CN115194127B - 一种金属包复棒材挤压铸造直接复合成形设备与工艺 - Google Patents
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Abstract
一种金属包覆棒材挤压铸造直接复合成形设备与工艺，属于金属材料特种铸造技术领域中的挤压铸造技术范畴。本发明将单一金属棒材的挤压铸造工艺与层状金属复合材料的液‑固相复合工艺相结合，开发出了一种金属包覆棒材挤压铸造直接复合成形新技术；依据该技术开发出了一种金属包覆棒材挤压铸造直接复合成形新设备。利用本发明的设备与工艺可挤压铸造直接复合成形一类包覆层金属熔点或者熔化温度低于芯部金属的金属包覆棒材。本发明的优点是：能实现界面层洁净、薄且可控的常规或异型变形合金或铸造合金金属包覆棒材近净成形；生产工艺流程短，设备简单且一次性投资小，环境负担小，材料利用率高，制造成本低，易实现大规模工业自动化和智能化制造。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料特种铸造技术领域中的挤压铸造技术范畴，特别提供了一种金属包复棒材挤压铸造直接复合成形设备与工艺，适用于包覆层金属熔点或者开始熔化温度低于芯部金属熔点或者开始熔化温度的一类金属包复材料挤压铸造直接复合成形。
背景技术
金属包复棒材属于复合材料领域中的层状金属复合材料范畴。层状金属复合材料比单一金属材料更能满足冶金建筑、石油化工、航空航天、交通运输、电子信息、卫生医疗等各个领域对材料使用性能的更高要求。因而，对层状金属复合材料及其应用技术的研究开发已成为当前复合材料领域的重要研究开发方向之一。迄今为止，适合于层状金属复合材料的大规模工业化生产的方法主要有三大类，即：(1)双固相复合法，包括轧制压接法、包复焊接法、连续挤压包复法和爆炸复合成形法等；(2)液相-固相法，包括镶铸法、热浸镀法和连续铸挤包复法等；(3)双液相法，包括DC充芯连铸法、水平连铸直接复合成形法、连续铸轧复合法和Novelis FusionTM复合板材挤压铸造法等。相比之下，(1)以轧制压接法、包复焊接法、连续挤压包复法和爆炸复合成形法为代表的双固相复合法具有复合材料界面层的厚度较小且易于控制，界面结合强度高，界面层对复合材料整体塑性变形的影响较弱，包覆层金属和芯部金属都具有退火状态下晶粒细小且组织致密等优点，但是，界面层内通常会存在少量氧化物夹杂、污物等界面缺陷，且存在制成品的生产工艺流程长、工艺复杂、成本高、环境负担大、设备的一次性投资大等问题；(2)以镶铸法、热浸镀法和连续铸挤包复法为代表的液-固相复合法具有镀层金属厚度较大，使基材的耐蚀能力增强等优点，但是，镀层金属厚度不均匀，界面层较厚且其内部可能存在少量夹杂物等界面缺陷，且存在生产工艺流程较长、工艺较为复杂、成本较高、能源消耗较大、环境负担较大、设备的一次性投资较大等问题；(3)以DC充芯连铸法、水平连铸直接复合成形法、连续铸轧复合法和Novelis FusionTM复合板材挤压铸造法为代表的双液相复合法具有复合材料界面层内几乎无氧化物、无夹杂、无油污等界面缺陷，生产工艺流程短，工艺简单，成本较低，能量消耗较少，环境负担较小，设备的一次性投资小等优点，但是，采用DC充芯连铸法和水平连铸直接复合成形法制备的层状金属复合材料的基材晶粒粗大且成分和组织分布不均匀，界面层的厚度较大且难以控制；而当采用连续铸轧复合法和Novelis FusionTM复合板材挤压铸造法制备包复铝板坯时，复合板坯基材内的晶粒细小且组织致密，界面层的厚度较小且易于控制，但其产品形式单一、生产灵活性较低，不能用来生产空芯层状金属复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属包复棒材挤压铸造直接复合成形设备与工艺，以使其生产工艺流程短，工艺简单，生产灵活高效，材料利用率高，节约能源，环境负担小，产品种类多且制造成本低，适用于大规模工业生产，易于实现工业机械化、自动化和智能化制造，设备简单且一次性投资较小，并能实现复合界面完全洁净且界面层厚度较小并易于控制的、基材的晶粒细小且成分和组织较为均匀的、包覆层金属的熔点或者开始熔化温度低于芯部金属的熔点或者开始熔化温度的金属包复棒材挤压铸造直接复合成形。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种金属包复棒材挤压铸造直接复合成形设备由包覆层金属熔体的静置保温炉(I)12、电磁定量泵(I)11和导流管(I)8与芯部金属熔体的静置保温炉(II)29、电磁定量泵(II)28和导流管(II)26、挤压铸造直接复合成形模具、模温机、水管(5.2，5.3，6.1和6.2)、热电偶(I)5.1和热电偶(II)6.7、挤压铸造机及其料饼剪切装置24、脱模剂喷涂装置22、抓料机械手23、CNC机加工设备以及其他辅助装置组成；其中，挤压铸造直接复合成形模具由芯杆1、水冷模芯2、套筒3、动模(I)4、动模(II)5、定模6、模座9、包覆层金属熔体的压射冲头(I)13、芯部金属熔体的压射冲头(II)14、套筒座板17、动模座板19、拉杆(I)21、拉杆(II)20、拉杆(III)18、推料机构15、支撑块7和标准连接件(定