一种高熔点合金触变成形装置及成形工艺

摘要

本发明公开了一种高熔点合金触变成形装置及成形工艺，其中触变成形装置包括测温组件和成形组件，所述测温组件包括R型热电偶和外接仪表，所述R型热电偶与外接仪表连接，所述成形组件包括对称布置的两个成形单元，所述触变成形装置还包括真空室，所述成形组件置于真空室内，本发明的有益效果在于，避免了坯料在半固态温度区间的运输过程所带来的氧化、温降等问题，温度控制精确且实时监控，能实现高熔点合金的触变成形，连续工作稳定、可靠，抗氧化，表面质量好，生产制件组织特性呈梯度分布，能够满足特殊的使用要求。

权利要求

1.一种高熔点合金触变成形装置，包括：测温组件和成形组件，所述测温组件包括R型热电偶(7)和外接仪表，所述R型热电偶(7)与外接仪表连接，所述成形组件包括对称布置的两个成形单元，其特征在于，所述触变成形装置还包括真空室，所述成形组件置于真空室内；

所述成形单元包括电源(1)、电极(2)、底座(3)、压头(4)、成形模具(5)和硅酸纤维层(6)，所述电极(2)设置于所述底座(3)上，所述底座(3)一端与液压杆连接，另一端与所述压头(4)一端相连，所述压头(4)另一端端面上设置有凸台，所述成形模具(5)一端设置有压头容设腔，其形状与所述压头(4)形状相同，所述成形模具(5)的压头容设腔与所述压头(4)配合安装连接，所述成形模具(5)另一端设有成形腔。

2.根据权利要求1所述的触变成形装置，其特征在于，所述成形腔形状为所要加工零件形状的一半，当两成形单元接合时，两成形单元的成形腔接合，其形状为所要加工的零件的形状。

3.根据权利要求1所述的触变成形装置，其特征在于，所述成形腔底部设有坯料安装孔，所述坯料安装孔连接压头容设腔与成形腔。

4.根据权利要求1所述的触变成形装置，其特征在于，所述成形模具(5)的压头容设腔与坯料安装孔内壁设置有硅酸纤维层(6)。

5.根据权利要求1所述的触变成形装置，其特征在于，所述成形装置最高加热温度为

1400℃。

6.一种高熔点合金触变成形工艺，所述工艺采用权利要求1-5之一所述的触变成形装置，其步骤如下：a.按照压头(4)形状及所要制得的制件形状设计成形模具(5)的压头容设腔及成形腔，按照半固态坯料规格设计坯料安装孔，并在压头容设腔和坯料安装孔内设置硅酸纤维层(6)；

b.将成形模具(5)安装到压头(4)上，将制备好的半固态坯料安装到成形模具(5)的坯料安装孔中，调整R型热电偶(7)，使R型热电偶(7)偶丝与半固态坯料接触；

c.将真空室抽真空；

d.通电，电流经电极(2)、底座(3)、压头(4)和半固态坯料构成的通路加热，平均升温速率为1.5℃/S，加热至所需的触变成形温度，触变成形温度区间Tmin—Tmax介于坯料的固相线温度Ts和液相线温度Tl之间，其温度为1250℃

