CN109182823A - 挤压铸造模具及其可控挤压铸造晶须增强铝基复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

挤压铸造模具及其可控挤压铸造晶须增强铝基复合材料的方法，属于可控挤压铸造铝基复合材料领域。本发明针对晶须增强铝基复合材料挤压铸造过程中容易包裹空气造成复合材料内部存在气孔缺陷以及凝固方向难以控制导致缩松缺陷等问题。本发明通过对预制块实施铝包套、对浸渗过程及凝固过程预制块温度场进行控制，实现浸渗过程铝液前沿平直推进，避免包裹空气；同时实现保压凝固过程复合材料以自下而上顺序凝固，有助于铝液在压力作用下的有效补缩，减少缩松等缺陷。本发明旨在实现挤压铸造晶须增强铝基复合材料浸渗过程中的缺陷控制，提高复合材料良品率，降低生产成本。

Description

挤压铸造模具及其可控挤压铸造晶须增强铝基复合材料的 方法

技术领域

本发明属于可控挤压铸造铝基复合材料领域；具体涉及挤压铸造模具，可控挤压铸造晶须增强铝基复合材料的方法。

背景技术

挤压铸造工艺是制备晶须增强铝基复合材料的主要方法之一，该工艺的基本过程是：液态铝合金浸渗到晶须预制块的孔隙内、浸渗完成后液态铝合金发生凝固，从而完成晶须与铝合金的复合。挤压铸造方法可保持晶须在预制块中的分布状态，并可以实现金属～陶瓷晶须不润湿体系的材料合成；另外复合过程时间短，界面反应弱，对于一些反应体系可以有效控制界面反应程度；最后铝合金在高压条件下凝固，复合材料晶粒细小、致密度高，力学性能较好。

在挤压铸造过程中，为了提高模具使用寿命、特别是降低铝合金与晶须之间可能发生的界面反应，晶须预制块的温度往往低于铝合金熔点，而铝合金熔液的温度具有一定的过热度(温度高于其熔点)。当铝合金熔液浸渗到预制块中时，浸渗前沿的液面温度逐渐降低、熔液粘度提高，当温度低于铝合金熔点时，会导致铝合金浸渗过程停止从而导致复合过程失败。另外，当晶须与铝合金之间不润湿、预制块内温度分布不均匀时，浸渗过程中液相前沿难以保持平直液-气界面状态，可能造成未浸渗区域被浸渗区域包裹形成未浸渗区等缺陷。最后，浸渗结束后的凝固过程中，理想情况是形成从预制块下端向上端逐层凝固的状态，以便在预制块上端施加的压力能够促进铝合金熔体的补缩。否则容易产生因无法充分补缩而形成的微观缩松等缺陷。

发明内容

本发明针对晶须增强铝基复合材料挤压铸造过程中容易包裹空气造成复合材料内部存在气孔缺陷以及凝固方向难以控制导致缩松缺陷等问题。本发明公开了一种通过对预制块实施铝包套、并控制浸渗过程及凝固过程温度场，从而促进铝合金熔液完全浸渗、并在浸渗后以逐层凝固方式进行凝固从而有效补缩并避免产生凝固缺陷。该挤压铸造方法制备的晶须增强铝基复合材料致密度高，浸渗与凝固过程完全可控，提高了复合材料良品率并降低了生产成本。

本发明中挤压铸造模具，包括底部模具加热炉1和模具套筒4，还包括下石墨垫2，以及相互配合上模具加热炉6和下模具加热炉3；底部模具加热炉1上设置有下模具加热炉3，下模具加热炉3上设置有上模具加热炉6，下模具加热炉3内设置有模具套筒4，模具套筒4内设置有石墨垫2；所述下石墨垫2上设置凹槽201，凹槽201底部均布通孔。

进一步地限定，下石墨垫2上的凹槽的深度为2～3mm、直径比预制块外径大2±0.5mm，凹槽201底部通孔的直径为2mm，相邻通孔之间的中心距为5mm。

进一步地限定，下模具加热炉3的高度为预制块高度±20mm。

进一步地限定，下模具套筒4内径比石墨垫2外径小1～1.5mm，下石墨垫2的外边缘的上部设置有倒角。

本发明可控挤压铸造晶须增强铝基复合材料的方法，所述铸造复合材料的过程中采用上述的模具，具体是通过下述步骤完成的：

步骤一、将下石墨垫2放置于底部模具加热炉1上，将预制块5放置在下石墨垫2凹槽内，将内表面涂有润滑剂的模具套筒4套在下石墨垫2上，再在模具套筒外部安放下模具加热炉3，将上模具加热炉6放置在下模具加热炉3上；

