CN109807272B - 一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，先制成一定尺寸和形状的铝合金芯体和钢套，将铝合金芯体加热保温至半固态组织状态，钢套加热至热塑态，迅速将铝合金芯体和钢套导入模具，并装配完成复合锻造。利用铝合金处于半固态时具备的良好流动性,实现了铝合金芯体和钢套的协调变形，使复合构件成型更精密；另外，利用半固态的铝合金芯体中的液相部分与钢套反应形成稳定界面，结合强度高。实现铝钢双金属协调变形且界面可靠的冶金结合，将钢的高性能优势和铝合金的轻量化优势有效集成。

Description

一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域中一种双金属构件成型方法，具体是指一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法。

背景技术

随着能源供应的日益严峻，绿色环保和节能减排受到世界各国越来越多的重视，其中，轻量化材料及其成型制造技术对现代工业具有重要意义，并已在汽车工业和武器装备等领域得到广泛应用。

铝钢复合是一种重要的轻量化方式，其采用钢质层与铝芯的复合锻造工艺制造。在复合构件外层由于要求高性能则采用钢质材料，内部区域采用铝合金材料达到复合构件整体轻量化的目的，两者通过复合锻造的方式实现两种金属在同一构件中的优化匹配。复合锻造技术具有力学性能高，尺寸精确、效率高等显著优势。

目前常规铝钢复合锻造技术主要面临几方面问题，一是铝钢变形不协调，铝钢两种金属均采用热塑性成型工艺，铝合金芯体仍具有较大的变形抗力，导致钢和铝的变形不同步，进而造成钢质层产生厚度严重不均匀、折叠、局部破损等缺陷；二是铝钢界面结合性差，由于钢和铝合金的热膨胀系数相差较大，容易导致铝钢界面产生裂纹，此外，由于铝表面易形成致密的氧化膜，在常规复合锻造过程中，氧化膜难以有效破碎，以致无法获得可靠的冶金界面，严重影响了界面的结合性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足，提供一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，包括以下几个步骤：

步骤一、准备用于复合锻造铝钢双金属构件的模具，最终复合锻造的铝钢双金属构件为复合构件，所述模具包括模具内腔、凸模及顶杆，所述模具内腔的形状与最终成型的所述复合构件的形状相同；

步骤二、根据所成型零件的尺寸和性能要求，制备一定尺寸和形状的钢套和铝合金芯体，且所述铝合金芯体的直径小于所述钢套的内径；

步骤三、将所述铝合金芯体预热至600-630℃，保温20-40分钟，使所述铝合金芯体的组织状态转化为液相率为40-60％的半固态状态；

步骤四、在步骤三保温结束前5分钟，将所述钢套迅速加热至800-1000℃，用测温装置实时监测并控制所述钢套温度，保持温度一定时间至所述钢套内各区域温度均匀，使所述钢套变为热塑态；

步骤五、同时将加热完成的半固态的所述铝合金芯体和热塑态的所述钢套迅速转移至所述模具凹槽内，且使所述铝合金芯体在所述钢套的内部，完成装配；

步骤六、所述凸模迅速下行，对所述铝合金芯体和所述钢套施加一定的压力，使半固态的所述铝合金芯体在压力的作用下充满所述钢套并紧密结合，所述铝合金芯体和所述钢套发生冶金结合，形成复合构件，并且，在所述凸模的压力作用下，所述复合构件按照所述模具内腔的形状进行塑性变形，充满所述模具，所述凸模保持压力一定时间；

步骤七、所述复合构件变形并充满所述模具后，所述凸模上行，所述顶杆上行将成型好的所述复合构件顶出,完成铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型的过程。

进一步，在步骤二中，所述铝合金芯体为圆柱体，所述钢套为圆环体，且所述铝合金芯体的直径比所述钢套的内径小2mm。

进一步，在步骤三中，所述铝合金芯体的加热温度为620℃，保温时间为30分钟，所述铝合金芯体的液相率为40％；在步骤四中，所述钢套的加热温度为1000℃，所述钢套的保温时间为2～3分钟。

