挤压铸造大型铝合金零件的制造方法与流程

1.本发明属于铝合金材料加工领域，尤其是关于采用挤压铸造工艺制造大型一体化铝合金零件产品时提高产品合格率，降低成本的方法。

背景技术：

2.铝合金或者铝基复合材料以其高的比强度，原材料成本低，越来越多地应用在轻量化为目的的各种运输工具的零部件，如飞机蒙皮，汽车的铝合金轮毂，双叉臂，刹车盘片，发动机壳体，发动机活塞，电动汽车电池组的壳体甚至一体化的车身、框架等大型零件，实现以铝代钢，降低整车制造成本和以及降低电动汽车能耗的目的。
3.压力铸造，简称压铸，典型的压铸工艺采用700-730℃高温下的铝合金熔体在高速，高压下充填预热到220-250℃的钢制金属模具型腔，并在高压力作用下进行结晶凝固，压铸具有高效率，近净成形的优点，缺点是：(1)高速充填熔体时容易卷进空气，快速凝固后的成形工件容易产生气孔，缩松；(2)对于大型零部件容易产生充填成形不完整以及冷隔等产品缺陷；(3)大型零部件制造时还经常出现脱模剂局部剥离，造成产品局部夹杂，粘模，产品局部拉伤等缺陷，产品合格率一般低于60％；(4)高熔体温度和相对低温的模具预热温度会带来模具热疲劳破坏，叠加模具处于高的工作应力状态，模具容易出现热疲劳裂纹，模具的寿命较低；(5)由于采用高的压铸压力，大型零部件制造对压铸设备和模具的刚度要求高，压铸设备和模具造价均较为高昂，产品摊销成本较高。
4.挤压铸造，又称为“液态模锻”，是对浇入挤压铸型模具型腔内的铝合金高温熔体(或者液固两相的半固态混合物)采用低的充型速度和较小的熔体扰动，使铝合金高温熔体尽量在层流状态下充填模具型腔然后在高压下凝固完成，相对比传统的压铸工艺，挤压铸造是可以获得更高致密度铸件的特种铸造工艺。
5.传统的挤压铸造，钢制模具一般采用在夹套中通入导热油进行预热和保温，由于导热油在高温下容易出现热裂解及结焦，一般控制导热油的加热温度低于300℃，传统的挤压铸造工艺，钢制模具的预热温度一般不会超过280℃，相应的在挤压铸造大型铝合金零件时，也容易出现上述压铸同样的缺陷；为了防止铝合金高温熔体与钢模的内壁型腔粘模，一般在挤压铸造生产时对钢制模具的型腔的表面采用间歇工作方式喷涂脱模剂，常规的挤压铸造工艺和压铸工艺制造铝合金材料或者铝基复合材料时经常存在以下技术问题，在挤压铸造生产时脱模剂干燥不充分容易产生气孔，在高温熔体充填型腔时，脱模剂容易局部脱落形成夹杂，局部薄壁处凝固过快甚至不能完成有效充型，脱模剂局部脱落后，高温熔体容易局部粘模，在脱模时工件会产生局部拉伤等产品缺陷；采用传统的挤压铸造工艺制造大型铝合金零部件，同样存在挤压力要求高，设备和模具造价高昂，产品摊销成本高的缺点，与传统压铸工艺一样，产品的合格率也不高。
6.为了改善现有压铸或挤压铸造工艺制造大型铝合金零部件产品存在的以上缺点，特提出本发明。

