專利名稱：一種制備鋁合金管的連續(xù)流變擴(kuò)展成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金管的制備方法7.具體涉及一種制備鋁合金管連續(xù)流變擴(kuò)展成形制 備方法。 技術(shù)背景金屬半固態(tài)短流程成形技術(shù)是新材料科學(xué)領(lǐng)域中的重要課題，符合國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展 的要求。金屬半固態(tài)成形突破了金屬在傳統(tǒng)的液態(tài)或固態(tài)區(qū)間成形的許多弊端，是一種高效 節(jié)能的近終形新技術(shù)，被譽(yù)為21世紀(jì)最具應(yīng)用前景的綠色工業(yè)技術(shù)，世界各國(guó)投入大量人力 物力進(jìn)行研究。1971年，美國(guó)麻省理工學(xué)院Flemings教授首先提出了金屬半固態(tài)成形技術(shù)。 目前，許多專利技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行較大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)80年代初我國(guó)開(kāi)展了 半固態(tài)成形技術(shù)的研究，取得了許多研究成果，但與國(guó)外先進(jìn)水平相比還存在一定差距，工 業(yè)應(yīng)用尚不成熟。目前，國(guó)外投入商業(yè)化生產(chǎn)的半固態(tài)成形技術(shù)主要有螺旋機(jī)械攪拌技術(shù)、電磁攪拌技 術(shù)、噴射沉積技術(shù)與應(yīng)變誘導(dǎo)熔體活化技術(shù)等；在成形工藝方面，主要采用觸變成形。主要 是因?yàn)橛|變成形中漿料制備、儲(chǔ)運(yùn)輸送與控制等相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，成為主要的半固態(tài)生產(chǎn)技術(shù)。 在半固態(tài)流變成形中，漿料制備、儲(chǔ)運(yùn)輸送、固相率控制要求高，企業(yè)員工技術(shù)水平有限、 企業(yè)也不愿投入較高成本利用尚不十分成熟的技術(shù)，成為阻礙流變成形技術(shù)在全球大規(guī)模推 廣的重要瓶頸。盡管觸變成形流程比傳統(tǒng)加工流程大大縮短，但是制坯、加熱及成形三個(gè)環(huán) 節(jié)仍然是獨(dú)立分開(kāi)的，相對(duì)流變成形流程還是較長(zhǎng)，如何采用流變成形技術(shù)，將制漿與連續(xù) 成形結(jié)合起來(lái)、實(shí)現(xiàn)一步成形是眾多專家學(xué)者目前追求的目標(biāo)。開(kāi)發(fā)方便快捷、易于工業(yè)化、 低能耗、低成本的連續(xù)流變成形技術(shù)是目前材料成形領(lǐng)域重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。基于以上的研究，提出了連續(xù)鑄擠技術(shù)(Castex ),它是連續(xù)擠壓技術(shù)(Conform)的進(jìn) 一步發(fā)展，將液態(tài)金屬連續(xù)鑄造與加工合為一體，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬直接加工成形，屬短流程， 高效節(jié)能的先進(jìn)工藝。1971年，英國(guó)原子能管理局Derek Green首次提出連續(xù)擠壓，采用鋁桿 料或顆粒料為原料，由旋轉(zhuǎn)的擠壓輪帶動(dòng)進(jìn)入擠壓型腔內(nèi)，在擠壓力和溫度作用下，將金屬 擠出?？祝鶕?jù)產(chǎn)品的要求進(jìn)行擠壓模具設(shè)計(jì)。Conform連續(xù)擠壓機(jī)和輔助加工設(shè)備構(gòu)成了 連續(xù)擠壓生產(chǎn)線，輔助設(shè)備安裝在擠壓機(jī)的前后，輔助設(shè)備的多少和復(fù)雜程度取決于產(chǎn)品的 技術(shù)要求，此生產(chǎn)線可以生產(chǎn)實(shí)心和空心型材、線材及包復(fù)材。