CN107138707A - 采用复合加载‑局部补缩消除金属制件裂纹的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用复合加载‑局部补缩消除金属制件裂纹的工艺，包括：来料检查、清洗；电阻炉中450左右烘干；模具预热温度200至300℃，150℃左右喷石墨润滑剂；铝合金熔炼至720℃保温30分钟精炼；在负重轮直壁处充满金属的高度较零件设计尺寸高出S，继续加压，底部开始凝固，内冲头趋于静止，碟簧产生压缩变形，这时外冲头相对内冲头向下移动，压力机的总压力除克服碟簧力，剩余压力全部作用在制件正在凝固的直壁处，使其在压力下凝固，同时将压力传递到最后凝固区热节处，加压的同时，将充填时直壁多出S高度的金属补缩给直壁和热节处,通过对直壁和热节处的局部加载和补缩。

Description

采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺
技术领域
本发明涉及一种采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺。
背景技术
凝固成形过程中存在着不均匀性导致。由此推断，这种凝固的不均匀性也会对制件的组织和性能产生影响。
负重轮简单加载液态模锻过程研究结果可知，由于制件形状和和液态金属的受力不均匀，导致成形过程中液态金属凝固不均匀，最后凝固区(直壁与底部的转角处)由于得不到补缩，性能最差，甚至产生裂纹等缺陷。底部先凝固的金属承载了冲头几乎全部的载荷而进入塑性变形，限制和减缓了冲头的继续下行，冲头不能充分对直壁部分施压，直壁部分的密度及性能也低于底部。这种简单加载方式造成了制件各部组织和性能的不均匀性。
有鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种制备综合性能良好的制件的采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺。
本发明采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺，所述的负重轮利用成型模锻***加工而成，所述的成型模锻***包括：铝基复合材料的制备装置，负重轮成型模具，用于提供负重轮成型模具冲头压力的液压机；所述负重轮成型模具至少包括：下模，外冲头、内冲头组成的上模，内冲头与上模板之间设有碟簧，所述碟簧用于控制内冲头与上模板之间的距离；
所述的负重轮成型工艺包括：
来料检查、清洗；
电阻炉中450左右烘干；
模具预热温度200至300℃，150℃左右喷石墨润滑剂；
铝合金熔炼至720℃保温30分钟精炼；
将铝液倒入模具，合模，加压、保压；
开模，顶出制件；
将铝液倒入模具，合模，加压、保压，具体包括:加载前，调整碟簧的预紧量使内冲头离开上模垫板一定的距离S，S称为补缩量；在这种状态下进行加载成形，上模下行，内冲头碟簧力的作用下使金属充满型腔，在负重轮直壁处充满金属的高度较零件设计尺寸高出S，继续加压，底部开始凝固，内冲头趋于静止，碟簧产生压缩变形，这时外冲头相对内冲头向下移动，压力机的总压力除克服碟簧力，剩余压力全部作用在制件正在凝固的直壁处，使其在压力下凝固，同时将压力传递到最后凝固区热节处，加压的同时，将充填时直壁多出S高度的金属补缩给直壁和热节处,通过对直壁和热节处的局部加载和补缩，并产生塑性变形；
将铝液倒入模具，合模，加压、保压工艺参数选择如下：
金属液浇注温度选择浇注温度为720℃；
模具预热温度:下模300℃，上模200℃。
比压:40～60MPa；
加压速度:15mm/s；
开始加压时间:浇注完毕后立即开始加压；
保压时间:25-30s。
