CN109013728B - 一种固液混合连续挤压制备高合金材料的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种固液混合连续挤压制备高合金材料的方法及装置，将熔融态的金属液沿导流板流入挤压轮槽中，待金属液流入轮槽中把粉末加入金属液中，固液混合物在挤压轮槽的转动和堵头的作用下进入模具，在模具中堆积并挤出得到成品；本发明具有半固态铸造中可以搅拌破碎枝晶的优点，同时可以避免产品由铸造所引起的组织粗大、不均匀的缺点，达到细化晶粒的目的；还可以提高致密度，提高材料的成材率；同时可以减少金属凝固时间，缩短工艺流程，提高生产效率。

Description

一种固液混合连续挤压制备高合金材料的方法及装置

技术领域

本发明公开一种固液混合连续挤压制备高合金材料的方法及装置，属于金属成形连续挤压技术领域。

背景技术

现有的制备高合金材料方法主要包括半固态加工法、喷射沉积法及固液混合铸造等一系列新方法。

半固态加工方法是由美国的Flemings教授等人提出的，其主要加工是用机械或者电磁搅拌的方法对合金熔体在固液两相区的某一温度下进行搅拌，通过这种方法达到打碎枝晶组织从而产生球形的固相颗粒，进而对这种熔体直接进行流变铸造的一种材料成形制备的工艺方法。这种方法可以在较低的浇注温度下产生较细晶粒组织，显著提高产品的质量，生产过程中易于材料的运输和实现自动化。但该工艺方法在实际生产中存在冷却速度慢，不能短时间能形成凝固组织，生产周期长效率低等缺点。

喷射沉积技术是在20世纪70年代由英国的Singer教授提出的一种快速凝固制备材料的先进加工技术，是快速凝固领域的一个重要突破，该技术涉及的工艺凝固较快，不仅可以制备Al、Cu、Pb合金、钢等难以加工的材料，还可以制备金属基复合材料，通过对合金熔体的气化或离心雾化是其主要原理，该技术可以获得细小且均匀的等轴晶，克服了一般铸造过程中的成分偏析的缺点，并降低了含氧量，加工过程中坯件冷却速度较快缩短了生产周期，提高效率。但该技术中在喷射沉积坯内经常会存在孔隙且孔隙率较高，孔隙率高将影响到材料的致密度，降低材料的力学性能；并且该技术中的工艺较为复杂，实际生产中难于控制且相对其它加工较为不安全。

中南大学的陈振华教授最先对固液混合铸造技术进行了探索性研究，并曾在2000年公开了一种合金与复合基材料的固液混合铸造方法，该方法是向过热度为50~100度的合金熔体中加入同种成分或者润湿性好的异种粉末，在将所得到的半固态熔体直接进行铸造。该混合铸造可以细化晶粒，减少平衡析出相的数量和尺寸，获得部分激冷凝固组织，合金性能优于传统铸造和半凝固铸造，该方法具有较快的冷却速度，可以获得快速凝固的组织；工艺简单且便于加工成形；形成具有良好流变性能的半固态组织可直接进行流变塑造成形；适合制备各种合金及复合材料，但该方法中存在致密度低，成材率不高的缺点。

发明内容

本发明基于半固态加工法能产生细晶粒组织，但冷却速度慢、生产周期长、效率低；喷射沉积技术的制品致密度低，工艺复杂且不安全；固液混合铸造制品致密度低，提出一种固液混合连续挤压制备高合金材料的方法及装置，以达到制品组织均匀、致密度高、生产效率高以及成材率高的目的，该方法将保持熔融状态的金属液沿导流板流入挤压轮槽中，待金属液流入轮槽中再通过送料装置均匀的把粉末加入金属液中，在挤压轮槽的转动以及堵头的作用下进入模具，这种固液混合物易于在模具中堆积并从中挤出得到成品。

本发明提出一种固液混合连续挤压制备高合金材料的方法，将熔融态金属液沿导流板流入挤压轮槽中，待金属液流入轮槽中再把粉末加入金属液中，固液混合物在挤压轮槽转动和堵头的作用下进入模具，在模具中固化堆积并挤出得到成品。

所述金属液为铝液、铝合金液、铜液或铜合金液，所述铝合金包括Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Fe-Si合金等，铜合金包括Cu-Sn合金、Cu-Ni合金等。

所述粉末为铝粉、铝合金粉、铜粉或铜合金粉，所述铝合金包括Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Fe-Si合金等，铜合金包括Cu-Sn合金、Cu-Ni合金等。

本发明还提供所述固液混合连续挤压制备高合金材料的装置，包括挤压轮1、挤压轮槽2、导流板3、加料装置4、模具6、堵头7；所述挤压轮1上设有挤压轮槽2，导流板3位于挤压轮槽2的上方，倾斜插入到挤压轮槽2中，加料装置4设置在轮槽上方垂直插入到挤压轮槽2中并位于导流板3一侧，挤压轮槽2内设有堵头7，堵头7与挤压轮槽2相切，堵头7与模具6连接。

