CN115194128B - 一种管状金属包复材料挤压铸造直接复合成形设备与工艺 - Google Patents
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Abstract
一种管状金属包复材料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。本发明将单一金属管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，开发出了一种管状金属包复材料挤压铸造直接复合成形新技术；依据该技术开发出了一种管状金属包复材料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高于芯部金属的管状金属包复材料。本发明的优点是：能实现变形合金或铸造合金单孔或多孔、常规或异型、界面层薄且洁净的管状金属包复材料近净成形；生产工艺流程短，设备投资小，环境负担小，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，特别提供了一种管状金属包复材料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熔化温度高于芯部金属熔点或者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
管状金属包复材料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。
然而，上述几种方法在相比之下各有优缺点，即：(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和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相-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，不能用来生产管状金属包复材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管状金属包复材料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熔化温度高于芯部金属的熔点或者熔化温度的管状金属包复材料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：一种管状金属包复材料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)30、电磁定量泵(II)29和导流管(II)27、挤压铸造直接复合成形模具、模温机、出水管5.2和6.1与进水管5.3和6.2、PTR型热电阻温度传感器5.1和热电偶(II)6.7、挤压铸造机及其料饼剪切装置25、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、芯管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、芯管座板17、动模座板19、拉杆(I)21、拉杆(II)20、拉杆(III)18、模具滑块24、推料机构15和标准连接件——定位销28、内六方螺栓16、螺栓、螺母构成；其特征在于：(1)芯杆1由芯杆上部1a与单头模芯1b或者多头模芯1c螺纹连接而成；(2)芯管2由倒柱锥台结构的芯管本体2.2与芯管支承板2.1紧固螺接而成，并通过拉杆(III)18与芯管座板17相螺接在一起；芯管座板17在其顶端与挤压铸造机的主液压缸柱塞相螺接；芯管座板17顶端螺纹的下方设置有电磁开关(I)17.1；(3)套筒3同轴布置在芯管本体2.2的外侧，且其顶端法兰盘的内径略微小于芯管本体2.2倒锥台上端面的直径，以利于控制与模芯2倒锥台上端面相接触的套筒3的运动状态和位置；法兰盘的上表面设置有高度差约为0.5～8mm的二级台阶，合模时与可水平移动的模具滑块24相配合，可以灵活控制套筒3下端面的相对位置；模具滑块24的外端与挤压铸造机的第一气缸柱塞相连接；套筒3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；(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通过其顶端的对称布置的螺柱与挤压铸造机的第一副液压缸柱塞相螺接；在螺柱内侧对称设置有拉杆(III)18的过孔；在动模座板19的中央设置有电磁开关(III)19.2，而在动模座板19的两端设置有电磁开关(II)19.1；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上部1a下方的单头模芯1b或者多头模芯1c的运动状态和位置，而通过对电磁开关(II)19.1启闭状态的调节来控制与穿过其中的拉杆(I)21的下端相螺接的动模(II)5的运动状态和位置；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；(5)在动模支承板(I)4.1上设置有相应的排气孔4.1a；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、排气孔4.2c和芯部金属残料室4.2d；(6)动模镶块(II)5.5上包含有导柱(I)5.5a、热电阻温度传感器插孔5.5b、同轴水冷套5.5c、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通过螺栓与螺母26固