CN101284298A - 用于大尺寸锻造的铝合金半固态坯料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大尺寸锻造的铝合金半固态坯料的制备方法，将市售锻造铝合金挤压棒材，加工到长度为150～225mm的坯料；置于400℃～420℃的环境中，保温1h～3h，以小于30℃/h的速度，随炉冷却；采用动载窄砧小变形技术锻造坯料，锤砧的预热温度为100℃～250℃，坯料与锤砧的接触面积小于30％，遵循轻－重－轻的锻打原则，坯料总变形程度为20％～40％，应用锻造工艺仿真软件的加热模块实现加热工艺的优化，采用三段式加热工艺实现坯料的快速均匀加热即制得球化良好、晶粒均匀、细小的大尺寸铝合金半固态坯料。本发明方法解决了坯料足够大的冷变形量下的变形不均匀，以及大尺寸坯料快速加热和坯料温度的均匀性不能很好控制的问题。

Description

用于大尺寸锻造的铝合金半固态坯料的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料热成形技术领域，涉及一种锻造用铝合金坯料的制备，具体涉及一种用于大尺寸锻造的铝合金半固态坯料的制备方法。

背景技术

半固态成形加工是目前最具发展潜力的先进制造技术之一，具有模具寿命长、压力低、设备吨位小、生产率高、节约能源的优点，制得的制件具有较高的质量和优越的性能，并可实现制件的近、净成形。

半固态坯料成形方法，首先要制备出非枝晶结构的近球形组织的半固态坯料。文献【K.P.Young，C.P.Kyonka and J.a.Courtois，“Fine grained metalcompositeon”，U.S.Patent，4415374，1038(1983)】披露了应变诱导熔体激活法(Strain-Induced Melt Activation，简称SIMA)，利用常规铸造得到合金锭坯，在回复再结晶的温度范围内，对该合金锭坯进行足够的变形(一般为热挤压)，以破碎合金中的初生枝晶组织，然后对合金锭坯进行冷变形，使坯料的组织中储存部分变形能量，再进行加热，使其温度达到半固态区并保温一定时间，获得半固态坯料。

加热过程中，合金首先发生再结晶，形成亚晶粒和亚晶界，晶界处的低熔点溶质元素和低熔点相，随后熔化，导致近球形固相被低熔点液相包围，形成半固态非枝晶组织。将加热后的半固态坯料进行水淬，可观察半固态坯料的金相组织；将加热后的半固态坯料进行触变模锻，得到制件。应变诱发激活法工艺的效果，主要取决于冷变形和半固态加热两个阶段。目前，应变诱发激活法只能制备直径小于Φ90mm的小尺寸铝合金半固态坯料，而小尺寸半固态坯料成形的零件小，工程上实用意义不大。应变诱发激活法在制备变形合金大尺寸的半固态坯料中存在以下问题：坯料足够大的冷变形量下的变形不均匀，坯料快速加热以及坯料温度的均匀性不能很好控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于大尺寸锻造的铝合金半固态坯料的制备方法，用于成形加工较大的铝合金零件，解决了坯料足够大的冷变形量下的变形不均匀，以及坯料快速加热和坯料温度的均匀性不能很好控制的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于大尺寸锻造的铝合金半固态坯料的制备方法，包括以下具体步骤：

步骤1：将直径为Φ90mm～Φ140mm的锻造铝合金挤压棒材截断下料，形成长度为150mm～225mm的圆棒坯料；并对该圆棒坯料的两端面进行加工，使两端面相互平行；

步骤2：将上步得到的圆棒坯料，置于加热设备中，在温度为400℃～420℃的条件下保温1h～3h，完全退火，之后，以小于30℃/h的冷却速度，随炉冷却；

步骤3：采用动载窄砧小变形技术，对上步完全退火后的圆棒坯料进行锻造，使之预冷变形，得到直径为Φ125mm～Φ160mm、长度为96mm～170mm的坯料；

步骤4：利用商用锻造工艺仿真优化计算机软件对上步预冷变形后的坯料的加热过程进行模拟，生成该坯料的优化的三段式加热工艺曲线，并得出坯料的加热工艺参数；

步骤5：将步骤3得到的坯料置于加热保温设备内，根据步骤4得出的加热工艺参数对该坯料进行加热，即制得大尺寸锻造铝合金半固态坯料。

本发明的特征还在于，

其中步骤3，坯料的预冷变形过程中采用的动载窄砧小变形技术是指具体控制：

1)锤砧置于温度为100℃～250℃的环境中预热，

2)圆棒坯料端面与锤砧的接触面积小于圆棒坯料端面面积的30％，

3)遵循轻-重-轻的锻打原则，先轻打，使坯料端面与锤砧紧密接触，然后重打，每次锤击，坯料的长度缩短1.5mm～2mm，坯料的上部直径超过下部直径4mm，即将坯料调头锻造，之后，上部直径分别超过下部直径3mm、2mm或1mm，坯料调头锻造，

