专利名称：轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种轻合金半固态坯料制备装置及其制备方法。
背景技术：
目前，铝合金、镁合金等轻合金半固态触变成形技术主要工业应用是触变压铸、触变锻造和触变挤压。发展在通用液压机上进行半固态触变锻造和触变挤压是近些年来重要的发展方向。因为在通用液压机上进行半固态触变锻造和触变挤压设备投入少，技术成本低，而且成形零件质量高。而束缚在通用液压机设备上进行镁合金半固态触变成形的主要瓶颈问题就是半固态坯料的制备。机械、电磁搅拌法均需要专用制浆和冷却设备，成本高。 等温处理法很难获得合格的半固态坯料。相对而言，应变诱导-熔化激活(Strain Induced Melt Activation，简称SIMA)法有一定应用前景，该方法是将坯料在凹模腔内进行镦粗或正挤压，使坯料产生一定的塑性变形，即产生应变诱导；然后将经过应变诱导的坯料加热到半固态温度(液-固相温区)保温，实现熔化激活，从而获得半固态坯料的方法；但对于铝合金、镁合金而言，采用镦粗和正挤压工艺，往往对坯料产生较大的形状改变。镦粗会使变形表面处面积增大，而且由于摩擦影响会产生鼓形。坯料应用时必须采用机械加工进行毛坯准备，加工量往往较大。如果采用正挤压，由于存在挤压比的原因会使铝合金截面形状改变很大，设备吨位高，成本高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有轻合金半固态成形方法是将坯料在凹模腔内进行镦粗或正挤压，塑性变形诱导使坯料产生应变诱导，将经过应变诱导的坯料加热到半固态温度保温，实现熔化激活，镦粗会使变形表面处面积增大，坯料产生鼓形，坯料应用时必须采用机械加工进行毛坯准备，导致加工量较大，正挤压会使铝合金截面形状改变很大的问题，提供一种轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备装置及方法。本发明的装置包括凹模、凹模套、下模板、凹模压板、凸模、凸模固定套、凸模垫板、 上模板、底板和两个垫块，凹模由两个对称设置的半锥台体构成，凹模的内部由上至下设有第一通道、第二通道和第三通道，第一通道与第三通道平行且上下错开设置，第二通道位于第一通道和第三通道之间，且第二通道垂直第一通道设置，第二通道的一端与第一通道的下端连通，第二通道的另一端与第三通道的上端连通，第一通道、第二通道和第三通道的截面形状、截面大小相同，凹模装在凹模套中，凹模压板设置在凹模和凹模套的上端面上，凹模压板的端面上设有与第一通道正对的冲孔，凹模套固定在下模板的上端面上，下模板的端面上设有与第三通道正对的落料孔，两个垫块以第一通道的竖向中心线对称设置在下模板的下面，下模板通过两个垫块固定在底板上，凸模设置在凹模压板的上方，且凸模的下端位于与其对应的第一通道中，凸模的上端装在凸模固定套中，凸模固定套通过凸模垫板固定在上模板上。本发明方法是通过以下步骤实现的步骤一、制作坯料将轻合金铸锭机械加工成N个坯料；步骤二、加热坯料和模具利用电炉将N个坯料加热至250°C 300°C，利用电阻丝加热装置将凹模加热至250°C 300°C ；步骤三、往复挤压出料将N个坯料中的任意一个坯料定义为第一个坯料，将N-I个坯料中的任意一个坯料定义为第二个坯料，将N-2个坯料中的任意一个坯料定义为第三个坯料，将N-3个坯料中的任意一个坯料定义为第四个坯料，将N-4个坯料中的任意一个坯料定义为第五个坯料，将N-5个坯料中的任意一个坯料定义为第六个坯料，将第一个坯料放入凹模中的第一通道内，凸模在液态挤压活动横梁的推动下对第一个坯料进行第一次往复挤压，将第二个坯料放入第一个坯料上面，凸模在液态挤压活动横梁的推动下对第二个坯料进行第一次往复挤压，同时在第二个坯料的推动下第一个坯料向第三通道下方运动，将第三个坯料放入第二个坯料上面，凸模在液态挤压活动横梁的推动下对第三个坯料进行第一次往复挤压，在第三个坯料的推动下第二个坯料向第三通道下方运动，在第三个坯料和第二个坯料的共同推动下将第一个坯料从第三通道中挤出，第一个坯料通过落料孔后被取出，将取出的第一个坯料再次放入凹模中的第一通道内，凸模在液态挤压活动横梁的推动下对第一