CN105499299B - 一种制备铝镁包覆双层管的半固态卧式挤压模具及方法 - Google Patents

一种制备铝镁包覆双层管的半固态卧式挤压模具及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制备铝镁包覆双层管的半固态卧式挤压模具及方法，该包覆管内层为镁合金，外层为铝合金。所述方法包括坯料的准备、二次加热、半固态成形。成形时把模具预热到250‑300℃，将准备好的固相率为70％‑90％的铝、镁合金半固态坯料放入挤压腔内进行挤压，获得壁厚2‑10mm的铝镁包覆双层管。本发明生产效率高，工艺流程短，耗能更少；且生产工艺简单，控制较为容易，充分利用了现有的成熟挤压设备。所得管材界面上实现了冶金结合，且没有焊缝，强度、热导率、可靠性比常见的邦迪管高，重量更轻，可以替代邦迪管作为汽车、家电等设备的换热管。

Description

一种制备铝镁包覆双层管的半固态卧式挤压模具及方法
技术领域
本发明涉及一种制备铝镁包覆双层管的卧式挤压模具及方法，特别是一种半固态卧式挤压的模具及方法。
背景技术
包覆双层管是指内层、外层由异种金属，通过一定的加工方法制备而成的管材，其中内外层材料分别具有不同的性质，能够满足不同工作环境的要求。目前，包覆双层管在石油工业、航空航天、家电制造、汽车工业等领域都有广阔的应用前景。随着我国经济的不断发展，国民工业对于包覆管材的需求不断增加，对管材的性能和质量有了越来越高的要求。另外，由于我国环境问题日益突出，能源矛盾凸显，对包覆双层管的生产工艺提出了绿色化、短流程化、耗能低、成材率高等要求。铝镁包覆双层管是一种性能优异且应用潜力巨大的包覆管材。其外层的铝合金具有密度低，强度高，导热性好，易加工的特点。内层镁合金具有切削性能好，中性、碱性环境耐腐蚀性能强，抗冲击性强，比强度大等优点。铝镁包覆双层管能够替代目前在汽车和家电领域广泛采用的不锈钢-铜双层管(又称邦迪管)，具有广阔的市场潜力。
目前广泛采用的金属包覆双层管的生产工艺主要有液压胀形法、***焊接法、拉拔包覆法、复合板钎焊法、离心铸造法。
液压胀形法是指将内外管预装配好后，密封内层管的两端并充入高压液体，利用液压胀大使得内层管发生塑性变形，外层管发生弹性变形，释放压力后外层管弹性变形恢复，内管塑性变形不恢复，从而产生残余应力，达到紧密贴合。这种方法结合力比较小，只能达到机械结合不能实现界面上的冶金结合，并且密封内管技术难度较大，难以大量生产。
***焊接法是利用在管内引爆***，***的冲击波在内外管的界面上产生巨大的压力，并且产生高温，使得界面上的金属在高温高压下发生原子扩散从而产生冶金结合。这种方法只能生产长度较短，管径较粗的包覆管。并且***难以控制，生产危险性高。
拉拔包覆法，是将预装配好的内外双层管坯在拉拔模具内进行同时减径或扩径拉拔，拉拔过程中内外层金属同时发生塑性变形并且在界面上受到巨大压力，这使得界面上发生原子扩散而实现冶金结合。这种方法必须对坯料进行预加工与装配，并且拉拔过程中耗能较高，所得产品表面质量差。
复合板钎焊法是专门用于生产邦迪管的工艺。它是指将精轧不锈钢薄板带双面镀铜后进行720°卷曲在芯棒上，加热后铜融化作为钎料填满焊缝，从而获得不锈钢-铜双层包覆管。这种方法生产工艺成熟，但是对精轧钢板的尺寸要求很高，同时钎焊的焊缝强度较低，是其结构短板。
离心铸造法是在离心力的作用下，通过先后加入两种金属液获得双层管坯的方法。得到管坯后还需要后续加工才能得到包覆管产品。这种方法在界面上实现了冶金结合，但是还需要后续加工，并且通常内表面质量较差。同时，对于两种金属的要求比较高，需要各种物理性能相似。
因此，开发一种高效率、短流程、绿色化，并且界面结合强度高的生产工艺是有必要的。
发明内容
