專利名稱：一種一模多件高SiC體積分數(shù)結(jié)構(gòu)件成形及模具設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料成形領(lǐng)域，特別是提供了一種制備高SiC體積分數(shù)復(fù)合材料結(jié)
構(gòu)件半固態(tài)鍛擠成形一模多件工藝技術(shù)及模具設(shè)計。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步對材料科學(xué)與工程技術(shù)的要求日益提高，研制開發(fā)新型高性能結(jié)構(gòu)材料以及其先進短流程加工技術(shù)己經(jīng)成為廣大高科技企業(yè)需要迫切解決的問題，這一現(xiàn)象在汽車、航空航天、電子通訊等領(lǐng)域體現(xiàn)得更為明顯。目前，以SiC/鋁合金為代表的封裝殼體結(jié)構(gòu)件主要使用粉末注射成形方法加以制造，也就是SiC預(yù)制坯+融熔金屬浸潤法。由于該方法存在生產(chǎn)周期長、成本高、成形件氣密性差等一些缺陷，長期以來探索短流程、近終形結(jié)構(gòu)零件的生產(chǎn)方法、并能從實驗上制備出高性能結(jié)構(gòu)零件以及研究其性能已成為一種迫切的需要。如何找到一種巧妙且高效率的成形方法已成為廣大科學(xué)家和工程師一項極具創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性的工作。目前，問題的主要瓶頸是如何提出短流程、近凈成形且易于控制的材料成形工藝。
另一方面，在國家"十一五"中長期發(fā)展規(guī)劃中，明確提出未來加工行業(yè)必須走低能耗、低污染的道路，并提出了相應(yīng)的考核指標。為盡快扭轉(zhuǎn)在我國經(jīng)濟建設(shè)中占有重要地位的材料加工行業(yè)的高能耗、重污染和低性價比，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕環(huán)境污染，增強其國際競爭力，迫切需要從冶金材料科學(xué)發(fā)展前沿出發(fā)，突破傳統(tǒng)的冶金及加工工藝理論和概念，利用高新技術(shù)對材料加工及控制技術(shù)進行新的工藝探索，實現(xiàn)生產(chǎn)過程
的短流程、低能耗和高質(zhì)量。20世紀70年代初期半固態(tài)加工技術(shù)的出現(xiàn)無疑為解決上述問題帶來了希望。
所謂半固態(tài)加工是對具有一定液相組分的固液混合漿料進行壓鑄、擠壓或模鍛成形，是一種介于普通鑄造(純液態(tài))和鍛壓(純固態(tài))之間的成形方法(M C. F/e附/n^.
與普通的加工方法相比，半固態(tài)金屬加工具有如下優(yōu)點①應(yīng)用范圍廣泛，凡具有固液兩相區(qū)的金屬及合金均可實現(xiàn)半固態(tài)加工，如鋁合金、鎂合金和鋼的壓鑄、擠壓和鍛壓成形；②半固態(tài)合金已經(jīng)部分釋放出結(jié)晶潛熱，因而減輕了對加工模具的熱沖擊，使其壽命大幅度提高；③半固態(tài)漿料具有流變性和觸變性，變形抗力非常小，因而可以成形斷面十分復(fù)雜的零件，實現(xiàn)近凈成形，并且縮短了加工周期，提高了材料利用率，有利于節(jié)能節(jié)材； 半固態(tài)漿料充填平穩(wěn)，無湍流和噴濺，加工溫度相對較低，凝固
3收縮小，因而成形件表面平整光滑，內(nèi)部組織致密，晶粒細小，力學(xué)性能好。可見半固 態(tài)加工技術(shù)與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比具有極大的優(yōu)勢(&'wo"義/e/n^ ￡AaW Og&, O"ver
五wgi. M。敏，3,柳.653-65S)。
20世紀70年代以來，該技術(shù)得到了美國、意大利、德國和日本等發(fā)達國家科技工 作者的普遍重視，并已先后對鋁、鎂、鉛、銅等合金在半固態(tài)工藝實驗和理論等方面開 展了廣泛的研究，取得了重要進展，部分公司己進入規(guī)模生產(chǎn)(#尸^/6^/^加//""^ CAara&er/j/en^gwm/Pferar6eto"g7W,e孤'gerA/"a〃i'sc/ier 恥rfcsfo^fe awi
Df叫2002. /SJ5iV3-S322-川"-4)。如美國的Al咖ax公司1997年的兩座半固態(tài)鋁合金成 形汽車零件生產(chǎn)工廠的生產(chǎn)能力分別達到每年5000萬件。意大利的Stampal SPA和 Fiat Auto公司生產(chǎn)的半固態(tài)鋁合金汽車零件質(zhì)量達7kg，并且形狀復(fù)雜；意大利的MM (MagnetiMarelli)為汽車公司生產(chǎn)半固態(tài)鋁合金成形的fuel injection rail零件， 在2000年達到日產(chǎn)7500件。在德國，世界著名的亞琛工業(yè)大學(xué)金屬成形所(IBF der RWTH-Aachen)在Reiner Kopp教授和EFU公司總裁Gerhalt Hirt教授領(lǐng)導(dǎo)下正進行著 一項規(guī)模宏大、水平很高的半固態(tài)研究項目SFB289(Sonderforschungbereich),該項 目從1996年起連續(xù)12年從德國科研聯(lián)合會DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) 獲得資助，對半固態(tài)進行了全面、深入和系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究和工業(yè)開發(fā)(M "wcW, / .《o;^.