e.保温15秒后，压制成形，成形速率为0.6—30mm/s，在压制过程中，对坯料持续加热保温；

f.成形后冷却，取出制件。

7.根据权利要求6所述的触变成形工艺，其特征在于，所述半固态坯料材料包括：

9Cr18、9Cr18Mo、60Si2Mn、1Cr18Ni9Ti。

说明书

一种高熔点合金触变成形装置及成形工艺

技术领域

[0001] 本发明属于金属材料领域，具体地说，涉及一种高熔点合金触变成形装置及成形工艺。

背景技术

[0002] 20世纪70年代，美国麻省理工学院M. C. Flemings教授等人创立了金属半固态成形的概念、理论和技术（文献1：Metallurgical Transactions，1972, 3（7）：1925-1932）。半固态加工是利用金属材料在固液共存状态下所特有的流变特性进行成形的技术。首先要制备含有一定体积比例的非枝晶固相的固液混合浆料，成形方法有流变成形和触变成形两种。触变成形是指将控制凝固过程获得的非枝晶半固态坯料冷却凝固后，按照所需尺寸切割，再重新加热到半固态温度，进行锻造、轧制或挤压等加工的成形方法。由于具有易于实现工业化和自动化的特点，因此受到广泛的关注和重视。目前半固态金属加工大部分为触变成形加工，半固态金属触变压铸（thixo-die casting）和触变锻造（thixoforging）是当今半固态成形中主要的工艺方法。成形设备主要是压铸机和锻压机，并配有机械手，用于搬运坯料和抓取毛坯。触变成形的制件已投入到工业化生产阶段，主要应用于汽车、电子等领域。

[0003] 目前半固态触变成形技术生产的主要是铝镁等低熔点合金，如铝合金A356、A357和镁合金AZ91D等。对于高熔点的黑色金属仍处于研究阶段，高熔点合金主要面临液固两相区相对较窄、温度过高对设备以及模具的要求更高等难点。但是钢铁材料复杂结构制件成形往往需要复杂锻造、剪裁及热处理工序。触变成形能生产形状复杂的制件并具有近净成形的特点，因此钢铁材料的半固态触变成形加工具有广阔的前景。

[0004] 由于特殊的组织特性，半固态金属的变形特性不同于传统的热加工变形（文献2：CIRP Annals - Manufacturing Technology，2002, 51（2）：653-670）。传统热加工变形时，晶粒之间相互直接接触，变形微观上通过晶粒的压扁或拉长来实现。而材料在半固态区间成形时，固相颗粒被熔化的液相包围，液相具有流动性，倾向于在固相颗粒的间隙通道之间流动；固相颗粒则通过滑动、旋转予以协调。固液两相不同的流变机制为制备组织特性呈梯度的材料提供了可能。

[0005] 借助于压铸设备和锻压机的触变成形工艺一般步骤是将预先制得并切割的半固态坯料在感应电炉中加热到半固态温度区间，经由多轴机械手运送至压铸机或锻压机进行成形。成形过程中存在诸多问题：需要昂贵的多轴机械手运输半固态坯料；在输送过程中易发生氧化；坯料输送过程中的温降在成形过程中无法控制，由于半固态成形对温度十分敏感，因此对触变成形产生不利影响。专利（200410000987.3）公开了一种利用预热装置来避免半固态区间的氧化问题，但仍需要高温坯料的运输。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服触变成形过程中坯料运输所带来的氧化、温降等问题，提供一种用于高熔点半固态合金坯料一步触变成形的装置，并且利用材料在半固态区间液固两相不同的流动机制，获得组织内外不同，呈梯度分布制件的生产工艺。

[0007] 为了达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

[0008] 一种高熔点合金触变成形装置，包括：测温组件和成形组件，所述测温组件包括R型热电偶和外接仪表，所述R型热电偶与外接仪表连接，所述成形组件包括对称布置的两个成形单元，所述触变成形装置还包括真空室，所述成形组件置于真空室内。

[0009] 进一步的，所述成形单元包括电源、电极、底座、压头、成形模具和硅酸纤维层，所述电极设置于所述底座上，所述底座一端与液压杆连接，另一端与所述压头一端相连，所述压头另一端端面上设置有凸台，所述成形模具一端设置有压头容设腔，其形状与所述压头形状相同，所述成形模具的压头容设腔与所述压头配合安装连接，所述成形模具另一端设有成形腔。

