CN113399642B - 一种匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半固态金属加工技术领域，特别涉及一种匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法，其中，包括如下步骤:S100、熔炼和保温；S200、浇注，浇注速度控制在≤0.2kg/s；S300、控制压室内金属液热焓平衡：通过对压室进行保温处理，使压室内金属液处于热焓平衡，以使金属液产生均匀可控的初生晶；S400、匀加速压射：带有初生晶的金属液进入压室后，在浇流道里压射冲头的推动下形成半固态浆料；S500、增压、将半固态浆料以层流形式推入铸件模具型腔，开始增压，获得半固态铸件。该方法不需要增加额外的工序来制备半固态浆料，只需几秒的时间，省去了额外的半固态熔体制备和浇注转移工序，成本显著降低，其工艺成本与普通的压力铸造相当制备效率极高。

Description

一种匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法

技术领域

本发明涉及半固态金属加工技术领域，特别涉及一种匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法。

背景技术

半固态金属成形技术，简称SSM，由于成形温度低，变形抗力小、充型平稳、晶粒细小等特点，被誉为21世纪最有前途的金属材料加工技术之一，也是当今最活跃的研究领域之一。金属及半固态成形技术一般分两类，一类是半固态金属或触变成形，即先让球状初晶的金属或半固态浆料完全凝固成坯料，再对适当长度的坯料进行半固态重熔加热，将处于固液两相区的半固态坯料送至压铸机或锻造机进行成形；另一类是将球状初晶的金属或半固态浆料直接送至压铸机或锻造机进行直接成形，即流变成形。

在工艺流程上，触变成型必须获得具有非枝晶组织的坯锭，才能进行后续的压铸成型，而流变成型将半固态熔体直接压铸成型，在工业应用上，成本要小得多，也成为了目前半固态成形技术研究的主流。

如公开号为CN107790669A，公开日期为2018年3月13日，名称为《一种半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法》的专利文件公开了一种压铸方法，包括如下步骤：(1)保温：将铸造铝(或者压铸铝)熔化精炼后，过热度调整到5～25℃，保温0.5h以上；(2)浇注：将液态铝浇入压铸机的压室，浇注高度H浇控制在压室长度L压的1～2.5倍；(3)停留：浇注完毕后停留时间为kM铝(s)，形成半固态浆料；(4)充填：向模具型腔内充填半固态浆料；(5)增压：当模具型腔的充填程度达到75％～90％时，开始增压。该流变压铸方法，使得制浆和压铸无缝衔接，完成半固态浆料制备和压铸一体化，且其工艺流程短，经济适用，铸件中的氧化皮和其它氧化夹杂物大为减少，微观组织比较致密。

然而上述半固态流变成形技术，在浆料的制备以及铸造成型过程中，易于产生卷气、氧化、夹渣等缺陷从而影响产品的质量和性能，因此有待进一步地改进。

发明内容

为解决背景技术中的提到的问题，本发明提供一种匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法，其中，包括如下步骤：

S100、熔炼和保温：将铸造金属熔化精炼后存储在保温炉，保温炉的温度调整到比的液相线温度高15～50℃进行保温；

S200、浇注：将保温炉中的液态金属用浇注汤勺定量匀速浇入压铸机的压室；

S300、控制压室内液热焓平衡：通过保温处理控制压室的温度处于固液相之间，使得压室内金属液处于热焓平衡产生均匀可控的初生晶；

S400、匀加速压射：带有初生晶的金属液进入压室后，在浇流道里压射冲头的推动下依次经低速压射阶段和高速压射阶段形成半固态浆料；

如图1所示，所述低速压射阶段为压射冲头以液态金属初始压射速度开始以小于临界加速度的加速度值进行3-9个不同加速阶段的匀加速运动，将金属液填满整个压室，当达到临界速度后，压射冲头进入到横浇道，接着以临界加速度加速达到高速压射速度并进入高速压射阶段；

