CN107931581B - 铝基复合材料多梯次调压复合成形方法 - Google Patents
铝基复合材料多梯次调压复合成形方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种铝基复合材料多梯次调压复合成形方法，按照以下步骤实施：步骤1：制作铝基复合材料熔体；步骤2：浇注铝基复合材料熔体；步骤3：对铝基复合材料零件进行多梯次调压复合施压；步骤4：对铝基复合材料零件进行后处理。本发明方法，针对铝基复合材料，实现熔体液态浇注‑半固态同时凝固‑固态塑性变形各个阶段的全过程短流程一次成形，工艺环节简化，制备的零件具有更加优异的内部质量和力学性能；根据铝基复合材料与一般铝合金的凝固特性差异，将单一加压过程分为多梯次调压复合施压，改善了铝基复合材料凝固过程，提高了零件的综合性能。
Description
技术领域
本发明属于铝基复合材料成形技术领域，涉及一种铝基复合材料多梯次调压复合成形方法。
背景技术
铝基复合材料是以铝或铝合金为基体，通过增强相与基体协同强化，使材料具备轻质、高强、高刚等优异的综合性能，满足对内部质量有较高要求零件的需求。但由于铝基复合材料内部增强相的存在，熔体的粘度增加，降低了熔体的流动性，采用常规的重力浇注工艺，熔体在浇注过程中流动性、成形性差，熔体在凝固过程中，铸件的补缩通道不通畅，进而易造成铸件内部缩松、致密度低。
当前，采用低压铸造、差压铸造工艺，在压力作用下，虽然可以在一定程度上提高铝基复合材料的流动性，并改善铸件内部针孔、缩松缺陷，提高铸件的致密度，但铸件厚大部分在顺序凝固过程中，最后凝固的厚大部分仍无法避免存在缩松。采用锻造方式，可一定程度消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，但是针对以铸造铝合金为基体的复合材料，由于其变形能力较差，且由于材料中增强相的存在，进一步降低了材料的协调变形能力，锻造过程中极易出现开裂现象。综上分析，现有的常规方法不适用于铝基复合材料成形。
中国专利ZL201410461927.5公开了一种铝基复合材料小变形耐压件的成形方法，其中采用的加压过程为单参数压力一次加压成形，压力加载过程无法与铝基复合材料凝固全过程相匹配。
中国专利ZL02206835.X公开了一种球铁齿轮连续铸锻机，当球铁铸件冷却到奥氏体化温度时，通过转臂机构实现上铸模和上锻模之间的互换，并施加一定压力。
中国专利2013103872604公开了一种汽车制动器卡钳的液态铸锻成型方法及装置，其中将铝合金液通过压射机构压射注入铸锻模具的型腔内铸造成型；启动锻压冲头对铸造成型的卡钳进行闭模锻造。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝基复合材料多梯次调压复合成形方法，解决了铝基复合材料因内部增强相使熔体流动性差、补缩通道不通畅、凝固过程中厚大部分易产生缩松，以及在锻造过程中易出现开裂的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种铝基复合材料多梯次调压复合成形方法，按照以下步骤实施：
步骤1：制作铝基复合材料熔体；
步骤2：浇注铝基复合材料熔体；
步骤3：对铝基复合材料零件进行多梯次调压复合施压；
步骤4：对铝基复合材料零件进行后处理。
本发明的有益效果是，根据金属凝固原理和铝基复合材料凝固特性，在熔体液-固相含量不同比例时间段内，采取多梯次调压复合加压。首先通过精炼处理直接获得高品质的铝基复合材料熔体，在低压阶段，压力作用可破碎熔体凝固初期形成的粗大的枝晶，细化晶粒；在中压阶段，当熔体液-固相比例发生变化时，压力可增强金属凝固过程的补缩能力，改善内部缩松现象；在高压阶段，压力作用可对已凝固的零件产生微量的致密化塑性变形，进一步提高了零件的综合性能。
附图说明
图1是本发明方法采用的浇注结构示意图；
图2是图1中的A-A截面(蛇形浇道截面)示意图；
图3是本发明中多梯次调压复合加压工艺示意图。