位销27、内六方螺栓16、螺栓25、螺母30)组成；其特征在于：(1)芯杆1与其下端的水冷模芯2螺接在一起；(2)水冷模芯2由水冷模芯管接头2.1和水冷模芯本体2.2通过O型橡胶密封圈2.3密封螺接而成，且水冷模芯管接头2.1的侧壁上设置有进水口2.1a和出水口2.1b；(3)套筒3由套筒支承板3.1和套筒本体3.2螺接而成，且在套筒本体3.2下端外侧与动模(I)4下部包覆层金属残料室4.2b相对应的位置上还设置有一对内凹台阶，以便于合模后能够使动模(I)4中的包覆层金属残料室4.2b和排气孔4.1a和4.2c与包覆层金属成形模腔(I)和贮料筒(I)6.4c相连通，形成充型时残留气体外溢的通道或者液流前端吸气或夹杂较多部分的金属残料汇集的场所；套筒支承板3.1与套筒座板17通过拉杆(III)18螺接在一起；套筒座板17通过其上端的外螺纹管与挤压铸造机的主液压缸柱塞相连接，且在该螺纹管的下部侧壁上设置有电磁开关(I)17.1；(4)动模(I)4由动模支承板(I)4.1、动模镶块(I)4.2和动模套板(I)4.3组成，并通过拉杆(II)20与动模座板19螺接在一起；动模座板19外侧的顶端可以螺纹连接方式与挤压铸造机的第一副液压缸柱塞相连接；动模座板19的上部设置有能够控制拉杆(I)21升降行为的电磁开关(II)19.1和能够控制芯杆1升降行为的电磁开关(III)19.2；在工作状态下，可以通过对电磁开关(I)17.1和电磁开关(III)19.2启闭状态的联动调节来控制芯杆1下端水冷模芯2的位置和运动状态，也可以通过控制电磁开关(II)19.1的启闭行为来控制拉杆(I)21下端螺接着的动模(II)5的位置和运动状态；动模(II)5由动模支承板(II)5.4、动模镶块(II)5.5和动模套板(II)5.6组成；(5)动模支承板(I)4.1上设置有相应的排气孔4.1a，而动模镶块(I)4.2上包含有导套孔(I)4.2a、包覆层金属残料室4.2b和排气孔4.2c；(6)动模镶块(II)5.5上包含有导柱(I)5.5a、热电偶插孔(I)5.5b、动模(II)的同轴水冷套5.5c及其进水管道和出水管道、复位杆通道5.5d和导套孔(II)5.5e；动模套板(II)5.6的侧壁上设置有一个圆形垛口，便于同轴水冷套5.5c通过出水管5.2和进水管5.3与外部模温机相应的冷却管道相连接；(7)定模6由定模支承板6.3、定模镶块6.4和定模套6.5通过螺栓25固定连接而成；定模镶块6.4上设置有包覆层金属熔体的浇道(I)6.4a和芯部金属熔体的浇道(II)6.4k、导流管(I)8和导流管(II)26的螺纹连接安装孔6.4b、包覆层金属熔体的贮料筒(I)6.4c和芯部金属熔体的贮料筒(II)6.4f、C形隔热腔6.4d、推杆通道6.4e、复位杆通道6.4i、导柱(II)6.4j、包覆层金属熔体的内浇道6.4h、同轴水冷套6.4g及其进水管道和出水管道与热电偶插孔(II)6.4m；在定模套6.5的侧壁上，除了热电偶(II)6.7的过孔外，还设置有圆形垛口，便于同轴水冷套6.4g通过出水管6.1和进水管6.2与外部模温机相应的冷却管道相连接，构成为定模6预热或者加热保温的热交换介质的循环系统；定模套6.5的底部除了相应的通孔外，还设置有推料机构15中推板导柱15.4的螺纹连接安装孔6.5a、定位销6.6的安装孔和在支撑块7内的内六方螺栓安装孔；模座9通过定位销27和内六方螺栓16与挤压铸造机的工作平台10紧固连接；(8)压射冲头(I)13和压射冲头(II)14的上部分别位于贮料筒(I)6.4c和贮料筒(II)6.4f内、而其下端分别与挤压铸造机的第二、第三副液压缸柱塞相连接；(9)推料机构15由推杆15.5、复位杆15.6、推杆固定板15.1、推板15.2、推板导套15.3、推板导柱15.4和推力杆15.7构成；推板导套15.3、推杆15.5和复位杆15.6被通过定位销27和内六方螺栓16紧固连接在一起的推杆固定板15.1和推板15.2所固定；推板导柱15.4的上端与定模套6.5底板螺接在一起；推力杆15.7的下端与挤压铸造机的气缸柱塞相连接；在推杆固定板15.1和推板15.2上设置有压射冲头(I)13和压射冲头(II)14的过孔；(10)静置保温炉(I)12内的包覆层金属熔体可以借助与导流管(I)8同轴布置的电磁定量泵(I)11的电磁力作用而被定量地浇注入压射冲头(I)13上方的贮料筒(I)6.4c内；同理，静置保温炉(II)29内的芯部金属熔体也可以借助与导流管(II)26同轴布置的电磁定量泵(II)28的电磁力作用而被定量地浇注入压射冲头(II)14上方的贮料筒(II)6.4f内；导流管(I)8和导流管(II)26在结构上由内至外均由导流管本体、保温层和保护管构成；导流管(I)8和导流管(II)26的导流管本体的顶端与定模镶块6.4螺接在一起，而其下端倒锥口分别浸没在静置保温炉(I)12或者静置保温炉(II)29内金属熔体液面以下3/4深度处；(11)分别与模温机上相应的温度仪表相连接的热电偶(I)5.1和热电偶(II)6.7各自被固定安装在热电偶插孔(I)5.5b和热电偶插孔(II)6.4m内；而电磁开关(I)17.1、电磁开关(II)19.1和电磁开关(III)19.2分别与挤压铸造机的电气控制装置相