一種鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法及系統(tǒng)，屬有色金屬材料制備及應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括如下步驟：先將鋁合金塊體切制成鋁合金小塊體后分別用鋁箔包覆，然后將包覆的鋁合金小塊體預(yù)熱；將預(yù)熱好的所述鋁合金小塊體熔煉，得到液態(tài)鋁合金；將液態(tài)鋁合金通過具有彎曲通道或倒置錐形通道的澆口注入到保溫裝置中進(jìn)行保溫，得到鋁合金半固態(tài)漿料；將鋁合金半固態(tài)漿料澆注到保溫性擠壓模具，進(jìn)行擠壓成型處理；最后在所述擠壓成型處理完成后繼續(xù)施壓，之后頂出鑄件，空冷，最終得到鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件。此制備方法工藝先進(jìn)，工序嚴(yán)密，數(shù)據(jù)精確翔實(shí)，制備鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件熱處理后硬度可達(dá)82.9HB，抗拉強(qiáng)度可達(dá)279Mpa。
【專利說明】
一種鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法及系統(tǒng)，屬有色金屬材料制備及應(yīng) 用的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁合金是有色合金，具有較好的強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，常用作結(jié)構(gòu)材料，在 航空航天、電子工業(yè)、汽車制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用;但鋁合金抗拉強(qiáng)度低、硬度低、耐腐 蝕性差，使其在工業(yè)上的應(yīng)用受到了限制。
[0003] 當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的鋁合金成型方法為壓力鑄造。但是，壓鑄件容易出現(xiàn)氧化、氣 孔等缺陷，導(dǎo)致鑄件的力學(xué)性能下降。半固態(tài)擠壓鑄造方法，是一種近凈成形的方法，具有 加工溫度低、可熱處理強(qiáng)化、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)。目前，鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造方法還處于研 究階段，其工藝技術(shù)還有待提高?，F(xiàn)階段半固態(tài)成型發(fā)展瓶頸主要是：1)制備半固態(tài)漿料工 藝穩(wěn)定性差，制備成本較高;2)半固態(tài)漿料轉(zhuǎn)移難度較大，不能使半固態(tài)漿料順利的轉(zhuǎn)移到 成型模具中進(jìn)行加工成型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法 及系統(tǒng)。該方法以鋁合金為原材料，經(jīng)在真空熔煉爐熔煉、漿料制備、擠壓成型，以提高鋁合 金材料的力學(xué)性能。本發(fā)明提出一種簡便的半固態(tài)漿料制備方法和系統(tǒng)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)半固 態(tài)漿料自動澆注、定量澆注，解決了半固態(tài)成型過程中漿料轉(zhuǎn)移難題，同時(shí)降低了半固態(tài) 漿料制備成本。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] -種鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一，鋁合金預(yù)處理:先將鋁合金塊體切制成鋁合金小塊體后分別用鋁箱包覆， 然后將包覆的鋁合金小塊體預(yù)熱；
[0008] 步驟二，熔煉:將預(yù)熱好的所述鋁合金小塊體熔煉，得到液態(tài)鋁合金；
[0009] 步驟三，鋁合金半固態(tài)漿料的制備：將步驟二得到的液態(tài)鋁合金通過具有彎曲通 道或倒置錐形通道的澆口（即具有彎曲通道或倒置錐形通道的模具)注入到保溫裝置中進(jìn) 行保溫，得到鋁合金半固態(tài)漿料；
[0010]步驟四，擠壓成型處理:將步驟三得到的所述鋁合金半固態(tài)漿料澆注到保溫性擠 壓模具，進(jìn)行擠壓成型處理；
[0011]步驟五，脫模冷卻：在所述擠壓成型處理完成后繼續(xù)施壓，之后頂出鑄件，空冷，最 終得到鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)原理是：1)采用彎曲通道或倒置錐形通道，優(yōu)選為準(zhǔn)蛇形通道法制 備金屬半固態(tài)漿料，工藝簡單，制備成本較低，利用準(zhǔn)蛇形通道的自攪拌作用，打碎枝晶；同 時(shí)準(zhǔn)蛇形通道澆口溫度較低，合金液獲得較大的過冷度，大量形核，細(xì)化晶粒，最終得到半 固態(tài)漿料;2)采用電磁栗澆注，半固態(tài)漿料在洛倫茲力的作用下，澆注到擠壓模具型腔;更 優(yōu)選地，通過可編程邏輯控制器(PLC)控制，實(shí)現(xiàn)自動澆注和定量澆注。
[0013] 上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，步驟一中，所述預(yù) 熱的溫度為 180_22(TC (比如 182Γ、185Γ、188Γ、195Γ、200-(：、205Γ、210-(：、215Γ、218 °C)，更優(yōu)選為 195°C_205°C，所述預(yù)熱的時(shí)間為 10_25min(比如 llmin、13min、15min、18min、 21min、23min、24min)，更優(yōu)選所述預(yù)熱的時(shí)間為15min。
