CN1122115A - 半固态金属材料的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使金属材料在半固态下成型的方法，它包括：制备一种触变金属的坯料，它在重量上与所用的金属相当，对此坯料重加热，直至达到与成型所需的粘度相应的液体部分比率，将此坯料运往锻压机或压铸机，借助锻造或压铸使坯料成型。其特征在于，供助将重加热功率相应调到与该材料在填充锻模或型腔时对锻锤或喷射柱塞的阻力相关的数值来将该坯料的粘度调到所需值。此法特别适用于触变铝合金的成型。

Description

半固态金属材料的成形方法

本发明涉及将金属材料在半固态以压力铸造或锻造成形的方法。

触变金属制品(thixotropic metal product)，特别是含铁、铜或铝的合金在半固态下成形的方法已公知二十余年了。法国专利2141979(同族专利为US3,948,650)首先描述了铸造触变金属的方法，该法由以下步骤组成：提高该合金温度直至达到液态，冷却使之局部凝固、强烈搅动此液—固混合体以便打碎技晶并将其至少2/3的初始组成转变成大致为园形的小球。

重加热至半固态的触变金属在其重加热及运至成形机时处理起来就象固体一样，而在成形时则象均匀的粘滞的液体。

在半固态下制造制品的方法优于标准的方法：较低的成形能量及较快的冷却，这使得收缩减少、生产率较高而工具或模具的磨损和损坏减少。

这些方法一般包括以下步骤：

—以机械的或电磁钎焊生产初生相部分或全部为球状组织的触变金属或合金的坯料或锭子。

—按制造该制品的每个生产周期所用的金属重量切割坯料。

—重加热此坯料直至达到液体部分与所期望的粘度相当。此重加热可以幅射或感应加热完成。

—将经重加热的金属运至成形设备(锻压机或压力铸造机)。

—使欲生产的制品成形。

重加热的半固态金属的粘度是本方法的要点之一。若金属的粘度过高、则其在成形时不象均一的液体那样流动，从而所生产的制品有内在缺陷。反之，若此粘度过低，则不再能象处理固体那样处理坯料。部分金属液流掉并损失，从而使成形机的进料受到妨碍。

半固态时的粘度取决于以下参数：

a)初始相中的球比率程度。该组织越接近理想的，其中全部技晶都已变成较好的园球的球状组织，则该粘度降得越低。

b)重加热所得到的液态部分。液态部分越多则粘度越低。

c)该成形工艺的剪切速度。越是增加此速度，则越是降低此粘度。

此剪切速度一般是由成形机及制品的几何形状决定的，因必须通过球化率程度和液体部分的适当组合才可以得到所需的粘度。

另一方面，从一个成形周期到另一周期，此粘度必须是可重现的，从而保证产品本身及其质量的重现性。

在保持半固态的期间，就调整液态部分的比率和固态部分的球化程度而言，坯料的重加热在重现性方面起着决定性的作用，这见于W.Lowe的文章“Evolution microstructurale et comportement rhé-ologique d′alliages aluminium—siliciumàl＇étatsemi—Solide[Microstruc-tural evolution and rheological proper—ties of aluminium—silicon alloy ina semi—solid state”National polytechnic Institute of Grenoble，October，1992。

这样，所提到的问题就包括通过影响重加热制度寻找持久地确保该重加热的坯料的恒定的粘度的简单而可靠的方法，这些坯料是将要被引入注射成型机或锻压机的。

己提出各种解决方案以确保这一制度：

a.在“Manufacture of Automotive Components By Pressure DieCasting in Semi Liquid State”(published in Die Casting World.October.1992)一文中，R.Moschini谈到了一种方法，该法包括在将坯料自重加热炉运往注射成型机的过程中，用连在操纵装置上的速读热电偶直接测量该坯料的温度几秒钟。如果测得的温度超出预定的范围，则使此坯料改道绕行，以便防止其以不适宜的温度进入该机器。

此法在原理上及其实际应用上均有很多缺点。一方面，恒定的温度不保证恒定的粘度，实际上，在给定的温度下，液体部分可根据在同样的标准说明书范围内的合金成分的差异而变化。比如，在AlSi7Mg型(相当于Aluminum Association of the USA的牌号A356及A357)的铝合金中，硅可以6.5变到7.5％，这导致在577℃时液体部分的显著变化。

该金属初生相的球化程度也可从一批料到另一批料而有所改变，这在恒定的液体部分时导致给定温度下的粘度的变化。

最后，对于具有实质上的等温共晶平台的合金，如铝—硅合金而言，温度的测量对熔融的共晶部分未提供任何信息。

另一方面，从实施的观点出发，由于粉尘在热电偶上的堆积或红外线测量的不精确性，以每小时60—100个周期重复的生产速度所测量的半固态金属材料的表面温度和中心温渡就产生了实质性的问题。

b.重加热温度也可通过控制供给炉内的电力而得以调整，这在感应炉中是很容易作到的。但这里还要强调，初始相中的球化率的变化及在标准说明书中的化学成分的变化使得保证重加热坯料的粘度的充分的恒定性是不可能的。此外，在同一套设备中由于局部环境状况，如外界温度或空气流的变化使能量通过对流的损失发生显著的变化是可以理解的。

c.最后，一直推荐的是用透度计类型的探头，如M.C.Flemings，R.G.Riek及K.P.Roung在“Rheocasting”(Materials scienec and Engi-neering，Vo1.25，1976，PP.103—177)一文中所述的探头直接测量重加热后的坯料粘度。此法虽然不产生偏离，但也有实际的应用问题。在高生产率时，粉尘非常迅速地堆积在此探头上从而改变其几何形状及表面状况，因此使测量失真。另一方面，在坏料成形前对其切割或打孔而引起的外部物体的贯入可引起诸如氧化物夹杂或气泡之类的缺陷，这是会恶化所生产的制品质量的。