所述导流板3插入挤压轮槽2的倾斜角为40～70°。

所诉挤压轮1还与电机连接。

所述加料装置3为加料漏斗、加料仓等。

所述模具6根据需要进行选择，模具入口与堵头7的上表面平齐，方便进料。

与现有制备高合金材料的方法相比，本发明方法具有如下优点：

（1）本发明将粉末加入到过热的金属熔液中，当室温下的粉末加入过热熔体时，一部分粉末会熔解剩余部分粉末和熔体达到一种半固态或固态形态，被熔解的粉末向熔体中吸收大量热量，从而使过冷度增大，增加形核率达到细化晶粒的效果。

（2）本发明结合了连续挤压的方法，不仅可以实现连续化生产的目的还减少了铸造和挤压结合的中间步骤，节约时间提高生产效率；而且在制造过程中是将粉末加入到过热的熔液中达到半固态或者固态形态从而增大了与挤压轮槽之间的摩擦力，并在模具中固化充实，提高了制品致密度和成材率。

（3）本发明金属液是经过导流板进入挤压轮槽，控制液体流动方向；通过加料装置将粉末加入金属熔液中使其既有半固态铸造中搅拌破碎枝晶、球化晶粒等所有优点，又有快速凝固的优点。

附图说明

图1为实施例1固液混合连续挤压制备高合金材料的装置的结构示意图；

图2为实施例1制备的Al-30Si合金金相组织图；

图3为铸态Al-30Si合金的金相组织图；

图4实施例2制备的Al-20Si-2Fe合金金相组织图；

图5为铸态Al-20Si-2Fe合金的金相组织图；

其中：1-挤压轮；2-挤压轮槽；3-导流板；4-加料装置；5-成品；6-模具；7-堵头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种固液混合连续挤压制备高合金材料的装置，如图1所示，包括挤压轮1、挤压轮槽2、导流板3、加料装置4、模具6、堵头7；所述挤压轮1上开有挤压轮槽2，导流板3位于挤压轮槽2的上方，倾斜40°角插入到挤压轮槽2中，加料装置4设置在轮槽上方垂直插入到挤压轮槽2中并位于导流板3一侧，挤压轮槽2内设有堵头7，堵头7与挤压轮槽2相切，堵头7上表面与挤压轮1圆心形成的直线和导流板3的插入点与挤压轮1圆心形成的直线垂直，堵头7与模具6连接，模具6为挤压模具，模具入口与堵头7的上表面平齐，方便进料，挤压轮1还与电机连接。

利用本实施例的装置进行固液混合连续挤压制备Al-30Si的方法，具体步骤如下：

（1）配料：按质量百分数70%的Al和30%的Si将原料混匀配好；

（2）熔炼：将步骤（1）配好的铝硅混合粉末放入坩埚中，将坩埚放入金属熔炼炉中，设定温度为889℃进行熔融；

（3）成型：将步骤（2）熔炼得到的金属熔液沿导流板3缓慢倒入挤压轮1上的挤压轮槽2中，启动电机，带动挤压轮1转动，挤压轮1的转速与金属熔液沿导流板3加入挤压轮槽2中的速度相适应，使金属熔液在挤压轮槽2中不堆积不断裂且覆盖满挤压轮槽2，通过加料装置3匀速加入按照步骤（1）的方法配制的质量百分数70%的Al和30%的Si的混合粉末，加入的混合粉末和金属熔液的质量比为2:1，加料速度视堵头7前端进料情况而定，堵头7前端坯料未溢出挤压轮槽2，即可连续加料，随着金属熔液和固体粉末的不断加入，在挤压轮1的转动和堵头7的作用下，金属熔液和固体粉末的混合物在挤压轮槽2内、堵头7处堆积后挤压变致密并进入模具6，最后在模具6出口处挤出合金杆料，得到直径为8毫米的Al-30Si合金杆料即为成品5，金相组织图如图2所示。