[0010] 进一步的，所述成形腔形状为所要加工零件形状的一半，当两成形单元接合时，两成形单元的成形腔接合，其形状为所要加工的零件的形状。

[0011] 进一步的，所述成形腔底部设有坯料安装孔，所述坯料安装孔连接压头容设腔与成形腔。

[0012] 进一步的，所述成形模具的压头容设腔与坯料安装孔内壁设置有硅酸纤维层。

[0013] 进一步的，所述成形装置最高加热温度为1400℃。

[0014] 一种高熔点合金触变成形工艺，所述工艺采用上述的触变成形装置，其步骤如下：

[0015] a.按照压头形状及所要制得的制件形状设计成形模具的压头容设腔及成形腔，按照半固态坯料规格设计坯料安装孔，并在压头容设腔和坯料安装孔内设置硅酸纤维层；

[0016] b.将成形模具安装到压头上，将制备好的半固态坯料安装到成形模具的坯料安装孔中，调整R型热电偶，使R型热电偶偶丝与半固态坯料接触；

[0017] c.将真空室抽真空；

[0018] d.通电，电流经电极、底座、压头和半固态坯料构成的通路加热，平均升温速率为1.5℃/S，加热至所需的触变成形温度，触变成形温度区间Tmin—Tmax介于坯料的固相线温度Ts和液相线温度Tl之间，其温度为1250℃

[0019] e.保温15秒后，压制成形，成形速率为0.6—30mm/s，在压制过程中，对坯料持续加热保温。

[0020] f.成形后冷却，取出制件。

[0021] 进一步的，所述半固态坯料材料包括：9Cr18、9Cr18Mo、60Si2Mn、1Cr18Ni9Ti。

[0022] 本发明的有益效果在于工艺操作简便，避免了坯料在半固态温度区间的运输运输过程所带来的氧化、温降等问题，温度控制精确且实时监控，能实现高熔点合金的触变成形，连续工作稳定、可靠，抗氧化，表面质量好。生产制件组织特性呈梯度分布，能够满足特殊的使用要求。

附图说明

[0023] 图1 是本发明的成形装置结构示意图；

[0024] 图2 是本发明触变成形的工艺曲线；

[0025] 图3是本发明触变成形后制件的金相组织。

[0026] 其中：1.电源、2.电极、3.底座、4.压头、5.成形模具、6.硅酸纤维层、7.R型热电偶。

具体实施方式

[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

[0028] 相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。

[0029] 现有的触变成形工艺一般是将预先制得并切割的半固态坯料在感应电炉中加热到半固态温度区间，然后输送至压铸机或锻压机进行成形，在输送过程中易发生氧化，坯料输送过程中的温降在成形过程中无法控制，由于半固态成形对温度十分敏感，因此对触变成形产生不利影响，本发明提供一种可一步成形的触变成形装置，有效的解决了运输过程中坯料氧化、降温等问题。

[0030] 图1 为本发明一实施例的成形装置结构示意图，一种高熔点合金触变成形装置，所述触变成形装置包括：真空室、测温装置和成形组件，所述测温装置包括R型热电偶7和外接仪表，所述R型热电偶7与外接仪表连接，R型热电偶7偶丝置于真空室内，偶丝直径为0.5mm，允许偏差-0.015mm，长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃ ，在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点，其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好；所述成形组件设置于真空室内，包括对称布置的两个成形单元，每个所述成形单元包括电源1、电极2、底座3、压头4、成形模具5和硅酸纤维层6，所述电极2设置于所述底座3上，所述底座3一端与液压杆连接，另一端与所述压头4一端相连，所述压头4另一端端面上设置有圆形凸台，所述成形模具5一端设置有压头容设腔，其形状与所述压头4形状相同，所述成形模具5的压头容设腔与所述压头4配合安装连接，所述成形模具5另一端设有成形腔，所述成形腔形状为所要加工零件形状的一半，当两成形单元接合时，两成形单元的成形腔接合，其形状为所要加工的零件的形状，所述成形腔底部设有坯料安装孔，所述坯料安装孔连接压头容设腔与成形腔，其中，所述成形模具5的压头容设腔与坯料安装孔内壁设置有硅酸纤维层6，其耐高温且起到绝缘作用，防止电流流经模具，减少模具生热，所述成形模具5材质为热作工具钢H13，具有很好的淬透性、韧性和良好的抗热裂能力，成形时，先将半固态坯料安装到对称布置的两个成形单元的坯料安装孔中，R型热电偶7偶丝一端与半固态坯料接触，分别给两个成形单元的电极2通电，电流由两成形单元的电极2、底座3、压头4和半固态坯料构成通路进行加热，加热至所需触变成形温度后，压缩成形，冷却取出即可获得表面质量良好、组织特性呈梯度分布的制件。

