CN104498846B - 一种半固态金属坯料的制备方法 - Google Patents

一种半固态金属坯料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种半固态金属坯料的制备方法，先将金属合金棒料在旋转锻压机上进行加工，径向变形量为10％～50％，平均等效应变范围为0.17～0.9；然后向加热炉中通入氮气，将加热炉空气全部排出；再将加热炉升温至金属合金半固态温度区间，然后将锻造后的金属合金棒料放入加热炉中保温，最后将金属合金棒料取出，在温度为20～30℃的水中淬火冷却，获得的类球状晶粒比电磁搅拌等方法更接近球形，并且晶粒的分布非常均匀，本发明工艺简单，应用范围广。

Description

一种半固态金属坯料的制备方法
技术领域
本发明涉及半固态金属成形技术领域，具体涉及一种半固态金属坯料的制备方法。
背景技术
对于金属材料而言，半固态加工是利用金属从固态向液态转变或从液态向固态转变(固液共存)过程中所具有的特性进行成形的方法。这种新的成形方法兼具凝固加工(如普通压铸)和塑性加工(如锻造)的优势。一方面，半固态加工需要的成形温度比全液态凝固加工低，延长了模具的使用寿命，而且可以减轻凝固成形件无法消除的内部缺陷；另一方面，半固态材料的流动性好，变形阻力比全固态的塑性加工小，能够一次性成形形状复杂、精度和性能要求高的零件。
目前，金属半固态加工主要包括流变成形和触变成形两种方式，根据参考文献管仁国，马伟民编写的“金属半固态成形理论与技术”中的描述，二者的特点见表1。
表1 金属半固态流变成形和触变成形的特点
对于铝、镁合金等低熔点金属来说流变成形更有利于降低生产成本，而对于铜合金等高熔点合金来说，半固态流变成形工艺单一、控制难度大，比触变成形更难实现。因此，铜合金等高熔点合金的半固态触变成形在工业应用中具有很大的潜力。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半固态金属坯料的制备方法，成形后组织致密，质量好，内部平均等效塑性应变分布较均匀。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种半固态金属坯料的制备方法，具体步骤如下：
1)将金属合金棒料在旋转锻压机上进行加工，径向变形量为10％～50％，平均等效应变范围为0.17～0.9；
2)向加热炉中通入氮气，将加热炉空气全部排出；
3)加热炉升温至金属合金半固态温度区间，然后将锻造后的金属合金棒料放入加热炉中保温6～10min；
4)将金属合金棒料取出，在温度为20～30℃的水中淬火冷却。
所述的金属合金为高熔点金属合金或低熔点金属合金，高熔点金属合金包括铜合金、铁合金，低熔点金属合金包括铝合金、镁合金。
所述的铜合金的化学成分及其重量百分比为：锡(Sn)3.5～10％，铅(Pb)≤4％，锌(Zn)0.25～3％，镍(Ni)0.2～1％，铁(Fe)0.1～0.4％，磷(P)≤0.4％，铝(Al)≤0.005％，硅(Si)≤0.005％，锑(Sb)≤0.5％，铋(Bi)≤0.002％，余量为铜(Cu)。
本发明具有以下优点：
(1)本发明工艺简单，应用范围广。该方法不仅仅适用于高熔点金属合金，如铜合金、铁合金等；也适用于低熔点的金属合金，如铝合金、镁合金等。
(2)本发明获得的类球状晶粒比电磁搅拌等方法更接近球形，并且晶粒的分布非常均匀。
(3)本发明采用旋转锻造的方式使金属棒料受到多向锻打和脉冲锻打，在三向压应力作用下，成形后的棒料组织致密，质量好，内部平均等效塑性应变分布较均匀。
附图说明
图1是本发明实施例1的径向变形量2mm内部平均等效塑性应变分布图。
图2(a)是本发明实施例1的铜合金旋转锻压径向变形量2mm后的轴向组织；图2(b)是本发明实施例1的铜合金旋转锻压径向变形量2mm后的径向组织。
图3(a)是本发明实施例1的旋转锻压后的铜合金在985℃保温10min的轴向组织；图3(b)是本发明实施例1的旋转锻压后的铜合金在985℃保温10min的径向组织。
图4(a)是本发明实施例1所述铜合金的轴向组织；图4(b)是本发明实施例1所述铜合金的径向组织。
图5是本发明实施例2的径向变形量6mm内部平均等效塑性应变分布图。
图6(a)是本发明实施例2的铜合金旋转锻压径向变形量6mm后的轴向组织；图6(b)是本发明实施例2的铜合金旋转锻压径向变形量6mm后的径向组织。
图7(a)是本发明实施例2的旋转锻压后的铜合金在985℃、保温6min的轴向组织；图7(b)是本发明实施例2的旋转锻压后的铜合金在985℃、保温6min的径向组织。
图8是本发明实施例5的铝合金旋转锻压径向变形量3mm后的组织。
图9是本发明实施例5的旋转锻压后的铝合金在565℃、保温10min的轴向组织。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
一种半固态金属坯料的制备方法，具体步骤如下：
1)将直径为20mm的铜合金棒料在旋转锻压机上进行加工，径向变形量为2mm，旋转锻造后的平均等效塑性应变分布较均匀，应变范围集中在0.298～0.710，见图1，旋转锻压后的铜合金组织呈柱状晶，其中轴向和径向均为树枝晶，但是径向相对轴向更短，见图2；
2)向加热炉中通入氮气，将加热炉空气全部排出；
