CN102423798A - 一种过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法及其模具 - Google Patents

一种过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法及其模具 Download PDF

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Abstract

一种过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,按照以下步骤进行: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,将坯锭取出。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。

Description

一种过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法及其模具
技术领域
[0001] 本发明涉及挤压铸造成型方法及其模具,具体指一种关于过共晶Al-Si合金,采用挤压铸造成型的方法及制备过程中应用到的模具。
背景技术
[0002] 挤压铸造是一种结合铸造和锻造特点于一体的工艺,其特点是材料利用率高, 铸件内部气孔和缩孔等缺陷显著减少,晶粒细化和组织致密等。Al-Si系铸造合金因其Si 含量比较高,提高了合金的铸造性能且收缩率和线膨胀倾向小,同时具有耐磨性和良好的机械加工性能,在国内外得到广泛应用。过共晶高硅铝合金具有良好的耐磨性好、耐蚀性好、热裂倾向小、体积稳定性高和低热膨胀系数等特点,是一种理想的新型汽车、摩托车等活塞用合金。在这种材料中随着含硅量的增加组织中出现大量的初晶硅,特别是呈现粗大针片状的初晶硅,严重割裂合金基体,并且硅相尖端和棱角部位会引起应力集中,从而明显降低了合金的力学性能,尤其是影响其塑性。过共晶高硅铝合金铸件的力学性能在很大程度上取决于Si相在基体中的形貌和分布,因此,改善共晶硅和初生硅的形貌和分布,不但可以提高合金的力学性能,而且还可以进一步提高合金的耐磨性。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。而在压力下凝固不但可以使合金组织细化,而且使Al-Si合金的共晶点右移,减少粗大初生硅相数量。因此,采用挤压铸造成型的方式,可以使得过共晶 Al-Si合金中硅相细化,合金的力学性能大幅度提高,同时生产工艺简单、便于操作。
发明内容
[0003] 本发明提供一种制备高强韧过共晶Al-Si合金铸件的方法及模具,其目的是:提高过共晶Al-Si合金铸件致密度、力学性能和生产率。
[0004] 为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
1. 一种过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,其特征在于:所述方法按照以下步骤进
行:
(1)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%,猛 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,将坯锭取出。
[0005] 在步骤(1)中,金属液注入模具之前,模具需要加热至200〜300°C,并在模具上涂有涂料。
[0006] 在步骤(1)中,金属液注入模具时,金属液的浇注温度为690〜780°C。
[0007] 在步骤(1)中,挤压头的下降速度为0. lmm/s〜12mm/s,比压为70MPa〜1500Mpa。[0008] 在步骤(1)中,保压时间为IOs〜60s。
[0009] 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%,猛0.3〜0.7%,锆彡0.4%,铺彡0.28%,镧,镨
,铌,铬0. 5〜1. 0%,钼0. 3〜0. 7%,磷0. 07〜0. 15%,杂质总和彡0. 5%,余
量为铝。
[0010] 一种过共晶Al-Si合金的挤压铸造成型方法中的模具,其特征在于:所述模具包括与坩埚相连的导流槽固定于盖板上,而盖板和加热箱通过栓杆固定于挤压机底座,加热箱中设置有加热棒;在盖板上开有与挤压机的挤压头相匹配的通孔,加热箱中部与通孔对应的位置开有金属坯锭型腔,金属型腔是一环形套筒,同时金属型腔底部设有阻流块;用于将金属坯锭顶出的顶杆设置在阻流块底部。
[0011] 所述加热棒为电阻丝。
[0012] 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。
[0013] 附图说明:
图1为挤压铸造金属坯锭模具结构示意图; 图2为金属型重力铸造过共晶Al-17. 5Si合金相组织; 图3为金属型挤压铸造过共晶Al-17. 5Si合金相组织; 图4为本发明的工艺成形过程示意图。
[0014] 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.加热箱、6.阻流块、7.栓杆、8.顶杆、9.加热棒。
[0015] 具体实施方式:
本发明采用金属型模具和挤压铸造方法来改进成型技术,其中制备过共晶Al-Si合金产品的设备包括挤压机及金属坯锭模具和热处理加热炉,其中挤压金属坯锭模具外围是电阻丝,利用电阻丝对模具加热并设有热电偶控制模具温度,模具上方是挤压头可以快速下降达到需要挤压的位置,模具底部是阻流块,阻碍金属液流出,模具下方是顶出机构。对于挤压机的要求是可以准确控制挤压力,并保证挤压时的速度。热处理加热炉加热时温度一定要均勻且控温准确,否则可能因坯锭组织不均勻而导致其相关的性能下降,达不到要求。
[0016] 下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0017] 图1为挤压铸造金属坯锭模具结构示意图,如图所示,与坩埚相连的导流槽2固定于盖板3上,而盖板3和加热箱5通过栓杆7固定于挤压机底座,加热箱5中设置有加热棒 9,加热棒9采用电阻丝,以保证金属型腔的温度恒定;在盖板3上开有与挤压机的挤压头1 相匹配的通孔,加热箱5中部与通孔对应的位置开有金属坯锭型腔4,金属坯锭型腔4是一环形套筒,同时金属坯锭型腔4底部设有阻流块6,阻挡金属液流出;当金属液注入金属坯锭型腔4中,挤压头1迅速下压,并在一定压力下保压一定时间,之后升起挤压头1,由顶杆 8作用在阻流块6上,将金属坯锭顶出。
[0018] 在铸造时,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, 注入之前模具需要用加热箱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. 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%,杂质总和彡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690°C〜780°C,模具温度为200°C〜 300°C,挤压速度0. lmm/s〜12mm/s,比压为70MPa〜1500Mpa,保压时间为IOs〜60s。
[0019] 取下已成形的金属坯锭,除去飞边和外围氧化皮及杂质,本发明的整体工艺流程见图4所示。在这一过程中,由于压力的作用,使得凝固平衡态被破坏,压力下凝固的合金固溶度得到了扩展,压力凝固组织也是非平衡的亚稳相,其固溶度的增加类似于快速凝固。 一方面,在压力下金属液凝固温度上升,其结果就是在合金元素还没能来得及形核及长大时,基体已经开始形核并长大,这样就使得合金元素被迫分割在基体枝晶之间的间隙中,形成共晶组织。另一方面,也有很多合金元素溶解在基体之中,使得固溶度上升,这一点可以由由扩散系数和熔体粘度关系来解释,以至于挤压出来的坯锭具有很好的塑性。
[0020] 以下仅以Al-17. 5Si 二元合金挤压铸造成型工艺说明问题。