[0014] 上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，步驟一中，所述 錯(cuò)合金小塊體尺寸（即長X寬X高X50mmX 50mmX 50mm。
[0015] 上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，步驟二中，所述熔 煉是在中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)進(jìn)行的，且在中頻感應(yīng)加熱、抽真空、氬氣底吹過程中完成的。
[0016] 上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，步驟二的熔煉包 括先后進(jìn)行的第一子步驟和第二子步驟，所述第一子步驟中，抽真空至所述中頻感應(yīng)熔煉 爐內(nèi)壓強(qiáng)彡 l〇Pa;加熱溫度為580-620°C (比如582°C、585°C、590°C、595°C、600°C、605°C、 610°(：、615°(：、618°(：)，更優(yōu)選為595-605°(： ;加熱時(shí)間為30-45111丨11(比如31111丨11、331^11、 35min、38min、41min、43min、44min)，更優(yōu)選為40min;所述第二子步驟中，進(jìn)行氬氣底吹，氬 氣速度為 800_1200C3/min(比如 810C3/min、830C3/min、850C3/min、900C 3/min、950C3/min、 1000(：3/11^11、1150(： 3/11^11、1170(：3/11^11、1190(：3/11^11、1200(： 3/11^11)，氬氣速度優(yōu)選為1000(：3/ min，使中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)壓強(qiáng)保持在0.045Mpa，此時(shí)繼續(xù)加熱升溫至680-750 °C進(jìn)行熔煉 (比如685 °C、690 °C、695 °C、700 °C、710 °C、720 °C、730 °C、735 °C、740 °C、745 °C)，更優(yōu)選加熱 升溫至 715-725 °C 進(jìn)行恪煉，并恒溫保溫 15_30min (比如 16min、18min、20min、24min、26min、 28min、29min)，更優(yōu)選恒溫保溫為20min。優(yōu)選理由：第一子步驟更優(yōu)先加熱溫度595-605°C 是因?yàn)椋X合金的液相線溫度為617°C，加熱到595-605Γ后開啟氬氣底吹裝置，即不會造成 氬氣浪費(fèi)，又能在鋁合金熔化后，起到均勻鋁合金成分、除雜和除氣的目的；第二子步驟的 熔煉溫度更優(yōu)選在715-725Γ是因?yàn)?，在這溫度區(qū)間內(nèi)澆注，既能保證通道不會堵塞，又可 以得到組織形貌較好的半固態(tài)ZL101鋁合金坯料，保溫時(shí)間20min，這是經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得到 的最佳參數(shù)，能夠澄清熔體中彌散分布的較大顆粒的夾雜物。
[0017] 上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，步驟三中，所述 彎曲通道為準(zhǔn)蛇形通道或螺形管通道。更優(yōu)選地，所述彎曲通道設(shè)置有3-5個(gè)彎道。準(zhǔn)蛇形 通道澆口具有自攪拌作用，能打碎枝晶；同時(shí)準(zhǔn)蛇形通道澆口溫度較低，合金液獲得較大的 過冷度，大量形核，細(xì)化晶粒，從而得到半固態(tài)漿料。隨后被注入到保溫爐中保溫能進(jìn)一步 使半固態(tài)漿料組織均勻化。進(jìn)一步地，所述液態(tài)鋁合金注入所述保溫裝置時(shí)的流速為0.2-lkg/s，優(yōu)選為0.5kg/s。準(zhǔn)蛇形通道具有激冷作用，隨著彎道數(shù)量增加，制備的半固態(tài)坯料 品質(zhì)也會隨之增加，但隨彎道數(shù)量的增加，掛料凝固殼質(zhì)比例大幅度增加，并且容易堵塞通 道，降低生成效率。本發(fā)明中經(jīng)過多次嘗試，彎曲通道設(shè)置有3-5個(gè)彎道，保證了坯料品質(zhì)的 同時(shí)，不會堵塞通道。澆注速度較高時(shí)，坯料外表面會粗糙，并形成凹坑，澆注速度較低時(shí)， 坯料表面光滑，致密度增加，但較低的澆注速度并不利于合金熔體充滿準(zhǔn)蛇形通道。經(jīng)過多 次實(shí)驗(yàn)，將最佳饒注速度定為〇. 5kg/s，既能保證合金恪體充滿整個(gè)準(zhǔn)蛇形通道，又能夠獲 得表面光滑、致密度高的坯料。
[0018] 上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，步驟三中，所述保 溫的溫度為550-62(TC (比如552。(：、555。(：、560。(：、570。(：、580。(：、590。(：、600。(：、615。(：、618 °〇，保溫的時(shí)間為15-2〇111；[11(比如16111；[11、17111；[11、18111；[11、19111；[11)。