个坯料进行的第二次往复挤压，将第二个坯料从第三通道中挤出，第二个坯料通过落料孔后被取出，将取出的第二个坯料再次放入凹模中的第一通道内，凸模在液态挤压活动横梁的推动下对第二个坯料进行的第二次往复挤压，同时将第三个坯料从第三通道中挤出，第一个坯料、第二个坯料和第三个坯料依此循环完成二至四次往复挤压后，再将第四个坯料放入第三个坯料上面，凸模在液态挤压活动横梁的推动下对第四个坯料进行第一次往复挤压，同时将第一个坯料挤出，将第五个坯料放入第四个坯料上面，凸模在液态挤压活动横梁的推动下对第五个坯料进行第一次往复挤压，同时将第二个坯料挤出，将第六个坯料放入第五个坯料上面，凸模在液态挤压活动横梁的推动下对第六个坯料进行第一次往复挤压，同时将第三个坯料挤出，以此类推，每三个坯料为一组，每组分别依次完成二至四次往复挤压，最后，将石墨坯料放入第N个坯料上面， 凸模在液态挤压活动横梁的推动下对石墨坯料进行往复挤压，第N个坯料被挤出，石墨坯料留在凹模中，开模后将石墨坯料取出；步骤四、半固态成型将挤出的N个坯料置入电炉里加热保温使其球晶化，其加热温度为530°C 575°C，保温时间为15min 30min，取出成形坯料，即为轻合金半固态坯料。本发明具有以下有益效果一、本发明根据既不改变坯料截面尺寸又使坯料获得大的塑性变形诱导的要求，提出了等通道往复挤压技术。铸态轻合金坯料(圆柱体或正方体)经过等通道往复挤压模具进行坯料挤压变形，坯料在两个交替相反的直角拐弯处发生强烈的剪切变形。由于是采用热挤压变形，伴随着大塑性变形产生的同时也将发生强烈的动态再结晶，最终获得是铸态轻合金坯料的微观组织细化，降低了晶粒尺寸，轻合金半固态坯料晶粒尺寸小于100 μ m，使得轻合金半固态坯料微观组织均勻，从而提高了轻合金半固态坯料的力学性能。经本发明装置及其方法制备的轻合金半固态坯料不产生鼓形，毛坯准备前无须机械加工，由此降低了加工量，经往复挤压成型的轻合金半固态坯料不会使合金截面形状改变。二、本发明的装置具有结构简单、可操作性强的特点。
图1是本发明装置的整体结构主剖视图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式包括凹模1、凹模套2、下模板3、凹模压板4、凸模5、凸模固定套6、凸模垫板7、上模板8、底板9和两个垫块10，凹模1由两个对称设置的半锥台体构成，凹模1的内部由上至下设有第一通道1-1、第二通道 1-2和第三通道1-3，第一通道1-1与第三通道1-3平行且上下错开设置，第二通道1-2位于第一通道1-1和第三通道1-3之间，且第二通道1-2垂直第一通道1-1设置，第二通道1-2 的一端与第一通道1-1的下端连通，第二通道1-2的另一端与第三通道1-3的上端连通，第一通道1-1、第二通道1-2和第三通道1-3的截面形状、截面大小相同，凹模1装在凹模套 2中，凹模压板4设置在凹模1和凹模套2的上端面上，凹模压板4的端面上设有与第一通道1-1正对的冲孔4-1，通过连接元件将凹模压板4与凹模套2固定连接，凹模套2固定在下模板3的上端面上，下模板3的端面上设有与第三通道1-3正对的落料孔3-1，两个垫块 10以第一通道1-1的竖向中心线对称设置在下模板3的下面，下模板3通过两个垫块10固定在底板9上，凸模5设置在凹模压板4的上方，且凸模5的下端位于与其对应的第一通道 1-1中，凸模5的上端装在凸模固定套6中，凸模固定套6通过凸模垫板7固定在上模板8 上，上模板8固定在液压机的活动横梁下端面上，底板9固定在液压机下横梁上端面上。
具体实施方式
二 结合图1说明本实施方式，本实施方式的第一通道1-1、第二通道1-2和第三通道1-3的截面形状为圆形或正方形。