进一步地，还包括将触变模锻负重轮制件进行T6热处理，其热处理工艺为：在500℃固溶处理3小时，放入水中淬火20min，然后在160℃时效处理10小时，取出负重轮空冷至室温。
进一步地，所述的模具工作零件材料均选用5CrNiMo热模具钢。
进一步地，模具单边间隙为0.15mm；脱模斜度为2°～3°。
进一步地，在冲头中心处开带有斜度的排气孔。
进一步地，补缩量为8-10mm。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
通过采用复合加载方式对负重轮制件直壁进行局部加载补缩，得到了质量良好的制件。
随补缩量的增大，制件直壁的密度值逐渐增大，底部的密度值变化不明显。当补缩量达到6mm时，制件整体的密度接近均匀，补缩量再增大，其密度变化不明显。
随补缩量的增大，制件直壁的抗拉强度逐渐增大，底部的抗拉强度随补缩量的增大变化不大。当补缩量达到8-10mm时，制件的力学性能基本一致抗拉强度平均为352MPa，延伸率平均为8％。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明工艺流程图；
图2是负重轮成形模具；
1—上模板 2—螺栓 3—上模垫板 4—外冲头 5—内冲头 6—下模外套1
7—下模 8—螺栓 9—顶杆 10—拉杆螺栓 11—碟簧 12—导向套 13—托盘14—螺栓 15—下模外套2 16—定位销 17—下模垫板
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
铝合金负重轮液态模锻成形过程的数值模拟
有限元模型建立
负重轮结构制件直径较大，外径为φ440mm，内径为φ418mm，各处壁厚不均匀，在制件直壁与底部的转角处壁厚最大。
负重轮为轴对称制件，可以模拟负重轮的二分之一。用Pro/E软件对零件及其模具进行三维实体造型，并装配。在Pro/E Mechanic中进行面网格划分，存为.ans文件；将.ans文件导入ProCAST，在MeshCAST中将模型面网格剖分为体网格，生成.mesh文件。负重轮及其模具的装配模型和划分体网格后的有限元模型。划分网格尺寸最大为5mm，网格总数为1286232。
负重轮及其模具数值模拟模型
材料性质
负重轮材料为2A50铝合金，模具材料为5CrNiM。化学成分如表4-1和4-2 所示。根据材料成分在ProCAST中自动生成材料的液相线温度、固相线温度、潜热、比热和固相率的变化等热力学参数。
表4-1 2A50的成分(wt％)
表4-2 5CrNiMo的成分(wt％)
Table 4-2 Composition(wt.％)of 5CrNiMo alloy
由差热分析(DTA)可知：2A50铝合金的固相线温度为521℃，液相线温度为615℃。根据差热分析结果对自动生成的2A50铝合金的液固相线进行了修正。
负重轮凝固过程的温度场模拟
凝固过程温度场的模拟对制件缩孔、缩松、热裂等缺陷的预测与消除，以及工艺方案和模具设计的优化均具有重要的指导意义。
温度场模拟的主要工艺参数
液态模锻主要工艺参数：
(1)金属液浇注温度浇注温度直接影响着加压开始时自由凝固层的厚度和凝固过程中液态金属总热量的散失，进而影响凝固时间和凝固速度。温度过高，容易产生缩孔；温度过低，会因合金凝固过快产生冷隔等缺陷。2A50铝合金选择720℃。
(2)模具预热温度模具温度过高，容易发生粘模，脱模困难，降低模具寿命；模具温度过低，则铸件质量难以得到保证，产生冷隔和表面裂纹等缺陷。铝合金液态模锻模具预热温度在200℃-300℃。
(3)开始加压时间开始加压时间是指合金浇入凹模至开始加压的时间间隔。开始加压时间过晚，金属自由结壳厚度大，增加变形抗力，降低加压效果，影响制件质量。一般情形，金属液浇入型腔后立即加压。