[0019] 上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，步驟四中，所述擠 壓成型的擠壓壓強(qiáng)為80-120MPa (比如82MPa、85MPa、88MPa、92MPa、95MPa、1 OOMPa、105MPa、 11010^、11510^、11810^)，保壓時(shí)間為15-3〇8(比如168、188、2〇8、248、268、288)，保溫性擠 壓模具的溫度為180_220°C，更優(yōu)選地，擠壓壓強(qiáng)為lOOMpa，保壓時(shí)間為20s，保溫性擠壓模 具的溫度為200°C。在一定范圍內(nèi)，擠壓壓強(qiáng)越大，細(xì)化晶粒效果越明顯。而本發(fā)明中，當(dāng)擠 壓壓強(qiáng)超過lOOMpa后，細(xì)化作用減慢，宏觀力學(xué)性能趨于穩(wěn)定。模具溫度為180-220°C，優(yōu)選 為200°C，是因?yàn)槟＞邷囟冗^低，凝固速度會過快，即使增大壓力也對其無法進(jìn)行補(bǔ)縮，從 而產(chǎn)生鑄造缺陷;模具溫度過高，會使得鋁合金熔體的熱量不容易散失，導(dǎo)致晶粒長粗，影 響最終性能;經(jīng)過多次試驗(yàn)后，優(yōu)選200°C。上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，作為一種 優(yōu)選實(shí)施方式，步驟四中，所述擠壓模具材質(zhì)為熱作模具鋼，型腔尺寸為120mm X 30mm X 50mm，型腔表面粗糙度為RaO.08-0.16μπι。此處所指的型腔尺寸是指凸模蓋到凹模上以后凹 模內(nèi)的空隙尺寸。
[0020] 上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，步驟四中，在所述 鋁合金半固態(tài)漿料澆注到擠壓模具之前，還包括擠壓模具的型腔表面預(yù)處理：用涂覆劑均 勻涂覆所述擠壓模具的型腔表面，涂覆層厚度為〇. 3-0.5mm;所述涂覆劑的配制方法包括如 下步驟:稱取一定量的氧化鋅和水玻璃，加入一定量的去離子水，攪拌均勻得到乳白色懸浮 狀液體，即涂覆劑;更優(yōu)選地，所述氧化鋅、水玻璃與去離子水的質(zhì)量比為4-6:1:40-60;所 述攬摔的轉(zhuǎn)數(shù)為40 -60r/min (比如42r/min、45r/min、48;r/min、52;r/min、56;r/min、58;r/ 111；[11)，攬摔時(shí)間為60-90111；[11(比如65111；[11、68111；[11、72111；[11、76111；[11、80111；[11、85111；[11、88111；[11)，進(jìn)一步 地，所述攪拌的轉(zhuǎn)數(shù)為50r/min，攪拌時(shí)間為80min。涂覆劑主要是用于保護(hù)模具，使脫模容 易；同時(shí)涂覆劑有保溫作用，防止半固態(tài)鋁合金坯料冷卻速度過快，提高成形能力。涂覆層 厚度優(yōu)選為0. 3-0.5mm。
[0021] 上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，步驟五中在所述 擠壓成型處理完成后繼續(xù)施壓15-20s(比如16s、18s)。
[0022] 上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，步驟五之后還包 括熱處理步驟，具體方法如下:首先進(jìn)行固溶處理，固溶溫度535±5°C，固溶時(shí)間5h;然后采 用75-85°C的溫水淬火;之后進(jìn)行時(shí)效處理:時(shí)效溫度為200 ± 5°C，時(shí)效時(shí)間4h，最后空冷 至室溫。
[0023] 上述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，本發(fā)明主要用于半固態(tài)溫度區(qū)比較大的鑄 造鋁合金，比如半固態(tài)溫度區(qū)在40°C以上，這樣的鋁合金有ZAlSi7Mg、ZAlSi 9Mg，6061，A357 等。作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述鋁合金為ZAlSi?Mg(合金代號ZL101)。
[0024] -種制備鋁合金半固態(tài)漿料用澆口，所述模具具有彎曲通道或倒置錐形通道。
[0025] 在上述澆口中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述彎曲通道設(shè)置有3-5個(gè)彎道。
[0026] -種鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的系統(tǒng)，包括：
[0027] 鋁合金半固態(tài)漿料制備裝置，包括:上述澆口和保溫裝置;其中：
[0028] 所述澆口設(shè)置于所述保溫裝置的入口處且與所述保溫裝置內(nèi)部連通，用于接收熔 煉得到的液態(tài)鋁合金并初步制備所述鋁合金半固態(tài)漿料;所述保溫裝置用于接收通過所述 澆口初步制備得到的所述鋁合金半固態(tài)漿料并保溫，以形成組織均勻的鋁合金半固態(tài)漿 料；
[0029] 擠壓成型裝置，包括保溫性擠壓模具，用于將來自所述保溫裝置的所述鋁合金半 固態(tài)漿料擠壓成型。
[0030] 上述系統(tǒng)中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述系統(tǒng)還包括:鋁合金半固態(tài)漿料輸送裝 置，用于將所述鋁合金半固態(tài)漿料輸送至所述保溫性擠壓模具中；其中所述鋁合金半固態(tài) 漿料輸送裝置包括:保溫性輸料管，進(jìn)口與所述保溫裝置的出口連接，出口伸入所述擠壓成 型裝置內(nèi)且與所述保溫性擠壓模具對齊;和電磁栗，設(shè)置于所述保溫性輸料管進(jìn)口與出口 之間；更優(yōu)選地，所述電磁栗通過可編程邏輯控制器(PLC)控制，以實(shí)現(xiàn)自動和定量澆注。
