CN115383066A - 一种高性能合金的连续制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高性能合金的连续制备方法及装置,属于连续挤压技术领域。本发明所述的方法为将金属熔化后经漏斗和导流管流入挤压轮槽,沿轮槽向下流动的熔体遇到伸入轮槽的水冷铜轮组后,在挤压轮槽和水冷铜轮组的约束下沿轮槽展开形成薄坯,薄坯在挤压轮和水冷铜轮组传导传热的作用下实现非平衡凝固;当挤压轮槽作用在坯料上的摩擦力足够大时,坯料便被推入模腔,进而从模孔流出形成制品。本发明将水冷铜轮与挤压轮槽相结合形成薄坯,同时利用二者的传导传热将熔体热量快速导出,实现非平衡凝固;后续的连续挤压将尚处于高温的薄坯在线固结并挤压成形,获得具有非平衡凝固组织的管棒型线等制品。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能合金的连续制备方法及装置,属于连续挤压技术领域。
背景技术
连续铸挤是将铸造与连续挤压结合起来形成的一种集成技术,不仅可生产铝及镁合金小型管材、合金线材、合金型材、电工铝母线、大口径管和Al-Ti-B晶粒细化剂等,还可用于液-固包覆复合材料的连续制备;然而,铸挤轮槽尺寸通常较大,在15mm×15mm-25mm×25mm之间,合金熔液的结晶潜热不易快速导出,致使凝固速度不高,限制了连续铸挤技术在高性能合金材料领域的应用。
针对此问题,尹建成等提出一种“一种气体辅助连续铸挤的方法及装置”(CN201711178463.7),即将金属熔化后沿导流板流入挤压轮轮槽,在惰性气体的作用下紧贴挤压轮槽壁铺展开,并凝固成薄层,在挤压轮的转动和模腔堵头作用下,轮槽壁上的金属薄层不断进入到模具中堆积挤出,获得制品。实践表明,该方法不仅可拓宽合金元素在铝基体中的固溶度,而且能有效细化第二相的尺寸,显著提升合金性能;但该方法也存在一些问题,如薄坯厚度的不均匀会导致组织的不均匀,惰性气体的使用会增加生产成本等问题。
发明内容
本发明的目的在针对上述不足,提供一种高性能合金的连续制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将金属熔化后经漏斗和导流管流入挤压轮槽,沿挤压轮槽向下流动的熔体遇到伸入挤压轮槽的水冷铜轮组后,在挤压轮槽和水冷铜轮组的约束下沿轮槽展开形成薄坯。
(2)薄坯在挤压轮和水冷铜轮组传导传热的作用下实现非平衡凝固;随挤压轮旋转的薄坯遇到堵头后,便在挤压型腔内塞积,当挤压轮槽作用在坯料上的摩擦力足够大时,坯料便被推入模腔,进而从模孔流出形成制品。
优选的,本发明步骤1所得薄坯厚度为1-2mm。
本发明的另一目的在于提供所述高性能合金的连续制备方法所用装置,包括漏斗1、导流管2、挤压轮槽3、挤压轮5、挤压型腔6、模具7,漏斗1位于导流管2的正上方,导流管2位于挤压轮5右上方,挤压轮5上设有挤压轮槽3,挤压轮槽3的左侧设有挤压型腔6,挤压型腔6内部设有模具7,所述挤压轮槽3的上方设有多个水冷铜轮4、多个水冷铜轮4构成水冷铜轮组;所述水冷铜轮组位于靠近导流管2一侧,在第一象限沿挤压轮槽3外围均匀分布;水冷铜轮4通过弹簧固定在导向装置上,在导向装置和弹簧作用下水冷铜轮4可沿挤压轮5径向移动,用于调节水冷铜轮4在挤压轮槽3内的伸入量(),使得合金薄坯厚度在1-2mm。
优选的,本发明所述水冷铜轮组由4-8个外形尺寸相同的水冷铜轮4构成。
优选的,本发明水冷铜轮4由循环水冷却,水冷铜轮内部设有冷却水通道,在水冷铜轮两侧设有冷却水进口9和冷却水出口10。
优选的,本发明挤压轮5沿顺时针方向转动,增加合金与挤压轮的接触弧长度,延长有效冷却时间,进而提升冷却能力,随着合金熔液的凝固,水冷铜轮4在轮槽中的伸入量逐渐递增。
本发明的原理:金属熔化后经漏斗1和导流管2流入挤压轮槽3,沿轮槽3向下流动的熔体遇到伸入轮槽3的水冷铜轮4后,在挤压轮槽3和水冷铜轮4的约束下沿轮槽3展开U型形成薄坯,薄坯在挤压轮5和水冷铜轮4传导传热的作用下实现非平衡凝固;随挤压轮5旋转的薄坯遇到堵头后,便在挤压型腔6内塞积,当挤压轮槽3作用在坯料上的摩擦力足够大时,坯料便被推入模腔,进而从模孔流出形成制品;在弹簧作用下,随合金熔体的凝固,水冷铜轮在轮槽中的伸入量逐渐递增。
