CN101623741A

CN101623741A - 一种一模多件高SiC体积分数结构件成形及模具设计方法

Info

Publication number: CN101623741A
Application number: CN200910090388A
Authority: CN
Inventors: 王开坤; 汪富玉; 徐峰
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2010-01-13

Abstract

本发明属于金属材料成形领域，特别是提供了一种制备高SiC体积分数复合材料结构件半固态锻挤成形一模多件工艺技术及模具设计。其特征是用SiC颗粒增强A359铝合金复合材料采用一次成形多件的方式通过半固态触变成形得到的高SiC体积分数的封装壳体结构件。本发明大大地提高了半固态模锻成形的效率。克服了用传统的粉末注射法加工该类零件时存在的加工路线长、生产成本高、成形件气密性差等问题。此外，由于本技术属于模锻成形，因此，可一次成形形状非常复杂的高精密结构件，且成形件致密性高，力学性能好，便于规模化生产。

Description

一种一模多件高SiC体积分数结构件成形及模具设计方法

技术领域

本发明属于金属材料成形领域，特别是提供了一种制备高SiC体积分数复合材料结构件半固态锻挤成形一模多件工艺技术及模具设计。

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材料以及其先进短流程加工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，以SiC/铝合金为代表的封装壳体结构件主要使用粉末注射成形方法加以制造，也就是SiC预制坯+融熔金属浸润法。由于该方法存在生产周期长、成本高、成形件气密性差等一些缺陷，长期以来探索短流程、近终形结构零件的生产方法、并能从实验上制备出高性能结构零件以及研究其性能已成为一种迫切的需要。如何找到一种巧妙且高效率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 Tellfluessiger Metallischer Werkstoffe amBeispiel Verschiedener Aluminum-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 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10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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率制备高SiC体积分数复合材料结构件半固态锻挤成形一模多件工艺技术及模具设计，用于高精密结构件的短流程制造。

一种一模多件高SiC体积分数结构件成形及模具设计方法，用SiC颗粒增强A359铝合金复合材料通过半固态触变成形得到高SiC体积分数的封装壳体结构件。

本发明的具体工艺内容如下：

1、对SiC颗粒进行预处理，将其加热到600℃并保温3h，以增加SiC颗粒在铝合金溶液中分布的均匀性。将A359铝合金加热至熔化，然后调整合金液温度至595℃，将体积分数为20-24％的经预处理后的SiC颗粒压入液面(颗粒平均直径为8-10μm)，同时开始搅拌，搅拌时间为8-12min，搅拌速度为50-80r/min。均匀搅拌静置3-5min后，将金属液浇铸到预热后的制坯模中，冷却后得到SiCp/A359复合材料棒状坯料(坯料尺寸为φ30mm×45mm)。

2、设计用于一模多件封装壳体成形的成形模具，如图2所示。模具结构图如图1所示。成形时半固态SiCp/A359坯料首先用制坯模迅速放入凹模(也就是图1中的下模8)型腔中，再使上模7和下模8闭合，实现坯料的预压变形。在此过程中处于扁平形状的合模腔使圆形坯料压扁(预压变形)，从而使坯料产生一定程度的液固相分离。由于SiC颗粒分布在坯料的液相中，因此SiC颗粒会随着液相先流动到预压变形坯料的边部，实现SiC颗粒第一次聚集。然后通过上挤压杆3或下挤压杆10将预压变形的扁平坯料进一步挤压，使流动到坯料边部的高SiC体积分数坯料部分率先充填到两边封装壳体成型腔(2×2，共四个)，实现SiC颗粒第二次聚集，从而得到高SiC体积分数的封装壳体结构件，并一模成形四件。本技术极大地提高了封装壳体成形效率，可实现规模化生产，并得到了高SiC体积分数的复合材料封装壳体结构件。

3、触变成形工艺参数如下：成形速度控制在90mm/s-150mm/s，模具预热温度设为250℃-280℃，成形压力设为600KN-800KN，保压时间设为10-20秒。

本发明锻挤模具由上模7、下模8、上挤压杆3和下挤压杆10组成，上、下模用导柱9、导套6方式导向；上模通过垫板4、限位螺钉2和弹簧5实现可动连接；下模固定在下模架11上；上挤压杆3通过垫板4固定在上模架1上，下挤压杆10与压力机顶出缸相连。

