CN100438999C - 牺牲镁阳极的流变挤压成形制备工艺及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种牺牲镁阳极的流变挤压成形制备工艺及其装置，属于半固态成形技术领域。所述工艺是对镁合金铸锭进行加热熔化处理，用氩气作保护气，用发泡镁合金覆盖剂保护熔化的镁合金液，达到完全熔化温度632℃后，保温30分钟；用电热装置将可对开式坩埚预热到250℃-280℃，在保护气氛下将镁合金液倒入坩埚，并进行控制冷却，当镁合金浆料温度下降到设定的半固态温度618℃后，得到液相分数约为20%的半固态坯料；将挤压模具预热到250-300℃，并将对开式坩埚打开，使半固态坯料落入挤压模具中，挤压成形半固态坯料得到AZ31牺牲镁阳极。本发明提供的半固态流变挤压直接成形技术制备牺牲镁阳极，拓展了牺牲镁阳极的制造途径，且可以降低能源消耗，提高产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种牺牲镁阳极的流变挤压成形制备工艺及其装置，属于半固态成形技术领域。
背景技术
腐蚀是金属和周围环境发生化学或电化学反应而导致的一种破坏性侵蚀。腐蚀给金属材料造成的直接或间接损失是巨大的，防止金属腐蚀的方法很多，其中牺牲镁阳极保护法是最重要的一种。这是由于镁及镁合金具有很高的化学活性，它与被保护金属直接相连构成电流回路，使金属发生阴极极化，达到保护的作用。目前，除少量使用AZ63铸造镁合金铸造成形牺牲镁阳极外，绝大部分牺牲镁阳极通过对变形镁合金AZ31进行热挤压方法生产制造。由于该方法具有生产周期长、效率低、生产成本高等一些缺陷，长期以来探索用变形镁合金AZ31制造牺牲镁阳极的短流程、近终形生产方法、并能从实验上制备牺牲镁阳极以及研究其性能已成为广大镁阳极制造企业的一种迫切需要。半固态成形技术由于其具有短流程、近终形、成形力低和成形件性能好等优点，近些年来一直受到人们的普遍关注，并为使用该技术生产镁阳极成为可能。
当前使用半固态触变技术生产汽车摩托车等零件的方法已较为成熟，但由于仍需要使用感应加热设备对半固态触变坯料进行二次感应加热，使该技术仍不能实现直接成形。因而半固态流变直接成形技术已成为生产工程师和科学工作者研究探索的热点。到目前为止，除NRP技术和双螺旋流变成形技术等文献报导外，使用流变挤压技术进行牺牲镁阳极实验室制备研究在文献中还未见报道。
所谓半固态加工是对具有一定液相组分的固液混合浆料进行压铸、挤压或模锻成形，是一种介于普通铸造(纯液态)和锻压(纯固态)之间的成形方法(M.C.Flemings.Behavior ofAlloys in Semi-solid State.Metallurgical Transactions，1990，Vol.22B：269-293)。与普通的加工方法相比，半固态金属加工具有如下优点：①应用范围广泛，凡具有固液两相区的金属及合金均可实现半固态加工，如铝合金、镁合金和钢的压铸、挤压和锻压成形；②半固态合金已经部分释放出结晶潜热，因而减轻了对加工模具的热冲击，使其寿命大幅度提高；③半固态浆料具有流变性和触变性，变形抗力非常小，因而可以成形断面十分复杂的零件，实现近净成形，并且缩短了加工周期，提高了材料利用率，有利于节能节材；④半固态浆料充填平稳，无湍流和喷溅，加工温度相对较低，凝固收缩小，因而成形件表面平整光滑，内部组织致密，气孔、偏析等缺陷少，晶粒细小，力学性能好。可见半固态加工技术与传统的加工技术相比具有极大的优势(Simon Kleiner，Erhard Ogris，Oliver Beffort and Peter J.Uggowitzer.Semi-SolidMetal Processing of Aluminum Alloy A356 and Magnesium Alloy AZ91：Comparison Based onMetallurgical Considerations.Advanced Engi.Mater.2003，5(9)：653-658)。