定连接而成；定模镶块6.4上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)27的螺纹连接安装孔6.4b、包覆层金属熔体的贮料筒(I)6.4c、C形隔热腔6.4d、推杆通道6.4e、芯部金属熔体的贮料筒(II)6.4f、同轴水冷套6.4g、包覆层金属熔体的内浇道6.4h、复位杆通道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6.4m以及定位销6.6的安装孔；在定模套6.5设置有进水管6.2、出水管6.1、热电偶6.7、压射冲头(I)13、压射冲头(II)14、导流管(I)8、导流管(II)27、推杆15.5和复位杆15.6的过孔与定位销6.6以及支撑块7中内六方螺栓的安装孔以及推板导柱15.4的螺纹连接安装孔6.5a；(8)模座9通过支撑块7及其内部的内六方螺栓与定模套6.5紧固连接在一起，而通过定位销28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；(9)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、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；(10)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；其中，推杆固定板15.1、推板15.2、推板导套15.3、推杆15.5和复位杆15.6通过定位销28和内六方螺栓16紧固连接在一起；推板导柱15.4在其上端与定模套6.5螺接在一起；推力杆15.7在其下端与挤压铸造机的第二气缸柱塞相连接；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；(11)包覆层金属熔体可借助与导流管(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，芯部金属熔体也可借助与导流管(II)27同轴布置的电磁定量泵(II)29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)27在结构上由内至外均由导流管本体、保温层和保护管构成；导流管本体在其顶端与定模镶块6.4密封螺接在一起，而其下端倒锥口浸没在静置保温炉(I)12或者静置保温炉(II)30内金属熔体液面以下3/4深度处；(12)PTR型热电阻温度传感器5.1和热电偶6.7被分别固定安装在热电阻温度传感器插孔5.5b和热电偶插孔6.4m内，且其外端分别与模温机上相应的温度仪表相连接；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；(13)料饼剪切装置25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以及静置保温炉(I)12和静置保温炉(II)30均可合理地布置在挤压铸造机周围；CNC机加工设备以及其他辅助装置可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、模具滑块24和第一、第二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；(14)在合模状态下，动模镶块(I)4.2和动模镶块(II)5.5的密封贴合面以及已被模具滑块24锁定位置的套筒3的底面与模具分型面(I)相重合；动模镶块(II)5.5和定模镶块6.4的密封贴合面以及芯管本体2.2和单头模芯1b或者多头模芯1c的底面与模具分型面(II)相重合；推料机构15的复位杆15.6和推杆15.5的上表面分别与模具分型面(I)、模具分型面(II)相重合，从而由芯管本体2.2、套筒3、动模镶块(I)4.2、动模镶块(II)5.5和定模镶块6.4一起围成一个半封闭的包覆层金属挤压铸造成形模腔(I)；(15)在包覆层金属壳体32挤压铸造结束后、芯部金属挤压铸造开始前，将芯管本体2.2的底面升至与模具分型面(I)相重合的位置、且将套筒3的底面同时升至模具分型面(I)上方约0.5～8mm处的位置后再次被模具滑块24锁定，从而由单头模芯1b或者多头模芯1c、芯管本体2.2、套筒3、动模镶块(I)4.2、动模镶块(II)5.5内侧的管状包覆层金属壳体32和定模镶块6.4一起围成一个半封闭的芯部金属挤压铸造成形模腔(II)；此时，套筒3的底面与管状包覆层金属壳体32的上表面之间的环形间隙将模腔(II)与芯部金属残料室4.2d和排气孔4.1a和4.2c连通在一起。
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流经动模镶块(II)5.5或者定模镶块6.4中同轴水冷套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，而动模镶块(I)4.2和套筒3的底面以及推料机构15中复位杆15.6的上表面均在模具分型面(I)上、动模镶块(II)5.5与芯管本体2.2和单头模芯1b或者多头模芯1c的底面以及推料机构15中推杆15.5的上表面均在模具分型面(II)上，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包覆层金属熔体静置保温炉(I)12和芯部金属熔体静置保温炉(II)30中，并采用在保护性气氛或者专用的熔体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工作表面喷涂脱模剂、且使在零件工作表面上的涂层厚度达到50μm左右，以降低模温、并阻止金属熔体对模具钢表面的接触浸蚀和粘模。