(4)比压单位面积上的压力。压力作用是使金属液在等静压的作用下，及时消除制件的气孔、缩孔和疏松等缺陷，并产生压力下结晶的凝固机理，从而获得较好的内部组织和较高的力学性能。铝合金液态模锻比压为40～60MPa
(5)保压时间指从金属液在压力作用下充满型腔后开始，到液压机撤消压力为止的时间段，这段时间实际上是金属液在压力下凝固、结晶和补缩的时间。保压时间取决于制件断面的最大壁厚，一般取0.5-1sec/mm。
负重轮凝固过程的数值模拟工艺参数选择如表4-3所示。
表4-3模拟的主要工艺参数
温度场模拟结果
制件首先在与模具接触处开始凝固，制件的直壁与底部的转角处和底部中心处最后凝固，金属液充满型腔后，制件完全凝固需要的时间大概为23s。在制件的直壁与底部的转角处存在金属液的最后凝固区，这些区域的金属液凝固收缩时，受两侧已经凝固得金属层的阻碍，很可能产生应力集中，形成裂纹和缩孔缩松。在制件的直壁与底部的转角处产生缺陷的可能性。
制件直壁边缘凝固最快，在充型完毕瞬间就迅速凝固，其固相分数近50％。制件的直壁与底面的转角处心部区域凝固最慢，在前4s基本没有发生凝固。在 13s左右，各特征点的固相分数趋于一致，达到90％左右，在23s左右固相分数接近100％，凝固结束。
负重轮制件凝固过程的温度分布。在金属液充型结束瞬间，冲头和金属液上表面接触并给金属液加压，这时热量以热传导的方式迅速从接触表面传出，使制件表面温度迅速下降，在0.368s时表面温度已经在610℃左右，下降约 110℃，迅速在表面凝固成一层金属硬壳；制件直壁与底部的转角处的温度要高于其它部位的温度，这也说明了此处是金属液最后凝固的区域。制件在冲头压力下产生塑性变形，从而消除了因制件凝固收缩而在制件和模具之间产生的气隙，减小了制件和模具之间的热阻。由于压力的损失，制件表面和模具之间的接触情况好于制件的心部，所以制件和模具之间的热阻总体从表面到心部是逐渐增大的，所以制件在凝固过程中的总体温度分布从制件表面到心部也呈升高趋势。综合以上分析，制件在压力下凝固过程呈由表及里的趋势，最后凝固的部位在制件中心以及直壁与底部的转角处，在加压约23s时制件凝固已经结束，温度在510℃左右。
制件直壁边缘处和底部斜面部分温度降低最快，制件直壁与底面的拐角处中心部位和底部中心部位温度降低较慢。制件直壁与底面的拐角处是同一时刻温度最高的区域，即最后完成凝固区域。
负重轮凝固过程的应力场模拟
制件凝固过程中最大应力发生在制件的直壁与底面的转角处，且圆角处的应力为拉应力，在此部位很容易出现裂纹。主要原因是金属液充型刚结束时，制件表层首先凝固成金属硬壳时发生收缩，未凝固的液态金属在压力下不断地在硬壳内表面上结晶，直壁与底部相对截面积较小，首先完成凝固；转角处截面积大，其表层与直壁和底部同样厚度部分与壁与底部同步完成凝固，而其中心处是整个制件的最后凝固区，称为热节，随着凝固的进行，热节处的金属液逐步凝固收缩，周边已经凝固的金属不能提供补缩，且受模具的限制不能向其做刚性移动，从而造成热节处最后凝固区域的外表面与先期已凝固金属内表面之间产生拉应力。当拉应力达到一定值时，该处产生内部裂纹，随着拉应力的增大，会使裂纹扩展至制件表面，形成宏观裂纹。因此制件直壁与底部的转角处是发生裂纹的危险区域，制件转角处热裂指数最高。
制件表面上的各特征点均受到拉应力，这是由于制件内部金属的凝固收缩而使得先凝固的外部金属产生拉应力。在制件的直壁与底部的转角处产生的拉应力最大，所以在此处是产生裂纹缺陷的危险区域。制件的直壁与底部的转角处是产生裂纹缺陷的危险区域。
