用于异种金属共挤的起伏表面模芯、挤压模具及挤压方法

摘要

本发明公开了一种用于异种金属共挤的起伏表面模芯、挤压模具及挤压方法，起伏表面模芯，其相对的两个工作面均为起伏表面，起伏表面的一个起伏周期的形状为波纹形、矩形、梯形或三角形，两个工作面的起伏表面的峰、谷间隔设置。与传统平面形模芯相比，这种起伏表面模芯将型材的结合界面由传统的二维形状提高到了三维形状，增大了结合界面的面积；金属材料在这种模芯的起伏表面处能够产生更大的三维塑性应变，增大了结合界面氧化物和污染物的破碎程度，提高了新鲜金属的暴露程度，同时也有助于界面处材料组织的细化。界面处氧化物和污染物破碎程度越大，新鲜金属的暴露程度越高，越有助于形成良好的结合界面，从而可有效提高界面结合强度。

权利要求

1.一种用于异种金属共挤的起伏表面模芯，其特征在于：其相对的两个工作面均为起伏表面，两个工作面的起伏表面均采用峰、谷间隔设置，所述起伏表面模芯的起伏通道与挤压方向平行，两个工作面上的起伏表面所具有的起伏结构的深度均为0.8mm，宽度均为

1.0mm，使金属材料在模芯的起伏表面和结合界面处产生三维塑性变形，增大异种金属结合界面上氧化物和污染物的破碎程度，提高新鲜金属的暴露程度。

2.根据权利要求1所述的用于异种金属共挤的起伏表面模芯，其特征在于：所述起伏表面所具有的起伏结构的横截面形状为波纹形、矩形、梯形或三角形。

3.根据权利要求2所述的用于异种金属共挤的起伏表面模芯，其特征在于：起伏表面模芯相对的两个工作面的起伏结构对应方式为波纹形对波纹形、波纹形对三角形、波纹形对梯形、波纹形对矩形、矩形对矩形、矩形对三角形、矩形对梯形、梯形对梯形、梯形对三角形或三角形对三角形。

4.根据权利要求2所述的用于异种金属共挤的起伏表面模芯，其特征在于：起伏表面模芯相对的两个工作面的起伏结构对应方式为峰对谷、峰对腰或峰对峰。

5.一种用于异种金属共挤的挤压模具，其特征在于：其模芯为权利要求1‑4任一项所述的起伏表面模芯。

6.根据权利要求5所述的用于异种金属共挤的挤压模具，其特征在于：所述起伏表面模芯安装于上模中，模芯下方为焊合室。

7.根据权利要求6所述的用于异种金属共挤的挤压模具，其特征在于：所述起伏表面模芯的两个工作面分别位于两个坯料腔的下方。

8.一种用于异种金属共挤的挤压方法，采用如权利要求5‑7任一项所述的挤压模具，其特征在于：包括如下步骤：

将两种异种金属坯料分别放入挤压筒中各自的坯料腔中进行挤压；

两种异种金属坯料在挤压杆和挤压垫的推动作用下沿模芯的起伏表面流入焊合室，在焊合室内的高温、高压和变形作用下实现结合，在两种金属的结合界面处形成相应形状的三维结合界面；

结合后的金属从模孔中挤出，获得带有三维结合界面的异种金属复合型材。

9.根据权利要求8所述的用于异种金属共挤的挤压方法，其特征在于：异种金属坯料共挤为铝合金、镁合金或铜合金任意两者的共挤，或不同型号的铝合金、镁合金或铜合金的共挤。

说明书

用于异种金属共挤的起伏表面模芯、挤压模具及挤压方法

技术领域

[0001] 本发明属于异种金属共挤模具技术领域，具体涉及一种用于异种金属共挤的起伏表面模芯、挤压模具及挤压方法。

背景技术

[0002] 公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技
术。

[0003] 随着科学技术的发展，新结构、新材料和新工艺的应用日益广泛，许多行业领域对材料性能的要求越来越高，单一的金属材料在某些工况条件下也难以满足使用要求，同时，
为充分发挥不同材料的性能和功能优势，更有效地实现轻量化，并降低成本，异种金属共挤
等复合成形技术日益受到人们的重视，在实际生产和应用中不断发挥越来越重要的作用。