在此过程中，挤压铸造直接复合成形模具处于完全开启状态，而电磁开关(I)17.1和电磁开关(II)19.1均处于闭合状态、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，套筒3的底面位于分型面(I)上、并通过其法兰盘顶端的一级台阶与模具滑块24紧密接触而被锁定，同时，电磁开关(I)17.1和电磁开关(II)19.1均处于开启状态、电磁开关(III)19.2则处于闭合状态(如图4b所示)。(5)包覆层金属壳体的间接挤压铸造成形：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；然后，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，间接挤压铸造成形包覆层金属壳体32(如图4c所示)；接着，启动挤压铸造机的第一气缸柱塞而带动模具滑块24退至套筒3法兰盘顶端的次级台阶正上方；然后，启动挤压铸造机的主油缸柱塞而带动芯管2上升、稍后带动与芯管本体2.2的倒锥台上沿相接触的套筒3一起上升至套筒3法兰盘次级台阶与模具滑块24相接触时止(如图4d所示)。(6)芯部金属的直接挤压铸造成形与界面复合：首先启动电磁定量泵(II)29，将芯部金属熔体从静置保温炉(II)30经过导流管(II)27和浇道(II)6.4k定量输入贮料筒(II)6.4f内；然后，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位于包覆层金属管壳体32和单头模芯1b或者多头模芯1c之间的模腔(II)内，在直接挤压铸造成形芯部金属管的同时，通过固态的包覆层金属管壳体32与液态芯部金属之间的界面复合作用，获得管状金属包复材料33(如图4d所示)。(7)料饼切除：首先启动挤压铸造机外侧的第一气缸柱塞、带动模具滑块24退至模具外侧；接着，闭合电磁开关(I)17.1并开启电磁开关(III)19.2，启动挤压铸造机的主液压缸柱塞而带动芯管2、套管3和芯杆1上升至其上限位置时止；再启动挤压铸造机的第一副液压缸柱塞而带动动模(I)4升至其中间位置时止(如图4e所示)；此时，闭合电磁开关(II)19.1，重启挤压铸造机的第一副液压缸柱塞而带动动模(I)4和动模(II)5上升至其上限位置时止；然后，启动挤压铸造机的料饼剪切装置25来切除动模(II)5模腔中管状金属包复材料33底部的料饼(如图4f所示)。(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，启动挤压铸造机的第二气缸柱塞而带动推料机构15上行，在推杆15.5的推力作用下将无料饼的管状金属包复材料铸坯34推出模腔、并利用抓料机械手23将铸坯34从挤压铸造机中转移至CNC机加工设备工位。(9)脱模剂再喷涂：首先启动挤压铸造机的第一副液压缸柱塞而带动动模(I)4和动模(II)5上升至其上限位置时止；再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工作表面喷涂脱模剂(如图4i所示)。(10)再合模：首先启动挤压铸造机的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，开启电磁开关(II)19.1、并重启挤压铸造机的第一副液压缸柱塞而带动动模(I)4继续下降至其与动模(II)5相接触时止；在此下降过程中的动模(I)4在与复位杆15.6相接触后，将通过复位杆15.6推动推料机构15复位；最后，先后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下行至其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；最后，先闭合电磁开关(III)19.2，再开启电磁开关(I)17.1(如图4j所示)；至此就完成了管状金属包复材料铸坯的一个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管坯34上部的金属残料并精加工。(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铸造合金的管状金属包复材料，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管状金属包复材料，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。
管状金属包复材料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熔化温度高100～150℃和50～80℃；而浇注温度比其熔点或者熔化温度高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：铝、铜等有色金属的间接、直接挤压铸造时的压射比压分别为60～100MPa和25～50MPa，而钢的间接、直接挤压铸造时的压射比压分别为铝、铜等有色金属间接、直接挤压铸造时的两倍；(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、铜合金的保压时间按照1.5s/mm推算；当金属件的壁厚在50～100mm范围内时，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、而铝合金的保压时间按照1.0～1.5s/mm推算；(7)留模时间一般取7～30s；(8)脱模剂：在挤压铸造铝合金时，可选用水剂胶体石墨、硅涂料(白)或者石墨-机油混合涂料；在挤压铸造铜合金时，可选用油剂胶体石墨、石墨-植物油混合涂料；在挤压铸造钢时，可选用地蜡-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。
