一種過共晶Al-Si合金擠壓鑄造成型方法及其模具的製作方法

2023-06-18 04:08:36 1

專利名稱：一種過共晶Al-Si合金擠壓鑄造成型方法及其模具的製作方法
技術領域：
本發明涉及擠壓鑄造成型方法及其模具，具體指一種關於過共晶Al-Si合金，採用擠壓鑄造成型的方法及製備過程中應用到的模具。
背景技術：
擠壓鑄造是一種結合鑄造和鍛造特點於一體的工藝，其特點是材料利用率高， 鑄件內部氣孔和縮孔等缺陷顯著減少，晶粒細化和組織緻密等。Al-Si系鑄造合金因其Si 含量比較高，提高了合金的鑄造性能且收縮率和線膨脹傾向小，同時具有耐磨性和良好的機械加工性能，在國內外得到廣泛應用。過共晶高矽鋁合金具有良好的耐磨性好、耐蝕性好、熱裂傾向小、體積穩定性高和低熱膨脹係數等特點，是一種理想的新型汽車、摩託車等活塞用合金。在這種材料中隨著含矽量的增加組織中出現大量的初晶矽，特別是呈現粗大針片狀的初晶矽，嚴重割裂合金基體，並且矽相尖端和稜角部位會引起應力集中，從而明顯降低了合金的力學性能，尤其是影響其塑性。過共晶高矽鋁合金鑄件的力學性能在很大程度上取決於Si相在基體中的形貌和分布，因此，改善共晶矽和初生矽的形貌和分布，不但可以提高合金的力學性能，而且還可以進一步提高合金的耐磨性。目前採用的細化矽相的方法有多種，如變質處理、懸浮鑄造法、噴射沉積法、超聲波振動法、快速凝固法等，這些方法雖取得了一定的效果，由於受到生產規模限制以及工藝條件要求過於苛刻，因而在生產上都受到了一定的限制。而在壓力下凝固不但可以使合金組織細化，而且使Al-Si合金的共晶點右移，減少粗大初生矽相數量。因此，採用擠壓鑄造成型的方式，可以使得過共晶 Al-Si合金中矽相細化，合金的力學性能大幅度提高，同時生產工藝簡單、便於操作。

發明內容
本發明提供一種製備高強韌過共晶Al-Si合金鑄件的方法及模具，其目的是提高過共晶Al-Si合金鑄件緻密度、力學性能和生產率。為實現上述目的，本發明採用以下技術方案
1. 一種過共晶Al-Si合金擠壓鑄造成型方法，其特徵在於所述方法按照以下步驟進
行
(1)模具頂端設置有與坩堝相連的導流槽，利用傾倒裝置將金屬液通過導流槽注入模具中，金屬液成分按重量百分比為矽17.0 19.0%，銅1.0 2.0%，鎂0.3 0.7%，鎳 0. 5 1. 0%，鐵 0. 5 1. 0%，猛 0. 3 0. 7%，鉻 0. 5 1. 0%，鉬 0. 3 0. 7%，磷0· 07 0. 15%，雜質總和< 0. 5%，餘量為鋁；然後將擠壓機的擠壓頭迅速下降，開始對金屬液加壓，使金屬坯錠強行補縮並凝固，經過保壓後，將坯錠取出。在步驟(1)中，金屬液注入模具之前，模具需要加熱至200 300°C，並在模具上塗有塗料。在步驟(1)中，金屬液注入模具時，金屬液的澆注溫度為690 780°C。在步驟(1)中，擠壓頭的下降速度為0. lmm/s 12mm/s，比壓為70MPa 1500Mpa。
在步驟(1)中，保壓時間為IOs 60s。金屬液成分按重量百分比為矽17. 0 19. 0 %，銅1. 0 2. 0 %，鎂0. 3 0. 7 %， 鎳0.5 1.0%，鐵0.5 1.0%，猛0.3 0.7%，鋯彡0.4%，鋪彡0.28%，鑭，鐠
，鈮，鉻0. 5 1. 0%，鉬0. 3 0. 7%，磷0. 07 0. 15%，雜質總和彡0. 5%，餘
量為鋁。一種過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法中的模具，其特徵在於所述模具包括與坩堝相連的導流槽固定於蓋板上，而蓋板和加熱箱通過栓杆固定於擠壓機底座，加熱箱中設置有加熱棒；在蓋板上開有與擠壓機的擠壓頭相匹配的通孔，加熱箱中部與通孔對應的位置開有金屬坯錠型腔，金屬型腔是一環形套筒，同時金屬型腔底部設有阻流塊；用於將金屬坯錠頂出的頂杆設置在阻流塊底部。所述加熱棒為電阻絲。通過本發明所述技術方案的實施，方法操作簡單，便於控制，產品質量高，可以提高高矽過共晶Al-Si合金產品的合格率和生產效率。


