專利名稱：觸變擠壓模制裝置及觸變擠壓模制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及觸變擠壓模制裝置及觸變擠壓模制方法。
背景技術(shù)：
近年來，已進行過各種嘗試以解決與包括汽車、飛機以及高速電力機車在內(nèi)的運 輸行業(yè)中的燃料消耗和環(huán)境污染相關(guān)的問題。在這些情況下，減輕重量逐漸變得重要。當 前，鋁和鎂被廣泛用作減輕運輸車輛重量的材料。熱擠壓典型地用于制造鋁基或鎂基元件和部件。熱擠壓在制造成本方面非常有 利，這是因為僅通過一個熱變形步驟就可制造出高度精確和復雜的模制品。雖然以A2X X X和A7X X X為代表的高強度難加工的鋁合金、Mg-Al-Zn基合金、 高強度ττ基ΖΚ60合金以及含銅ZC63合金具有比其它鋁合金和鎂合金高的比強度和比剛 度，但它們的生產(chǎn)率是其它鋁合金和鎂合金的生產(chǎn)率的五分之一或六分之一。造成高強度 合金的生產(chǎn)率低的原因是極大降低的可擠壓性。進一步地，由于在擠壓初始階段的高壓力， 高強度合金顯著地縮短了擠壓模制裝置的壽命。此外，通過傳統(tǒng)的熱擠壓工藝制造的模制 金屬結(jié)構(gòu)沿預定方向伸長并變得各向異性，導致模制金屬的強度低。另一方面，已知壓鑄和觸變擠壓模制可用于制造鋁合金和鎂合金。根據(jù)觸變擠壓 模制工藝，在固相和液相共存的溫度區(qū)域中擠壓模制金屬材料。因此，觸變擠壓模制是結(jié)合 了鑄造和鍛造工藝的固有優(yōu)點的新的相變模制工藝。然而，觸變擠壓模制工藝具有如下問題，即半固態(tài)金屬在擠壓模制過程中可被點 燃。雖然保護氣體可用于阻止半固態(tài)金屬的點燃，但它們對人類有害，導致金屬設備腐蝕、 并產(chǎn)生包括全球變暖在內(nèi)的繼發(fā)問題?？衫脭D壓模制裝置制造金屬棒材和金屬管材。例如，通過在高壓下擠壓固態(tài)金 屬或利用具有分流模的擠壓模制裝置來制造金屬管材。然而，高壓擠壓工藝牽涉原料的高 損耗，且分流模擠壓工藝具有形成焊縫的問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明致力于解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，且本發(fā)明的目的是提供一種可在低擠 壓壓力下模制金屬以獲得高生產(chǎn)率且延長設備壽命的觸變擠壓模制裝置和觸變擠壓模制 方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種可在擠壓模制過程中阻止金屬伸長和各向異性以 提高金屬強度的觸變擠壓模制裝置和觸變擠壓模制方法。本發(fā)明的又一目的是提供一種可在擠壓模制過程中減少所用的保護氣體量同時 不會發(fā)生點燃的觸變擠壓模制裝置和觸變擠壓模制方法。本發(fā)明的再一目的是提供一種可阻止形成焊縫以防止由于加壓和膨脹而毀壞最 終模制品的觸變擠壓模制裝置和觸變擠壓模制方法。
技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明第一方面，上述及其它目的可通過提供一種觸變擠壓模制裝置來實現(xiàn)，該觸變擠壓模制裝置包括容器，其具有第一貫通孔和加熱器，在第一貫通孔內(nèi)收容有 10至30重量份的半固態(tài)坯料，加熱器安裝在第一貫通孔的外部以保持半固態(tài)坯料的溫度 恒定；桿，其可從容器的前部插入第一貫通孔以向后對半固態(tài)坯料加壓；模具環(huán)，其耦接到 容器的后部并且具有多個冷卻劑流入/流出孔以防止沿周向的熱變形；模具本體，其設置 在模具環(huán)的內(nèi)側(cè)，并且具有第二貫通孔和多個熱電偶插孔，第二貫通孔與容器的第一貫通 孔連通并且具有比容器的第一貫通孔的直徑小的直徑，半固態(tài)坯料被擠壓通過第二貫通 孔，多個熱電偶插孔用于測量半固態(tài)坯料的溫度；模具本體支撐件，其耦接到位于模具環(huán)內(nèi) 側(cè)的模具本體的后部，并且具有多個冷卻劑流入/流出孔，以將擠壓出的半固態(tài)坯料的相 轉(zhuǎn)變成固態(tài)壓出型材；模具平衡支撐件，其保持成與模具本體支撐件緊密接觸，并且耦接到 模具環(huán)的后部；以及冷卻單元，其耦接到模具平衡支撐件上以冷卻固態(tài)壓出型材。在實施方式中，熱電偶插孔可包括第一熱電偶插孔和第二熱電偶插孔，第一熱電 偶插孔用于測量模具本體的溫度，第二熱電偶插孔用于測量半固態(tài)坯料的溫度。在實施方式中，半固態(tài)坯料可選自鋁合金和鎂合金。在實施方式中，半固態(tài)坯料可為含至少一種添加物的鎂合金。在實施方式中，添加物可選自堿金屬、堿金屬氧化物、堿金屬化合物、堿土金屬、堿 土金屬氧化物、堿土金屬化合物及其混合物。在實施方式中，基于鎂合金為100重量份，添加物的量可為0. 0001至30重量份。在實施方式中，可通過容器的加熱器將半固態(tài)坯料保持為590至650°C的溫度。