连接；(12)料饼剪切装置24被固定安装在挤压铸造机上，而模温机、脱模剂喷涂装置22、抓料机械手23均被布置在挤压铸造机的周围；静置保温炉(I)12和静置保温炉(II)29可布置于挤压铸造机和挤压铸造直接复合成形模具模座9的侧下方适当位置上；CNC机加工设备以及其他辅助装置可以依次布置在挤压铸造机后的合理位置上；保障脱模剂喷涂装置22和气缸正常运行的高压气站布置在距挤压铸造机较远的位置；(13)在工作状态下、完全合模后，动模镶块(I)4.2和动模镶块(II)5.5的密接面以及水冷模芯本体2.2的底面与模具分型面(I)相重合、而动模镶块(II)5.5和定模镶块6.4的密接面以及套筒本体3.2的底面与模具分型面(II)相重合，同时，推料机构15中复位杆15.6和推杆15.5的上表面分别与所述的模具分型面(I)和模具分型面(II)相重合，从而由套筒本体3.2的内侧面、水冷模芯本体2.2的底面和定模镶块6.4的上表面一起围成一个半封闭式的芯部金属挤压铸造成形模腔(II)；在压铸充型时，模腔(II)内的残留空气从其上部水冷模芯本体2.2与套筒本体3.2的配合间隙溢出；(14)在芯部金属挤压铸造结束后、包覆层金属挤压铸造开始前，先将套筒本体3.2的下端面升至与所述的模具分型面(I)相重合的位置，从而在套筒本体3.2和动模镶块(I)4.2的底面、动模镶块(II)5.5的内侧面、定模镶块6.4的上表面和先期挤压铸造成形的芯部金属棒坯31的外侧面之间围城一个半封闭式的包覆层金属挤压铸造成形模腔(I)；在压铸充型时，模腔(I)内的残留空气从其上方、套筒本体3.2底部外侧的内凹台阶、经包覆层金属残料室4.2b、排气孔4.2c和4.1a溢出，而先期进入模腔(I)内、气体和夹杂物含量较多的金属熔体进入金属残料室4.2b内并凝固成工艺残料。
本发明的工艺过程为：(1)模具预热和保温：在挤压铸造前和铸造过程中，对模具的加热主要借助于外部模温机对冷却介质的温度调节作用和分别流经动模镶块(II)5.5或者定模镶块6.4中的同轴水冷套5.5c和6.4g内的冷却介质与模具钢以及模腔内金属熔体之间的热交换作用来实现。在模具预热过程中，挤压铸造直接复合成形模具处于完全合模状态，压射冲头(I)13和压射冲头(II)14的上表面分别低于浇道(I)6.4a和浇道(II)6.4k的出口下沿所在水平面，并且电磁开关(I)17.1和电磁开关(II)19.1均处于开启状态而电磁开关(III)19.2处于闭合状态(如图4b所示)。(2)熔体制备：首先采用外置的金属材料熔炼与精炼设备和装置制备满足工艺要求的包覆层金属熔体或者芯部金属熔体，再通过半封闭导流槽将其分别转注入相应的熔体静置保温炉(I)12和熔体静置保温炉(II)29中，并采用在保护性气氛或者专用的覆盖剂进行熔体保护。(3)脱模剂喷涂：在浇注前，首先打开挤压铸造直接复合成形模具，并采用脱模剂喷涂装置22对与金属熔体直接接触的所有模具零件的工作表面喷涂脱模剂、且使其在零件工作表面上的涂层厚度达到50μm左右。此时，挤压铸造直接复合成形模具处于完全开启状态，并且电磁开关(I)17.1和电磁开关(II)19.1均处于闭合状态而电磁开关(III)19.2则处于开启状态(如图4a所示)。(4)合模：当满足挤压铸造工艺要求后，合模；此时，电磁开关(I)17.1和电磁开关(II)19.1均处于开启状态而电磁开关(III)19.2处于闭合状态(如图4b所示)。(5)芯部金属的挤压铸造成形：如图4b～c所示，首先，启动电磁定量泵(II)28，将包覆层金属熔体从静置保温炉(II)29经过导流管(II)26和浇道(II)6.4k定量输入贮料筒(II)6.4f内；接着，启动挤压铸造机的第三副液压缸柱塞而带动压射冲头(II)14上行，将芯部金属熔体直接注入模腔(II)内、并直接挤压铸造成形芯部金属棒坯31；然后，启动挤压铸造机的主液压缸柱塞而带动套筒本体3.2、使其底面升至与所述的模具分型面(I)相重合的位置，从而在已成形的芯部金属棒坯31的外侧与动模镶块(II)5.5的内表面之间形成包覆层金属挤压铸造成形模腔(I)。(6)包覆层金属壳体的挤压铸造成形与界面复合：如图4b、d和e所示，首先，启动电磁定量泵(I)11，将包覆层金属熔体从静置保温炉(I)12经过导流管(I)8和浇道(I)6.4a定量输入贮料筒(I)6.4c内；接着，启动挤压铸造机的第二副液压缸柱塞而带动压射冲头(I)13上行，将包覆层金属熔体经内浇道6.4h注入到模腔(I)内、并在间接挤压铸造成形包覆层金属壳体的同时，通过液态包覆层金属与固态芯部金属棒坯31之间的界面复合作用，获得金属包复棒材32；然后，先闭合电磁开关(I)17.1、并开启电磁开关(III)19.2，再启动挤压铸造机的主液压缸柱塞而带动水冷模芯本体2.2和套筒本体3.2一起升至上极限位置；稍后，启动挤压铸造机的第一副液压缸柱塞而带动动模(I)4升至中间位置时止。(7)料饼切除：如图4f所示，首先闭合电磁开关(II)19.1，再启动第一副液压缸柱塞而带动动模(I)4和动模(II)5一起升至上限位置；接着，启动挤压铸造机的挤压铸造机的料饼剪切装置24切除动模(II)5模腔中金属包复棒材32底部的料饼。