CN103233190B - 一种制备半固态坯料的方法 - Google Patents

一种制备半固态坯料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备半固态坯料的方法,是改进的SIMA法制备半固态坯料的方法,属于金属半固态坯料的技术领域。首先测量所要制备的半固态合金的液固相线点,然后加热合金坯料进行异步多道次的轧制或者墩挤变形,最后重熔保温一段时间后得到所需半固态坯料。异步轧制或者墩挤变形不仅能够产生大的变形量,而且能够对坯料中形成的组大枝晶进行破坏,利用异步轧制代替现有的镦粗、挤压、等径角挤压等预变形工艺,制备出组织均匀、球化率高、固相率控制准确的半固态坯料。

Description

一种制备半固态坯料的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种制备半固态坯料的方法,属于金属半固态坯料的技术领域。
背景技术
[0002] 20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemings教授等人开发出了一种崭新的金属成形方法,称为半固态加工技术。它是一种金属从液态向固态转变或从固态向液态转变(即液固共存)过程中所具有的特性进行成形的方法。这一新的成形方法综合了凝固加工和塑性加工的长处,即加工温度比液态低、变形抗力比固态小,可一次以大变形量成形形状复杂且精度和性能质量要求较高的零件,所以半固态加工技术被称为21世纪最有前途的材料成形加工方法。半固态加工技术中最重要的一个工序就是制备出具有均匀、细小的非枝晶组织的半固态金属坯料,半固态坯料的质量决定了后续加工手段以及最终成形工件的质量。
[0003] 目前,半固态坯料的制备技术已达20多种,主要分为:液态法、控制凝固法和固态法三种。其中,应变诱发恪化激活法(Strain Induced Melt Activat1n,SIMA法)不需要液态金属的搅拌工序,因此制备的半固态坯料致密度高、无污染、适用范围广,尤其对制备较高熔点的非枝晶合金具有独特的优越性。SIMA制浆法包括预变形和重熔加热两个步骤,首先对合金进行预变形,储备变形能;然后对变形后合金进行重熔加热,将其加热至半固态温度区间并保温,即可得到半固态坯料。在SIMA制浆法中,预变形包括墩粗、挤压等传统方法与等径角挤压、高压扭转等新方法。
[0004] 墩粗、挤压等传统预变形方法在制备半固态坯料时,具有变形量小、变形不均匀并最终导致制备的坯料球化率低、组织和性能不均匀;对于塑形变形困难的合金时,坯料变形时易产生裂纹,导致无法制备出半固态坯料。等径角挤压、高压扭转等新预变形方法在制备半固态坯料时,具有变形量大、模具复杂等特点,而且还受到原始坯料的机械性能的影响,制备的半固态坯料试样尺寸小、组织不均匀。
发明内容
[0005] 为了克服上述SIMA法制备半固态坯料的缺点,本发明的目的在于提供一种制备半固态坯料的方法,该工艺简单、高效,制备的半固态坯料的组织和性能均匀,解决现有技术中制备半固态坯料产生的组织和性能不均匀、试样尺寸小等问题。
[0006] 本发明的技术方案是:首先测量所要制备的半固态合金的液固相线点,然后加热合金坯料进行异步轧制或者墩挤变形,最后重熔保温一段时间后得到所需半固态坯料,包括如下具体制备步骤:
[0007] ( I)测量金属或合金坯料的液相线温度和固相线温度;
[0008] (2)将金属或合金坯料加热至再结晶温度之上O〜100°C进行多道次轧制、异步轧制或者多次反复墩挤变形,得到变形量为10〜80%的金属或合金坯料;
[0009] (3)将步骤(2)中得到的变形后的金属或合金坯料加热至步骤(I)中测得的液相线温度和固相线温度区间,然后保温5〜50分钟后水淬,得到半固态坯料。