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種觸變擠壓模制裝置，包括容器，在容器內(nèi)收容 有10至30重量份的半固態(tài)坯料；擠壓模具，其具有多個擠壓孔、軸承以及心軸，半固態(tài)坯 料通過多個擠壓孔而分流并被擠壓成多股，軸承與容納通過擠壓孔的半固態(tài)坯料的腔室連 通，心軸位于軸承的中心軸線上；加熱器，其用于保持收容在容器內(nèi)的半固態(tài)坯料的溫度恒 定；溫度傳感器，其檢測容器內(nèi)部由加熱器加熱的半固態(tài)坯料的溫度；以及控制單元，其對 由溫度傳感器檢測到的溫度值與預設值進行比較，以控制加熱器的打開/關(guān)斷操作。在實施方式中，半固態(tài)坯料可選自鋁合金和鎂合金。在實施方式中，半固態(tài)坯料可為含至少一種添加物的鎂合金。在實施方式中，添加物可選自堿金屬、堿金屬氧化物、堿金屬化合物、堿土金屬、堿 土金屬氧化物、堿土金屬化合物及其混合物。在實施方式中，基于鎂合金為100重量份，添加物的量可為0. 0001至30重量份。在實施方式中，可通過容器的加熱器將半固態(tài)坯料保持為590至650°C的溫度。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種利用根據(jù)第一方面所述裝置的觸變擠壓模制方 法，該方法包括將容器內(nèi)的10至30重量份的半固態(tài)坯料保持為恒定溫度；保持模具本體 的溫度恒定；在模具本體內(nèi)在壓力下將半固態(tài)坯料擠壓模制成固態(tài)壓出型材；以及冷卻固 態(tài)壓出型材。在實施方式中，半固態(tài)坯料可選自鋁合金和鎂合金。在實施方式中，半固態(tài)坯料可為含至少一種添加物的鎂合金。在實施方式中，添加物可選自堿金屬、堿金屬氧化物、堿金屬化合物、堿土金屬、堿土金屬氧化物、堿土金屬 化合物及其混合物。在實施方式中，基于鎂合金為100重量份，添加物的量可為0. 0001至30重量份。在實施方式中，可通過容器的加熱器將半固態(tài)坯料保持為590至650°C的溫度。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種利用根據(jù)第二方面所述裝置的觸變擠壓模制方 法，該方法包括由加熱器加熱收容在容器內(nèi)的半固態(tài)坯料以保持半固態(tài)坯料的溫度恒定； 使用溫度傳感器檢測容器內(nèi)部由加熱器加熱的半固態(tài)坯料的溫度；以及使用控制單元對由 溫度傳感器檢測到的溫度值與預設值進行比較，以控制加熱器的打開/關(guān)斷操作。有益效果本發(fā)明的觸變擠壓模制裝置和觸變擠壓模制方法具有下列有益效果。半固態(tài)坯料在被擠壓模制之前保持在固液共存區(qū)內(nèi)的恒定溫度，因此能夠在低壓 下制造呈棒或管形式的固態(tài)壓出型材。進一步地，在擠壓初始階段可顯著地減小擠壓壓力，致使擠壓模制裝置的壽命增 加。進一步地，不會出現(xiàn)晶粒沿擠壓方向的伸長和軸向?qū)ΨQ，致使壓出型材的機械強
度提高。進一步地，可將少量的添加物添加到金屬合金中以阻止在擠壓模制過程中發(fā)生點 燃，并且減少所用的保護氣體量。進一步地，從擠壓孔排出的半固態(tài)金屬通過軸承和心軸并且無任何接縫地熔合， 從而使得呈管形式的壓出型材在膨脹或抗壓測試過程中免于毀壞。


在附圖中圖1是圖示根據(jù)本發(fā)明實施方式的觸變擠壓模制裝置的示意性側(cè)視圖；圖2是圖示圖1的裝置的一些部件(包括容器)的放大剖視圖；圖3是圖示圖1的裝置的一些部件(模具環(huán)和模具本體)的已組裝狀態(tài)的立體 圖；圖4是圖示圖1的裝置的一些部件(模具環(huán)、模具本體以及模具本體支撐件)的 分解狀態(tài)的立體圖；圖5圖示用于在圖1的裝置中測量壓出型材的不同位置處的溫度的熱電偶的安裝 位置；圖6是示出作為時間的函數(shù)的圖1的裝置中壓出型材在不同位置處的溫度的變化 的曲線圖；圖7是圖示本發(fā)明的觸變擠壓模制方法的流程圖；圖8是比較根據(jù)本發(fā)明方法和現(xiàn)有技術(shù)方法制造鋁合金壓出型材時的最大擠壓 壓力的柱狀圖；圖9是比較根據(jù)本發(fā)明方法和現(xiàn)有技術(shù)方法制造鎂合金壓出型材時的最大擠壓 壓力的柱狀圖；圖10示出根據(jù)本發(fā)明方法和現(xiàn)有技術(shù)方法制造的鋁合金壓出型材的截面結(jié)構(gòu)的
影像；
圖11示出根據(jù)本發(fā)明方法和現(xiàn)有技術(shù)方法制造的鎂合金壓出型材的截面結(jié)構(gòu)的
影像；