步骤二、将底部模具加热炉1，下模具加热炉3、上模具加热炉6通电，以100±5℃/h的加热速率升温至500～600℃，保温加热1～2h；

步骤三、迅速将熔融态的浇圈用纯铝液浇铸于模具套筒4与预制块5之间的空隙中，浇铸至铝液上表面与预制块5上端面齐平，以不超过100±5℃/h的速率升温至浸渗用铝合金熔点±10℃的温度，保温时间3～5h；

步骤四、然后向模具套筒4内迅速浇铸熔融态的浸渗用铝合金，再依次放入上石墨垫10和上压头11，施加压力，在温度为铝合金熔点±10℃条件下进行浸渗，浸渗用铝合金液9在上石墨垫10以及上压头11作用下缓慢浸渗进入预制块5内部；8为已浸渗铝合金的预制块区域；浸渗过程中保持所有模具加热炉工作，保证预制块温度场均匀分布以及液相前沿平直推进；

步骤五、将底部模具加热炉1，下模具加热炉3电源关闭，保证复合材料在保压凝固过程中下部温度低于上部温度，使其自下而上凝固，按照5MPa/s的速率将压力升至50～100MPa，对浸渗后的预制块进行保压处理，保压时间为30～60min，脱模，去除上部残留的铝合金以及四周铝包套，获得晶须增强铝基复合材料铸锭。

步骤三所述熔融态的浇圈用纯铝液是按下述步骤制备的：将纯铝锭的表面依次用无水乙醇及砂纸处理(去除其表面油污及氧化皮)，吹干，放入坩埚内，再置于电阻炉内，加热，待铝锭完全熔化后保温30～60min，所述纯铝锭的纯度≥99.6wt.％(质量)。

步骤四所述熔融态的浸渗用铝合金是按下述步骤制备的：将铝合金铸锭的表面依次用无水乙醇及砂纸处理(去除其表面油污及氧化皮)，吹干，放入坩埚内，再置于电阻炉内，加热，待铝合金铸锭完全熔化后保温30-60min，所述铝合金铸锭可依据复合材料组分要求选择任意一种商用铝合金。

步骤三中熔融态的浇圈用纯铝液转移时间不超过15s；步骤四中熔融态的浸渗用铝合金液转移时间不超过15s。

步骤四采用3～5MPa压力进行浸渗。

本发明中润滑剂采用润滑油与粒度为5～50μm的石墨粉配制而成，比例为每1mL润滑油加入2～5g石墨粉，润滑剂采用机械搅拌均匀制备而成。

本发明方法所述复合材料制备过程需要准备包套用纯铝锭及浸渗用铝合金铸锭，其中包套用纯铝铸锭采用纯铝锭，其纯度达到工业纯以上(≥99.6％)；浸渗用铝合金铸锭可依据复合材料组分要求选择任意一种商用铝合金。包套用纯铝锭的选用原则为尽可能选择熔点高于浸渗用铝合金锭，浸渗过程中铝包套可起到阻隔液态金属沿着预制块/模具缝隙渗入的作用，另外铝包套可起到支撑预制块、防止预制块变形的作用。

本发明熔铝坩埚可选用石墨坩埚或氧化铝坩埚，熔化浇圈用纯铝时，坩埚加热温度比选用的浇圈用纯铝熔点高50～100℃；熔化浸渗用铝合金时，坩埚加热温度比选用的浸渗用铝合金熔点高50～100℃。

本发明中熔铝合金的坩埚可选用石墨坩埚或氧化铝坩埚，浸渗用铝合金的质量是完全填充预制块所需铝合金质量的1.5～2倍。

本发明通过对预制块实施铝包套、对浸渗过程及凝固过程预制块温度场进行控制，实现浸渗过程铝液前沿平直推进，避免包裹空气；同时实现保压凝固过程复合材料以自下而上顺序凝固，有助于铝液在压力作用下的有效补缩，减少缩松等缺陷。本发明旨在实现挤压铸造晶须增强铝基复合材料浸渗过程中的缺陷控制，提高复合材料良品率，降低生产成本。

