一种铝基复合材料热挤压成型及其热处理工艺

摘要

本发明涉及铝合金制备技术领域，具体公开了一种铝基复合材料热挤压成型及其热处理工艺，其工艺包括坯料准备、挤压成型、型材拉伸和时效热处理；该装置包括机架总成、车皮屑接料箱、车皮机构、坯料加持机构和坯料旋转机构；整个工艺使得成型后的型材拉伸能够有效消除复合材料的刚度高，难变形的问题，使得最终制备得到的铝基复合型材具有优异的力学性能；该装置车皮加工自动化程度高，而且极大提高了整个铝棒坯料的车皮效率，而且该装置有效保证了整个加工车间的清洁度，无需作业人员对其进行频繁清理，极大降低了作业人员的劳动强度。

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金制备技术领域，具体公开了一种铝基复合材料热挤压成型及其热处理工艺。

背景技术

铝合金具有比强度高、耐腐蚀、延展性好等优点，在航空航天及轨道交通领域得到了广泛应用。随着材料使用要求的不断提高，传统铝合金材料的性能已经难以满足使用要求，需要在铝基体中添加各类增强相以提高其综合性能。但是传统的铝基复合材料在6061铝中加入增强体后需要经过一些列复杂的热处理才能够达到提高铝基复合材料的相关性能，而且其性能提升效果并不显著。

例如申请号为CN2017108229506的发明就公开了一种铝基复合材料，其包括：基体，为纯铝；以及增强材料，分布于基体内。增强材料与基体固态结合，且铝基复合材料内的纯铝与增强材料形成的化合物占铝基复合材料的体积分数小于0.001％。这种“固态结合”实际上是一种固态焊接或焊合的过程，是一个物理过程。在固态焊接过程中，基体纯铝只是发生了塑性变形，塑性变形后的纯铝包裹住增强材料、与增强材料充分混合、并在冷却后与增强材料结合为一体，由此得到具有优异的力学性能和高的导电性的铝基复合材料。此外，由于基体与增强材料不发生化学反应或发生轻微的化学反应，因而如果产生了某些化合物，这些化合物的含量也是极其少量的，其对铝基复合材料的综合性能影响不大。上述铝基复合材料的制备手段是一目前最为常见的手段，其在制备后还需要进行一系列复杂的热处理过程才能够提高铝基复合材料的相关性能，而且性能提升并不明显。另外，现有的铝基复合材料热挤压成型与热处理工艺还需要对铝棒基材进行车皮加工，而现有的对铝棒基材车皮的装置其结构复杂，而且车皮效率较低，车皮过程中容易产生大量碎屑，需要作业人员定时清理。

因此，基于现有铝基复合材料制备方法以及现有铝棒基材车皮装置的上述不足，本申请提出了一种能够有效解决上述技术问题的铝基复合材料热挤压成型与热处理工艺及装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有铝基复合材料制备方法以及现有铝棒基材车皮装置的上述不足，本申请提出了一种能够有效解决上述技术问题的铝基复合材料热挤压成型与热处理工艺及装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种铝基复合材料热挤压成型与热处理工艺，包括如下步骤：

1）坯料准备：使用车皮装置将铝基复合坯料进行车皮，然后预热至440-470℃；

2）挤压成型：将预热后的将铝基复合坯料送入挤压设备中进行挤压成型，挤压成型时控制挤压筒的保温温度为460-480℃，模具的保温温度为490-500℃，挤压速度控制为1.0-1.2mm/s，挤压比控制为12-25；

3）型材拉伸：将挤压成型的型材经过在线淬火后在120-135℃的温度下预热1-2h，然后对预热后的型材进行拉伸处理，并控制拉伸率为1.2-2.0%；

4）时效热处理：将拉伸处理后型材直接送入时效炉中进行时效，时效的温度为160-190℃，保温时间为6-9h即得。

优选地，所述铝基复合坯料的基体合金为6061Al，基体合金中含有体积分数为1%-25%的碳化硅或碳化硼颗粒增强体。

优选地，所述步骤一中铝基复合坯料车皮厚度为3-6mm。

优选地，所述步骤一中的预热过程为先在300-320℃的温度下预热3-5h，然后再在440-470℃的温度下预热2-3h。

一种用于上述铝基复合材料热挤压成型与热处理工艺的装置，所述装置为步骤一种的车皮装置，包括机架总成、车皮屑接料箱以及车皮机构，所述机架总成包括底板以及固定连接在底板两端的第一立板和第二立板，所述第一立板和第二立板之间对称连接有两个水平滑杆，位于两个所述水平滑杆设置之间设置有第一丝杆，所述第一立板的外侧面设置有第一丝杆电机，所述第一丝杆电机的输出轴与第一丝杆的一端相连接；