将步骤（2）熔炼得到的金属熔液浇注在石墨容器冷却成形得到常规方法制备的Al-30Si合金，金相组织图如图3所示。

对比图2和图3可知，本发明的方法制备的合金较常规浇注方法制备得到的合金组织细小且均匀分布。

实施例2

一种固液混合连续挤压制备高合金材料的装置，与实施例1的不同点在于：导流板3插入挤压轮槽2的倾斜角为70°，其他部件与实施例1的装置相同。

利用本实施例的装置进行固液混合连续挤压制备Al-20Si-2Fe的方法，具体步骤如下：

（1）配料：按质量百分数78%的Al、2%的Fe和20%的Si将原料混匀配好；

（2）熔炼：将步骤（1）配好的铝铁硅混合粉末放入坩埚中，将坩埚放入金属熔炼炉中，设定温度为1500℃进行熔融；

（3）成型：将步骤（2）熔炼得到的金属熔液沿导流板3缓慢倒入挤压轮1上的挤压轮槽2中，启动电机，带动挤压轮1转动，挤压轮1的转速与金属熔液沿导流板3加入挤压轮槽2中的速度相适应，使金属熔液在挤压轮槽2中不堆积不断裂且覆盖满挤压轮槽2，通过加料装置3匀速加入按照步骤（1）的方法配制的质量百分数78%的Al，2%的Fe和20%的Si的混合粉末，加入的混合粉末和金属熔液的质量比为2:1，加料速度视堵头7前端进料情况而定，堵头7前端坯料未溢出挤压轮槽2，即可连续加料，随着金属熔液和固体粉末的不断加入，在挤压轮1的转动和堵头7的作用下，金属熔液和固体粉末的混合物在挤压轮槽2内、堵头7处堆积后挤压变致密并进入模具6，最后在模具6出口处挤出合金杆料，得到直径为8毫米的Al-20Si-2Fe合金杆料成品，金相组织图如图4所示。

将步骤（2）熔炼得到的金属熔液浇注在石墨容器冷却成形得到常规方法制备的Al-20Si-2Fe合金，金相组织图如图5所示。

对比图4和图5可知，本发明的方法制备的合金较常规浇注方法制备得到的合金组织细小且均匀分布

实施例3

一种固液混合连续挤压制备高合金材料的装置，与实施例1的不同点在于：导流板3插入挤压轮槽2的倾斜角为60°，其他部件与实施例1的装置相同。

利用本实施例的装置进行固液混合连续挤压制备Al-5Cu的方法，具体步骤如下：

（1）配料：按质量百分数95%的Al和5%的Cu将原料混匀配好；

（2）熔炼：将步骤（1）配好的铝铜混合粉末放入坩埚中，将坩埚放入金属熔炼炉中，设定温度为1100℃进行熔融；

（3）成型：将步骤（2）熔炼得到的金属熔液沿导流板3缓慢倒入挤压轮1上的挤压轮槽2中，启动电机，带动挤压轮1转动，挤压轮1的转速与金属熔液沿导流板3加入挤压轮槽2中的速度相适应，使金属熔液在挤压轮槽2中不堆积不断裂且覆盖满挤压轮槽2，通过加料装置3匀速加入按照步骤（1）的方法配制的质量百分数95%的Al和5%的Cu的混合粉末，加入的混合粉末和金属熔液的质量比为2:1，加料速度视堵头7前端进料情况而定，堵头7前端坯料未溢出挤压轮槽2，即可连续加料，随着金属熔液和固体粉末的不断加入，在挤压轮1的转动和堵头7的作用下，金属熔液和固体粉末的混合物在挤压轮槽2内、堵头7堆积后挤压变致密并进入模具6，最后在模具6出口处挤出合金杆料，得到直径为8毫米的Al-5Cu合金杆料成品。

将步骤（2）的熔炼得到的金属熔液浇注在石墨容器冷却成形得到常规方法制备的Al-5Cu合金。

结合铸态Al-5Cu金相组织图和本方法加工后的Al-5Cu金相组织图可知，本发明的方法制备的合金较常规浇注方法制备得到的合金组织细小且均匀分布。

Claims (5)

1.一种固液混合连续挤压制备高合金材料的方法，其特征在于：将熔融态金属液沿导流板流入挤压轮槽中，把粉末加入金属液中，固液混合物在挤压轮槽转动和堵头的作用下进入模具，在模具中堆积并挤出得到成品；

其中固液混合连续挤压制备高合金材料的装置包括挤压轮（1）、挤压轮槽（2）、导流板（3）、加料装置（4）、模具（6）、堵头（7）；所述挤压轮（1）上设有挤压轮槽（2），导流板（3）位于挤压轮槽（2）的上方，倾斜插入到挤压轮槽（2）中，加料装置（4）设置在轮槽上方垂直插入到挤压轮槽（2）中并位于导流板（3）一侧，挤压轮槽（2）内设有堵头（7），堵头（7）与挤压轮槽（2）相切，堵头（7）与模具（6）连接；所述导流板（3）插入挤压轮槽（2）的倾斜角为40～70°。

2.根据权利要求1所述固液混合连续挤压制备高合金材料的方法，其特征在于：所述金属液为铝液、铝合金液、铜液或铜合金液。

3.根据权利要求1所述固液混合连续挤压制备高合金材料的方法，其特征在于：所述粉末为铝粉、铝合金粉、铜粉或铜合金粉。

4.根据权利要求1所述固液混合连续挤压制备高合金材料的方法，其特征在于：所述挤压轮（1）还与电机连接。

5.根据权利要求1所述固液混合连续挤压制备高合金材料的方法，其特征在于：所述模具（6）的入口与堵头（7）的上表面平齐。

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