本发明的目的在于避免上述方法中的缺点及提供一种借助重加热调整重加热后坯料粘度的简单有效而可靠的方法，该法将导致所生产制品的恒定的，可重现的质量。

本发明的技术方案是一种使金属材料于半固态时成形的方法，它包括：

—制备触变金属材料的坯料，它在重量上与生产此制品的每个生产周期所用的金属相当，

—将此坯料于半固态下重加热，直至达到与成形所需的粘度相当的液体部分的比率，

—将此坯料运往锻压机或压铸机，

其特征在于：通过相应地将重加热功率调到与填充锻模或铸模型腔时该材料对锻锤或喷射柱塞阻力相关的数值而将此坯料的粘度调到所需值。

控制调节重加热的这一数值可以是在锻锤或喷射柱塞上测得的背压，甚至是在压铸情况下的，以压机恒定的水压设定值下的喷射柱塞的给料速度。

事实上，在压铸重加热至液体部分约为50％的AlSiMg型的铝一硅合金的过程中，申请人观察到在相当于填充铸模型腔的第二阶段时的变形压力完全预料不到地是在30—80Mpa之间，这就是说，这比理论上的，或比如在上述W.Loue的文章中所述的粘度的理论测算所预计的压力高得多，后者表明该压力在0.001—0.1MPa的数量级上。

申请人还观察到，当从一个到另一个生产周期时重加热材料的粘度由于重加热的不稳定性而引起的液体部分的变化，或是由于固相中球化率程度的不同而改变时，填充压力也不同。

最后，通过采用不是在一封闭线路中对压铸周期进行控制的传统压铸机，申请人观察到，以恒定设定值向电动机预顶装置供油时，为填充所需的压力的增加表现为减慢了该柱塞的给料速度。

在此情况下，此触变成形装置包括：

一台感应重加热炉，它包括两个功率水平可分别调节的区，

—一台自动装置，它将重加热后的坯料拿起再送入压铸机的容器中，

—一台带有常规注入系统的压铸机：以最大值的百分数表达的，对预顶装置供油的调节是预先选定的，而柱塞速度及金属注入时其所施加的背压，即称为填充压的压力是事后测定的。

—一台微机，它接收来自该压铸机的柱塞速度和填充压的数值，并运用软件中的这种信息，此软件是控制重加热炉中两区中的加热功率的。调整软件的原理包括将柱塞速度的测量值与相应于某一速度的设定点值相比较，所述的速度是作为在该制品加工过程中有给定的，令人满意结果而选定的。加热功率水平顺次以，比如，3％的增量增加或减少，直至通过此设定点。然后以较小的增量，比如1％增减，以便达到此设定点。

实施例

在一台压铸机于750台吨的封闭压力下，及一台包括分别带有4和8个感应器线圈的两个重加热区的重加热炉中用AlSiMg型触变铝合金制成的一批坯料进行汽车发动机零件的制备。此坯料在第一区中滞留328秒，而在第二区中滞留654秒。设定点值保持为：

—设定往电机预顶装置输油为最大值的90％，

—柱塞速度为0.60m/秒，

—填充压力：32MPa，

对加工阶段中所用的坯料料批而言可能获得柱塞速度和填充压力的设定点值的加热设定值为：

—在第一区：47.4Kw

—在第二区：15.5Kw

当使用第二种不同批次的触变坯料时，可观察到：不改变该设定值，而注入参数变为：

—柱塞速度：0.51m/秒

—填充压力：40MPa

这表明材料的表现粘度较高。

用柱塞速度作为参数进行调整，而只简单地记下填充压力，这样就完成了重加热系统的调节。此程序达到下列设定的加热功率水平：

—第一区：53.2kw(+11％)

—第二区：16.6kw(+7％)

通过重加热设定，实际上又恢复到与设定点值相同的注入参数：

—柱塞速度：0.60m/秒

—填充压力：31.8MPa

还观察到：不仅柱塞速度恢复到用于调节的设定点值，而且填充压力也恢复到其最初设定点。这清楚地表明：这使得来自第二批坯料的金属坯的表观粘度与得自第一批料的金属坯的该粘度相等。

Claims (5)

1.使金属材料在半固态成形的方法。它包括：

—制备触变金属材料的坯料，在重量上它与制造该制品的每个生产周期所用的金属相当，

—在半固态下重量加热此坯料直到，达到与成形所需的粘度相应的液体部分比率，

—将此坯料运至锻压机或压铸机，

—通过锻压或铸使该坯料成形，

其特征在于通过将重加热功率相应地调到该材料在填充锻模或铸模型腔时对锻锤或喷射柱塞的阻力相关的数值而将此坯料的粘度调节到所需值。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于调节重加热的这一值是在锻锤上或喷射柱塞上测得的背压。

3.根据权利要求1的用压铸进行成形的方法，其特征在于调节重加热的此数值是在恒定液压设定值下的柱塞速度。

4.用压铸机进到的成形方法，它包括用于控制权利要求1的注入速度的预编程的自动控制装置，其特征在于控制重加热的数值是该机器的液压设定值。

5.根据上述权利要求任一项的方法，其特征在于该金属材料是铝合金。