一種高導電率的鋁合金板擠壓成形裝置及工藝的製作方法

2023-07-31 07:11:56

專利名稱：一種高導電率的鋁合金板擠壓成形裝置及工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高導電率，特別是導電率大於57%IACS鋁合金板的擠壓成形工藝，屬於擠壓成形領域。
背景技術：
隨著我國國民經濟的持續發展，環境與能源問題日益凸顯，節能降耗成為當前我國經濟發展的迫切需求與首要任務。輕量化是節能降耗，減輕環境汙染的一個重要方面。在材料加工領域，作為輕量化典型代表的鋁工業的發展符合降低能源消耗、改善環保、降低成本與提高經濟效益的世界經濟發展的趨勢，因此鋁材在航空、航天、電力電子等領域得到了廣泛的應用。車用冰箱製造的關鍵材料是較高導電率的鋁合金板材，該種材料應該具有大於57%IACS的電導率和較高的熱導率，並具有一定的強度。長期以來，開發和研究汽車冰箱用高導電率高強度的鋁合金板材製備、加工方法，並能夠在產業化基礎上加工製造已成為許多高新技術產業發展的迫切需要。一方面，在工業純鋁(99.7%A1)中，通常總是含有少量的Fe、Si以及微量的Cr、V、Ti等元素，這些元素的存在(尤其是以固溶態存在的微量元素)都會增大鋁的電阻，從而降低其導電率。研究發現，B元素是降低電阻率非常有效的元素。當鋁合金中加入B元素之後，B與鋁合金中的T1、V等元素有很強的作用能力，可以生成高熔點、高密度的硼化物。部分硼化物在靜置過程中可以通過下沉除去，這將減少T1、V等元素的絕對含量，未能下沉去除的硼化物在鋁合金凝固後以化合物的形式殘留在鋁基中。但無論硼化物去除與否都將降低T1、V等元素的含量，也就增加了鋁合金的導電性能、張強,郭鋒,李志強,等.硼化處理對導電招T1、V含量以及性能影響的研究，鍛造技術.2007』 28(10):1338-1340)。另一方面，目前對於導電率大於57%IACS招合金板材的製備工藝研究還未見報導，如何找到一種適合於此類鋁合金板的成形方法，已成為材料加工領域一項具有挑戰性的工作。擠壓成形由於其相對鍛造與鑄造成形具有獨特的優點，在鋁合金生產中被廣泛採用:(1)金屬在擠壓變形區中處於強烈的三向壓縮應力狀態，可以充分利用其塑性獲得最大的變形量；(2)金屬材料在擠壓過程中產生織構，沿著擠壓方向具有優良的力學性能和物理性能；(3)擠壓成形應用範圍廣，操作簡單，工藝流程短。但由於導電率大於57%IACS鋁合金板擠壓成形不可避免地存在著製品組織性能不均勻，模具壽命短等缺點，嚴重製約著導電率大於57%IACS招合金板材擠壓成形的發展。目前，對導電率大於57%IACS招合金板的加工工藝還未見報導,在一定程度上限制了導電率大於57%IACS鋁合金板的應用。在一般擠壓過程中，模具結構設計不良容易導致板材扭擰、波浪、彎曲以及裂紋等缺陷問題。

發明內容
針對上述問題，本發明提出了一種製備高導電率，特別是導電率大於57%IACS的鋁合金板材的擠壓成形裝置及工藝方法。本發明提供一種高導電率的鋁合金板擠壓成形裝置，該裝置為擠壓模具，包括擠壓杆、擠壓筒、導流模以及成形模，所述導流模的擠壓槽設計為倒錐形，所述成形模的擠壓槽與成形件的形狀保持一致。本發明還提供一種高導電率的鋁合金板擠壓成形工藝，採用上述裝置，所述工藝包括以下步驟:
(I)導電率大於57%IACS鋁合金坯料的製備導電率大於57%IACS鋁合金基體採用6XXX系鋁合金，該類鋁合金以Mg和Si為主要合金元素並以Mg2Si相為強化相，屬於熱處理可強化鋁合金。將一定量的6XXX系鋁合金放入坩堝中熔煉，待合金完全熔化後，加入A1-3%B合金並靜置足夠的時間來沉澱去除Ti，V等雜質元素。當鋁液溫度達到700°C _730°C時，對鋁液進行精煉、細化以除去鋁液中的氣體(主要是氫氣)。精煉完成後，向鋁液中撒入覆蓋劑，並靜置一段時間，隨後出爐澆鑄在模具中，成形導電率大於57%IACS鋁合金坯料。(2)鋁合金擠壓模具的預熱和噴塗石墨:
本發明設計了導電率大於57%IACS鋁合金的擠壓模具，包括擠壓杆、擠壓筒、導流模(上模)、成形模(下模)四個主要部分。導流模的擠壓槽設計為錐度角為10° -13°的倒錐形，目的是使鋁合金坯料產生預變形，從而有效減小了成形阻力。成形模的擠壓槽設計成最終成形件的形狀，以保證成形件的尺寸精度。盛放在擠壓筒內的坯料在擠壓杆的推動作用下依次通過導流模與成形模，最終成形為所需板材。此外，本發明還建立了模具預熱和溫度控制系統，模具預熱溫度選擇為400°C。模具需要適當的潤滑，在模具溫度預熱到1500C -300°C之間時，在模具內表面噴塗上石墨，既可以防止模具表面劃傷及粘模，並可以保證擠壓得到的鋁板的質量。(3)導電率大於57%IACS鋁合金板擠壓成形將步驟(I)製備好的坯料進行480°C的保溫處理後，使用簡易的輸運工具放入經過預熱的盛錠筒中，壓力機推動擠壓杆使坯料產生流動、變形。坯料首先通過導流模產生預變形，金屬進行第一次分配，形成與板材相似的坯料，然後再進入成形模進行第二次變形，擠壓出導電率大於57%IACS鋁合金板。本發明成形導電率大於57%IACS鋁合金板擠壓工藝採用導流模設計，其擠壓槽倒錐形的設計便於控制金屬流動，改善模具的受力條件，大大提高成品率和模具壽命。金屬材料在成形過程中不是一次成形，而是經過預成形與終成形，減小了成形過程中的受力，增加了鋁合金板中的形變織構，大幅度提高了製品的導電性能和導熱能力。


圖1為具體實施例中成形的導電率大於57%IACS鋁板；
圖2為具體實施例中導電率大於57%IACS鋁合金擠壓過程示意 圖3為具體實施例中導電率大於57%IACS鋁合金擠壓模具的導流模與成形模三維圖:a)導流模b)成形模。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步說明:
實施例1
使用6061/6063鋁合金作為基體通過擠壓成形工藝製備如圖1所示的導電率大於57%IACS鋁合金板材。首先使用適合於熔煉鋁矽合金的熔煉爐熔化6061/6063鋁合金鑄錠，使用夾鉗將經過乾燥處理的鋁合金鑄錠盛放入坩堝內，並將坩堝放入熔煉爐中。加熱至690°C時放入含B量為3%的Al-B合金，其中B元素含量為合金總含量的0.05%(質量百分數)。將Al-B合金壓入鋁液內。待鋁液完全熔化後充分攪拌，使成分均勻。靜置45分鐘以保證雜質元素通過沉澱去除。當鋁液溫度達到710°C時，除去坩堝中的熔煉浮渣，並且加入Al-T1-B合金(主要成分是Α1 5Β1)作為細化劑，加入量為鋁合金質量的0.1%-0.3%，進行細化處理。保溫18min後，加入主要成分為CaO-Al2O3-SiO2-C的覆蓋劑，加入量按鋁液液面面積的0.8kg/m2計算。靜置20min，扒渣，並出爐澆鑄成鑄坯。鑄坯成形後，在電阻爐中預熱至480°C，並保溫靜置12min。設計並加工一套擠壓模具，擠壓模具由擠壓杆，盛錠筒(擠壓筒)，導流模與成形模組成。盛錠筒的大小設計成與導電率大於57%IACS招合金還料大小基本一致，以便於擠壓。將模具預熱至395°C，在模具溫度預熱到150°C _300°C之間時加入石墨粉作為潤滑劑。將在電阻爐中的鋁合金坯料迅速取出並裝入到盛錠筒中。壓力機以340mm/s的速度推動擠壓杆擠壓成形高導電率鋁合金板。使用以上參數可以擠壓成形得到導電率等於57.6%IACS鋁合金板材。實施例2