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，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钢的表面氮化热处理。
优选地，为了提高金属包覆棒材料的挤压铸造直接复合成形生产效率，可采用“一模多件”方式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，采用本发明的设备和工艺，可选用带有多头水冷模芯本体的挤压铸造直接复合成形模具来制备多孔金属层状包复材料。
优选地，为了消除非等壁厚包覆层金属在厚度较大处的金属组织内部产生“微缩孔”缺陷，在本发明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料。
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料。
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管状金属包复材料制备新技术，即在首先间接挤压铸造成形包覆层金属的前提下，在直接挤压铸造成形芯部金属的同时，通过液态芯部金属与固态包覆层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，从而获得一种包覆层金属材料熔点或者熔化温度较高的空芯层状金属包复材料。
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、PTR型热电阻温度传感器或者热电偶、进出水管和模内同轴水冷套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，并辅以能够粗略地监测模腔内包覆层金属管壳体与挤压铸造中的芯部金属的接触作用温度的PTR型热电阻温度传感器，通过优化设计挤压铸造直接复合成形工艺制度的方法，既能有效减弱或者抑制在模具中两种金属熔体之间热交换作用的不良影响，又能有效控制包覆层金属和芯部金属的挤压铸造成形和液相-固相复合成形工艺过程，从而获得其基材组织细小均匀且界面层厚度较小且易于控制的管状金属包复材料。
3.在本发明中，在完全合模的状态下，包覆层金属首先在挤压铸造直接复合成形模具中半封闭结构的模腔(I)内间接挤压铸造成形为管状坯壳；接着，将芯管本体和套筒升至其底面分别与模具分型面(I)相重合的位置、或者在模具分型面(I)上方约0.5～8mm的位置处，从而在先成形包覆层金属管坯壳的内侧产生一个半封闭结构的模腔(II)；然后，芯部金属在模腔(II)内直接挤压铸造成形、并同时实现其与包覆层金属管坯壳之间的界面复合作用，从而实现了包覆层金属熔点或者熔化温度较高的管状金属包复材料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、金属与藕状金属材料等包覆层金属熔点或者熔化温度较高的管状金属包复材料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管状铸造合金包复材料或者管状变形合金包复材料及其深加工零件，还可通过后续热处理加工，进一步改善这种管状金属包复材料的组织和性能。
6.利用本发明的设备和工艺，在制备铸造合金的管状金属包复材料时，能够实现“近净成形”；而在制备加工变形合金的管状金属包复材料制品时，能够缩短工艺流程、提高生产效率、节约能量、降低制造成本。
7.本发明中，若采用“一模多件”式模具结构设计方案，在大规模工业化生产时，可更好地提高管状金属包复材料的生产效率。
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环境中，即可实现真空挤压铸造直接复合成形工艺过程，从而进一步降低空芯金属包复材料组织的含氢量；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，从而可获得空芯金属包复材料的半固态金属基材和更小的界面层厚度，进一步提高包复材料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，则可以有效地抑制“微缩孔”组织缺陷在管状金属包复材料中非等壁厚包覆层金属的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，本发明的方法具有管状金属包复材料的基材晶粒细小、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单孔或者多孔圆管、方管或者异形管等管状金属包复材料(如图3所示)，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为本发明的管状金属包复材料挤压铸造直接复合成形设备结构示意图；
图2为本发明的管状金属包复材料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管状金属包复材料典型横截面图；
图4为管状金属包复材料挤压铸造直接复合成形工艺过程示意图。
