CN109014012A - 镁合金轮圈的半液态锻造方法 - Google Patents

镁合金轮圈的半液态锻造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及镁合金轮圈的半液态锻造方法，其包含下述步骤：提供包含浆料输出流道、盛料管、螺杆及加热器的镁合金加工***；以加热器加热位于盛料管中的镁合金原料并令螺杆搅拌镁合金原料，从而获得球状镁合金晶粒及液态镁合金固液共存的半液态镁合金浆料；令螺杆将半液态镁合金浆料通过浆料输出流道填充至锻造模具中；以及对填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料进行锻压及固化，从而获得所述镁合金轮圈。本发明的镁合金轮圈的半液态锻造方法兼具降低镁合金轮圈的制造成本及提高镁合金轮圈的质量的优点。

Description

镁合金轮圈的半液态锻造方法
技术领域
本发明有关于一种镁合金轮圈的半液态锻造方法。
背景技术
镁合金因具有密度小、导热性良好、比强度高、比刚度高、阻尼能力优良及便于回收等特性，于近年来被广泛应于交通运输、电子产品等领域中，尤其是汽车产业中轮圈的制造。由于汽车轮圈属于簧下质量，簧下质量每减少1公斤等效于整辆汽车减重约10公斤，以16英寸的镁合金锻造轮圈取代16英寸的铝合金锻造轮圈为例，每个轮圈可减重约5公斤，故当将一辆汽车的四个16英寸的铝合金锻造轮圈全都改用16英寸的镁合金锻造轮圈时，等效于整辆汽车减重约200公斤，从而相当有利于节能减碳。同时，镁合金的阻尼性能高于铝合金约30倍，相较于铝合金锻造轮圈，镁合金锻造轮圈更具有良好的弹性回复及减震能力，从而更能有效降低车轮与路面接触所产生的振动向车内传递的状况，提供更为舒适的乘驾条件。
现有技术的镁合金锻造轮圈的制造方法是先以直接水冷半连续铸造法制作镁合金铸棒，再将经须热均质处理的镁合金铸棒切片为锻造胚料，接着将锻造胚料送入高压锻造机中制成所述镁合金锻造轮圈。
然而，由于镁合金铸棒中的非金属杂质的含量难以降低，使得镁合金铸棒的质量难以保证，造成镁合金锻造轮圈有容易产生不规则裂痕的问题，影响到使用安全性。此外，现有技术的镁合金锻造轮圈的制造方法需要先对镁合金铸棒进行热均质处理，且需要使用大型的锻造设备，造成工艺冗长与大量能源的消耗及成本的投入。再者，以直接水冷半连续铸造法制作的镁合金铸棒容易具有树枝状晶体、柱状晶体或粗大的等轴晶，使得所制得的镁合金锻造轮圈存在内部缺陷，进而降低镁合金锻造轮圈的力学性能。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于降低镁合金锻造轮圈的成本并确保镁合金锻造轮圈的质量。
为达到前述的发明目的，本发明所采取的技术手段为提供一种镁合金轮圈的半液态锻造方法，其步骤包含：
提供镁合金加工***，其中，该镁合金加工***包含浆料输出流道、盛料管、螺杆及加热器，该盛料管的一端与该浆料输出流道相接，该螺杆可沿该盛料管的轴向往复移动地且可自转地轴向穿设于该盛料管中，该加热器与该盛料管相接；
令该加热器对位于该盛料管中的镁合金原料加热并令该螺杆自转以搅拌该镁合金原料，从而获得位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料，其中，该半液态镁合金浆料包含球状镁合金晶粒及液态镁合金；
令该螺杆沿该盛料管的轴向移动，以将该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料通过该浆料输出流道填充至锻造模具中；以及
对填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料进行锻压及固化，从而获得所述镁合金轮圈。
较佳的是，所述镁合金轮圈的半液态锻造方法还包含预热该盛料管、该浆料输出流道及该锻造模具的步骤。
更佳的是，所述预热该盛料管、该浆料输出流道及该锻造模具的步骤包含：预热该盛料管到560℃至600℃的预热温度、预热该浆料输出流道到550℃至580℃的预热温度并且预热该锻造模具到500℃至550℃的预热温度。
较佳的是，所述镁合金轮圈的半液态锻造方法还包含喷涂离型剂于该锻造模具的内部的步骤。其中，所述离型剂包含石墨(graphite)或氮化硼(boron nitride，BN)。藉由离型剂的使用，有助于所获得的镁合金轮圈从该锻造模具中取出。
较佳的是，所述位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的温度为560℃至600℃，且该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的固相率为15％至55％。