(8)取料：如图4g～h所示，首先，启动第一副液压缸柱塞而带动动模(I)4和动模(II)5下降至动模(II)5与定模6相接触时止；接着，启动挤压铸造机的气缸柱塞而带动推料机构15中的推杆15.5和复位杆15.6上行，并在推杆15.5的推力作用下将无料饼的金属包复棒材33推出动模(II)5的模腔，再用抓料机械手23将金属包复棒材33转移到挤压铸造机后边的CNC机加工设备的工作台上。(9)脱模剂喷涂：如图4i所示，当将无料饼的金属包复棒材33取出后，迅速采用喷涂装置22为模具内与金属熔体直接接触的模具零件工作表面喷涂脱模剂，为模具提供降温和保护作用。(10)再合模：如图4j～k所示，在喷涂好脱模剂后，立即开启电磁开关(II)19.1、并启动挤压铸造机的第一副液压缸柱塞而带动动模(I)4下降并使动模(I)4的底面和动模(II)5的上表面均与所述的模具分型面(I)相重合时止；接着，快速启动挤压铸造机的主液压缸柱塞而带动水冷模芯本体2.2和套筒本体3.2一起下降、并使水冷模芯本体2.2和套筒本体3.2的底面均与模具分型面(I)相重合时止；接着，先闭合电磁开关(III)19.2且开启电磁开关(I)17.1，再迅速重启挤压铸造机的主液压缸柱塞而带动套筒本体3.2继续下降、并使套筒本体3.2的底面与模具分型面(II)相重合时为止；动模(I)4在下降过程中与复位杆15.6接触，并通过复位杆15.6推动推料机构15恢复原位；接着，依次启动挤压铸造机的第二、第三副液压缸柱塞而分别带动压射冲头(I)13和压射冲头(II)14下行、并使压射冲头(I)13和压射冲头(II)14的上表面分别低于浇道(I)6.4a和浇道(II)6.4k的出口下沿所在水平面时止；然后，准备开启一个新的挤压铸造直接复合成形周期。(11)CNC机加工：采用CNC机加工设备切除无料饼的金属包复棒材33上端的金属残料。(12)后处理：首先，采用手工方式处理其他可修复的铸造缺陷；然后，对于可以热处理强化压铸合金的金属包复棒材的铸件，可以先对其进行工艺要求的热处理，再质检、涂油、包装入库；而对于可以热处理强化变形合金的金属包复棒材，可以在其后加工变形制成半成品后，立即进行工艺要求的热处理，再质检、涂油、包装入库。
金属包复棒材的挤压铸造直接复合成形制备工艺条件为：(1)金属的熔炼、精炼温度分别比其熔点或者开始熔化温度高50～200℃和30～100℃；而浇注温度比其熔点或者开始熔化温度高10～50℃；(2)模具的预热及保温温度分别为100～300℃和100～500℃；(3)压射速度和充填速度分别为0.1～10m/s与10～40m/s；(4)浇注后加压开始时间为5～30s；(5)压射比压：有色金属铝、铜及其合金在间接、直接挤压铸造时的压射比压分别为50～100MPa和25～50MPa，而钢在间接、直接挤压铸造时的压射比压分别为铝、铜及其合金在间接、直接挤压铸造时的压射比压的两倍；(6)持压时间：当金属件的壁厚小于50mm时，铝合金和钢的保压时间按照0.5s/mm推算、铜合金的则按照1.5s/mm推算；而当金属件的壁厚在50～100mm范围内时，铝合金的保压时间按照1.0～1.5s/mm推算、钢的保压时间仍按照0.5s/mm推算、铜合金的保压时间仍按照1.5s/mm推算；(7)留模时间一般取7～30s；(8)脱模剂：铝合金压铸常用水剂胶体石墨、硅涂料(白)或者石墨-机油混合涂料，钢的压铸常用地蜡-石蜡-凡士林-石墨混合涂料、石蜡-二硫化钼-水玻璃-酒精混合涂料，铜合金压铸常用油剂胶体石墨、石墨-植物油混合涂料。
优选地，为了提高零件表面层的耐磨性、降低金属熔体对模具表面的浸蚀能力、抑制或者降低金属粘模现象、有效延长模具的使用寿命、并提高铸坯表面质量和成品率和生产效率，模具中所有与金属熔体直接接触的零部件可选用热作模具钢制造，且经淬火处理后、再对其接触表面进行氮化处理。
优选地，为了有效地提高金属包覆棒材料的挤压铸造直接复合成形生产效率、以适应现代大规模工业化生产的技术要求，可采用“一模多件”方案对挤压铸造直接复合成形模具进行结构设计与制造。
优选地，为了消除非等壁厚包覆层金属或者芯部金属在厚度较大处的金属组织内部产生微缩孔的组织缺陷，在所述的设备和挤压铸造直接复合成形模具中的相应位置上，可设置由增压油缸、增压销和增压销套管等零部件所构成的挤压铸造直接复合成形模具的局部增压结构。
优选地，为了进一步提高基材金属的铸造组织和性能、降低界面层厚度，可采用半固态金属流变挤压铸造方式制备金属包复棒材。
优选地，为了进一步减少铸造组织中的氢含量，可将挤压铸造直接成形复合模具布置于真空室内，进行真空挤压铸造直接复合成形金属包复棒材。
本发明的优点在于：
1.本发明的方法是将金属材料的挤压铸造成形工艺与异种金属材料的液相-固相复合成形工艺相结合而形成的一种层状金属复合材料制备与加工新技术，即在首先直接挤压铸造成形芯部金属的前提下，在间接挤压铸造成形包覆层金属的同时，通过液态包覆层金属与固态芯部金属之间的界面复合作用，实现包覆层金属与芯部金属的界面冶金结合，从而获得一种芯部金属材料熔点或者开始熔化温度较高的金属包复棒材。