所述车皮屑接料箱包括箱体以及固定连接在箱体底壁上的限位滑块，所述限位滑块上设置有螺纹孔，所述底板的两端设置有限位滑轨，所述箱体设置在两个限位滑轨之间，所述底板的上表面设置有与水平滑杆相平行的滑槽，且所述限位滑块与滑槽相匹配，所述滑槽中设置有与限位滑块上螺纹孔相匹配的第二丝杆，所述底板的一端设置有第二丝杆电机，所述第二丝杆电机与第二丝杆的一端相连接；

所述车皮机构包括移动三角架以及固定设置在移动三角架上端的下半圆夹箍，所述下半圆夹箍的一端转动连接有上半圆夹箍，所述下半圆夹箍的内壁两端设置有垫块，所述上半圆夹箍中设置有车皮刀头，所述上半圆夹箍上还设置有用于调节车皮刀头的调节螺栓，所述移动三角架的下端两侧开设有与两个水平滑杆相匹配的滑孔，所述移动三角架的下端中间设置有与第一丝杆相匹配的丝杆螺母；

所述第一立板和第二立板的上端分别设置有坯料加持机构和坯料旋转机构，所述坯料加持机构包括与第一立板内侧面上端固定连接的圆盘，所述圆盘中开设有盘状内腔，所述圆盘的一侧面开设有啮合口，所述圆盘的端面呈环形阵列状开设有三个径向条形口，所述盘状内腔中转动连接有齿盘，所述齿盘朝向径向条形口的一端面呈旋转对称设置有三个条形斜槽，每个所述条形斜槽中均设置有伸出径向条形口的滑动块，所述滑动块的外端连接有朝向圆心设置的夹块，所述夹块朝向圆心的端面镶嵌有滚珠，位于所述啮合口的一侧设置有齿条，所述齿条的齿面通过啮合口与齿盘相啮合设置，所述第一立板上还设置有用于推动齿条的伸缩装置；

所述坯料旋转机构包括设置在第二立板内侧面上端的钉盘，所述钉盘朝向坯料加持机构的一端面设置有多个固定钉，另一端面圆心处连接有中空转杆，所述第二立板的外侧面上端固定有凸板，所述凸板上设置有旋转电机，所述旋转电机的输出轴连接有与中空转杆相匹配的同步插接杆，所述中空转杆穿过第二立板与同步插接杆相连接，所述中空转杆上连接有轴承座，所述第二立板上固定设置有气缸，所述气缸的活塞杆端部与轴承座相连接。

作为上述方案的进一步设置，所述移动三角架上转动连接有液压伸缩杆，所述液压伸缩杆的活塞杆端部与下半圆夹箍转动连接。

作为上述方案的进一步设置，所述第一立板的上下两端还设置有导向框，所述齿条的两端设置在导向框中。

作为上述方案的进一步设置，所述伸缩装置为气缸、液压缸或者电动伸缩杆其中的一种。

作为上述方案的进一步设置，所述同步插接杆包括圆形杆体和设置在圆形杆体圆周面上的多个限位条，所述中空转杆上开设有与圆形杆体、限位条截面相同的插槽。

作为上述方案的进一步设置，所述调节螺栓的顶端还连接有手摇轮。

有益效果：

1）本发明公开的铝基复合材料热挤压成型与热处理工艺中对坯料采用梯度升温有效解决复合材料由于陶瓷颗粒增强体加入后导热性降低的问题，使复合材料达到完全的预热充分，并且将挤压筒保温温度和模具的保温温度均高于铸锭本身设置，有效避免了复合材料在转移和挤压准备过程中的温度降低问题，保证复合材料铸锭的开始挤压温度处于工艺窗口内，有效的保证复合材料挤出后能够保持较高的温度，实现复合材料的在线淬火工艺，从而节省由于离线淬火导致成本升高的问题；最后对成型后的型材拉伸能够有效消除复合材料的刚度高，难变形的问题，使得最终制备得到的铝基复合型材具有优异的力学性能。

2）本发明公开的装置，通过切断装置将铝棒切成等长段，然后放入车皮机构中，通过坯料加持机构能实现对铝棒坯料一端的自动、稳定夹持，然后再通过坯料旋转机构将铝棒坯料与其固定连接，并通过旋转电机使得在铝棒料在旋转过程中被移动的车皮机构进行全方位的车皮加工，其车皮加工自动化程度高，而且极大提高了整个铝棒坯料的车皮效率。

3）本发明公开的装置还在车皮机构的下方设置与其同步移动的车皮屑接料箱，在车皮机构对棒状坯料进行车皮加工时两者同步移动，其车皮加工过程中的碎屑料能够全部落入箱体中，有效保证了整个加工车间的清洁度，无需作业人员对其进行频繁清理，极大降低了作业人员的劳动强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明铝基复合材料热挤压成型与热处理工艺的步骤流程图；

