CN107737812A - 一种金属件挤压成形方法 - Google Patents

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周延军
宋克兴
国秀花
张彦敏
王旭
郜建新
赵培峰
杨少丹
刘亚民
张学宾
杨冉
宋正成
郭保江
张丹丹
龙飞
张启航
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Abstract

本发明涉及一种金属件挤压成形方法，包括如下步骤：（1）在金属坯体外包裹金属保护套，形成待加工坯体，其中，金属保护套塑形优于金属坯体的塑形；（2）加热待加工坯体，保温处理；（3）将待加工坯体挤压成形预制件，预制件包括外层的由所述金属保护套形成的金属保护层以及内部的由金属坯体形成的金属件；（4）机加工去除所述金属保护层，得到金属件。采用塑形较好的金属材料包套再挤压的处理工艺中，利用塑形较好的金属保护套在挤压过程中形成的三向压应力，有效改善了内部金属坯体的挤压变形质量，可大幅提高铜合金致密度，有效避免挤压塑形变形过程中出现裂纹，特别适合难变形、低塑形金属材料成形。

Description

一种金属件挤压成形方法
技术领域
本发明涉及材料制备加工领域，特别涉及一种金属件挤压成形方法。
背景技术
以铜为基体的耐磨铜合金中，锡青铜因具有良好的耐磨耐蚀性、优异的机械强度和加工性能，广泛应用于制造轴套、轴瓦、泵体、蜗轮等汽车船舶工业关键耐磨零件。工业用锡青铜的锡含量一般在3%～14%之间，合金中Sn、Pb起着提高合金强度和耐磨性的作用，但锡含量过高会导致合金塑性变形能力降低。
对于锡含量在8%～14%的锡青铜合金，传统的制备工艺为熔炼铸造，但由于该合金具有结晶温度范围大，凝固区域宽，糊状凝固特性等结晶特征，易产生疏松、偏析、组织致密性差等缺陷，难以满足实际使用工况对合金致密度及力学性能的要求，因此，需要进一步通过塑性变形来提高合金性能，如利用挤压成形方式加工相应金属件。但是，在挤压加工过程中，如锡青铜等金属件由于合金材质塑形差，且脆而硬，易出现挤压裂纹，成形效果差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属件挤压成形方法，以解决现有技术中塑形较差的金属件在挤压成形时易出现挤压裂纹的问题。
为实现上述目的，本发明所提供的金属件挤压成形方法的技术方案1是：一种金属件挤压成形方法，包括如下步骤：
（1）在金属坯体外包裹金属保护套，形成待加工坯体，其中，金属保护套塑形优于金属坯体的塑形；
（2）加热待加工坯体，保温处理；
（3）将待加工坯体挤压成形预制件，预制件包括外层的由所述金属保护套形成的金属保护层以及内部的由金属坯体形成的金属件；
（4）机加工去除所述金属保护层，得到金属件。
本发明的有益效果是：本发明所提供的金属件挤压成形方法中，先是在金属坯体外包裹金属保护套以形成待加工坯体，金属保护套的塑形优于金属坯体的塑形，然后加热并进行保温处理，在挤压成形预制件后，再利用机加工去除外层的由金属保护套挤压形成的金属保护层，即可得到相应的铜合金件。这种采用塑形较好的金属材料包套再挤压的处理工艺中，利用塑形较好的金属保护套在挤压过程中形成的三向压应力，有效改善了内部金属坯体的挤压变形质量，可大幅提高铜合金致密度，有效避免挤压塑形变形过程中出现裂纹，特别适合难变形、低塑形金属材料成形。
在金属件挤压成形方法技术方案1的基础上改进得到金属件挤压成形方法的技术方案2：步骤1中，金属保护套包括同一材质的套筒本体及对应封装在套筒本体两端的封盖结构。
在金属件挤压成形方法技术方案2的基础上改进得到金属件挤压成形方法的技术方案3：所述金属坯体为锡青铜合金坯体，所述套筒本体和封盖结构均为紫铜材质。
在金属件挤压成形方法技术方案3的基础上改进得到金属件挤压成形方法的技术方案4：步骤2中的加热温度为850-950℃，保温处理时间为1-3小时。
在金属件挤压成形方法技术方案4的基础上改进得到金属件挤压成形方法的技术方案5：步骤2中的加热温度为900℃，保温处理时间为2小时。
在金属件挤压成形方法技术方案2的基础上改进得到金属件挤压成形方法的技术方案6：步骤1中，所述金属坯体与套筒本体的内壁间隙为单边1-2mm。
在金属件挤压成形方法技术方案3的基础上改进得到金属件挤压成形方法的技术方案7：步骤1中，所述金属坯体为铸锭结构。
在金属件挤压成形方法技术方案1至7任意一项的基础上改进得到金属件挤压成形方法的技术方案8：步骤3中，利用反挤压模具将加工坯体挤压成形预制件。
在金属件挤压成形方法技术方案8的基础上改进得到金属件挤压成形方法的技术方案9：所述预制件为轴杆件。
在金属件挤压成形方法技术方案1的基础上改进得到金属件挤压成形方法的技术方案10：步骤1中，金属坯体材质为铜合金。
在金属件挤压成形方法技术方案10的基础上改进得到金属件挤压成形方法的技术方案11：所述铜合金为锡青铜合金、锡磷青铜、铅黄铜或弥散强化铜合金。
在金属件挤压成形方法技术方案1至7任意一项的基础上改进得到金属件挤压成形方法的技术方案12：步骤4中的机加工方式为车削加工。
附图说明
图1为本发明所提供的金属件挤压成形方法中铸锭外包金属保护套时的结构示意图；
图2为本发明所提供的金属件挤压成形方法中挤压模具挤压锡青铜合金件时的结构示意图；
