CN103143582B - 一种高导电率的铝合金板挤压成形装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高导电率的铝合金板挤压成形装置及工艺，成形装置为挤压模具，包括挤压杆、挤压筒、导流模以及成形模，所述导流模的挤压槽设计为倒锥形，所述成形模的挤压槽与成形件的形状保持一致；成形工艺包括铝合金坯料的制备、模具的预热和喷涂石墨以及铝合金板挤压成形。本发明的金属材料在成形过程中不是一次成形，而是经过预成形与终成形，减小了成形过程中的受力，增加了铝合金板中的形变织构，大幅度提高了制品的导电性能和导热能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种高导电率，特别是导电率大于57%IACS铝合金板的挤压成形工艺，属于挤压成形领域。
背景技术
随着我国国民经济的持续发展，环境与能源问题日益凸显，节能降耗成为当前我国经济发展的迫切需求与首要任务。轻量化是节能降耗，减轻环境污染的一个重要方面。在材料加工领域，作为轻量化典型代表的铝工业的发展符合降低能源消耗、改善环保、降低成本与提高经济效益的世界经济发展的趋势，因此铝材在航空、航天、电力电子等领域得到了广泛的应用。车用冰箱制造的关键材料是较高导电率的铝合金板材，该种材料应该具有大于57%IACS的电导率和较高的热导率，并具有一定的强度。长期以来，开发和研究汽车冰箱用高导电率高强度的铝合金板材制备、加工方法，并能够在产业化基础上加工制造已成为许多高新技术产业发展的迫切需要。
一方面，在工业纯铝(99.7%Al)中，通常总是含有少量的Fe、Si以及微量的Cr、V、Ti等元素，这些元素的存在(尤其是以固溶态存在的微量元素)都会增大铝的电阻，从而降低其导电率。研究发现，B元素是降低电阻率非常有效的元素。当铝合金中加入B元素之后，B与铝合金中的Ti、V等元素有很强的作用能力，可以生成高熔点、高密度的硼化物。部分硼化物在静置过程中可以通过下沉除去，这将减少Ti、V等元素的绝对含量，未能下沉去除的硼化物在铝合金凝固后以化合物的形式残留在铝基中。但无论硼化物去除与否都将降低Ti、V等元素的含量，也就增加了铝合金的导电性能(张强，郭锋，李志强，等.硼化处理对导电铝Ti、V含量以及性能影响的研究，锻造技术.2007,28(10):1338-1340)。
另一方面，目前对于导电率大于57%IACS铝合金板材的制备工艺研究还未见报导，如何找到一种适合于此类铝合金板的成形方法，已成为材料加工领域一项具有挑战性的工作。挤压成形由于其相对锻造与铸造成形具有独特的优点，在铝合金生产中被广泛采用：(1)金属在挤压变形区中处于强烈的三向压缩应力状态，可以充分利用其塑性获得最大的变形量；(2)金属材料在挤压过程中产生织构，沿着挤压方向具有优良的力学性能和物理性能；(3)挤压成形应用范围广，操作简单，工艺流程短。但由于导电率大于57%IACS铝合金板挤压成形不可避免地存在着制品组织性能不均匀，模具寿命短等缺点，严重制约着导电率大于57%IACS铝合金板材挤压成形的发展。
目前，对导电率大于57%IACS铝合金板的加工工艺还未见报道，在一定程度上限制了导电率大于57%IACS铝合金板的应用。在一般挤压过程中，模具结构设计不良容易导致板材扭拧、波浪、弯曲以及裂纹等缺陷问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种制备高导电率，特别是导电率大于57%IACS的铝合金板材的挤压成形装置及工艺方法。
本发明提供一种高导电率的铝合金板挤压成形装置，该装置为挤压模具，包括挤压杆、挤压筒、导流模以及成形模，所述导流模的挤压槽设计为倒锥形，所述成形模的挤压槽与成形件的形状保持一致。
本发明还提供一种高导电率的铝合金板挤压成形工艺，采用上述装置，所述工艺包括以下步骤：
(1) 导电率大于57%IACS铝合金坯料的制备导电率大于57%IACS铝合金基体采用6XXX系铝合金，该类铝合金以Mg和Si为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相，属于热处理可强化铝合金。将一定量的6XXX系铝合金放入坩埚中熔炼，待合金完全熔化后，加入Al-3%B合金并静置足够的时间来沉淀去除Ti，V等杂质元素。当铝液温度达到700℃-730℃时，对铝液进行精炼、细化以除去铝液中的气体(主要是氢气)。精炼完成后，向铝液中撒入覆盖剂，并静置一段时间，随后出炉浇铸在模具中，成形导电率大于57%IACS铝合金坯料。
(2) 铝合金挤压模具的预热和喷涂石墨：