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的 步骤一、制作坯料将轻合金铸锭机械加工成N个坯料；步骤二、加热坯料和模具利用电炉将N个坯料加热至250°C 300°C，利用电阻丝加热装置将凹模1加热至250°C 300°C;步骤三、往复挤压出料将N个坯料中的任意一个坯料定义为第一个坯料11，将N-I个坯料中的任意一个坯料定义为第二个坯料，将N-2个坯料中的任意一个坯料定义为第三个坯料， 将N-3个坯料中的任意一个坯料定义为第四个坯料，将N-4个坯料中的任意一个坯料定义为第五个坯料，将N-5个坯料中的任意一个坯料定义为第六个坯料，将第一个坯料11放入凹模1中的第一通道1-1内，凸模5在液态挤压活动横梁的推动下对第一个坯料11进行第一次往复挤压，将第二个坯料放入第一个坯料11上面，凸模5在液态挤压活动横梁的推动下对第二个坯料进行第一次往复挤压，同时在第二个坯料的推动下第一个坯料向第三通道1-3下方运动，将第三个坯料放入第二个坯料上面，凸模5在液态挤压活动横梁的推动下对第三个坯料进行第一次往复挤压，在第三个坯料的推动下第二个坯料向第三通道1-3下方运动，在第三个坯料和第二个坯料的共同推动下将第一个坯料11从第三通道1-3中挤出，第一个坯料11通过落料孔3-1后被取出，将取出的第一个坯料11再次放入凹模1中的第一通道1-1内，凸模5在液态挤压活动横梁的推动下对第一个坯料11进行的第二次往复挤压，将第二个坯料从第三通道1-3中挤出，第二个坯料通过落料孔3-1后被取出，将取出的第二个坯料再次放入凹模1中的第一通道1-1内，凸模5在液态挤压活动横梁的推动下对第二个坯料进行的第二次往复挤压，同时将第三个坯料从第三通道1-3中挤出，第一个坯料11、第二个坯料和第三个坯料依此循环完成二至四次往复挤压后，再将第四个坯料放入第三个坯料上面，凸模5在液态挤压活动横梁的推动下对第四个坯料进行第一次往复挤压，同时将第一个坯料11挤出，将第五个坯料放入第四个坯料上面，凸模5在液态挤压活动横梁的推动下对第五个坯料进行第一次往复挤压，同时将第二个坯料挤出，将第六个坯料放入第五个坯料上面，凸模5在液态挤压活动横梁的推动下对第六个坯料进行第一次往复挤压，同时将第三个坯料挤出，以此类推，每三个坯料为一组，每组分别依次完成二至四次往复挤压，最后，将石墨坯料放入第N个坯料上面，凸模5在液态挤压活动横梁的推动下对石墨坯料进行往复挤压，第N个坯料被挤出，石墨坯料留在凹模1中，开模后将石墨坯料取出；坯料经往复挤压后可获得较大的塑性变形，利用发生在大塑性变形过程中的动态再结晶作用细化材料的微观组织，提高其力学性能，从而使变形坯料获得良好的应变诱导； 步骤四、半固态成型将挤出的N个坯料置入电炉里加热保温使其球晶化，其加热温度为 530°C 575°C，保温时间为15min 30min，取出成形坯料，即为轻合金半固态坯料。轻合金采用镁合金或铝合金，镁合金包括AZ91D、AM50A、AM60B、ZK60、AZ31、AZ61、AZ80等，铝合金包括 ADC12、A356, A357, A380、A390、2024、6061、6063、7075 等。轻合金采用镁合金材料时，步骤二中对每组坯料的循环挤压次数为2-4次，步骤四中的加热温度为545°C -570°C ； 轻合金采用铝合金材料时，步骤二中对每组坯料的循环挤压次数为2-3次，步骤四中的加热温度为530°C -575°C。经本方法制备的轻合金半固态坯料晶粒尺寸小于100 μ m，且其晶粒球化程度高。
具体实施方式
四结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中轻合金铸锭采用铝合金铸锭，步骤四中的加热温度为535°c 570°C，保温时间为15min 30min。其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中轻合金铸锭采用铝合金铸锭，步骤四中的加热温度为^(TC 565°C，保温时间为20min。其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
六结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中轻合金铸锭采用铝合金铸锭，步骤四中的加热温度为 560°C，保温时间为25min。其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
七结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中轻合金铸锭采用镁合金铸锭，步骤四中的加热温度为 570°C，保温时间为15min 30min。其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