图中，1.坩埚，2.铝基复合材料熔体，3.蛇形浇道，4.支架，5.模具。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1和图2，本发明的成形方法采用一种蛇形浇注装置，包括蛇形浇道3，蛇形浇道3支撑在支架4上，将坩埚1中的铝基复合材料熔体2注入蛇形浇道3的上端进料口，铝基复合材料熔体2顺着蛇形浇道3曲折向下流动，从下端出料口进入模具5中。
本发明的成形方法，利用上述的蛇形浇注装置，能够制作具有高内部质量的铝基复合材料零件，按照以下步骤实施：
步骤1：制作铝基复合材料熔体2，
将坩埚1清理干净，加入定量的铝基复合材料，将铝基复合材料熔体2加热到730℃～760℃；采用顶端设有通气孔的石墨杆对铝基复合材料熔体2进行旋转搅拌精炼，在搅拌过程中对铝基复合材料熔体2通入高纯氩气，高纯氩气的流量为0.7～1m3/h，旋转搅拌时间为15～20min；静置10～15min之后除去铝基复合材料熔体2液面的浮渣；
步骤2：浇注铝基复合材料熔体2，
将金属材料制作的模具5安装到压力机上，向模具5的型腔内壁喷涂涂料，将模具5加热到250℃～280℃，将铝基复合材料熔体2通过蛇形浇道3浇注到模具5的型腔内，浇注温度控制在730℃～760℃；
步骤3：对铝基复合材料零件进行多梯次调压复合施压，
浇注完成后，移开蛇形浇道3，压力机按照设定的多梯次调压复合加压工艺施压，首先压力机上模以20～30mm/S速度下行，直至上模接触到铝基复合材料熔体2的液面，然后压力机对铝基复合材料熔体2施加低压压力P1，保压时间为Δ1；当铝基复合材料熔体2处于合适的液-固相比例时，施加中压P2，保压时间为Δ2；最后压力机升压至高压P3，保压时间为Δ3，保压结束后停止加压，开模取出零件，多梯次调压复合加压过程如图3所示；
压力机中的模具包括上模和下模，上模设置在压力机上固定板，下模设置在压力机下固定板，蛇形浇道3在浇注完成后及时撤离。
步骤4：对铝基复合材料零件进行后处理，
对成形的零件进行打磨，采用手工或机械方式清理表面的毛刺，经热处理后获得满足要求的成品零件。
本发明上述的多梯次调压复合成形方法，步骤1利用了铸造工艺特点，通过精炼处理直接提供高品质的铝基复合材料熔体2；步骤2采用金属材料的蛇形浇道3将铝基复合材料熔体2浇注到金属材料的模具5中，铝基复合材料熔体2在蛇形浇道3的流动过程中即开始形核、长大形成大量细小的初生晶粒，具有细化晶粒的效果，而流动过程使得初生晶粒均匀弥散游离在铝基复合材料熔体2中，为零件在压力过程中同时凝固成形提供良好的基础；步骤3采用多梯次调压复合加压，在熔体液-固相含量不同比例时间段内施加不同的压力，在低压阶段，压力作用可破碎熔体凝固初期形成的粗大的枝晶，细化晶粒；在中压阶段，当熔体液-固相比例发生变化时，压力可增强金属凝固过程的补缩能力，改善内部缩松现象；在高压阶段，压力作用可对已凝固的零件产生微量的致密化塑性变形，保证了零件优异的性能。
本发明方法，针对铝基复合材料，实现熔体液态浇注-半固态同时凝固-固态塑性变形各个阶段的全过程短流程一次成形，工艺环节简化，制备的零件具有更加优异的内部质量和力学性能；根据铝基复合材料与一般铝合金的凝固特性差异，将单一加压过程分为多梯次调压复合施压，改善了铝基复合材料凝固过程，提高了零件的综合性能。
实施例1
步骤1：将坩埚1清理干净，加入定量的铝基复合材料加热，当铝基复合材料熔体2温度达到730℃，采用石墨杆对铝基复合材料熔体2进行旋转搅拌精炼，搅拌过程对铝基复合材料熔体2通入高纯氩气，气体流量为0.7m3/h，旋转搅拌时间为15min，静置10min之后除去熔体表面的浮渣。
步骤2：将金属材料的模具5安装到压力机上，向模具5内腔喷涂涂料，加热到250℃，将静置后的铝基复合材料熔体2通过蛇形浇道3浇注到模具5的型腔内，浇注温度控制在730℃。
步骤3：浇注完成后，通过支架4撤离蛇形浇道3，压力机按照设定的阶梯式加压工艺加压，首先压力机的上模在下行过程中保持在20mm/S速度，直至上模接触到铝基复合材料熔体2液面，压力机对铝基复合材料熔体2加压低压压力为50MPa，保压时间为5S；然后压力机继续加压，中压压力为80MPa，保压时间为15S；最后是高压压力为140MPa，保压时间为30S，保压结束后停止加压，开模取出零件。