所述高速压射阶段为压射冲头以稳定的高速压射速度运动，使浇口内的金属液达到稳定的流动速度形成半固态浆料，然后降低速度，进入增压阶段；

S500、增压：将半固态浆料以层流形式推入铸件模具型腔，当充填程度为75％-90％时，开始增压，获得半固态铸件。

在一实施例中，所述浇注汤勺采用导热系数为2W/(m·K)的陶瓷浇勺。

在一实施例中，浇注时，所述浇注汤勺高度距离压室入料口不超过50mm，在浇注过程中，浇注汤勺与料的进汤口的竖直距离较小，以减少浇注过程中由于势能造成的紊流而形成卷气卷渣。

在一实施例中，所述浇注的速度小于或等于0.2kg/s。

在一实施例中，所述液态初始压射速度为0.02-0.05m/s，临界速度为0.15-0.69m/s，临界加速度为0.13-2.7m/s²。

在一实施例中，所述金属为铝合金、铜合金、锌合金、镁合金或钢铁合金中的一种。

在一实施例中，所述浇注汤勺在使用前预热至400℃。

在一实施例中，所述模具在充填前的温度为180-220℃。

在一实施例中，所述压室填充率为30％-70％。

在一实施例中，所述压室在浇注前的温度为280-380℃。

本发明提供的一种匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法，与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)效率高：带有初生晶的金属液在压室匀加速压射过程，通过涡流、卷动，将初生晶打碎成球晶、蔷薇晶而制备成半固态浆料，使液在压室呈层流运动，减小压室中的卷气，不需要增加额外的工序来制备半固态浆料，只需几秒的时间，制备效率极高；

(2)低成本：省去了额外的半固态熔体制备和浇注转移工序，成本显著降低，其工艺成本与普通的压力铸造相当；

(3)性能优异：高压压射过程金属液平稳充填模具，减少了压铸件的气体含量和氧化夹杂，压铸件的含量小于或等于5ml/100g，可实现压铸件的T6等高温热处理或焊接加工，表面不起泡，压铸件的致密性和各项性能指标都可得到显著提高；

(4)适用范围广：该压铸方法适用于铝合金、铜合金、锌合金、镁合金、钢铁合金等材料的半固态压铸。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的匀加速压射过程中压射速度对比压力的变化曲线示意图；

图2为对比例2中压射过程中压射速度对比压力的变化曲线示意图；

图3a为初生α(Al)主要由近球晶组成的金相图(一)；

图3b为初生α(Al)主要由近球晶组成的金相图(二)；

图4为表面无气泡无鼓包的铸件实物图；

图5为初生α(Al)主要由枝晶组成的的金相图；

图6为表面产生大量鼓包的铸件实物图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供如下实施例1：

S100、熔炼和保温：将ZL101A铸造铝熔化到700±5℃开始精炼，精炼后清除液面熔渣并降温至630±3℃进行保温；

S200、使用提前预热至400℃的陶瓷浇勺，从保温炉中舀取约0.5Kg的铝液用8s的时间匀速浇注到控温压室，浇注汤勺高度距离压室入料口不超过50mm；倒到料筒的温度固液相之间的温度；

S300、控制压室内液热焓平衡：通过媒介(热油)控制压室温度处于固液相之间，具体温度范围为250-280℃，使得压室内金属液处于热焓平衡产生均匀可控的初生晶；

S400、匀加速压射：在带有初生晶的液态铝浇入压室后，在浇流道里压射冲头的推动下依次经低速压射阶段和高速压射阶段形成半固态浆料；

所述低速压射阶段为压射冲头以液态金属初始压射速度开始以小于临界加速度的加速度值进行3-9个不同加速阶段的匀加速运动，将金属液填满整个压室，当达到临界速度后，压射冲头进入到横浇道，接着以临界加速度加速达到高速压射速度并进入高速压射阶段；