[0031] 上述系統(tǒng)中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述鋁合金半固態(tài)漿料制備裝置還包括:套 筒，用于固定所述澆口于所述保溫裝置入口處;和支撐所述套筒的升降裝置，用于移動所 述澆口；更優(yōu)選地，所述鋁合金半固態(tài)漿料制備裝置還包括小車，所述升降裝置固定于所述 小車上，所述保溫裝置放置于所述小車上。升降裝置及保溫裝置放置于小車上，能夠簡單有 效的實(shí)現(xiàn)半固態(tài)擠壓鑄造。
[0032] 上述系統(tǒng)中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述保溫裝置包括:位于內(nèi)層的保溫加熱 絲;位于所述保溫加熱絲之外的外層保溫棉。
[0033] 上述系統(tǒng)中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述擠壓成型裝置包括擠壓機(jī)、保溫性擠壓 模具、推板、頂桿;所述擠壓機(jī)包括設(shè)置于上部的主油缸、設(shè)置于下部的副油缸和底座;所述 保溫性擠壓模具包括相對設(shè)置的凸模和凹模，所述凸模由第一螺釘和第一固定板與所述擠 壓機(jī)連接，所述凸模的內(nèi)部設(shè)置有加熱棒;所述凹模由第二螺釘和第二固定板與所述擠壓 機(jī)連接，所述凹模的內(nèi)部設(shè)置有加熱絲;所述推板設(shè)置于所述副油缸的頂端，所述推板的上 表面連接有頂桿，用于將擠壓鑄造成型的鑄件頂出。
[0034] 上述系統(tǒng)中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述保溫性輸料管由內(nèi)至外依次由輸料管 加熱絲、輸料管保溫棉、殼體構(gòu)成。
[0035] 上述系統(tǒng)中，作為一種優(yōu)選實(shí)施方式，所述保溫性輸料管由頭尾相接的第一水平 部、與所述第一水平部垂直的第一豎立部、與所述第一豎立部垂直的第二水平部、與所述第 二水平部垂直的第二豎立部構(gòu)成，其中所述第一水平部的頭端與所述保溫裝置的底部出口 相連，水平延伸一定距離后來到所述第一水平部的尾端，在所述第一水平部的尾端向上彎 曲延伸一定距離后來到所述第一豎立部的尾端，在所述第一豎立部的尾端彎曲后水平延伸 一定距離形成所述第二水平部，并在所述第二水平部的尾端向下彎折形成所述第二豎立 部，在所述第二豎立部的尾端為向所述凹模內(nèi)澆注所述鋁合金半固態(tài)漿料的開口；更優(yōu)選 地，所述電磁栗設(shè)置在所述保溫性輸料管的第一豎立部內(nèi)。
[0036] 對用本發(fā)明提供的方法制備的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件的形貌、色澤、金相組織、 力學(xué)性能進(jìn)行檢測、分析、表征：用金相分析儀進(jìn)行金相組織分析；用微機(jī)控制電子萬能試 驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗拉強(qiáng)度分析;用掃描電鏡進(jìn)行拉伸斷口分析;用布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度分析。用本 發(fā)明提供的方法制備的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件為塊體，硬度可達(dá)82.9HB，抗拉強(qiáng)度可達(dá) 279Mpa〇
[0037] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0038] (1)本發(fā)明針對鋁合金壓鑄件強(qiáng)度低、不可熱處理強(qiáng)化的情況，以鋁合金為原材 料，經(jīng)在真空熔煉爐熔煉、半固態(tài)漿料制備、擠壓成型，制成半固態(tài)擠壓鑄件，此制備方法工 藝先進(jìn)，工序嚴(yán)密，數(shù)據(jù)精確翔實(shí)，制備的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件經(jīng)熱處理后硬度可達(dá) 82.9HB，抗拉強(qiáng)度可達(dá)279Mpa，是十分理想的鋁合金半固態(tài)成型方法。
[0039] (2)本發(fā)明采用彎曲通道優(yōu)選準(zhǔn)蛇形通道法制備金屬半固態(tài)漿料，工藝簡單，制備 成本較低，利用準(zhǔn)蛇形通道的自攪拌作用，打碎枝晶；同時(shí)準(zhǔn)蛇形通道澆口溫度較低，合金 液獲得較大的過冷度，大量形核，細(xì)化晶粒，從而得到初步的半固態(tài)漿料；同時(shí)降低了半固 態(tài)漿料制備成本。
[0040] (3)本發(fā)明采用電磁栗澆注，半固態(tài)漿料在洛倫茲力的作用下，澆注到擠壓模具型 腔，通過PLC控制，實(shí)現(xiàn)自動澆注和定量澆注，解決了半固態(tài)成型過程中漿料轉(zhuǎn)移難題。
【附圖說明】
[0041] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā) 明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0042] 圖1為鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的系統(tǒng)示意圖；
[0043]圖2為實(shí)施例1制備的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件金相顯微組織圖；
[0044] 圖3為實(shí)施例1制備的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件拉伸斷口形貌圖；
