CN103978060A - 双层金属复合管半固态反挤压成形模具及其应用 - Google Patents

Abstract

双层金属复合管半固态反挤压成形模具及其应用，涉及金属复合管的生产技术领域，在外挤压筒内同轴设置内挤压筒，内挤压筒的上端面低于外挤压筒子的上端面，在内挤压筒内布置与压力机的滑块连接的内挤压杆，在内挤压筒和外挤压筒形成的环形腔内布置与压力机的滑块连接的环形外挤压杆。以该成形模具进行双层金属复合管生产的工艺，在内挤压筒的上顶部开始接触并焊合形成双层金属复合管。本发明模具结构简单、合理，易于实施，得到的双层金属管结合界面的质量应优于使用正挤压模具得到的复合管。

Description

双层金属复合管半固态反挤压成形模具及其应用

技术领域

本发明涉及一种双层金属复合管的生产技术领域，属于半固态成形领域。

背景技术

双层复合管是近些年来迅速发展起来的一种先进管材，其内层与外层采用不同种类的材料，分别具有不同的性质，适合于不同的工作环境。双层复合管主要用于电子电器、汽车、交通运输、石油化工、暖通以及航空航天等领域。

目前双层复合管常用的制造方法有对焊接方法、铸造方法与挤压成形方法。其中，采用对焊接方法生产出的复合管具有非常明显的缺陷：内层管与外层管之间的连接有缝隙，结合界面不能达到冶金结合，这对于航空航天等重要领域来说具有致命的缺陷。而采用铸造方法生产双层复合管，虽然内、外层管结合界面质量可以得到保证，但生产效率很低，能耗高，而且在成形过程中容易产生拉断现象。

长期以来，半固态挤压成形双层复合管均采用正挤压的方法，不但生产效率得到提高，而且复合管结合界面良好。但这种双层复合管挤压模具结构具有一个缺点，通过变化挤压筒使结合面位置发生变化时，在相同的凸模挤压速度下，两坯料结合后的移动速度可能不一样，这会造成相互接触的两种坯料之间有相对滑动，这种滑动既影响了结合面的质量又浪费了材料，必须调整两个挤压凸模速度相互匹配时才能消除成形时的复合管的相对滑移。而在实际挤压成形时，由于两种模具都要安装在挤压机同一滑块上，所以要控制这个速度比较困难，从而会影响到最终双层复合管的质量。

因此如何找到一种既能实现短流程、近净成形又能保证生产出的复合管具有优良连接性能的方法是一项极具创造性和挑战性的发明工作。

所谓半固态加工是对具有一定液相组分的固液混合浆料进行压铸、挤压或模锻成形，是一种介于普通铸造(纯液态)和锻压(纯固态)之间的成形方法。与普通的加工方法相比，半固态金属加工具有如下优点：应用范围广泛，凡是具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，如铝合金，镁合金、铜合金的压铸、挤压和锻压成形；半固态合金已经部分释放出结晶潜热，因而减轻了对加工模具的热冲击，使其寿命大幅度提高；半固态浆料具有液相流变性和触变性，变形抗力非常小，因而可以成形断面十分复杂的零件，实现近净成形，并且缩短加工周期，提高了材料的利用率，有利于节能节材；半固态浆料填充平稳，无湍流和喷溅，加工温度相对较低，凝固收缩小，因而成形件表面平整光滑，内部组织致密，气孔，偏析等缺陷少，晶粒细小，力学性能好，可见半固态加工技术与传统的加工技术相比具有极大的优势。

发明内容

针对上述问题，本发明目的是提出一种可以改善双层复合管的生产效率与质量的双层金属复合管半固态反挤压成形模具。

本发明设有密封的下底座的外挤压筒，在外挤压筒内同轴设置内挤压筒，所述内挤压筒的下端与外挤压筒的下底座密封连接，所述内挤压筒的上端面低于外挤压筒子的上端面，在内挤压筒内布置与压力机的滑块连接的内挤压杆，在内挤压筒和外挤压筒形成的环形腔内布置与压力机的滑块连接的环形外挤压杆。