附图说明

图1是挤压铸造模具结构示意图；

图2是图1的a处放大图；

图3是挤压铸造过程示意图；

图4是挤压铸造20vol.％SiCw/6061Al复合材料铸锭照片，1—晶须增强复合材料，2—铝包套；

图5是铸态20vol.％SiCw/6061Al复合材料金相(OM)组织照片(50×)；

图6是铸态20vol.％SiCw/6061Al复合材料扫描电镜(SEM)组织照片(100×)。

具体实施方式

实施例1：结合图1说明，挤压铸造模具，包括底部模具加热炉1和模具套筒4，还包括下石墨垫2，以及相互配合上模具加热炉6和下模具加热炉3；底部模具加热炉1上设置有下模具加热炉3，下模具加热炉3上设置有上模具加热炉6，下模具加热炉3内设置有模具套筒4，模具套筒4内设置有石墨垫2；所述下石墨垫2上设置凹槽201，凹槽201底部均布通孔；

下石墨垫2上的凹槽的深度为3mm、直径比预制块外径大2mm，凹槽201底部通孔的直径为2mm，相邻通孔之间的中心距为5mm；

下模具加热炉3的高度200mm，比预制块大5mm；

下模具套筒4内径比石墨垫2外径小1.5mm，下石墨垫3的外边缘的上部设置有倒角。

本实施例可控挤压铸造晶须增强铝基复合材料的方法，所述铸造复合材料的过程中采用上述的模具，具体是通过下述步骤完成的：

步骤一、将下石墨垫2放置于底部模具加热炉1上，将预制块5放置在下石墨垫2凹槽内，将内表面涂有润滑剂的模具套筒4套在下石墨垫2上，再在模具套筒外部安放下模具加热炉3，将上模具加热炉6放置在下模具加热炉3上；

步骤二、将底部模具加热炉1，下模具加热炉3、上模具加热炉6通电，以100±5℃/h的加热速率升温至550℃，保温加热2h；

步骤三、迅速将熔融态的浇圈用纯铝液浇铸于模具套筒4与预制块5之间的空隙中，转移时间不超过15s，浇铸至铝液上表面与预制块上端面齐平，以不超过100℃/h的速率升温至660℃(比浸渗用6061铝合金熔点高10℃)的温度，保温时间4h；

步骤四、然后向模具套筒4内迅速浇铸熔融态的浸渗用铝合金，转移时间不超过15s，再依次放入上石墨垫10和上压头11，施加压力，在温度为660℃条件下采用5MPa压力进行浸渗，铝合金液缓慢浸渗于预制块内(参见图3)；

步骤五、将底部模具加热炉1，下模具加热炉3电源关闭，按照5MPa/s的速率将压力升至60MPa，对浸渗后的预制块进行保压处理，保压时间为60min，脱模，去除上部残留的铝合金以及四周铝包套，获得20vol.％SiCw/6061Al晶须增强铝基复合材料铸锭。

步骤三所述熔融态的浇圈用纯铝液是按下述步骤制备的：将纯铝锭的表面依次用无水乙醇及砂纸处理(去除其表面油污及氧化皮)，吹干，放入坩埚内，再置于电阻炉内，加热，待铝锭完全熔化后保温30-60min，所述纯铝锭的纯度≥99.6wt.％。

步骤四所述熔融态的浸渗用铝合金是按下述步骤制备的：将6061铝合金铸锭的表面依次用无水乙醇及砂纸处理(去除其表面油污及氧化皮)，吹干，放入坩埚内，再置于电阻炉内，加热，待铝合金铸锭完全熔化后保温60min。

图4所示为挤压铸造20vol.％SiCw/6061Al复合材料铸锭照片。图示端面为原始预制块上端面。复合材料四周被一圈铝包套包围，其中1为SiCw/6061Al复合材料区，2为浇圈纯铝包套区。