[0045] 圖4為常規(guī)方法制備的鋁合金液態(tài)擠壓鑄件金相顯微組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 以下將通過實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的保護(hù) 范圍包含但不限于下述實(shí)施例。
[0047] 實(shí)施例中未注明具體實(shí)驗(yàn)步驟或條件者，按照本領(lǐng)域內(nèi)的文獻(xiàn)所描述的常規(guī)實(shí)驗(yàn) 步驟的操作或條件即可進(jìn)行。實(shí)施例中使用的各種試劑和原料均為市售產(chǎn)品。
[0048] 實(shí)施例1
[0049]運(yùn)用本發(fā)明提供的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造方法制備鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件。本實(shí) 施例使用的化學(xué)物質(zhì)材料為:鋁合金、氧化鋅、水玻璃、鋁箱、丙酮、去離子水、氬氣;其準(zhǔn)備 用量如下（以克、毫升、厘米3為計(jì)量單位）： 鋁合金：ZAlSi7Mg 固態(tài)塊體，2000g土 l()g 氧化鋅：ZnO 丨〇〇g±lg 水玻璃：Na2Si03· 9H，0 50g±ig
[0050]錯(cuò)箔：A1 300mmX 0.5mmX30Qmm I人jft: C3H60 600mL±l()mL 2;離 /-水·· H，0 1 OOOmL ± 50mL 氬氣：Ar lOOOOOcm3± 丨()0 cm3
[0051 ]具體制備方法如下：
[0052] (l)制備擠壓模具
[0053] 擠壓模具為長方形，材質(zhì)為不銹鋼，模具型腔尺寸為120mmX 30mmX 50mm，型腔表 面粗糙度為RaO · 08-0 · 16μπι。
[0054] (2)配制涂覆劑及涂覆擠壓模具
[0055] 稱取氧化鋅50g± lg、水玻璃10g± lg，量取去離子水500mL± 5mL，加入混漿機(jī)中進(jìn) 行攪拌，攪拌轉(zhuǎn)數(shù)50r/min，攪拌時(shí)間80min;攪拌后成乳白色懸浮狀液體，即涂覆劑。用涂覆 劑均勻涂覆上述擠壓模具的型腔表面，涂覆層厚度為〇. 3-0.5mm。
[0056] (3)鋁合金預(yù)處理
[0057]①將鋁合金塊體用機(jī)械（比如用線切割等方式)切制成小塊體，小塊體尺寸<50mm X 50mm X 50mm;
[0058]②用鋁箱包覆切割后的鋁合金小塊體（用鋁箱包覆可以減少與空氣的接觸，降低 鋁合金被氧化的幾率）；
[0059]③預(yù)熱：將包覆的鋁合金小塊體置于加熱爐內(nèi)預(yù)熱，預(yù)熱溫度200°C±5°C，預(yù)熱時(shí) 間15min〇
[0060] (4)制備鋁合金半固態(tài)漿料
[0061] 鋁合金的熔煉是在中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)進(jìn)行的，在中頻感應(yīng)加熱、抽真空、氬氣底吹 過程中完成。具體步驟如下：
[0062] ①打開中頻感應(yīng)熔煉爐，清理石墨熔煉坩堝內(nèi)部，并用丙酮清洗，使坩堝內(nèi)部潔 凈；
[0063] ②將包覆鋁箱的鋁合金塊置于坩堝底部；
[0064] ③關(guān)閉中頻感應(yīng)熔煉爐，并密閉；然后開啟真空栗，抽取爐內(nèi)空氣，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)< 10Pa;再開啟中頻感應(yīng)熔煉爐加熱器，開始加熱，加熱溫度600°C ± 5°C，加熱時(shí)間為40min;
[0065] ④在石墨坩堝底部通入氬氣底吹管，向坩堝內(nèi)輸入氬氣，氬氣底吹速度1000C3/ min，使?fàn)t內(nèi)壓強(qiáng)保持在0.045MPa，并由出氣管閥調(diào)控;繼續(xù)加熱熔煉，熔煉溫度為720°C ± 5 °C，在此溫度恒溫保溫20min。
[0066] 澆注：關(guān)閉氬氣底吹管，除去坩堝內(nèi)熔液表面熔渣，然后啟動半固態(tài)漿液制備裝 置，將石墨坩堝嘴對準(zhǔn)具有四個(gè)彎道的準(zhǔn)蛇形通道澆口，將鋁合金熔液澆注至保溫裝置 中，澆注時(shí)的熔液溫度為700°C ;其中，準(zhǔn)蛇形通道澆口的通道直徑為25mm，四彎道澆口高度 為380mm，饒注速度0 · 5kg/s。
[0067] 保溫:通過準(zhǔn)蛇形通道澆口的初步形成的鋁合金半固態(tài)漿料在保溫爐中保溫，保 溫溫度為580°C，保溫時(shí)間為15-20min。
[0068] (5)擠壓成型
[0069] 小車移動至指定位置，接好鋁合金半固態(tài)漿料輸送裝置并通過鋁合金半固態(tài)漿料 輸送裝置將保溫后的半固態(tài)漿料定量澆注到擠壓成型裝置中的凹模型腔內(nèi)，之后小車連同 鋁合金半固態(tài)漿料輸送裝置退回，啟動擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，擠壓壓強(qiáng)為l〇〇MPa，保壓時(shí)間20s; 啟動擠壓機(jī)的同時(shí)要給模具加熱，使模具溫度維持在200°C。加熱模具是為了使模具在一個(gè) 較高的溫度下工作，主要是在擠壓機(jī)開啟后前幾個(gè)鑄件生產(chǎn)時(shí)作用較大，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，主要 用來調(diào)節(jié)模具溫度，使模具處于一個(gè)較為穩(wěn)定的溫度范圍，保證工藝的穩(wěn)定性。