在Conform連續(xù)擠壓的基礎(chǔ) 上，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，英國(guó)Holton公司對(duì)連續(xù)擠壓機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，采用液態(tài)金屬作原料直接進(jìn)入主機(jī)，鑄擠輪與固定靴座形成擠壓型腔，液態(tài)金屬在型腔內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶與變形，然后 被擠出模孔成材，形成鑄造(Casting)與擠壓(Extrusion)為一體的新型的擠壓技術(shù)，并申報(bào)了 發(fā)明專利。連續(xù)鑄擠技術(shù)同常規(guī)生產(chǎn)同類產(chǎn)品的塑性加工方法相比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)可連 續(xù)生產(chǎn)很長(zhǎng)的產(chǎn)品；節(jié)約能源約40%，成品率高達(dá)90%，降低成本約30%以上；產(chǎn)品精度高， 表面光潔平整；設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，投資??；環(huán)境污染小。20世紀(jì)70—80年代，英國(guó)Holton公 司已生產(chǎn)三臺(tái)連續(xù)鑄擠機(jī)。1986年我國(guó)將連續(xù)鑄擠技術(shù)列為"七五"攻關(guān)課題，此項(xiàng)研究是冶 金工業(yè)發(fā)展的前沿課題，屬短流程、高效節(jié)能、高效益的新技術(shù)，東北大學(xué)承擔(dān)了該課題的 研究任務(wù)，1990年研制成功，并申報(bào)了國(guó)家發(fā)明專利。國(guó)內(nèi)有幾家研究連續(xù)擠壓技術(shù) (Conform)的單位，但是液態(tài)鑄擠技術(shù)的研究單位很少。東北大學(xué)在連續(xù)鑄擠技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán) 方面在國(guó)內(nèi)一直處于領(lǐng)先水平，哈爾濱工業(yè)大學(xué)霍文燦教授等人也曾做過(guò)單輥軋擠等研究工 作，取得了一些研究成果。日本東京大學(xué)木內(nèi)研究室在單輥剪切冷卻制備半固態(tài)材料技術(shù)領(lǐng)域處于先進(jìn)水平，他們 在1998年基于連續(xù)鑄擠技術(shù)提出了單輥剪切冷卻制備半固態(tài)金屬漿料，成功制備出組織性能 優(yōu)良的半固態(tài)金屬漿料，但是并沒(méi)有對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的連續(xù)成形進(jìn)行進(jìn)一步的研究。東北大學(xué)的 研究者開(kāi)展了鋁合金連續(xù)鑄擠裝置、理論與工藝研究，發(fā)現(xiàn)了連續(xù)鑄擠過(guò)程中存在液相區(qū)、 半固態(tài)區(qū)和固相區(qū)，并提出"三區(qū)"理論，在90年代末提出金屬半固態(tài)擠壓的項(xiàng)目，在此基礎(chǔ) 上，又提出單輥剪切冷卻技術(shù)制備半固態(tài)金屬及擴(kuò)展成形的研究，取得重要進(jìn)展，初步建立 了鋁、鎂合金材料的連續(xù)流變成形的中試實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是在上述已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供一種擴(kuò)展成形技術(shù)，制備鋁合金管的連 續(xù)流變擴(kuò)展成形的方法，達(dá)到縮短流程、高效、節(jié)能和節(jié)材，并且提高制品的組織性能。實(shí)施本發(fā)明目的的技術(shù)方案是利用主要由水冷轉(zhuǎn)動(dòng)軋輥、固定靴座，擠壓成形模具、 背壓塊和基座組成的連續(xù)擴(kuò)展成形裝置制備鋁合金管，要點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行(1) :以純度為99.99wt。/。