20世纪70年代以来，该技术得到了美国、意大利、德国和日本等发达国家科技工作者的普遍重视，并已先后对铝、镁、铅、铜等合金在半固态工艺实验和理论等方面开展了广泛的研究，取得了重要进展，部分公司已进入规模生产(M.Fehlbier.Herstellung，Charakterisierungund Verarbeitung Teilfluessiger Metallischer Werkstoffe am Beispiel VerschiedenerAluminum-und Magnesiumlegierungen.Aachen，Techn.Hochsch.，Diss，2002.ISBN3-8322-1064-4)。如美国的Alumax公司1997年的两座半固态铝合金成形汽车零件生产工厂的生产能力分别达到每年5000万件。意大利的Stampal SPA和Fiat Auto公司生产的半固态铝合金汽车零件质量达7kg，并且形状复杂；意大利的MM(Magneti Marelli)为汽车公司生产半固态铝合金成形的fuel injection rail零件，在2000年达到日产7500件。在德国，世界著名的亚琛工业大学金属成形所(IBF der RWTH-Aachen)在R.Kopp教授和EFU公司前总裁G.Hirt教授领导下正进行着一项规模宏大、水平很高的半固态研究项目SFB289，该项目从1996年起连续12年从德国科研联合灰(DFG)获得资助，对半固态进行了全面、深入和系统的基础研究和工业开发(M.Kiuchi，R.Kopp.Mushy/Semi-solid metal forming technology-Present andfuture.Annals of the CIRP.2002，51(2)：1-18)。日本的Speed Star Wheel公司已经用半固态加工技术生产铝合金轮毂(重5kg)。另外，在日本一些公司已用半固态镁合金触变成形技术生产出移动通讯手机外壳和笔记本电脑外壳等。在全世界范围内已先后召开了9次半固态国际学术会议(S2P)，取得了重要学术成果。
我国从80年代后期开始，在国家自然科学基金、863和973等计划的支持下，先后有不少高校和科研单位开展了这方面的研究，如北京有色金属研究总院(张景新，张奎，徐俊，石力开.Semi-solid Processing of AZ91D Alloy.中国第二届半固态年会论文集.北京，2002：204-208)、重庆大学(左宏志，刘昌明，邹茂华，谷忠明，范增，李德全，吴均，邱孝祥.ZL112Y压铸铝合金半固态重熔工艺及摩托车零件的半固态压铸成形.中国第二届半固态年会论文集.北京，2002：102-109)等。在半固态加工成形技术的基础理论研究方面取得了可喜进展，并自形设计和开发了不同类型的试验设备，甚至与企业合作进行试验生产。如重庆大学与中国嘉陵集团重庆九方铸造有限公司合作研制的JH70型摩托车发电机镁合金半固态支架；北京有色金属研究总院与东风汽车公司合作，采用半固态压铸生产的铝合金汽车空调器零件。
通过对以上国内外研究分析可以发现，目前国内外所做的研究开发绝大多数为半固态触变成形，特别是触变压铸成形。对半固态流变直接成形的研究较少，来自于企业的半固态流变成形文献报道几乎没有。其中很重要的原因是半固态浆料快速定量运输以及与成形设备的对接问题一直没有得到很好解决。此外，由于制造牺牲镁阳极用AZ31镁合金具有非常窄的半固态温度区间，从浆料制备、运输以及最后成形都要求高精确性控制，这进一步增加了用流变方法生产AZ31牺牲镁阳极的困难。因此，开展半固态流变直接成形的研究开发具有重要的实际和理论意义。将该技术与企业实际产品牺牲镁阳极制造相结合无疑会产生美好的商业前景。
目前，除少量使用AZ63铸造镁合金铸造成形牺牲镁阳极外，绝大部分牺牲镁阳极通过对变形镁合金AZ31进行热挤压方法生产制造。由于该方法必须首先制备AZ31镁合金棒料，再对棒材进行加热和挤压成形才能得到牺牲镁阳极，因而具有工艺复杂、生产效率低、生产成本高等一些缺陷，长期以来探索用变形镁合金AZ31制造牺牲镁阳极的短流程、近终形生产方法、并能从实验上制备牺牲镁阳极已成为广大镁阳极制造企业的一种迫切需要。半固态成形技术由于其具有短流程、近终形、成形力低和成形件性能好等优点，近些年来一直受到人们的普遍关注，并为使用该技术生产镁阳极成为可能。