[0004] 多种金属坯料复合热挤压技术是生产异种金属复合型材的常用方法，该方法将不同种类的金属坯料加热后分别放入到挤压筒的不同坯料腔内，在挤压机推杆的推动下，坯
料沿模芯表面被挤入焊合室，在焊合室内的高温高压和塑性变形作用下实现界面结合，结
合后的材料最终被挤出模具工作带(定径带)而形成复合型材，异种金属的结合界面最终留
在型材的内部。复合共挤成形的金属可包括：不同牌号的铝合金(铝‑铝合金复合共挤)、不
同牌号的镁合金(镁‑镁合金复合共挤)、铝合金与镁合金(铝‑镁合金复合共挤)、铝合金与
铝锂合金(铝‑铝锂合金复合共挤)等。

[0005] 复合挤压型材的结合界面是异种金属材料在焊合室内经固态焊合而形成的，结合界面上常分布有夹杂、空洞等缺陷，这些位置往往成为产生腐蚀及应力腐蚀、疲劳裂纹萌生
与扩展的主要位置，因而成为复合型材性能中最为薄弱的部位。结合界面上的缺陷可分为
宏观缺陷和微观缺陷，宏观缺陷是指结合界面尚未结合而形成的宏观孔洞或裂隙，微观缺
陷是指结合界面在宏观尺度下结合良好，但在微观尺度下仍存在微孔洞、微裂隙、氧化膜或
其它夹杂物等，从而导致结合界面两侧金属原子未能结合和形成金属键。因此，异种金属复
合挤压型材的整体力学性能与质量很大程度上取决于界面的结合质量，如何提高界面结合
质量和性能成为异种金属复合挤压型材产品的关键和难点，也是异种材料复合热挤压技术
领域一直追求的目标。

发明内容

[0006] 针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种用于异种金属共挤的起伏表面模芯、挤压模具及挤压方法。

[0007] 为解决以上技术问题，本发明的以下一个或多个实施例提供了如下技术方案：

[0008] 第一方面，本发明提供一种用于异种金属共挤的起伏表面模芯，其相对的两个工作面均为起伏表面，两个工作面的起伏表面的峰、谷间隔设置。

[0009] 第二方面，本发明提供一种用于异种金属共挤的挤压模具，其模芯为所述起伏表面模芯。

[0010] 第三方面，本发明提供一种用于异种金属共挤的挤压方法，以两种金属复合共挤为例，包括如下步骤：

[0011] 将模具进行预加热，然后装入挤压筒；将两种金属坯料进行加热，并将加热后的两种异种金属坯料分别放入挤压筒中各自的坯料腔中进行挤压；

[0012] 两种异种金属坯料在挤压杆和挤压垫的推动作用下发生塑性变形，并沿模芯的起伏表面流入焊合室，在焊合室内的高温、高压和变形作用下实现界面结合，并在坯料结合界
面处形成相应形状的三维结合界面；

[0013] 界面结合后的坯料从模孔中挤出，得到带有三维结合界面的异种金属复合型材。

[0014] 与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：

[0015] 挤压工艺与模具结构对异种材料复合挤压型材结合界面的微观组织形貌和力学性能具有重要影响。与矩形模芯相比，尖角形模芯更有利于提高界面结合的质量；过浅的焊
合室将导致结合界面出现宏观孔洞缺陷，在模芯下方易出现气室或导致金属与模芯表面之
间出现滑动摩擦，而较深的焊合室有利于提高型材的界面结合质量和极限挤压速度。所以，
增加挤压模具焊合室高度可有助于提高界面结合质量。在异种金属复合热挤压过程中，结
合界面上的两种金属的结合过程可归结为不规则的界面微凸起不断接触而造成的界面微
空洞闭合和界面晶界迁移行为，影响空洞闭合和结合的主要因素包括温度、应力、应变、应
变速率和材料本身，其中塑性应变影响结合界面氧化层或污染层的破碎程度及新鲜金属暴
露程度，也影响空洞周围的位错密度，而位错密度又对原子扩散具有重要影响。因此，提高
结合界面上的局部应变，即增大结合界面区域的塑性变形有助于提高氧化层或污染层的破
碎程度及新鲜金属暴露程度。

[0016] 表面起伏模芯采用非平面形状(即起伏形状)，且两个工作的起伏表面采用多种对应方式，如波纹表面模芯可采取波峰与波峰对应、波峰与波谷对应、波峰与波谷错角度对应
等方式。与传统平面形模芯相比，这种表面起伏模芯能够将结合界面由传统的二维形状提
高到三维形状，可有效增大结合面积，尤其是能够使金属材料在这种模芯的波纹表面和结
合界面处产生更大的三维塑性变形，显著增大结合界面氧化物和污染物的破碎程度，明显
提高新鲜金属的暴露程度，同时也有助于界面处材料组织的细化。界面处的氧化物和污染
物破碎程度越大，新鲜金属的暴露程度越高，就越有助于界面的结合，从而可有效提高异种
金属复合挤压型材的界面结合强度及其质量。