的工業(yè)鋁，Al-Si中間合金及純度為99.99wt。/。的工業(yè)鎂為合金 原料，化學(xué)成分按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)Mg為0.8y。， Si為0.7。/c)，雜質(zhì)總和^).1%,余量為Al;(2) :將熔化爐預(yù)熱到700。C,先加入鋁錠熔化，熔煉溫度到760。C后，加入A1-Si中間合 金，熔體溫度降到72(TC后，將烘干后的鎂壓入熔體中；(3) :當(dāng)上述金屬熔化后，控制溫度達(dá)到740。C時(shí)，用六氯乙烷精煉；然后(4) :將精煉后的金屬熔體覆蓋，快速-提溫至76(rC 800。C后，保溫15min;最后(5) :將金屬熔體經(jīng)過(guò)連續(xù)擴(kuò)展成形裝置，制取鋁合金管。上述步驟(3)精煉過(guò)程中加入合金成分總量0.2 0.5wt。/。的六氯乙垸進(jìn)行精煉。 上述步驟(4)精煉完畢后，將凈化后的合金熔體用保溫氈覆蓋。合金熔體經(jīng)過(guò)連續(xù)擴(kuò)展成形裝置制取鋁合金管時(shí)，控制軋輥轉(zhuǎn)速為10~15轉(zhuǎn)/min，冷卻水流量為15~25L/min，輥靴間隙為l~1.5mm，出口冷卻水流量20~40L/min，模具預(yù)熱溫度為500°C 550°C。將合金熔體經(jīng)過(guò)連續(xù)擴(kuò)展成形裝置制取的鋁合金管為060 80mmx5mm的6201鋁合金管材。本發(fā)明與己有技術(shù)比較，具有如下的特點(diǎn)和顯著的積極效果(1) 對(duì)連續(xù)鑄擠(Castex)、剪切冷卻制^"半固態(tài)材料(SCR)及流變成形技術(shù)的進(jìn)一步完善 和發(fā)展。將漿料連續(xù)制備、連續(xù)流變成形有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)流變成形的一體化與連續(xù)化。采用 液體料直接連續(xù)制備出高性能鋁合金管材。(2) 采用半固態(tài)流變擴(kuò)展成形生產(chǎn)鋁管材，高效節(jié)能、投資小、見(jiàn)效快。大大降低成本， 節(jié)能節(jié)材。與傳統(tǒng)的鑄造一軋制、擠壓一拉拔技術(shù)相比，采用本技術(shù)可節(jié)省成本30%以上、 成材率達(dá)到95%以上、降低能耗40%以上，單機(jī)連續(xù)流變成形鋁合金的生產(chǎn)效率不少于 110Kg/h。尤其是對(duì)解決目前生產(chǎn)導(dǎo)電材工藝流程長(zhǎng)、投資高、設(shè)備系統(tǒng)龐大、能耗高、成材 率低等問(wèn)題，具有突出優(yōu)勢(shì)。本技術(shù)與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程對(duì)比如表l所示表l本技術(shù)工藝與傳統(tǒng)生產(chǎn)導(dǎo)電管材的工藝對(duì)比制備工藝工藝流程傳統(tǒng)工藝 本技術(shù)工藝熔煉—鑄坯—(熱軋)—擠壓—拉拔—熱處理 熔煉—CSEP與在線固溶時(shí)效 ._(3)制品組織性能優(yōu)良。由于在軋輥強(qiáng)烈的剪切冷卻的搓動(dòng)作用下形成了細(xì)小的球形晶 組織，經(jīng)連續(xù)流變成形制品組織性能優(yōu)越。同時(shí)，流變成形充模容易，避免了成形不均勻等 問(wèn)題，使產(chǎn)品組織性能好。制備的6201合金線材抗拉強(qiáng)度和電導(dǎo)率比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (JB/T8640-1997)分別提高11.1%和1%。(4)可連續(xù)生產(chǎn)理論無(wú)限長(zhǎng)的管材常規(guī)生產(chǎn)鑄坯下料后長(zhǎng)度有限，在軋制和擠壓時(shí)只 能生產(chǎn)長(zhǎng)度有限的產(chǎn)品，而對(duì)導(dǎo)電管材來(lái)講，接頭對(duì)導(dǎo)電性能具有較大不利影響。因此，本 發(fā)明連續(xù)生產(chǎn)無(wú)限長(zhǎng)的導(dǎo)電管材對(duì)提高材料的導(dǎo)電和力學(xué)性能非常有利，同時(shí)節(jié)約了材料。


