形的方法，其特征在于調(diào)節(jié)重加熱的此數(shù)值是在恒定液壓設(shè)定值下的柱塞速度。
4.用壓鑄機(jī)進(jìn)到的成形方法，它包括用于控制權(quán)利要求1的注入速度的預(yù)編程的自動控制裝置，其特征在于控制重加熱的數(shù)值是該機(jī)器的液壓設(shè)定值。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于該金屬材料是鋁合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使金屬材料在半固態(tài)下成型的方法，它包括制備一種觸變金屬的坯料，它在重量上與所用的金屬相當(dāng)，對此坯料重加熱，直至達(dá)到與成型所需的粘度相應(yīng)的液體部分比率，將此坯料運(yùn)往鍛壓機(jī)或壓鑄機(jī)，借助鍛造或壓鑄使坯料成型。其特征在于，供助將重加熱功率相應(yīng)調(diào)到與該材料在填充鍛?；蛐颓粫r(shí)對鍛錘或噴射柱塞的阻力相關(guān)的數(shù)值來將該坯料的粘度調(diào)到所需值。此法特別適用于觸變鋁合金的成型。
文檔編號B22D18/02GK1122115SQ9519003
公開日1996年5月8日 申請日期1995年1月13日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月17日
發(fā)明者M·加拉特 申請人:皮奇尼鋁公司