进一步，在步骤六中，所述凸模下行时，对所述铝合金芯体和所述钢套施加一定的压力，所述凸模的下行速度为15mm/s，保持压力的时间为30s。

进一步，所述铝合金芯体的纯度大于90％。

进一步，所述铝合金芯体的材质为2024铝合金、7075铝合金、6061铝合金、颗粒增强铝基复合材料中的任意一种。

进一步，所述钢套的材质为45#钢、304不锈钢、40Cr、40CrMo、42CrMo、CF170等齿轮用钢中的任意一种。

进一步，在步骤三和步骤四中，所述铝合金芯体和钢套的加热方式为通过红外加热装置或感应加热装置加热，在步骤四中，所述测温装置为红外测温装置。

进一步，所述红外加热装置为红外加热炉，所述感应加热装置为电磁感应加热炉，所述红外测温装置为红外测温仪。

进一步，所述模具内腔的形状为齿轮、法兰、轴类件等零件形状中的任意一种。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

本发明中将半固态的铝合金和热塑态的钢套有机结合，将铝合金加热至半固态组织状态，并作为复合构件芯体，利用其触变流动性好、流变应力远低于热塑态钢套的优点，使其与钢套协调同步变形，使得复合构件成型更精密，并且，铝合金芯体在钢套内部提供支撑力，使钢套有固定的变形趋势，防止钢套产生失稳、折叠、厚度不均匀、局部破损等缺陷。

本发明中将铝合金芯体加热至半固态，一方面，半固态铝合金表面形成的氧化膜和钢套结合强度底，变形过程中易破碎，有利于铝合金芯体和钢套之间的结合；另一方面，在铝合金芯体的部分液相条件下，可促进元素扩散和反应，有助与铝和钢获得可靠稳定的冶金界面，结合强度高。此外，将铝合金芯体加热至半固态的温度相对于熔焊的温度较低，避免了复合成型过程中形成较厚、易脆断的铝钢金属化合物，影响冶金界面的稳定性。

在凸模向下压时，钢套对半固态铝合金芯体施加反向压力，使其处于上、下、周围的三向压应力状态之下，可有效控制铝合金芯体在触变成型过程中固液偏析现象的发生，即，防止半固态的铝合金芯体中的液态部分被挤出，从而提高复合构件内部铝合金芯体的组织性能均匀性。

本发明以硬度强的钢制材料在外、密度小的铝制材料在内，将钢的高性能优势和铝合金的轻量化优势有效集成，制成一个复合构件，从而满足航空航天、汽车工业和武器装备等领域中，零件兼具硬质耐磨和质量轻便两种功能的要求，达到绿色环保和节能减排的目的。

附图说明

图1为本发明中铝合金芯体和钢套在模具中未进行锻造状态的剖视图；

图2为本发明中铝合金芯体和钢套在模具中变形过程的剖视图；

图3为应用本发明成型方法制成的复合构件的展示图。

图中标号：1、凸模；2、模具；3、垫块；4、顶杆；5、铝合金芯体；6、钢套；7、复合构件；8、模具内腔；9、压块。

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式并参照附图对本发明进行进一步说明。

本说明书上的词汇是为了说明本发明的实施例而使用的，但不是试图要限制本发明。

目前常规铝钢复合锻造技术主要面临几方面问题，一是铝钢变形不协调，二是铝钢界面结合性差，针对这两个问题，本发明提供了一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，其中，铝合金作为芯体，钢材料作为外套，并且将铝合金芯体加热至半固态，将钢套加热至热塑态，通过锻压使两种材料更好的结合在一起。

本发明中的成型方法将铝合金芯体加热至半固态状态，利用其良好的流动性与钢套相结合成型，但过于液化会导致无法夹持放入模具，过于固化则会影响铝钢的结合效果，铝合金芯体所需的液相率应在约40％～60％之间，而铝合金芯体的液相线大约在690度左右，固相线大约在540度左右，即，铝合金芯体在540度至690度之间均为半固态的状态，根据液相率为40％～60％之间的条件，可得需将铝合金芯体的温度加热至600-630℃。

本发明中的成型方法将钢套加热至热塑态，钢套的加热速度很快，且加热时间长会氧化，实验证明，将钢套加热5分钟即可达到较好的完全加热状态。

下面结合图1图2说明本发明的实施方式，具体分为以下步骤：

一.根据需要准备用于复合锻造成型铝钢双金属构件的模具，最终复合锻造的铝钢双金属构件为复合构件，模具包括模具内腔8，模具内腔8的形状与最终成型的复合构件的形状相同；