图5所示为铸态20vol.％SiCw/6061Al复合材料抛光表面的金相(OM)组织照片。

图6所示为铸态20vol.％SiCw/6061Al复合材料抛光表面扫描电镜(SEM)组织照片。图5表明，复合材料组织均匀、无晶须团聚区。图6表明，复合材料致密度高，无孔洞存在。

Claims (10)

1.挤压铸造模具，包括底部模具加热炉(1)和模具套筒(4)，其特征在于还包括下石墨垫(2)，以及相互配合上模具加热炉(6)和下模具加热炉(3)；底部模具加热炉(1)上设置有下模具加热炉(3)，下模具加热炉(3)上设置有上模具加热炉(6)，下模具加热炉(3)内设置有模具套筒(4)，模具套筒(4)内设置有石墨垫(2)；所述下石墨垫(2)上设置凹槽(201)，凹槽(201)底部均布通孔。

2.根据权利要求1所述的挤压铸造模具，其特征在于下石墨垫(2)上的凹槽的深度为2～3mm、直径比预制块外径大2±0.5mm，凹槽(201)底部通孔的直径为2mm，相邻通孔之间的中心距为5mm。

3.根据权利要求1或2所述的挤压铸造模具，其特征在于下模具加热炉(3)的高度为预制块高度±20mm。

4.根据权利要求3所述的挤压铸造模具，其特征在于模具套筒(4)内径比石墨垫(2)外径小1mm～1.5mm，下石墨垫(2)的外边缘的上部设置有倒角。

5.可控挤压铸造晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于所述铸造复合材料的过程中采用权利要求1至4任意一项权利要求所述的模具，具体是通过下述步骤完成的：

步骤一、将下石墨垫(2)放置于底部模具加热炉(1)上，将预制块(5)放置在下石墨垫(2)凹槽内，将内表面涂有润滑剂的模具套筒(4)套在下石墨垫(2)上，再在模具套筒外部安放下模具加热炉(3)，将上模具加热炉(6)放置在下模具加热炉(3)上；

步骤二、将底部模具加热炉(1)，下模具加热炉(3)、上模具加热炉(6)通电，以100±5℃/h的加热速率升温至500～600℃，保温加热1～2h；

步骤三、迅速将熔融态的浇圈用纯铝液浇铸于模具套筒(4)与预制块(5)之间的空隙中，浇铸至铝液上表面与预制块(5)上端面齐平，以不超过100±5℃/h的速率升温至浸渗用铝合金铝熔点±10℃的温度，保温时间3～5h；

步骤四、然后向模具套筒(4)内迅速浇铸熔融态的浸渗用铝合金，再依次放入上石墨垫(10)和上压头(11)，施加压力，在温度为铝合金熔点±10℃条件下进行浸渗，浸渗用铝合金液(9)缓慢浸渗于预制块内；

步骤五、将底部模具加热炉(1)，下模具加热炉(3)电源关闭，按照5MPa/s的速率将压力升至50～100MPa，对浸渗后的预制块进行保压处理，保压时间为30～60min，脱模，去除上部残留的铝合金以及四周铝包套，获得晶须增强铝基复合材料铸锭。

6.根据权利要求5所述的铸造方法，其特征在于步骤三所述熔融态的浇圈用纯铝液是按下述步骤制备的：将纯铝锭的表面依次用无水乙醇及砂纸处理(去除其表面油污及氧化皮)，吹干，放入坩埚内，再置于电阻炉内，加热，待铝锭完全熔化后保温30-60min，所述纯铝锭的纯度≥99.6wt.％(质量)。

7.根据权利要求5所述的铸造方法，其特征在于步骤四所述熔融态的浸渗用铝合金是按下述步骤制备的：将铝合金铸锭的表面依次用无水乙醇及砂纸处理(去除其表面油污及氧化皮)，吹干，放入坩埚内，再置于电阻炉内，加热，待铝合金铸锭完全熔化后保温30-60min。

8.根据权利要求7所述的铸造方法，其特征在于浸渗用铝合金铸锭可依据复合材料组分要求选择任意一种商用铝合金。

9.根据权利要求5所述的铸造方法，其特征在于步骤四中熔融态的浸渗用铝合金液转移时间不超过15s。

10.根据权利要求5所述的铸造方法，其特征在于步骤四采用3～5MPa压力进行浸渗。