4)圆棒坯料的总变形程度为20％～40％。

其中步骤4，对坯料的加热过程进行模拟的具体步骤：

利用商用锻造工艺仿真优化软件的加热模块，输入上述坯料的三维几何模型，将该三维几何模型划分为有限元网格，再输入铝合金坯料的材质、该材质的热物性参数，并输入设定的坯料的初始温度、加热炉内的初始温度、计算时间、步长和三段式加热预置曲线，得出优化的三段式加热曲线，并根据该曲线得出每段的加热工艺参数。

本发明方法与现有技术相比，具有如下优点：

1.采用动载窄砧小变形技术，控制变形的相对均匀性。动载使材料储存的变形能比静压时储存的冷变形能大；窄砧使变形体中，较难变形的区域变小，实施再次打击时，可使较难变形的区域变形；小变形使摩擦锥变得非常小，变形体变形相对均匀；

2.采用三段式加热工艺设置加热曲线；利用商用传热计算机软件，对加热工艺曲线进行优化；大大缩短了总的加热时间，特别是缩短了再结晶温度以上的加热时间。实现了快速加热与温度均匀性的统一，使SIMA法制备大尺寸半固态坯料成为可能，从而使工程应用较为实际，用该方法制备的大尺寸半固态坯料的晶粒组织边部、心部、端部晶粒平均直径以及圆整度相差不大，均符合半固态坯料的组织要求。

3.本发明方法得到的半固态坯料与现有方法制得的合金相比，室温下屈服强度的强度极限降低了0％～5％，最大断面缩减率提高了大约20％，成形时的变形力降低了30％～40％，其综合力学性能高，组织细小、均匀且呈近球状。

附图说明

图1是本发明方法的工艺流程图；

图2是本发明方法中计算机模拟优化得到的炉温控制曲线图；

图3是本发明方法的加热过程中测试到的坯料边部和心部的温度变化曲线图；

图4是本发明方法一种实施例的炉温控制曲线与坯料心部测温曲线图；

图5是本发明方法一种实施例制得的半固态坯料的金相组织显微照片；其中，a是心部的显微照片，b是边部的显微照片，c是端部的显微照片；

图6是本发明方法另一种实施例的炉温控制曲线与坯料心部测温曲线图；

图7是本发明方法另一种实施例制得的半固态坯料的金相组织显微照片；其中，a是心部的显微照片，b是边部的显微照片，c是端部的显微照片；

图8是本发明方法第三种实施例的炉温控制曲线与坯料心部测温曲线图；

图9是本发明方法第三种实施例制得的半固态坯料的金相组织显微照片；其中，a是心部的显微照片，b是边部的显微照片，c是端部的显微照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明方法的流程如图1所示。按以下步骤进行：

步骤1：将市售的直径为Φ90mm～Φ140mm的锻造铝合金挤压棒材下料，形成长度为150mm～225mm的圆棒坯料，并对该圆棒坯料的两端面进行加工，保证两端面相互平行；

步骤2：将上步得到的圆棒坯料，置于加热设备中，在温度为400℃～420℃的条件下，保温1h～3h，完全退火，之后，以小于30℃/h的冷却速度，随炉冷却；

步骤3：采用动载窄砧小变形技术，对上步完全退火后的圆棒坯料进行锻造，使之预冷变形，锻造过程中控制

(1)锤砧置于温度为100℃～250℃的环境中预热，

(2)圆棒坯料端面与锤砧的接触面积小于圆棒坯料端面面积的30％，

(3)遵循轻-重-轻的锻打原则，先轻打，使坯料端面与锤砧紧密接触，然后重打，每次锤击，坯料的长度缩短1.5mm～2mm，坯料的上部直径超过下部直径4mm，即将坯料调头锻造，之后，上部直径分别超过下部直径3mm、2mm或1mm，坯料调头锻造，

