一种应用于半固态触变成形的变形铝合金高固相分数半固态浆料的制备方法

摘要

一种应用于半固态触变成形的变形铝合金高固相分数半固态浆料的制备方法，涉及一种应用于半固态触变成形的半固态浆料的制备方法。本发明是为了解决目前固相法制备变形铝合金半固态浆料需要冷变形，导致坯料使用过程中需要二次分割或机械加工以及所需要的温变形棒材和板材市场上没有大规模供应的技术问题。本发明：一、热变形；二、冷却；三、定量分割；四、加热至材料的半固态温度。本发明可以利用现有市场大量供应的热挤压棒材和热轧制板材直接根据半固态触变成形件体积加上余量定量分割后直接加热至半固态等温获得半固态浆料，这样非常有利于短流程、低成本制备组织均匀、晶粒细小且球化程度高的变形铝合金半固态浆料。

说明书

技术领域

发明涉及一种应用于半固态触变成形的半固态浆料的制备方法。

背景技术

节能、减排和降耗在装备制造业中需求日益增大。产品的轻量化成为装备制造业中节能、减排和降耗的有效手段。产品的轻量化除了选材方面的考虑，主要就是成形制造工艺方面。短流程、低成本的近净成形技术是满足轻量化在成形技术方面需求的主要途径。半固态触变成形技术就是一种合金精密近净成形技术。它与常规铸造技术相比，具有成形温度低、模具寿命高、产品性能好的有点；与常规锻造技术相比，它具有材料变形抗力低、易成形复杂件的优点。半固态触变成形技术一般由液相法制浆、冷却成坯、定量分割、二次加热和成形几个工艺步骤组成。其中液相法中代表工艺就是机械搅拌法和电磁搅拌法。它们的共同特点就是需要将合金熔化成液态后降温到半固态温度同时实施强烈的机械或者电磁搅拌，从而获得需要的固相呈球状晶液相围绕其周围的半固态浆料。液相法工艺流程长，并且需要专用制浆装备，成本较高。这在某种程度上影响了半固态触变成形技术的应用。相对而言，固相法制浆成本较低。代表工艺就是应变诱导熔化激活法(Strain Induced Melt Activated,SIMA)和再结晶重熔法(Recrystallization and Partial Melting,RAP)。其中，SIMA法中铸态坯料经过再结晶温度以上的热加工后室温进行冷加工，然后再将材料加热至半固态温度保温，从而获得所需要的半固态浆料。RAP法中铸态坯料先经过再结晶温度以下的温变形，然后直接将坯料加热至半固态温度保温，从而获得半固态坯料。相对而言，RAP法较SIMA法工艺流程更短，因为该方法不需要室温的冷加工。而且，它们相对液相法而言无需二次加热，节约成本，提升了产品价格竞争力。但是，目前变形铝合金的供应状态绝大部分都是热加工状态。例如热挤压的棒材和热轧制的板材。市场上想直接需要温变形的变形铝合金坯料较难。所以，RAP法中想直接利用现有市场上的变形铝合金棒材和板材比较困难。这在一定程度上也制约了RAP法的应用。而且，温变形相对于热变形而言，材料的变形抗力较大，设备成本有所提升。

固相法对于变形铝合金是一种短流程、低成本的制浆工艺路线。因为可以利用现有市场供应的变形铝合金棒材和板材，直接进行定量分割，然后进行冷变形和半固态等温处理(即SIMA法)获得半固态浆料。但是，SIMA法中需要冷变形(一般是镦粗)，会影响坯料形状，导致坯料使用过程中需要二次分割或机械加工，降低生产效率，提高了生产成本。RAP法所需要的温变形棒材和板材市场上没有大规模供应。以上两方面使得固相法制备变形铝合金半固态浆料受到一定程度制约。所以发明一种更加简便易行的固相路线制备方法势在必行。

发明内容

本发明是为了解决目前固相法制备变形铝合金半固态浆料需要冷变形，会影响坯料形状，导致坯料使用过程中需要二次分割或机械加工以及所需要的温变形棒材和板材市场上没有大规模供应的技术问题，而提供一种应用于半固态触变成形的变形铝合金高固相分数半固态浆料的制备方法。

本发明的一种应用于半固态触变成形的变形铝合金高固相分数半固态浆料的制备方法是按以下步骤进行的：

一、将2000系、5000系、6000系或7000系变形铝合金铸坯加热至材料的再结晶温度以上进行热变形，使得累积变形量为35％～80％；所述的热变形的方式为热挤压成棒材或者热轧制成板材；所述的材料的再结晶温度以上为材料熔点的0.55倍～0.8倍；

二、将步骤一中热变形后的变形铝合金自然冷却至室温；

三、将步骤二中室温状态下的变形铝合金进行定量分割，得到坯料；

当步骤二中室温状态下的变形铝合金为棒材时定量分割成圆柱体，且定量分割后的体积为变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积再加上变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积的5％～10％；