圖1為擠壓鑄造金屬坯錠模具結構示意圖； 圖2為金屬型重力鑄造過共晶Al-17. 5Si合金相組織； 圖3為金屬型擠壓鑄造過共晶Al-17. 5Si合金相組織； 圖4為本發明的工藝成形過程示意圖。附圖標記說明
1.擠壓頭、2.導流槽、3.蓋板、4.金屬坯錠型腔、5.加熱箱、6.阻流塊、7.栓杆、8.頂杆、9.加熱棒。
具體實施例方式
本發明採用金屬型模具和擠壓鑄造方法來改進成型技術，其中製備過共晶Al-Si合金產品的設備包括擠壓機及金屬坯錠模具和熱處理加熱爐，其中擠壓金屬坯錠模具外圍是電阻絲，利用電阻絲對模具加熱並設有熱電偶控制模具溫度，模具上方是擠壓頭可以快速下降達到需要擠壓的位置，模具底部是阻流塊，阻礙金屬液流出，模具下方是頂出機構。對於擠壓機的要求是可以準確控制擠壓力，並保證擠壓時的速度。熱處理加熱爐加熱時溫度一定要均勻且控溫準確，否則可能因坯錠組織不均勻而導致其相關的性能下降，達不到要求。下面結合附圖對本發明進行詳細說明。圖1為擠壓鑄造金屬坯錠模具結構示意圖，如圖所示，與坩堝相連的導流槽2固定於蓋板3上，而蓋板3和加熱箱5通過栓杆7固定於擠壓機底座，加熱箱5中設置有加熱棒 9，加熱棒9採用電阻絲，以保證金屬型腔的溫度恆定；在蓋板3上開有與擠壓機的擠壓頭1 相匹配的通孔，加熱箱5中部與通孔對應的位置開有金屬坯錠型腔4，金屬坯錠型腔4是一環形套筒，同時金屬坯錠型腔4底部設有阻流塊6，阻擋金屬液流出；當金屬液注入金屬坯錠型腔4中，擠壓頭1迅速下壓，並在一定壓力下保壓一定時間，之後升起擠壓頭1，由頂杆 8作用在阻流塊6上，將金屬坯錠頂出。在鑄造時，通過傾倒裝置將金屬液通過導流槽2注入模具的金屬坯錠型腔4中， 注入之前模具需要用加熱箱5加熱並塗有塗料。金屬液成分按重量百分比為矽17. 0 19. 0%，銅 1. 0 2. 0%，鎂0.3 0· 7%，鎳0. 5 1. 0%，鐵0. 5 1. 0%，錳0.3 0· 7%,鋯 0 0. 4 %，鈰 0. 28 %，鑭 0. 12 %，鐠 0. 02 %，鈮 0. 08 %，鉻 0. 5 1. 0%，鉬0.3 0.7%，磷0.07 0. 15%，雜質總和彡0.5%，餘量為鋁。然後擠壓頭1迅速下壓，到達蓋板3處，確保金屬液是在液態情況下一次性受到設定的壓力。在此過程中可以憑藉擠壓力使得金屬坯錠強行補縮並凝固，保壓一段時間，升起擠壓頭1，利用頂杆8緩慢將坯錠頂出。相關工藝參數液態金屬的澆注溫度為690°C 780°C，模具溫度為200°C 300°C，擠壓速度0. lmm/s 12mm/s,比壓為70MPa 1500Mpa，保壓時間為IOs 60s。取下已成形的金屬坯錠，除去飛邊和外圍氧化皮及雜質，本發明的整體工藝流程見圖4所示。在這一過程中，由於壓力的作用，使得凝固平衡態被破壞，壓力下凝固的合金固溶度得到了擴展，壓力凝固組織也是非平衡的亞穩相，其固溶度的增加類似於快速凝固。 一方面，在壓力下金屬液凝固溫度上升，其結果就是在合金元素還沒能來得及形核及長大時，基體已經開始形核並長大，這樣就使得合金元素被迫分割在基體枝晶之間的間隙中，形成共晶組織。另一方面，也有很多合金元素溶解在基體之中，使得固溶度上升，這一點可以由由擴散係數和熔體粘度關係來解釋，以至於擠壓出來的坯錠具有很好的塑性。以下僅以Al-17. 5Si 二元合金擠壓鑄造成型工藝說明問題。如圖2、3分別為重力鑄造與擠壓鑄造組織對比，明顯可見，圖2的重力鑄造合金組織，其主要組織是初生Si相和共晶Si相組織以及Al基體。初生Si相呈粗大塊狀，形狀不規則且稜角鮮明，對Al基體產生了嚴重的割裂，嚴重降低合金的力學性能，特別是塑性。共晶Si相呈針片或板條狀，雜亂無章分布在Al基體中，在受力狀況下很容易產生應力集中， 導致裂紋源生成，降低合金性能。而同樣成分合金，在壓力下凝固的組織是由初生α-Al枝晶組織和共晶Si相，初生Si相幾乎找不到。圖3中可見，初生α -Al枝晶組織十分發達， 且很密集，有利於合金性能的提高，共晶Si相由原來針片或板條狀變為非常細層片狀，從而降低了對其基體的割裂作用，減小了基體中可能產生的應力集中，因而使合金的機械性能得到較大程度的改善，尤其是塑性有很大幅度提高，見表1。