八结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中轻合金铸锭采用镁合金铸锭，步骤四中的加热温度为5500C 565°C，保温时间为20min。其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
九结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中轻合金铸锭采用镁合金铸锭，步骤四中的加热温度为560°C，保温时间为25min。其它步骤与具体实施方式
三相同。
权利要求
1.一种轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备装置，所述装置包括凹模(1)、凹模套⑵、下模板(3)、凹模压板(4)、凸模(5)、凸模固定套(6)、凸模垫板(7)、上模板(8)、 底板(9)和两个垫块(10)，其特征在于凹模⑴由两个对称设置的半锥台体构成，凹模 (1)的内部由上至下设有第一通道(1-1)、第二通道(1- 和第三通道(1-3)，第一通道 (1-1)与第三通道(1-3)平行且上下错开设置，第二通道(1-2)位于第一通道(1-1)和第三通道(1-3)之间，且第二通道(1-2)垂直第一通道(1-1)设置，第二通道(1-2)的一端与第一通道(1-1)的下端连通，第二通道(1- 的另一端与第三通道(1-3)的上端连通，第一通道(1-1)、第二通道(1-2)和第三通道(1-3)的截面形状、截面大小相同，凹模(1)装在凹模套O)中，凹模压板(4)设置在凹模(1)和凹模套O)的上端面上，凹模压板(4)的端面上设有与第一通道(1-1)正对的冲孔G-1)，凹模套O)固定在下模板(3)的上端面上，下模板(3)的端面上设有与第三通道(1-3)正对的落料孔(3-1)，两个垫块(10)以第一通道 (1-1)的竖向中心线对称设置在下模板(3)的下面，下模板C3)通过两个垫块(10)固定在底板(9)上，凸模( 设置在凹模压板(4)的上方，且凸模(5)的下端位于与其对应的第一通道(1-1)中，凸模(5)的上端装在凸模固定套(6)中，凸模固定套(6)通过凸模垫板(7) 固定在上模板(8)上。
2.根据权利要求1所述轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备装置，其特征在于第一通道(1-1)、第二通道(1-2)和第三通道(1-3)的截面形状为圆形或正方形。
3.一种利用权利要求1所述装置实现轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备方法，其特征在于所述方法是通过以下步骤实现的步骤一、制作坯料将轻合金铸锭机械加工成N个坯料；步骤二、加热坯料和模具利用电炉将N个坯料加热至250°C 300°C，利用电阻丝加热装置将凹模(1)加热至250°C 300°C;步骤三、往复挤压出料将N个坯料中的任意一个坯料定义为第一个坯料(11)，将N-I个坯料中的任意一个坯料定义为第二个坯料，将N-2个坯料中的任意一个坯料定义为第三个坯料，将N-3个坯料中的任意一个坯料定义为第四个坯料，将N-4个坯料中的任意一个坯料定义为第五个坯料，将N-5个坯料中的任意一个坯料定义为第六个坯料，将第一个坯料(11)放入凹模(1)中的第一通道(1-1)内， 凸模( 在液态挤压活动横梁的推动下对第一个坯料(11)进行第一次往复挤压，将第二个坯料放入第一个坯料(11)上面，凸模5在液态挤压活动横梁的推动下对第二个坯料进行第一次往复挤压，同时在第二个坯料的推动下第一个坯料向第三通道(1- 下方运动，将第三个坯料放入第二个坯料上面，凸模( 在液态挤压活动横梁的推动下对第三个坯料进行第一次往复挤压，在第三个坯料的推动下第二个坯料向第三通道(1- 下方运动，在第三个坯料和第二个坯料的共同推动下将第一个坯料(11)从第三通道(1- 中挤出，第一个坯料(11)通过落料孔(3-1)后被取出，将取出的第一个坯料(11)再次放入凹模(1)中的第一通道(1-1)内，凸模( 