技术实现要素：

7.本发明提出一种挤压铸造大型铝合金零件的制造方法，该制造方法主要包括以下五个技术特征：一是钢制模具的夹套中采用进液温度介于340-470℃的高温流动熔盐对钢制模具进行加热及保温，高温流动熔盐能够及时高效导出挤压铸造时由铝合金高温熔体及成形工件传递给钢制模具的热量，成形工件能够可控地冷却到介于350-480℃的热塑性温度区间进行热挤压强化处理，与传统的压铸或挤压铸造工艺相比，本发明采用成形工件处于较高地热塑性温度区间甚至是超塑性温度区间进行热挤压处理，相应地，成形工件具有较低的应力响应，对设备的挤压力和刚度要求大幅度降低；二是在成形工件处于上述热塑性温度区间进行热挤压强化处理时，控制挤压头处的压缩应变速率小于等于0.2s-1
，低的应变速率同样会带来低的应力响应，模具和设备的工作负荷得以降低；三是成形工件处于上述热塑性温度区间进行热挤压强化处理时，控制挤压头处施加的压应力介于20-80mpa，基于前述两条方法带来的成形工件在热塑形温度区间加工时具有低的反抗应力，控制挤压头处施加合适的挤压力则既可以保障材料塑性变形强化的效果，还可以降低对模具和设备的负荷；四是为了避免传统工艺喷涂脱模剂带来的诸多缺点，本发明采用特殊的涂层技术来防止铝合金高温熔体粘模，并提高涂层和模具的使用寿命，钢制模具的型腔的热流道及成形面至少其中接触铝合金高温熔体的部分，预先采用真空物理气相沉积氮化铬(crn)膜层和/或氮化铝铬膜层(alcrn)和/或氮化铝钛(altin)膜层和/或氮化铝铬钛(alcrtin)膜层和/或mcraly膜层(m指ni，co，ni+co)，并对膜层在沉积后进行主动氧化处理，为了提高膜层与钢制模具基体界面的粘结强度，真空物理气相沉积时钢制模具的预热温度控制介于380-500℃，高于500℃模具钢容易硬度降低，出现退火软化，因此控制模具的预热温度低于500℃；膜层的总厚度控制介于5-25微米，真空物理气相沉积后将钢制模具放置于450-500℃氧化气氛下对膜层进行主动氧化处理24-72h，其技术目的是在膜层的表面氧化生长出纳米级厚度的致密氧化膜，防止铝合金高温熔体粘模；五是铝合金高温熔体先在670-780℃温度区间进行除杂及除氢为核心的精炼处理，继而将精炼后的高温熔体转移放置到缓存容器中，进行真空搅拌或超声振动，并将高温熔体均匀冷却到介于575-645℃之间的液固两相共存温度区间，将制备好的铝合金高温熔体以料浆的半固态方式喂料进入钢制模具进行挤压铸造，其目的一是控制成形工件的微观组织，成形工件的力学性能和韧性更佳，二是较低的喂料工艺温度，组合本发明的模具预热到较高的工作温度，较小的温度落差带来的益处是模具的热疲劳寿命大大改善。
8.与传统工艺相比，采用本发明的以上五个技术特征的方法进行挤压铸造大型铝合金零部件是有机的整体，其中从模具型腔防止粘模和防止涂层剥离为主要目的永久涂层的制备，到高温熔体的半固态浆料制备及其进料温度控制，到钢制模具采用夹套结构，以高温熔盐进行均匀预热到相对较高的温度以及利用高温流到熔盐传热将高温熔体凝固和成形工件的热量传递到外部，到可控地将成形工件的温度控制在较高的低应力热塑性等温锻造温度区间，本发明的制造方法能够以可控的低应变速率和可控的低的挤压应力进行挤压形变强化，本发明的方法可以大幅度降低挤压铸造设备的工作负荷，降低大型装备的采购成本，本发明的方法还可以提高模具的寿命，降低产品的缺陷，提高挤压铸造大型铝合金零部件的合格率和生产效率，从而综合降低制造成本。以下对本发明的方法作进一步的阐释及细化。
9.本发明在将制备好的铝合金高温熔体以料浆的半固态方式喂料进入钢制模具进行挤压铸造时，充型速度控制介于0.10-0.50m/s，钢制模具的型腔进行同步抽真空，组合上低的高温熔体充填及压射速度，防止充填成型及凝固过程中，产品出现气孔。
10.为了保障成形工件具有合适的冷却速度，以及降低挤压力，更优选对钢制模具的夹套中采用进液温度介于400-460℃的高温流动熔盐对钢制模具进行加热及保温，高温流动熔盐能够及时高效导出挤压铸造时由铝合金高温熔体及成形工件传递给钢制模具的热量，在充型完成后，挤压头处采用5-30mpa的压应力进行保压，进行冷却20-120s，成形工件待冷却到介于410-470℃的低应力的热塑性温度区间进行热挤压强化处理，挤压头处施加的压应力控制介于30-60mpa，挤压头处的压缩应变速率控制小于等于0.1s-1
