双压挤压铸造模具的制作方法

本实用新型涉及挤压铸造技术领域，具体涉及一种复合了温等静压的一整套双压强化液态/半固态成型模具。

背景技术：

随着现代科学的进步，特别是航天航空技术、高铁、工程机械的高速发展对结构材料提出了越来越高的要求，而这些要求是传统的金属或合金材料难以满足的。例如，金属基复合材料之一的钢结合金材料，由于具有低密度、高强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐磨等特殊性能，给现代先进工业提供了良好的选择。但由于这种产品材料制备和合成困难，后处理繁多，特别是锻打和热处理很难消除材料的内应力和微裂纹，给后加工造成了很大的难度。世界各国都把钢结合金材料研究和开发列为21世纪新材料的重点，探索它们的力学和物理性能、微观结构、强化机理、变形和断裂行为，主要内容是为这类材料制定更加有效的制备和成型方法。

技术实现要素：

本实用新型可为目前制备和成型钢结合金材料的最优选择。

本实用新型提供一种复合了挤压铸造和温等静压的模具，是一种适用于黑色金属挤压铸造、硬质难溶材料加工、锌、铝、铜或合金等的有色金属制品的品质提升及解决各种复合材料热压加工的工艺装备。

本实用新型的技术方案如下：

一种双压挤压铸造模具，该模具主要包括：

凹模，所述凹模具有上下贯通的型腔；

上压头，所述上压头负载时由施压装置向下施压并下行进入所述凹模的型腔之中，继而能够在所述凹模的型腔中向熔体施压，所述上压头的底面与所述待制工件头部的形状匹配；在一实施例中，所述施压装置为油压机，所述上压头的上端为油压机上顶头，所述上压头在所述油压机上顶头向下施压时下行，使上压头顶入所述凹模的型腔之中，能够在所述凹模的型腔中向熔体施压；

下顶芯，所述下顶芯的上端部设置于所述凹模的型腔之中，并且，所述下顶芯由施压装置施加向上的压力；所述下顶芯的上部外轮廓与所述凹模的型腔为相似形，所述下顶芯的上部外轮廓与所述凹模的型腔之间的间隔为产品的厚度尺寸；其中，施压时所述上压头和所述下顶芯是同轴心但不同时的相向运动；在一实施例中，油压机下顶缸能够对所述下顶芯施加向上的压力；

底板，所述底板具有导孔，所述下顶芯穿过所述导孔；

外套，与所述底板连接，所述外套等距离环绕在所述凹模之外；

助压剂层，填充设置在所述外套和所述凹模之间的空间内。

具体地，所述油压机为立式双动油压机，其主要的压力部分包括上顶头、下顶头、外顶缸，所述上顶头对所述上压头施压，所述下顶头对所述下顶芯施压，施压时所述上压头和所述下顶芯是同轴心但不同时的相向运动。

在本实用新型中，所述凹模具有上下贯通的型腔是本设计的核心部分之一，是实现双压的关键设计。

本实用新型的所述双压挤压铸造模具的下顶芯，在熔体注入时起分流椎作用。而当压铸充型完毕，在油压机的下顶头的作用下，还可对半固态铸件进行1-2次施压。具体地，待制工件为截齿产品时，所述凹模的型腔为曲面圆锥体，所述下顶芯的上部外轮廓与所述凹模的型腔为相似形的曲面圆锥体，其曲面圆锥形体起到熔体的分锥作用，并且，所述下顶芯与所述待制工件的熔体冶金结合，并且两者之间的热涨系数接近。

在优选实施例中，所述凹模的型腔的下半部的整体形状与待制工件中部的外表面匹配，所述凹模型腔的上半部为浇道并为使上压头通过进而对熔体施压的通道腔。

在一优选实施例中，所述凹模的外侧面为圆锥台状。它的外部上小下大的斜面(优选斜度不大于5°)更有利于助压剂的向心压力。

在一优选的实施方式中，所述双压挤压铸造模具还包括上压板，所述上压板盖设在所述外套、所述凹模和压圈的上方，并且所述上压板设有可供所述上压头穿过的通孔。

在一优选的实施方式中，所述双压挤压铸造模具还包括压圈，所述压圈设置在助压剂上且位于所述外套和所述凹模之间。

在一优选的实施方式中，所述底板上设有用于配合所述凹模设置的第一凹腔。

在一优选的实施方式中，所述底板上设有用于配合放置所述外套的第二凹腔。

在一优选的实施方式中，所述外套同心匀距离环绕在所述凹模之外，所述外套的上下部均为直口。

在优选实施例中，所述助压剂为干燥的石英砂和5-7v/v％的叶腊石等，其中石英砂和叶腊石均为0.5-1mm的颗粒物，所述石英砂的表面水含量不超过体积分数的1.5％。