權利要求
1.一種過共晶Al-Si合金擠壓鑄造成型方法，其特徵在於所述方法按照以下步驟進行模具頂端設置有與坩堝相連的導流槽，利用傾倒裝置將金屬液通過導流槽注入模具中，金屬液成分按重量百分比為矽17.0 19.0%，銅1.0 2.0%，鎂0.3 0.7%，鎳 0. 5 1. 0%，鐵 0. 5 1. 0%，猛 0. 3 0. 7%，鉻 0. 5 1. 0%，鉬 0. 3 0. 7%，磷0· 07 0. 15%，雜質總和< 0. 5%，餘量為鋁；然後將擠壓機的擠壓頭迅速下降，開始對金屬液加壓，使金屬坯錠強行補縮並凝固，經過保壓後，將坯錠取出。
2.根據權利要求1所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法，其特徵在於在步驟 (1)中，金屬液注入模具之前，模具需要加熱至200 300°C，並在模具上塗有塗料。
3.根據權利要求1所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法，其特徵在於在步驟 (1)中，金屬液注入模具時，金屬液的澆注溫度為690 780V。
4.根據權利要求1所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法，其特徵在於在步驟 (1)中，擠壓頭的下降速度為0. 1謹/s 12謹/s，比壓為70MPa 1500Mpa。
5.根據權利要求1所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法，其特徵在於在步驟 (1)中，保壓時間為IOs 60s。
6.根據權利要求1所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法，其特徵在於金屬液成分按重量百分比為矽17. 0 19. 0%，銅1. 0 2. 0%，鎂0.3 0. 7%，鎳0. 5 1. 0%, 鐵0. 5 1. 0%，錳0. 3 0. 7%，鋯彡0.4%，鈰彡0.，鑭，鐠，鈮彡％， 鉻0. 5 1. 0%，鉬0. 3 0. 7%，磷0. 07 0. 15%，雜質總和彡0. 5%，餘量為鋁。
7.—種如權利要求1-6中任一項所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法中的模具，其特徵在於所述模具包括與坩堝相連的導流槽(2)固定於蓋板(3)上，而蓋板(3)和加熱箱(5)通過栓杆(7)固定於擠壓機底座，加熱箱(5)中設置有加熱棒(9);在蓋板(3)上開有與擠壓機的擠壓頭(1)相匹配的通孔，加熱箱(5)中部與通孔對應的位置開有金屬坯錠型腔(4)，金屬型腔(4)是一環形套筒，同時金屬型腔(4)底部設有阻流塊(6)；用於將金屬坯錠頂出的頂杆(8 )設置在阻流塊(6 )底部。
8.根據權利要求7所述過共晶Al-Si合金的擠壓鑄造成型方法中的模具，其特徵在於 所述加熱棒(9)為電阻絲。
全文摘要
一種過共晶Al-Si合金擠壓鑄造成型方法，按照以下步驟進行模具頂端設置有與坩堝相連的導流槽，利用傾倒裝置將金屬液通過導流槽注入模具中，金屬液成分按重量百分比為矽17.0～19.0％，銅1.0～2.0％，鎂0.3～0.7％，鎳0.5～1.0％，鐵0.5～1.0％，錳0.3～0.7％，鉻0.5～1.0％，鉬0.3～0.7％，磷0.07～0.15％，雜質總和≤0.5％，餘量為鋁；然後將擠壓機的擠壓頭迅速下降，開始對金屬液加壓，使金屬坯錠強行補縮並凝固，經過保壓後，將坯錠取出。通過本發明所述技術方案的實施，方法操作簡單，便於控制，產品質量高，可以提高高矽過共晶Al-Si合金產品的合格率和生產效率。
文檔編號B22D18/02GK102423798SQ201110380589
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者劉蘭吉, 方虹澤, 曲迎東, 李潤霞, 李榮德, 焦文祝, 白彥華, 荀詩文 申請人:瀋陽工業大學