2002, 。日本的Speed Star Wheel公司已經(jīng)用半固態(tài)加工技術(shù)生產(chǎn)鋁合金輪
轂(重5kg)。另外，在日本一些公司已用半固態(tài)鎂合金觸變成形技術(shù)生產(chǎn)出移動通訊 手機外殼和筆記本電腦外殼等。在全世界范圍內(nèi)己先后召開了 io次半固態(tài)國際學(xué)術(shù)會 議(S2P),取得了重要學(xué)術(shù)成果。
我國從80年代后期開始，在國家自然科學(xué)基金、863和973等計劃的支持下，先 后有不少高校和科研單位開展了這方面的研究，如北京有色金屬研究總院(:^:tJf,漲 壟，餘變，石力龍Sem"o/W/Voc咖!'"gQMZWZ^/foy ^,第二屈舉思漆年會論文菜 龍庶2W2:20"朋)、重慶大學(xué)(左宏志力頃跟斂凍舉，谷忠欲，范豫李薪全， ^玖謬孝裙Z"/"屋鏔舒會洽舉腐漆簠潛工藝J 屋齊車,伴游羊激態(tài)i鑌成靡 0嵐第二屈舉嫁漆年會論文囊》庶2OO2:/02-7映等。在半固態(tài)加工成形技術(shù)的基礎(chǔ) 理論研究方面取得了可喜進展，并自形設(shè)計和開發(fā)了不同類型的試驗設(shè)備，甚至與企 業(yè)合作進行試驗生產(chǎn)。如重慶大學(xué)與中國嘉陵集團重慶九方鑄造有限公司合作研制的JH70型摩托車發(fā)電機鎂合金半固態(tài)支架；北京有色金屬研究總院與東風汽車公司合作，
采用半固態(tài)壓鑄生產(chǎn)的鋁合金汽車空調(diào)器零件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高效率制備高SiC體積分數(shù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件半固態(tài)鍛 擠成形一模多件工藝技術(shù)及模具設(shè)計，用于高精密結(jié)構(gòu)件的短流程制造。
一種一模多件高SiC體積分數(shù)結(jié)構(gòu)件成形及模具設(shè)計方法，用SiC顆粒增強A359 鋁合金復(fù)合材料通過半固態(tài)觸變成形得到高SiC體積分數(shù)的封裝殼體結(jié)構(gòu)件。
本發(fā)明的具體工藝內(nèi)容如下-
1、 對SiC顆粒進行預(yù)處理，將其加熱到600'C并保溫3h,以增加SiC顆粒在鋁合金溶 液中分布的均勻性。將A359鋁合金加熱至熔化，然后調(diào)整合金液溫度至595'C，將體積 分數(shù)為20-24X的經(jīng)預(yù)處理后的SiC顆粒壓入液面(顆粒平均直徑為8 - 10nm)，同時開 始攪拌，攪拌時間為8-12min,攪拌速度為50-80r/min。均勻攪拌靜置3-5min后，將金 屬液澆鑄到預(yù)熱后的制坯模中，冷卻后得到SiCp/A359復(fù)合材料棒狀坯料(坯料尺寸為 cJ)30mmX45咖)。
2、 設(shè)計用于一模多件封裝殼體成形的成形模具，如圖2所示。模具結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。成形時半固態(tài)SiCp/A359坯料首先用制坯模迅速放入凹模(也就是圖1中的下模 8)型腔中，再使上模7和下模8閉合，實現(xiàn)坯料的預(yù)壓變形。在此過程中處于扁平形 狀的合模腔使圓形坯料壓扁(預(yù)壓變形)，從而使坯料產(chǎn)生一定程度的液固相分離。由 于SiC顆粒分布在坯料的液相中，因此SiC顆粒會隨著液相先流動到預(yù)壓變形坯料的 邊部，實現(xiàn)SiC顆粒第一次聚集。然后通過上擠壓桿3或下擠壓桿10將預(yù)壓變形的扁 平坯料進一步擠壓，使流動到坯料邊部的高SiC體積分數(shù)坯料部分率先充填到兩邊封裝 殼體成型腔(2X2，共四個)，實現(xiàn)SiC顆粒第二次聚集，從而得到高SiC體積分數(shù)的 封裝殼體結(jié)構(gòu)件，并一模成形四件。本技術(shù)極大地提高了封裝殼體成形效率，可實現(xiàn)規(guī) ?；a(chǎn)，并得到了高SiC體積分數(shù)的復(fù)合材料封裝殼體結(jié)構(gòu)件。