(4)圆棒坯料的总变形程度为20％～40％，

得到直径为Φ125mm～Φ160mm、长度为96mm～170mm的坯料；

步骤4：利用Deform 3D商用锻造工艺仿真优化软件的加热模块，对上步预冷变形后的坯料的加热过程进行模拟：输入该坯料的三维几何模型，将该三维几何模型划分为有限元网格，再输入铝合金坯料的材质及其热物性参数，并输入设定的坯料初始温度值、加热炉内初始温度值、设定计算时间及步长，并设置三段式加热预置曲线，然后，通过上述计算机软件的加热模块对坯料的加热过程进行仿真模拟，并通过温度场分析上述坯料的温度均匀性，确定该坯料加热过程中各阶段的加热时间，得出如图2所示的优化的三段式加热曲线。第一段为快速加热阶段，将加热保温设备内的温度，调至坯料半固态温度以上100℃；第二段为均温阶段，将加热保温设备内的温度，快速调至坯料的半固态温度；第三段为保温阶段，控制加热保温设备内的温度为坯料的半固态温度；

步骤5：将步骤3制得的坯料置于加热保温设备内，利用步骤4得到的加热工艺参数，对该坯料进行加热。首先，将加热保温设备内的温度，调至坯料半固态温度以上100℃，对坯料加热8分钟～18分钟，控制坯料心部温度，低于半固态温度20℃，然后将加热保温设备内的温度，快速调至坯料的半固态温度，对坯料缓慢加热7分钟～15分钟，控制坯料心部温度，低于半固态温度3℃，之后控制加热保温设备内的温度为坯料的半固态温度，将坯料保温5分钟～8分钟，即制得大尺寸半固态坯料，直接将该坯料进行触变模锻，形成零件，或将得到的坯料进行水淬，使坯料迅速降至室温，保存住当时的均匀化组织，制取金相组织图片。

在坯料的加热过程中，现场随时进行坯料边部和心部温度的测试，获得如图3所示的加热过程中坯料边部和心部的温度变化曲线。图中表明采用三段式炉温控制曲线可实现坯料的快速均匀加热。

本发明方法中，

使用的加热保温设备选用电阻加热炉。

采用的动载窄砧小变形技术，即：采用力能设备进行坯料变形，置锤砧于100℃～250℃的温度环境中预热，圆棒坯料端面与锤砧的接触面积小于圆棒坯料端面面积的30％，遵循轻-重-轻的锻打原则，先轻打，使坯料端面与锤砧紧密接触，然后重打，每次锤击，坯料的长度缩短1.5mm～2mm，坯料的上部直径超过下部直径4mm，即将坯料调头锻造，要求上部直径分别超过下部直径3mm、2mm或1mm，坯料调头锻造。

7A09铝合金的半固态温度为590℃。

采用锻造工艺仿真优化软件的加热模块，可实现坯料加热工艺的优化，采用三段式加热工艺实现坯料的快速均匀加热，有利于球化、均匀、细小的半固态组织的获得。

实施例1

将市售的7A09铝合金挤压棒材，用锯床截断下料并将两端面车平见光，制成直径为Φ90mm、长度为150mm的圆棒坯料，将该圆棒坯料置于电阻炉中，在温度为400℃的条件下，保温1h进行退火，然后，以小于30℃/h的冷却速度，随炉冷却；将退火后的圆棒坯料在500Kg空气锤上锻造，锤砧预热温度为100℃；锻击遵循“轻-重-轻”原则，即先轻打，使坯料端面与锤砧贴实，并且圆棒坯料端面与锤砧的接触面积小于圆棒坯料端面面积的30％，然后重打，每次打下1.5mm～2mm。圆棒坯料上部直径超过下部直径4mm，调头进行锻造，此后，上部直径超过下部直径分别为3mm、2mm或1mm，即调头再锻；得到直径为Φ125mm、长度为96mm的坯料，该圆棒坯料的变形程度为40％。然后利用商用锻造工艺优化软件Deform 3D的加热模块，对预冷变形后的坯料的加热过程进行模拟：输入预冷变形后坯料的三维几何模型、并将该三维几何模型划分为48000个单元网格；再将该坯料的材质(7A09铝合金)、热传导系数、比热容等材料热物性参数输入该模拟软件中，并输入设定的铝坯的初始温度为20℃、加热炉内的初始温度为690℃；设置计算时间1800秒、步长1秒等分析参数及三段式加热预置曲线，由计算机模拟得出优化的三段式加热曲线，并根据该加热曲线确定制备半固态坯料要求的加热参数；依照得出的加热参数对坯料进行加热。将坯料放入炉底设置有高度为80mm网状物的电阻炉内，并置于网状物的上面。控制炉内温度为690℃，加热8分钟，打开炉门，将炉内温度迅速降至590℃以下，保温7分钟，以均匀坯料心部和表面温度，其后保温5分钟，以利于坯料晶粒的球化，炉温控制曲线与坯料心部测温曲线如图4所示；此阶段坯料边、心部平均温度差异2.5℃，出炉时的温差＜1.0℃，对应的固相率变化约1.5％，即制得用于大尺寸铝合金锻造的半固态坯料，随后立即水淬，其金相组织的显微照片如图5所示。从图中可看出，该半固态坯料的心部晶粒平均直径42μm、边部晶粒平均直径45μm、端部晶粒平均直径41μm。