本发明提出一种高效率、高质量的半固态卧式挤压成形方法，并设计了一套挤压模具。
这种方法能耗低、流程短，界面能达到高强度的冶金结合，其模具结构灵活，复用性好。
本发明首要目的是提供一种半固态卧式挤压制备铝镁包覆双层管的挤压模具。该模具主要部件包括：挤压杆(1)、挤压套筒(16)、内挤压模(12)、外挤压模(11)、底座(10)、加热电阻丝(15)、冷却管(9)。其中，加热电阻丝(15)在挤压套筒(16)外侧。挤压套筒(16)的一条直径上有三个通孔作为挤压腔，中心的是内挤压腔(2)，其中放置挤压内管的环状镁合金半固态坯料(3)，两侧的挤压腔直径相同，是外挤压腔(17)，其中放置圆棒状的铝合金半固态坯料(14)。同时挤压套筒(16)左侧外边缘有一圆盘，上有均匀分布的四个固定螺栓孔(13)。
挤压杆(1)由三个圆棒尾端相连组成，三个圆棒的分布与挤压套筒(16)的三个挤压腔位置一一对应，两侧的圆棒是外管挤压杆(4)；中间的台阶状圆棒是内管挤压杆(7)，其前端的细长台阶相当于芯棒。
挤压套筒(16)左侧布置的是内挤压模(12)和外挤压模(11)。内挤压模(12)上与挤压套筒(16)一一对应分布有三个孔；中间直径减小的凹孔是内成形腔(6)。外挤压模(11)上有一凹槽，凹槽中心有通孔。所述通孔为挤出孔(8)。所述凹槽是外管焊合腔(5)。
底座(10)是圆柱形，是中部有一圆形凹槽用来固定内挤压模(12)与外挤压模(11)，四周分布有固定螺栓孔(13)，内有螺纹。中间有一圆形通孔作为挤出孔(8)。底座(10)内部挤出孔(8)内壁附近埋有冷却管(9)。
优选地，内成形腔(6)外侧的导流面前端应与内成形腔(6)出口平面垂直。
优选的，外挤压模(11)中心的挤出孔(8)右侧应有导流圆角，并使得挤出孔(8)内壁与内成形腔(6)外侧导流面距离大于所生产外管目的壁厚。
优选地，外管焊合腔(5)的高度与内成形腔(6)的长度应调整至使得内外层金属挤出体积流速相同为止。
本发明的第二目的在于提供一种利用上述模具进行铝镁包覆双层管的半固态挤压成形方法，所述成形方法包括：步骤1.将环状镁合金(3)、棒状铝合金坯料(14)分别加热至对应的半固态二次加热温度，镁合金的半固态二次加热温度为570-585℃，铝合金为590-610℃，镁、铝合金的固相率为70％-90％，将镁、铝合金分别放入内挤压腔(2)和外挤压腔(17)内；步骤2.利用加热电阻丝(15)预热模具，使得模具温度在250-300℃；步骤3.向模具底座(10)的冷却管(15)内通入冷却液，使得底座(10)挤出孔(8)内壁温度为100-150℃；步骤4.通过卧式挤压机带动挤压杆(1)，向内挤压腔(2)内的环状镁合金(3)和外挤压腔(17)内的棒状铝合金(14)施加挤压力，使之流动成形并焊合挤出，并凝固成形。
优选地，所述镁、铝合金具有半固态组织特征，铝合金坯料(14)直径为30-40mm，高度为40-50mm；镁合金(3)坯料为环状坯，内径应大于等于目标双层管内径，壁厚为10-20mm。
本发明的优点是，铝镁包覆双层管具有外层强度高，热导率高，内层耐腐蚀、吸震性能好等优点；模具为内外两层分别进行挤压变形，结构简单，灵活性高，可随意更换，卧式设计，便于兼容工业挤压设备；半固态挤压成形法所需挤压力小，加热温度较液体低，氧化烧损少，能耗较低，且内部组织致密，表面质量好。
本发明较之前述的生产方法，生产效率高，工艺流程短，耗能更少；且生产工艺简单，控制较为容易，充分利用了现有的成熟挤压设备。所得管材界面上实现了冶金连接，且没有焊缝，强度、热导率、可靠性比常见的邦迪管高，重量更轻，可以替代邦迪管作为汽车、家电等设备的换热管。
附图说明
图1为挤压成形模具剖面示意图，图中：1.挤压杆；2.内挤压腔；3.镁合金坯料；4.外管挤压杆；5.外管焊合腔；6.内成形腔；7.内管挤压杆；8.挤出孔；9.冷却管；10.底座；11.外挤压模；12.内挤压模；13.固定螺栓孔；14.铝合金坯料；15.加热电阻丝；16.挤压套筒；17.外挤压腔。