[0021] 如图2、3分别为重力铸造与挤压铸造组织对比,明显可见,图2的重力铸造合金组织,其主要组织是初生Si相和共晶Si相组织以及Al基体。初生Si相呈粗大块状,形状不规则且棱角鲜明,对Al基体产生了严重的割裂,严重降低合金的力学性能,特别是塑性。共晶Si相呈针片或板条状,杂乱无章分布在Al基体中,在受力状况下很容易产生应力集中, 导致裂纹源生成,降低合金性能。而同样成分合金,在压力下凝固的组织是由初生α-Al枝晶组织和共晶Si相,初生Si相几乎找不到。图3中可见,初生α -Al枝晶组织十分发达, 且很密集,有利于合金性能的提高,共晶Si相由原来针片或板条状变为非常细层片状,从而降低了对其基体的割裂作用,减小了基体中可能产生的应力集中,因而使合金的机械性能得到较大程度的改善,尤其是塑性有很大幅度提高,见表1。
Figure CN102423798AD00051
[0022] 表 1
下面是本发明的具体实施例: 实施例1 :
过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,包括以下步骤:
将金属液注入模具中,金属液注入模具之前,模具需要加热至200°C,并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为690°C,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%,杂质总和彡 0. 5%,余量为铝;然后将挤压头迅速下降,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,将坯锭取出;挤压头的下降速度为0. lmm/s,比压为70Mpa,保压时间为10s。
[0023] 实施例2 :
过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,包括以下步骤:
将金属液注入模具中,金属液注入模具之前,模具需要加热至300°C,并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为780°C,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%,锆彡 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,将坯锭取出;挤压头的下降速度为12mm/s,比压为1500Mpa,保压时间为 60s。
[0024] 实施例3 :
过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,包括以下步骤:
将金属液注入模具中,金属液注入模具之前,模具需要加热至250°C,并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为750°C,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 0.6%,锰 0.5%,铈彡 0.¾%,铬 0.8%,钼 0.6%,磷 0. 1%,杂质总和 <0.5%,余量为铝;然后将挤压头迅速下降,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,将坯锭取出;挤压头的下降速度为lOmm/s,比压为lOOOMpa,保压时间为 30s。
[0025] 实施例4 :
过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,包括以下步骤:
将金属液注入模具中,金属液注入模具之前,模具需要加热至300°C,并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为730°C,金属液成分按重量百分比为:硅17. 5%,铜1. 8%,镁 0.6%,镍 0.6%,铁 0.8%,锰 0.4%,镧彡 0. 12%,铬 0.6%,钼 0. 5%,磷 0. 13%,杂质总和<0.5%,余量为铝;然后将挤压头迅速下降,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,将坯锭取出;挤压头的下降速度为lmm/s,比压为500Mpa,保压时间为 50s。
[0026] 实施例5 :
过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,包括以下步骤:
将金属液注入模具中,金属液注入模具之前,模具需要加热至280°C,并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为720°C,金属液成分按重量百分比为:硅18. 5%,铜1. 3%,镁 0. 4%,镍0. 7%,铁0. 9%,锰0. 6%,镨彡 0. 02%,铬 0. 9%,钼 0. 4%,磷0. 09%,杂质总和 <0.5%,余量为铝;然后将挤压头迅速下降,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,将坯锭取出;挤压头的下降速度为0. 8mm/s,比压为800Mpa,保压时间为 45s。
[0027] 实施例6 :
过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,包括以下步骤:
将金属液注入模具中,金属液注入模具之前,模具需要加热至200°C,并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为690°C,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%,铌彡 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,将坯锭取出;挤压头的下降速度为0. lmm/s,比压为70Mpa,保压时间为 10s。
[0028] 实施例7 :
过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,包括以下步骤:将金属液注入模具中,金属液注入模具之前,模具需要加热至300°C,并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为780°C,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%,锆彡 0.4%,铈彡 0. 28%,镧;^ 0. 12%,铬 1.0%, 钼.0. 7%,磷0. 15%,杂质总和< 0. 5%,余量为铝;然后将挤压头迅速下降,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,将坯锭取出;挤压头的下降速度为12mm/ s,比压为1500Mpa,保压时间为60s。
[0029] 实施例9 :
过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,包括以下步骤:
将金属液注入模具中,金属液注入模具之前,模具需要加热至^0°C,并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为720°C,金属液成分按重量百分比为:硅18. 5%,铜1. 3%, 镁 0.4%,镍 0.7%,铁 0.9%,锰 0.6%,镨彡 0.02%,铌彡 0. 08%,铬 0. 9%,钼 0.4%,磷 0. 09%,杂质总和< 0.5%,余量为铝;然后将挤压头迅速下降,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,将坯锭取出;挤压头的下降速度为0. 8mm/s,比压为 800Mpa,保压时间为45s。
[0030] 实施例10 :
过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,包括以下步骤:
将金属液注入模具中,金属液注入模具之前,模具需要加热至300°C,并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为730°C,金属液成分按重量百分比为:硅17. 5%,铜1. 8%,镁 0. 6%,镍0. 6%,铁0. 8%,锰0. 4%,锆彡 0. 4%,铈彡 0. 28%,镧彡0· 12%,镨彡0· 02%,铌 <0.08%,铬0.6%,钼0. 5%,磷0. 13%,杂质总和<0.5%,余量为铝;然后将挤压头迅速下降,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,将坯锭取出;挤压头的下降速度为lmm/s,比压为500Mpa,保压时间为50s。