使用6061/6063鋁合金作為基體通過擠壓成形工藝製備如圖1所示的導電率大於57%IACS鋁合金板材。首先使用適合於熔煉鋁矽合金的熔煉爐熔化6061/6063鋁合金鑄錠，使用夾鉗將經過乾燥處理的鋁合金鑄錠盛放入坩堝內，並將坩堝放入熔煉爐中。加熱至700°C時放入含B量為3%的Al-B合金，其中B元素含量為合金總含量的0.06%(質量百分數)。將Al-B合金壓入鋁液內。待鋁液完全熔化後充分攪拌，使成分均勻。靜置60分鐘以保證雜質元素通過沉澱去除。當鋁液溫度達到720°C時，除去坩堝中的熔煉浮渣，並且加入Al-T1-B合金(主要成分是Α1 5Β1)作為細化劑，加入量為鋁合金質量的0.1%-0.3%，進行細化處理。保溫20min後，加入主要成分為CaO-Al2O3-SiO2-C的覆蓋劑，加入量按鋁液液面面積的0.8kg/m2計算。靜置20min，扒渣，並出爐澆鑄成鑄坯。鑄坯成形後，在電阻爐中預熱至480°C，並保溫靜置15min。設計並加工一套擠壓模具，擠壓模具由擠壓杆，盛錠筒，導流模與成形模組成。盛錠筒的大小設計成與導電率大於57%IACS招合金還料大小基本一致，以便於擠壓。將模具預熱至400°C，在模具溫度預熱到150°C -300°C之間時加入石墨粉作為潤滑劑。將在電阻爐中的鋁合金坯料迅速取出並裝入到盛錠筒中。壓力機以350mm/s的速度推動擠壓杆擠壓成形高導電率鋁合金板。使用以上參數可以擠壓成形得到圖1中的導電率等於58.2%IACS鋁合金板材。實施例3
使用6061/6063鋁合金作為基體通過擠壓成形工藝製備如圖1所示的導電率大於57%IACS鋁合金板材。首先使用適合於熔煉鋁矽合金的熔煉爐熔化6061/6063鋁合金鑄錠，使用夾鉗將經過乾燥處理的鋁合金鑄錠盛放入坩堝內，並將坩堝放入熔煉爐中。加熱至720 V時放入含B量為3%的Al-B合金，其中B元素含量為合金總含量的0.08%(質量百分數)。將Al-B合金壓入鋁液內。待鋁液完全熔化後充分攪拌，使成分均勻。靜置75分鐘以保證雜質元素通過沉澱去除。當鋁液溫度達到730°C時，除去坩堝中的熔煉浮渣，並且加入Al-T1-B合金(主要成分是Α1 5Β1)作為細化劑，加入量為鋁合金質量的0.1%-0.3%，進行細化處理。保溫22min後，加入主要成分為CaO-Al2O3-SiO2-C的覆蓋劑，加入量按鋁液液面面積的0.8kg/m2計算。靜置20min，扒渣，並出爐澆鑄成鑄坯。鑄坯成形後，在電阻爐中預熱至490°C，並保溫靜置18min。設計並加工一套擠壓模具，擠壓模具由擠壓杆，盛錠筒，導流模與成形模組成。盛錠筒的大小設計成與導電率大於57%IACS招合金還料大小基本一致，以便於擠壓。將模具預熱至405°C，在模具溫度預熱到150°C -300°C之間時加入石墨粉作為潤滑劑。將在電阻爐中的鋁合金坯料迅速取出並裝入到盛錠筒中。壓力機以360mm/s的速度推動擠壓杆擠壓成形高導電率鋁合金板。使用以上參數可以擠壓成形得到圖1中的導電率等於59%IACS鋁合金板材。本發明設計帶有導流模的擠壓模具，其盛錠筒容積與坯料尺寸一致，模具需要預熱至400°C。將坯料放入盛錠筒中，擠壓杆以350mm/s的速度推動坯料運動，速度過快或者過慢都將影響成形鋁合金板的導電率。