图2为本发明的第一角度立体结构示意图；

图3为本发明的第二角度立体结构示意图；

图4为本发明中车皮机构的立体结构示意图；

图5为本发明中箱体、限位滑块的立体结构示意图；

图6为本发明中坯料加持机构的立体结构示意图；

图7为本发明中圆盘的立体结构示意图；

图8为本发明中齿盘的立体结构示意图；

图9为本发明中滑动块、夹块、滚珠的立体结构示意图；

图10为本发明钉盘、中空转杆等立体结构示意图；

图11为本发明中旋转电机、同步插接杆的立体结构示意图。

其中：

100-机架总成，101-底板，1011-滑槽，102-第一立板，103-第二立板，104-水平滑杆，105-第一丝杆，106-第一丝杆电机；

200-车皮屑接料箱，201-箱体，202-限位滑块，2021-螺纹孔，203-限位滑轨，204-第二丝杆，205-第二丝杆电机，

300-车皮机构，301-移动三角架，3011-滑孔，302-下半圆夹箍，303-上半圆夹箍，304-垫块，305-车皮刀头，306-调节螺栓，3061-手摇轮，307-丝杆螺母，308-液压伸缩杆；

400-坯料加持机构，401-圆盘，402-盘状内腔，403-啮合口，404-径向条形口，405-齿盘，406-条形斜槽，407-滑动块，408-夹块，409-滚珠，410-齿条，411-伸缩装置，412-导向框；

500-坯料旋转机构，501-钉盘，502-固定钉，503-中空转杆，5031-插槽，504-凸板，505-旋转电机，506-同步插接杆，5061-圆形杆体，5062-限位条，507-轴承座，508-气缸。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1~11，并结合实施例来详细说明本申请公开的铝基复合材料热挤压成型与热处理工艺及装置。

实施例1

实施例1公开了一种铝基复合材料热挤压成型与热处理工艺，参考附图1，该工艺包括如下步骤：

坯料准备：准备低体积分数颗粒增强铝基复合材料，其中基体合金为6061Al，基体合金中的增强体的体积分数为1%-25%，增强体为碳化硅或碳化硼颗粒。将复合材料先后进行车皮和预热，其中车皮目的是去除复合材料铸锭表面的不完全复合层，厚度约为3-6mm。预热工艺参数为先在300-320℃温度下预热3-5h，然后再在440-470℃温度下预热2-3h，其中梯度升温的目的解决复合材料由于陶瓷颗粒增强体加入后导热性降低的问题，使复合材料达到完全的预热充分。

挤压成型：挤压成型前将挤压筒的保温温度控制在460-480℃温度范围内，模具的保温温度控制在490-500℃温度范围内，其中挤压速度控制为1.0-1.2mm/s，挤压比控制为12-25。上述挤压筒保温温度和模具的保温温度均高于铸锭本身，主要的目的是改善复合材料在转移和挤压准备过程中的温度降低问题，保证复合材料铸锭的开始挤压温度处于工艺窗口内，复合材料中陶瓷颗粒会显著降低基体合金的变形能力，对温度的敏感性极高。因此较高的模具保温温度和挤压筒温度即可保证铸锭的温度，同时还可以有效的保证复合材料挤出后能够保持较高的温度，实现复合材料的在线淬火工艺，从而节省由于离线淬火导致制造成本升高的问题。

型材拉伸：将复合材料挤压完成并经过在线淬火后，首先进行复合材料预热，预热温度为120-135℃，预热时间为1-2h，然后再对型材进行拉伸处理，拉伸率为1.2-2.0%。上述拉伸的主要目的是复合材料的刚度高，难变形，而经过时效后变形难度更大，型材的尺寸偏差可以有效的通过拉伸进行消除。

时效热处理：将上述拉伸处理后复合材料型材直接进入时效炉中进行时效，时效的工艺参数为160-190℃，保温时间为6-9h。

实施例2

实施例2公开了一种用于实施例1步骤一中的车皮装置，参考附图2和附图3，其主体包括机架总成100、车皮屑接料箱200以及车皮机构300。

其中，机架总成100包括底板101以及固定连接在底板101两端的第一立板102和第二立板103，第一立板102和第二立板103之间对称连接有两个水平滑杆104，位于两个水平滑杆104设置之间设置有第一丝杆105，第一立板102的外侧面设置有第一丝杆电机106，第一丝杆电机106的输出轴与第一丝杆105的一端相连接，通过第一丝杆电机106的驱动作用能够实现第一丝杆105的转动。