本发明的有益效果:
(1)与气体辅助连续铸挤技术相比,本发明的生产效率更高;气体辅助连续铸挤过程中,合金熔体的冷却主要是靠挤压轮的传导传热,而本发明中熔体的冷却途径除了挤压轮的传导传热之外,还有水冷铜轮的传导传热,导热效率可提升约一倍,熔体凝固速度更快,因此其生产效率也更高。
(2)与气体辅助连续铸挤技术相比,本发明的产品性能更优异;其一,气体辅助连续铸挤过程中,若挤压轮转速、熔体流量、熔体温度、气体压力等参数中有一项不稳定,熔液薄层便会出现厚度不均匀,不均匀的厚度会导致不均匀的组织;而本发明中用水冷铜轮与挤压轮槽共同约束熔体,上述参数的轻微变化基本不会影响薄坯厚度,因此其凝固组织更均匀一致;其二,本发明中,在挤压轮与水冷铜轮双重传导传热作用下,薄坯凝固速度更快,微观组织更为细小均匀。上述两方面的综合作用使得本发明的产品性能更加优异。
(3)本发明不使用惰性气体,较气体辅助连续铸挤技术更具成本优势。
(4)本发明可在一步操作中完成具有优异性能的管棒型线的连续制备,流程短,能耗低,效率高,相对于传统连续铸挤具有明显的成本和性能优势。
附图说明
图1为制备高性能合金的装置原理示意图;
图2为水冷铜轮与挤压轮槽配合示意图;
图3为水冷铜轮在轮槽中的伸入量示意图。
图中:1-漏斗、2-导流管、3-挤压轮槽、4-水冷铜轮、5-挤压轮、6-挤压型腔、7-模具、8-制品、9-冷却水进口、10-冷却水出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所用的装置如图1所示,该装置主要包括漏斗1、导流管2、挤压轮槽3、挤压轮5、挤压型腔6、模具7,漏斗1位于导流管2的正上方,导流管2位于挤压轮5右上方,挤压轮5上设有挤压轮槽3,挤压轮槽3的左侧设有挤压型腔6,挤压型腔6内部设有模具7,所述挤压轮槽3的上方设有5个水冷铜轮4,5个外形尺寸相同的水冷铜轮4构成水冷铜轮组;所述水冷铜轮组位于靠近导流管2一侧,在第一象限沿挤压轮槽3外围均匀分布;水冷铜轮4通过弹簧固定在导向装置上,在导向装置和弹簧作用下水冷铜轮4可沿挤压轮5径向移动,用于调节水冷铜轮4在挤压轮槽3内的伸入量(),使得合金薄坯厚度在1-2mm。所述水冷铜轮4由循环水冷却,水冷铜轮内部设有冷却水通道,在水冷铜轮两侧设有冷却水进口9和冷却水出口10;沿顺时针方向,水冷铜轮4在轮槽中的伸入量逐渐递增;水冷铜轮4由循环水冷却。
下面以Al-1Zr合金杆为例,结合装置对本发明所述方法进一步详细说明,方法如下:
(1)配料:按质量百分数配制Al 99%和Zr 1%将原料配好;
(2)熔炼:将配好的铝锆合金放入坩埚中,将其放入电阻炉就行熔炼,设置熔炼温度为910℃。
(3)制备过程:将JL350型连续挤压机按照顺时针方向转动,并且调整挤压轮转速10rpm,打开冷却水阀门通入冷却水,然后将步骤(2)中熔炼得到的金属熔液经漏斗1和导流管2流入挤压轮槽3,沿挤压轮槽3向下流动的熔体遇到伸入挤压轮槽3的水冷铜轮组后,在挤压轮槽3和水冷铜轮4的约束下沿挤压轮槽3展开形成2mm的薄坯,薄坯在挤压轮5和水冷铜轮组传导传热的作用下实现非平衡凝固;随挤压轮5旋转的薄坯遇到堵头后,便在挤压型腔内塞积,当挤压轮槽作用在坯料上的摩擦力足够大时,坯料便被推入模腔,进而从模孔流出形成直径为10mm的Al-1Zr合金杆。
合金杆经350℃/200h时效后,抗拉强度可达到250Mpa;在其他条件相同的情况下,与没有加入水冷铜轮组制备的Al-1Zr合金杆相比,抗拉强度可提高约100MPa,这是由于在水冷铜轮组的约束下形成了较薄的熔体层,此时熔体冷却速度较快,提高了Zr在铝基体中的固溶度,时效后可形成更多更细小的Al3Zr相,显著提升合金强度。
实施例2