坯料經過導流模與成形模，最終成形。在本發明中(I)合金熔煉過程中不需要進行攪拌，只有當爐料完全熔化後才可以均勻攪拌。(2)熔劑要保持乾燥，精煉前鐘罩要預熱。精煉要保證一定的時間，以徹底除氣除渣。精煉後要撒入覆蓋劑，然後靜置一段時間。澆鑄時流速要平穩，不要斷流。(3)在導電率大於57%IACS鋁合金擠壓成形速度控制在350mm/s左右，擠壓速度過快或者過慢都會導致金屬流動的不均勻，從而降低鋁合金板的導電性能；模具預熱溫度為400°C左右，坯料溫度控制在480°C左右。(4)在導電率大於57%IACS鋁合金板擠壓成形過程中，盛錠筒直徑要與坯料直徑保持一致，導流模的擠壓槽要設計有10° -13°的錐度，並且與成形模連接處要有3° -5°的圓角過渡。本發明中在導電率大於57%IACS鋁合金坯料預熱時，可以使用電阻爐進行加熱，也可以使用感應加 熱爐進行加熱。
權利要求
1.一種高導電率的鋁合金板擠壓成形裝置，該裝置為擠壓模具，包括擠壓杆、擠壓筒、導流模以及成形模，其特徵在於，所述導流模的擠壓槽設計為倒錐形，所述成形模的擠壓槽與成形件的形狀保持一致。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述倒錐形的錐度角為10°-13°。
3.根據權利要求1所述的裝置，鋁合金板的導電率大於57%IACS。
4.一種高導電率的鋁合金板擠壓成形工藝，採用權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述工藝包括以下步驟: 1)鋁合金坯料的製備:採用6XXX系鋁合金作為鋁合金基體，將一定量的上述鋁合金放入坩堝中熔煉，待合金完全熔化後，加入A1-3%B合金並靜置足夠的時間來沉澱去除雜質元素；當鋁液溫度達到700°C _730°C時，對鋁液進行精煉、細化以除去鋁液中的氣體；精煉完成後，向鋁液中撒入覆蓋劑，並靜置一段時間，隨後出爐澆鑄在模具中，成形鋁合金坯料； 2)模具預熱和噴塗石墨:將模具預熱至400°C左右，在模具溫度預熱到150°C-300°C之間時加入石墨粉作為潤滑劑； 3)鋁合金板擠壓成形:將步驟I)製備好的坯料進行480°C的保溫處理後放入經過預熱的擠壓筒中，壓力機推動擠壓杆使坯料產生流動、變形；坯料首先通過導流模產生預變形，金屬進行第一次分配，形成與板材相似的坯料，然後再進入成形模進行第二次變形，擠壓出招合金板。
5.根據權利要求4所述的工藝，其特徵在於，鋁合金擠壓成形速度控制在350mm/s左右。
6.根據權利要求4所述的工藝，其特徵在於，所述鋁合金板成形的導電率大於57%IACS。
全文摘要
本發明提供一種高導電率的鋁合金板擠壓成形裝置及工藝，成形裝置為擠壓模具，包括擠壓杆、擠壓筒、導流模以及成形模，所述導流模的擠壓槽設計為倒錐形，所述成形模的擠壓槽與成形件的形狀保持一致；成形工藝包括鋁合金坯料的製備、模具的預熱和噴塗石墨以及鋁合金板擠壓成形。本發明的金屬材料在成形過程中不是一次成形，而是經過預成形與終成形，減小了成形過程中的受力，增加了鋁合金板中的形變織構，大幅度提高了製品的導電性能和導熱能力。
文檔編號B21C23/21GK103143582SQ201310092358
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月21日 優先權日2013年3月21日
發明者王開坤, 付金龍, 王玉知 申請人:北京科技大學