CN101077522A - 一种制备复合结构零件的半固态复合连接成形工艺 - Google Patents
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Abstract
一种制备复合结构零件的半固态复合连接成形工艺，属于先进连接技术领域。在80℃－120℃对块状成形母体零件用金属合金进行干燥处理后，在电阻炉中加热熔化，合金在完全熔化后保温静置20－30分钟；向保温静置后的合金液施加搅拌，得到成分组织均匀、性能优异的半固态浆料；用半固态成形方法制备复合结构零件的模具设计；复合结构零件的半固态成形：成形速度控制在70mm/s－120mm/s，成形温度根据合金确定，模具预热温度设为200℃－300℃，成形压力设为400KN－600KN，保压时间设为5－15秒。优点在于，实现复合结构零件的短流程、近终形的成形制造，而且可以降低能源消耗，提高产品质量。
Description
技术领域
本发明属于先进连接技术领域，特别是提供了一种制备复合结构零件的半固态复合连接成形工艺
背景技术
现代科学技术的进步对材料科学与工程技术的要求日益提高，研制开发新型高性能结构零件以及其先进连接技术已经成为广大高科技企业需要迫切解决的问题，这一现象在汽车、航空航天、电子通讯等领域体现得更为明显。目前，对由不同材质复合连接而成的结构零件主要使用焊接方法和机械连接(如螺钉螺母)方法加以实现。由于该方法具有生产周期长、连接效果差(如存在中间硬脆相或连接缝隙大)、生产成本高等一些缺陷，长期以来探索短流程、近终形复合结构零件的生产方法、并能从实验上制备出复合结构零件以及研究其性能已成为一种迫切的需要。如何找到一种巧妙的成形方法已成为广大科学家和工程师一项极具创造性和挑战性的工作。目前，问题的主要瓶颈是如何提出短流程、近净成形且易于控制的材料成形工艺。
另一方面，在国家“十一五”中长期发展规划中，明确提出未来加工行业必须走低能耗、低污染的道路，并提出了相应的考核指标。为尽快扭转在我国经济建设中占有重要地位的材料加工行业的高能耗、重污染和低性价比，提高产品质量，减轻环境污染，增强其国际竞争力，迫切需要从冶金材料科学发展前沿出发，突破传统的冶金及加工工艺理论和概念，利用高新技术对材料加工及控制技术进行新的工艺探索，实现生产过程的短流程、低能耗和高质量。20世纪70年代初期半固态加工技术的出现无疑为解决上述问题带来了希望。
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 of Alloys 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，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，OliverBeffort and Peter J.Uggowitzer.Semi-Solid Metal Processing of Aluminum Alloy A356 andMagnesium Alloy AZ91：Comparison Based on Metallurgical Considerations.AdvancedEngi.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，Charakterisierung und Verarbeitung Teilfiuessiger Metallischer Werkstoffe amBeispiel Verschiedener Aluminum-und Magnesiumlegierungen.Aachen，Techn.Hochsch.，Diss，2002.ISBN 3-8322-1064-4)。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 derRWTH-Aachen)在Reiner Kopp教授和EFU公司总裁Gerhalt 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(Sonderforschungbereich)，该项目从1996年起连续12年从德国科研联合会DFG(Deutsche Forschungsgemeinschaft)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 and.future.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现状分析可以看出，目前对半固态成形技术的研究主要集中在“纯碎”半固态零件制造，也就是说所成形的零件是用同一种材料。然而实际生活中经常用到同一复合结构零件由不同的材料复合连接而成：母体零件+与之连接的功能件。