参考附图2和附图4，车皮屑接料箱200包括箱体201以及固定连接在箱体201底壁上的限位滑块202，限位滑块202上设置有螺纹孔2021。在底板101的两端设置有限位滑轨203，箱体201设置在两个限位滑轨203之间，同时在底板101的上表面设置有与水平滑杆104相平行的滑槽1011，并且限位滑块202与滑槽1011相匹配。在滑槽1011中设置有与限位滑块202上螺纹孔相匹配的第二丝杆204，底板101的一端设置有第二丝杆电机205，第二丝杆电机205与第二丝杆204的一端相连接。通过第二丝杆电机205驱动第二丝杆204转动，然后通过限位滑块202上螺纹孔2021与第二丝杆204的传动作用能够实现箱体201沿着限位滑轨203往复运动。

参考附图2和附图5，车皮机构300包括移动三角架301以及固定设置在移动三角架301上端的下半圆夹箍302，下半圆夹箍302的一端转动连接有上半圆夹箍303，下半圆夹箍302的内壁两端设置有垫块304，上半圆夹箍303中设置有车皮刀头305，上半圆夹箍303上还设置有用于调节车皮刀头305的调节螺栓306，并在调节螺栓306的顶端还连接有手摇轮3061，通过转动手摇轮3061使得调节螺栓306升降，从而调节车皮刀头305的车皮深度。另外，为了实现下半圆夹箍302和上半圆夹箍303之间自动实现打开或关闭，还在移动三角架301上转动连接有液压伸缩杆308，液压伸缩杆308的活塞杆端部与下半圆夹箍302转动连接，通过控制液压伸缩杆308的生长或缩短即可实现对待加工铝棒的夹持。最后，在移动三角架301的下端两侧开设有与两个水平滑杆104相匹配的滑孔3011，移动三角架301的下端中间设置有与第一丝杆105相匹配的丝杆螺母307。通过第一丝杆电机106的驱动作用能够实现第一丝杆105的转动，然后再通过第一丝杆105与丝杆螺母307的传动作用能够实现整个车皮机构300沿着铝棒表面移动，从而实现对铝棒的全方位车皮加工。

参考附图2和附图3，在第一立板102和第二立板103的上端分别设置有坯料加持机构400和坯料旋转机构500。

参考附图6、附图7、附图8和附图9，该坯料加持机构400包括与第一立板102内侧面上端固定连接的圆盘401，在圆盘401中开设有盘状内腔402，并在圆盘401的一侧面开设有啮合口403。在圆盘401的端面呈环形阵列状开设有三个径向条形口404，同时在盘状内腔402中转动连接有齿盘405，并在齿盘405朝向径向条形口404的一端面呈旋转对称设置有三个条形斜槽406。在每个条形斜槽406中均设置有伸出径向条形口404的滑动块407，滑动块407的外端连接有朝向圆心设置的夹块408，夹块408朝向圆心的端面镶嵌有滚珠409。

位于啮合口403的一侧设置有齿条410，齿条410的齿面通过啮合口403与齿盘405相啮合设置，第一立板102上还设置有用于推动齿条410的伸缩装置411。具体地伸缩装置411可选用气缸、液压缸或者电动伸缩杆其中的一种，并且为了保证齿条410能够沿着设定方向无偏差移动，还在第一立板102的上下两端还设置有导向框412，齿条410的两端设置在导向框412中。上述坯料加持机构400通过伸缩装置411推动齿条410移动，并在齿条移动410的过程中与齿盘405相啮合使得齿盘转动，然后由于条形斜槽406和径向条形口404的设置能够使得三个夹块408同时向内或向外移动，实现对铝棒端部的夹持，并且由于滚珠409的设置使得铝棒在被坯料加持机构400夹持后仍能够转动。

参考附图3、附图10和附图11，坯料旋转机构500包括设置在第二立板103内侧面上端的钉盘501，钉盘501朝向坯料加持机构400的一端面设置有多个固定钉502，另一端面圆心处连接有中空转杆503，第二立板103的外侧面上端固定有凸板504，凸板504上设置有旋转电机505，旋转电机505的输出轴连接有与中空转杆503相匹配的同步插接杆506，中空转杆503穿过第二立板103与同步插接杆506相连接，中空转杆503上连接有轴承座507，第二立板103上固定设置有气缸508，气缸508的活塞杆端部与轴承座507相连接。

具体设置时，该同步插接杆506包括圆形杆体5061和设置在圆形杆体5061圆周面上的多个限位条5062，中空转杆503上开设有与圆形杆体5061、限位条5062截面相同的插槽5031。上述坯料旋转机构500通过气缸508推动钉盘501向铝棒端面靠近，使得固定钉502与铝棒端面固定连接，然后再通过启动旋转电机505，通过中空转杆503与同步插接杆506之间的传动作用能够使得铝棒在车皮过程中转动，实现对铝棒圆周表面的全方位车皮加工。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。