在优选实施例中，所述凹模可选用耐高温抗氧化、热膨胀系数小、耐腐蚀、具有良好的热传导、高强度的新型材料，如抗氧化增强三高石墨、碳化物、硼化合物的复合材料等，如碳、硼化合物的金属陶瓷材料；加上助压剂的向心压力的增强，进一步提高了凹模的抗压强度，可极大提升对铸造产品的挤压力(现有的挤压铸造工艺的挤压力多为300mpa以下，本实用新型的模具结构可将挤压力提高到800mpa以上)，同时模具工作温度完全可以使固/液熔体的工艺转换得到根本的保证，成品的密实度达98％以上，进而制品的功能性得到更优的配置。

在优选实施例中，所述上压头的选材是高强度、耐高温、耐腐蚀镶接碳化硅复合材料。

本实用新型上述的双压挤压铸造模具进行双压挤压铸造的方法，具体可以包括如下步骤：

首先，把所述双压挤压铸造模具安放在施压装置如油压机(工作压机)中心位置(所述模具安放方式可为单件、多件迴转、级进等)，所述双压挤压铸造模具的上压头、下顶芯与油压机的中心在同一轴线上；将所述凹模型腔清理干净；将所述凹模设置于所述底板上，在一优选实施例中为，将所述凹模放置于所述底板的所述第一凹腔中；

然后，在所述凹模的外壁和所述外套的内壁之间的空腔中加入所述助压剂，优选是均匀加入，不断施予轻微震动(或者，也可使用超声波震动)，使所述助压剂接近密实，然后将所述助压剂加热至150-180℃，使凹模同时升温，然后在所述助压剂上安放所述压圈，并使所述压圈的顶面略高出所述凹模的顶平面，根据所压材料的需要调整所述压圈的高低；

之后，把熔体例如金属熔体匀速而不断续的浇入所述凹模内，浇注温度高于该材料熔融温度100-150℃(浇注速度可由本领域技术人员根据常规选择设定，此处不做详述)，其中，金属熔体与模具型腔体积不相等并具有增量(优选地，金属熔体的体积为型腔实际容积的4-6％增量，上述增量设定考虑了型腔体积材料的线胀系数和压实比)；继续震动5-7s后，启动油压机外顶缸下行并压住上压板(优选地油压机的公称压力为外顶缸压力加上上顶头压力与下顶头压力之和,具体可查该油压机技术参数)，并使油压机上顶头下行将所述上压头直接压在所述的液态金属熔体上；接着启动油压机下顶缸，将下顶芯对模具型腔内的液/固材料加压并保压25-30s，直至卸压。

在上述挤压铸造过程中，浇入的熔体依次经历了熔态-液/固态-半固态三种形态。

其中优选，油压机空程压力速度为1m/s，液态负载压力速度为0.2m/s，挤压力为50-100mpa(优选地，有色金属取下限，黑色金属取上限)，保压时间为10-15s；所述下顶芯的保压压力为500-650mpa。当然，在其他的实施例中，上述的各压力可以根据材料组成的变化而调整。

以上挤压铸造方法以金属熔体为例，针对其他材料，本领域技术人员可调整相关加工参数。

本实用新型的双压挤压铸造模具适用于不规则超硬质材料的成型制造，如不规则形超硬质合金的成型制造，具体如钢结硬质合金截齿的成型制造，此外也适用于各种不同材料、不同形状制品成型的工艺制备，例如金属陶瓷材料、例如和失蜡铸造的复合等，能够从根本上解决不规则形超硬质合金的成型制造难题。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型的助压剂层的设置，提供了向心压力，遏制了凹模在浇入金属熔体和加压后的张力，并将向心压力提高了30％，加上凹模本身材料的选择带来的高抗压强度，可把挤压力提高到800mpa以上(现有的挤压模仅为300mpa以下)，这使得熔体内的气体得到充分的释放，组织结构更加严实，分子移位等一系列对合成材料的利好加工得到了保证，尤其是对下顶芯施压，能够使产品的密实度得到更好的提高；

在优选的方案中，上压头和凹模均选用耐高温抗氧化、热膨胀系数小、高强度、耐腐蚀的材料，优选是三高石墨、碳化物、硼化物的复合材料等，这些材料的选择与助压剂的向心压力产生叠加作用，利用熔融材料的高温及传热，加上助压剂的保温使得液态材料能够处于25-30s的恒温状态，在这时进行挤压铸造得到了充分排气及高密实度的产品；