对这种复合结构零件的生产一般至少需要三个工步：第一步是生产出母体零件；第二步是加工出与之连接的功能件；第三步是采用焊接或机械连接的方法将第一和第二步生产出的零件进行复合连接。很显然，该工艺生产周期长、能耗高、不能实现一次成型。此外，生产出的零件质量、特别是连接性能难以满足对强度和连接性能有极高要求的无缝隙特殊应用领域的需求。目前，除德国亚琛工业大学的半固态技术研究中心有半固态复合连接成形技术文献报导外，关于该方面的技术鲜有报导。此外，随着航空航天、汽车电子等行业迅速发展，对零件使用性能的要求越来越高，例如一方面要求零件轻量化，另一方面要求某些零件的局部区域承受较高的载荷，这些特殊要求对材料加工行业提出了更大的挑战。对不同材料使用特殊工艺进行连接以满足局部区域使用要求、并能生产出高质量复合连接成形零件(智能零件)已成为广大加工型高新技术企业一项迫切的需求，并已成为生产制造工程师和科学工作者研究探索的热点。
复合结构零件的生产通常至少需要三个工步：首先分别制备加工出母体零件和与之连接的功能件；然后使用机械连接或焊接的方法把母体零件和功能零件进行连接，该方法工步长，生产成本高。使用常规铸造方法可以实现成形母体零件的同时进行与功能零件的在线连接。然而常规铸造成形中易出现疏松缩孔等缺陷，使得母体零件与功能零件的连接效果差。这对强度和连接性能有极高要求的领域如航空航天领域极为重要，因为缝隙会对飞行器安全构成致命威胁。半固态复合连接成形技术出现以后，使用高效率的半固态成形和连接技术相结合的方法代替焊接、螺栓连接或铸造方法使解决上述问题成为可能。也就是在用半固态方法成形母体零件的过程中，同时进行与功能件的在线连接。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备复合结构零件的半固态复合连接成形工艺，用于复合结构零件的短流程制造。该工艺克服了用机械连接或焊接的方法加工该类零件时存在的加工路线长、生产成本高等问题。
具体工艺步骤如下：
1、在80℃-120℃对块状成形母体零件用金属合金进行干燥处理后，在电阻炉中加热熔化，合金在完全熔化后保温静置20-30分钟。
本发明所述的母体零件用金属合金为A356铝合金、SiC颗粒增强A356铝合金复合材料、AZ91镁合金或CuZn31Al2黄铜合金。
对易于氧化燃烧的镁合金要用氩气作为保护气体，并使用发泡镁合金覆盖剂保护熔化的镁合金液。A356铝合金和其SiC颗粒增强复合材料完全熔化温度为640℃-650℃，AZ91镁合金完全熔化温度为635℃-650℃，CuZn31Al2黄铜合金完全熔化温度为971℃-980℃。
2、向保温静置后的合金液施加搅拌，边搅拌边冷却到半固态温度区间，从而得到成分组织均匀、性能优异的半固态浆料。
A356铝合金半固态浆料温度为577℃-581℃，A356铝合金的MMC材料半固态浆料温度为576℃-580℃、AZ91镁合金半固态浆料温度为579℃-584℃，CuZn31Al2黄铜合金半固态浆料温度为958℃-963℃。
3、用半固态方法制备复合结构零件的模具设计，并在模具的凹模中加工出安放连接功能件的位置，功能件在半固态成形前预先安放在模具中。
本发明中所述的功能件为用钢铁合金制成的螺栓或钢管。
4、复合结构零件的半固态成形：成形速度控制在70mm/s-120mm/s，成形温度根据合金确定，模具预热温度设为200℃-300℃，成形压力设为400KN-600KN，保压时间设为5-15秒。
用半固态方法制备复合结构零件分为触变成形和流变成形两种方法。当使用流变成形方法制备复合结构零件时，直接将半固态浆料输送到模具中挤压、锻造或压铸成形；对于用触变成形方法制备复合结构零件，需要进行半固态坯料二次感应加热，将感应加热后半固态坯料放入模具中再挤压、锻造或压铸成形。
工艺流程图见附图说明中图-1。
发明的优点及与现有技术区别之处：
目前，对复合结构零件的生产一般至少需要两个工步：第一步是分别生产出同质材料的零件；第二步是采用焊接或机械连接的方法将第一步生产出的零件进行复合连接。很显然，该方法生产周期长、成本高、不能实现一次成型。此外，生产出的零件质量、特别是连接性能难以满足对强度和连接性能有极高要求的无缝隙特殊应用领域的需求。
将半固态成形技术与材料复合连接技术相结合，研制生产多功能复合结构零件具有重大的理论意义和广阔的工业前景，特别是在汽车、航空航天、电子通讯等领域。该工艺扩大了半固态技术的应用领域，拓展了复合结构零件的制造途径，是一种完成崭新的成形工艺。使用该工艺，不但可以实现复合结构零件的短流程、近终形的成形制造，而且可以降低能源消耗，提高产品质量。
半固态复合连接成形技术是在半固态成形目标零件的同时实现与某功能零件的在线连接，使成形和连接一步完成。而半固态连接技术主要是从焊接的角度出发进行连接，如搅拌摩擦焊以及在半固态温度下进行焊料连接，因而以焊接为目标的半固态连接过程中并不进行以成形母体零件为目标的成形加工，这是半固态复合连接成形技术与半固态连接技术的本质区别。