[0031] 所述成形装置最高加热温度（1400℃）大于高熔点合金触变成形所需温度（通常1250—1350℃）。

[0032] 所述半固态坯料材料包括：9Cr18、9Cr18Mo、60Si2Mn、1Cr18Ni9Ti等，在本实施例中，使用符合国家标准GB/T1200-2007的9Cr18不锈钢，实测化学成分如表1所示，经DSC曲线分析材料的固相线温度Ts为1289.5℃，液相线温度Tl为1423.2℃，经倾斜板法制备获得的具有大小分布均匀的球状或类球状晶粒组织，平均等效晶粒尺寸为104 10μm。

[0033] 表1 实施例实测化学成分（质量分数%）

[0034]标准号 成分 C Si P S Ni Cr Fe
GB/T 1200-2007 含量 0.97 0.52 0.02 0.005 0.16 17.3 余量

[0035] 一种高熔点合金触变成形工艺，使用上述触变成形装置，包括以下步骤：

[0036] a.按照压头4形状及所要制得的制件形状设计成形模具5的压头容设腔及成形腔，按照半固态坯料规格设计坯料安装孔，并在压头容设腔和坯料安装孔内设置硅酸纤维层6；

[0037] b.将成形模具5安装到压头4上，将制备好的半固态坯料安装到成形模具5的坯料安装孔中，调整R型热电偶7，使R型热电偶7偶丝与半固态坯料接触；

[0038] c.将真空室抽真空；

[0039] d.通电，电流经电极2、底座3、压头4和半固态坯料8构成的通路加热，平均升温速率为1.5℃/S，加热至所需的触变成形温度，触变成形温度区间Tmin—Tmax介于坯料的固相线温度Ts和液相线温度Tl之间，即1250℃

[0040] e.保温15秒后，压制成形，成形速率为0.6—30mm/s，在压制过程中，对坯料持续加热保温。

[0041] f.成形后冷却，取出制件。

[0042] 图2 是本发明触变成形的工艺曲线，可以看出，基于本触变成形装置，成形工艺简单，通过加热至所需触变温度，保温15s后即可直接成形，无需进行坯料的输送，半固态坯料的变形特性不同于传统的热加工变形，此时半固态坯料由近球状的固相颗粒及包围球状固相颗粒的液相组成，半固态条件下液固两相流动机制不同，包围球状固相颗粒的液相倾向于在固相颗粒间隙的通道内流动，而固相颗粒则通过滑动、旋转予以协调，随着压缩的进行液相沿固相颗粒间的通道被挤至表层，遇冷形成细小的枝晶组织。

[0043] 图3是本发明触变成形后制件的金相组织，成形制件沿径向截面的金相组织特征，径向最外层为细小枝晶组织，沿径向内侧有明显分层现象，内侧为固相颗粒，残留有向分界面方向的液相流动通道，最内侧液相基本完全被挤出，很少有液相共晶组织存在，基本为固相颗粒，组织呈现梯度分布特性。

[0044] 本发明的有益效果在于工艺操作简便，避免了坯料在半固态温度区间的运输运输过程所带来的氧化、温降等问题，温度控制精确且实时监控，能实现高熔点合金的触变成形，连续工作稳定、可靠，抗氧化，表面质量好，生产制件组织特性呈梯度分布，能够满足特殊的使用要求。