(2)由于排气良好，使挤压材料和模腔贴合面良好，加上本模具型腔选材为与所有材料不发生反应的碳、硼化合物的金属陶瓷材料，使得能产出近净尺寸的最终产品，对于超硬耐磨材料的制品尤为明显；

(3)本实用新型的模具和工艺方法由于应用了耐热、高强度的凹模模具材料，更适用于热压理化合成材料(tib2+b4c、cab6+zrb2的合成)的运用，使制品经受大塑性变形，组织性能优化，力学性能与锻件相当；

(4)本实用新型的模具的主要工作零部件使用了金属陶瓷，一改模具费动辄数万、数十万甚至无法完成的成本问题，同时解决了生产中熔体与工作面的黏结和龟裂的问题，大幅度的延长了模具的使用寿命，由原来的使用寿命1000模以下提高到现在10000模以上；

(5)本实用新型的模具适合于各种有色金属和黑色金属、硬质合金、金属陶瓷复合材料制件的制备。

实施本实用新型的任一产品可根据实际需要选择使用，在同一产品无需达到以上所述的所有优点，如模具材质的选择，可以选择碳化物和硼化物、金属及其合金的复合，也可以单独使用碳化物和硼化物。

附图说明

图1为本实用新型实施例的用于钢结硬质合金截齿制造的双压挤压铸造模具的结构示意图；

图中标号含义如下：

1-上压头；2-凹模；3-压圈；4-助压剂层；5-外套；6-底板；7-下顶芯；8-金属熔体；9-上压板。

具体实施方式

针对目前的挤压铸造模具远不能适用于包括现有金属材料、非金属材料、复合材料，尤其是硬质难溶材料的加工成型的难题，本实用新型人进行了分析，认为目前的挤压铸造遇到的瓶颈问题主要有：

(1)高温熔体注入模腔的过程(现有的模具多为金属模型)，尽管采用了最严格的加工工艺，包括良好的热处理加上脱模剂，但模具与高温熔体(特别是金属熔体，尤其是与钢熔体1550℃以上)的接触面上产生的高温黏连造成压力摩擦，使模具的内应力和表面的热应力加速了模具裂纹的扩大而很快失效；

(2)高温熔体的注入与模腔(初始为150℃-180℃)的△t达1400℃左右，我们可以视为高温熔体和模腔腔体的接触而迅速产生液—固态的薄壳层；在熔体的内部，由于密度差与浓度差造成的自然对流，在液态挤锻过程中液态金属的存量不断减少，凝固层不断加厚，温度的不断降低均影响到金属内部的流动，气体难以排出，特别是长径比大于1的模腔所造成的冷隔使整个产品铸造不足和排气不畅、制件中心疏松、补缩不良，整个产品均处在铸态结构，密度小于85％，所以产品非正常合格率仅75％-80％，差于锻打件；

(3)由于冷隔使得整个高温熔体迅速降温至半固态，铸件和模具型壁产生了一种热阻气层，表面浮现气孔，粗糙度很高；并且与精密铸造的强度相差无几，因此并不能表现出挤压铸造的突出之处。

本实用新型人分析后认为，根据上述的情况，必须要提高注入温度(使其大于熔融材料、液相温度100-150℃)、挤压力(50-800mpa)、能控制每工位的压力速度，增强补缩。因此本实用新型把重点放在模腔结构的设计和制造、复合温等静压保护、特别选择了抗氧化增强三高石墨、金属陶瓷等新型的凹模材料，把凹模的抗拉强度由300mpa提高到800mpa以上，耐热温度可达2300℃以上，依靠凹模所选择的这种新材料良好的传热性，和熔体本身的高温对于凹模外围的助压材料进行热传导，反之对于模腔内的挤压材料可起到蓄热保温作用(即温等静压)，使整个加工过程的温度始终保持在600℃-900℃，在此液—固态转换状态下进行后续工艺步骤的增压和再冲击，这就是温等静压双压挤铸模具的工作内容。

本实用新型特别设计推出可适用于钢结硬质合金制品(半固态挤压)制备的双压挤铸模具，该模具既能完成钢结硬质合金材料成型，又能普遍完成金属基复合材料从基础材料到合成至成型的一步制备法。