[0070] (6)脫模，冷卻:擠壓成型后繼續(xù)施壓15s，以使鑄件在高壓下凝固，細(xì)化晶粒，之后 頂出鑄件，在空氣中冷卻至25°C，最終得到鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件。
[0071] (7)熱處理工藝：將步驟(7)制備的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件進(jìn)行固溶處理，固溶溫 度535 ± 5°C，固溶時(shí)間5h，然后采用80°C左右的溫水淬火;隨后進(jìn)行人工時(shí)效處理:時(shí)效溫 度為200 ± 5 °C，時(shí)效時(shí)間4h，最后空冷。
[0072] (8)檢測、分析、表征
[0073]對經(jīng)熱處理的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件的形貌、色澤、金相組織、力學(xué)性能進(jìn)行檢 測、分析、表征：用金相分析儀進(jìn)行金相組織分析；用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗拉強(qiáng) 度分析;用掃描電鏡進(jìn)行拉伸斷口分析;用布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度分析。具體結(jié)果見表1。 [0074]表1本實(shí)施例制備的鑄件的平均布氏硬度和平均抗拉強(qiáng)度
[0077] 經(jīng)檢測，本實(shí)施例制備的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件為塊體，經(jīng)熱處理后硬度達(dá) 82.9HB，抗拉強(qiáng)度達(dá)279Mpa。圖2為本實(shí)施例制備的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件金相顯微組織 圖；從該圖可以看出，合金熔液經(jīng)過準(zhǔn)蛇形通道的冷卻和攪拌作用，初生α-Al變成近球狀， 枝晶狀的初生α-ΑΙ基本消失;此外，共晶Si的長條狀經(jīng)過擠壓后被打散并分散在基體中。從 高倍圖（即圖2)可知共晶硅由細(xì)長的針狀被打斷變得細(xì)小，而且分布比較均勻;這和常規(guī)鑄 件的組織差別明顯，常規(guī)的鑄造組織如圖4所示（圖4為常規(guī)方法制備的鋁合金液態(tài)擠壓鑄 件金相顯微組織圖，該鑄件的制備工藝條件為:澆注溫度為720°C，擠壓壓力為lOOMpa，保壓 時(shí)間為20s;經(jīng)熱處理后，該鑄件的抗拉強(qiáng)度達(dá)241.5Mpa，硬度可達(dá)52.3HB)。圖3為本實(shí)施例 制備的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件拉伸斷口形貌圖，經(jīng)過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，鋁合金半固態(tài)擠壓鑄 件致密度增加，呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征。
[0078] 實(shí)施例2
[0079] 本實(shí)施例提供一種鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)可應(yīng)用于上 述鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法中，用于制備鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件，該系統(tǒng)包括：
[0080] 鋁合金半固態(tài)漿料制備裝置，包括澆口 13和保溫裝置17;其中：澆口 13設(shè)置于保溫 裝置17的入口處且與保溫裝置17內(nèi)部連通，用于接收熔煉得到的鋁合金并初步制備鋁合金 半固態(tài)漿料;保溫裝置17用于接收通過澆口 13的初步制備得到的鋁合金半固態(tài)漿料并保 溫，以形成組織均勻的鋁合金半固態(tài)漿料；
[0081] 擠壓成型裝置，包括保溫性擠壓模具（2,21)，用于將來自保溫裝置17的鋁合金半 固態(tài)漿料擠壓成型。
[0082] 優(yōu)選地，上述系統(tǒng)還包括:鋁合金半固態(tài)漿料輸送裝置，用于將鋁合金半固態(tài)漿料 輸送至保溫性擠壓模具21中；其中鋁合金半固態(tài)漿料輸送裝置包括:保溫性輸料管7,進(jìn)口 與保溫裝置17的出口連接，出口伸入所述擠壓成型裝置內(nèi)且與保溫性擠壓模具21對齊;和 電磁栗19,設(shè)置于保溫性輸料管7進(jìn)口與出口之間；更優(yōu)選地，電磁栗19通過可編程邏輯控 制器(PLC)控制，以實(shí)現(xiàn)自動和定量澆注。
[0083]優(yōu)選地，鋁合金半固態(tài)漿料制備裝置還包括:套筒14,用于固定澆口 13于保溫裝置 17的入口處;和支撐套筒14的升降裝置15,以便于移動澆口 13;更優(yōu)選地，鋁合金半固態(tài)漿 料制備裝置還包括小車16,升降裝置15固定于小車16上，保溫裝置17放置于小車16上。
[0084]優(yōu)選地，保溫裝置17包括:位于內(nèi)層的保溫加熱絲11;位于保溫加熱絲11之外的外 層保溫棉12。