圖1是本發(fā)明所采用的設(shè)備裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的原理示意圖；圖3是本發(fā)明擴(kuò)展擠壓模具組合示意圖；圖4是本發(fā)明6201鋁合金管材顯微組織圖；圖中l(wèi)、固定靴座，2、擴(kuò)展腔，3、擠壓成形模具，4、充料口， 5、基座，6、冷卻腔， 7、輥套，8、合金液，9、半固態(tài)，10、小口徑填充，11、管材，12、擴(kuò)展腔，13、陽(yáng)模，14、 陰模具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:本發(fā)明所采用的連續(xù)流變擴(kuò)展成形機(jī)(已申報(bào)專利申請(qǐng)?zhí)枮?00720185231X, 申請(qǐng)日為2007-12-27)，如圖l、圖3所示。其制備鋁合金管材的工作原理，如圖2所示。該 裝置主要由冷卻腔和輥套組成的水冷轉(zhuǎn)動(dòng)軋輥，擠壓成型模具，背壓塊，安裝在機(jī)架上的固 定靴座和卸料板構(gòu)成。合金熔體在輥靴型腔頂端入口進(jìn)行澆注，通過(guò)旋轉(zhuǎn)工作輥施加的摩擦 力，合金熔體被拖入輥靴型腔，在輥靴型腔里，合金熔體被逐漸冷卻，同時(shí)被旋轉(zhuǎn)工作輥剪 切攪拌，最終形成鋁合金管材，其具體步驟如下(1) 以純度為99.99wt。/。工業(yè)鋁，Al-Si中間合金及純度為99.99wt。/。工業(yè)鎂為合金的原料， 配制6201合金，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Mg0.8%,Si0.7%，雜質(zhì)總和i.P/。,Al余量；(2) 將熔化爐預(yù)熱到70(TC,分步加入純鋁錠進(jìn)行加熱熔化，熔煉溫度到760'C后，加入Al-Si 中間合金，待熔體降溫到72(TC后，將預(yù)處理完畢的工業(yè)純鎂壓入熔體中；(3) 當(dāng)金屬熔化后，用JWK-702精密溫度控制柜(購(gòu)置的產(chǎn)品)控制熔液溫度，溫度達(dá)到 740。C時(shí)，用0.2%六氯乙烷精煉；(4) 當(dāng)除氣除渣完畢后，將凈化后的熔體用保溫氈覆蓋，并快速提溫至76(TC后，保溫 15min;(5) 在DZJ350連續(xù)擴(kuò)展成形機(jī)上，通過(guò)控制軋輥轉(zhuǎn)速10r/min，輥槽冷卻水流量15L/min， 輥靴間隙lmm，出口冷卻水流量20L/min，模具預(yù)熱溫度50(TC，制備出060mmx5mm的6201鋁合金管材。最終的性能測(cè)試結(jié)果T6態(tài)的抗拉強(qiáng)度達(dá)290MPa、延伸率9%，等效電導(dǎo)率52.5IACS。 實(shí)施例2:本例的裝置與實(shí)施例l相同，采用該裝置生產(chǎn)6201鋁合金管材的工藝，包括如下步驟(1) 以純度為99.99wty。工業(yè)鋁，Al-Si中間合金及純度為99.99wt。/。工業(yè)鎂為合金的原料， 配制6201合金，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Mg0.8%，Si0.7%，雜質(zhì)總和=0.1%,八1余量；(2) 將熔化爐預(yù)熱到70(TC，分步加入純鋁錠進(jìn)行加熱熔化，熔煉溫度到76(TC后，加入 Al-Si中間合金，待熔體降溫到72(TC后，將預(yù)處理完畢的工業(yè)純鎂壓入熔體中；(3) 當(dāng)金屬熔化后，用JWK-702精密溫度控制柜控制熔液溫度，溫度達(dá)到740。C時(shí)，用0.3%六氯乙烷精煉；(4) 當(dāng)除氣除渣完畢后，將凈化后的熔體用保溫氈覆蓋，并快速提溫至78(TC后，保溫 15min;(5) 在DZJ350連續(xù)擴(kuò)展成形機(jī)上，通過(guò)控制軋輥轉(zhuǎn)速13r/min;輥槽冷卻水流量20L/min; 輥靴間隙1.3mm;出口冷卻水流量30L/min，模具預(yù)熱溫度520°C，可以制備①60mmx5mm 的6201鋁合金管'材。最終的性能測(cè)試結(jié)果:T6態(tài)的抗拉強(qiáng)度達(dá)300MPa、延伸率10%，等效電導(dǎo)率54.38 IACS。 