CN108856326A - 基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的装置及方法 - Google Patents

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杨钊
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Abstract

基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的装置及方法，它涉及金属基复合材料制造领域，以解决现有利用金属废屑制备金属基复合材料的方法增强相分散不均匀和增强相与金属基体界面结合差的问题。本发明包括上固定垫片、下固定垫片、电阻炉、缩颈体、上挤压伸缩头、下挤压伸缩头和挤压筒；各设有通孔的上固定垫片和下固定垫片分别设置在电阻炉的上下两侧，下固定垫片固定在液压挤压机的工作台上，挤压筒设置在电阻炉的内部，与上固定垫片上的通孔配合的上挤压伸缩头和与下固定垫片上的通孔配合的下挤压伸缩头分别与挤压筒的内壁配合并能上下移动。本发明适用于金属基复合材料的制备。

Description

基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的装置及方法
技术领域
本发明具体涉及基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的装置及方法。
背景技术
近年来，受冶金工业、交通运输、国防军工和日常生活等方面对镁合金及铝合金的需求的影响必然会带动镁合金与铝合金回收技术的研究与发展，由于镁和铝属活泼金属，采用粉末冶金、回炉熔炼等手段回收再生利用有难度、回收率低且成本高，因此迫切需要选择合适的镁、铝合金废料回收方法。同时，科学技术的突飞猛进对材料性能提出越来越高、越来越多的要求。科学人员按照零部件的功能要求，通过在金属材料中加入综合性能良好的增强相，制得具优异抗拉强度、屈服强度和延伸率等性能的金属基复合材料。如在“固相回收颗粒增强镁基复合材料SiCp-ZK60制备及性能研究”的论文中，通过将ZK60镁合金屑和SiC颗粒进行混合、冷压及热挤制得一次挤压SiCp-ZK60镁基复合材料，该复合材料的室温抗拉强度和屈服强度在SiCp颗粒尺寸为30μm时达到峰值，较之铸态ZK60镁合金分别提高10.0％和25.2％。
综上，现有的多种制备金属基复合材料的方法中，由于增强相之间团聚缠绕，造成增强相分散不均匀且增强相和基体之间结合强度弱的问题，因此如何提高增强相在金属基体中分散均匀程度已成为制备性能金属基复合材料的主要研究方向。
发明内容
本发明为了解决现有利用金属废屑制备金属基复合材料的方法增强相分散不均匀和增强相与金属基体界面结合差的问题，而提供基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的装置及方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
方案一：基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的装置包括上固定垫片、下固定垫片、电阻炉、缩颈体、上挤压伸缩头、下挤压伸缩头和挤压筒；
各设有通孔的上固定垫片和下固定垫片分别设置在电阻炉的上下两侧，下固定垫片固定在液压挤压机的工作台上，挤压筒设置在电阻炉的内部，具有通孔的缩颈体设置在挤压筒内将挤压筒的内腔分成上挤压腔和下挤压腔，与上固定垫片上的通孔配合的上挤压伸缩头和与下固定垫片上的通孔配合的下挤压伸缩头分别与挤压筒的内壁配合并能上下移动，挤压筒上设有温度传感器。
方案二：基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的方法，它包括以下步骤：
一、将纯净的金属屑与增强相放入到混料机中机械混合；
二、将混合后的金属屑和增强相冷压成预制坯料；
三、将预制坯料放入到所述上挤压腔中，进行加热，加热到金属基体的半固态温度区间，保温一段时间；
四、对加热保温后的预制坯料进行半固态挤压；
通过液压挤压机驱动上挤压伸缩头使上挤压伸缩头向下移动，使预制坯料通过缩颈体上的通孔进入到下挤压腔中，再通过液压挤压机驱动下挤压伸缩头，使预制坯料通过缩颈体上的通孔进入到上挤压腔中，至此完成一次挤压；
五、至少重复步骤四两次；
六、停止加热，取出半固态金属基复合材料，进行空气冷却或水冷。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明利用半固态往复式挤压工艺回收金属废屑制备金属基复合材料的工艺及装置将增强相-金属屑机械搅拌后CO2气氛干燥并结合半固态往复式挤压工艺即可满足热挤压对温度的要求，也可使得增强相在固液共存的金属基体中分散均匀，获得组织致密、无缺陷且增强体和基体之间结合良好的金属基复合材料。由于采用往复式挤压，在缩颈区坯料产生大塑性变形并反复发生动态再结晶，可达到限制半固态状态下基体中晶粒的长大的目的。因此这种半固态往复式挤压工艺制备金属基复合材料的制备方法具有工艺简单、加工成本低且易于实现，可操作性强的特点。
附图说明
图1是本发明的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1来说明本实施方式，本实施方式基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的装置包括上固定垫片2、下固定垫片6、电阻炉4、缩颈体5、上挤压伸缩头1、下挤压伸缩头7和挤压筒3；
