CN102423798A

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

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Publication number: CN102423798A
Application number: CN2011103805899A
Authority: CN
Inventors: 李润霞; 荀诗文; 焦文祝; 刘兰吉; 方虹泽; 曲迎东; 白彦华; 李荣德
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Foshan Gaoming gold Yi Machinery Co.,Ltd.; Guangzhou Zhirongjie Intellectual Property Service Co ltd
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: CN102423798B

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

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

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A1-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A1-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

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。

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％，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。

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10s～60s。

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 ≤％，镨 ≤％，铌 ≤％，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。

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。

所述加热棒为电阻丝。

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。

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。

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匀且控温准确，否则可能因坯锭组织不均匀而导致其相关的性能下降，达不到要求。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

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。

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0～0.28％，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690℃～780℃，模具温度为200℃～300℃，挤压速度0.1mm/s～12mm/s，比压为70MPa～1500Mpa，保压时间为10s～60s。

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。

以下仅以Al-17.5Si二元合金挤压铸造成型工艺说明问题。

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 2011103805899100002DEST_PATH_IMAGE001

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℃，并在模具上涂有涂料。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0.1mm/s，比压为70Mpa，保压时间为10s。

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℃，并在模具上涂有涂料。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。

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℃，并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为750℃，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≤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10mm/s，比压为1000Mpa，保压时间为30s。

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℃，并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为730℃，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 ≤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1mm/s，比压为500Mpa，保压时间为50s。

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℃，并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为720℃，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≤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。

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℃，并在模具上涂有涂料。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％，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0.1mm/s，比压为70Mpa，保压时间为10s。

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℃，并在模具上涂有涂料。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％，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。

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280℃，并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为720℃，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≤0.02％，铌≤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。

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℃，并在模具上涂有涂料。金属液的浇注温度为730℃，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≤0.4％，铈≤0.28％，镧≤0.12％，镨≤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1mm/s，比压为500Mpa，保压时间为50s。

Claims

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。

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℃，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690～780℃。

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0.1mm/s～12mm/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10s～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 ≤0.4％，铈 ≤0.28％，镧 ≤％，镨 ≤％，铌 ≤％，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。

7.一种如权利要求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。