实施例2

将市售的7A09铝合金挤压棒材，用锯床截断下料并将两端面车平见光，制成直径为Φ140mm、长度为225mm的圆棒坯料，将该圆棒坯料置于电阻炉中，在温度为420℃的条件下，保温3h进行退火，然后，以小于30℃/h的冷却速度，随炉冷却；将经过热处理的圆棒坯料在750Kg空气锤上锻造，锤砧预热温度为250℃；锻击遵循“轻-重-轻”原则，即锤击开始时，轻打，使坯料端面与锤砧贴实，并且圆棒坯料端面与锤砧的接触面积小于圆棒坯料端面面积的30％，然后重打，每次打下1.5mm～2mm，上部直径超过下部直径4mm，调头进行锻造，此后，上部直径超过下部直径依次分别为3mm、2mm或1mm，即调头再锻；形成直径为Φ160mm、长度为170mm的坯料，该圆棒坯料的变形程度为20％。然后利用商用锻造工艺优化软件Deform 3D的加热模块对上步预冷变形后的坯料的加热过程进行模拟：输入预冷变形后坯料的三维几何模型、并将该三维几何模型划分为52000个单元网格；再将该坯料的材质(7A09铝合金)、热传导系数、比热容等材料热物性参数输入该模拟软件中；并输入设定的铝坯的初始温度为21℃、加热炉内的初始温度为690℃；设置计算时间3600秒、步长1秒等分析参数及三段式加热预置曲线，由计算机模拟得出优化的三段式加热曲线，并根据该曲线确定制备半固态坯料要求的加热参数；依照得出的加热参数，对坯料进行加热，将坯料放入炉底设置有高度为80mm网状物的电阻炉内，并置于网状物的上面。控制炉内温度为690℃，加热18分钟，打开炉门，将炉内温度迅速降至590℃以下，保温15分钟，以均匀坯料心部和表面温度，其后保温8分钟，以利于坯料晶粒的球化，炉温控制曲线与坯料心部测温曲线如图6所示；此阶段坯料边、心部平均温度差异2.5℃，出炉时的温差＜1.0℃，对应的固相率变化约1.5％，即制得用于大尺寸锻造的铝合金半固态坯料，随后立即水淬，其金相组织的显微照片如图7所示。从图中可看出，该半固态坯料的心部晶粒平均直径37μm、边部晶粒平均直径41μm、端部晶粒平均直径40μm。