附图说明

[0017] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0018] 图1为本发明实施例的起伏表面模芯挤压模具的立体结构剖面图；

[0019] 图2为本发明实施例的起伏表面模芯挤压模具的结构剖分示意图(a)和起伏表面模芯放大图(b)；

[0020] 图3为本发明实施例的模芯表面起伏结构示意图，其中，(a)为波纹形，(b)矩形，(c)梯形，(d)三角形；

[0021] 图4为本发明实施例的模芯两个工作表面起伏结构的对应方式，其中，(a)为波峰对波谷，(b)波峰对波腰，(c)波峰对波峰，(d)波纹形对三角形；

[0022] 图5为本发明实施例的双面波纹形的模芯形状(波峰对波谷)结构示意图，其中，(a)为轴侧图，(b)为(a)中A‑A方向的剖面图；

[0023] 图6为本发明实施例1的双面波纹形模芯模具挤出的Mg‑Al复合板的结构示意图，其结合界面为波纹形；

[0024] 图7中(a)为本发明实施例2的双面三角形模芯挤压模具的结构剖分示意图，(b)为双面三角形模芯放大图，两种坯料的材质分别为7075铝合金和6063铝合金；

[0025] 图8为本发明实施例2中的双面三角形起伏的模芯形状，其中，(a)为轴测图，(b)为(a)中轴测图中A‑A方向的剖面图；

[0026] 图9为本发明实施例2中双面三角形起伏的模芯模具挤出的Al‑Al复合板的结构示意图，结合界面为三角形；

[0027] 图10为本发明对比例1中传统平面形模芯的结构示意图，其中，(a)为轴测图，(b)为(a)中轴测图中A‑A方向的剖面图；

[0028] 图11为本发明对比例1中传统平面形模芯模具挤出的Mg‑Al复合板的示意图，结合界面为平面；

[0029] 图12为本发明对比例2中传统平面形分流桥模具挤出的Al‑Al复合板的示意图，结合界面为平面。

[0030] 图中：1‑第一挤压杆；2‑第二挤压杆，3‑第一挤压垫，4‑第二挤压垫，5‑第一坯料腔，6‑第二坯料腔，7‑挤压筒，8‑起伏表面模芯，9‑上模，10‑模孔，11‑空刀，12‑下模，13‑结
合界面，14‑复合型材，15‑第一材质的坯料，16‑第二材质的坯料。

具体实施方式

[0031] 应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常
理解的相同含义。

[0032] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0033] 第一方面，本发明提供一种用于异种金属共挤的起伏表面模芯，其相对的两个工作面均为起伏表面，两个工作面的起伏表面的峰、谷间隔设置。

[0034] 该起伏表面可以为所有非平面形状。

[0035] 在一些实施例中，起伏表面的一个起伏周期的形状为波纹形、矩形、梯形或三角形。

[0036] 进一步的，起伏表面模芯相对的两个工作面的起伏结构对应方式为：波纹形对波纹形、波纹形对三角形、波纹形对梯形、波纹形对矩形、矩形对矩形、矩形对三角形、矩形对
梯形、梯形对梯形、梯形对三角形或三角形对三角形。

[0037] 更进一步的，起伏结构对应方式为：峰对谷、峰对腰或峰对峰。

[0038] 第二方面，本发明提供一种用于异种金属共挤的挤压模具，其模芯为所述起伏表面模芯。

[0039] 在一些实施例中，所述起伏表面模芯的起伏通道与挤压方向平行，便于形成合适的结合界面。

[0040] 在一些实施例中，所述起伏表面模芯安装于上模中，模芯下方为焊合室。

[0041] 进一步的，所述起伏表面模芯的两个工作面分别位于两个坯料腔的下方。

[0042] 第三方面，本发明提供一种用于异种金属的共挤方法，包括如下步骤：

[0043] 将两种异种金属坯料分别放入挤压筒中各自的坯料腔中进行挤压；

[0044] 两种异种金属坯料在挤压杆和挤压垫的推动作用下沿模芯的起伏表面流入焊合室，在焊合室内的高温、高压和变形作用下实现结合，在两种金属的结合界面处形成相应形
状的三维结合界面；