图2为内挤压模结构示意图。
图3为外挤压模结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明挤压成形模具剖面示意图，由挤压杆1，挤压套筒16，内挤压模12，外挤压模11，底座10，加热电阻丝15，固定螺栓孔13，冷却管9以及4个固定螺栓组成。
挤压套筒16外侧有加热电阻丝15，用于加热模具并保证挤压过程中温度保持恒定。挤压套筒16上直径方向分布有3个通孔，中心是内挤压腔2，用来放置镁合金坯料3并挤压内管，两侧对称的是外挤压腔17，用来放置铝合金坯料14并挤压外管。筒左侧外周有一圈台阶，台阶周向上有均匀布置的固定螺栓孔13。
挤压杆1由尾端相连的三个圆柱组成，两侧的圆柱是外管挤压杆4，用来挤压铝合金坯料14；中心的台阶状挤压杆是内管挤压杆7，用来挤压镁合金坯料3，其前端细长台阶起到芯棒的作用，可以为内管定径。
挤压套筒16左侧顺序布置内挤压模12和外挤压模11。内挤压模12两侧有通孔，用来让棒状铝合金坯料14通过。中心有一个直径逐渐减小的凹型空腔，这是内成形腔6，当内管环状镁合金坯料3挤压进入时会在内成形腔6内减径变形。内成形腔6的内外壁都是导流曲面，内壁对镁合金3进行导流，外壁对铝合金14导流。
外挤压模11上有跑道型的凹槽作为外管焊合腔5，两个铝合金棒料挤入后会在其中焊合为一体一起挤出。外挤压模11中心通孔是挤出孔8。挤出孔8右侧边缘有导流圆角，其内壁与内成形腔6的外壁一同作用，将焊合的铝合金从导向挤出孔8并以圆周状包覆在挤出的内管外表面上共同挤出。
模具最左侧是底座10，中心有一圆柱凹槽，用来放置并固定外挤压模11、内挤压模12。底座10周向边缘附近均匀布置4个固定螺栓孔13，内有螺纹并与挤压套筒16对应。底座10中心有通孔，也是挤出孔8，且内壁附近埋有冷却管9，可以通入冷却液给挤出孔内壁降温，使得半固态的坯料凝固，防止挤出后变形。
本发明还提出了利用上述模具进行铝镁包覆双层管的半固态挤压成形方法，所述成形方法包括：步骤1.将环状镁合金(3)、棒状铝合金坯料(14)分别加热至对应的半固态二次加热温度，镁合金的半固态二次加热温度为570-585℃，铝合金为590-610℃，镁、铝合金的固相率为70％-90％，将镁、铝合金分别放入内挤压腔(2)和外挤压腔(17)内；步骤2.利用加热电阻丝(15)预热模具，使得模具温度在250-300℃；步骤3.向模具底座(10)的冷却管(9)内通入冷却液，使得底座(10)挤出孔(8)内壁温度为100-150℃；步骤4.通过卧式挤压机带动挤压杆(1)，向内挤压腔(2)内的环状镁合金(3)和外挤压腔(17)内的棒状铝合金(14)施加挤压力，使之流动成形焊合挤出，最终凝固成形。
实施例1
本实例涉及一种铝镁合金包覆双层管的半固态触变成形挤压工艺。所述触变成形是指，先将铝、镁合金铸锭进行加热并搅拌，冷却凝固并切割，制成非枝晶组织形貌的坯料。再将坯料经过二次加热到半固态温度时就能挤压成形。制备的包覆双层管内径12mm，外径17mm，内管壁厚1mm，外管壁厚1.5mm。内管材料为AZ91D镁合金，外管材料为7075铝合金。铝合金坯料为直径30mm，高35mm棒材；镁合金坯料为内径15mm，外径30mm，高40mm环状坯。挤压杆1中心的外管挤压杆4前端的细长台阶直径为12mm。加热电阻丝15保证模具预热温度300℃。将镁合金、铝合金分别加热，镁合金加热至575℃，铝合金加热至595℃。随后迅速将镁合金放入内挤压腔2内，铝合金放入外挤压腔内17。迅速将挤压杆推入模具，保证内管挤压杆7的前端台阶穿过镁合金坯料内孔。挤压机以100mm/s的速度进行挤压。镁合金在内成形腔6内减径减壁厚，并从挤出孔8挤出；同时铝合金被挤入外管焊合腔5后，在其中焊合为一体，并在内、外导流面作用下包覆在内管外表面上挤出。向冷却管9内通入冷却液，使得底座挤出孔8内表面附近温度保持在100℃，管材挤出时在此迅速降温凝固。