图3为本发明所提供的金属件挤压成形方法得到的锡青铜合金件放大100倍的挤压态微观组织图；
图4为本发明所提供的金属件挤压成形方法得到的锡青铜合金件放大500倍挤压态微观组织图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但并不以此为限。
本发明所提供的金属件挤压成形方法包括如下步骤：
（1）在金属坯体外包裹金属保护套，形成待加工坯体，其中，金属保护套塑形优于金属坯体的塑形；
（2）加热待加工坯体，保温处理；
（3）将待加工坯体挤压成形预制件，预制件包括外层的由所述金属保护套形成的金属保护层以及内部的由金属坯体形成的金属件；
（4）机加工去除所述金属保护层，得到金属件。
需要进一步说明的是，在步骤1中，金属保护套包括同一材质的套筒本体及对应封装在套筒本体两端的封盖结构，选用同一材质的话，可有效提高挤压变形均匀性。两端封盖结构可以两个分别与套筒本体分体设置，也可以其中一个与套筒本体一体设置，另一个与套筒本体分体设置，分体设置的相应封盖结构需要注意与套筒本体的封装密封性能。
下面具体以多元耐磨锡青铜合金件挤压成形过程具体说明上述金属件挤压成形方法，金属坯体具体为锡青铜合金坯体，而套筒本体和封盖结构均为紫铜材质。多元耐磨锡青铜合金件挤压成形的具体过程如下：
（1）将制备好的锡青铜合金坯体在车床上进行机加工，锡青铜合金坯体具体为铸锭21，得到圆棒坯体，如图1所示，将其放入紫铜材质的套筒本体22内，铸锭21与套筒本体22的内部间隙为单边1-2㎜，优化的可为1㎜，注意预留适当空隙，不仅方便装配，也利于加热膨胀，然后利用作为端盖结构的两个紫铜片将套筒本体两端焊接密封，两紫铜片分别为上封盖20和下封盖23，这样，由套筒本体22及两端盖结构形成的金属保护套包裹在铸锭外，形成相应的待加工坯体。需要说明的是，紫铜的塑形要优于锡青铜。
（2）将待加工坯体放入加热炉中加热，加热温度为850-950℃，优选的可为870℃、900℃或930℃。
然后，进行保温处理，保温时间为1-3小时，保温时间可为1小时或3小时，较优的保温时间为2小时。
（3）将加热好的待加工坯体去除，放入如图2所示的挤压模具中挤压加工，此处的挤压模具为反挤压模具。
图2所示的挤压模具具体包括上模组件和下模组件。
具体来说，下模组件包括下模座1，在下模座1上通过下固定螺钉14固定安装有下垫板2和预紧圈4，对应的，利用预紧圈4将挤压凹模预紧装配在下垫板2上，同时，在下模座1、下垫板2以及预紧圈4之间导向穿装有下圆柱销3。另外，在挤压凹模5中设有活动装配在下模座及下垫板2上的顶出杆15，顶出杆15的用于顶推工件的顶出端处设有垫块13，顶出杆15通过垫块13将工件顶出。
上模组件具体包括上模座9，上模座9上通过上固定螺钉11固定安装有上垫板8以及凸模固定板7，利用凸模固定板7将挤压凸模6固定在上模座9上，此处的挤压凸模为空心筒形结构，其与现有技术中的挤压凸模结构相同，在此不再主赘述。
当使用上述挤压模具挤压待加工坯体时，将待加工坯体放入挤压凹模5内，挤压凹模的内径比套筒本体22外径单边大0.5㎜，开启挤压机下行按钮，上模座9带着挤压凸模6向下运动，先与待加工坯体上端接触，随着挤压力的增加，待加工坯体整体受到挤压，中心部分金属率先发生流动并反向进入空心筒形的挤压凸模内部，随着挤压力的不断增大，挤压凸模不断下行，反向流入挤压凸模内部中的金属高度也越来越多，直到挤压凸模不再下行。
然后开启挤压机回程按钮，挤压凸模与待加工坯体脱离接触，挤压凸模反向向上运动至初始位置。
开启挤压机顶出按钮，顶出杆15通过垫块13将预制件12顶出挤压凹模，完成挤压成形过程。在挤压成得到的预制件为轴杆件，内部的铸锭被挤压成锡青铜合金件，其也为轴杆件，外部的金属保护套则被挤压成外层的金属保护层。
（4）将挤压成形得到的预制件进行车削机加工，将外层的金属保护层去除，最终制备得到锡青铜合金件。
采用包套挤压工艺制备的耐磨Cu-10Sn-2Pb-3Ni合金，密度和硬度分别达到8.9801 g/cm3和135.7HB，较之铸态的8.8353 g/cm3和99.6HB密度和硬度分别提高了1.6%和36.2%；挤压后合金抗拉强度和伸长率分别为345.4MPa和11.4%，较之铸态的302.3MPa和9.8%分别提高了14.2%和16.3%；挤压后的组织不同于铸态组织的以树枝晶为主且枝晶偏析严重，挤压态组织晶粒较细小，树枝晶消失，如图3和图4所示。
上述实施例中，金属坯体具体为铸锭结构，方便对应轴杆件进行加工制造。在其他实施例中，金属坯体也可以为其他对应的结构，只要方便包裹相应金属保护套即可。
上述实施例中，去除外层的金属保护层的机加工方式具体为车削加工。在其他实施例中，机加工方式也可为铣削或磨削加工等其他方式，只要可有效去除外层的金属保护层即可。
上述实施例中，挤压机具体为反挤压结构，在其他实施例中，挤压机也可以采用正挤压结构来挤压成形相应的金属件。
上述以加工锡青铜合金件为例介绍包套挤压成形方法。在其他实施例中，这种挤压成形方法也可以应用于其他的铜类合金挤压成形上，如应用在锡磷青铜、铅黄铜或弥散强化铜合金等其他铜合金金属制件上。当然，也可根据金属实际属性，只要可以采用挤压成形方式加工相应金属件，并可选用塑形更好的金属保护套即可，如应用于6系列的铝合金具体如6061铝合金，或者是应用在304不锈钢金属制件挤压成形上，利用金属保护套对内部的金属坯体多向施压，进而可有效提高挤压成形效果。