较佳的是，该镁合金原料呈颗粒状，且该镁合金原料的长度为1.0mm至1.5mm，该镁合金原料的宽度为1.0mm至1.5mm，该镁合金原料的高度为4.0mm至5.0mm。
较佳的是，该盛料管的内径为90mm至130mm。
较佳的是，所述令该加热器对所述位于该盛料管中的镁合金原料加热并令该螺杆自转以搅拌该镁合金原料，从而获得该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的步骤包含：令该加热器对所述位于该盛料管中的镁合金原料加热、通入保护气体至该盛料管中并令该螺杆自转以搅拌该镁合金原料，从而获得该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的步骤。其中，所述保护气体包含氩气。
藉由保护气体的使用，可有效避免所述镁合金原料于加热时被氧化。
较佳的是，所述令该加热器对所述位于该盛料管中的镁合金原料加热并令该螺杆自转以搅拌该镁合金原料，从而获得该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的步骤包含：令该加热器以560℃至600℃的加热温度对所述位于该盛料管中的镁合金原料加热并令该螺杆以250转/分钟至1000转/分钟的转速自转以搅拌该镁合金原料，从而获得该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的步骤。
较佳的是，所述对填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料进行锻压及固化，从而获得所述镁合金轮圈的步骤包含：以25百万帕(MPa)至35MPa的压力及560℃至570℃的温度对填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料进行锻压的步骤；以及固化所述填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料，以获得所述镁合金轮圈的步骤。
本发明的镁合金轮圈的半液态锻造方法，藉由以该镁合金加工***将该镁合金原料制成半液态镁合金浆料，以及将该半液态镁合金浆料填充至该锻造模具后进行锻压及固化的步骤，其能达到下述优点：
一、提高所制得镁合金轮圈的尺寸精确度并达到近净成形(Near Net-shapeForming)，从而提高材料利用率并节约材料和能源。
二、所制得的镁合金轮圈的结构微细且具有球状结晶体，其不具有普通锻造件中存在的树枝状结晶，从而具有良好的结构强度并具有良好的应用性。
三、所述镁合金浆料填充至该锻造模具时，对该锻造模具的热冲击小，从而可延长该锻造模具的使用寿命。
四、适用的锻造设备的吨位较低。
据此，所述镁合金轮圈的半液态锻造方法不仅具有低制造成本及可制得具有良好质量的镁合金轮圈的优点，还具有环境友善的优点。
附图说明
图1为本发明的镁合金轮圈的半液态锻造方法的步骤流程图；以及
图2为本发明的镁合金轮圈的半液态锻造方法所使用的镁合金加工***的示意图。图中标号具有如有意义：
10：镁合金加工***；11：浆料输出流道；12：入料斗；13：盛料管；14：保护气体输入口；15：加热器；16：螺杆；17：螺杆驱动装置；18：逆止阀；20：镁合金原料；S1、S2、S3、S4、S5：分别表示步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5。
具体实施方式
以下，将藉由下列具体实施例详细说明本发明的实施方式，本领域技术人员可通过本说明书的内容轻易地了解本发明所能达成的优点与功效，并且于不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更，以施行或应用本发明的内容。
实施例
请参阅图1及图2所示，于本实施例中，本发明的镁合金轮圈的半液态锻造方法包含：提供镁合金加工***10的步骤S1、预热该镁合金加工***10及整备锻造模具的步骤S2、令该镁合金加工***10加热并搅拌镁合金原料20以获得半液态镁合金浆料的步骤S3、令该镁合金加工***10填充该半液态镁合金浆料至该锻造模具中的步骤S4以及锻压并固化该半液态镁合金浆料，从而获得所述镁合金轮圈的步骤S5，各步骤S1、S2、S3、S4、S5详述如下：
请参阅图2所示，于所述提供该镁合金加工***10的步骤S1中，该镁合金加工***10包含浆料输出流道11、入料斗12、盛料管13、保护气体输入口14、加热器15及螺杆16，该入料斗12设置于该浆料输出流道11的一侧，该盛料管13的两端分别与该入料斗12与该浆料输出流道11相接，该保护气体输入口14设置于该入料斗12与该盛料管13之间，该加热器15装设于该盛料管13上，该螺杆16轴向穿设于该盛料管13中，该螺杆16可沿该盛料管13的轴向往复移动，且该螺杆16可于该盛料管13中自转；进一步而言，该螺杆16的一端设有螺杆驱动装置17，该螺杆驱动装置17驱使该螺杆16沿该盛料管13的轴向相对该盛料管13朝浆料输出流道11的方向或反向移动，且该螺杆驱动装置17可驱使该螺杆16自转，该螺杆16的另一端设有逆止阀18，该逆止阀18位于该螺杆16与该浆料输出流道11之间。于本实施例中，该盛料管13的内径为130毫米(mm)，且该盛料管13的材质为合金钢。