图中：1、芯杆；1a、芯杆上部；1b单头模芯；1c多头模芯；2、芯管；2.1、芯管支承板；2.2、芯管本体；3、套筒；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；4.2d、芯部金属残料室；4.3、动模套板(I)；5、动模(II)；5.1、PTR型热电阻温度传感器；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、热电阻温度传感器插孔；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)27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；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；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、芯管座板；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、模具滑块；25、挤压铸造机的料饼剪切装置；26、螺栓与螺母；27、芯部金属熔体的导流管(II)；28、定位销；29、芯部金属熔体的电磁定量泵(II)；30、芯部金属熔体的静置保温炉(II)；31、螺母；32、包覆层金属管壳体；33、管状金属包复材料；34、无料饼管状金属包复材料。
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和图2为本发明设备的一种具体实施方式。其设备由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)30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；由包覆层金属熔体的导流管(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；由芯部金属熔体的导流管(II)27、电磁定量泵(II)29、浇道(II)6.4k、贮料筒(II)6.4f以及压射冲头(II)14一起构成芯部金属熔体的浇注系统；由前述的模腔(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；在完全合模状态下，包覆层金属挤压铸造成形模腔(I)的排气系统由排气孔4.1a和4.2c、包覆层金属残料室4.2b和套筒3下方垛口一起构成(如图4b所示)；而芯部金属挤压铸造成形模腔(II)的排气系统由排气孔4.1a和4.2c、芯部金属残料室4.2d和套筒3下方的环状间隙共同构成(如图4d所示)；由动模(II)5内的出水管5.2和进水管5.3以及同轴水冷套5.5c、PTR型热电阻温度传感器5.1与挤压铸造机外部的模温机一起构成动模(II)5的温度调节系统；由定模的出水管6.1和进水管6.2以及同轴水冷套6.4g、热电偶6.7与挤压铸造机外部的模温机一起构成定模6的温度调节系统；由芯杆1、芯管2、芯管座板17、拉杆(III)18、套筒3、动模(I)4、动模(II)5、动模座板19、拉杆(II)20、拉杆(I)21、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装置相连接而构成模具运动部件行为状态的控制系统；由模具滑块24与挤压铸造机的第一气缸一起构成滑块系统；由动模(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一起构成模具定位导向系统；由推料机构15与挤压铸造机的第二气缸一起构成推料系统；由推板导套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挤压铸造机的料饼剪切装置25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)导流管(I)8和导流管(II)27由内至外均由三层不同材料制成：内层可采用对高温金属熔体能显示出良好惰性的高纯石墨、白石墨或者陶瓷材料制作，中间层可采用石棉毯、硅酸铝纤维棉、氧化锆纤维毯等绝热性能良好的保温材料制作，最外层用薄壁钢管制作；(2)挤压铸造直接复合成形模具中与金属熔体直接接触的工模具零件(包括模芯1b或者1c、芯管本体2.2、套筒3、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)均可采用综合性能良好的热作模具钢4Cr5MoSiV1或者3Cr2W8V等材料制作，并且在给零件淬火处理后，再对其工作面进行表面氮化处理、并使渗氮层厚度约为80～150μm、硬度HV≥600；(3)对于模具的滑动配合零件(包括芯杆上部1a、导柱(I)5.5a、导柱(II)6.4j、模具滑块24、推板导套15.3、推板导柱15.4、复位杆15.6、拉杆(I)21、拉杆(II)20和拉杆(III)18)，在挤压铸造铝、铜等有色金属材料时可选用T8A、T10A碳素工具钢制作，而在挤压铸造铸钢、钢材时可选用45号碳素工具钢或者40Cr中碳调质钢制作；(4)对于模架结构零件(包括芯管支承板2.1、芯管座板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、动模套板(II)5.6、动模座板19、定模支承板6.3、定模套6.5、支撑块7、模座9、推板15.2和推杆固定板15.1)，可选用45号碳素工具钢、Q235铸钢制作；(5)其他紧固件均用标准紧固件。
成形工艺实例：铜包铝管金属包复材料挤压铸造直接复合成形