Claims (8)

1. 一种过共晶Al-Si合金挤压铸造成型方法,其特征在于:所述方法按照以下步骤进行: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%,猛 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,将坯锭取出。
2.根据权利要求1所述过共晶Al-Si合金的挤压铸造成型方法,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°C,并在模具上涂有涂料。
3.根据权利要求1所述过共晶Al-Si合金的挤压铸造成型方法,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690〜780V。
4.根据权利要求1所述过共晶Al-Si合金的挤压铸造成型方法,其特征在于:在步骤 (1)中,挤压头的下降速度为0. 1謹/s〜12謹/s,比压为70MPa〜1500Mpa。
5.根据权利要求1所述过共晶Al-Si合金的挤压铸造成型方法,其特征在于:在步骤 (1)中,保压时间为IOs〜60s。
6.根据权利要求1所述过共晶Al-Si合金的挤压铸造成型方法,其特征在于: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%,锆彡0.4%,铈彡0.,镧,镨,铌彡%, 铬0. 5〜1. 0%,钼0. 3〜0. 7%,磷0. 07〜0. 15%,杂质总和彡0. 5%,余量为铝。
7. —种如权利要求1-6中任一项所述过共晶Al-Si合金的挤压铸造成型方法中的模具,其特征在于:所述模具包括与坩埚相连的导流槽(2)固定于盖板(3)上,而盖板(3)和加热箱(5)通过栓杆(7)固定于挤压机底座,加热箱(5)中设置有加热棒(9);在盖板(3)上开有与挤压机的挤压头(1)相匹配的通孔,加热箱(5)中部与通孔对应的位置开有金属坯锭型腔(4),金属型腔(4)是一环形套筒,同时金属型腔(4)底部设有阻流块(6);用于将金属坯锭顶出的顶杆(8 )设置在阻流块(6 )底部。
8.根据权利要求7所述过共晶Al-Si合金的挤压铸造成型方法中的模具,其特征在于: 所述加热棒(9)为电阻丝。
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