实施例2
本实例涉及一种铝镁合金包覆管的半固态触变成形挤压工艺。制备的包覆双层管内径12mm，外径17mm，内管壁厚1mm，外管壁厚1.5mm。内管材料为AZ91D镁合金，外管材料为7075铝合金。铝合金坯料为直径30mm，高35mm棒材；镁合金坯料为内径17mm，外径30mm，高40mm环状坯。挤压杆1中心的外管挤压杆4前端的细长台阶直径为15mm。加热电阻丝15保证模具预热温度350℃。将镁合金、铝合金分别加热，镁合金加热至585℃，铝合金加热至610℃。随后迅速将镁合金放入内挤压腔2内，铝合金放入外挤压腔内17。迅速将挤压杆1推入模具，保证内管挤压杆7的前端台阶穿过镁合金坯料内孔。挤压机以80mm/s的速度进行挤压。镁合金在内成形腔6内减径减壁厚，并从挤出孔8挤出；同时铝合金被挤入外管焊合腔5后，在其中焊合为一体，并在内、外导流面作用下包覆在内管外表面上挤出。向冷却管9内通入冷却液，使得底座挤出孔8内表面附近温度保持在120℃，管材挤出时在此迅速降温凝固。

Claims (4)

1.一种制备铝镁包覆双层管的半固态卧式挤压模具，其特征在于：所述半固态卧式挤压模具包括挤压杆(1)、挤压套筒(16)、内挤压模(12)、外挤压模(11)、底座(10)、加热电阻丝(15)、冷却管(9)；
加热电阻丝(15)位于挤压套筒(16)外部，冷却管(9)埋在底座内；
挤压套筒(16)直径方向上有均匀分布的三个通孔，两侧的是外挤压腔(17)，中间的是内挤压腔(2)；挤压套筒(16)左侧顺序布置内挤压模(12 )和外挤压模(11)；挤压套筒(16)左侧边缘有圆台，圆台上分布有4个固定螺栓孔(13)；
挤压杆(1)是三个尾端相连的圆柱，两侧的圆柱是外管挤压杆(4)，中央的圆柱是内管挤压杆(7)；
内挤压模(12 )上有中央的内成形腔(6)和两侧的通孔，两侧通孔与外挤压腔(17)连通；外挤压模(11)上有凹槽，是外管焊合腔(5)；外挤压模中央有通孔作为挤出孔(8)；
模具最左侧为底座(10)，底座中有凹槽，可固定外挤压模(11)与内挤压模(12)；底座(10)四周与套筒(16)对应处有固定螺栓孔(13)，内有螺纹。
2.如权利要求1所述的制备铝镁包覆双层管的半固态卧式挤压模具，所述挤压杆(1)上三个圆柱尾端相连，其中中央的内管挤压杆(7)呈台阶圆柱状，前端细长圆柱起到为管材定内径的作用。
3.如权利要求1所述的制备铝镁包覆双层管的半固态卧式挤压模具，所述内挤压模(12)中央的内成形腔(6)，其内外壁面皆为导流曲面，曲面尾端与内成形腔(6)出口平面垂直。
4.一种利用上述权利要求任意之一的制备铝镁包覆双层管半固态卧式挤压模具的成形方法，其特征在于其成形步骤包括：步骤1.将镁合金(3)、铝合金坯料(14)分别加热至对应的半固态二次加热温度，镁合金的半固态二次加热温度为570-585℃，铝合金为590-610℃，镁合金、铝合金的固相率为70％-90％，将镁合金、铝合金分别放入内挤压腔(2)和外挤压腔(17)内；步骤2.利用加热电阻丝(15)预热模具，使得模具温度在250-300℃；步骤3.向模具底座(10)的冷却管(9)内通入冷却液，使得底座(10)挤出孔(8)内壁温度为100-150℃；步骤4.通过卧式挤压机带动挤压杆(1)，向内挤压腔(2)内的镁合金(3)和外挤压腔(17)内的铝合金(14)施加挤压力，使之流动成形并焊合挤出，并凝固成形。
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