CN102397905B - 一种过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，包括：利用挤压铸造制备塑性良好的挤压坯锭，然后将坯锭二次加热并保温，将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中，从而获得高性能的过共晶Al-Si合金型材。通过本发明所述技术方案的实施，操作方法简单，便于控制，产品质量高，可以提高高硅过共晶Al-Si合金产品的合格率和生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及金属型热挤压成型方法，具体指一种关于过共晶Al-Si合金挤压坯锭的制备及热挤压成型的方法。
背景技术
由于过共晶Al-Si合金的Si元素含量更高，与亚共晶、共晶Al-Si合金相比，过共晶Al-Si合金具有耐磨性好、耐蚀性好、热裂倾向小、体积稳定性高等特点，这正顺应了目前内燃机向高功率、高转速发展的趋势，即将成为传统共晶Al-Si材料发动机活塞类零件的更新换代材料。但是该材料有几个问题影响其实际应用：一是过共晶Al-Si合金的初生硅呈板条状生长，在循环应力条件下，板头上的应力集中引起合金力学性能的下降(抗拉强度和疲劳强度)；二是初生硅相硬度很高，使得该合金的机械加工性能较差；三是硅相颗粒偏聚明显，造成材料性能的不均匀，严重影响使用性能，硅含量超过18%后就难以铸出合格的铸件。为进一步挖掘该材料的性能潜力从而扩展材料的使用范围，有必要开展过共晶A1-Si合金成型相关技术的研究，而该研究的核心问题之一是铝硅合金中初晶硅和共晶硅的变质细化。目前采用的细化硅相的方法有多种，如变质处理、悬浮铸造法、喷射沉积法、超声波振动法、快速凝固法等，这些方法虽取得了一定的效果，由于受到生产规模限制以及工艺条件要求过于苛刻，因而在生产上都受到了一定的限制。而采用挤压变形的方式可以使得过共晶A1-Si合金中的条状或片状共晶硅相和初生硅相发生大幅度破碎变形，从而达到细化硅相得目的。
尽管现在人们已成功地制备出了多种规格型号的铝合金挤压成型产品，包括不同型号的板、管、棒、型材等。铝合金热挤压后力学性能显著提高，特别是塑性，但生产上使用的还是一些易变形的铝合金，如纯铝、铝镁硅系合金，能够实现对过共晶Al-Si合金进行挤压变形的工艺方法还不多，本研究通过挤压铸造成型方法制备高塑性过共晶Al-Si合金挤压用坯锭，并利用热挤压工艺成型，从而得到高性能的过共晶Al-Si合金型材。
发明内容
本发明提供一种制备高性能过共晶Al-Si合金型材的方法，其目的是：提高过共晶Al-Si合金工件的致密度、力学性能和生产率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）制备坯锭：模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液成分按重量百分比为：硅17.0～19.0％，铜1.0～2.0％，镁0.3～0.7％，镍0.5～1.0％，铁0.5～1.0％，锰0.3～0.7％，铬0.5～1.0％，钼0.3～0.7％，磷0.07～0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝；然后将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，经过保压后，利用顶出装置将坯锭顶出；然后将坯锭加热并保温；
（2）热挤压：将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中。
在步骤（1）中，金属液注入模具之前，模具需要加热至200～300℃，并在模具上涂有涂料。
在步骤（1）中，金属液注入模具时，金属液的浇注温度为690～780℃。
在步骤（1）中，挤压头的下降速度为0.1mm/s～12mm/s，比压为70MPa～1500Mpa。
在步骤（1）中，保压时间为25s～60s。
在步骤（1）中，坯锭加热温度为450℃～500℃，保温时间为0.5h～4h。
在步骤（1）中，金属液成分按重量百分比为：硅 17.0～19.0％，铜1.0～2.0％，镁0.3～0.7％，镍0.5～1.0％，铁0.5～1.0％，锰0.3～0.7％，锆≤0.4％，铈≤0.28％，镧≤0.12％，镨≤0.02％，铌≤0.08％，铬0.5～1.0％，钼0.3～0.7％，磷0.07～0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。
在步骤（2）中挤压速度为0.1mm/s～12mm/s，挤压比为20 MPa～120Mpa，送料膛温度为350℃～450℃。
在步骤（2）中挤压采用的润滑剂为进口矿物油。
在步骤（2）中，模具温度为380℃～450℃。
通过本发明所述技术方案的实施，方法操作简单，便于控制，产品质量高，可以提高高硅过共晶Al-Si合金产品的合格率和生产效率。
附图说明：
图1为挤压铸造金属坯锭的模具结构示意图；
图2为热挤压结构示意图；
图3为过共晶Al-Si合金挤压铸造坯料显微组织；
图4为过共晶Al-Si合金热挤压棒材显微组织；
图5为本发明的工艺成形过程示意图；
附图标记说明：
1.挤压头、2.导流槽、3.盖板、4.金属坯锭型腔、5.加热棒、6.阻流块、7.栓杆、8.顶杆、9.挤压机、10.送料膛、11.加热炉丝、12.模具型腔。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明采用金属型模具和热挤压方法来改进成型技术，其中用于热挤压的坯锭是通过挤压铸造制备的，如图1所示，模具顶端设有与坩埚相连的导流槽2，通过倾倒装置将金属液通过导流槽2注入模具的金属坯锭型腔4中，在金属坯锭型腔4底部设置有阻流块6。注入之前模具需要用内置的加热棒5加热并涂有涂料。金属液成分按重量百分比为：硅17.0～19.0％，铜1.0～2.0％，镁0.3～0.7％，镍0.5～1.0％，铁0.5～1.0％，锰0.3～0.7％，锆0～0.4％，铈0～0.28％，镧0～0.12％，镨0～0.02％，铌0～0.08％，铬0.5～1.0％，钼0.3～0.7％，磷0.07～0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。然后挤压头1迅速下压，到达盖板3处，确保金属液是在液态情况下一次性受到设定的压力。在此过程中可以凭借挤压力使得金属坯锭强行补缩并凝固，保压一段时间，升起挤压头1，利用顶杆8缓慢将坯锭顶出。相关工艺参数：液态金属的浇注温度为780℃，模具温度为300℃，挤压速度1mm/s，比压为600MPa，保压时间为45s，坯锭直径Φ130mm，高度80mm。