[0045] 结合后的金属从模孔中挤出，获得带有三维结合界面的异种金属复合型材。

[0046] 在一些实施例中，异种金属坯料共挤为铝合金、铝锂合金、镁合金或铜合金的共挤，或不同型号的铝合金、铝锂合金、镁合金或铜合金的共挤。

[0047] 将加热后的两种金属坯料分别放置到挤压筒中，在挤压杆和挤压垫的推动作用下，两种金属分别被挤入挤压模具并贴着模芯的起伏表面向前流动，由于模芯表面的起伏
通道平行于挤压方向，流经模芯两个表面的金属在其表面就形成了沿挤压方向相互平行的
一系列沟槽，在挤压方向的横截面上具有起伏形状(波纹形、矩形、梯形和三角形等)，这种
具有起伏状表面的金属材料流入焊合室，在焊合室内的高温高压和变形作用下，其起伏表
面相互接触并发生塑性变形，不断进行结合，最终通过下模的工作带流出挤压模具，形成异
种金属复合挤压型材，型材中存在这两种金属的一个纵向结合界面。最终的挤压产品为带
有三维结合界面的双金属或多金属复合型材。

[0048] 实施例1

[0049] 采用双面波纹形模芯(如图5所示)的模具制备Mg‑Al复合板，结合图1和图2，公开了一种用于异种金属共挤的起伏表面模芯、挤压模具及挤压方法，挤压模具包括第一挤压
杆1、第二挤压杆2、第一挤压垫3、第二挤压垫4、加工有第一坯料腔5和第二坯料腔6的挤压
筒7、双面波纹形模芯8、上模9、加工有模孔10和空刀11的下模12，第一材质坯料15和第二材
质坯料16从模孔10中挤出，形成带有结合界面13的复合型材14，所述起伏表面模芯8装配在
上模9中，模芯下方为焊合室。

[0050] 第一材质坯料15为5052铝合金，第二材质坯料16为AZ31B镁合金，所述模具材料为H13钢，挤压件为Mg‑Al复合板材。

[0051] 所述第一坯料腔5和第二坯料腔6均为圆柱形，规格为D40×50mm；所述模孔为矩形，规格为40×6mm，长度为5mm；所述双面波纹形模芯的两个工作表面的形状如图5(b)所
示，其工作部分的宽度为24.0mm，厚度为17.16mm，两个工作表面上波纹的深度均为0.8mm，
宽度均为1.0mm，两工作表面上的波纹采用波峰对波谷的对应方式。

[0052] 步骤(a)：将模具组装，按照图1和图2中所示的顺序将挤压筒、双面波纹形模芯、上模和下模组装起来，使挤压筒、上模和下模同轴装配。

[0053] 步骤(b)：分别将规格为D39×35mm的5052铝合金和AZ31B镁合金坯料放入到第一坯料腔5和第二坯料腔6中并安装好挤压垫与挤压杆。

[0054] 步骤(c)：使用带有控温系统的加热圈将模具包裹起来并接通电源对坯料、挤压垫、挤压筒、双面波纹形模芯、上模和下模进行加热，加热温度为400℃，到达试验温度后对
整个模具及坯料保温15min。

[0055] 步骤(d)：开启压力机进行挤压，直至挤压杆的下移量达到30mm，停止挤压。

[0056] 步骤(e)：将挤压出的Mg‑Al复合板取出，板材截面规格为40×6mm，板材中存在波纹形Mg‑Al结合界面，如图6所示。

[0057] 实施例2

[0058] 采用双面三角形模芯(如图8所示)的模具制备Al‑Al复合板。结合图7，挤压模具包括第一挤压杆1、第二挤压杆2、第一挤压垫3、第二挤压垫4、加工有第一坯料腔5和第二坯料
腔6的挤压筒7、双面三角形模芯8、上模9、加工有模孔10和空刀11的下模12，第一材质坯料
15和第二材质坯料16从模孔中挤出形成带有结合界面13的复合型材14，所述双面三角形模
芯装配在上模9中，模芯下方为焊合室，所述挤压筒、上模和下模同轴装配。

[0059] 第一材质坯料15为7075铝合金，第二材质坯料16为6063铝合金，模具的材料为H13钢，挤压件为Al‑Al复合板。

[0060] 所述第一坯料腔5和第二坯料腔6均为圆柱形，规格为D40×50mm；所述模孔为矩形，规格为25×6mm，长度为5mm；双面三角形模芯两个工作表面的形状如图8(b)所示，其工
作部分的宽度为24.0mm，厚度为17.16mm，两个工作表面上三角形的深度均为0.8mm，宽度均
为1.0mm，两个工作表面上的三角形采用峰对谷的对应方式。