圖12是示出加到圖1的裝置的含添加物的鎂合金在環(huán)境氣壓下的點燃溫度的曲 線圖；圖13示出通過熱擠壓制造的鎂合金壓出型材的結(jié)構(gòu)的影像；圖14示出通過根據(jù)本發(fā)明的觸變擠壓模制制造的鎂合金壓出型材的結(jié)構(gòu)的影 像；圖15示出通過觸變擠壓模制制造的含添加物的鎂合金壓出型材的結(jié)構(gòu)的影像；圖16是示出在圖13、圖14以及圖15中示出的壓出型材的截面中存在的晶粒的長 寬比的曲線圖；圖17是圖示根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的觸變擠壓模制裝置的剖視圖；圖18是圖示用于在圖17的觸變擠壓模制裝置內(nèi)保持坯料的溫度恒定的程序的流 程圖；以及圖19示出利用圖17的裝置制造的管材的焊縫區(qū)域的顯微圖。
具體實施例方式現(xiàn)將參照附圖詳述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地實施本 發(fā)明。對本發(fā)明所用金屬的種類不作特別限制。例如，金屬選自A7003鋁合金、A7075鋁 合金及其等同替代。A7003鋁合金主要包含鎂(Mg)和鋅(Zn)，并且包含0. 2重量％的銅(Cu)、0· 3重 量％的硅(31)、0.35重量％的鐵爾6)、0.3重量％的錳(Mn)以及其余為不可避免的雜質(zhì)。 A7003鋁合金廣泛用于制造機動車輛的高強度的車輪。A7075鋁合金主要包含鎂(Mg)和鋅(Zn)，并且包含2. 0重量％的銅(Cu)、0· 4重 量％的硅(31)、0.5重量％的鐵爾6)、0.3重量％的錳(Mn)以及其余為不可避免的雜質(zhì)。 A7075鋁合金廣泛用作飛機應用的高強度結(jié)構(gòu)材料。A7003和A7075鋁合金僅是示例性的，在本發(fā)明中，其它種類的鋁合金、鎂合金、銅 合金、陶瓷基復合材料以及低質(zhì)量再生材料也是可用的。例如，諸如AZ91D、AM20、AM30、AM50、AM60、AZ31、Mg-Al, Mg-Al-Re, Mg-Al-Sn, Mg-Zn-Sn、Mg-Si、SiCp/Mg以及Mg-Zn-Y等鎂合金以及純鎂均可用于本發(fā)明中?？商砑犹砑游镆陨哝V合金的點燃溫度并防止鎂合金的氧化。添加物可選自堿金 屬、堿金屬氧化物、堿金屬化合物、堿土金屬、堿土金屬氧化物、堿土金屬化合物及其等同替 代。這些添加物可單獨使用或以它們中的兩種或更多種的混合物使用。堿金屬氧化物可選自氧化鈉、氧化鉀及其等同替代。這些堿金屬氧化物可單獨使 用或以它們的混合物使用。堿土金屬氧化物可選自氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶及其等 同替代。這些堿土金屬氧化物可單獨使用或以它們中的兩種或更多種的混合物使用。堿土 金屬化合物可選自碳化鈣(CaC2)、氰氨化鈣(CaCN2)、碳酸鈣(CaCO3)、半水硫酸鈣(CaSO4) 及其等同替代。這些堿土金屬化合物可單獨使用或以它們中的兩種或更多種的混合物使 用。然而，對于堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物以及堿土金屬化合物的種類沒有限制。也就是說，任何材料均可用作添加物，只要其能升高鎂合金的點燃溫度、抑制鎂合金的氧化或減 少保護氣體的所需量即可?；阪V 合金為100重量份，則添加物可添加0. 0001至30重量份的量。如果添加 物的添加量少于0. 0001重量份，則添加物的期望效果(即，升高點燃溫度、抑制氧化以及減 少保護氣體的量)是可以忽略的。同時，如果添加物的添加量多于30重量份，則表現(xiàn)不出 鎂或鎂合金的固有特性。添加物可具有1至500 μ m的尺寸。準備尺寸小于1 μ m的添加物特別困難并且從 經(jīng)濟方面也不期望。同時，大于500 μ m的添加物可能不易與熔融鎂混合。將10至30重量份的半固態(tài)坯料供給到本發(fā)明的擠壓模制裝置之一中。使用量少 于10重量份的半固態(tài)坯料必需要相對高的壓力，從而極大地縮短擠壓模制裝置的壽命。也 就是說，不能獲得觸變擠壓優(yōu)于熱擠壓的預期優(yōu)點。另一方面，因為半固態(tài)坯料大體上為液 體，因此難于將多于30重量份的量的半固態(tài)坯料供給到擠壓模制裝置中。也就是說，使用 量介于上述限定范圍內(nèi)的半固態(tài)坯料能夠在低壓下制造壓出型材并且易于操縱。圖1是圖示根據(jù)本發(fā)明實施方式的觸變擠壓模制裝置100的示意性側(cè)視圖，圖2 是圖示裝置100的一些部件的放大剖視圖，圖3是圖示裝置100的一些部件的已組裝狀態(tài) 的立體圖，并且圖4是圖示裝置100的一些部件的分解狀態(tài)的立體圖。如圖1至4中所示，觸變擠壓模制裝置100包括形成裝置100的外觀的容器110， 其具有第一中空貫通孔111和安裝在容器110中的加熱器112 ；桿120，其可插入容器110的 第一貫通孔111中以從容器110的前部對半固態(tài)的擠壓坯料200加壓；模具本體140，其耦 接到容器110的后部并具有第二中空貫通孔141，第二中空貫通孔141的直徑小于容器110 的第一貫通孔111的直徑；模具本體支撐件150，其位于模具本體140的后部以防止模具本 體140沿縱向發(fā)生熱變形；模具平衡支撐件160，其耦接到模具本體支撐件150的后部；模 具環(huán)130，其圍繞模具本體140和模具本體支撐件150以防止模具本體140沿周向發(fā)生熱變 形；以及冷卻單元170，其耦接到模具本體支撐件150的后部以冷卻從半固態(tài)擠壓坯料200 擠壓出的高溫固態(tài)壓出型材210。