[0010] 所述步骤(I)中的金属或合金坯料的液固温度区间大于50°C。
[0011] 所述步骤(2)中金属或合金坯料进行多道次轧制时,首先对金属或合金坯料进行横轧,然后沿着轧制方向旋转90°,对金属或合金坯料进行纵轧;再次沿着轧制方向旋转90°,对金属或合金坯料进行横轧,如此重复横轧和纵轧,直到金属或合金坯料的变形量达到10〜50%O
[0012] 所述步骤(2)中对金属或合金坯料进行多道次异步轧制时,将金属或合金坯料放置在辊径相同、转速不同的轧机上进行异步轧制(异速异步),每次异步轧制的异速比(乳机下辊转速:上辊转速)为1.05〜1.8 ;或者将坯料放置在辊径不同、转速相同的轧机上进行多道次异步轧制(异径异步),每次异步轧制的异径比(乳机下辊直径:上辊直径)为1.05〜
1.6 ;异步轧制后使金属或合金坯料的变形量达到20〜60%。
[0013] 所述步骤(2)中对金属或合金坯料进行的多次墩挤变形时,将金属或合金坯料放置在封闭的模具型腔中利用液压机使其均匀变形,变形后将金属或合金坯料旋转90°再放入另一封闭的模具型腔中进行墩挤变形,然后再将金属或合金坯料旋转90°放入第一副模具内进行镦挤变形,如此反复多道次镦挤后使金属或合金坯料的变形量达到10〜80%。
[0014] 所述步骤(3)中,多道次轧制或异步轧制或墩挤变形之后的合金坯料要进行重熔加热处理,将变形后的合金加热至液固相线温度区间并保温,通过控制加热温度和保温时间来获得不同固相率的半固态坯料,相同的加热温度,加热时间越长,半固态坯料的固相率越低;相同的加热时间,温度越高,半固态坯料的固相率越低。
[0015] 本发明的特点就是采用多道次轧制或异步轧制或墩挤变形使合金产生大的剪切变形,破碎铸态组织的组大枝晶,细化晶粒,并储备变形能,然后结合重熔加热处理制备半固态坯料,主要是利用多道次轧制或异步轧制或墩挤变形代替现有的镦粗、挤压、等径角挤压等预变形工艺,制备出组织均匀、细小、球化率高、固相率控制准确的半固态坯料。
[0016] 本发明的优点和有益效果是:
[0017] (I)采用本发明,使合金坯料进行多道次轧制成形,具体表现为首先对坯料进行横轧,然后沿着轧制方向旋转90°,对坯料进行纵轧;再次沿着轧制方向旋转90°,对坯料进行横轧,如此重复横轧和纵轧。在反复的横轧和纵轧过程中,坯料经过充分的塑性变形,可以获得较大的塑性变形量,破碎坯料的初始枝晶,细化组织,储备大量变形能,使晶粒内部产生大量的位错和大角度的亚晶界。在整个轧制过程中,乳制变形量控制精确、变形效率高,变形后的坯料组织、性能均匀。将轧制后的坯料加热至液固相线区间并保温,在液固相线区间的等温热处理过程中,能够获得均匀、细小球化组织的半固态坯料,固相率60〜85%。
[0018] (2)采用本发明,使合金坯料进行异步轧制成形,具体表现为将合金坯料在辊径相同、转速不同的轧机上进行多道次异步轧制成形(异速异步)或者在辊径不同、转速相同的轧机上进行多道次异步轧制(异径异步)。在反复的异步轧制过程中,坯料经过充分的剪切变形,可以获得较大的塑性变形,破碎坯料的初始枝晶,细化组织,储备大量变形能,使晶粒内部产生大量的位错和大角度的亚晶界。在整个异步轧制过程中,乳制变形量控制精确、变形效率高、剪切变形能力强、乳制小,变形后的坯料组织、性能均勾。将异步轧制后的坯料加热至液固相线区间并保温,在液固相线区间的等温热处理过程中,能够获得均匀、细小球化组织的半固态坯料,固相率60〜85%。
[0019] (3)采用本发明,使合金坯料进行多道次镦挤成形,具体表现为将合金坯料在两副不同的模具内利用液压机进行多道次镦挤成形。在反复的镦挤过程中,坯料在封闭的模具型腔内变形,受到模具的约束,坯料的变形均匀性较好,且经过充分的剪切变形,可以获得较大的塑性变形,细化了晶粒,储备大量变形能,使晶粒内部产生大量的位错和大角度的亚晶界。在整个镦挤成形过程中,镦挤变形量控制精确、操作简单、剪切变形能力强,变形后的坯料组织、性能均匀。将镦挤成形后的坯料加热至液固相线区间并保温,在液固相线区间的等温热处理过程中,能够获得均匀、细小球化组织的半固态坯料,固相率在60〜85%。