[0085]優(yōu)選地，擠壓成型裝置包括擠壓機(jī)1、保溫性擠壓模具（2,21)、推板26、頂桿27;擠 壓機(jī)1包括設(shè)置于上部的主油缸6、設(shè)置于下部的副油缸25和底座24;保溫性擠壓模具（2， 21)包括相對設(shè)置的凸模2和凹模21，凸模2由第一螺釘4和第一固定板5與擠壓機(jī)1的機(jī)臺上 背板連接，凸模2的內(nèi)部設(shè)置有加熱棒3;凹模21由第二螺釘22和第二固定板23與擠壓機(jī)1的 底座24連接，凹模21的內(nèi)部設(shè)置有加熱絲20;推板26設(shè)置于副油缸25之上，推板26的上表面 連接有頂桿27,用于將擠壓鑄造成型的鑄件頂出。在凹模21的底部設(shè)置有供頂桿27穿過的 孔，在需要時(shí)，頂桿27穿過該孔而將鑄件從凹模21內(nèi)頂出。由于在凹模21和凸模2內(nèi)分別設(shè) 置有加熱用的加熱絲20和加熱棒3,所以在擠壓時(shí)可以實(shí)現(xiàn)保溫性擠壓。
[0086] 優(yōu)選地，保溫性輸料管7由內(nèi)至外依次由輸料管加熱絲10、輸料管保溫棉9、殼體8 構(gòu)成。
[0087] 優(yōu)選地，保溫性輸料管7由頭尾相接的第一水平部、與第一水平部垂直的第一豎 立部、與第一豎立部垂直的第二水平部、與第二水平部垂直的第二豎立部構(gòu)成;其中第一水 平部的頭端與保溫裝置17的底部出口相連，水平延伸一定距離后來到第一水平部的尾端， 在第一水平部的尾端向上彎曲延伸一定距離后來到第一豎立部的尾端，在第一豎立部的尾 端彎曲后水平延伸一定距離形成第二水平部，并在第二水平部的尾端向下彎折形成第二豎 立部，在第二豎立部的尾端為向凹模21內(nèi)澆注鋁合金半固態(tài)漿料的開口；更優(yōu)選地，電磁栗 19設(shè)置在保溫性輸料管7的第一豎立部內(nèi)。
[0088] 優(yōu)選地，澆口 13為彎曲通道模具，比如準(zhǔn)蛇形通道澆口或螺形管通道澆口；對于準(zhǔn) 蛇形通道模具而言，一般情況下設(shè)置3-5個(gè)彎道;比如，通道直徑為25mm，三彎道模具高度為 310mm、四彎道模具高度為380mm、五彎道模具高度為450mm。饒口 13還可以是具有倒置錐形 通道的澆口，但準(zhǔn)蛇形通道效果最佳。
[0089] 按圖1鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的系統(tǒng)示意圖所示，安裝裝置，各部位置要正確，按 序操作。具體工作過程如下:經(jīng)預(yù)處理的鋁合金熔煉完成后，關(guān)閉氬氣底吹管，除去坩堝內(nèi) 熔液表面熔渣，然后啟動澆注系統(tǒng)，小車移動至指定位置，將石墨坩堝嘴對準(zhǔn)蛇形通道澆口 13,將得到的液態(tài)鋁合金通過準(zhǔn)蛇形通道澆口 13定量澆注到保溫裝置17中，澆注完畢，小車 退回。通過準(zhǔn)蛇形通道澆口 13澆注得到的半固態(tài)漿料在保溫裝置17中保溫，保溫一段時(shí)間 后形成鋁合金半固態(tài)漿料18;鋁合金半固態(tài)漿料18通過電磁栗19和保溫性輸料管7進(jìn)入凹 模21，啟動擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓成型;擠壓成型后繼續(xù)施壓，頂桿27頂出鑄件，在空氣中冷卻至 25 °C，最終得到鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一，鋁合金預(yù)處理:先將鋁合金塊體切制成鋁合金小塊體后分別用鋁箱包覆，然后 將包覆的鋁合金小塊體預(yù)熱； 步驟二，熔煉:將預(yù)熱好的所述鋁合金小塊體熔煉，得到液態(tài)鋁合金； 步驟三，鋁合金半固態(tài)漿料的制備：將步驟二得到的液態(tài)鋁合金通過具有彎曲通道或 倒置錐形通道的澆口注入到保溫裝置中進(jìn)行保溫，得到鋁合金半固態(tài)漿料； 步驟四，擠壓成型處理:將步驟三得到的所述鋁合金半固態(tài)漿料澆注到保溫性擠壓模 具，進(jìn)行擠壓成型處理； 步驟五，脫模冷卻:在所述擠壓成型處理完成后繼續(xù)施壓，之后頂出鑄件，空冷，最終得 到鋁合金半固態(tài)擠壓鑄件。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法，其特征在于， 步驟一中，所述預(yù)熱的溫度為180_220°C，所述預(yù)熱的時(shí)間為10_25min;優(yōu)選地，所述預(yù) 熱的溫度為195°C-205°C，所述預(yù)熱的時(shí)間為15min;所述鋁合金小塊體尺寸彡50mm X 50mm X 50mm; 步驟二中，所述熔煉是在中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)進(jìn)行的，且在中頻感應(yīng)加熱、抽真空、氬氣 底吹過程中完成的； 優(yōu)選地，步驟二的熔煉包括先后進(jìn)行的第一子步驟和第二子步驟，所述第一子步驟中， 抽真空至所述中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)壓強(qiáng)彡l〇Pa;加熱溫度為580-620 °C，加熱時(shí)間為30-45min，更優(yōu)選加熱溫度為595-605 °C，加熱時(shí)間為40min;所述第二子步驟中，進(jìn)行氬氣底 吹，氬氣速度為800-1200C3/min，氬氣速度優(yōu)選為1000C 3/min，使中頻感應(yīng)熔煉爐內(nèi)壓強(qiáng)保 持在0.045Mpa，此時(shí)繼續(xù)加熱升溫至680-750 °C進(jìn)行熔煉，更優(yōu)選加熱升溫至715-725 °C進(jìn) 行恪煉，并恒溫保溫15_30min，更優(yōu)選恒溫保溫為20min。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法，其特征在于， 步驟三中，所述彎曲通道為準(zhǔn)蛇形通道或螺形管通道;優(yōu)選地，所述彎曲通道設(shè)置有3-5個(gè)彎道；進(jìn)一步地，所述液態(tài)鋁合金注入所述保溫裝置時(shí)的流速為0.2-lkg/s，優(yōu)選為 0.5kg/s； 步驟三中，所述保溫的溫度為550-620°C，保溫的時(shí)間為15-20min。