附圖標記300標示用于切割半固態(tài)擠壓坯料200和固態(tài)壓出型材210的切割工 具，附圖標記400是用于使擠壓模制裝置100操作的驅(qū)動裝置。更詳細地，第一熱電偶插孔142形成在模具本體140的外周以測量模具本體140 的溫度，第二熱電偶插孔143從模具本體140的外周緣向里深入形成以測量壓出型材210 的溫度，并且循環(huán)流體(例如油或冷卻水)流過的第一流入/流出孔144形成在模具本體 140的外周以防止模具本體140的溫度升高同時維持溫度恒定。在模具環(huán)130的外周，穿透模具環(huán)130的第二流入/流出孔131形成為與模具本 體140的第一流入/流出孔144連通，并且形成有氣體或冷卻水流過的第三流入/流出孔 132以防止通過模具本體140的壓出型材210發(fā)生氧化或者冷卻壓出型材210。穿透模具本體支撐件150的外周的第四流入/流出孔151形成為與第三流入/流 出孔132連通，從而容許氣體或冷卻水從中流過。在下文中，將解釋擠壓模制裝置100中的固態(tài)壓出型材210的制造程序。首先，將 半固態(tài)擠壓坯料供給到容器110內(nèi)，并由加熱器112加熱至固液共存區(qū)。替代地，可在將半 固態(tài)擠壓坯料供給到容器110之前將半固態(tài)擠壓坯料加熱至固液共存區(qū)，其溫度在固液共存區(qū)內(nèi)保持恒定。然后，使用桿120對半固態(tài)擠壓坯料加壓。此時，模具本體140構(gòu)造成使得在模具本體140內(nèi)擠壓過程中能保持擠壓坯料的 溫度。模具本體140的這種構(gòu)造將防止在擠壓過程中由于半固態(tài)擠壓坯料與模具本體140 之間的摩擦而導致模具本體140和固 態(tài)壓出型材210的表面溫度升高。結(jié)果，將防止固態(tài) 壓出型材210的質(zhì)量劣化。特別地，如果未精確控制被加熱至固液共存區(qū)(通過加熱固相和液相在該區(qū)內(nèi)共 存)的半固態(tài)擠壓坯料的溫度，則材料的晶粒的尺寸不均勻一致，并且由于截面內(nèi)的固相 率不均勻使得在模制過程中出現(xiàn)中心偏析和液相偏析，從而不可能獲得均勻一致的機械性 能。冷卻單元170用于防止在通過模具本體140的固態(tài)壓出型材210內(nèi)形成粗固體顆粒。圖5示出用于在觸變擠壓模制裝置中測量壓出型材的不同位置處的溫度的熱電 偶的安裝位置。更具體地，熱電偶定位成在再加熱過程中測量A7003鋁擠壓坯料的不同位 置處的溫度。在不同位置進行溫度測量以確認擠壓坯料遍及整個區(qū)域的溫度分布。為了 精確的溫度控制，可通過熱電偶將擠壓坯料的不同位置處的溫度直接測量為加熱時間的函 數(shù)，并且評估所測得的溫度的變化。圖6是示出作為時間的函數(shù)的觸變擠壓模制裝置中壓出型材的不同位置處的溫 度的變化的曲線圖。如圖6所示，在再加熱的初始階段半固態(tài)擠壓坯料的各位置處的溫度存在微小差 異。在半固態(tài)擠壓坯料的不同位置處的溫度達到固液共存區(qū)(大約620°C)之后，半固態(tài)擠 壓坯料整體保持為大體恒定的溫度。圖7是圖示本發(fā)明的觸變擠壓模制方法的流程圖。如圖7所示，本發(fā)明的方法包括將處于半固態(tài)的擠壓坯料200保持為恒定溫度 (Si)、保持模具本體的溫度恒定(S2)、將擠壓坯料模制成壓出型材(S3)、初次冷卻壓出型 材(S4)以及二次冷卻壓出型材(S5)。在步驟Sl中，將擠壓坯料200供給到觸變擠壓模制裝置的容器110內(nèi)，并由加熱 器112加熱到590至650°C的溫度。該加熱將處于固相與液相共存的半固態(tài)的擠壓坯料200 保持為恒定溫度。替代地，可在將擠壓坯料200供給到容器110中之前在裝置外部將該擠 壓坯料200加熱至固液共存區(qū)，其溫度在固液共存區(qū)內(nèi)保持恒定。在構(gòu)成擠壓坯料200的 半固態(tài)金屬包含至少一種上述添加物的情況下，可更加有效地抑制處于固相與液相共存的 半固態(tài)的擠壓坯料200發(fā)生氧化和點燃。當擠壓坯料200在容器110內(nèi)保持為固相與液相共存的半固態(tài)時，可使用保護氣 體(例如SF6)防止擠壓坯料200被點燃。在構(gòu)成擠壓坯料200的半固態(tài)金屬中存在升高 擠壓坯料200的點燃溫度的添加物的情況下，可利用減少量的保護氣體或者不利用保護氣 體來保持擠壓坯料200的溫度恒定。在步驟S2中，使用熱電偶測量模具本體140的溫度，并且容許循環(huán)流體(例如油 或冷卻水)響應于所測得的溫度而流動，以將模具本體的溫度保持為590至650°C的溫度。 循環(huán)流體的流動防止模具本體140的溫度升高同時保持溫度恒定。