当步骤二中室温状态下的变形铝合金为板材时定量分割成长方体，且定量分割后的体积为变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积再加上变形铝合金预成半固态触变成形件的体积的5％～10％；

四、利用电阻炉以35℃/min～55℃/min的升温速度将步骤三中定量分割后的坯料从室温加热至材料的半固态温度T，使得变形铝合金的固相分数为0.55～0.85，然后在温度T保温8min～22min，得到半固态浆料；

五、利用加持装置或者搬运装置将步骤四中制备的半固态浆料运输至模具型腔，进行半固态触变成型。

本发明利用变形铝合金具有较好的塑性变形能力的优势，将铸态变形铝合金进行一定程度的热变形，热变形过程中会产生两种状态的微观组织，等轴晶和拉长晶，如图1所示。等轴晶是由于热变形中发生的动态再结晶所致，拉长晶是变形本身所导致的，它们包含很多位错塞积和小角度晶界，处于高能状态，这些处于高能状态的拉长晶在加热至半固态温度的过程中会发生再次再结晶，从而形成等轴晶，如图2所示，从而使变形铝合金中在达到半固态等温处理温度之前几乎全部由等轴晶组成，然后该材料在半固态温度等温过程中，由于固相晶粒之间的晶界能高于液相和固相之间的界面能，所以晶界处被液相所润湿，从而制备晶粒细小且球化程度高的变形铝合金半固态浆料。

本发明的步骤四中在半固态温度进行保温，让液相润湿固相晶粒的境界，让固相发生球化。

本发明的有益效果是：

(一)本发明充分利用热变形后变形铝合金的微观组织优势，即动态再结晶导致的等轴晶和热变形导致的具有高塑性变形能储备的拉长晶。可以利用现有市场大量供应的热挤压棒材和热轧制板材直接根据半固态触变成形件体积加上余量定量分割后直接加热至半固态等温获得半固态浆料，这样非常有利于短流程、低成本制备组织均匀、晶粒细小且球化程度高的变形铝合金半固态浆料；

(二)本发明非常适合制备大尺寸变形铝合金半固态坯料，可以充分利用现有商业大尺寸挤压棒材和热轧制板材直接下料分割，将其加热至半固态等温获得大尺寸半固态坯料，可以弥补现有液相法制备大尺寸坯料的不足，特别是弥补电磁搅拌只能制备直径150mm以下坯料的不足；

(三)本发明非常适合制备高固相分数变形铝合金半固态坯料，弥补传统的液相法难以制备高固相分数半固态浆料的不足。

附图说明

图1是试验一步骤一中7005变形铝合金铸坯加热至480℃时纵截面的微观组织形貌图；

图2是试验一步骤一中7005变形铝合金铸坯加热至520℃时纵截面的微观组织形貌图；

图3是本发明的应用于半固态触变成形的变形铝合金高固相分数半固态浆料的制备方法的工艺流程图；

图4是试验一步骤四制备的7005半固态浆料的微观组织形貌；

图5是试验三步骤四制备的7075半固态浆料的微观组织形貌；

图6是试验二步骤四制备的5A06半固态浆料的微观组织形貌；

图7是试验四步骤四制备的2A12半固态浆料的微观组织形貌；

图8是试验五步骤四制备的7A04半固态浆料的微观组织形貌。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式为一种应用于半固态触变成形的变形铝合金高固相分数半固态浆料的制备方法是按以下步骤进行的：

一、将2000系、5000系、6000系或7000系变形铝合金铸坯加热至材料的再结晶温度以上进行热变形，使得累积变形量为35％～80％；所述的热变形的方式为热挤压成棒材或者热轧制成板材；所述的材料的再结晶温度以上为材料熔点的0.55倍～0.8倍；

二、将步骤一中热变形后的变形铝合金自然冷却至室温；

三、将步骤二中室温状态下的变形铝合金进行定量分割，得到坯料；

当步骤二中室温状态下的变形铝合金为棒材时定量分割成圆柱体，且定量分割后的体积为变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积再加上变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积的5％～10％；

当步骤二中室温状态下的变形铝合金为板材时定量分割成长方体，且定量分割后的体积为变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积再加上变形铝合金预成半固态触变成形件的体积的5％～10％；

四、利用电阻炉以35℃/min～55℃/min的升温速度将步骤三中定量分割后的坯料从室温加热至材料的半固态温度T，使得变形铝合金的固相分数为0.55～0.85，然后在温度T保温8min～22min，得到半固态浆料；

五、利用加持装置或者搬运装置将步骤四中制备的半固态浆料运输至模具型腔，进行半固态触变成型。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的材料的再结晶温度以上为材料熔点的0.7倍。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中的定量分割是通过电锯或线切割完成的。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤四中利用电阻炉以40℃/min的升温速度将步骤三中定量分割后的坯料从室温加热至材料的半固态温度T，使得变形铝合金的固相分数为0.7，然后在温度T保温15min，得到半固态浆料。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤五中的半固态触变成型的方式为半固态触变锻造、半固态触变挤压或半固态压铸。具体方式根据实际情况决定。其它与具体实施方式一相同。