本发明设计了导电率大于57%IACS铝合金的挤压模具，包括挤压杆、挤压筒、导流模(上模)、成形模(下模)四个主要部分。导流模的挤压槽设计为锥度角为10°-13°的倒锥形，目的是使铝合金坯料产生预变形，从而有效减小了成形阻力。成形模的挤压槽设计成最终成形件的形状，以保证成形件的尺寸精度。盛放在挤压筒内的坯料在挤压杆的推动作用下依次通过导流模与成形模，最终成形为所需板材。此外，本发明还建立了模具预热和温度控制系统，模具预热温度选择为400℃。模具需要适当的润滑，在模具温度预热到150℃-300℃之间时，在模具内表面喷涂上石墨，既可以防止模具表面划伤及粘模，并可以保证挤压得到的铝板的质量。
(3) 导电率大于57%IACS铝合金板挤压成形将步骤(1)制备好的坯料进行480℃的保温处理后，使用简易的输运工具放入经过预热的盛锭筒中，压力机推动挤压杆使坯料产生流动、变形。坯料首先通过导流模产生预变形，金属进行第一次分配，形成与板材相似的坯料，然后再进入成形模进行第二次变形，挤压出导电率大于57%IACS铝合金板。
本发明成形导电率大于57%IACS铝合金板挤压工艺采用导流模设计，其挤压槽倒锥形的设计便于控制金属流动，改善模具的受力条件，大大提高成品率和模具寿命。金属材料在成形过程中不是一次成形，而是经过预成形与终成形，减小了成形过程中的受力，增加了铝合金板中的形变织构，大幅度提高了制品的导电性能和导热能力。
附图说明
图1为具体实施例中成形的导电率大于57%IACS铝板；
图2 为具体实施例中导电率大于57%IACS铝合金挤压过程示意图；
图3为具体实施例中导电率大于57%IACS铝合金挤压模具的导流模与成形模三维图：a)导流模b)成形模。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
【实施例1】
使用6061/6063铝合金作为基体通过挤压成形工艺制备如图1所示的导电率大于57%IACS铝合金板材。
首先使用适合于熔炼铝硅合金的熔炼炉熔化6061/6063铝合金铸锭，使用夹钳将经过干燥处理的铝合金铸锭盛放入坩埚内，并将坩埚放入熔炼炉中。加热至690℃时放入含B量为3%的Al-B合金， 其中B元素含量为合金总含量的0.05%(质量百分数)。将Al-B合金压入铝液内。待铝液完全熔化后充分搅拌，使成分均匀。静置45分钟以保证杂质元素通过沉淀去除。当铝液温度达到710℃时，除去坩埚中的熔炼浮渣，并且加入Al-Ti-B合金(主要成分是AlTi5B1)作为细化剂，加入量为铝合金质量的0.1%-0.3%，进行细化处理。保温18min后，加入主要成分为CaO-Al2O3-Si02-C的覆盖剂， 加入量按铝液液面面积的0.8kg/m2计算。静置20min，扒渣，并出炉浇铸成铸坯。铸坯成形后，在电阻炉中预热至480℃，并保温静置12min。设计并加工一套挤压模具，挤压模具由挤压杆，盛锭筒（挤压筒），导流模与成形模组成。盛锭筒的大小设计成与导电率大于57%IACS铝合金坯料大小基本一致，以便于挤压。将模具预热至395℃，在模具温度预热到150℃-300℃之间时加入石墨粉作为润滑剂。将在电阻炉中的铝合金坯料迅速取出并装入到盛锭筒中。压力机以340mm/s的速度推动挤压杆挤压成形高导电率铝合金板。使用以上参数可以挤压成形得到导电率等于57.6%IACS铝合金板材。
【实施例2】
使用6061/6063铝合金作为基体通过挤压成形工艺制备如图1所示的导电率大于57%IACS铝合金板材。
首先使用适合于熔炼铝硅合金的熔炼炉熔化6061/6063铝合金铸锭，使用夹钳将经过干燥处理的铝合金铸锭盛放入坩埚内，并将坩埚放入熔炼炉中。加热至700℃时放入含B量为3%的Al-B合金， 其中B元素含量为合金总含量的0.06%(质量百分数)。将Al-B合金压入铝液内。待铝液完全熔化后充分搅拌，使成分均匀。静置60分钟以保证杂质元素通过沉淀去除。当铝液温度达到720℃时，除去坩埚中的熔炼浮渣，并且加入Al-Ti-B合金(主要成分是AlTi5B1)作为细化剂，加入量为铝合金质量的0.1%-0.3%，进行细化处理。保温20min后，加入主要成分为CaO-Al2O3-Si02-C的覆盖剂， 加入量按铝液液面面积的0.8kg/m2计算。静置20min，扒渣，并出炉浇铸成铸坯。铸坯成形后，在电阻炉中预热至480℃，并保温静置15min。设计并加工一套挤压模具，挤压模具由挤压杆，盛锭筒，导流模与成形模组成。盛锭筒的大小设计成与导电率大于57%IACS铝合金坯料大小基本一致，以便于挤压。将模具预热至400℃，在模具温度预热到150℃-300℃之间时加入石墨粉作为润滑剂。将在电阻炉中的铝合金坯料迅速取出并装入到盛锭筒中。压力机以350mm/s的速度推动挤压杆挤压成形高导电率铝合金板。使用以上参数可以挤压成形得到图1中的导电率等于58.2%IACS铝合金板材。
