專利名稱：一種制備鋁合金管的連續流變擴展成形方法
技術領域：
本發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流變擴展成形制 備方法。 技術背景金屬半固態短流程成形技術是新材料科學領域中的重要課題，符合國民經濟可持續發展 的要求。金屬半固態成形突破了金屬在傳統的液態或固態區間成形的許多弊端，是一種高效 節能的近終形新技術，被譽為21世紀最具應用前景的綠色工業技術，世界各國投入大量人力 物力進行研究。1971年，美國麻省理工學院Flemings教授首先提出了金屬半固態成形技術。 目前，許多專利技術在國外已經進行較大規模的商業化生產。20世紀80年代初我國開展了 半固態成形技術的研究，取得了許多研究成果，但與國外先進水平相比還存在一定差距，工 業應用尚不成熟。目前，國外投入商業化生產的半固態成形技術主要有螺旋機械攪拌技術、電磁攪拌技 術、噴射沉積技術與應變誘導熔體活化技術等；在成形工藝方面，主要采用觸變成形。主要 是因為觸變成形中漿料制備、儲運輸送與控制等相對容易實現，成為主要的半固態生產技術。 在半固態流變成形中，漿料制備、儲運輸送、固相率控制要求高，企業員工技術水平有限、 企業也不愿投入較高成本利用尚不十分成熟的技術，成為阻礙流變成形技術在全球大規模推 廣的重要瓶頸。盡管觸變成形流程比傳統加工流程大大縮短，但是制坯、加熱及成形三個環 節仍然是獨立分開的，相對流變成形流程還是較長，如何采用流變成形技術，將制漿與連續 成形結合起來、實現一步成形是眾多專家學者目前追求的目標。開發方便快捷、易于工業化、 低能耗、低成本的連續流變成形技術是目前材料成形領域重點研究內容之一。基于以上的研究，提出了連續鑄擠技術(Castex ),它是連續擠壓技術(Conform)的進 一步發展，將液態金屬連續鑄造與加工合為一體，實現液態金屬直接加工成形，屬短流程， 高效節能的先進工藝。1971年，英國原子能管理局Derek Green首次提出連續擠壓，采用鋁桿 料或顆粒料為原料，由旋轉的擠壓輪帶動進入擠壓型腔內，在擠壓力和溫度作用下，將金屬 擠出模孔，根據產品的要求進行擠壓模具設計。Conform連續擠壓機和輔助加工設備構成了 連續擠壓生產線，輔助設備安裝在擠壓機的前后，輔助設備的多少和復雜程度取決于產品的 技術要求，此生產線可以生產實心和空心型材、線材及包復材。在Conform連續擠壓的基礎 上，經過大量的實驗研究，英國Holton公司對連續擠壓機進行了改進，采用液態金屬作原料直接進入主機，鑄擠輪與固定靴座形成擠壓型腔，液態金屬在型腔內進行結晶與變形，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，并申報了 發明專利。連續鑄擠技術同常規生產同類產品的塑性加工方法相比較，具有如下優點可連 續生產很長的產品；節約能源約40%，成品率高達90%，降低成本約30%以上；產品精度高， 表面光潔平整；設備結構緊湊，投資小；環境污染小。20世紀70—80年代，英國Holton公 司已生產三臺連續鑄擠機。1986年我國將連續鑄擠技術列為"七五"攻關課題，此項研究是冶 金工業發展的前沿課題，屬短流程、高效節能、高效益的新技術，東北大學承擔了該課題的 研究任務，1990年研制成功，并申報了國家發明專利。國內有幾家研究連續擠壓技術 (Conform)的單位，但是液態鑄擠技術的研究單位很少。東北大學在連續鑄擠技術知識產權 方面在國內一直處于領先水平，哈爾濱工業大學霍文燦教授等人也曾做過單輥軋擠等研究工 作，取得了一些研究成果。日本東京大學木內研究室在單輥剪切冷卻制備半固態材料技術領域處于先進水平，他們 在1998年基于連續鑄擠技術提出了單輥剪切冷卻制備半固態金屬漿料，成功制備出組織性能 優良的半固態金屬漿料，但是并沒有對此項技術的連續成形進行進一步的研究。東北大學的 研究者開展了鋁合金連續鑄擠裝置、理論與工藝研究，發現了連續鑄擠過程中存在液相區、 半固態區和固相區，并提出"三區"理論，在90年代末提出金屬半固態擠壓的項目，在此基礎 上，又提出單輥剪切冷卻技術制備半固態金屬及擴展成形的研究，取得重要進展，初步建立 了鋁、鎂合金材料的連續流變成形的中試實驗研究平臺。發明內容本發明的目的是在上述已有技術的基礎上，提供一種擴展成形技術，制備鋁合金管的連 續流變擴展成形的方法，達到縮短流程、高效、節能和節材，并且提高制品的組織性能。實施本發明目的的技術方案是利用主要由水冷轉動軋輥、固定靴座，擠壓成形模具、 背壓塊和基座組成的連續擴展成形裝置制備鋁合金管，要點是按如下步驟進行(1) :以純度為99.99wt。/。的工業鋁，Al-Si中間合金及純度為99.99wt。