Claims (10)

1.一种金属件挤压成形方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在金属坯体外包裹金属保护套，形成待加工坯体，其中，金属保护套塑形优于金属坯体的塑形；
（2）加热待加工坯体，保温处理；
（3）将待加工坯体挤压成形预制件，预制件包括外层的由所述金属保护套形成的金属保护层以及内部的由金属坯体形成的金属件；
（4）机加工去除所述金属保护层，得到金属件。
2.根据权利要求1所述的金属件挤压成形方法，其特征在于：步骤1中，金属保护套包括同一材质的套筒本体及对应封装在套筒本体两端的封盖结构。
3.根据权利要求2所述的金属件挤压成形方法，其特征在于：所述金属坯体为锡青铜合金坯体，所述套筒本体和封盖结构均为紫铜材质。
4.根据权利要求3所述的金属件挤压成形方法，其特征在于：步骤2中的加热温度为850-950℃，保温处理时间为1-3小时。
5.根据权利要求4所述的金属件挤压成形方法，其特征在于：步骤2中的加热温度为900℃，保温处理时间为2小时。
6.根据权利要求2所述的金属件挤压成形方法，其特征在于：步骤1中，所述金属坯体与套筒本体的内壁间隙为单边1-2mm。
7.根据权利要求3所述的金属件挤压成形方法，其特征在于：步骤1中，所述金属坯体为铸锭结构。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的金属件挤压成形方法，其特征在于：步骤3中，利用反挤压模具将加工坯体挤压成形预制件。
9.根据权利要求8所述的金属件挤压成形方法，其特征在于：所述预制件为轴杆件。
10.根据权利要求1所述的金属件挤压成形方法，其特征在于：步骤1中，金属坯体材质为铜合金。
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