所述高速压射阶段为压射冲头以稳定的高速压射速度运动，使浇口内的金属液达到稳定的流动速度形成半固态浆料，然后降低速度，进入增压阶段；

其中，低速压射阶段分为三段匀加速压射，具体过程如下：

第一段的液态初始压射速度为0.05m/s，末速度为0.3m/s，前进距离为5mm；

第二段的初始速度为0.3m/s,第二段的末速度为0.6m/s,前进距离为55mm；

第三段的初始速度为0.6m/s，第三段的末速度即临界速度为0.8m/s,前进距离为120mm；临界加速度为0.6m/s²，高速压射速度为2m/s；

S500、增压：当模具型腔的充填程度达到75％～90％时，开始增压。

本实施例中的压室，冲头直径为60mm，经过计算压室充满度为36％，浇注前压室的温度为300℃；

本实施例中的模具，浇注前模具的温度为220℃；

本实施例采用的脱模剂为无硅且发气量很低的优质脱模剂，冲头润滑剂采用白凡士林；

本发明还提供如下对比例：

对比例1

与实施例1相比，去除步骤S300，即金属液在压室内不产生初生晶，直接进行匀加速压射；其余操作环节与对比例1保持一致。

对比例2

与实施例1相比，金属液在压室产生初生晶后，采用常规方法进行压射，如图2所示，设定好压射冲头的低速速度0.6m/s后保持匀速前进180mm，无加速度；其余操作环节与对比例1保持一致。

将实施例1、对比例1和对比例2制得的L101A铝铸件，进行铸态微观组织和铸件产品表面的观察：

如图3a和图3b所示，实施例1制得的ZL101A铝铸件，初生α(Al)主要由近球晶组成，没有发达的树枝晶组织；如图4所示，T6热处理(即高温固溶加人工时效热处理)后实施例1制得的ZL101A铝铸件表面无气泡，无鼓包，同时测得其抗拉强度σb＝249.8MPa，伸长率δ＝5.3％。

对比例1和对比例2得到的ZL101A铝铸件产品的金相如图5所示均为枝晶，呈非半固态球型/蔷薇型；以及对比例1和对比例2得到的ZL101A铝铸件经T6热处理(即高温固溶加人工时效热处理)后表面如图6所示产生大量鼓泡，说明了缺少产生初生晶的步骤或者采用常规的压射方法的工艺均无法获得光滑的铸件表面，可见二者对于该工艺的重要性缺一不可。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法，其特征在于：包括如下步骤：

S100、熔炼和保温：将铸造金属熔化精炼后存储在保温炉，保温炉的温度调整到比液相线温度高15～50℃进行保温；

S200、浇注：将保温炉中的液态金属用浇注汤勺定量匀速浇入压铸机的压室，且浇注时，所述浇注汤勺高度距离压室入料口不超过50mm；

S300、控制压室内液热焓平衡：通过保温处理控制压室的温度处于250-280℃，使得压室内金属液处于热焓平衡产生均匀可控的初生晶；

S400、匀加速压射：带有初生晶的金属液进入压室后，在浇流道里压射冲头的推动下依次经低速压射阶段和高速压射阶段形成半固态浆料；

所述低速压射阶段为压射冲头以液态金属初始压射速度开始以小于临界加速度的加速度值进行3-9个不同加速阶段的匀加速运动，将金属液填满整个压室，当达到临界速度后，压射冲头进入到横浇道，接着以临界加速度加速达到高速压射速度并进入高速压射阶段；

所述高速压射阶段为压射冲头以稳定的高速压射速度运动，使浇口内的金属液达到稳定的流动速度形成半固态浆料，然后降低速度，进入增压阶段；

S500、增压：将半固态浆料以层流形式推入铸件模具型腔，当充填程度为75%-90%时，开始增压，获得半固态铸件；

所述液态金属初始压射速度为0.02-0.05m/s，临界速度为0.15-0.69 m/s，临界加速度为0.13-2.7 m/s²。

2.根据权利要求1所述的匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法，其特征在于：所述浇注汤勺采用导热系数为2W/(m•K)的陶瓷浇勺。

3.根据权利要求1所述的匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法，其特征在于：所述浇注的速度小于或等于0.2kg/s。

4.根据权利要求1所述的匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法，其特征在于：所述金属为铝合金、铜合金、锌合金、镁合金或钢铁合金中的一种。

5.根据权利要求1所述的匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法，其特征在于：所述浇注汤勺在使用前预热至400℃。

6.根据权利要求1所述的匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法，其特征在于：所述模具在充填前的温度为180-220℃。

7.根据权利要求1所述的匀加速压室孕育半固态流变的压铸方法，其特征在于：所述压室填充率为30%-70%。

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