步骤4：最后将零件打磨，采用手工或机械方式清理掉成形过程的毛刺等，经热处理后获得满足要求的成品零件。
实施例2
步骤1：将坩埚1清理干净，加入定量的铝基复合材料加热，当铝基复合材料熔体2温度达到745℃，采用石墨杆对铝基复合材料熔体2进行旋转搅拌精炼，搅拌过程对铝基复合材料熔体2通入高纯氩气，气体流量为0.8m3/h，旋转搅拌时间为18min，静置13min之后除去熔体表面的浮渣。
步骤2：将金属材料的模具5安装到压力机上，向模具5内腔喷涂涂料，加热到265℃，将静置后的铝基复合材料熔体2通过蛇形浇道3浇注到模具5的型腔内，浇注温度控制在745℃。
步骤3：浇注完成后，通过支架4撤离蛇形浇道3，压力机按照设定的阶梯式加压工艺加压，首先压力机的上模在下行过程中保持在25mm/S速度，直至上模接触到铝基复合材料熔体2液面，压力机对铝基复合材料熔体2加压低压压力为55MPa，保压时间为8S；然后压力机继续加压，中压压力为90MPa，保压时间为18S；最后是高压压力为145MPa，保压时间为35S，保压结束后停止加压，开模取出零件。
步骤4：最后将零件打磨，采用手工或机械方式清理掉成形过程的毛刺等，经热处理后获得满足要求的成品零件。
实施例3
步骤1：将坩埚1清理干净，加入定量的铝基复合材料加热，当铝基复合材料熔体2温度达到760℃，采用石墨杆对铝基复合材料熔体2进行旋转搅拌精炼，搅拌过程对铝基复合材料熔体2通入高纯氩气，气体流量为1m3/h，旋转搅拌时间为20min，静置15min之后除去熔体表面的浮渣。
步骤2：将金属材料的模具5安装到压力机上，向模具5的内腔喷涂涂料，加热到280℃，将静置后的铝基复合材料熔体2通过蛇形浇道3浇注到模具5的型腔内，浇注温度控制在760℃。
步骤3：浇注完成后，通过支架3撤离蛇形浇道2，压力机按照设定的阶梯式加压工艺加压，首先压力机的上模在下行过程中保持在30mm/S速度，直至上模接触到铝基复合材料熔体2液面，压力机对铝基复合材料熔体2加压低压压力为60MPa，保压时间为10S；然后压力机继续加压，中压压力为100MPa，保压时间为20S；最后是高压压力为150MPa，保压时间为40S，保压结束后停止加压，开模取出零件。
步骤4：最后将零件打磨，采用手工或机械方式清理掉成形过程的毛刺等，经热处理后获得满足要求的成品零件。
Claims (1)
1.一种铝基复合材料多梯次调压复合成形方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1：制作铝基复合材料熔体(2)，具体过程是：
将坩埚(1)清理干净，加入定量的铝基复合材料，将铝基复合材料熔体(2)加热到730℃～760℃；采用顶端设有通气孔的石墨杆对铝基复合材料熔体(2)进行旋转搅拌精炼，在搅拌过程中对铝基复合材料熔体(2)通入高纯氩气，高纯氩气的流量为0.7～1m3/h，旋转搅拌时间为15～20min；静置10～15min之后除去铝基复合材料熔体(2)液面的浮渣；
步骤2：浇注铝基复合材料熔体(2)，具体过程是：
将金属材料制作的模具(5)安装到压力机上，向模具(5)的型腔内壁喷涂涂料，将模具(5)加热到250℃～280℃，将铝基复合材料熔体(2)通过蛇形浇道(3)浇注到模具(5)的型腔内，浇注温度控制在730℃～760℃；
步骤3：对铝基复合材料零件进行多梯次调压复合施压，具体过程是：
浇注完成后，移开蛇形浇道(3)，压力机按照设定的多梯次调压复合加压工艺施压，首先压力机上模以20～30mm/S速度下行，直至上模接触到铝基复合材料熔体(2)的液面，然后压力机对铝基复合材料熔体(2)施加低压压力为50-60MPa，保压时间为5-10S；当铝基复合材料熔体(2)处于合适的液-固相比例时，施加中压压力为80-100MPa，保压时间为15-20S；最后压力机升压至高压压力为140-150MPa，保压时间为30-40S，保压结束后停止加压，开模取出零件；
步骤4：对铝基复合材料零件进行后处理。
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