(1)铜包铝管的内、外经分别为30mm和80mm，包覆层厚度为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)间接挤压铸造紫铜时的压射比压为65MPa，而直接挤压铸造纯铝时的压射比压为40MPa；
(7)挤压铸造紫铜时的持压时间为3.4s，而挤压铸造纯铝时的持压时间为40s；留模时间为20s；
(8)挤压铸造紫铜、纯铝材料，脱模剂分别选用油剂胶体石墨涂料、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)
1.一种管状金属包复材料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(30)、电磁定量泵II(29)和导流管II(27)、挤压铸造直接复合成形模具、模温机、出水管(5.2，6.1)和进水管(5.3，6.2)、PTR型热电阻温度传感器(5.1)和热电偶(6.7)、挤压铸造机及其料饼剪切装置(25)、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；在合模状态下，所述挤压铸造直接复合成形模具的模腔I与模腔II是管状金属包复材料(33)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；所述静置保温炉I(12)和静置保温炉II(30)分别是制备管状金属包复材料(33)所需包覆层金属熔体、芯部金属熔体的贮存单元；所述电磁定量泵I(11)和电磁定量泵II(29)是分别通过包覆层金属熔体的导流管I(8)和浇道I(6.4a)、芯部金属熔体的导流管II(27)和浇道II(6.4k)为挤压铸造直接复合成形模具的贮料筒I(6.4c)和贮料筒II(6.4f)定量浇注包覆层金属熔体、芯部金属熔体的动力装置；
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；压射冲头I(13)上行、并将贮料筒I(6.4c)中的包覆层金属熔体经内浇道(6.4h)注入到模腔I内；压射冲头II(14)上行、并将贮料筒II(6.4f)中的芯部金属熔体直接注入模腔II内；所述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、PTR型热电阻温度传感器(5.1)、热电偶(6.7)和冷却介质及其循环管路系统构成；所述脱模剂喷涂装置(22)是为模具零件工作表面喷涂专用脱模剂的设备；所述挤压铸造机的料饼剪切装置(25)是用于切除管状金属包复材料(33)下端料饼的专门工具；无料饼的管状金属包复材料(34)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；无料饼的管状金属包复材料(34)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)、芯管(2)、芯管座板(17)、拉杆III(18)、套筒(3)、模具滑块(24)、动模I(4)、拉杆II(20)、动模座板(19)、拉杆I(21)、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)以及定位销(28)、内六方螺栓(16)、螺栓、螺母构成；所述的芯杆(1)由芯杆上部(1a)与单头模芯(1b)或者多头模芯(1c)紧固螺接而成；所述的芯管(2)由芯管本体(2.2)与芯管支承板(2.1)紧固螺接而成，并通过拉杆III(18)与芯管座板(17)相螺接；芯管座板(17)通过其中央顶端螺纹与挤压铸造机的主液压缸柱塞相连接，而在其顶端螺纹下侧设置有电磁开关I(17.1)；所述的套筒(3)同轴布置在芯管本体(2.2)的外侧，且其顶端法兰盘的内孔径略微小于芯管本体(2.2)倒锥台上端面的直径；
该法兰盘的上表面设置有高度差为0.5～8mm的二级台阶，合模时与可水平移动的模具滑块(24)相配合，可以灵活控制套筒(3)下端面的相对位置；模具滑块(24)的外端与挤压铸造机的第一气缸柱塞相连接；在完全合模时，套筒(3)下端外沿在其对应于动模I(4)中的包覆层金属残料室(4.2b)的位置处设置有内凹垛口，将模腔I与残料室(4.2b)和排气孔(4.2c，4.1a)相连通；当套筒(3)的底面升至模具分型面I上方较小距离而被模具滑块(24)重新锁定位置后，套筒(3)底面下方的环形空隙即成为连接模腔II、残料室(4.2d)和排气孔(4.2c，4.1a)的通道；所述的动模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；在动模座板(19)的中央设置有芯杆上部(1a)的过孔和电磁开关III(19.2)；在电磁开关III(19.2)的两侧对称设置有拉杆III(18)的过孔和与挤压铸造机的第一副液压缸柱塞相螺接的螺柱；在动模座板(19)的两端对称设置有电磁开关II(19.1)；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上部(1a)下方的单头模芯(1b)或者多头模芯(1c)的运动状态和位置，而通过对电磁开关II(19.1)启闭状态的调节来控制与拉杆I(21)的下端相螺接的动模II(5)的运动状态和位置；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；所述的定模(6)由定模支承板(6.3)、定模镶块(6.4)和定模套(6.5)通过螺栓和螺母紧固连接而成，并通过支撑块(7)与模座(9)紧固连接在一起；所述的模座(9)通过定位销(28)和内六方螺栓(16)与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第二气缸柱塞相螺接；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，其中，推杆固定板(15.1)、推板(15.2)、推板导套(15.3)、推杆(15.5)和复位杆(15.6)通过定位销(28)和内六方螺栓(16)紧固连接在一起，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；所述的推料机构(15)通过推板导柱(15.4)的上端与定模套(6.5)螺接在一起；