于所述预热该镁合金加工***10及整备该锻造模具的步骤S2中，该盛料管13被以该加热器15加热90分钟至120分钟以达到580℃的预热温度并预热该浆料输出流道11至550℃的预热温度，并且预热该锻造模具至530℃的预热温度及喷涂离型剂于该锻造模具的内部；于本实施例中，所述离型剂为氮化硼。
于令该镁合金加工***10加热并搅拌该镁合金原料20以获得该半液态镁合金浆料的步骤S2中，将该镁合金原料20投入入料斗12以进入盛料管13中，同时由该保护气体输入口14通入氩气至该盛料管13中并且令该螺杆16自转，以于该盛料管13中以该加热器15及该螺杆16分别加热及搅拌该镁合金原料20，进而获得该半液态镁合金浆料。其中，于加热的同时，由于该螺杆16自转产生剪切力，该镁合金原料20被该螺杆16搅拌后，于该逆止阀18与该浆料输出流道11之间形成该半液态镁合金浆料，且该半液态镁合金浆料中包含球状镁合金晶粒及液态镁合金；也就是说，该半液态镁合金浆料为固态镁合金与液态镁合金共存的混合物，所述半液态指固液共存。于本实施例中，该镁合金原料20呈颗粒状，且其长、宽及高依序为1.5mm、1.5mm及5mm，且该镁合金原料20为镁铝锌合金(AZ80)，该加热器15是以580℃的加热温度加热该镁合金原料20，该螺杆16以600转/分钟的最高转速自转以搅拌该镁合金原料20，该半液态镁合金浆料的温度为580℃，且该半液态镁合金浆料的固相率约为50％。
于令该镁合金加工***10填充该半液态镁合金浆料至该锻造模具中的步骤S4中，令该螺杆16沿该盛料管13的轴向相对该盛料管13朝该浆料输出流道11的方向移动，以将所述形成于该逆止阀18与该浆料输出流道11之间的半液态镁合金浆料通过该浆料输出流道11填充至该锻造模具中。
于锻压并固化该半液态镁合金浆料，从而获得所述镁合金轮圈的步骤S5中，令液压锻造机对填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料进行锻压及冷却固化，从而获得所述镁合金轮圈于该锻造模具中；之后，进行脱模以将所述镁合金轮圈从该锻造模具中取出。于本实施例中，填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料的温度为560℃至570℃，且该液压锻造机系以30MPa的压力对填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料进行锻压，也就是说，填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料是于30MPa的压力及560℃至570℃的温度下进行锻压；而于锻压后，填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料被冷却至500℃以下，从而固化形成所述镁合金轮圈。
填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料于锻压固化为所述镁合金轮圈后的体积收缩率小，从而有利提高所述镁合金轮圈的尺寸精确度并达到近净成形，进而提高材料利用率并节约材料和能源。
填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料于锻压固化的过程中不会发生长程枝晶间液体流动，因而不会形成宏观偏析，且所述半液态镁合金浆料于流动过程中会发生层流，能减少气体夹杂并降低所制成的镁合金轮圈的气孔率。据此，由所述半液态镁合金浆料所制得的镁合金轮圈，其结构微细且具有球状结晶体，其不具有普通锻造件中存在的树枝状结晶，故能具有良好的结构强度、减少内部缺陷形成并提高整体力学性能的效果。
此外，相较于液态金属而言，所述半液态镁合金浆料填充至该锻造模具时的温度较低，对该锻造模具的热冲击小，从而有利于增加该锻造模具的使用寿命。
另外，相较于固态镁合金而言，半液态镁合金浆料的抗变形力明显较低，故相较于以固态镁合金制造锻造轮圈而言，以半液态镁合金浆料制造锻造轮圈所需要的锻造设备的吨位亦明显较低。
综上所述，所述镁合金轮圈的半液态锻造方法同时具有低成本、环境友善及可制得具有良好质量的镁合金轮圈的优点。

Claims (10)

1.一种镁合金轮圈的半液态锻造方法，其步骤包含：