本实施例所用的装置如图1所示,该装置主要包括漏斗1、导流管2、挤压轮槽3、挤压轮5、挤压型腔6、模具7,漏斗1位于导流管2的正上方,导流管2位于挤压轮5右上方,挤压轮5上设有挤压轮槽3,挤压轮槽3的左侧设有挤压型腔6,挤压型腔6内部设有模具7,所述挤压轮槽3的上方设有5个水冷铜轮4,5个外形尺寸相同的水冷铜轮4构成水冷铜轮组;所述水冷铜轮组位于靠近导流管2一侧,在第一象限沿挤压轮槽3外围均匀分布;水冷铜轮4通过弹簧固定在导向装置上,在导向装置和弹簧作用下水冷铜轮4可沿挤压轮5径向移动,用于调节水冷铜轮4在挤压轮槽3内的伸入量(),使得合金薄坯厚度在1-2mm。所述水冷铜轮4由循环水冷却,水冷铜轮内部设有冷却水通道,在水冷铜轮两侧设有冷却水进口9和冷却水出口10。沿顺时针方向,水冷铜轮4在轮槽中的伸入量逐渐递增;水冷铜轮4由循环水冷却。
下面以Al-5Ti-1B合金杆为例,结合装置对本发明所述方法进一步详细说明,方法如下:
(1)熔炼:将商用Al-5Ti-1B合金放入坩埚中,将其放入电阻炉就行熔炼,设置熔炼温度为800℃。
(2)制备过程:将JL350型连续挤压机按照顺时针方向转动,并且调整挤压轮转速12rpm,打开冷却水阀门通入冷却水,然后将步骤(1)中熔炼得到的金属熔液经漏斗1和导流管2流入挤压轮槽3,沿挤压轮槽3向下流动的熔体遇到伸入挤压轮槽3的水冷铜轮组后,在挤压轮槽3和水冷铜轮4的约束下沿挤压轮槽3展开形成1.5mm的薄坯,薄坯在挤压轮5和水冷铜轮组传导传热的作用下实现非平衡凝固;随挤压轮旋转的薄坯遇到堵头后,便在挤压型腔内塞积,当挤压轮槽作用在坯料上的摩擦力足够大时,坯料便被推入模腔,进而从模孔流出形成直径为9.5mm的Al-5Ti-1B合金杆。
合金中的TiAl3相平均尺寸~10μm,TiB2相平均尺寸~0.5μm,TiB2相团聚块最大尺寸~5μm;在其他条件相同的情况下,与没有加入水冷铜轮组制备的Al-5Ti-1B合金杆相比,TiAl3相平均尺寸减小~12μm,TiB2相平均尺寸减小~0.2μm,TiB2相团聚块最大尺寸减小~7μm;这是由于在水冷铜轮组的约束下形成了较薄的熔体层,此时熔体冷却速度较快,较大的过冷度使得第二相大量形核,致使第二相尺寸更细小,分散更均匀。
Claims (6)
1.一种高性能合金的连续制备方法,其特征在于:在挤压轮和水冷铜轮组传导传热的作用下实现非平衡凝固,具体包括以下步骤:
(1)将金属熔化后经漏斗和导流管流入挤压轮槽,沿挤压轮槽向下流动的熔体遇到伸入挤压轮槽的水冷铜轮组后,在挤压轮槽和水冷铜轮组的约束下沿轮槽展开形成薄坯;
(2)薄坯在挤压轮和水冷铜轮组传导传热的作用下实现非平衡凝固;随挤压轮旋转的薄坯遇到堵头后,便在挤压型腔内塞积,当挤压轮槽作用在坯料上的摩擦力足够大时,坯料便被推入模腔,进而从模孔流出形成制品。
2.根据权利要求1所述高性能合金的连续制备方法,其特征在于:步骤(1)所得薄坯厚度为1-2mm。
3.权利要求1或2所述高性能合金的连续制备方法所用装置,包括漏斗(1)、导流管(2)、挤压轮槽(3)、挤压轮(5)、挤压型腔(6)、模具(7),漏斗(1)位于导流管(2)的正上方,导流管(2)位于挤压轮(5)右上方,挤压轮(5)上设有挤压轮槽(3),挤压轮槽(3)的左侧设有挤压型腔(6),挤压型腔(6)内部设有模具(7),其特征在于:所述挤压轮槽(3)的上方设有多个水冷铜轮(4)、多个水冷铜轮(4)构成水冷铜轮组;所述水冷铜轮组位于靠近导流管(2)一侧,在第一象限沿挤压轮槽(3)外围均匀分布;水冷铜轮(4)通过弹簧固定在导向装置上,在导向装置和弹簧作用下水冷铜轮(4)可沿挤压轮(5)径向移动,用于调节水冷铜轮(4)在挤压轮槽(3)内的伸入量。
4.根据权利要求3所述装置,其特征在于:所述水冷铜轮组由4-8个外形尺寸相同的水冷铜轮(4)构成。
5.根据权利要求4所述高性能合金的连续制备方法,其特征在于:水冷铜轮(4)由循环水冷却,水冷铜轮内部设有冷却水通道,在水冷铜轮两侧设有冷却水进口(9)和冷却水出口(10)。
6.根据权利要求3所述高性能合金的连续制备方法,其特征在于:挤压轮(5)沿顺时针方向转动。
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