[0020] (4)本发明具有操作简单、变形量大、变形控制准确、剪切变形能力强、晶粒细化效果好、半固态组织球化率高和固相率控制准确等优点,制备的半固态组织固相率高,有利于半固态合金的流变成型。
附图说明
[0021 ] 图1为本发明实施例1的半固态坯料微观组织图。
具体实施方式
[0022] 以下结合实施例和附图对本发明作进一步阐述,但本发明的保护内容不限于所述范围。
[0023] 实施方式一:本实施方式的多道次轧制与重熔工艺制备CuSnlO锡青铜半固态坯料制备方法(参见图1):
[0024] (I)测量要制备半固态坯料合金的液固相线点;本实施例中合金为CuSnlO锡青铜合金,尺寸为25X25X 10mm的长方料,利用差示扫描量热法(DSC)测量该合金的固相线温度为850°C,液相线温度为1020°C ;
[0025] (2)将合金坯料加热至再结晶温度之上,利用轧制工艺,对坯料进行横轧与纵轧的多向交替轧制;本实施例中,将CuSnlO锡青铜加热至450°C,然后先沿坯料轴向对其进行I道次轧制,压下量为2mm;然后将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制,压下量为1.5mm ;再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制,压下量为0.8mm ;最后再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制,压下量为0.8mm,一共轧制4个道次,乳制后的合金坯料长度方向的变形量达到13%;每道次轧制之前,如果坯料的温度下降至再结晶温度以下,都需要将坯料加热至450。。。
[0026] (3)将变形后的合金坯料加热至液固相线区间并保温一段时间,制备出一定固相率的半固态坯料;本实施例中,将变形后的锡青铜加热至900°C并保温20分钟,然后水淬,最终制备出锡青铜半固态坯料,其组织均匀,固相率为71.5%。
[0027] 实施方式二:本实施方式的轧制与重熔工艺法制备5083铝合金半固态坯料制备方法:
[0028] (I)测量要制备半固态坯料合金的液固相线点;本实施例中,合金为5083铝合金,尺寸为30X30X 150mm的长方料,利用差示扫描量热法(DSC)测量该合金的固相线温度为571°C,液相线温度为642 0C ;
[0029] (2)将合金坯料加热至再结晶温度之上,利用开坯锻工艺,对坯料进行横轧与纵轧的多向交替轧制;本实施例中,将5083铝合金加热至460°C,然后先沿坯料轴向对其进行I道次轧制,压下量为4mm ;然后将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制,压下量为5mm ;再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制,压下量为4mm;最后再将坯料沿其轴向旋转90°并对其车L制,压下量为6mm,一共轧制4个道次,乳制后的合金坯料长度方向的变形量达到28% ;
[0030] (3)将变形后的合金坯料加热至液固相线区间并保温一段时间,制备出一定固相率的半固态坯料;本实施例中,将变形后的铝合金加热至600 °C并保温15分钟,然后水淬,最终制备出组织均匀、球化率高的铝合金半固态坯料。
[0031] 实施方式三:本实施方式的轧制与重熔工艺法制备CuSnlO锡青铜半固态坯料制备方法:
[0032] (I)测量要制备半固态坯料合金的液固相线点;本实施例中合金为CuSnlO锡青铜合金,尺寸为25X25X 10mm的长方料,利用差示扫描量热法(DSC)测量该合金的固相线温度为850°C,液相线温度为1020°C ;
[0033] (2)将合金坯料加热至再结晶温度之上,利用轧制工艺,对坯料进行横轧与纵轧的多向交替轧制;本实施例中,将CuSnlO锡青铜加热至450°C,然后先沿坯料轴向对其进行I道次轧制,压下量为Imm;然后将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制,压下量为1.5mm ;再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制,压下量为0.8mm ;最后再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制,压下量为0.6mm,一共轧制4个道次,乳制后的合金坯料长度方向的变形量达到10%;每道次轧制之前,如果坯料的温度下降至再结晶温度以下,都需要将坯料加热至450。。。
[0034] (3)将变形后的合金坯料加热至液固相线区间并保温一段时间,制备出一定固相率的半固态坯料;本实施例中,将变形后的锡青铜加热至900°C并保温20分钟,然后水淬,最终制备出锡青铜半固态坯料,其组织均匀,固相率为70%。
[0035] 实施方式四:本实施方式的轧制与重熔工艺法制备5083铝合金半固态坯料制备方法:
[0036] (I)测量要制备半固态坯料合金的液固相线点;本实施例中,合金为5083铝合金,尺寸为30X30X 150mm的长方料,利用差示扫描量热法(DSC)测量该合金的固相线温度为571°C,液相线温度为642 0C ;
[0037] (2)将合金坯料加热至再结晶温度之上,利用开坯锻工艺,对坯料进行横轧与纵轧的多向交替轧制;本实施例中,将5083铝合金加热至460°C,然后先沿坯料轴向对其进行I道次轧制,压下量为8mm ;然后将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制,压下量为5mm ;再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制,压下量为4mm;最后再将坯料沿其轴向旋转90°并对其车L制,压下量为7mm,一共轧制4个道次,乳制后的合金坯料长度方向的变形量达到50% ;
[0038] (3)将变形后的合金坯料加热至液固相线区间并保温一段时间,制备出一定固相率的半固态坯料;本实施例中,将变形后的铝合金加热至600 °C并保温15分钟,然后水淬,最终制备出组织均匀、球化率高的铝合金半固态坯料。
[0039] 结果表明本发明具有操作简单、变形量大、变形控制准确、球化率高、固相率控制准确等优点,可以应用于铜合金、铝合金以及镁合金半固态坯料的制备。
[0040] 实施方式五:本实施方式的异步轧制与重熔工艺制备CuSnlO锡青铜半固态坯料制备方法:
[0041] (I)测量要制备半固态坯料合金的液固相线点;本实施例中合金为CuSnlO锡青铜合金,尺寸为30X30X 10mm的长方料,利用差示扫描量热法(DSC)测量该合金的固相线温度为850°C,液相线温度为1020°C ;
[0042] (2)将合金坯料加热至再结晶温度之上,利用异步轧制工艺,对坯料进行多道次异步轧制;本实施例中,将CuSnlO锡青铜加热至450°C,然后先沿坯料轴向对其进行I道次异步轧制,异速比为1.2,压下量为2mm ;然后再将坯料进行相同异速比相同压下量的异步轧制,一共异步轧制2个道次;每道次异步轧制之前,若坯料温度降至450°C以下,都需要将坯料重新加热至450°C后再进行变形。
[0043] (3)将变形后的合金坯料加热至液固相线区间并保温一段时间,制备出一定固相率的半固态坯料;本实施例中,将变形后的锡青铜加热至920°C并保温15分钟,然后水淬,最终制备出锡青铜半固态坯料。