在步驟S3中，在容器110中處于固相與液相共存的半固態(tài)的擠壓坯料200由桿120在壓力下擠壓進模具本體140內(nèi)以被模制成固態(tài)壓出型材210。由于擠壓坯料200處 于固相與液相共存的半固態(tài)，因此可利用低壓力將擠壓坯料200模制成固態(tài)壓出型材210。 擠壓坯料200的這種改善的可擠壓性不僅使得生產(chǎn)率提高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)制造出具有精確 尺寸的復雜模制元件。當在壓力下擠壓擠壓坯料200以將其模制成固態(tài)壓出型材210時，可利用保護氣 體(例如SF6)來防止擠壓坯料200被點燃。在構(gòu)成擠壓坯料200的半固態(tài)金屬中存在升 高擠壓坯料200的點燃溫度的添加物的情況下，可利用減少量的保護氣體或者不利用保護 氣體在壓力下擠壓擠壓坯料200。此外，添加物存在于構(gòu)成擠壓坯料200的半固態(tài)金屬中容 許壓出型材210具有晶粒細化的更各向同性的結(jié)構(gòu)。 在步驟S4中，冷卻氣體或水流過第三流入/流出孔132和第四流入/流出孔151， 以防止在模具本體140中通過擠壓模制制造出的壓出型材210發(fā)生氧化，并且初次冷卻壓 出型材210。在擠壓模制過程中可在壓出型材210與模具本體140之間產(chǎn)生摩擦，從而升高 壓出型材210的表面溫度。這種表面溫度的升高導致壓出型材210發(fā)生氧化，最終導致質(zhì) 量劣化。特別地，如果未精確控制通過加熱而被加熱至固相與液相共存的固液共存區(qū)的半 固態(tài)擠壓坯料200的溫度，則材料的晶粒的尺寸不均勻一致，并且由于截面內(nèi)的固相率不 均勻使得在模制過程中出現(xiàn)中心偏析和液相偏析，從而不可能獲得均勻一致的機械性能。這樣解決這些問題即，在擠壓模制過程中，容許冷卻氣體或水流過第三流入/流 出孔132和第四流入/流出孔151以初次冷卻壓出型材210、并且防止壓出型材210的表面 溫度升高。在步驟S5中，從冷卻單元170噴射冷卻氣體，以二次冷卻在擠壓模具本體140內(nèi) 經(jīng)過初次冷卻的固態(tài)壓出型材210。該后續(xù)冷卻防止在固態(tài)壓出型材210中形成粗固體顆 粒。在此，將固態(tài)壓出型材210擠壓模制成棒材。圖8是比較根據(jù)本發(fā)明方法和現(xiàn)有技術(shù)方法制造鋁合金壓出型材時的最大擠壓 壓力的柱狀圖。在圖8中，“A”代表A7003鋁合金的熱擠壓過程中的最大擠壓壓力；“B”代表A7075 鋁合金的熱擠壓過程中的最大擠壓壓力；“C”代表A7003鋁合金的觸變擠壓過程中的最大 擠壓壓力；并且“D”代表A7075鋁合金的觸變擠壓過程中的最大擠壓壓力。通過在800噸水平類型的熱擠壓裝置內(nèi)正擠壓來進行熱擠壓以制造高強度鋁合 金部件。在擠壓比為11的情況下進行熱擠壓和觸變擠壓。在A7003鋁合金的觸變擠壓過程中最大擠壓壓力是131MPa，這比在A7003鋁合金 的熱擠壓過程中的最大擠壓壓力(417MPa)低約69%。在A7075鋁合金的觸變擠壓過程中 最大擠壓壓力是107MPa，這比在A7075鋁合金的熱擠壓過程中的最大擠壓壓力(729MPa)低 約 85%。圖9是比較根據(jù)本發(fā)明方法和現(xiàn)有技術(shù)方法制造鎂合金壓出型材時的最大擠壓 壓力的柱狀圖。具體地，圖9示出了在熱擠壓和觸變擠壓過程中AZ31鎂合金的最大擠壓壓 力。如圖9所示，在AZ31鎂合金的觸變擠壓過程中最大擠壓壓力是llOMPa，這比在 AZ31鎂合金的熱擠壓過程中的最大擠壓壓力(614MPa)低約82%。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明方法和現(xiàn)有技術(shù)方法制造的鋁合金壓出型材的截面結(jié)構(gòu)的影像。具體地，圖10示出了通過觸變擠壓和熱擠壓制造的A7003鋁合金壓出型材的與擠 壓方向平行的截面內(nèi)的不同位置(邊緣、內(nèi)部和中心)的結(jié)構(gòu)。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明方法和現(xiàn)有技術(shù)方法制造的鎂合金壓出型材的截面結(jié)構(gòu) 的影像。具體地，圖11示出了通過觸變擠壓和熱擠壓制造的AZ31鎂合金壓出型材的與擠 壓方向平行的截面內(nèi)的不同位置(邊緣、內(nèi)部和中心)的結(jié)構(gòu)。