附图说明
图1为半固态复合连接成形工艺流程图。
具体实施方式
实施例1：使用半固态触变锻挤成形方法制备A356铝合金与钢质螺栓连接的复合结构零件。
从Duralcan公司(Duralcan company)购买直径为φ76mm具有半固态组织特征的A356铝合金棒料。距切加工后，首先用感应加热炉将坯料快速均匀加热到半固态温度：580℃。设计半固态触变锻挤成形A356铝合金母体零件的模具，同时在模具的凹模中加工出安放钢质连接螺栓的位置。加工用于连接的功能件---钢质连接螺栓，并将其在半固态成形前安放在模具中。将加热后的半固态坯料迅速用夹具放入到成形模具的凹模中(模具预热温度设为200℃)。压力机的成形速度调整为100mm/s、使用石墨脱模剂，成形压力设为600KN，保压时间设为10秒。使用以上参数可一次性锻挤成形A356铝合金与钢质螺栓连接的复合结构零件。
实施例2：使用半固态触变锻挤成形方法制备MMC材料(SiC颗粒增强A356铝合金)与钢质螺栓连接的复合结构零件。
从Duralcan公司(Duralcan company)购买直径为φ76mm具有半固态组织特征的MMC材料(SiC颗粒增强A356铝合金复合材料)。距切加工后，首先用感应加热炉将坯料快速均匀加热到半固态温度：578℃。设计半固态触变锻挤成形MMC材料母体零件的模具，同时在模具的凹模中加工出安放钢质连接螺栓的位置。加工用于连接的功能件---钢质连接螺栓，并将其在半固态成形前安放在模具中。将加热后的半固态坯料迅速用夹具放入到成形模具的凹模中(模具预热温度设为200℃)。压力机的成形速度调整为70mm/s、使用石墨脱模剂，成形压力设为600KN，保压时间设为15秒。使用以上参数可一次性锻挤成形MMC材料与钢质螺栓连接的复合结构零件。
实施例3：使用半固态触变锻挤成形方法制备AZ91镁合金与钢管连接的复合结构零件。
从Duralcan公司(Duralcan company)购买直径为φ76mm具有半固态组织特征的AZ91镁合金棒料。距切加工后，首先用感应加热炉将坯料快速均匀加热到半固态温度：583℃，加热过程中使用氩气作为保护气体。设计半固态触变锻挤成形AZ91镁合金母体零件的模具，同时在模具的凹模中加工出安放连接钢管的位置。加工用于连接的功能件---钢管，并将其在半固态成形前安放在模具中。将加热后的半固态坯料迅速用夹具放入到成形模具的凹模中(模具预热温度设为200℃)。压力机的成形速度调整为100mm/s、使用石墨脱模剂，成形压力设为600KN，保压时间设为12秒。使用以上参数可一次性锻挤成形AZ91镁合金与钢管连接的复合结构零件。
Claims (4)
1、一种制备复合结构零件的半固态复合连接成形工艺，其特征在于，工艺步骤为：
(1)在80℃-120℃对块状成形母体零件用金属合金进行干燥处理后，在电阻炉中加热熔化，合金在完全熔化后保温静置20-30分钟；所述的母体零件用金属合金为A356铝合金、SiC颗粒增强A356铝合金复合材料、AZ91镁合金或CuZn31Al2黄铜合金；
(2)对保温静置后的合金液进行搅拌，边搅拌边冷却到半固态温度区间，得到成分组织均匀、性能优异的半固态浆料；
(3)用半固态方法制备复合结构零件的模具设计，并在模具的凹模中加工出安放连接功能件的位置，功能件在半固态成形前预先安放在模具中；所述的功能件为用钢铁合金制成的螺栓或钢管；
(4)复合结构零件的半固态成形：成形速度控制在70mm/s-120mm/s，成形温度根据合金确定，模具预热温度设为200℃-300℃，成形压力设为400KN-600KN，保压时间设为5-15秒。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于，对易于氧化燃烧的镁合金要用氩气作为保护气体，并使用发泡镁合金覆盖剂保护熔化的镁合金液；A356铝合金和其SiC颗粒增强复合材料完全熔化温度为640℃-650℃，AZ91镁合金完全熔化温度为635℃-650℃，CuZn31Al2黄铜合金完全熔化温度为971℃-980℃。
3、按照权利要求1所述的方法，其特征在于，A356铝合金半固态浆料温度为577℃-581℃，A356铝合金的MMC材料半固态浆料温度为576℃-580℃、AZ91镁合金半固态浆料温度为579℃-584℃，CuZn31Al2黄铜合金半固态浆料温度为958℃-963℃。
4、按照权利要求1所述的方法，其特征在于，半固态成形复合结构零件分为触变成形和流变成形两种方法；当使用流变成形方法制备复合结构零件时，直接将半固态浆料输送到模具中挤压、锻造或压铸成形；对于用触变成形方法制备复合结构零件，需要进行半固态坯料二次感应加热，将感应加热后半固态坯料放入模具中再挤压、锻造或压铸成形。
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