本实用新型公开了一种双压挤压铸造模具，所述模具主要包括：凹模，所述凹模具有上下贯通的型腔，优选为圆锥台体；上压头，所述上压头在油压机的上顶头向下施压时下行并进入所述凹模的型腔之中；下顶芯，所述下顶芯的上端部设置于所述凹模的型腔之中，油压机的下顶头能够对下顶芯施加向上的压力；施压时所述上压头和所述下顶芯是同轴心但不同时的相向运动；底板，所述底板具有导孔，所述下顶芯穿过所述导孔；外套，与所述底板连接，且环绕在所述凹模之外；助压剂层，填充设置在所述外套和所述凹模之间的空间中。本实用新型还公开了使用上述模具的双压挤压铸造工艺方法。本实用新型的模具及工艺能解决黑色金属挤压铸造、硬质难溶材料、复合材料成型等难题。

并且，本实用新型对模具结构和对凹模上压头、下顶芯材料的强度、硬度、耐冲击性、耐腐蚀、抗氧化、耐磨及经济性做了全面的改造。

本实用新型的双压挤压铸造模具(后述均以双压模具称谓)，既能解决上述各种材料的制品制造，还能解决自身这些产品的新材料制作，如：tib2+b4c、cab6+zrb2的合成等(抗压强度均大于1200mpa，耐温达2500℃以上)。

下方结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的描述。

实施例1

请参见图1，本实施例提供一种温等静压、挤压铸造复合的双压模具，该模具主要包括：上压头1、凹模2、压圈3、助压剂层4、外套5、底板6、下顶芯7、上压板9。该模具在通用压力机上即可使用。

其中，上压头1外侧面为圆柱形，其底面则与待制工件的上部形状匹配；

上压头1连接一油压机，例如通用双动压力机，所述油压机包括上顶头、下顶头、外顶缸；

特别指出的是，上压头1的选材是高强度、耐高温、耐腐蚀、的碳化硅复合材料。

凹模2整体为圆锥台，其具有上下贯通的型腔，该型腔的下半部的整体形状与待制工件的中部外表面匹配，该型腔的上半部为上压头1实现向金属流体施压的通道腔；

凹模2的材料选自耐高温抗氧化、热膨胀系数小、高强度的材料，如三高石墨、碳化物、硼化合物的复合材料等碳、硼化合物。

压圈3为圆环状，并套设在凹模2的上部，并位于凹模2和外套5之间、上压板9之下；压圈的基体材料为耐热合金钢，经氮化处理，它对助压剂4起到施压作用，增加了对凹模2圆椎面的向心压力，可以根据压力的需要在助压剂4体积不变的情况下调整助压剂4的厚度；在本实用新型的其他实施例中，压圈3还可以选择其他能起到相同或类似作用的材料。

助压剂层4由助压剂颗粒组成，并设置在凹模2与外套5之间的空间内、压圈3之下；助压剂4用于挤压凹模2，阻止其在受到内部金属熔体的压力时向外的张力；所述助压剂4选材可以为干燥的石英砂、叶腊石等，例如5-7％(体积分数)的叶腊石；所述助压剂的粒径为0.5-1mm。

外套5、压圈3、底板6、上压板9组成设置在助压剂4之外的外壳组件，用于容置助压剂4，并在助压剂4向外膨胀时对其产生一定的挤压力；其中，底板6为平板状；外套5为上下开口的空心柱体，且上下部均为直口、同心匀距离环绕在所述凹模2之外；上压板9为开孔平板状，其孔径与上压头1为0.2-0.3mm的滑动配合(包括热胀系数)；底板6位于外套5底面之下，上压板9位于外套5的上表面之上；压圈3、外套5、底板6、上压板9均为42crmo经氮化处理的材料或选择与上述材料作用相同或类似的其他材料。

下顶芯7的上半部分的外部轮廓与本实施例中截齿产品的内芯为冶金结合，要求两者之间的热涨系数接近(本实施例仅介绍该工艺)，一件一芯(可看作铸造产品的嵌件)也可使用可溶性陶瓷制造空腔产品；下顶芯7的上部为曲面圆锥体形，下部直柄并穿过底板6，底板6上的通孔的孔径与下顶芯1为0.15-0.25mm的滑动配合(包括线胀系数)，下顶芯7与油压机下顶头接触；

在本实施例中，底板6上还设置有第一凹腔和第二凹腔，其中第一凹腔用于配合设置凹模2，第二凹腔为环形并用于配合设置外套5，第二凹腔环绕设置在第一凹腔的外围，两个凹腔的底面在同一个水平面上，因此凹模2和外套5的底面为同一高度，并且凹模2与外套5均为同心件。