本发明模具结构简单、合理，易于实施。挤压的过程中，在扩散和摩擦力的作用下，内层坯料与外层坯料相互接触并焊合，工艺流程短、能耗低，得到的双层金属管结合界面的质量应优于使用正挤压模具得到的复合管。

为了保障挤压过程中坯料和成形的温度，在外挤压筒外设置加热线圈。

本发明另一目的是提出上述成形模具在双层金属复合管生产中的应用，即以该成形模具进行双层金属复合管生产的工艺：将半固态棒状金属坯料置于所述内挤压筒中，将半固态环金属状坯料置于内挤压筒和外挤压筒形成的环形腔内，由压力机的滑块带动内挤压杆和外挤压杆向下运动使半固态棒状金属坯料和半固态环金属状坯料向上挤出，在内挤压筒的上顶部开始接触并焊合形成双层金属复合管。

本发明采用半固态反挤压工艺，不但可以实现短流程、近终成形，降低能源消耗，提高产品质量，而且内外层管的厚度可以根据挤压杆的位置进行调节。和正挤压模具相比，只要变化挤压凸模便可以得到不同界面结合比的双层复合管，大大提高了生产的灵活性，同时也降低了生产成本。本发明的内、外层材料可以是铝合金或镁合金，结合界面为冶金结合。双层复合管在高速列车座椅、行李架等领域具有广泛的应用前景。

另外，本发明将置于内挤压筒中的半固态棒状金属坯料的固相体积分数为70～90%，既可以保持坯料的形状不变，又可以有效降低反挤压成形的变形抗力。如果固相体积分数过低，则坯料由于不能承受自身的重量而导致形状发生改变，不利于坯料的输送和保存；如果固相体积分数过高，则坯料的流动性能变差，在成形时变形抗力过大，不能充分发挥半固态成形的优势。

本发明将置于内挤压筒和外挤压筒形成的环形腔内的半固态环金属状坯料的固相体积分数为70～90%，既可以保持坯料的形状不变，又可以有效降低反挤压成形的变形抗力。如果固相体积分数过低，则坯料由于不能承受自身的重量而导致形状发生改变，不利于坯料的输送和保存；如果固相体积分数过高，则坯料的流动性能变差，在成形时变形抗力过大，不能充分发挥半固态成形的优势。

本发明可以采用半固态触变反挤压成形工艺，为了利于成形，本发明先将具有半固态组织特征的坯料分别用机械加工方法加工成棒状毛坯或环状毛坯，使用感应加热炉加热，形成半固态棒状金属坯料或半固态环状金属坯料。

本发明也可以采用半固态流变反挤压成形工艺，为了利于成形，本发明先将块状合金铸锭以电阻炉加热至完全熔化温度后，保温静置制成半固态坯料，然后将半固态坯料置于棒状或环状成形模具中，冷却后形成半固态棒状金属坯料或半固态环状金属坯料。

先将模具的温度升至250～300℃后再置入半固态棒状金属坯料和半固态环金属状坯料。控制模具的预热温度为250～300℃，一方面可以减小模具与半固态坯料之间的温度差，防止由于温差过大而导致的应力过大，造成模具的损伤；另一方面，如果模具不进行预热，会造成粘模、挤压件裂纹等缺陷。综合成形性与节能性，模具的预热温度在50～300℃之间是比较合适的。

挤压时，所述压力机的滑块的运动速度为50～120mm/s。控制压力机的滑块的运动速度一方面可以保证坯料在成形过程中温度下降不大，保证坯料始终处于半固态温度区间；另一方面，又可以防止成形速度过大而导致的金属流动的不均匀，进而引发其组织分布的不均匀，造成挤压件的缺陷明显。