3、 觸變成形工藝參數(shù)如下成形速度控制在90mm/s-150mm/s，模具預(yù)熱溫度設(shè)為 250°C-280'C，成形壓力設(shè)為600KN-800KN，保壓時間設(shè)為10-20秒。
本發(fā)明鍛擠模具由上模7、下模8、上擠壓桿3和下擠壓桿10組成，上、下模用導(dǎo) 柱9、導(dǎo)套6方式導(dǎo)向；上模通過墊板4、限位螺釘2和彈簧5實現(xiàn)可動連接；下模固 定在下模架11上；上擠壓桿3通過墊板4固定在上模架1上，下擠壓桿10與壓力機頂 出缸相連。
當SiC/A359鋁合金半固態(tài)坯料放入下模中后，使上模架1帶動上模7和上擠壓桿3向下運動，上模先觸變成形坯料(預(yù)壓變形)，上模、下模合模后，上模架1繼續(xù)向 下運動，帶動上擠壓桿3擠壓坯料，然后在壓力機的頂出缸作用下擠壓桿10向上運動 擠壓坯料；擠壓行程結(jié)束后保壓一定時間；待零件尺寸穩(wěn)定后上模部分向上運動實現(xiàn)開 模；然后由下擠壓桿將零件從下模上頂出。在模具作用下，半固態(tài)坯料先填滿中間模腔， 也就是預(yù)壓變形，使SiC顆粒向兩邊第一次聚集。然后向兩側(cè)封裝殼體成型腔流動，進 行SiC顆粒第二次聚集，實現(xiàn)高SiC顆粒體積分數(shù)封裝殼體結(jié)構(gòu)件一模四件鍛擠成形。 本發(fā)明的優(yōu)點采用一次成形多件的方式，大大地提高了半固態(tài)模鍛成形的效率。 克服了用傳統(tǒng)的粉末注射法加工該類零件時存在的加工路線長、生產(chǎn)成本高、成形件氣 密性差等問題。此外，由于本技術(shù)屬于模鍛成形，因此，可一次成形形狀非常復(fù)雜的高 精密結(jié)構(gòu)件，且成形件致密性高，力學(xué)性能好，便于規(guī)模化生產(chǎn)。


圖l為本發(fā)明的半固態(tài)鍛擠成形一模四件模具的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，上模架l、限 位螺釘2、上擠壓桿3、墊板4、彈簧5、導(dǎo)套6、上模7、下模8、導(dǎo)柱9、下擠壓桿 10、下模架11。
圖2為本發(fā)明的下模示意圖。
具體實施例方式
圖1為本發(fā)明的一種實施方式。本發(fā)明模具包括上模、下模、上擠壓桿和下擠壓桿 組成，上、下模在用導(dǎo)柱9、導(dǎo)套6方式導(dǎo)向；上模通過墊板4、限位螺釘2和彈簧5 實現(xiàn)可動連接；下模固定在下模架ll上；上擠壓桿3通過墊板4固定在上模架1上， 下擠壓桿10與壓力機頂出缸相連。
當SiC/A359鋁合金半固態(tài)坯料放入下模中后，使上模架1帶動上模7和上擠壓桿 3向下運動，上模先觸變成形坯料(預(yù)壓變形)，上模、下模合模后，上模架1繼續(xù)向 下運動，帶動上擠壓桿3擠壓坯料，然后在壓力機的頂出缸作用下擠壓桿10向上運動 擠壓坯料；擠壓行程結(jié)束后保壓一定時間；待零件尺寸穩(wěn)定后上模部分向上運動實現(xiàn)開 模；然后由下擠壓桿將零件從下模上頂出。在模具作用下，半固態(tài)坯料先填滿中間模腔， 也就是預(yù)壓變形，使SiC顆粒向兩邊第一次聚集。然后向兩側(cè)封裝殼體成型腔流動，進 行SiC顆粒第二次聚集，實現(xiàn)高SiC顆粒體積分數(shù)封裝殼體結(jié)構(gòu)件一模四件鍛擠成形。