本发明采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺的最佳实施例：本发明采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺，所述的负重轮利用成型模锻***加工而成，所述的成型模锻***包括：铝基复合材料的制备装置，负重轮成型模具，用于提供负重轮成型模具冲头压力的液压机；所述负重轮成型模具至少包括：下模，外冲头、内冲头组成的上模，内冲头与上模板之间设有碟簧，所述碟簧用于控制内冲头与上模板之间的距离；
所述的负重轮成型工艺包括：
来料检查、清洗；
电阻炉中450左右烘干；
模具预热温度200至300℃，150℃左右喷石墨润滑剂；
铝合金熔炼至720℃保温30分钟精炼；
将铝液倒入模具，合模，加压、保压；
开模，顶出制件；
将铝液倒入模具，合模，加压、保压，具体包括:加载前，调整碟簧的预紧量使内冲头离开上模垫板一定的距离S，S称为补缩量；在这种状态下进行加载成形，上模下行，内冲头碟簧力的作用下使金属充满型腔，在负重轮直壁处充满金属的高度较零件设计尺寸高出S，继续加压，底部开始凝固，内冲头趋于静止，碟簧产生压缩变形，这时外冲头相对内冲头向下移动，压力机的总压力除克服碟簧力，剩余压力全部作用在制件正在凝固的直壁处，使其在压力下凝固，同时将压力传递到最后凝固区热节处，加压的同时，将充填时直壁多出S高度的金属补缩给直壁和热节处,通过对直壁和热节处的局部加载和补缩，并产生塑性变形；
将铝液倒入模具，合模，加压、保压工艺参数选择如下：
金属液浇注温度选择浇注温度为720℃；
模具预热温度:下模300℃，上模200℃。
比压:40～60MPa；
加压速度:15mm/s；
开始加压时间:浇注完毕后立即开始加压；
保压时间:25-30s。
进一步地，还包括将触变模锻负重轮制件进行T6热处理，其热处理工艺为：在500℃固溶处理3小时，放入水中淬火20min，然后在160℃时效处理10小时，取出负重轮空冷至室温。
进一步地，所述的模具工作零件材料均选用5CrNiMo热模具钢。模具单边间隙为0.15mm；脱模斜度为2°～3°。在冲头中心处开带有斜度的排气孔。
进一步地，补缩量为8-10mm。
负重轮复合加载试验过程及结果
负重轮复合加载液态模锻的工艺参数与简单加载液锻相同，主要区别是通过调节碟簧控制补缩量S，在试验中补缩量S选择为：2，4，6，8，10mm。
通过补缩，制件的裂纹等缺陷逐渐消失，在补缩量为2mm和4mm时，在制件的直壁与底部的转角处仍然有裂纹产生；当补缩量达到6mm时宏观缺陷消失，制件表面质量良好。
补缩量对负重轮制件的组织性能均匀化的影响
为研究补缩量对制件性能的影响规律，并找出参数，下面通过对复合加载负重轮液锻件取样进行金相观察、密度和力学性能的测试来分析和评定制件组织和性能的均匀性。
补缩量对负重轮制件的组织的影响
不同补缩量的制件金相组织。有补缩时制件直壁的组织与简单加载时(无补缩)相比有明显的改善，晶粒得到细化，且组织均匀，而制件底部的组织变化不明显。制件直壁的晶粒度随补缩量S的增加变得细小，当补缩量S为10mm 时，其组织形貌与底部几无差别。由此可见，通过复合加载和局部补缩量可以使制件的整体组织变得均匀。
补缩量对负重轮制件的密度的影响
负重轮的直壁部分的密度随着碟簧补缩量的增加而增加。在没有补缩即简单加载时，负重轮的直壁部分密度值较低，明显低于负重轮底部位置的密度。在局部加载补缩的情况下，负重轮直壁部分的密度随补缩量增大，在补缩量为 6mm时，直壁部分的密度值已经和底部的密度值接近，再进一步增加补缩量，直壁部分的密度变化不明显。
负重轮制件底部两部位的密度值接近，说明负重轮的底部密度主要受上模压力的影响，底部的密度基本没有变化。
采用局部加载可以使负重轮直壁和热节处的密度增大，且随补缩量的增加其密度逐渐接近底部，在补缩量为6mm时，负重轮整体的密度区域一致，进一步增加补缩量，密度值变化不明显。
补缩量对负重轮制件的力学性能的影响