3)加热炉升温至铜合金半固态温度区间，即985℃，然后将旋转锻压后的铜合金棒料放入加热炉中保温10min；
4)将铜合金棒料取出，在温度为25℃的水中淬火冷却，其微观组织见图3，轴向和径向均为近球状组织，且分布均匀。
所述的铜合金的化学成分及其重量百分比为：锡(Sn)4％，铅(Pb)0.2％，锌(Zn)2.8％，镍(Ni)0.2％，铁(Fe)0.1％，磷(P)0.03％，铝(Al)0.001％，硅(Si)0.005％，锑(Sb)0.002％，铋(Bi)0.002％，余量为铜(Cu)，其组织见图4，轴向为柱状，径向为树枝晶，径向树枝晶相对轴向更短。
实施例2
一种半固态金属坯料的制备方法，具体步骤如下：
1)将直径为20mm的铜合金棒料在旋转锻压机上进行加工，径向变形量为6mm，旋转锻造后的平均等效塑性应变分布较均匀，应变范围集中在0.215～0.516，见图5，旋转锻压后的铜合金组织轴向和径向均为树枝晶，但是径向相对轴向更短，见图6；
2)向加热炉中通入氮气，将加热炉空气全部排出；
3)加热炉升温至铜合金半固态温度区间，即985℃，然后将旋转锻压后的铜合金棒料放入加热炉中保温6min；
4)将铜合金棒料取出，在温度为25℃的水中淬火冷却，其微观组织见图7，轴向和径向均为近球状组织，且分布均匀。
所述的铜合金的化学成分及其重量百分比为：锡(Sn)4％，铅(Pb)0.2％，锌(Zn)2.8％，镍(Ni)0.2％，铁(Fe)0.1％，磷(P)0.03％，铝(Al)0.001％，硅(Si)0.005％，锑(Sb)0.002％，铋(Bi)0.002％，余量为铜(Cu)，其组织与图4相似。
实施例3
一种半固态金属坯料的制备方法，具体步骤如下：
1)将直径为20mm的铜合金棒料在旋转锻压机上进行加工，径向变形量为4mm，旋转锻压后的平均等效塑性应变范围集中在0.287～0.683。旋转锻压后的铜合金组织与图6相似；
2)向加热炉中通入氮气，将加热炉空气全部排出；
3)加热炉升温至铜合金半固态温度区间，即940℃，然后将旋转锻压后的铜合金棒料放入加热炉中保温10min；
4)将铜合金棒料取出，在温度为25℃的水中淬火冷却，其微观组织与图7相似，轴向和径向均为近球状组织，且分布均匀。
所述的铜合金的化学成分及其重量百分比为：锡(Sn)6.8％，铅(Pb)2％，锌(Zn)1％，镍(Ni)1％，铁(Fe)0.15％，磷(P)0.03％，铝(Al)0.003％，硅(Si)0.005％，锑(Sb)0.002％，铋(Bi)0.002％，余量为铜(Cu)，其组织与图4相似。
实施例4
一种半固态金属坯料的制备方法，具体步骤如下：
1)将直径为20mm的铜合金棒料在旋转锻压机上进行加工，径向变形量为4mm，旋转锻造后的平均等效塑性应变范围集中在0.187～0.549。旋转锻压后的铜合金组织与图2、图6相似；
2)向加热炉中通入氮气，将加热炉空气全部排出；
3)加热炉升温至铜合金半固态温度区间，即985℃，然后将旋转锻压后的铜合金棒料放入加热炉中保温10min；
4)将铜合金棒料取出，在温度为25℃的水中淬火冷却，其微观组织与图3、图7相似，均为近球状组织。
所述的铜合金的化学成分及其重量百分比为：锡(Sn)10％，铅(Pb)2.6％，锌(Zn)0.28％，镍(Ni)0.7％，铁(Fe)0.3％，磷(P)0.1％，铝(Al)0.004％，硅(Si)0.005％，锑(Sb)0.1％，铋(Bi)0.002％，余量为铜(Cu)，其组织与图4相似。
实施例5
一种半固态金属坯料的制备方法，具体步骤如下：
1)将直径为30mm的铝合金棒料在旋转锻压机上进行加工，径向变形量为3mm，旋转锻压后的铝合金组织发达的树枝晶见图8；
2)向加热炉中通入氮气，将加热炉空气全部排出；
3)加热炉升温至铝合金半固态温度区间，即565℃，然后将旋转锻压后的铝合金棒料放入加热炉中保温10min；
4)将铝合金棒料取出，在温度为25℃的水中淬火冷却，其微观组织见图9，为近球状组织，且分布均匀。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域技术人员通过阅读本发明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.一种半固态金属坯料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)将金属合金棒料在旋转锻压机上进行加工，径向变形量为10％～50％，平均等效应变范围为0.17～0.9；
2)向加热炉中通入氮气，将加热炉空气全部排出；
3)加热炉升温至金属合金半固态温度区间，然后将旋转锻造后的金属合金棒料放入加热炉中保温6～10min；
4)将金属合金棒料取出，在温度为20～30℃的水中淬火冷却，
所述的金属合金为铜合金，铜合金的化学成分及其重量百分比为：锡(Sn)3.5～10％，铅(Pb)≤4％，锌(Zn)0.25～3％，镍(Ni)0.2～1％，铁(Fe)0.1～0.4％，磷(P)≤0.4％，铝(Al)≤0.005％，硅(Si)≤0.005％，锑(Sb)≤0.5％，铋(Bi)≤0.002％，余量为铜(Cu)。
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