附图说明

图1为本发明的模具结构示意图。

图中：1.下底座；2.模具紧固螺钉；3.外层环状坯料；4.加热线圈；5.外挤压筒；6.外挤压杆；7.内挤压杆；8.双层复合管；9.内挤压筒；10.内层棒状坯料。

图2为本发明的双层复合管半固态反挤压工艺流程图。

具体实施方式

模具的结构如图1所示：在外挤压筒5的下端通过模具紧固螺钉2密封连接下底座1。在外挤压筒5内同轴设置内挤压筒9，内挤压筒9的下端与外挤压筒5的下底座2也是密封连接，内挤压筒9的上端面低于外挤压筒子5的上端面。

在内挤压筒9内布置与压力机的滑块连接的内挤压杆7，在内挤压筒9和外挤压筒5形成的环形腔内布置与压力机的滑块连接的环形外挤压杆7。

在外挤压筒5外设置加热线圈4，还可以在加热线圈4再设置保温层。

双层复合管的生产实施例：

例1：本实施例以双层复合管的半固态触变反挤压成形，双层复合管内层管坯采用镁合金AZ91D，外层管坯采用铝合金A356。制成的复合管内径为40mm，壁厚为5mm，其中内层镁合金壁厚为3mm，外层铝合金壁厚为2mm。加工流程如图2所示：

1、先将具有半固态组织特征的坯料分别用机械加工的方法加工成直径为50mm的镁合金棒状毛坯和内径为58mm，壁厚为10mm的铝合金环状毛坯。

2、采用感应加热炉加热，使毛坯分别变成固相体积分数为70～90%的棒状和环状坯料，其中，铝合金A356的加热温度为581℃，镁合金AZ91D的加热温度为584℃。

3、采用于反挤压成形双层复合管的模具，先给加热线圈4供电，使模具的温度预热至250℃，然后将由感应加热制备得到的具有一定固相体积分数的棒状镁合金坯料AZ91D和环状铝合金坯料A356分别迅速放入挤压模具内挤压筒9中和内挤压筒9与外挤压筒5之间，调节压力机滑块的速度至50mm/s，并控制行程，由滑块带动内挤压杆7和外挤压杆6向下运动使半固态棒状金属坯料和半固态环金属状坯料向上挤出，在内挤压筒9的上顶部开始接触并焊合形成双层金属复合管。使用石墨粉作为脱模剂。

4、制成的双层金属复合管符合设计要求。

例2：本实施例以双层复合管的半固态触变反挤压成形，双层复合管内层管坯内层管坯采用镁合金AZ91D，外层管坯采用铝合金7075。制成的复合管内径为70mm，壁厚为12mm，其中内层镁合金壁厚为8mm，外层铝合金壁厚为4mm。加工流程如图2所示：

1、先将具有半固态组织特征的坯料分别用机械加工的方法加工成直径为80mm的镁合金棒状毛坯和内径为88mm，壁厚为18mm的铝合金环状毛坯。

2、使用感应加热炉加热，使毛坯分别变成固相体积分数为70～90%的棒状和环状坯料，铝合金7075的加热温度为598℃，镁合金AZ91D的加热温度为581℃。

3、采用于反挤压成形双层复合管的模具，先给加热线圈4供电，使模具的温度预热至300℃，然后将由感应加热制备得到的具有一定固相体积分数的棒状镁合金坯料AZ91D和环状铝合金坯料7075分别迅速放入挤压模具内挤压筒9中和内挤压筒9与外挤压筒5之间，调节压力机的速度120mm/s，并控制行程，由滑块带动内挤压杆7和外挤压杆6向下运动使半固态棒状金属坯料和半固态环金属状坯料向上挤出，在内挤压筒9的上顶部开始接触并焊合形成双层金属复合管。使用石墨粉作为脱模剂。