[0061] 步骤(a)：将模具组装，按照图7中所示的顺序将挤压筒、双面三角形模芯、上模和下模组装起来，使挤压筒、上模和下模同轴装配。

[0062] 步骤(b)：分别将规格为D39×35mm的7075铝合金和6063铝合金坯料放入到第一坯料腔5和第二坯料腔6中并安装好挤压垫与挤压杆。

[0063] 步骤(c)：使用带有控温系统的加热圈将模具包裹起来并接通电源对坯料、挤压垫、双面三角形模芯、挤压筒、上模和下模进行加热，加热温度为500℃，到达试验温度后对
整个模具及坯料保温15min。

[0064] 步骤(d)：开启压力机进行挤压，直至挤压杆的下移量达到30mm，停止挤压。

[0065] 步骤(e)：将挤压出的Al‑Al复合板取出，板材截面规格为25×6mm，板材中存在三角形Al‑Al结合界面，如图9所示。

[0066] 对比例1

[0067] 采用传统平面形模芯(如图10所示)模具制备Mg‑Al复合板。除模芯与实施例1不同外，其它部件的结构和装配方式与实施例1完全相同。

[0068] 第一坯料腔5为5052铝合金，第二坯料腔6为AZ31B镁合金，模具材料为H13钢，挤压件为Mg‑Al复合板。

[0069] 第一坯料腔5和第二坯料腔6均为圆柱形，规格为D40×50mm；所述模孔为矩形，规格为40×6mm，长度为5mm；所述传统平面形模芯的两个工作表面的形状如图10(b)所示，其
工作部分的宽度为24.0mm，厚度为17.16mm。

[0070] 步骤(a)：将模具组装，按照图1和图2中所示的顺序将挤压筒、传统平面形模芯、上模和下模组装起来，使挤压筒、上模和下模同轴装配。

[0071] 步骤(b)：分别将规格为D39×35mm的5052铝合金和AZ31B镁合金坯料放入到第一坯料腔5和第二坯料腔6中并安装好挤压垫与挤压杆。

[0072] 步骤(c)：使用带有控温系统的加热圈将模具包裹起来并接通电源对坯料、挤压垫、挤压筒、传统平面形模芯、上模和下模进行加热，加热温度为400℃，到达试验温度后对
整个模具及坯料保温15min。

[0073] 步骤(d)：开启压力机进行挤压，直至挤压杆的下移量达到30mm，停止挤压。

[0074] 步骤(e)：将挤压出的Mg‑Al复合板取出，板材截面规格为40×6mm，板材中存在平面形Mg‑Al结合界面，如图11所示。

[0075] 对比例2

[0076] 采用传统平面形模芯(如图10所示)的模具制备Al‑Al复合板。除模芯结构与实施例2不同外，其它部件的结构和装配方式与实施例2完全相同。

[0077] 第一材质坯料15为7075铝合金，第二材质坯料16为6063铝合金，模具材料为H13钢，挤压件为Al‑Al复合板。

[0078] 第一坯料腔5和第二坯料腔6均为圆柱形，规格为D40×50mm；模孔为矩形，规格为25×6mm，长度为5mm；所述传统平面形模芯两个工作表面的形状如图10(b)所示，其工作部
分的宽度为24.0mm，厚度为17.16mm。

[0079] 步骤(a)：将模具组装，按照图7中所示的顺序将挤压筒、传统平面形模芯、上模和下模组装起来，使挤压筒、上模和下模同轴装配。

[0080] 步骤(b)：分别将规格为D39×35mm的7075铝合金和6063铝合金坯料放入到第一坯料腔5和第二坯料腔6中并安装好挤压垫与挤压杆。

[0081] 步骤(c)：使用带有控温系统的加热圈将模具包裹起来并接通电源对坯料、挤压垫、传统平面形模芯、挤压筒、上模和下模进行加热，加热温度为500℃，到达试验温度后对
整个模具及坯料保温15min。

[0082] 步骤(d)：开启压力机进行挤压，直至挤压杆的下移量达到30mm，停止挤压。

[0083] 步骤(e)：将挤压出的Al‑Al复合板取出，板材截面规格为25×6mm，板材中存在平面形Al‑Al结合界面，如图12所示。

[0084] 与传统平面形模芯相比，这种起伏表面模芯将结合界面由传统的二维形状提高到了三维形状，增大了结合界面的面积；金属材料在这种模芯的起伏表面和结合界面处能够
产生更大的三维塑性应变，显著增大了结合界面氧化物和污染物的破碎程度，明显提高了
新鲜金属的暴露程度，同时也有助于界面处材料组织的细化。界面处氧化物和污染物破碎
程度越大，新鲜金属的暴露程度越高，越有助于形成良好的结合界面，从而可有效提高界面
结合强度。

[0085] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。