[0044] 实施方式六:本实施方式的异步轧制与重熔工艺法制备5083铝合金半固态坯料制备方法:
[0045] (I)测量要制备半固态坯料合金的液固相线点;本实施例中,合金为5083铝合金,尺寸为50X50X 150mm的长方料,利用差示扫描量热法(DSC)测量该合金的固相线温度为571 °C,液相线温度为642°C ;
[0046] (2)将合金坯料加热至再结晶温度之上,利用开坯锻工艺,对坯料进行横轧与纵轧的多向交替异步轧制;本实施例中,将5083铝合金加热至460°C,然后先沿坯料轴向对其进行I道次异步轧制,压下量为5mm ;然后将坯料沿其轴向旋转90°并对其异步轧制,压下量为5mm ;再将坯料沿其轴向旋转90°并对其异步轧制,压下量为5mm ;最后再将坯料沿其轴向旋转90°并对其异步轧制,压下量为5mm,一共异步轧制4个道次;
[0047] (3)将变形后的合金坯料加热至液固相线区间并保温一段时间,制备出一定固相率的半固态坯料;本实施例中,将变形后的铝合金加热至620°C并保温10分钟,然后水淬,最终制备出组织均匀、球化率高的铝合金半固态坯料。
[0048] 结果表明本发明具有操作简单、乳制变形量大、乳制变形控制准确、乳制力小、乳制剪切变形能力强、半固态组织球化率高和固相率控制准确等优点,可以应用于铜合金、铝合金以及镁合金半固态坯料的制备。
[0049] 实施方式七:本实施方式的多道次镦挤与重熔工艺制备CuSnlO锡青铜半固态坯料制备方法:
[0050] (I)测量要制备半固态坯料合金的液固相线点;本实施例中合金为CuSnlO锡青铜合金,尺寸为20 X 20 X 20mm的立方体料,利用差示扫描量热法(DSC)测量该合金的固相线温度为850°C,液相线温度为1020°C ;
[0051] (2)将合金坯料加热至再结晶温度之上,利用镦挤工艺,对坯料进行多道次镦挤;本实施例中,将CuSnlO锡青铜加热至450°C,首先将坯料放置在第一副模具内,利用液压机进行第I道次镦挤变形,压下量为2.5mm,变形后坯料尺寸为17.5X22.85 X 20mm,变形量为12.5% ;然后将坯料重新加热至450°C并旋转90°放置在第二副模具内,利用液压机进行第2道次镦挤变形,压下量为2.85mm,变形后坯料尺寸为20 X 20 X 20mm,变形量为12.47% ;
[0052] (3)将变形后的合金坯料加热至液固相线区间并保温一段时间,制备出一定固相率的半固态坯料;本实施例中,将变形后的锡青铜加热至875°C并保温15分钟,然后水淬,最终制备出锡青铜半固态坯料。
[0053] 实施方式八:本实施方式的多道次镦挤与重熔工艺法制备5083铝合金半固态坯料制备方法:
[0054] (I)测量要制备半固态坯料合金的液固相线点;本实施例中,合金为5083铝合金,尺寸为30X30X30mm的长方料,利用差示扫描量热法(DSC)测量该合金的固相线温度为571 °C,液相线温度为642°C ;
[0055] (2)将合金坯料加热至再结晶温度之上,利用开坯锻工艺,对坯料进行横轧与纵轧的多向交替多道次镦挤;
[0056] 本实施例中,将5083铝合金加热至460°C,首先将坯料放置在第一副模具内,利用液压机进行第I道次镦挤变形,压下量为3mm,变形后坯料尺寸为27 X 33.33 X 30mm,变形量为10% ;然后将坯料重新加热至460°C并旋转90°放置在第二副模具内,利用液压机进行第2道次镦挤变形,压下量为3.33mm,变形后坯料尺寸为30 X 30 X 30臟,变形量为9.99% ;然后再将坯料重新加热至460°C并旋转90°放置在第一副模具内,利用液压机进行第3道次镦挤变形,压下量为3 mm,变形后坯料尺寸为30 X 33.33 X 27mm,变形量为10% ;然后再将坯料重新加热至460°C并旋转90°放置在第二副模具内,利用液压机进行第4道次镦挤变形,压下量为3.33mm,变形后坯料尺寸为30 X 30 X 30mm,变形量为9.99% ;共进行4道次镦挤变形,总的变形量为39.98% ;