当前使用半固态触变技术生产汽车摩托车等零件的方法已较为成熟，但由于仍需要使用感应加热设备对半固态触变坯料进行二次感应加热，使该技术仍不能实现直接成形。因而半固态流变直接成形技术已成为生产工程师和科学工作者研究探索的热点。到目前为止，除NRP技术和双螺旋流变成形技术等文献报导外，对使用流变挤压技术进行牺牲镁阳极制备研究在文献中还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于以制备生产性能优良的AZ31牺牲镁阳极为目标，采用半固态流变挤压直接成形技术加以实现。
本发明提出的牺牲镁阳极的流变挤压成形制备工艺，其特征在于，所述工艺含有如下步骤：
(1)AZ31镁合金浆料的制备
对块状商用AZ31镁合金铸锭进行干燥处理后，在电阻炉中加热熔化，同时用氩气作为保护气体，使用发泡镁合金覆盖剂保护熔化的镁合金液，达到完全熔化温度632℃后，保温30分钟；
(2)半固态浆料定量快速输送
设计并加工可对半开的不锈钢坩埚一个，坩埚体积大小与镁阳极体积大小相等。将两对半开坩埚分别固定在一便于手工操作的夹钳两边，这样可解决浆料的快速定量输送问题，也便于半固态坯料与坩埚顺利分离，使用该坩埚进行下一轮浆料运输，保证生产过程的无障碍连续运转。使用电热装置将坩埚预热到250℃-280℃，在保护气氛下将步骤1的镁合金液倒入坩埚，并控制冷却，当镁合金浆料温度下降到设定的半固态温度618℃后，得到液相分数约为20％的半固态坯料；
(3)半固态流变挤压成形
将坩埚中半固态坯料放入模具中，调节压力机的速度(50-80mm/s)、模具预热温度为250-300℃，用石墨粉或JD-800型脱模剂，挤压成形半固态坯料得到AZ31牺牲镁阳极。
在上述的制备工艺中，所述步骤2半固态浆料制备过程中，用电阻加热炉或感应加热炉。
在上述的制备工艺中，所述步骤2在运输浆料的坩埚中对浆料进行弱搅拌。
本发明提出的牺牲镁阳极的流变挤压成形装置，其特征在于，所述装置含有挤压杆(1)，挤压筒(2)，挤压垫块(3)，加热圈(5)，挤压凹模(6)，镁阳极内部铁芯(7)，镁阳极(8)，模具垫块(9)，铁芯插座(10)，固定销(11)，顶出杆(12)，工作台(13)，模具固定杆系统(14)，模具固定螺栓(15)；
所述挤压杆(1)固定在压力机的上滑块上(滑块为压力机的运动部件，在本专利装配图中未画出)，使其可随滑块上下运动；
所述挤压筒(2)内部放置具有一定固相分数的半固态坯料(4)；
所述在挤压杆(1)和半固态坯料(4)之间放入挤压垫块(3)，以防止挤压杆(1)挤入半固态坯料(4)；
所述在挤压筒(2)外设置加热圈(5)，以预热模具；
所述在挤压凹模(6)与挤压筒(2)之间用固定螺栓(15)连接；
所述在挤压凹模6的下端对称设置两块模具垫块(9)，以弥补挤压凹模(6)的深度不足，以及支撑挤压凹模(6)；
所述在半固态坯料(4)放入挤压凹模(6)之前，将镁阳极内部铁芯(7)插入铁芯插座(10)；
所述在镁阳极内部铁芯(7)的下部侧面用固定销(11)拧紧固定，以防止内部铁芯(7)在挤压成形中晃动；
所述模具固定杆系统(14)与工作台(13)通过T型槽连接，使模具固定杆系统(14)稳定固定在工作台(13)上。
目前，除少量使用AZ63铸造镁合金铸造成形牺牲镁阳极外，绝大部分牺牲镁阳极通过对变形镁合金AZ31进行棒材热挤压方法生产制造，热挤压温度约为350℃。用流变挤压方法生产AZ31牺牲镁阳极在国内外均未见报道。本发明使用对开的坩埚实现浆料的定量运输以及与成形设备的对接也未见报道，这是为便于半固态坯料与坩埚顺利分离，使用该坩埚进行下一轮浆料运输，保证生产过程的无障碍连续运转。
本发明用半固态流变挤压直接成形技术来进行AZ31牺牲镁阳极的生产，扩大了半固态技术的应用领域，拓展了牺牲镁阳极的制造途径。不但可以实现牺牲镁阳极的短流程、近终形的成形制造，而且可以降低能源消耗，提高产品质量，并推进半固态流变成形技术的实用化进程。同时，本方法装置简单，成本投入少。
附图说明
图1为本发明牺牲镁阳极流变挤压成形的工艺流程图。
图2为本发明牺牲镁阳极流变挤压成形的模具装配示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