取下已成形的金属坯锭，除去飞边和外围氧化皮及杂质，送入加热炉将其加热到一定温度，并保温一定时间，可使得其组织在设定温度下达到稳定，此时金属塑性良好，变形抗力低，使得随后的挤压热挤压力大幅度降低，也使模具的单位载荷减小。相关工艺参数：坯料加热温度480℃，保温时间1h。
如图2所示，将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的的模具中，利用挤压机9将其挤压到送料膛10中，送料膛10事先须经加热炉丝11加热，最后利用挤压机9将坯锭挤压到最终模具型腔中12。在此过程中，由于挤压作用使得坯料组织发生大幅度破碎变形，并且晶粒方向趋于一致，并且晶粒方向趋于一致，形成织构组织：脆性的硅相沿着主变形方向呈链状分布，而塑性较好的Al基体沿主变形方向连续分布。这些呈方向性的链状分布和连续分布的组织，其分布在晶粒再结晶后也不会改变，使变形后的金属组织具有一定的方向性，形成金属流线或纤维状组织，金属性能就会出现各向异性，进而同时使得强度和塑性提高，并且使得坯锭直接挤压得到型材。相关工艺参数：挤压坯锭的直径Φ128mm，坯锭的高度80mm，挤压比120MPa，模具温度450℃，送料膛温度为450℃，挤压采用的润滑剂为进口矿物油，挤压速度5mm/s。本发明的整体工艺成形过程示意图如图5所示。
以下仅以Al-17.5Si二元合金热挤压成型工艺说明问题。
由图3可见，在挤压铸造过共晶Al-17.5Si合金坯锭中初生α-Al枝晶的数量较多，而且变得十分细小发达，枝晶间距较小；初生Si相数量很少，而且呈现近圆形，尺寸也较小，分布均匀；共晶Si相的形貌呈现细小珊瑚状。
在热挤压之前，坯锭需要进行二次加热，其目的是：提高金属塑性、降低变形抗力、使金属易于流动，消除铸造时产生的应力集中。热挤压过程中，由于应力的挤压和剪切作用，合金组织发生巨大变化，由图4可见，初生α-Al枝晶发生明显变化，原来发达的枝晶发生已经不存在。合金组织中的共晶硅相被破碎变形，沿挤压方向成链状分布，尺寸减小，热挤压后合金组织中的第二相颗粒破碎变形，晶粒细化，在合金组织中分布较铸态均匀，有利于合金塑性的提高。细小珊瑚状的共晶硅相进一步发生了破碎细化，尺寸更加细小，共晶硅相平均尺寸2～4μm，依附在初生α-Al相枝晶中一起移动。热挤压变形后合金组织晶粒细化，晶界强化作用增强，应力集中减小，变形协调性好，断裂前可以承受较大的塑性变形。热挤压加工后，合金组织中的气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷在铝基体塑性变形过程中被焊合。因此，合金的力学性能有很大幅度提升，见表1。
表1
下面是本发明的具体实施例：
实施例1：
过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，包括以下步骤：
（1）制备挤压坯锭：模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液注入模具之前，模具需要加热至200℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为690℃。金属液成分按重量百分比为：硅17.0％，铜1.0％，镁0.3％，镍0.5％，铁0.5％，锰0.3％，铬0.5％，钼0.3％，磷0.07％，杂质总和≤0.5％，余量为铝；然后将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头的下降速度为0.1mm/s，比压为70MPa。然后进行保压，保压时间为25s。经过保压后，利用顶出装置将坯锭顶出；然后将坯锭加热并保温，坯锭加热温度为450℃，保温时间为0.5h。
（2）热挤压工艺：然后将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中，挤压速度为0.1mm/s，挤压比为20 MPa，挤压采用的润滑剂为进口矿物油，送料膛温度为350℃，模具型腔温度为380℃。
实施例2：
过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，包括以下步骤：
（1）制备挤压坯锭：模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液注入模具之前，模具需要加热至300℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为780℃。金属液成分按重量百分比为：硅 19.0％，铜2.0％，镁0.7％，镍1.0％，铁1.0％，锰0.7％，锆0.4％，铬1.0％，钼0.7％，磷0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。然后将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头的下降速度为12 mm/s，比压为1500MPa。然后进行保压，保压时间为60s。经过保压后，利用顶出装置将坯锭顶出；然后将坯锭加热并保温，坯锭加热温度为500℃，保温时间为4h。
（2）热挤压工艺：然后将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中，挤压速度为12mm/s，挤压比为120 MPa，挤压采用的润滑剂为进口矿物油，送料膛温度为450℃，模具型腔温度为450℃。
实施例3：
过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，包括以下步骤：