各设有通孔的上固定垫片2和下固定垫片6分别设置在电阻炉4的上下两侧，下固定垫片6固定在液压挤压机的工作台上，挤压筒3设置在电阻炉4的内部，具有通孔的缩颈体5设置在挤压筒3内并将挤压筒3的内腔分成上挤压腔和下挤压腔，与上固定垫片2上的通孔配合的上挤压伸缩头1和与下固定垫片6上的通孔配合的下挤压伸缩头7分别与挤压筒3的内壁配合并能上下移动，挤压筒3上设有温度传感器8。
温度传感器8通过导线与电阻炉控制柜中的PLC的输入端连接，PLC的输出端与温度显示器连接；所述电阻炉优选为圆筒形半开式电阻炉。
上挤压伸缩头1和下挤压伸缩头7通过液压挤压机驱动。
具体实施方式二：结合图1来说明本实施方式，本实施方式所述缩颈体5为圆柱形，缩颈体5上的通孔的两端设有倒角，缩颈体5上的通孔与倒角光滑过渡。
缩颈体5上的通孔的两端设有倒角，缩颈体5上的通孔与倒角光滑过渡，挤压时起到缓冲作用，减小挤压力。
其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1来说明本实施方式，本实施方式所述上挤压腔与下挤压腔的容积相同。
其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1来说明本实施方式，本实施方式所述上挤压腔的纵截面积或所述下挤压腔的纵截面积与所述缩颈体5上的通孔的纵截面积比为25:1-35:1。
如此设置的目的是不同材料的塑性不同，缩颈体5上通孔的体积与上挤压腔或下挤压腔的体积比不同，晶粒的细化程度则不同。
其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1来说明本实施方式，本实施方式基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的方法，它包括以下步骤：
一、将纯净的金属屑与增强相放入到混料机中机械混合；
二、将混合后的金属屑和增强相冷压成预制坯料；
三、对预制坯料进行加热，加热到金属基体的半固态温度区间，保温一段时间；
四、对预制坯料进行往复式的挤压；
五、至少重复步骤四两次；
六、停止加热，取出半固态金属基复合材料，进行空气冷却或水冷。
其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1来说明本实施方式，本实施方式步骤一中机械混合时间为1-300min，机械混合为干混合或湿混合，进行湿混合时采用无残留易挥发的液体，湿混合后将预制坯料置于CO2气氛的烘干箱中，在30-35℃中干燥。
其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1来说明本实施方式，本实施方式步骤三中的保温时间为5-60min。
如此设置一是为了使金属屑与增强相的温度均匀，二是为了获得这个时间段内的球状晶体。
其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图1来说明本实施方式，本实施方式所述无残留易挥发的液体为无水酒精。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。
实施例一：
以AZ31B镁合金制备碳纤维增强AZ31B镁基复合材料的实施例，来说明本发明，它包括以下步骤：
步骤一：将97g纯净的AZ31B镁合金屑和3g碳纤维放入混料机中机械混合60min；进行湿混，加入99.99％的分析酒精，并在混合后置于CO2气氛烘干箱(RT+10℃)中干燥2h；
步骤二：将混合均匀的AZ31B镁合金屑和碳纤维冷压制得直径为40mm的预制坯料；
步骤三：将预制坯料置于上挤压腔，开启电阻炉4，加热挤压模具与预制坯料，预制坯料随炉升温至610℃，达到预设温度后保温20min；
步骤四：达到预设保温温度和保温时间后，开启液压挤压机，液压挤压机驱动上挤压伸缩压头1将预制坯料通过缩颈体5压入到下挤压腔，液压挤压机驱动再驱动下挤压伸缩压头7将预制坯料通过缩颈体5压入到上挤压腔，完成一次挤压。
步骤五：重复上述步骤四六次；
步骤六：挤压完毕后关闭电阻炉4，取出半固态碳纤维增强AZ31B镁基复合材料，进行水冷。
本实施例中缩颈体5上的通孔的纵截面积与上挤压腔的纵截面积或下挤压腔的纵截面积比为25:1。
采用半固态的方式，利用AZ31B镁合金制备碳纤维增强AZ31B镁基复合材料，减小碳纤维增强AZ31B镁基复合材料裂纹倾向，与传动的热挤压方式相比，采用半固态挤压使碳纤维增强AZ31B镁基复合材料的抗拉强度提高10％左右。
实例二：
以AZ91D镁合金制备石墨烯增强AZ91D镁基复合材料的实施例，来说明本发明，它包括以下步骤：
步骤一：将59.82g纯净的AZ91D镁合金屑和0.18g石墨烯放入混料机中机械混合120min；进行湿混，加入99.99％的分析酒精，并在混合后置于CO2气氛烘干箱(RT+10℃)中干燥2h；
步骤二：将混合均匀的AZ91D镁合金屑和石墨烯冷压制得直径为40mm的预制坯料；
步骤三：将预制坯料置于上挤压腔，开启电阻炉4，加热挤压模具与预制坯料，预制坯料随炉升温至580℃，达到预设温度后保温30min；
步骤四：达到预设保温温度和保温时间后，开启液压挤压机，液压挤压机驱动上挤压伸缩压头1将预制坯料通过缩颈体5压入到下挤压腔，液压挤压机驱动再驱动下挤压伸缩压头7将预制坯料通过缩颈体5压入到上挤压腔，完成一次挤压。
步骤五：重复上述步骤五和步骤六八次。
步骤六：挤压完毕后关闭电阻炉4，取出半固态石墨烯增强AZ91D镁基复合材料，进行水冷。
利用AZ91D镁合金制备石墨烯增强AZ91D镁基复合材料，与传动的热挤压方式相比，使石墨烯增强AZ91D镁基复合材料的抗拉强度提高8％左右。