權(quán)利要求
1.一種一模多件高SiC體積分數(shù)結(jié)構(gòu)件成形方法，其特征是用SiC顆粒增強A359鋁合金復(fù)合材料通過半固態(tài)觸變成形得到高SiC體積分數(shù)的封裝殼體結(jié)構(gòu)件；具體工藝內(nèi)容如下1)、對SiC顆粒進行預(yù)處理，將其加熱到600℃并保溫3h，以增加SiC顆粒在鋁合金溶液中分布的均勻性；將A359鋁合金加熱至熔化，然后調(diào)整合金液溫度至595℃，將體積分數(shù)為20-24％的經(jīng)預(yù)處理后的SiC顆粒壓入液面，同時開始攪拌，攪拌時間為8-12min，攪拌速度為50-80r/min；均勻攪拌靜置3-5min后，將金屬液澆鑄到預(yù)熱后的制坯模中，冷卻后得到SiCp/A359復(fù)合材料棒狀坯料；SiC顆粒平均直徑為8-10μm；2)、設(shè)計用于一模多件封裝殼體成形的成形模具，成形時半固態(tài)SiCp/A359坯料首先用制坯模迅速放入凹模型腔中，再使上模和下模閉合，實現(xiàn)坯料的預(yù)壓變形；在此過程中處于扁平形狀的合模腔使圓形坯料壓扁，從而使坯料產(chǎn)生一定程度的液固相分離；由于SiC顆粒分布在坯料的液相中，因此SiC顆粒會隨著液相先流動到預(yù)壓變形坯料的邊部，實現(xiàn)SiC顆粒第一次聚；然后通過上擠壓桿或下擠壓桿將預(yù)壓變形的扁平坯料進一步擠壓，使流動到坯料邊部的高SiC體積分數(shù)坯料部分率先充填到兩邊封裝殼體成型腔，實現(xiàn)SiC顆粒第二次聚集，從而得到高SiC體積分數(shù)的封裝殼體結(jié)構(gòu)件，并一模成形四件；3)、觸變成形工藝參數(shù)如下成形速度控制在90mm/s-150mm/s，模具預(yù)熱溫度設(shè)為250℃-280℃，成形壓力設(shè)為600KN-800KN，保壓時間設(shè)為10-20秒。
2.如權(quán)利要求l所述一種一模多件高SiC體積分數(shù)結(jié)構(gòu)件成形方法，其特征是一模 多件封裝殼體成形的成形模具由上模(7)、下模(8)、上擠壓桿(3)和下擠壓桿(10) 組成，上、下模用導(dǎo)柱(9)、導(dǎo)套(6)方式導(dǎo)向；上模通過墊板(4)、限位螺釘(2) 和彈簧(5)實現(xiàn)可動連接；下模固定在下模架(11)上；上擠壓桿(3)通過墊板(4) 固定在上模架(1)上，下擠壓桿(10)與壓力機頂出缸相連。
全文摘要
本發(fā)明屬于金屬材料成形領(lǐng)域，特別是提供了一種制備高SiC體積分數(shù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件半固態(tài)鍛擠成形一模多件工藝技術(shù)及模具設(shè)計。其特征是用SiC顆粒增強A359鋁合金復(fù)合材料采用一次成形多件的方式通過半固態(tài)觸變成形得到的高SiC體積分數(shù)的封裝殼體結(jié)構(gòu)件。本發(fā)明大大地提高了半固態(tài)模鍛成形的效率?？朔擞脗鹘y(tǒng)的粉末注射法加工該類零件時存在的加工路線長、生產(chǎn)成本高、成形件氣密性差等問題。此外，由于本技術(shù)屬于模鍛成形，因此，可一次成形形狀非常復(fù)雜的高精密結(jié)構(gòu)件，且成形件致密性高，力學(xué)性能好，便于規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號B21J13/02GK101623741SQ200910090388
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月7日
發(fā)明者峰 徐, 汪富玉, 王開坤 申請人:北京科技大學(xué)