。
11.本发明的高温流动熔盐采用(40-50)wt.％的nano3和余量的kno3的配制好的共晶熔盐混合物，熔盐的流量通过高温计量泵进行变频调控，从模具夹套出口流出的升高温度后的熔盐经过换热器进行换热将热量传递到外界。
12.为了防止大型成形零件变形，经过热挤压强化处理后的工件在出模后，采用空冷自然降温时效处理，自然冷却在防止变形，节能的同时，顺便也带来时效强化的效果。
13.钢制模具的型腔的热流道及成形面其中接触铝合金高温熔体的部分，预先采用真空物理气相沉积(pvd)氮化铬(crn)膜层作为打底膜层，打底膜层的厚度控制介于2-3微米，氮化铝铬膜层(alcrn)和/或氮化铝钛(altin)膜层和/或氮化铝铬钛(alcrtin)膜层作为面层，面层的厚度控制介于2-5微米；真空物理气相沉积前钢制模具的预热温度控制介于450-500℃，真空物理气相沉积后的模具继续在450-500℃氧化气氛下进行氧化处理24-48h。
14.钢制模具的型腔的热流道及成形面其中接触铝合金高温熔体的部分，也可以预先采用真空物理气相沉积mcraly膜层(m指ni，co，ni+co)，mcraly膜层具有较好的高温强韧性，表面容易生长出致密的纳米级厚度的氧化膜，mcraly膜层其中cr元素的含量控制介于17-27wt.％，al元素的含量控制介于8-15wt.％，y元素的含量控制介于0.2-1.0wt.％，m为余量；真空物理气相沉积时钢制模具的预热温度控制介于450-500℃，膜层总厚度控制介于10-25微米，真空物理气相沉积后将钢制模具继续在真空条件下于450-500℃进行24-48h的热扩散处理，然后于氧化气氛下进行主动氧化处理24-48h。
15.与传统的喷涂脱膜剂工艺相比较，本发明采用的以上两种膜层与模具基体粘结牢固，均不容易剥离；在挤压铸造时，模具型腔不必间歇式的喷涂脱模剂，也自然避免了传统脱模剂所带来的一系列副作用，本发明的制造方法带来成形产品的合格率大大提高，生产效率反而得到提高。
16.以下对本发明的优势进行进一步阐释。
具体实施方式
17.以下所述实施例以本发明的技术方案和精神要义为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的工艺，但并不限制本发明专利的保护范围，凡采用替换或等效变换的形式所获得技术方案，如适当调整熔盐的配方，以及适当调整制备涂层后的钢制模具在真空或惰性气氛保护下进行热扩散处理的温度区间以及有效加热时间；以及在涂层的表面氧化生成致密的氧化膜层的氧化温度区间及有效加热时间等，均应理解为落在本发明的保护范围内。
18.实施例1.挤压铸造大型铝合金零件的制造方法，铝合金高温熔体采用a357牌号，对熔炼好的高温熔体先在730-760℃温度区间进行精密过滤除杂及吹入氩气密集气泡除氢为核心的精炼处理，继而将精炼后的高温熔体转移放置到带有可控夹套冷却系统的缓存容器中，对高温熔体进行真空下的搅拌处理，并将高温熔体均匀冷却到介于585-590℃之间的液固两相共存温度区间，将制备好的铝合金高温熔体以料浆的半固态方式喂料进入钢制模具进行挤压铸造；对钢制模具的夹套中采用进液温度介于420-430℃的高温流动熔盐对钢制模具进行加热及保温；充型完成后，挤压头处采用8-15mpa的压应力进行保压冷却30-60s；成形工件可控地冷却到介于440-460℃的热塑性温度区间进行热挤压强化处理，挤压头处施加的压应力控制介于40-45mpa，挤压头处的压缩应变速率控制为0.01s-1
。经过热挤压强化处理后的工件在出模后，采用空冷自然降温时效处理，放入辊道窑中，自然冷却24小时。
19.为了避免传统工艺喷涂脱模剂带来的诸多缺点，本发明采用特殊的涂层技术来防止铝合金高温熔体粘模，钢制模具的型腔的热流道及成形面至少其中接触铝合金高温熔体的部分，预先采用真空物理气相沉积pvd制备厚度为2-3微米的(crn)膜层和制备厚度为3-4微米的氮化铝铬膜层(a1crn)面层，并对膜层在沉积后进行主动氧化处理，气相沉积时钢制模具的预热温度控制介于460-480℃，气相沉积后将钢制模具放置于480-500℃氧化气氛下对膜层进行主动氧化处理24h，在膜层的表面氧化生长出纳米级厚度的致密氧化膜，防止铝合金高温熔体粘模。
20.高温流动熔盐采用40wt.％的nano3和60wt.％的kno3配制好的共晶熔盐混合物。