/。的工業鎂為合金 原料，化學成分按質量分數計Mg為0.8y。， Si為0.7。/c)，雜質總和^).1%,余量為Al;(2) :將熔化爐預熱到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) :當上述金屬熔化后，控制溫度達到740。C時，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) :將金屬熔體經過連續擴展成形裝置，制取鋁合金管。上述步驟(3)精煉過程中加入合金成分總量0.2 0.5wt。/。的六氯乙垸進行精煉。 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。合金熔體經過連續擴展成形裝置制取鋁合金管時，控制軋輥轉速為10~15轉/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，模具預熱溫度為500°C 550°C。將合金熔體經過連續擴展成形裝置制取的鋁合金管為060 80mmx5mm的6201鋁合金管材。本發明與己有技術比較，具有如下的特點和顯著的積極效果(1) 對連續鑄擠(Castex)、剪切冷卻制^"半固態材料(SCR)及流變成形技術的進一步完善 和發展。將漿料連續制備、連續流變成形有機結合，實現流變成形的一體化與連續化。采用 液體料直接連續制備出高性能鋁合金管材。(2) 采用半固態流變擴展成形生產鋁管材，高效節能、投資小、見效快。大大降低成本， 節能節材。與傳統的鑄造一軋制、擠壓一拉拔技術相比，采用本技術可節省成本30%以上、 成材率達到95%以上、降低能耗40%以上，單機連續流變成形鋁合金的生產效率不少于 110Kg/h。尤其是對解決目前生產導電材工藝流程長、投資高、設備系統龐大、能耗高、成材 率低等問題，具有突出優勢。本技術與傳統生產工藝流程對比如表l所示表l本技術工藝與傳統生產導電管材的工藝對比制備工藝工藝流程傳統工藝 本技術工藝熔煉—鑄坯—(熱軋)—擠壓—拉拔—熱處理 熔煉—CSEP與在線固溶時效 ._(3)制品組織性能優良。由于在軋輥強烈的剪切冷卻的搓動作用下形成了細小的球形晶 組織，經連續流變成形制品組織性能優越。同時，流變成形充模容易，避免了成形不均勻等 問題，使產品組織性能好。制備的6201合金線材抗拉強度和電導率比國家標準 (JB/T8640-1997)分別提高11.1%和1%。(4)可連續生產理論無限長的管材常規生產鑄坯下料后長度有限，在軋制和擠壓時只 能生產長度有限的產品，而對導電管材來講，接頭對導電性能具有較大不利影響。因此，本 發明連續生產無限長的導電管材對提高材料的導電和力學性能非常有利，同時節約了材料。


圖1是本發明所采用的設備裝置結構示意圖；圖2是本發明的原理示意圖；圖3是本發明擴展擠壓模具組合示意圖；圖4是本發明6201鋁合金管材顯微組織圖；圖中l、固定靴座，2、擴展腔，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，10、小口徑填充，11、管材，12、擴展腔，13、陽模，14、 陰模具體實施方式
實施例l:本發明所采用的連續流變擴展成形機(已申報專利申請號為200720185231X, 申請日為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動軋輥，擠壓成型模具，背壓塊，安裝在機架上的固 定靴座和卸料板構成。合金熔體在輥靴型腔頂端入口進行澆注，通過旋轉工作輥施加的摩擦 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，同時被旋轉工作輥剪 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。/。工業鋁，Al-Si中間合金及純度為99.99wt。/。工業鎂為合金的原料， 配制6201合金，其主要化學成分(質量分數)為Mg0.8%,Si0.7%，雜質總和i.P/。,Al余量；(2) 將熔化爐預熱到70(TC,分步加入純鋁錠進行加熱熔化，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，將預處理完畢的工業純鎂壓入熔體中；(3) 當金屬熔化后，用JWK-702精密溫度控制柜(購置的產品)控制熔液溫度，溫度達到 740。C時，用0.2%六氯乙烷精煉；(4) 當除氣除渣完畢后，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連續擴展成形機上，通過控制軋輥轉速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，模具預熱溫度50(TC，制備出060mmx5mm的6201鋁合金管材。