（1）制备挤压坯锭：模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液注入模具之前，模具需要加热至250℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为730℃。金属液成分按重量百分比为：硅 18.0％，铜1.5％，镁0.5％，镍0.8％，铁0.7％，锰0.5％，铈0.28％，铬0.8％，钼0.6％，磷0.1％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。然后将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头的下降速度为5 mm/s，比压为800MPa。然后进行保压，保压时间为40s。经过保压后，利用顶出装置将坯锭顶出；然后将坯锭加热并保温，坯锭加热温度为480℃，保温时间为2h。
（2）热挤压工艺：然后将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中，挤压速度为6mm/s，挤压比为80MPa，挤压采用的润滑剂为进口矿物油，送料膛温度为400℃，模具型腔温度为420℃。
实施例4：
过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，包括以下步骤：
（1）制备挤压坯锭：模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液注入模具之前，模具需要加热至280℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为700℃。金属液成分按重量百分比为：硅 17.5％，铜1.3％，镁0.6％，镍0.7％，铁0.9％，锰0.6％，镧0.12％，铬0.7％，钼0.5％，磷0.12％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。然后将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头的下降速度为10mm/s，比压为1000MPa。然后进行保压，保压时间为30s。经过保压后，利用顶出装置将坯锭顶出；然后将坯锭加热并保温，坯锭加热温度为490℃，保温时间为3h。
（2）热挤压工艺：然后将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中，挤压速度为10mm/s，挤压比为100MPa，挤压采用的润滑剂为进口矿物油，送料膛温度为450℃，模具型腔温度为450℃。
实施例5：
过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，包括以下步骤：
（1）制备挤压坯锭：模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液注入模具之前，模具需要加热至300℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为730℃。金属液成分按重量百分比为：硅 18.5％，铜1.8％，镁0.4％，镍0.6％，铁0.8％，锰0.4％，镨 0.02％，铬0.9％，钼0.4％，磷0.08％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。然后将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头的下降速度为1mm/s，比压为100MPa。然后进行保压，保压时间为45s。经过保压后，利用顶出装置将坯锭顶出；然后将坯锭加热并保温，坯锭加热温度为460℃，保温时间为1h。
（2）热挤压工艺：然后将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中，挤压速度为1mm/s，挤压比为50MPa，挤压采用的润滑剂为进口矿物油，送料膛温度为450℃，模具型腔温度为380℃。
实施例6：
过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，包括以下步骤：
（1）制备挤压坯锭：模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液注入模具之前，模具需要加热至250℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为780℃。金属液成分按重量百分比为：硅 19％，铜1.0％，镁0.4％，镍0.8％，铁0.5％，锰0.7％，铌 0.08％，铬1.0％，钼0.5％，磷0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。然后将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头的下降速度为12mm/s，比压为500MPa。然后进行保压，保压时间为50s。经过保压后，利用顶出装置将坯锭顶出；然后将坯锭加热并保温，坯锭加热温度为500℃，保温时间为3.5h。
（2）热挤压工艺：然后将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中，挤压速度为5mm/s，挤压比为30MPa，挤压采用的润滑剂为进口矿物油，送料膛温度为350℃，模具型腔温度为450℃。
实施例7：
过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，包括以下步骤：
（1）制备挤压坯锭：模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液注入模具之前，模具需要加热至200℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为690℃。金属液成分按重量百分比为：硅17.0％，铜1.0％，镁0.3％，镍0.5％，铁0.5％，锰0.3％，锆 0.4％，铈 0.28％，镧 0.12％，镨 0.02％，铌 0.08％，铬0.5％，钼0.3％，磷0.07％，杂质总和≤0.5％，余量为铝；然后将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头的下降速度为0.1mm/s，比压为70MPa。然后进行保压，保压时间为25s。经过保压后，利用顶出装置将坯锭顶出；然后将坯锭加热并保温，坯锭加热温度为450℃，保温时间为0.5h。