请见附图2，其中：1-挤压杆；2-挤压筒；3-挤压垫块；4-半固态坯料；5-加热圈；6-挤压凹模；7-镁阳极内部铁芯；8--镁阳极；9-模具垫块；10-铁芯插座；11-固定销；12-顶出杆；13-工作台；14-模具固定杆系统；15-模具固定螺栓。
本发明的技术方案及原理：
(1)AZ31镁合金浆料的制备
制备成份、组织和性能均匀且颗粒圆整细小的AZ31镁合金半固态坯料是流变挤压成形牺牲镁阳极的前提。本发明采用电阻炉加热经过干燥处理的块状商用AZ31镁合金铸锭，同时使用氩气作为保护气体，使用发泡镁合金覆盖剂保护熔化的镁合金液。在达到完全熔化温度632℃后，保温30分钟。
(2)用于半固态浆料快速定量输送的装置设计
设计并加工可对半开的不锈钢坩埚一个，坩埚体积大小与镁阳极体积大小相等。将两对半开坩埚分别固定在一便于手工操作的夹钳两边，这样可解决浆料的快速定量输送问题。在保护气下将镁合金液倒入坩埚，同时使用另一通氩气的细铁棒进行弱搅拌。弱搅拌可解决控制冷却过程中坩埚内浆料内外温差，并可细化晶粒。
(3)半固态流变挤压成形
当镁合金浆料温度下降到设定的半固态温度618℃后，得到液相分数约为20％的半固态坯料。在模具上方迅速通过手工夹钳打开可对半开的坩埚，使半固态坯料正好落入模具中。调节压力机的速度(50-80mm/s)、模具预热温度(250-300℃)以及使用石墨粉或JD-800型脱模剂，挤压成形半固态坯料得到AZ31牺牲镁阳极。
本发明采用电阻炉加热经过干燥处理的块状商用AZ31镁合金铸锭，使用氩气作为保护气体，同时使用覆盖剂保护熔化的镁合金液。在达到完全熔化温度632℃后，保温30分钟。设计并加工用于存放镁合金液的坩埚一个，其体积大小与制备牺牲镁阳极体积相等，将坩埚固定在一便于手工操作的夹钳上，使用电热装置将坩埚预热到250℃-280℃。在保护气下将镁合金液倒入坩埚，同时使用另一通氩气的细铁棒进行弱搅拌。在控制冷却过程中，当坩埚中镁合金浆料温度下降到设定的半固态温度618℃后，打开坩埚，将半固态坯料迅速倒入挤压模具中。调节压力机的速度(50-80mm/s)、模具预热温度(250-300℃)以及使用石墨粉或JD-800型等脱模剂，挤压成形AZ31镁合金半固态坯料得到AZ31牺牲镁阳极。工艺流程图见附图说明中图-1。
在半固态浆料定量运输过程中，采用由两个半圆筒组合而成的坩埚或一内部带有一定锥度的坩埚，这样便于半固态坯料从坩埚中直接迅速落入挤压模具中。坩埚固定在一便于手工移动的夹钳上，以保证半固态坯料被迅速运送并放入挤压模具中。坩埚内腔体积大小与所制造AZ31牺牲镁阳极体积相等。这样可以实现半固态流变浆料的快速定量输送并保证与挤压成形的顺利对接，实现稳定而连续可控的轻合金浆料的一体化制备和流变成形
在半固态浆料制备过程中，可以使用电阻加热炉，也可以使用感应加热炉。在运输浆料的坩埚中可以不对浆料进行弱搅拌。
图-2模具装配图中各零件的连接关系：挤压杆1固定在压力机的上滑块上，使其可随滑块上下运动。挤压筒2内部放置具有一定固相分数的半固态坯料4。为防止挤压杆1挤入半固态坯料4，在1和4之间放入挤压垫块3，也是为使挤压成形能顺利进行。挤压筒2外的加热圈5是为了预热模具，使成形模具保持在280℃左右。挤压凹模6与挤压筒2之间采用固定螺栓15连接。模具垫块9是为弥补挤压凹模6的深度不足而加的长方体垫块，左右共两块，也是为了支撑挤压凹模6，并且可保证从下面观察到挤出的镁阳极8。在半固态坯料4未放入挤压凹模6之前，先把镁阳极内部铁芯7插入铁芯插座10。为防止内部铁芯7在挤压成形中晃动，侧面用固定销11拧紧固定。为保证放置在工作台13上的整套模具保持稳定，通过模具固定杆系统14把整套模具固定在工作台13上。模具固定杆系统14在工作台13上通过T型槽连接。挤压镁阳极完成后，挤压杆1随上滑块向上退回，同时拧开侧面固定销11，通过固定在压力机下顶出缸上的顶出杆12将铁芯插座10和镁阳极8同时向上顶出，取下镁阳极8后，插入新的镁阳极内部铁芯进行下一根镁阳极生产。
实施例1
现以流变挤压直径为
(
)、长度为100mm的AZ31牺牲镁阳极为例说明其生产过程。内部铁芯材质为Q235C低碳钢，直径尺寸为
(