最終的性能測試結果T6態的抗拉強度達290MPa、延伸率9%，等效電導率52.5IACS。 實施例2:本例的裝置與實施例l相同，采用該裝置生產6201鋁合金管材的工藝，包括如下步驟(1) 以純度為99.99wty。工業鋁，Al-Si中間合金及純度為99.99wt。/。工業鎂為合金的原料， 配制6201合金，其主要化學成分(質量分數)為Mg0.8%，Si0.7%，雜質總和=0.1%,八1余量；(2) 將熔化爐預熱到70(TC，分步加入純鋁錠進行加熱熔化，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，將預處理完畢的工業純鎂壓入熔體中；(3) 當金屬熔化后，用JWK-702精密溫度控制柜控制熔液溫度，溫度達到740。C時，用0.3%六氯乙烷精煉；(4) 當除氣除渣完畢后，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連續擴展成形機上，通過控制軋輥轉速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，模具預熱溫度520°C，可以制備①60mmx5mm 的6201鋁合金管'材。最終的性能測試結果:T6態的抗拉強度達300MPa、延伸率10%，等效電導率54.38 IACS。 實施例3:本例的裝置與實施例l相同，采用該裝置生產6201鋁合金管材的工藝，按如下步驟進行-(1) 以純度為99.99wt。/。工業純鋁，Al-Si中間合金及純度為99.99wt。/。工業純鎂為合金的原 料，配制6201合金，其主要化學成分(質量分數)為Mg0.8%,Si0.7%，雜質總和=0.1%^1余量；(2) 將熔化爐預熱到700'C，分步加入純鋁錠進行加熱熔化，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，將預處理完畢的工業純鎂壓入熔體中；(3) 當金屬熔化后，用JWK-702精密溫度控制柜控制熔液溫度，溫度達到74(TC時，用0.5% 六氯乙烷精煉；(4) 當除氣除渣完畢后，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連續擴展成形機上，通過控制軋輥轉速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，模具預熱溫度550°C，可以制備080mmx5mm 的6201鋁合金管材。最終的性能測試結果T6態的抗拉強度達320MPa、延伸率12%，等效電導率56.7 IACS。
權利要求
1、一種制備鋁合金管的連續流變擴展成形方法，選用主要由水冷轉動軋輥、固定靴座、擠壓成形模具、背壓塊和基座組成的連續擴展成形裝置制備鋁合金管，其特征在于按如下步驟進行(1)以純度為99.99wt％的工業鋁，Al-Si中間合金及純度為99.99wt％的工業鎂為合金原料，化學成分按質量分數計Mg為0.8％，Si為0.7％，雜質總和≤0.1％，余量為Al；(2)將熔化爐預熱到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)當上述金屬熔化后，控制溫度達到740℃時，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)將金屬熔體經過連續擴展成形裝置，制取鋁合金管。
全文摘要
本發明涉及一種制備鋁合金管的連續流變擴展成形方法，選用主要由水冷轉動軋輥、固定靴座、擠壓成形模具、背壓塊和基座組成的連續擴展成形裝置，要點是按如下步驟進行先以化學成分按質量分數計Mg為0.8％，Si為0.7％，雜質總和≤0.1％，余量為Al組配；熔化爐預熱到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，用六氯乙烷精煉；然后將熔體覆蓋，提溫至760℃～800℃，保溫，最后熔體經過連續擴展成形裝置制取鋁合金管。其管材組織均勻細小，T6態的抗拉強度達300MPa、延伸率10％，等效電導率54.38IACS。本發明優點是高效節能、工藝流程短、見效快。其產品可成為電力行業迫切需要的導電材料。
文檔編號B22D1/00GK101224490SQ20081001030
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月31日 優先權日2008年1月31日
發明者周天國, 李英龍, 溫景林, 管仁國, 陳彥博 申請人:東北大學