实施例3

将市售的7A09铝合金挤压棒材，用锯床截断下料并将两端面车平见光，制成直径为Φ110mm、长度为188mm的圆棒坯料，将该圆棒坯料置于电阻炉中，在温度为410℃的条件下，保温2h进行退火，然后，以小于30℃/h的冷却速度，随炉冷却；将经过热处理的圆棒坯料在750Kg空气锤上锻造，锤砧预热温度为175℃；锻击遵循“轻-重-轻”原则，即锤击开始时，轻打，使坯料端面与锤砧贴实，并且圆棒坯料端面与锤砧的接触面积小于圆棒坯料端面面积的30％，然后重打，每次打下1.5mm～2mm，上部直径超过下部直径4mm，调头进行锻造，此后，上部直径超过下部直径分别为3mm、2mm或1mm，即调头再锻；形成直径为Φ142mm、长度为133mm的坯料，该圆棒坯料的变形程度为30％。然后利用商用锻造工艺优化软件Deform 3D的加热模块对上步预冷变形后的坯料的加热过程进行模拟，输入预冷变形后坯料的三维几何模型、并将该三维几何模型划分为50000个单元网格；再将该坯料的材质(7A09铝合金)、热传导系数、比热容等材料热物性参数输入该模拟软件中；并输入设定的铝坯的初始温度为21℃、加热炉内的初始温度为690℃；设置计算时间2700秒、步长1秒等分析参数及三段式加热预置曲线，通过计算机模拟得出优化的三段式加热曲线，并根据该加热曲线确定制备半固态坯料要求的加热参数；依照得出的加热参数，对坯料进行加热，将坯料放入炉底设置有高度为80mm网状物的电阻炉内，并置于网状物的上面。控制炉内温度为695℃，加热13分钟，打开炉门，将炉内温度迅速降至595℃以下，再加热11分钟，以均匀坯料心部和表面温度，其后保温6分钟，以利于坯料晶粒的球化，炉温控制曲线与坯料心部测温曲线如图8所示；此阶段坯料边、心部平均温度差异2.5℃，出炉时的温差＜1.0℃，对应的固相率变化约1.5％，即制得用于大尺寸锻造的铝合金半固态坯料，随后立即水淬。其金相组织的显微照片如图9所示。从图中可看出，该半固态坯料的心部晶粒平均直径42μm、边部晶粒平均直径45μm、端部晶粒平均直径41μm。

本发明方法是在SIMA法的基础上，采用动载窄砧小变形技术获得变形均匀的大的冷变形量，结合计算机数值模拟技术控制半固态加热温度的均匀性，通过三段式加热工艺提升前期加热温度以获得快的升温温度和足够的温度均匀性，从而制备大尺寸半固态锻造铝合金坯料。

Claims (3)

1.一种用于大尺寸锻造的铝合金半固态坯料的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1：将直径为Φ90mm～Φ140mm的锻造铝合金挤压棒材截断下料，形成长度为150mm～225mm的圆棒坯料；并对该圆棒坯料的两端面进行加工，使两端面相互平行；

步骤2：将上步得到的圆棒坯料，置于加热设备中，在温度为400℃～420℃的条件下保温1h～3h，完全退火，之后，以小于30℃/h的冷却速度，随炉冷却；

步骤3：采用动载窄砧小变形技术，对上步完全退火后的圆棒坯料进行锻造，使之预冷变形，得到直径为Φ125mm～Φ160mm、长度为96mm～170mm的坯料；

步骤4：利用商用锻造工艺仿真优化计算机软件对上步预冷变形后的坯料的加热过程进行模拟，生成该坯料的优化的三段式加热工艺曲线，并得出坯料的加热工艺参数；

步骤5：将步骤3得到的坯料置于加热保温设备内，根据步骤4得出的加热工艺参数对该坯料进行加热，即制得大尺寸锻造铝合金半固态坯料。

2.按照权利要求1所述的用于大尺寸锻造的铝合金半固态坯料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，坯料的预冷变形过程中采用的动载窄砧小变形技术是指具体控制：

1)锤砧置于温度为100℃～250℃的环境中预热，

2)圆棒坯料端面与锤砧的接触面积小于圆棒坯料端面面积的30％，

3)遵循轻-重-轻的锻打原则，先轻打，使坯料端面与锤砧紧密接触，然后重打，每次锤击，坯料的长度缩短1.5mm～2mm，坯料的上部直径超过下部直径4mm，即将坯料调头锻造，之后，上部直径分别超过下部直径3mm、2mm或1mm，坯料调头锻造，

4)圆棒坯料的总变形程度为20％～40％。

3.按照权利要求1所述的用于大尺寸锻造的铝合金半固态坯料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，对坯料的加热过程进行模拟的具体步骤：

利用商用锻造工艺仿真优化软件的加热模块，输入上述坯料的三维几何模型，将该三维几何模型划分为有限元网格，再输入铝合金坯料的材质、该材质的热物性参数，并输入设定的坯料的初始温度、加热炉内的初始温度、计算时间、步长和三段式加热预置曲线，得出优化的三段式加热曲线，并根据该曲线得出每段的加热工艺参数。

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