2.本发明中，采用电磁定量泵和封闭管道直接向模具输送质量合格的金属熔体的方式，避免了对金属熔体的“二次污染”问题；由模温机、热电偶和模内同轴水冷套等一起构成的模温调节系统，能够使模具温度稳定在合理的温度区间内；采具有针式冷却器结构特征的水冷模芯结构设计，能有效提高对芯部金属的冷却强度、细化铸造组织、减小复合界面层的厚度；采用双模腔结构设计和中间设置有C形或者环形隔热腔的双贮料筒和压射冲头结构设计，利用可以估测包覆层金属与芯部金属界面复合作用温度变化情况的热电偶(I)，并通过优化设计挤压铸造直接复合成形工艺制度的方法，既能有效抑制或者减弱包覆层金属和芯部金属熔体在模具中进行热交换作用的不良影响，又能有效控制金属包复材料的挤压铸造直接复合成形工艺过程，从而获得基材组织细小均匀且界面层厚度较小且易于控制的金属包复棒材。
3.在本发明中，在完全合模的状态下，芯部金属首先在挤压铸造直接复合成形模具中的半封闭模腔(II)内直接挤压铸造成形为棒坯；接着，将水冷模芯本体和套筒本体升至其底面与模具分型面(I)相重合，从而在先成形棒坯的外侧产生一个半封闭结构的模腔(I)；然后，包覆层金属在模腔(I)内间接挤压铸造成形、并同时实现其与固态芯部金属的界面复合，从而实现了一种芯部金属熔点或者开始熔化温度较高的金属包复棒材的挤压铸造直接复合成形。
4.本发明的方法可以用于各种金属与金属、金属与合金、合金与合金、金属与金属基复合材料等芯部金属熔点或者开始熔化温度较高的金属包复棒材的挤压铸造直接复合成形。
5.本发明的方法既可用于铸造合金的挤压铸造直接复合成形，也可用于变形合金的挤压铸造直接复合成形；对于由可热处理强化的合金材料所制备的铸造合金包复棒材铸件或者变形合金包复棒材及其深加工零件，还可以通过后续热处理加工，进一步改善这种金属包复棒材的组织和性能。
6.利用本发明的设备和工艺，在制备铸造合金金属包复棒材铸件时，能够实现“近净成形”；而在深加工变形合金的金属包复棒材制品时，可缩短工艺流程、提高生产效率、节约能源、降低制造成本。因此，本发明的方法既可用于冶金工业大规模生产，又可用于各种特殊行业和用途的精密铸造。
7.利用本发明的设备和工艺，并采用“一模多件”式模具结构设计与制造方案，可以更好地满足这种金属包复棒材的大规模工业化生产技术要求。
8.本发明中，若将挤压铸造直接复合成形模具整体置于真空室内，则可实现真空挤压铸造直接复合成形工艺过程，从而进一步降低金属包复棒材组织的含氢量；若将金属熔体的静置保温炉设计成半固态金属制备装置，则可实现半固态金属流变挤压铸造直接复合成形工艺过程，从而可获得金属包复棒材的半固态金属基材和更小的界面层厚度，进一步提高金属包复棒材的力学性能和工艺性能；若在本发明的设备和挤压铸造直接复合成形模具中增设局部增压结构，则能有效地抑制“微缩孔”组织缺陷在金属包复棒材料中非等壁厚包覆层金属或者芯部金属局部厚度较大处形成。
9.与传统的层状金属包复材料的双液相复合法、双固相复合法和液相-固相复合法相比，本发明的方法具有金属包复棒材的基材晶粒细小、组织较为均匀，界面层内无氧化物、无夹杂、无油污等界面缺陷，界面层厚度较小且易于控制，生产工艺流程短，工艺简单，生产灵活高效，材料利用率高，节约能源，环境负担小，制造成本低，设备简单且一次性投资小，易于实现大规模工业自动化、智能化生产。
10.与Novelis FusionTM复合板材挤压铸造法相比，本发明的方法能够生产如图3所示的圆棒、方棒或者异形棒材等金属包复棒材，产品种类多，生产灵活性高。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明的金属包复棒材挤压铸造直接复合成形设备结构示意图；
图2为本发明的金属包复棒材挤压铸造直接复合成形设备结构爆炸图；
图3为采用本发明的设备与工艺可制备出的金属包复棒材典型横截面图；
图4为金属包复棒材挤压铸造直接复合成形工艺过程示意图。
图中：1、芯杆；2、水冷模芯；2.1、水冷模芯管接头；2.1a、水冷模芯的进水口；2.1b、水冷模芯的出水口；2.2、水冷模芯本体；2.3、O型橡胶密封圈；3、套筒；3.1、套筒支承板；3.2、套筒本体；4、动模(I)；4.1、动模支承板(I)；4.1a、排气孔；4.2、动模镶块(I)；4.2a、导套孔(I)；4.2b、包覆层金属残料室；4.2c、排气孔；4.3、动模套板(I)；5、动模(II)；5.1、热电偶(I)；5.2、连接动模(II)内同轴水冷套5.5c的出水管；5.3、连接动模(II)内同轴水冷套5.5c的进水管；5.4、动模支承板(II)；5.5、动模镶块(II)；5.5a、导柱(I)；5.5b、热电偶插孔(I)；5.5c、动模(II)的同轴水冷套；5.5d、复位杆通道；5.5e、导套孔(II)；5.6、动模套板(II)；6、定模；6.1、连接定模内同轴水冷套6.4g的出水管；6.2、连接定模内同轴水冷套6.4g的进水管；6.3、定模支承板；6.4、定模镶块；6.4a、包覆层金属熔体的浇道(I)；6.4b、导流管(I)8和导流管(II)26的螺纹连接安装孔；6.4c、包覆层金属熔体的贮料筒(I)；6.4d、C形隔热腔；6.4e、推杆通道；6.4f、芯部金属熔体的贮料筒(II)；6.4g、定模的同轴水冷套；6.4h、包覆层金属熔体的内浇道；6.4i、复位杆通道；6.4j、导柱(II)；6.4k、芯部金属熔体的浇道(II)；6.4m、热电偶插孔(II)；6.5、定模套；6.5a、推板导柱15.4的安装孔；6.6、定位销；6.7、热