在本实施例中，上压头1的轴线与下顶芯7的轴线重合，保证上压和下压的方向在同一轴线上。

使用本实施例的双压挤压铸造模具进行制造的工艺流程如下：

首先，把此模具安放在工作压机中心，先将凹模2的型腔用压缩器喷枪清理干净，放置在底板6的第一凹腔中，将下顶芯7放入底板6中心的导孔中；然后在凹模2的外壁和外套5的内壁之间的空腔中均匀加入干燥的石英砂、叶蜡石等颗粒作为助压剂层4(颗粒粒径均为0.5-1mm)，同时不断轻微震动该模具使助压剂4接近密实，加热至150-180℃，之后在助压剂4顶面放上压圈3，根据所压材料的需要调整压圈3的高低；

把已熔融的金属熔体8匀速而不断续的浇入凹模2内，所述金属熔体的体积为模具型腔实际体积的4-6％增量，并继续震动5-7s后启动压机的外顶缸下行并压住上压板9，所述油压机的外顶缸压力等于上顶头压力与下顶头压力之和，并且油压机的上顶头下行将模具的上压头1直接压在所述的液态金属熔体上到限点(所述油压机的空程速度为1m/s，液态负载压力速度为0.2m/s，挤压力为50-100mpa，保压时间为15-20s)；接着启动压机的下顶缸将压力提高到500-650mpa，施压予下顶芯7对模具型腔内的液/固材料加压并保压25-30s，直至卸压。

本模具和原模具性能比较见表1，试样材料为钢结硬质合金。

表1

与现有的挤压铸造模具和挤压铸造工艺相比，本实用新型具有以下优势：

1、由于凹模外围助压结构--助压剂层4及其之外的外套组件(外套5、底板6、上压板9)的设置，再加上凹模2使用了耐高温抗氧化、热膨胀系数小、高强度的材料，如三高石墨、碳化物、硼化合物的复合材料，使得助压剂的向心压力加以提高，进而增强了凹模的抗涨强度，使得型腔中的液/固材料的挤压力得到了很好的提升，产品的密实度和功能性得到更优的提高与配置；

2、使用本实用新型的模具和铸造工艺制作得到了近净形尺寸的终极产品，对于超硬耐磨材料的制品尤为明显；

3、本实用新型也适合于湿润性差异较大的多元合成材料(如金属和非金属材料、纤维、颗粒、晶须增强)的制成，实现了在模具中把热压反应、铸造一并完成(解决模具的高温、高压、耐腐蚀正是本发明的出处)，极大的拓展了新材料开发和利用，如cab6和tib2、sic的合成；

4、由于抗氧化三强石墨和硼化物的复合材料具有与任何金属材料和金属复合材料不具备任何反应的条件，及耐高温强度，所以在制备过程中不存在与现今材料间的黏结和工作面的龟裂，大幅度的延长了使用寿命；

5、高效：可以根据挤压产品的使用要求及所需材料制定挤压的浇注速度、启压和终压时间、恒压时间、冲击时间，为液—半固—固态挤铸的组织转换提供了能控制的可能，并在该模具中一体完成；

6、模具的使用性强，根据所加工的不同材料只需轮换凹模一个零件作机外处理(本实用新型只做单模介绍，但也可以为多模形式)，使整个模具经久耐用；

7、本实用新型的模具单价为现有挤压模具的1/8-1/9(见表2)；

(表2)

模具制造成本对照

说明：

*③、④、⑤按照本实用新型产品涉及的压铸模具为中等体积模具，应该在240kg左右其中210kg为机构钢材，30kg左右为主材料，机构钢材选用的是中碳合金钢，必须经过断料、锻打、机加工、热处理、精加工等加工手段，而且它的加工精度等级为it14，为此按照经验公式此实际费用*4-5为整个模具的总成本。

本实用新型双压挤铸模具省去了整个模具的定模部分，动模仅剩下外圈、底板、压圈、下顶芯，所以已经省去了1/2以上的材料，而且加工精度有原来的it10降至it14使得加工费用尤其是技师的使用费大幅度降低，整个费用见表2；

8、本实用新型降低了维修的技术等级，由于外圈、上压板、压圈稍作回火处理能长期使用，无需再加投入，模具使用寿命在50000件以上，把使用消耗成本降到每模几元人民币；

9、使用本实用新型的模具和工艺制造的产品免去了传统的浇口、浇道、渣包、飞边等工序，材料利用率达到了95％以上，材料密度提高了3-5％，同时也免去了这些工序的加工费用；

10、由于生产率的提高，节省了相应的水电费及工艺费用，大幅度的降低了人力成本；

11、该模具型腔和压头(复合碳化硅)无需上脱模剂。

本实用新型的双压挤压铸造模具通用性强，几乎涵盖所有金属、非金属、复合材料的挤压成型，为新材料及其产品的开发提供了宽广的工艺空间。由于该工艺能迅速形成生产线、自动线，所以在人工智能、优化配置数字化管理上将大有作为。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。