4、制成的双层金属复合管符合设计要求。

例3：本实施例为双层复合管的半固态流变反挤压成形方法，双层复合管内层管坯内层管坯采用铝合金A356，外层管坯采用镁合金AZ91D。制成的复合管内径为60mm，壁厚为8mm，其中内层铝合金壁厚为4mm，外层铝合金壁厚为4mm。加工流程如图2所示：

1、先将经过干燥处理的块状商用金属铝合金A356以及AZ91D分别机械加工成直径为70mm的棒状坯料与内径为78mm、壁厚为14mm环状坯料(对于镁合金材料，需使用氢气作为保护气体)。

2、采用电阻炉分别将铝合金坯料与镁合金坯料加热到达到完全熔化温度后，保温静置25分钟，期间施加搅拌作用。然后将各浆料冷却到各自的半固态区间温度，形成具有固相体积分数为70～90%的棒状和环状坯料。其中，铝合金A356的冷却温度为580℃，镁合金AZ91D的冷却温度为579℃。

3、采用于反挤压成形双层复合管的模具，先给加热线圈4供电，使模具的温度预热至280℃，然后将由感应加热制备得到的具有一定固相体积分数的棒状铝合金坯料和环状镁合金坯料迅速放入挤压模具挤压筒中，调节压力机的速度80mm/s，并控制行程，由滑块带动内挤压杆7和外挤压杆6向下运动使半固态棒状金属坯料和半固态环金属状坯料向上挤出，在内挤压筒9的上顶部开始接触并焊合形成双层金属复合管。使用石墨粉作为脱模剂。

4、制成的双层金属复合管符合设计要求。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (9)

1.双层金属复合管半固态反挤压成形模具，其特征在于包括设有密封的下底座的外挤压筒，在外挤压筒内同轴设置内挤压筒，所述内挤压筒的下端与外挤压筒的下底座密封连接，所述内挤压筒的上端面低于外挤压筒子的上端面，在内挤压筒内布置与压力机的滑块连接的内挤压杆，在内挤压筒和外挤压筒形成的环形腔内布置与压力机的滑块连接的环形外挤压杆。

2.根据权利要求1所述双层金属复合管半固态反挤压成形模具，其特征在于在外挤压筒外设置加热线圈。

3.一种如权利要求1所述成形模具在双层金属复合管生产中的应用，其特征在于将半固态棒状金属坯料置于所述内挤压筒中，将半固态环金属状坯料置于内挤压筒和外挤压筒形成的环形腔内，由压力机的滑块带动内挤压杆和外挤压杆向下运动使半固态棒状金属坯料和半固态环金属状坯料向上挤出，在内挤压筒的上顶部开始接触并焊合形成双层金属复合管。

4.根据权利要求3所述成形模具在双层金属复合管生产中的应用，其特征在于置于内挤压筒中的半固态棒状金属坯料的固相体积分数为70～90%。

5.根据权利要求3所述成形模具在双层金属复合管生产中的应用，其特征在于置于内挤压筒和外挤压筒形成的环形腔内的半固态环金属状坯料的固相体积分数为70～90%。

6.根据权利要求4或5所述成形模具在双层金属复合管生产中的应用，其特征在于先将具有半固态组织特征的坯料分别用机械加工方法加工成棒状毛坯或环状毛坯，使用感应加热炉加热，形成半固态棒状金属坯料或半固态环状金属坯料。

7.根据权利要求4或5所述成形模具在双层金属复合管生产中的应用，其特征在于先将块状合金铸锭以电阻炉加热至完全熔化温度后，保温静置制成半固态坯料，然后将半固态坯料置于棒状或环状成形模具中，冷却后形成半固态棒状金属坯料或半固态环状金属坯料。

8.根据权利要求3所述成形模具在双层金属复合管生产中的应用，其特征在于先将模具的温度升至250～300℃后再置入半固态棒状金属坯料和半固态环金属状坯料。

9.根据权利要求3所述成形模具在双层金属复合管生产中的应用，其特征在于挤压时，所述压力机的滑块的运动速度为50～120mm/s。