在所述的动模支承板I(4.1)上设置有相应的排气孔(4.1a)；所述的动模镶块I(4.2)内包含有导套孔I(4.2a)、包覆层金属残料室(4.2b)、排气孔(4.2c)和芯部金属残料室(4.2d)；所述的动模镶块II(5.5)内包含有导柱I(5.5a)、热电阻温度传感器插孔(5.5b)、同轴水冷套(5.5c)、复位杆通道(5.5d)和导套孔II(5.5e)；在所述的动模套板II(5.6)的侧壁上开设有PTR型热电阻温度传感器(5.1)与进水管(5.3)和出水管(5.2)的过孔；所述的定模镶块(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(27)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)、推杆通道(6.4e)、芯部金属熔体的贮料筒II(6.4f)、同轴水冷套(6.4g)、包覆层金属熔体的内浇道(6.4h)、复位杆通道(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(6.4m)以及定位销(6.6)的安装孔；在所述的定模套(6.5)内设置有进水管(6.2)、出水管(6.1)、热电偶(6.7)、压射冲头I(13)、压射冲头II(14)、导流管I(8)、导流管II(27)、推杆(15.5)和复位杆(15.6)的过孔与推板导柱(15.4)、定位销(6.6)以及支撑块(7)中内六方螺栓的安装孔。
2.一种利用权利要求1所述的一种管状金属包复材料挤压铸造直接复合成形设备制备管状金属包复材料的挤压铸造直接复合成形工艺，其特征在于：在合理的工艺条件下，在先、后挤压铸造成形管状包覆层金属和管状芯部金属的过程中，同时实现液态芯部金属与固态包覆层金属的界面复合作用，以获得一种包覆层金属熔点或者熔化温度较高且界面实现冶金结合的管状金属包复材料；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——单头模芯(1b)或者多头模芯(1c)、芯管本体(2.2)、套筒(3)、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相应的脱模剂，再合模；(3)首先，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；再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)注入至由芯管本体(2.2)、套筒(3)、动模镶块I(4.2)、动模镶块II(5.5)和定模镶块(6.4)一起围成的模腔I内，间接挤压铸造成形包覆层金属管壳体(32)；其次，将芯管本体(2.2)和套筒(3)的底面由模具分型面II分别升至模具分型面I、或者模具分型面I上方0.5～8mm的位置处并锁定位置，从而由包覆层金属管壳体(32)、单头模芯(1b)或者多头模芯(1c)、芯管本体(2.2)和定模镶块(6.4)一起围成模腔II；接着，启动电磁定量泵II(29)，将芯部金属熔体由静置保温炉II(30)、经导流管II(27)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所述的模腔II内，从而在直接挤压铸造成形芯部金属的同时、实现液态芯部金属与固态包覆层金属在高温状态下的界面复合作用，以获得所述的管状金属包复材料(33)；(4)抽芯、开模后，先采用所述的料饼剪切装置(25)切除所述管状金属包复材料(33)底部的料饼，再启动所述的推料机构(15)将无料饼的管状金属包复材料(34)顶出模腔，并采用所述抓料机械手(23)将其转移至CNC机加工平台；(5)所述无料饼的管状金属包复材料(34)经过CNC精加工后，即被送入后加工工序，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所述的一种制备管状金属包复材料的挤压铸造直接复合成形工艺，其特征在于：(1)金属的熔炼、精炼温度分别比其熔点或者熔化温度高100～150℃和50～80℃；(2)金属的浇注温度比其熔点或者熔化温度高10～50℃；(3)模具的预热及保温温度分别为100～300℃和100～500℃；(4)压射速度和充填速度分别为0.1～10m/s与10～40m/s；(5)浇注后加压开始时间为5～30s；(6)压射比压：铝、铜间接、直接挤压铸造时的压射比压分别为60～100MPa和25～50MPa，而钢的间接、直接挤压铸造时的压射比压分别为铝、铜间接、直接挤压铸造时的两倍；(7)保压时间：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、铜合金的保压时间按照1.5s/mm估算；当金属件的壁厚在50～100mm范围内时，钢的保压时间仍按照0.5s/mm估算、铜合金的保压时间仍按照1.5s/mm推算、而铝合金的保压时间按照1.0～1.5s/mm估算；(8)留模时间为7～30s。
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