电偶(II)；7、支撑块(和内六方螺栓)；8、包覆层金属熔体的导流管(I)；9、模座；10、挤压铸造机的工作平台；11、包覆层金属熔体的电磁定量泵(I)；12、包覆层金属熔体的静置保温炉(I)；13、包覆层金属熔体的压射冲头(I)；14、芯部金属熔体的压射冲头(II)；15、推料机构；15.1、推杆固定板；15.2、推板；15.3、推板导套；15.4、推板导柱；15.5、推杆；15.6、复位杆；15.7、推力杆；16、内六方螺栓；17、套筒座板；17.1、电磁开关(I)；18、拉杆(III)；19、动模座板；19.1、电磁开关(II)；19.2、电磁开关(III)；20、拉杆(II)；21、拉杆(I)；22、脱模剂喷涂装置；23、抓料机械手；24、挤压铸造机的料饼剪切装置；25、螺栓(与螺母)；26、芯部金属熔体的导流管(II)；27、定位销；28、芯部金属熔体的电磁定量泵(II)；29、芯部金属熔体的静置保温炉(II)；30、螺母；31、芯部金属棒坯；32、金属包复棒材；33、无料饼的金属包复棒材。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清晰明了，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明设备的一种具体实施方式。其设备由所述的包覆层金属熔体的静置保温炉(I)12和芯部金属熔体的静置保温炉(II)29与外部金属熔体的熔炼和精炼设备与装置以及半封闭结构的导流管等一起构成金属熔体的熔炼和保温系统；由所述的导流管(I)8、电磁定量泵(I)11、浇道(I)6.4a、贮料筒(I)6.4c、压射冲头(I)13和内浇道6.4h一起构成包覆层金属熔体的浇注系统；由所述的导流管(II)26、电磁定量泵(II)28、浇道(II)6.4k、贮料筒(II)6.4f和压射冲头(II)14一起构成芯部金属熔体的浇注系统；由所述的模腔(I)和模腔(II)的主要模具构件与挤压铸造机的液压动力装置一起组成包覆层金属、芯部金属的挤压铸造直接复合成形系统；在合模状态下，包覆层金属挤压铸造成形模腔(I)的排气系统由所述的排气孔4.1a和4.2c、包覆层金属残料室4.2b和套筒3下部外侧内凹的垛口一起构成(如图2和图4c～d所示)，而芯部金属挤压铸造成形模腔(II)的排气系统由所述的水冷模芯本体2.2和套筒本体3.2之间的配合间隙构成(如图4b所示)；由所述的出水管5.2、进水管5.3、同轴水冷套5.5c和热电偶(I)5.1以及模温机一起构成动模(II)5的温度调节系统；由所述的出水管6.1、进水管6.2、同轴水冷套6.4g和热电偶6.7以及模温机一起构成定模6的温度调节系统；由所述的芯杆1、水冷模芯2、套筒3、动模(I)4、动模(II)5、套筒座板17、动模座板19、拉杆(I)21、拉杆(II)20、拉杆(III)I 8、压射冲头(I)13和压射冲头(II)14一起构成挤压铸造直接复合成形模具的运动系统；由所述的电磁开关(I)17.1、电磁开关(II)19.1和电磁开关(III)19.2与挤压铸造机的电气控制装置一起而构成模具运动部件行为状态的控制系统；由所述的动模(I)4上的导套孔(I)4.2a与动模(II)5上的导柱(I)5.5a、动模(II)5上的导套孔(II)5.5e与定模6上的导柱(II)6.4j一起构成挤压铸造直接复合成形模具的导向定位系统；设备的推料系统由所述的推料机构15和挤压铸造机的气缸活塞部件一起构成；由所述的推板导套15.3和推板导柱15.4一起构成模具推料机构15的导向系统；设备的残料剪切系统由所述的挤压铸造机的料饼剪切装置24和辅助液压缸柱塞构成；脱模剂喷涂装置22、抓料机械手23和CNC机加工设备等一起构成辅助生产系统。其中，(1)所述的导流管(I)8和导流管(II)26由内至外均由三层不同材料制作：内层可选用高纯石墨、白石墨或者陶瓷材料等制作，中间层可选用石棉毯、硅酸铝纤维棉或者氧化锆纤维毯等保温材料制作，最外层采用薄壁钢管制作；(2)挤压铸造直接复合成形模具中与金属熔体直接接触的零件包括水冷模芯本体2.2、套筒本体3.2、动模镶块(I)4.2、动模镶块(II)5.5、定模镶块6.4、压射冲头(I)13、压射冲头(II)14以及推杆15.5，可选用常用的热作模具钢4Cr5MoSiV1或者3Cr2W8V材料制作；(3)包括芯杆1、水冷模芯管接头2.1、导柱(I)5.5a、导柱(II)6.4j、推板导套15.3、推板导柱15.4、复位杆15.6、拉杆(III)18、拉杆(II)20和拉杆(I)21在内的模具滑动配合零件与其他运动零件，在挤压铸造铝或者铜等有色金属材料时均可选用T8A、T10A碳素工具钢制作、而在挤压铸造铸钢或者钢材时均可选用45号碳素工具钢或者40Cr中碳调质钢制作；(4)包括套筒支承板3.1、套筒座板17、动模支承板(I)4.1和动模套板(I)4.3、动模支承板(II)5.4和动模套板(II)5.6、动模座板19、定模支承板6.3和定模套6.5、垫块7、模座9、推板15.2和推杆固定板15.1在内的模架结构零件均可选用45号碳素工具钢或者Q235铸钢制作；(5)其他连接零件均可选用标准紧固件。