技术特征：

1.挤压铸造大型铝合金零件的制造方法，其特征在于，该制造方法主要包括以下主要技术特征：一是钢制模具的夹套中采用进液温度介于340-470℃的高温流动熔盐对钢制模具进行加热及保温，高温流动熔盐能够及时高效导出挤压铸造时由铝合金高温熔体及成形工件传递给钢制模具的热量，成形工件能够可控地冷却到介于350-480℃的热塑性温度区间进行热挤压强化处理；二是在成形工件处于上述热塑性温度区间进行热挤压强化处理时，控制挤压头处的压缩应变速率小于等于0.2s-1
；三是成形工件处于上述热塑性温度区间进行热挤压强化处理时，控制挤压头处施加的压应力介于20-80mpa；四是钢制模具的型腔的热流道及成形面至少其中接触铝合金高温熔体的部分，预先采用真空物理气相沉积氮化铬(crn)膜层和/或氮化铝铬膜层(alcrn)和/或氮化铝钛(altin)膜层和/或氮化铝铬钛(alcrtin)膜层和/或mcraly膜层(m指ni，co，ni+co)，并对膜层在沉积后进行主动氧化处理，真空物理气相沉积时钢制模具的预热温度控制介于380-500℃，膜层总厚度控制介于5-25微米，真空物理气相沉积后将钢制模具放置于450-500℃氧化气氛下对膜层进行主动氧化处理24-72h；五是铝合金高温熔体先在670-780℃温度区间进行除杂及除氢为核心的精炼处理，继而将精炼后的高温熔体转移放置到缓存容器中，进行真空搅拌或超声振动，并将高温熔体均匀冷却到介于575-645℃之间的液固两相共存温度区间，将制备好的铝合金高温熔体以料浆的半固态方式喂料进入钢制模具进行挤压铸造。2.根据权利要求1所述的挤压铸造大型铝合金零件的制造方法，其特征在于，将制备好的铝合金高温熔体以料浆的半固态方式喂料进入钢制模具进行挤压铸造时，钢制模具的型腔进行同步抽真空。3.根据权利要求1所述的挤压铸造大型铝合金零件的制造方法，其特征在于，钢制模具的夹套中采用进液温度介于400-460℃的高温流动熔盐对钢制模具进行加热及保温，高温流动熔盐能够及时高效导出挤压铸造时由铝合金高温熔体及成形工件传递给钢制模具的热量，充型完成后，挤压头处采用5-30mpa的压应力进行保压冷却20-120s，成形工件冷却到介于410-470℃的热塑性温度区间进行热挤压强化处理，挤压头处施加的压应力控制介于30-60mpa，挤压头处的压缩应变速率控制小于等于0.1s-1
。4.根据权利要求1所述的挤压铸造大型铝合金零件的制造方法，其特征在于，高温流动熔盐采用(40-50)wt.％的nano3和余量的kno3的配制好的共晶熔盐混合物，熔盐的流量通过高温计量泵进行变频调控，从模具夹套出口流出的升高温度后的熔盐经过换热器进行换热将热量传递到外界。5.根据权利要求1所述的挤压铸造大型铝合金零件的制造方法，其特征在于，经过热挤压强化处理后的工件在出模后，采用空冷自然降温时效处理。6.根据权利要求1所述的挤压铸造大型铝合金零件的制造方法，其特征在于，钢制模具的型腔的热流道及成形面其中接触铝合金高温熔体的部分，预先采用真空物理气相沉积氮化铬(crn)膜层作为打底膜层，厚度介于2-3微米，氮化铝铬膜层(alcrn)和/或氮化铝钛(altin)膜层和/或氮化铝铬钛(alcrtin)膜层作为面层，厚度介于2-5微米；真空物理气相沉积前钢制模具的预热温度控制介于450-500℃，真空物理气相沉积后的模具继续在450-500℃氧化气氛下进行氧化处理24-48h。7.根据权利要求1所述的挤压铸造大型铝合金零件的制造方法，其特征在于，钢制模具的型腔的热流道及成形面其中接触铝合金高温熔体的部分，预先采用真空物理气相沉积
mcraly膜层(m指ni，co，ni+co)，其中cr元素的含量介于17-27wt.％，al元素的含量介于8-15wt.％，y元素的含量介于0.2-1.0wt.％，m为余量；真空物理气相沉积时钢制模具的预热温度控制介于450-500℃，膜层总厚度控制介于10-25微米，真空物理气相沉积后将钢制模具继续在真空条件下于450-500℃进行24-48h的热扩散处理，然后于氧化气氛下450-500℃进行主动氧化处理24-48h。

技术总结

本发明提出一种挤压铸造大型铝合金零件的制造方法，主要包括以下技术特征：钢制模具的夹套中采用高温熔盐进行均匀加热及保温并通过高温熔盐流动向外部导出热量；模具的型腔采用特殊的主动氧化涂层处理来防止高温熔体粘模，省去间歇喷涂脱模剂；将铝合金熔体精炼后以相对低温的料浆半固态方式喂料；成形工件在可控冷却到热塑性温度区间时采用低的应变速率以及低的挤压力进行挤压形变强化处理；采用本发明的这些方法进行挤压铸造大型铝合金零部件是一套有机的整体，带来的益处是对大型设备的挤压力需求大幅度降低，模具的使用寿命提高，产品的制造缺陷减少，从而提高挤压铸造大型铝合金零部件的产品合格率和生产效率，降低制造成本。低制造成本。