对复合加载成形负重轮制件取样，进行T6处理，制成拉伸试样。将复合加载与简单加载成形制件(补缩量为0)力学性能进行比较，研究补缩量对负重轮制件的力学性能的影响规律。
负重轮制件的直壁的抗拉强度低于底部。在简单加载时，直壁部分抗拉强度较低，与底部相差较大。直壁部分的抗拉强度在复合加载方式下增加较为明显，增加幅度随补缩量的增大而逐渐减小。在补缩量为8mm时，制件直壁部分的抗拉强度已经接近底部的抗拉强度，进一步增加补缩量，直壁部分的抗拉强度的变化不明显。负重轮制件底部两部位取样的抗拉强度值接近，随补缩量的变化不明显。
采用复合加载液锻可以明显提高负重轮制件直壁部分的力学性能，随补缩量的增加制件直壁部分的力学性能逐渐接近制件底部的力学性能，在补缩量为 8-10mm时，制件各部位的力学性能基本一致。抗拉强度平均为352MPa，延伸率平均为8％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺，其特征在于，所述的负重轮利用成型模锻***加工而成，所述的成型模锻***包括：铝基复合材料的制备装置，负重轮成型模具，用于提供负重轮成型模具冲头压力的液压机；所述负重轮成型模具至少包括：下模，外冲头、内冲头组成的上模，内冲头与上模板之间设有碟簧，所述碟簧用于控制内冲头与上模板之间的距离；
所述的负重轮成型工艺包括：
来料检查、清洗；
电阻炉中450左右烘干；
模具预热温度200至300℃，150℃左右喷石墨润滑剂；
铝合金熔炼至720℃保温30分钟精炼；
将铝液倒入模具，合模，加压、保压；
开模，顶出制件；
将铝液倒入模具，合模，加压、保压，具体包括:加载前，调整碟簧的预紧量使内冲头离开上模垫板一定的距离S，S称为补缩量；在这种状态下进行加载成形，上模下行，内冲头碟簧力的作用下使金属充满型腔，在负重轮直壁处充满金属的高度较零件设计尺寸高出S，继续加压，底部开始凝固，内冲头趋于静止，碟簧产生压缩变形，这时外冲头相对内冲头向下移动，压力机的总压力除克服碟簧力，剩余压力全部作用在制件正在凝固的直壁处，使其在压力下凝固，同时将压力传递到最后凝固区热节处，加压的同时，将充填时直壁多出S高度的金属补缩给直壁和热节处,通过对直壁和热节处的局部加载和补缩，并产生塑性变形；
将铝液倒入模具，合模，加压、保压工艺参数选择如下：
金属液浇注温度选择浇注温度为720℃；
模具预热温度:下模300℃，上模200℃。
比压:40～60MPa；
加压速度:15mm/s；
开始加压时间:浇注完毕后立即开始加压；
保压时间:25-30s。
2.根据权利要求1所述的采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺，其特征在于，还包括将触变模锻负重轮制件进行T6热处理，其热处理工艺为：在500℃固溶处理3小时，放入水中淬火20min，然后在160℃时效处理10小时，取出负重轮空冷至室温。
3.根据权利要求1所述的采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺，其特征在于，所述的模具工作零件材料均选用5CrNiMo热模具钢。
4.根据权利要求1所述的采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺，其特征在于，模具单边间隙为0.15mm；脱模斜度为2°～3°。
5.根据权利要求1所述的采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺，其特征在于，在冲头中心处开带有斜度的排气孔。
6.根据权利要求1所述的采用复合加载-局部补缩消除金属制件裂纹的工艺，其特征在于，补缩量为8-10mm。
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