【实施例3】
使用6061/6063铝合金作为基体通过挤压成形工艺制备如图1所示的导电率大于57%IACS铝合金板材。
首先使用适合于熔炼铝硅合金的熔炼炉熔化6061/6063铝合金铸锭，使用夹钳将经过干燥处理的铝合金铸锭盛放入坩埚内，并将坩埚放入熔炼炉中。加热至720℃时放入含B量为3%的Al-B合金， 其中B元素含量为合金总含量的0.08%(质量百分数)。将Al-B合金压入铝液内。待铝液完全熔化后充分搅拌，使成分均匀。静置75分钟以保证杂质元素通过沉淀去除。当铝液温度达到730℃时，除去坩埚中的熔炼浮渣，并且加入Al-Ti-B合金(主要成分是AlTi5B1)作为细化剂，加入量为铝合金质量的0.1%-0.3%，进行细化处理。保温22min后，加入主要成分为CaO-Al2O3-Si02-C的覆盖剂， 加入量按铝液液面面积的0.8kg/m2计算。静置20min，扒渣，并出炉浇铸成铸坯。铸坯成形后，在电阻炉中预热至490℃，并保温静置18min。设计并加工一套挤压模具，挤压模具由挤压杆，盛锭筒，导流模与成形模组成。盛锭筒的大小设计成与导电率大于57%IACS铝合金坯料大小基本一致，以便于挤压。将模具预热至405℃，在模具温度预热到150℃-300℃之间时加入石墨粉作为润滑剂。将在电阻炉中的铝合金坯料迅速取出并装入到盛锭筒中。压力机以360mm/s的速度推动挤压杆挤压成形高导电率铝合金板。使用以上参数可以挤压成形得到图-1中的导电率等于59%IACS铝合金板材。
本发明设计带有导流模的挤压模具，其盛锭筒容积与坯料尺寸一致，模具需要预热至400℃。将坯料放入盛锭筒中，挤压杆以350mm/s的速度推动坯料运动，速度过快或者过慢都将影响成形铝合金板的导电率。坯料经过导流模与成形模，最终成形。
在本发明中 (1)合金熔炼过程中不需要进行搅拌，只有当炉料完全熔化后才可以均匀搅拌。(2)熔剂要保持干燥，精炼前钟罩要预热。精炼要保证一定的时间，以彻底除气除渣。精炼后要撒入覆盖剂，然后静置一段时间。浇铸时流速要平稳，不要断流。(3)在导电率大于57%IACS铝合金挤压成形速度控制在350mm/s左右，挤压速度过快或者过慢都会导致金属流动的不均匀，从而降低铝合金板的导电性能；模具预热温度为400℃左右，坯料温度控制在480℃左右。(4)在导电率大于57%IACS铝合金板挤压成形过程中，盛锭筒直径要与坯料直径保持一致，导流模的挤压槽要设计有10°-13°的锥度，并且与成形模连接处要有3°-5°的圆角过渡。
本发明中在导电率大于57%IACS铝合金坯料预热时，可以使用电阻炉进行加热，也可以使用感应加热炉进行加热。
Claims (4)
1.一种高导电率的铝合金板挤压成形工艺，采用高导电率的铝合金板挤压成形装置，该装置为挤压模具，包括挤压杆、挤压筒、导流模以及成形模，所述导流模的挤压槽设计为倒锥形，所述成形模的挤压槽与成形件的形状保持一致；其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
1)铝合金坯料的制备：采用6XXX系铝合金作为铝合金基体，将一定量的上述铝合金放入坩埚中熔炼，待合金完全熔化后，加入Al-3％B合金并静置足够的时间来沉淀去除杂质元素；当铝液温度达到700℃-730℃时，对铝液进行精炼、细化以除去铝液中的气体；精炼完成后，向铝液中撒入覆盖剂，并静置一段时间，随后出炉浇铸在模具中，成形铝合金坯料；
2)模具预热和喷涂石墨：将模具预热至395℃-405℃，在模具温度预热到150℃-300℃之间时加入石墨粉作为润滑剂；
3)铝合金板挤压成形：将步骤1)制备好的坯料进行480℃的保温处理后放入经过预热的挤压筒中，压力机推动挤压杆使坯料产生流动、变形；坯料首先通过导流模产生预变形，金属进行第一次分配，形成与板材相似的坯料，然后再进入成形模进行第二次变形，挤压出铝合金板。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述倒锥形的锥度角为10°-13°。
3.根据权利要求1所述的工艺，铝合金板的导电率大于57％IACS。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，铝合金挤压成形速度控制在340-360mm/s。
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