如圖10和圖11所示，在通過熱擠壓制造的壓出型材中觀察到晶粒沿多個擠壓方 向的伸長和典型的各向異性。這些現(xiàn)象導致壓出型材的機械性能沿擠壓方向和沿擠壓方向 的垂直方向不同，表明壓出型材整體上具有不均勻一致的機械性能。相反，在通過觸變擠壓模制而制造的壓出型材中未觀察到晶粒的伸長和軸向?qū)?稱。因此，根據(jù)本發(fā)明的觸變擠壓模制裝置和方法，壓出型材的晶粒沿多個擠壓方向 的伸長和各向異性受到控制，從而獲得高強度的壓出型材。圖12是示出加到觸變擠壓模制裝置的含添加物的鎂合金在環(huán)境氣壓下的點燃溫 度的曲線圖。具體地，圖12示出了包含氧化鈣(CaO)作為添加物的AZ31鎂合金在環(huán)境氣 壓下的點燃溫度。不含氧化鈣(CaO)的AZ31鎂合金在570°C時開始點燃，該溫度低于觸變擠壓過程 中固液共存區(qū)的溫度(590 650°C)。因此，需要大量保護氣體以防止不含氧化鈣(CaO) 的AZ31鎂合金在觸變擠壓過程中被點燃。相反，作為添加物而存在的氧化鈣(CaO)升高了 AZ31鎂合金在環(huán)境氣壓下的點燃 溫度。例如，在環(huán)境氣壓下，含0. 05重量％和0. 3重量％氧化鈣的AZ31鎂合金的點燃溫度 分別比不含添加物的AZ31鎂合金的點燃溫度高約30°C和40°C?？傊趸}(CaO)存在于 AZ31鎂合金中極大地升高了合金的點燃溫度，從而減少所用保護氣體的量或消除對使用任 何保護氣體的需要。雖然本文將氧化鈣示例為添加物，但可以理解，可以使用以上所提及的添加物而 不受限制。圖13示出通過熱擠壓制造的鎂合金壓出型材的結(jié)構(gòu)的影像，圖14示出通過根據(jù) 本發(fā)明的觸變擠壓模制制造的鎂合金壓出型材的結(jié)構(gòu)的影像，并且圖15示出通過觸變擠 壓模制制造的含添加物的鎂合金壓出型材的結(jié)構(gòu)的影像。具體地，圖13、圖14以及圖15示出了通過熱擠壓制造的鎂合金壓出型材、通過觸 變擠壓模制制造的鎂合金壓出型材以及通過觸變擠壓模制制造的含0. 001至30重量％氧 化鈣(CaO)的鎂合金壓出型材的截面微觀結(jié)構(gòu)。在圖13中，(a)、(b)以及(c)分別代表壓出型材的邊緣、內(nèi)部以及中心位置。如 圖13所示，壓出型材在不同位置具有其結(jié)構(gòu)沿擠壓方向各向異性的伸長的晶粒。晶粒的伸 長導致壓出型材的機械性能沿擠壓方向和擠壓方向的垂直方向不同，表明壓出型材整體上 具有不均勻一致的機械性能。相反，通過觸變擠壓制造的鎂合金(圖14)和通過觸變擠壓制造的含0. 001至30 重量％ CaO的鎂合金(圖15)各自在中心(a)、內(nèi)部(b)以及邊緣(c)位置具有各向同性的 晶粒微觀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可提高壓出型材的強度。特別地，含0. 001至30重量％氧化鈣(CaO)的鎂合金的結(jié)構(gòu)(圖15)比圖14的鎂合金的結(jié)構(gòu)精細。存在于氧化鈣(CaO)中的鈣與鎂合金反應，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的MgCa或 Mg2Ca化合物，該化合物可穩(wěn)定合金的微觀結(jié)構(gòu)并使得合金的晶粒細化。圖16是示出在圖13、圖14以及圖15中示出的壓出型材的截面中存在的晶粒的長 寬比的曲線圖。將長寬比定義為利用影像分析系統(tǒng)測得的長軸與短軸之比。通過熱擠壓而制造的 壓出型材(圖13)在中心、內(nèi)部以及邊緣位置的長寬比在大約3至大約4之間變動。相反，通過觸變擠壓制造的壓出型材(圖14和圖15)的長 寬比被控制至2或者更 小。特別地，通過觸變擠壓制造的含0. 001至30重量％氧化鈣(CaO)的鎂棒材(圖15)在 中心、內(nèi)部以及邊緣位置的長寬比大體均勻( 1. 5)。也就是說，圖15的鎂棒材具有各相 同性的微觀結(jié)構(gòu)。因此，氧化鈣存在于鎂棒材中能夠?qū)崿F(xiàn)使用減少量的保護氣體或消除對 使用任何保護氣體的需要。圖17是圖示根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的觸變擠壓模制裝置的剖視圖。如圖17所示，觸變擠壓模制裝置包括容器12，在容器12中收容有呈半固態(tài)的擠壓 坯料5。半固態(tài)的擠壓坯料5在容器12內(nèi)部被加壓以通過擠壓模具20。擠壓模具20具有多個擠壓孔22，在容器內(nèi)部被加壓的坯料5通過多個擠壓孔22 而分流并被擠壓成多股；腔室24，其容納通過擠壓孔22的坯料；軸承26，其與腔室24連通 以形成呈管形式的壓出型材100的外周；以及心軸28，其位于軸承26的中心處以形成擠壓 管材100的內(nèi)周。加熱器30埋設在容器12中并且盤繞以加熱收容在容器12內(nèi)的坯料，并且保持坯 料處于半固態(tài)。容器12的內(nèi)部溫度由于來自加熱器30的熱量而升高，從而保持坯料處于 半固態(tài)。通過溫度傳感器40檢測容器12內(nèi)部由加熱器30加熱的坯料的溫度。溫度傳感 器40可安裝在桿10處或容器12處。安裝有控制單元50以對溫度傳感器40所檢測到的溫度(T)與預設溫度(T。)進 行比較，進而控制加熱器30的打開/關(guān)斷操作?？刂茊卧?0電連接到溫度傳感器40和加 熱器30。圖18是圖示用于在觸變擠壓模制裝置內(nèi)保持坯料的溫度恒定的程序的流程圖。首先，由溫度傳感器40檢測擠壓坯料5的溫度(SlO)。