成形工艺实例：铝包铜棒金属包复材料挤压铸造直接复合成形(1)铝包铜棒的直径为80mm、铝包覆层的厚度为5mm；(2)T2紫铜和1060工业纯铝的浇注温度分别为1120℃和690℃；(3)模具的预热和保温温度分别为200℃和250℃；(4)紫铜熔体的充填速度为15m/s，纯铝熔体的充填速度为20m/s；(5)紫铜和纯铝熔体浇注后加压开始时间分别为15s和10s；(6)直接挤压铸造纯铝时的压射比压为40MPa；(7)间接挤压铸造紫铜时的压射比压为65MPa；(8)挤压铸造纯铝时的持压时间为40s；(9)挤压铸造紫铜时的持压时间为3.4s；(10)留模时间为20s；(11)在压铸紫铜、纯铝时，脱模剂分别选用油剂胶体石墨涂料和水剂胶体石墨涂料。
应当理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。对于任何熟悉本领域的专家、学者、研究员以及普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的前提下，还可做出若干变化、改进、替换和润饰，这些变化、改进、替换和润饰等均涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种金属包覆棒材挤压铸造直接复合成形设备，包括包覆层金属熔体的静置保温炉I(12)、电磁定量泵I(11)和导流管I(8)与芯部金属熔体的静置保温炉II(29)、电磁定量泵II(28)和导流管II(26)；所述设备还包括挤压铸造直接复合成形模具、模温机、出水管(5.2，6.1)、进水管(5.3，6.2)、热电偶I(5.1)和热电偶II(6.7)、挤压铸造机及其料饼剪切装置(24)、脱模剂喷涂装置(22)、抓料机械手(23)和CNC机加工设备以及其他辅助生产装置；在合模状态下，所述的挤压铸造直接复合成形模具的模腔I和模腔II是金属包覆棒材(32)的成形场所，在挤压铸造机的高压压力下实现材料的成形过程；所述的静置保温炉I(12)和静置保温炉II(29)分别是制备金属包覆棒材(32)所需包覆层金属熔体、芯部金属熔体的贮存单元；所述的电磁定量泵I(11)和电磁定量泵II(28)是分别通过导流管I(8)、导流管II(26)为挤压铸造直接复合成形模具的模腔I和模腔II定量浇注包覆层金属熔体、芯部金属熔体的动力装置；所述的挤压铸造直接复合成形模具的温度调控系统主要由模温机、热电偶I(5.1)和热电偶II(6.7)和冷却介质及其循环管路系统构成；所述的脱模剂喷涂装置(22)是为模具零件工作表面喷涂专用脱模剂的设备；所述的挤压铸造机的料饼剪切装置(24)是用于切除金属包覆棒材(32)下端料饼的专门工具；无料饼的金属包覆棒材(33)被与挤压铸造机的气缸柱塞相连的模具系统的推料机构(15)顶出模腔，再被抓料机械手(23)抓取并转移到CNC机加工设备工位；无料饼的金属包覆棒材(33)在经过CNC设备的精加工后被转入后加工工序，最终获得制成品；其特征在于：
所述的挤压铸造直接复合成形模具由芯杆(1)、水冷模芯(2)、套筒(3)、动模I(4)、动模II(5)、定模(6)、支撑块(7)、模座(9)、包覆层金属熔体的压射冲头I(13)、芯部金属熔体的压射冲头II(14)、推料机构(15)、套筒座板(17)、电磁开关I(17.1)、拉杆III(18)、动模座板(19)、电磁开关II(19.1)、电磁开关III(19.2)、拉杆II(20)、拉杆I(21)和标准紧固件构成；水冷模芯(2)由水冷模芯本体(2.2)和水冷模芯管接头(2.1)通过O型橡胶密封圈(2.3)密封螺接在一起，且水冷模芯管接头(2.1)的顶端与芯杆(1)相螺接；套筒(3)由套筒支承板(3.1)和套筒本体(3.2)相螺接而成，并通过拉杆III(18)与套筒座板(17)紧固螺接在一起；套筒座板(17)中央顶端的螺纹与挤压铸造机的主液压缸柱塞相连接，而在套筒座板(17)中央螺纹段的下方还设置有电磁开关I(17.1)；动模I(4)由动模支承板I(4.1)、动模镶块I(4.2)和动模套板I(4.3)构成，并通过拉杆II(20)与动模座板(19)紧固螺接在一起；动模座板(19)两端的螺柱与挤压铸造机的第一副液压缸柱塞相连接，而在动模座板(19)上还设置有电磁开关II(19.1)、电磁开关III(19.2)；通过对电磁开关I(17.1)和电磁开关III(19.2)启闭状态的联动调节来控制芯杆(1)下端的水冷模芯(2)的运动状态和位置；通过对电磁开关II(19.1)启闭状态的调节，经由与动模II(5)紧固连接在一起的拉杆I(21)来控制动模II(5)的运动状态和位置，而动模II(5)由动模支承板II(5.4)、动模镶块II(5.5)和动模套板II(5.6)构成；定模(6)由定模支承板(6.3)、定模镶块(6.4)和定模套(6.5)通过螺栓和螺母(25)紧固连接而成；模座(9)通过支撑块(7)及其内部内六方螺栓与上方的定模套(6.5)紧固连接在一起，而通过定位销(27)和内六方螺栓(16)与下方的挤压铸造机的工作平台(10)紧固连接在一起；在模座(9)的下方，压射冲头I(13)、压射冲头II(14)以及推力杆(15.7)分别与挤压铸造机的第二、第三副液压缸柱塞以及气缸柱塞相螺接；而在模座(9)的上方，推料机构(15)由推杆固定板(15.1)、推