實(shí)施例3:本例的裝置與實(shí)施例l相同，采用該裝置生產(chǎn)6201鋁合金管材的工藝，按如下步驟進(jìn)行-(1) 以純度為99.99wt。/。工業(yè)純鋁，Al-Si中間合金及純度為99.99wt。/。工業(yè)純鎂為合金的原 料，配制6201合金，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Mg0.8%,Si0.7%，雜質(zhì)總和=0.1%^1余量；(2) 將熔化爐預(yù)熱到700'C，分步加入純鋁錠進(jìn)行加熱熔化，熔煉溫度到76(TC后，加入A1-Si 中間合金，待熔體降溫到720。C后，將預(yù)處理完畢的工業(yè)純鎂壓入熔體中；(3) 當(dāng)金屬熔化后，用JWK-702精密溫度控制柜控制熔液溫度，溫度達(dá)到74(TC時(shí)，用0.5% 六氯乙烷精煉；(4) 當(dāng)除氣除渣完畢后，將凈化后的熔體用保溫氈覆蓋，并快速提溫至80(TC后，保溫 15min;(5) 在DZJ350連續(xù)擴(kuò)展成形機(jī)上，通過(guò)控制軋輥轉(zhuǎn)速15r/min;輥槽冷卻水流量25L/min; 輥靴間隙1.5mm;出口冷卻水流量40L/min，模具預(yù)熱溫度550°C，可以制備080mmx5mm 的6201鋁合金管材。最終的性能測(cè)試結(jié)果T6態(tài)的抗拉強(qiáng)度達(dá)320MPa、延伸率12%，等效電導(dǎo)率56.7 IACS。
權(quán)利要求
1、一種制備鋁合金管的連續(xù)流變擴(kuò)展成形方法，選用主要由水冷轉(zhuǎn)動(dòng)軋輥、固定靴座、擠壓成形模具、背壓塊和基座組成的連續(xù)擴(kuò)展成形裝置制備鋁合金管，其特征在于按如下步驟進(jìn)行(1)以純度為99.99wt％的工業(yè)鋁，Al-Si中間合金及純度為99.99wt％的工業(yè)鎂為合金原料，化學(xué)成分按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)Mg為0.8％，Si為0.7％，雜質(zhì)總和≤0.1％，余量為Al；(2)將熔化爐預(yù)熱到700℃，先加入鋁錠熔化，熔煉溫度到760℃后，加入Al-Si中間合金，熔體溫度降到720℃后，將烘干后的鎂壓入熔體中；(3)當(dāng)上述金屬熔化后，控制溫度達(dá)到740℃時(shí)，用六氯乙烷精煉；然后(4)將精煉后的金屬熔體覆蓋，快速提溫至760℃～800℃后，保溫15min；最后(5)將金屬熔體經(jīng)過(guò)連續(xù)擴(kuò)展成形裝置，制取鋁合金管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備鋁合金管的連續(xù)流變擴(kuò)展成形方法，選用主要由水冷轉(zhuǎn)動(dòng)軋輥、固定靴座、擠壓成形模具、背壓塊和基座組成的連續(xù)擴(kuò)展成形裝置，要點(diǎn)是按如下步驟進(jìn)行先以化學(xué)成分按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)Mg為0.8％，Si為0.7％，雜質(zhì)總和≤0.1％，余量為Al組配；熔化爐預(yù)熱到700℃，加入鋁錠，溫度到760℃加入Al-Si中間合金，溫度降到720℃將鎂壓入熔體中；在溫度到740℃時(shí)，用六氯乙烷精煉；然后將熔體覆蓋，提溫至760℃～800℃，保溫，最后熔體經(jīng)過(guò)連續(xù)擴(kuò)展成形裝置制取鋁合金管。其管材組織均勻細(xì)小，T6態(tài)的抗拉強(qiáng)度達(dá)300MPa、延伸率10％，等效電導(dǎo)率54.38IACS。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是高效節(jié)能、工藝流程短、見(jiàn)效快。其產(chǎn)品可成為電力行業(yè)迫切需要的導(dǎo)電材料。
文檔編號(hào)B22D1/00GK101224490SQ20081001030
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者周天國(guó), 李英龍, 溫景林, 管仁國(guó), 陳彥博 申請(qǐng)人:東北大學(xué)