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法，其特征在于，步驟四中，所述 擠壓成型的擠壓壓強(qiáng)為80-120MPa，保壓時(shí)間為15-30s，保溫性擠壓模具的溫度為180-220 °C ;優(yōu)選地，擠壓壓強(qiáng)為lOOMpa，保壓時(shí)間為20s，保溫性擠壓模具的溫度為200°C ; 優(yōu)選地，步驟四中，在所述鋁合金半固態(tài)漿料澆注到擠壓模具之前還包括擠壓模具的 型腔表面預(yù)處理：用涂覆劑均勻涂覆所述擠壓模具的型腔表面，涂覆層厚度為〇. 3-0.5mm; 所述涂覆劑的配制方法包括如下步驟:稱取一定量的氧化鋅和水玻璃，加入一定量的去離 子水，攪拌均勻得到乳白色懸浮狀液體，即涂覆劑;更優(yōu)選地，所述氧化鋅、水玻璃與去離子 水的質(zhì)量比為4-6:1:40-60;所述攪拌的轉(zhuǎn)數(shù)為40-60r/min，攪拌時(shí)間為60-90min，進(jìn)一步 地，所述攪拌的轉(zhuǎn)數(shù)為50r/min，攪拌時(shí)間為80min。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的方法，其特征在于，步驟五中在所述 擠壓成型處理完成后繼續(xù)施壓15-20S; 優(yōu)選地，步驟五之后還包括熱處理步驟，具體方法如下：首先進(jìn)行固溶處理，固溶溫度 535 ± 5°C，固溶時(shí)間5h;然后采用75-85 °C的溫水淬火;之后進(jìn)行時(shí)效處理:時(shí)效溫度為200 ± 5 °C，時(shí)效時(shí)間4h，最后空冷至室溫。6. -種制備鋁合金半固態(tài)漿料用澆口，其特征在于，所述澆口具有彎曲通道或倒置錐 形通道;優(yōu)選地，所述彎曲通道設(shè)置有3-5個(gè)彎道。7. -種鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造的系統(tǒng)，其特征在于，包括： 鋁合金半固態(tài)漿料制備裝置，包括:權(quán)利要求6所述的澆口和保溫裝置;其中： 所述澆口設(shè)置于所述保溫裝置的入口處且與所述保溫裝置內(nèi)部連通，用于接收熔煉得 到的液態(tài)鋁合金并初步制備所述鋁合金半固態(tài)漿料;所述保溫裝置用于接收通過所述澆口 的初步制備得到的所述鋁合金半固態(tài)漿料并保溫，以形成組織均勻的鋁合金半固態(tài)漿料； 擠壓成型裝置，包括保溫性擠壓模具，用于將來自所述保溫裝置的所述鋁合金半固態(tài) 漿料擠壓成型。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括:鋁合金半固態(tài)漿料輸送 裝置，用于將所述鋁合金半固態(tài)漿料輸送至所述保溫性擠壓模具中；其中所述鋁合金半固 態(tài)漿料輸送裝置包括:保溫性輸料管，進(jìn)口與所述保溫裝置的出口連接，出口伸入所述擠壓 成型裝置內(nèi)且與所述保溫性擠壓模具對齊;和電磁栗，設(shè)置于所述保溫性輸料管進(jìn)口與出 口之間； 優(yōu)選地，所述電磁栗通過可編程邏輯控制器控制，以實(shí)現(xiàn)自動和定量澆注； 更優(yōu)選地，所述保溫性輸料管由內(nèi)至外依次由輸料管加熱絲、輸料管保溫棉、殼體構(gòu) 成； 進(jìn)一步地，所述保溫性輸料管由頭尾相接的第一水平部、與所述第一水平部垂直的第 一豎立部、與所述第一豎立部垂直的第二水平部、與所述第二水平部垂直的第二豎立部構(gòu) 成，其中所述第一水平部的頭端與所述保溫裝置的底部出口相連，水平延伸一定距離后來 到所述第一水平部的尾端，在所述第一水平部的尾端向上彎曲延伸一定距離后來到所述第 一豎立部的尾端，在所述第一豎立部的尾端彎曲后水平延伸一定距離形成所述第二水平 部，并在所述第二水平部的尾端向下彎折形成所述第二豎立部，在所述第二豎立部的尾端 為向所述凹模內(nèi)澆注所述鋁合金半固態(tài)漿料的開口； 進(jìn)一步地，所述電磁栗設(shè)置在所述保溫性輸料管的第一豎立部內(nèi)。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述擠壓成型裝置包括擠壓機(jī)、保溫性擠 壓模具、推板、頂桿;所述擠壓機(jī)包括設(shè)置于上部的主油缸、設(shè)置于下部的副油缸和底座;所 述保溫性擠壓模具包括相對設(shè)置的凸模和凹模，所述凸模由第一螺釘和第一固定板與所述 擠壓機(jī)連接，所述凸模的內(nèi)部設(shè)置有加熱棒;所述凹模由第二螺釘和第二固定板與所述擠 壓機(jī)連接，所述凹模的內(nèi)部設(shè)置有加熱絲;所述推板設(shè)置于所述副油缸的頂端，所述推板的 上表面連接有頂桿，用于將擠壓鑄造成型的鑄件頂出。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述保溫裝置包括:位于內(nèi)層的保溫加熱絲;位于所述保溫加熱絲之外的外層保溫棉； 優(yōu)選地，所述鋁合金半固態(tài)漿料制備裝置還包括:套筒，用于固定所述澆口于所述保溫 裝置入口處;和支撐所述套筒的升降裝置，用于移動所述澆口；更優(yōu)選地，所述鋁合金半固 態(tài)漿料制備裝置還包括小車，所述升降裝置固定于所述小車上，所述保溫裝置放置于所述 小車上。
【文檔編號】B22D17/20GK106077558SQ201610446993
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】侯華, 田晉忠, 魯若鵬, 程書建, 趙宇宏, 王冰
【申請人】中北大學(xué)