板(15.2)、推板导套(15.3)、推板导柱(15.4)、推杆(15.5)、复位杆(15.6)和推力杆(15.7)构成，并通过推板导柱(15.4)的上端与定模套(6.5)螺接在一起；在动模支承板I(4.1)上设置有排气孔(4.1a)；动模镶块I(4.2)内包含有导套孔I(4.2a)、包覆层金属残料室(4.2b)和排气孔(4.2c)；动模镶块II(5.5)内包含有导柱I(5.5a)、热电偶插孔I(5.5b)、同轴水冷套(5.5c)及其进水口和出水口、复位杆(15.6)的通道(5.5d)、导套孔II(5.5e)；在动模套板II(5.6)上开设有热电偶I(5.1)、进水管(5.3)和出水管(5.2)的过孔；定模镶块(6.4)内包含有包覆层金属熔体的浇道I(6.4a)、导流管I(8)和导流管II(26)的安装孔(6.4b)、包覆层金属熔体的贮料筒I(6.4c)、C形隔热腔(6.4d)、推杆(15.5)的通道(6.4e)、芯部金属熔体的贮料筒II(6.4f)、同轴水冷套(6.4g)及其进水口和出水口、包覆层金属熔体的内浇道(6.4h)、复位杆(15.6)的通道(6.4i)、导柱II(6.4j)、芯部金属熔体的浇道II(6.4k)和热电偶插孔II(6.4m)以及定位销(6.6)的安装孔；在定模套(6.5)上开设有热电偶II(6.7)、进水管(6.2)和出水管(6.1)的过孔以及定位销(6.6)、支撑块(7)和推板导柱(15.4)的安装孔与导流管I(8)、导流管II(26)、压射冲头I(13)、压射冲头II(14)、推杆(15.5)和复位杆(15.6)的过孔。
2.一种利用权利要求1所述的一种金属包覆棒材挤压铸造直接复合成形设备制备金属包覆棒材的挤压铸造直接复合成形方法，其特征在于：在合理的工艺条件下，在先、后挤压铸造成形棒状芯部金属和包覆层金属的同时，实现液态包覆层金属与固态芯部金属的界面复合作用，以获得一种芯部金属的熔点或者开始熔化温度较高且界面实现冶金结合的金属包覆棒材，即：(1)在生产前，在合模状态下给模具预热并准备质量合格的金属熔体；(2)当满足生产工艺条件要求时，开模并先采用脱模剂喷涂装置(22)迅速为模具内直接接触金属熔体的模具零件——水冷模芯本体(2.2)、套筒本体(3.2)、动模镶块I(4.2)、动模镶块II(5.5)和定模镶块(6.4)的工作表面喷涂一薄层脱模剂，再合模；(3)首先启动电磁定量泵II(28)，将芯部金属熔体由静置保温炉II(29)、经导流管II(26)和浇道II(6.4k)定量输入至贮料筒II(6.4f)中，再启动所述的压射冲头II(14)上行，将芯部金属熔体注入至由所述的水冷模芯本体(2.2)、套筒本体(3.2)和定模镶块(6.4)一起围成的模腔II内，并在高压状态下直接挤压铸造成形芯部金属棒坯(31)；接着，将套筒本体(3.2)的底面由模具分型面II升至模具分型面I上并锁定位置，从而由所述的芯部金属棒坯(31)、套筒本体(3.2)、动模镶块I(4.2)、动模镶块II(5.5)和定模镶块(6.4)一起围成模腔I；然后，先启动电磁定量泵I(11)，将包覆层金属熔体由静置保温炉I(12)、经导流管I(8)和浇道I(6.4a)定量输入至贮料筒I(6.4c)中；其次，启动所述的压射冲头I(13)上行，将包覆层金属熔体经内浇道(6.4h)注入至所述的模腔I内，并在高压状态下间接挤压铸造成形包覆层金属，同时实现液态包覆层金属与固态芯部金属在高温状态下的界面复合作用，从而获得所述的金属包覆棒材(32)；(4)抽芯、开模后，先采用所述的料饼剪切装置(24)切除所述金属包覆棒材(32)底部的料饼，再启动所述的推料机构(15)将无料饼的金属包覆棒材(33)顶出模腔，并采用所述抓料机械手(23)将金属包覆棒材(33)转移至CNC机加工平台；(5)无料饼的金属包覆棒材(33)经过CNC精加工后，即被转入后加工工序，经过深加工、热处理或者表面处理且质检合格后，再转运入库。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：(1)金属的熔炼温度、精炼温度和浇注温度分别比其熔点或者开始熔化温度高50～200℃、30～100℃和10～50℃；(2)模具预热、保温温度分别为100～300℃和100～500℃；(3)压射速度和充填速度分别为0.1～10m/s与10～40m/s；(4)浇注后加压开始时间为5～30s；(5)有色金属铝、铜及其合金在间接、直接挤压铸造时的压射比压分别为50～100MPa和25～50MPa，而钢在间接、直接挤压铸造时的压射比压分别为铝、铜及其合金在间接、直接挤压铸造时的压射比压的两倍；(6)当金属件的壁厚小于50mm时，铝合金和钢的保压时间按照0.5s/mm推算、铜合金的保压时间则按照1.5s/mm推算；而当金属件的壁厚在50～100mm范围内时，铝合金的保压时间按照1.0～1.5s/mm推算、钢的保压时间仍按照0.5s/mm推算、铜合金的保压时间仍按照1.5s/mm推算；(7)留模时间为7～30s。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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