（2）热挤压工艺：然后将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中，挤压速度为0.1mm/s，挤压比为20 MPa，挤压采用的润滑剂为进口矿物油，送料膛温度为350℃，模具型腔温度为380℃。
实施例8：
过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，包括以下步骤：
（1）制备挤压坯锭：模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液注入模具之前，模具需要加热至300℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为780℃。金属液成分按重量百分比为：硅 19.0％，铜2.0％，镁0.7％，镍1.0％，铁1.0％，锰0.7％，锆 0.4％，铈 0.28％，镧 0.12％，锆0.4％，铬1.0％，钼0.7％，磷0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。然后将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头的下降速度为12 mm/s，比压为1500MPa。然后进行保压，保压时间为60s。经过保压后，利用顶出装置将坯锭顶出；然后将坯锭加热并保温，坯锭加热温度为500℃，保温时间为4h。
（2）热挤压工艺：然后将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中，挤压速度为12mm/s，挤压比为120 MPa，挤压采用的润滑剂为进口矿物油，送料膛温度为450℃，模具型腔温度为450℃。
实施例9：
过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，包括以下步骤：
（1）制备挤压坯锭：模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液注入模具之前，模具需要加热至250℃，并在模具上涂有涂料；金属液注入模具时，金属液的浇注温度为730℃。金属液成分按重量百分比为：硅 18.0％，铜1.5％，镁0.5％，镍0.8％，铁0.7％，锰0.5％，镧 0.12％，镨 0.02％，铌 0.08％，铈0.28％，铬0.8％，钼0.6％，磷0.1％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。然后将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，挤压头的下降速度为5mm/s，比压为800MPa。然后进行保压，保压时间为40s。经过保压后，利用顶出装置将坯锭顶出；然后将坯锭加热并保温，坯锭加热温度为480℃，保温时间为2h。
（2）热挤压工艺：然后将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中，挤压速度为6mm/s，挤压比为80MPa，挤压采用的润滑剂为进口矿物油，送料膛温度为400℃，模具型腔温度为420℃。
Claims (1)
1.一种过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）制备挤压坯锭：模具顶端设置有与坩埚相连的导流槽，利用倾倒装置将金属液通过导流槽注入模具中，金属液成分按重量百分比为：硅17.0～19.0％，铜1.0～2.0％，镁0.3～0.7％，镍0.5～1.0％，铁0.5～1.0％，锰0.3～0.7％，锆≤0.4％，铈≤0.28％，镧≤0.12％，镨≤0.02％，铌≤0.08％，铬0.5～1.0％，钼0.3～0.7％，磷0.07～0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝；然后将挤压机的挤压头迅速下降，开始对金属液加压，使金属坯锭强行补缩并凝固，经过保压后，利用顶出装置将坯锭顶出；然后将坯锭加热并保温；
（2）热挤压工艺：将加热后的坯锭迅速转移到已经加热到一定温度的送料膛中，最后利用挤压机将坯锭挤压到模具型腔中；
在步骤（1）中，挤压头的下降速度为0.1mm/s～12mm/s，比压为70MPa～1500Mpa。
2.根据权利要求1所述过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，其特征在于：在步骤（1）中，金属液注入模具之前，模具需要加热至200～300℃，并在模具上涂有涂料。
3.根据权利要求1所述过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，其特征在于：在步骤（1）中，金属液注入模具时，金属液的浇注温度为690～780℃。
4.根据权利要求1所述过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，其特征在于：在步骤（1）中，保压时间为25s～60s。
5.根据权利要求1所述过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，其特征在于：在步骤（1）中，坯锭加热温度为450℃～500℃，保温时间为0.5h～4h。
6.根据权利要求1所述过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，其特征在于：在步骤（2）中挤压速度为0.1mm/s～12mm/s，挤压比为20 MPa～120Mpa，送料膛温度为350℃～450℃。
7.根据权利要求1所述过共晶Al-Si合金的热挤压成型方法，其特征在于：在步骤（2）中，模具型腔温度为380℃～450℃。
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