Claims (8)

1.基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的装置，其特征在于：它包括上固定垫片(2)、下固定垫片(6)、电阻炉(4)、缩颈体(5)、上挤压伸缩头(1)、下挤压伸缩头(7)和挤压筒(3)；
各设有通孔的上固定垫片(2)和下固定垫片(6)分别设置在电阻炉(4)的上下两侧，下固定垫片(6)固定在液压挤压机的工作台上，挤压筒(3)设置在电阻炉(4)的内部，具有通孔的缩颈体(5)设置在挤压筒(3)内并将挤压筒(3)的内腔分成上挤压腔和下挤压腔，与上固定垫片(2)上的通孔配合的上挤压伸缩头(1)和与下固定垫片(6)上的通孔配合的下挤压伸缩头(7)分别与挤压筒(3)的内壁配合并能上下移动，挤压筒(3)上设有温度传感器(8)。
2.根据权利要求1所述的基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的装置，其特征在于：所述缩颈体(5)为圆柱形，缩颈体(5)上的通孔的两端设有倒角，缩颈体(5)上的通孔与倒角光滑过渡。
3.根据权利要求2所述的基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的装置，其特征在于：所述上挤压腔与下挤压腔的容积相同。
4.根据权利要求3所述的基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的装置，其特征在于：所述上挤压腔的纵截面积或所述下挤压腔的纵截面积与所述缩颈体(5)上的通孔的纵截面积比为25:1-35:1。
5.基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
一、将纯净的金属屑与增强相放入到混料机中机械混合；
二、将混合后的金属屑和增强相冷压成预制坯料；
三、将预制坯料放入到所述上挤压腔中，进行加热，加热到金属基体的半固态温度区间，保温一段时间；
四、对加热保温后的预制坯料进行半固态挤压；
通过液压挤压机驱动上挤压伸缩头(1)使上挤压伸缩头(1)向下移动，使预制坯料通过缩颈体(5)上的通孔进入到下挤压腔中，再通过液压挤压机驱动下挤压伸缩头(7)，使预制坯料通过缩颈体(5)上的通孔进入到上挤压腔中，至此完成一次挤压；
五、至少重复步骤四两次；
六、停止加热，取出半固态金属基复合材料，进行空气冷却或水冷。
6.根据权利要求5所述的基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的方法，其特征在于：步骤一中机械混合时间为1-300min，机械混合为干混合或湿混合，进行湿混合时采用无残留易挥发的液体，湿混合后将预制坯料置于CO2气氛的烘干箱中，在30-35℃中干燥。
7.根据权利要求6所述的基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的方法，其特征在于：步骤三中的保温时间为5-60min。
8.根据权利要求7所述的基于半固态往复式挤压制备金属基复合材料的方法，其特征在于：所述无残留易挥发的液体为无水酒精。
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