当SiC/A359铝合金半固态坯料放入下模中后，使上模架1带动上模7和上挤压杆3向下运动，上模先触变成形坯料(预压变形)，上模、下模合模后，上模架1继续向下运动，带动上挤压杆3挤压坯料，然后在压力机的顶出缸作用下挤压杆10向上运动挤压坯料；挤压行程结束后保压一定时间；待零件尺寸稳定后上模部分向上运动实现开模；然后由下挤压杆将零件从下模上顶出。在模具作用下，半固态坯料先填满中间模腔，也就是预压变形，使SiC颗粒向两边第一次聚集。然后向两侧封装壳体成型腔流动，进行SiC颗粒第二次聚集，实现高SiC颗粒体积分数封装壳体结构件一模四件锻挤成形。

本发明的优点：采用一次成形多件的方式，大大地提高了半固态模锻成形的效率。克服了用传统的粉末注射法加工该类零件时存在的加工路线长、生产成本高、成形件气密性差等问题。此外，由于本技术属于模锻成形，因此，可一次成形形状非常复杂的高精密结构件，且成形件致密性高，力学性能好，便于规模化生产。

附图说明

图1为本发明的半固态锻挤成形一模四件模具的结构示意图。其中，上模架1、限位螺钉2、上挤压杆3、垫板4、弹簧5、导套6、上模7、下模8、导柱9、下挤压杆10、下模架11。

图2为本发明的下模示意图。

具体实施方式

图1为本发明的一种实施方式。本发明模具包括上模、下模、上挤压杆和下挤压杆组成，上、下模在用导柱9、导套6方式导向；上模通过垫板4、限位螺钉2和弹簧5实现可动连接；下模固定在下模架11上；上挤压杆3通过垫板4固定在上模架1上，下挤压杆10与压力机顶出缸相连。

Claims

1.一种一模多件高SiC体积分数结构件成形方法，其特征是用SiC颗粒增强A359铝合金复合材料通过半固态触变成形得到高SiC体积分数的封装壳体结构件；具体工艺内容如下：

1)、对SiC颗粒进行预处理，将其加热到600℃并保温3h，以增加SiC颗粒在铝合金溶液中分布的均匀性；将A359铝合金加热至熔化，然后调整合金液温度至595℃，将体积分数为20-24％的经预处理后的SiC颗粒压入液面，同时开始搅拌，搅拌时间为8-12min，搅拌速度为50-80r/min；均匀搅拌静置3-5min后，将金属液浇铸到预热后的制坯模中，冷却后得到SiCp/A359复合材料棒状坯料；SiC颗粒平均直径为8-10μm；

2)、设计用于一模多件封装壳体成形的成形模具，成形时半固态SiCp/A359坯料首先用制坯模迅速放入凹模型腔中，再使上模和下模闭合，实现坯料的预压变形；在此过程中处于扁平形状的合模腔使圆形坯料压扁，从而使坯料产生一定程度的液固相分离；由于SiC颗粒分布在坯料的液相中，因此SiC颗粒会随着液相先流动到预压变形坯料的边部，实现SiC颗粒第一次聚；然后通过上挤压杆或下挤压杆将预压变形的扁平坯料进一步挤压，使流动到坯料边部的高SiC体积分数坯料部分率先充填到两边封装壳体成型腔，实现SiC颗粒第二次聚集，从而得到高SiC体积分数的封装壳体结构件，并一模成形四件；

3)、触变成形工艺参数如下：成形速度控制在90mm/s-150mm/s，模具预热温度设为250℃-280℃，成形压力设为600KN-800KN，保压时间设为10-20秒。

2.如权利要求1所述一种一模多件高SiC体积分数结构件成形方法，其特征是-模多件封装壳体成形的成形模具由上模(7)、下模(8)、上挤压杆(3)和下挤压杆(10)组成，上、下模用导柱(9)、导套(6)方式导向；上模通过垫板(4)、限位螺钉(2)和弹簧(5)实现可动连接；下模固定在下模架(11)上；上挤压杆(3)通过垫板(4)固定在上模架(1)上，下挤压杆(10)与压力机顶出缸相连。