提供镁合金加工***，其中，该镁合金加工***包含浆料输出流道、盛料管、螺杆及加热器，该盛料管的一端与该浆料输出流道相接，该螺杆可沿该盛料管的轴向往复移动地且可自转地轴向穿设于该盛料管中，该加热器与该盛料管相接；
令该加热器对位于该盛料管中的镁合金原料加热并令该螺杆自转以搅拌该镁合金原料，从而获得位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料，其中，该半液态镁合金浆料包含球状镁合金晶粒及液态镁合金；
令该螺杆沿所述盛料管的轴向移动，以将该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料通过该浆料输出流道填充至锻造模具中；以及
对填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料进行锻压及固化，从而获得所述镁合金轮圈。
2.根据权利要求1所述的镁合金轮圈的半液态锻造方法，其中还包含预热该盛料管、该浆料输出流道及该锻造模具的步骤。
3.根据权利要求2所述的镁合金轮圈的半液态锻造方法，其中所述预热所述盛料管、所述浆料输出流道及所述锻造模具的步骤包含：
预热该盛料管到560℃至600℃的预热温度、预热该浆料输出流道到550℃至580℃的预热温度并且预热该锻造模具到500℃至550℃的预热温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的镁合金轮圈的半液态锻造方法，其中还包含喷涂离型剂于该锻造模具的内部的步骤。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的镁合金轮圈的半液态锻造方法，其中，所述位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的温度为560℃至600℃，且该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的固相率为15％至55％。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的镁合金轮圈的半液态锻造方法，其中，该镁合金原料呈颗粒状，且该镁合金原料的长度为1.0mm至1.5mm，该镁合金原料的宽度为1.0mm至1.5mm，该镁合金原料的高度为4.0mm至5.0mm。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的镁合金轮圈的半液态锻造方法，其中，该盛料管的内径为90mm至130mm。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的镁合金轮圈的半液态锻造方法，其中，所述令该加热器对所述位于该盛料管中的镁合金原料加热并令该螺杆自转以搅拌该镁合金原料，从而获得该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的步骤包含：
令该加热器对所述位于该盛料管中的镁合金原料加热、通入保护气体至该盛料管中并令该螺杆自转以搅拌该镁合金原料，从而获得该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的步骤。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的镁合金轮圈的半液态锻造方法，其中，所述令该加热器对所述位于该盛料管中的镁合金原料加热并令该螺杆自转以搅拌该镁合金原料，从而获得该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的步骤包含：
令该加热器以560℃至600℃的加热温度对所述位于该盛料管中的镁合金原料加热并令该螺杆以250转/分钟至1000转/分钟的转速自转以搅拌该镁合金原料，从而获得该位于该螺杆与该浆料输出流道之间的半液态镁合金浆料的步骤。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的镁合金轮圈的半液态锻造方法，其中，所述对填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料进行锻压及固化，从而获得所述镁合金轮圈的步骤包含：
以25MPa至35MPa的压力及560℃至570℃的温度对填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料进行锻压的步骤；以及
固化所述填充至该锻造模具中的半液态镁合金浆料，以获得所述镁合金轮圈的步骤。
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