二.根据所成型零件的尺寸和性能要求，制备一定尺寸和形状的钢套6和铝合金芯体5，且铝合金芯体5的直径小于钢套6的内径；

其中，优选的，铝合金芯体5的材质可为2024铝合金、6061铝合金、7075铝合金、颗粒增强铝基复合材料中的任意一种，钢套6的材质可为45#钢、304不锈钢、40Cr、40CrMo、42CrMo、CF170等齿轮用钢中的任意一种；应当指出的是，本发明并不局限于所列举的铝合金芯体、钢套的型号；

三.将铝合金芯体5采用红外加热装置或感应加热装置预热至600-630℃，保温20-40分钟，使铝合金芯体5的组织状态转化为液相率为40-60％的半固态状态；

四.在步骤三保温结束前5分钟，将钢套6采用感应加热的方式迅速加热至800-1000℃，用测温装置实时监测并控制钢套6的温度，保持温度一定时间至钢套6内各区域温度均匀，使得钢套6变为热塑态；

五.同时将半固态的铝合金芯体5和热塑态的钢套6迅速转移至模具内腔8中，且铝合金芯体5在钢套6的内部，模具2包括由液压装置分别控制的凸模1及顶杆4，凸模1位于模具2的上端，顶杆4位于模具2的下端，凸模1和顶杆4之间形成用于锻造铝合金芯体5和钢套6的空腔；

六.凸模1迅速下行，对铝合金芯体5和钢套6施加一定的压力，使半固态的铝合金芯体5在压力的作用下能够充满钢套6并紧密结合，铝合金芯体5和钢套6发生冶金结合，形成复合构件7，并且，在凸模1的压力作用下，复合构件7按照模具内腔8的形状进行塑性变形，充满模具内腔8，凸模1保持压力2～3分钟；

七.复合构件7变形并充满模具2后，凸模1上行，顶杆4上行将成型好的复合构件7顶出,完成铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型的过程。

模具内腔8的形状为齿轮、法兰、轴类件等零件形状中的任意一种，则复合构件7可为齿轮、法兰、轴类件等，例如，若想制成齿轮状的复合构件7，则模具内腔8的形状为齿轮状，若想制成轴类件的复合构件7，则模具内腔8的形状为圆柱状，应当指出的是，本发明对模具内腔8的形状不做限制，凡是基于轻量化减重目的的所有外部为钢质层、内芯为铝芯的零件的形状，均可作为模具内腔8的形状，均在本发明权利要求的保护范围内。

下面对本发明的几种具体实施例予以介绍。

实施例1

步骤一：准备用于复合锻造成型铝钢双金属构件的模具，模具包括模具内腔8，模具内腔8的形状为齿轮状；

步骤二：将7075铝合金棒料加工成直径为35毫米高度为58毫米的圆柱体，作为铝合金芯体5，将45#钢管材加工成外径为45毫米壁厚为4毫米高度为50毫米的圆环体，作为钢套6；

步骤三：采用红外加热炉将铝合金芯体5加热到620℃，保温30分钟，使铝合金芯体5转化为液相率40％的半固态组织状态；

步骤四：在步骤三中保温约25分钟时，采用电磁感应加热炉将钢套6加热至1000℃，采用红外测温仪实时监测钢套6，并将温度信号反馈到电磁感应加热炉，通过控制电磁感应加热炉功率的大小，控制钢套6的温度，由于感应加热存在趋肤效应，将钢套6保温2分钟至钢套6内的温度均匀，使得钢套6变为热塑态；

步骤五：同时将加热完成的7075半固态铝合金芯体5和45#热塑态钢套6用夹具迅速转移至模具内腔8内，且铝合金芯体5在钢套6的内部，完成装配，模具2包括凸模1及顶杆4；

步骤六：凸模1迅速下行，凸模1的压块9对铝合金芯体5和钢套6施加100kN的压力，成型速度为15mm/s，使半固态的铝合金芯体5在压块9和顶杆4的垫块3之间压力的作用下充满钢套6并紧密结合，铝合金芯体5和钢套6发生冶金结合，形成复合构件7，并且，在凸模1的压力作用下，复合构件7按照模具内腔8的形状进行塑性变形，充满模具2，凸模1保持压力30s；

步骤七：复合构件7变形并充满模具2后，凸模1上行，顶杆4向上，顶杆4的垫块3将成型好的复合构件7顶出，完成铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型的过程。如图3所示的复合构件为应用上述成型方法制成的齿轮。