在該步驟中，優(yōu)選地，坯料 5在被供給到容器12中之前處于半固態(tài)。半固態(tài)是指固相與液相之間的中間狀態(tài)。將由溫度傳感器40檢測到的坯料的溫度(T)發(fā)送到控制單元50，在控制單元50 中對該溫度(T)與預設溫度(T。)進行比較(S12)。如果溫度⑴高于預設溫度(T。)，則控制單元50將加熱器30轉(zhuǎn)變到“關(guān)斷”態(tài)， 以防止坯料變成固相(S14)?？刂茊卧?0的這種操作容許坯料在半固態(tài)下被擠壓。結(jié)果，從擠壓孔22排出的 坯料的分流股通過軸承26和心軸28，并且再次在半固態(tài)下熔合而不留焊縫。當坯料為鋁且觸變擠壓溫度保持為630至650°C時，制造出不留任何焊縫的呈管 形式的無縫壓出型材。圖19示出根據(jù)圖18的程序利用圖17的裝置制造的管材的焊縫區(qū)域的顯微圖。如圖19所示，未觀察到焊縫，這就表示在抗壓測試或膨脹過程中可防止管材發(fā)生毀壞。應該理解，本發(fā)明適用于用于無縫管材的Ag、Cu、Al、Mg以及Ti以及鋁。利用通過本發(fā)明方法制造的無縫壓出型材(管材)的產(chǎn)品機械性能是均勻一致的，這可提高產(chǎn)品設計的自由度。另外，即使在經(jīng)受加壓、膨脹以及彎曲的一般機械結(jié)構(gòu) (構(gòu)造)中也可獲得較好的特性。此外，可實現(xiàn)重量減輕和厚度減小，于是消除了使接縫部 分較厚的需要。此外，與傳統(tǒng)的簡單的無縫壓出型材相比，可制造具有復雜形狀的外形。雖然描述了前述實施方式以實施本發(fā)明的觸變擠壓模制裝置及方法，但這些實施 方式是為了示例性目的而提出的，并且不用于限制本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將易于理解在 不脫離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的主旨和范圍的情況下可進行很多修改和變型，并且這 些修改和變型涵蓋于本發(fā)明的范圍和主旨內(nèi)。
權(quán)利要求
一種觸變擠壓模制裝置，包括容器，所述容器具有第一貫通孔和加熱器，在所述第一貫通孔內(nèi)收容有10至30重量份的半固態(tài)坯料，所述加熱器安裝在所述第一貫通孔的外部以保持所述半固態(tài)坯料的溫度恒定；桿，所述桿可從所述容器的前部插入所述第一貫通孔以向后對所述半固態(tài)坯料加壓；模具環(huán)，所述模具環(huán)耦接到所述容器的后部并且具有多個冷卻劑流入/流出孔以防止沿周向的熱變形；模具本體，所述模具本體設置在所述模具環(huán)的內(nèi)側(cè)，并且具有第二貫通孔和多個熱電偶插孔，所述第二貫通孔與所述容器的第一貫通孔連通并且具有比所述容器的第一貫通孔的直徑小的直徑，所述半固態(tài)坯料被擠壓通過所述第二貫通孔，所述多個熱電偶插孔用于測量所述半固態(tài)坯料的溫度；模具本體支撐件，所述模具本體支撐件耦接到位于所述模具環(huán)內(nèi)側(cè)的所述模具本體的后部，并且具有多個冷卻劑流入/流出孔，以便將擠壓出的半固態(tài)坯料的相轉(zhuǎn)變成固態(tài)壓出型材；模具平衡支撐件，所述模具平衡支撐件保持成與所述模具本體支撐件緊密接觸，并且耦接到所述模具環(huán)的后部；以及冷卻單元，所述冷卻單元耦接到所述模具平衡支撐件上以冷卻所述固態(tài)壓出型材。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述熱電偶插孔包括第一熱電偶插孔和第二熱電 偶插孔，所述第一熱電偶插孔用于測量所述模具本體的溫度，所述第二熱電偶插孔用于測 量所述半固態(tài)坯料的溫度。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述半固態(tài)坯料選自鋁合金和鎂合金。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述半固態(tài)坯料是含至少一種添加物的鎂合金。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述添加物選自堿金屬、堿金屬氧化物、堿金屬化 合物、堿土金屬、堿土金屬氧化物、堿土金屬化合物及其混合物。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，基于鎂合金為100重量份，所述添加物的量為 0. 0001至30重量份。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述容器的加熱器將所述半固態(tài)坯料保持為590至 650°C的溫度。