在液态挤压活动横梁的推动下对第一个坯料(11)进行的第二次往复挤压，将第二个坯料从第三通道(1-3)中挤出，第二个坯料通过落料孔(3-1)后被取出， 将取出的第二个坯料再次放入凹模(1)中的第一通道(1-1)内，凸模5在液态挤压活动横梁的推动下对第二个坯料进行的第二次往复挤压，同时将第三个坯料从第三通道(1-3)中挤出，第一个坯料(11)、第二个坯料和第三个坯料依此循环完成二至四次往复挤压后，再将第四个坯料放入第三个坯料上面，凸模( 在液态挤压活动横梁的推动下对第四个坯料进行第一次往复挤压，同时将第一个坯料(11)挤出，将第五个坯料放入第四个坯料上面，凸模( 在液态挤压活动横梁的推动下对第五个坯料进行第一次往复挤压，同时将第二个坯料挤出，将第六个坯料放入第五个坯料上面，凸模( 在液态挤压活动横梁的推动下对第六个坯料进行第一次往复挤压，同时将第三个坯料挤出，以此类推，每三个坯料为一组，每组分别依次完成二至四次往复挤压，最后，将石墨坯料放入第N个坯料上面，凸模( 在液态挤压活动横梁的推动下对石墨坯料进行往复挤压，第N个坯料被挤出，石墨坯料留在凹模(1)中，开模后将石墨坯料取出；步骤四、半固态成型将挤出的N个坯料置入电炉里加热保温使其球晶化，其加热温度为530°C 575°C，保温时间为15min 30min，取出成形坯料，即为轻合金半固态坯料。
4.根据权利要求3所述轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备方法，其特征在于所述步骤一中轻合金铸锭采用铝合金铸锭，步骤四中的加热温度为535°C 570°C，保温时间为15min 30min。
5.根据权利要求3所述轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备方法，其特征在于所述步骤一中轻合金铸锭采用铝合金铸锭，步骤四中的加热温度为540°C 565°C，保温时间为20min。
6.根据权利要求3所述轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备方法，其特征在于所述步骤一中轻合金铸锭采用铝合金铸锭，步骤四中的加热温度为545°C 560°C，保温时间为25min。
7.根据权利要求3所述轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备方法，其特征在于所述步骤一中轻合金铸锭采用镁合金铸锭，步骤四中的加热温度为545°C 570°C，保温时间为15min 30min。
8.根据权利要求3所述轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备方法，其特征在于所述步骤一中轻合金铸锭采用镁合金铸锭，步骤四中的加热温度为550°C 565°C，保温时间为20min。
9.根据权利要求3所述轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备方法，其特征在于所述步骤一中轻合金铸锭采用镁合金铸锭，步骤四中的加热温度为560°C，保温时间为 25min。
全文摘要
轻合金半固态坯料等通道往复挤压球化制备装置及方法，它涉及一种轻合金半固态坯料制备装置及方法，以解决现有轻合金半固态成形方法导致坯料产生鼓形，坯料应用前需机械加工，造成加工量大，正挤压会使铝合金截面形状改变很大的问题。装置凹模内部的第一通道与第三通道平行且上下错开设置，第二通道使第一通道与第三通道相通，凹模装在凹模套中，凹模套上端与凹模压板连接，凹模套下端与下模板、两个垫块和底板连接，凸模的下端位于第一通道中，凸模上端装在凸模固定套中，凸模固定套通过凸模垫板与上模板连接。方法一、制作坯料；二、加热坯料和模具；三、往复挤压出料；四、半固态成型。本发明用于制备轻合金半固态坯料。
文档编号B21C23/21GK102284536SQ20111014281
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者姜巨福, 杜之明, 王迎, 程远胜 申请人:哈尔滨工业大学