实施例2

步骤一：准备用于复合锻造成型铝钢双金属构件的模具，模具包括模具内腔8，模具内腔8的形状为齿轮状；

步骤二：将2024铝合金棒料加工成直径为35毫米高度为58毫米的圆柱体，作为铝合金芯体5，将304不锈钢管材加工成外径为45毫米壁厚为4毫米高度为50毫米的圆环体，作为钢套6；

步骤三：采用红外加热炉将铝合金芯体5加热到630℃，保温30分钟，使铝合金芯体5转化为液相率40％的半固态组织状态；

步骤四：在步骤三中保温约25分钟时，采用电磁感应加热炉将钢套6加热至900℃，采用红外测温仪实时监测钢套6，并将温度信号反馈到电磁感应加热炉，通过控制电磁感应加热炉功率的大小，控制钢套6的温度，由于感应加热存在趋肤效应，将钢套6保温2分钟至钢套6内的温度均匀，使得钢套6变为热塑态；

步骤五：同时将加热完成的2024半固态铝合金芯体5和304不锈钢热塑态钢套6用夹具迅速转移至模具内腔8内，且铝合金芯体5在钢套6的内部，完成装配，模具2包括凸模1及顶杆4；

步骤六：凸模1迅速下行，凸模1的压块9对铝合金芯体5和钢套6施加150kN的压力，成型速度为15mm/s，使半固态的铝合金芯体5在压块9和顶杆4的垫块3之间压力的作用下充满钢套6并紧密结合，铝合金芯体5和钢套6发生冶金结合，形成复合构件7，并且，在凸模1的压力作用下，复合构件7按照模具内腔8的形状进行塑性变形，充满模具2，凸模1保持压力30s；

步骤七：复合构件7变形并充满模具2后，凸模1上行，顶杆4向上，顶杆4的垫块3将成型好的复合构件7顶出，完成铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型的过程。

实施例3

步骤一：准备用于复合锻造成型铝钢双金属构件的模具，模具包括模具内腔8，模具内腔8的形状为齿轮状；

步骤二：将6061铝合金棒料加工成直径为35毫米高度为58毫米的圆柱体，作为铝合金芯体5，将40CrMo管材加工成外径为45毫米壁厚为4毫米高度为50毫米的圆环体，作为钢套6；

步骤三：采用红外加热炉将铝合金芯体5加热到630℃，保温30分钟，使铝合金芯体5转化为液相率40％的半固态组织状态；

步骤四：在步骤三中保温约25分钟时，采用电磁感应加热炉将钢套6加热至1000℃，采用红外测温仪实时监测钢套6，并将温度信号反馈到电磁感应加热炉，通过控制电磁感应加热炉功率的大小，控制钢套6的温度，由于感应加热存在趋肤效应，将钢套6保温2分钟至钢套6内的温度均匀，使得钢套6变为热塑态；

步骤五：同时将加热完成的6061半固态铝合金芯体5和40CrMo热塑态钢套6用夹具迅速转移至模具内腔8内，且铝合金芯体5在钢套6的内部，完成装配，模具2包括凸模1及顶杆4；

步骤六：凸模1迅速下行，凸模1的压块9对铝合金芯体5和钢套6施加150kN的压力，成型速度为15mm/s，使半固态的铝合金芯体5在压块9和顶杆4的垫块3之间压力的作用下充满钢套6并紧密结合，铝合金芯体5和钢套6发生冶金结合，形成复合构件7，并且，在凸模1的压力作用下，复合构件7按照模具内腔8的形状进行塑性变形，充满模具2，凸模1保持压力30s；

步骤七：复合构件7变形并充满模具2后，凸模1上行，顶杆4向上，顶杆4的垫块3将成型好的复合构件7顶出，完成铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型的过程。

对比例1

对比例1的步骤一～步骤三与实施例1相同，不同之处在于，在步骤四中将钢套6加热至500℃，并采用红外测温仪实时监测钢套6，并将温度信号反馈到电磁感应加热炉，通过控制电磁感应加热炉功率的大小，控制钢套6的温度，由于感应加热存在趋肤效应，将钢套6保温2分钟至钢套6内的温度均匀；

继续进行至步骤五，步骤五与实施例1相同；继续进行至步骤六，在凸模1下行，压块9对铝合金芯体5和钢套6施加100kN的压力时，由于钢套6加热的温度较低，没有达到热塑态，则无法与铝合金芯体5相互结合，实验失败。