)。首先用电阻炉加热熔化经过干燥处理(100℃烘干)的块状商用AZ31镁合金铸锭，同时使用氩气作为保护气体，使用发泡镁合金覆盖剂保护熔化的镁合金液。在达到完全熔化温度632℃后，保温30分钟。设计并加工存放镁合金液的不锈钢可对开坩埚一个，其体积大小与所生产镁阳极体积大小相等。为保证浆料均匀散热，不锈钢坩埚的内径与其深度大致相等。将两半对开坩埚分别固定(焊接)在一便于手工操作的夹钳两边，使用电热装置将坩埚预热到250℃。在氩气保护下将镁合金液倒入坩埚，同时使用另一通氩气的细铁棒进行弱搅拌。当镁合金浆料温度下降到设定的半固态温度618℃后，打开坩埚，将半固态坯料迅速从坩埚倒入图-2中的挤压筒2中。调整压力机的速度为50mm/s、模具预热温度设为280℃、使用石墨脱模剂，挤压成形AZ31镁合金半固态坯料得到AZ31牺牲镁阳极。挤压镁阳极完成后，挤压杆1随上滑块向上退回，同时拧开侧面固定销11，通过固定在压力机下顶出缸上的顶出杆12将铁芯插座10和镁阳极8同时向上顶出，取下镁阳极8后，插入新的镁阳极内部铁芯进行下一根镁阳极生产。
Claims (5)
1、牺牲镁阳极的流变挤压成形制备工艺，其特征在于，所述工艺含有如下步骤：
(1)AZ31镁合金浆料的制备
对块状商用AZ31镁合金铸锭进行干燥处理后，用电阻炉进行加热熔化，同时用氩气作为保护气体，使用发泡镁合金覆盖剂保护熔化的镁合金液，达到完全熔化温度632℃后，保温30分钟；
(2)半固态浆料定量快速输送
使用电热装置将坩埚预热到250℃-280℃，在保护气氛下将步骤1的镁合金液倒入坩埚，并控制冷却，当镁合金浆料温度下降到设定的半固态温度618℃后，得到液相分数约为20％的半固态坯料；
(3)半固态流变挤压成形
将坩埚中半固态坯料迅速放入挤压模具中，调节压力机的速度50-80mm/s、模具预热温度为250-300℃，用石墨粉或JD-800型脱模剂，挤压成形半固态坯料得到AZ31牺牲镁阳极。
2、根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤2采用可对半开的不锈钢坩埚一个，坩埚体积大小与镁阳极体积大小相等，将两对半开坩埚分别固定在一便于手工操作的夹钳两边。
3、根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤2半固态浆料制备过程中，用电阻加热炉或感应加热炉。
4、根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述步骤2在运输浆料的坩埚中对浆料进行机械搅拌。
5、实现如权利要求1所述的牺牲镁阳极的流变挤压成形制备工艺的装置，其特征在于，所述装置含有挤压杆(1)，挤压筒(2)，挤压垫块(3)，加热圈(5)，挤压凹模(6)，镁阳极内部铁芯(7)，镁阳极(8)，模具垫块(9)，铁芯插座(10)，固定销(11)，顶出杆(12)，工作台(13)，模具固定杆系统(14)，模具固定螺栓(15)；
所述挤压杆(1)固定在压力机的上滑块上，使其可随滑块上下运动；
所述挤压筒(2)内部放置具有一定固相分数的半固态坯料(4)；
所述在挤压杆(1)和半固态坯料(4)之间放入挤压垫块(3)，以防止挤压杆(1)挤入半固态坯料(4)；
所述在挤压筒(2)外设置加热圈(5)，以预热模具；
所述在挤压凹模(6)与挤压筒(2)之间用固定螺栓(15)连接；
所述在挤压凹模(6)的下端对称设置两块模具垫块(9)，以弥补挤压凹模(6)的深度不足，以及支撑挤压凹模(6)；
所述在半固态坯料(4)放入挤压凹模(6)之前，将镁阳极内部铁芯(7)插入铁芯插座(10)；
所述在镁阳极内部铁芯(7)的下部侧面用固定销(11)拧紧固定，以防止内部铁芯(7)在挤压成形中晃动；
所述模具固定杆系统(14)与工作台(13)通过T型槽连接，使模具固定杆系统(14)稳定固定在工作台(13)上。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| AZ91D镁合金的半固态加工研究. 王怀国，张景新，张奎，徐骏，石力开.特种铸造及有色合金，第2003卷第4期. 2003 |
| AZ91D镁合金的半固态加工研究. 王怀国，张景新，张奎，徐骏，石力开.特种铸造及有色合金，第2003卷第4期. 2003 * |
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