8.一種觸變擠壓模制裝置，包括容器，在所述容器內(nèi)收容有10至30重量份的半固態(tài)坯料；擠壓模具，所述擠壓模具具有多個擠壓孔、軸承以及心軸，所述半固態(tài)坯料通過所述多 個擠壓孔而分流并被擠壓成多股，所述軸承與容納通過所述擠壓孔的半固態(tài)坯料的腔室連 通，所述心軸位于所述軸承的中心軸線上；加熱器，所述加熱器用于保持收容在所述容器內(nèi)的半固態(tài)坯料的溫度恒定；溫度傳感器，所述溫度傳感器檢測所述容器內(nèi)部由所述加熱器加熱的半固態(tài)坯料的溫 度；以及控制單元，所述控制單元對由所述溫度傳感器檢測到的溫度值與預設值進行比較，以 控制所述加熱器的打開/關(guān)斷操作。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述半固態(tài)坯料選自鋁合金和鎂合金。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述半固態(tài)坯料是含至少一種添加物的鎂合金。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，所述添加物選自堿金屬、堿金屬氧化物、堿金屬 化合物、堿土金屬、堿土金屬氧化物、堿土金屬化合物及其混合物。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中，基于鎂合金為100重量份，所述添加物的量為 0. 0001至30重量份。
13.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述容器的加熱器將所述半固態(tài)坯料保持為590 至650°C的溫度。
14.一種利用如權(quán)利要求1所述裝置的觸變擠壓模制方法，所述方法包括將容器內(nèi)的10至30重量份的半固態(tài)坯料保持為恒定溫度；保持模具本體的溫度恒定；在所述模具本體內(nèi)在壓力下將所述半固態(tài)坯料擠壓模制成固態(tài)壓出型材；以及冷卻所述固態(tài)壓出型材。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述半固態(tài)坯料選自鋁合金和鎂合金。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述半固態(tài)坯料是含至少一種添加物的鎂合金。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述添加物選自堿金屬、堿金屬氧化物、堿金屬 化合物、堿土金屬、堿土金屬氧化物、堿土金屬化合物及其混合物。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，基于鎂合金為100重量份，所述添加物的量為 0. 0001至30重量份。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，通過所述容器的加熱器將所述半固態(tài)坯料保持 為590至650°C的溫度。
20.一種利用如權(quán)利要求8所述裝置的觸變擠壓模制方法，所述方法包括通過加熱器加熱收容在容器內(nèi)的半固態(tài)坯料以保持所述半固態(tài)坯料的溫度恒定；使用溫度傳感器檢測所述容器內(nèi)部由所述加熱器加熱的半固態(tài)坯料的溫度；以及使用控制單元對由所述溫度傳感器檢測到的溫度值與預設值進行比較，以控制所述加 熱器的打開/關(guān)斷操作。
全文摘要
提供了觸變擠壓模制裝置和方法。該裝置的一個實施方式包括容器，其具有第一貫通孔和加熱器，在第一貫通孔內(nèi)收容有10至30重量份的半固態(tài)坯料，加熱器安裝在第一貫通孔的外部以保持半固態(tài)坯料的溫度恒定；桿，其可從容器的前部插入第一貫通孔以向后對半固態(tài)坯料加壓；模具環(huán)，其耦接到容器的后部并具有多個冷卻劑流入/流出孔以防止沿周向的熱變形；模具本體，其設置在模具環(huán)的內(nèi)側(cè)并具有第二貫通孔和多個熱電偶插孔，第二貫通孔與容器的第一貫通孔連通并具有比容器的第一貫通孔的直徑小的直徑，半固態(tài)坯料被擠壓通過第二貫通孔，多個熱電偶插孔用于測量半固態(tài)坯料的溫度；模具本體支撐件，其耦接到位于模具環(huán)內(nèi)側(cè)的模具本體的后部并具有多個冷卻劑流入/流出孔，以將擠壓出的半固態(tài)坯料的相轉(zhuǎn)變成固態(tài)壓出型材；模具平衡支撐件，其保持成與模具本體支撐件緊密接觸并耦接到模具環(huán)的后部；以及冷卻單元，其耦接到模具平衡支撐件上以冷卻固態(tài)壓出型材。根據(jù)所述裝置和方法，可在低擠壓壓力下模制金屬，延長裝置的壽命，提高金屬產(chǎn)品的強度，在加工過程中抑制金屬的點燃，減少所用的保護氣體量，并且抑制形成焊縫。
文檔編號B29C47/92GK101970142SQ200880127981
公開日2011年2月9日 申請日期2008年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月14日
發(fā)明者尹泳沃, 張東仁, 金世光 申請人:韓國生產(chǎn)技術(shù)研究院