对比例2

对比例2的步骤一～步骤三与实施例1相同，不同之处在于，在步骤四中将钢套6加热至1200℃，并采用红外测温仪实时监测钢套6，并将温度信号反馈到电磁感应加热炉，通过控制电磁感应加热炉功率的大小，控制钢套6的温度，由于感应加热存在趋肤效应，将钢套6保温2分钟至钢套6内的温度均匀；

继续进行至步骤五时，需要将铝合金芯体5和钢套6转移至模具内腔8内完成装配，但由于钢套6加热的温度较高，则无法移至模具内腔8内，实验失败。

由上述两个对比例可知，需将钢套6的温度加热至800-1000℃内，使得钢套6可达到热塑态的状态，才能将铝合金芯体5和钢套6稳定的结合在一起，形成复合构件7，过高和过低的温度都会导致钢套6的性能达不到要求，影响最终复合构件7的成型效果。

以上对本发明的具体实施方式进行了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰和改进，这些修饰和改进也都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，其特征在于，包括：

步骤一、准备用于复合锻造铝钢双金属构件的模具，最终复合锻造的铝钢双金属构件为复合构件，所述模具包括模具内腔、凸模及顶杆，所述凸模包括设置其下方的压块，所述顶杆包括设置其上方的垫块，所述模具内腔的形状与最终成型的所述复合构件的形状相同，并且所述模具内腔的形状为齿轮状；

步骤二、根据所成型复合构件的尺寸和性能要求，制备一定尺寸和形状的钢套和铝合金芯体，且所述铝合金芯体的直径小于所述钢套的内径；

步骤三、将所述铝合金芯体预热至600-630℃，保温20-40分钟，使所述铝合金芯体的组织状态转化为液相率为40-60％的半固态状态；

步骤四、在步骤三保温结束前5分钟，将所述钢套迅速加热至800-1000℃，用测温装置实时监测并控制所述钢套温度，保持温度一定时间至所述钢套内各区域温度均匀，使所述钢套变为热塑态；

步骤五、同时将加热完成的半固态的所述铝合金芯体和热塑态的所述钢套迅速转移至所述模具内腔内，且使所述铝合金芯体在所述钢套的内部，完成装配；

步骤六、所述凸模迅速下行，所述凸模的压块对所述铝合金芯体和所述钢套施加一定的压力，使半固态的所述铝合金芯体在所述压块和所述顶杆的垫块之间压力的作用下充满所述钢套并紧密结合，所述铝合金芯体和所述钢套发生冶金结合，形成复合构件，并且，在所述凸模的压力作用下，所述复合构件按照所述模具内腔的形状进行塑性变形，充满所述模具，所述凸模保持压力一定时间；

步骤七、所述复合构件变形并充满所述模具后，所述凸模上行，所述顶杆上行，所述顶杆的所述垫块将成型好的所述复合构件顶出,完成铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型的过程。

2.根据权利要求1所述的一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，其特征在于，在步骤二中，所述铝合金芯体为圆柱体，所述钢套为圆环体，且所述铝合金芯体的直径比所述钢套的内径小2mm。

3.根据权利要求1所述的一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，其特征在于，在步骤三中，所述铝合金芯体的加热温度为620℃，保温时间为30分钟，所述铝合金芯体的液相率为40％；在步骤四中，所述钢套的加热温度为1000℃，所述钢套的保温时间为2～3分钟。

4.根据权利要求1所述的一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，其特征在于，在步骤六中，所述凸模下行时，对所述铝合金芯体和所述钢套施加一定的压力，所述凸模的下行速度为15mm/s，保持压力的时间为30s。

5.根据权利要求1所述的一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，其特征在于，所述铝合金芯体的纯度大于90％。

6.根据权利要求1所述的一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，其特征在于，所述铝合金芯体的材质为2024铝合金、7075铝合金、6061铝合金、颗粒增强铝基复合材料中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，其特征在于，所述钢套的材质为45#钢、304不锈钢、40Cr、40CrMo、42CrMo、CF170齿轮用钢中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，其特征在于，在步骤三和步骤四中，所述铝合金芯体和钢套的加热方式为通过红外加热装置或感应加热装置加热，在步骤四中，所述测温装置为红外测温装置。

9.根据权利要求8所述的一种铝钢双金属构件触变软芯复合锻造成型方法，其特征在于，所述红外加热装置为红外加热炉，所述感应加热装置为电磁感应加热炉，所述红外测温装置为红外测温仪。

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