通过以下试验验证本发明的效果：

试验一：本试验为一种应用于半固态触变成形的变形铝合金高固相分数半固态浆料的制备方法是按以下步骤进行的：

一、将7005变形铝合金铸坯加热至材料的再结晶温度以上进行热变形，使得累积变形量为38％；所述的热变形的方式为热挤压成棒材；所述的材料的再结晶温度以上为材料熔点的0.6倍；

二、将步骤一中热变形后的变形铝合金自然冷却至室温；

三、将步骤二中室温状态下的变形铝合金进行定量分割成圆柱体，得到坯料；

定量分割后的体积为变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积再加上变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积的6％；

四、利用电阻炉以50℃/min的升温速度将步骤三中定量分割后的坯料从室温加热至600℃～620℃，然后在温度600℃～620℃保温8min～15min，得到半固态浆料。

试验二：本试验为一种应用于半固态触变成形的变形铝合金高固相分数半固态浆料的制备方法是按以下步骤进行的：

一、将7075变形铝合金铸坯加热至材料的再结晶温度以上进行热变形，使得累积变形量为40％；所述的热变形的方式为热挤压成棒材；所述的材料的再结晶温度以上为材料熔点的0.6倍；

二、将步骤一中热变形后的变形铝合金自然冷却至室温；

三、将步骤二中室温状态下的变形铝合金进行定量分割成圆柱体，得到坯料；

定量分割后的体积为变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积再加上变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积的5％；

四、利用电阻炉以35℃/min的升温速度将步骤三中定量分割后的坯料从室温加热至590℃～610℃，然后在温度590℃～610℃保温14min～19min，得到半固态浆料。

试验三：本试验为一种应用于半固态触变成形的变形铝合金高固相分数半固态浆料的制备方法是按以下步骤进行的：

一、将5A06变形铝合金铸坯加热至材料的再结晶温度以上进行热变形，使得累积变形量为51％；所述的热变形的方式为热挤压成棒材；所述的材料的再结晶温度以上为材料熔点的0.6倍；

二、将步骤一中热变形后的变形铝合金自然冷却至室温；

三、将步骤二中室温状态下的变形铝合金进行定量分割成圆柱体，得到坯料；

定量分割后的体积为变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积再加上变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积的10％；

四、利用电阻炉以55℃/min的升温速度将步骤三中定量分割后的坯料从室温加热至615℃～620℃，然后在温度615℃～620℃保温15min～21min，得到半固态浆料。

试验四：本试验为一种应用于半固态触变成形的变形铝合金高固相分数半固态浆料的制备方法是按以下步骤进行的：

一、将2A12变形铝合金铸坯加热至材料的再结晶温度以上进行热变形，使得累积变形量为51％；所述的热变形的方式为热挤压成棒材；所述的材料的再结晶温度以上为材料熔点的0.6倍；

二、将步骤一中热变形后的变形铝合金自然冷却至室温；

三、将步骤二中室温状态下的变形铝合金进行定量分割成圆柱体，得到坯料；

定量分割后的体积为变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积再加上变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积的8％；

四、利用电阻炉以52℃/min的升温速度将步骤三中定量分割后的坯料从室温加热至610℃～620℃，然后在温度610℃～620℃保温18min～22min，得到半固态浆料。

试验五：本试验为一种应用于半固态触变成形的变形铝合金高固相分数半固态浆料的制备方法是按以下步骤进行的：

一、将7A04变形铝合金铸坯加热至材料的再结晶温度以上进行热变形，使得累积变形量为51％；所述的热变形的方式为热挤压成棒材；所述的材料的再结晶温度以上为材料熔点的0.6倍；

二、将步骤一中热变形后的变形铝合金自然冷却至室温；

三、将步骤二中室温状态下的变形铝合金进行定量分割成圆柱体，得到坯料；

定量分割后的体积为变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积再加上变形铝合金预成半固态触变成形零件的体积的10％；

四、利用电阻炉以52℃/min的升温速度将步骤三中定量分割后的坯料从室温加热至610℃～618℃，然后在温度610℃～618℃保温17min～21min，得到半固态浆料。

图4是试验一步骤四制备的7005半固态浆料的微观组织形貌；

图5是试验三步骤四制备的7075半固态浆料的微观组织形貌；

图6是试验二步骤四制备的5A06半固态浆料的微观组织形貌；

图7是试验四步骤四制备的2A12半固态浆料的微观组织形貌；

图8是试验五步骤四制备的7A04半固态浆料的微观组织形貌。

从图中可以看出步骤四制备的半固态浆料组织均匀、晶粒细小且球化程度高的变形铝合金半固态浆料。