[0057] (3)将变形后的合金坯料加热至液固相线区间并保温一段时间,制备出一定固相率的半固态坯料;本实施例中,将变形后的铝合金加热至600°C并保温15分钟,然后水淬,最终制备出组织均匀、球化率高的铝合金半固态坯料。
[0058] 实施方式九:本实施方式的多道次镦挤与重熔工艺制备CuSnlO锡青铜半固态坯料制备方法:
[0059] (I)测量要制备半固态坯料合金的液固相线点;本实施例中合金为CuSnlO锡青铜合金,尺寸为20 X 20 X 20mm的立方体料,利用差示扫描量热法(DSC)测量该合金的固相线温度为850°C,液相线温度为1020°C ;
[0060] (2)将合金坯料加热至再结晶温度之上,利用镦挤工艺,对坯料进行多道次镦挤;本实施例中,将CuSnlO锡青铜加热至450°C,首先将坯料放置在第一副模具内,利用液压机进行第I道次镦挤变形,压下量为2.5mm,变形后坯料尺寸为17.5X22.85X20mm,变形量为12.5% ;然后将坯料重新加热至450°C并旋转90°放置在第二副模具内,利用液压机进行第2道次镦挤变形,压下量为2.85mm,反复进行镦挤变形5次,变形后坯料尺寸为20 X 20 X 20mm,变形量为 80% ;
[0061] (3)将变形后的合金坯料加热至液固相线区间并保温一段时间,制备出一定固相率的半固态坯料;本实施例中,将变形后的锡青铜加热至875°C并保温15分钟,然后水淬,最终制备出锡青铜半固态坯料。
[0062] 结果表明本发明具有操作简单、变形量大、变形控制准确、变形均匀以及半固态组织均匀、细小、球化率高、固相率控制准确等优点,可以应用于铜合金、铝合金以及镁合金半固态坯料的制备。

Claims (2)

1.一种制备半固态坯料的方法,其特征在于具体步骤包括如下: (O测量金属或合金还料的液相线温度和固相线温度; (2)将金属或合金坯料加热至再结晶温度之上O〜100°C进行多道次轧制、异步轧制或者多次反复墩挤变形,得到变形量为10〜80%的金属或合金坯料; (3)将步骤(2)中得到的变形后的金属或合金坯料加热至步骤(I)中测得的液相线温度和固相线温度区间,然后保温5〜50分钟后水淬,得到半固态坯料; 所述步骤(2)中金属或合金坯料进行多道次轧制时,首先对金属或合金坯料进行横轧,然后沿着轧制方向旋转90°,对金属或合金坯料进行纵轧;再次沿着轧制方向旋转90°,对金属或合金坯料进行横轧,如此重复横轧和纵轧,直到金属或合金坯料的变形量达到10 〜50% ; 所述步骤(2)中对金属或合金坯料进行多道次异步轧制时,将金属或合金坯料放置在辊径相同、转速不同的轧机上进行异步轧制,每次异步轧制的异速比为1.05〜1.8 ;或者将坯料放置在辊径不同、转速相同的轧机上进行多道次异步轧制,每次异步轧制的异径比为1.05〜1.6 ;异步轧制后使金属或合金坯料的变形量达到20〜60% ; 所述步骤(2)中对金属或合金坯料进行的多次墩挤变形时,将金属或合金坯料放置在封闭的模具型腔中利用液压机使其均匀变形,变形后将金属或合金坯料旋转90°再放入另一封闭的模具型腔中进行墩挤变形,然后再将金属或合金坯料旋转90°放入第一副模具型腔内进行镦挤变形,反复多道次镦挤后使金属或合金坯料的变形量达到10〜80%。
2.根据权利要求1所述的制备半固态坯料的方法,其特征在于:所述步骤(I)中的金属或合金坯料的液固温度区间大于50°C。
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