CN117020178A

CN117020178A - 一种超声处理的挤压铸造模具及方法

Info

Publication number: CN117020178A
Application number: CN202310958498.1A
Authority: CN
Inventors: 廖从来; 易绿林; 杨志勇; 张洪祥
Original assignee: Hunan Jiangbin Machinery Group Co Ltd
Current assignee: Hunan Jiangbin Machinery Group Co Ltd
Priority date: 2023-08-01
Filing date: 2023-08-01
Publication date: 2023-11-10

Abstract

本申请公开了一种超声处理的挤压铸造模具，包括动模单元、位于动模单元下方的定模单元、位于定模单元下方的挤压机构和合金保温炉，所述合金保温炉与挤压机构连通，所述动模单元和定模单元之间形成用于铸造成型的封闭型腔，封闭型腔连接有抽真空单元和充保护气单元，封闭型腔内设有陶瓷纤维增强制件，所述封闭型腔内插入有超声机构；本申请还提供一种超声处理的挤压铸造方法。本申请采用高耐热Al‑Si‑Cu‑Ni合金材料，并采用一种将超声处理和挤压铸造相结合的成型工艺，通过陶瓷纤维增强局部性能的方法来降低活塞顶部一环槽磨损和喉口开裂失效风险，从而满足现代柴油机对活塞的要求。

Description

一种超声处理的挤压铸造模具及方法

技术领域

本申请涉及金属加工技术领域，特别是涉及一种超声处理的挤压铸造模具及方法。

背景技术

近年来，随着新能源汽车工业、轨道交通、军工、航空航天等对装备轻量化和高性能化的更高要求，铝合金挤压铸造技术的研究越来越受重视，其应用越来越广泛。活塞是汽车发动机中传递能量的一个重要的零件，它的工作条件是高温高压及高应力状态，与活塞环、气缸壁之间不断产生摩擦，润滑条件较差，工作条件极其恶劣。锻造活塞常温机械性能高，高温耐热疲劳性好，塑性好，一般为组合活塞，但锻造活塞加工量大，工艺难度较大，生产成本高，难以得到广泛应用。对于铝合金活塞铸造成型，金属型重力铸造最为普遍，随着柴油机燃爆压力和升功率等技术指标不断提升，活塞顶部工况温度会髙达420℃，高温导致活塞一环槽和喉口附近材料性能快速降低，活塞一环槽极易磨损，交变的机械负荷则很容易造成活塞顶部喉口的疲劳开裂失效，重力铸造铝合金活塞难以满足耐热性和可靠性要求。挤压铸造是一种使合金熔体在压力下凝固成形的方法，能有效减少凝固过程中产生的缩孔、缩松等缺陷，提高铸件的力学性能，但是单独采用挤压铸造方式，活塞顶部也很难满足耐高温和可靠性要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种超声处理的挤压铸造模具及方法，本发明采用高耐热Al-Si-Cu-Ni合金材料，并采用一种将超声处理和挤压铸造相结合的成型工艺，通过陶瓷纤维增强局部性能的方法来降低活塞顶部一环槽磨损和喉口开裂失效风险，从而满足现代柴油机对活塞的要求。

本发明提供的技术方案如下：

一种超声处理的挤压铸造模具，包括动模单元、位于动模单元下方的定模单元、位于定模单元下方的挤压机构和合金保温炉，所述合金保温炉与挤压机构连通，所述动模单元和定模单元之间形成用于铸造成型的封闭型腔，封闭型腔连接有抽真空单元和充保护气单元，封闭型腔内设有陶瓷纤维增强制件，所述封闭型腔内插入有超声机构。

优选地，所述超声机构包括高度可调节的架体及安装在架体上的超声波换能器、超声棒和智能数控单元，所述超声波换能器与智能数控单元之间有效电连接，所述超声棒由多级变幅杆和位于多级变幅杆端部的金属合金工具头组成。

优选地，所述架体包括支架、高度调节臂和旋转臂，所述旋转臂安装在高度调节臂的上方，所述支架设置在高度调节臂的一侧，所述超声波换能器安装在旋转臂上。

优选地，所述动模单元包括动模镶块和动模，所述动模固定在动模镶块内，所述动模镶块和动模内设有供超声机构进入的通道一；所述定模单元包括定模和定模垫块，所述定模垫块固定在定模内，定模垫块内设有供合金液流动及挤压机构运动的通道二，陶瓷纤维增强制件以可拆卸的方式固定在定模上，通道一和通道二分别位于陶瓷纤维增强制件的两侧。

优选地，所述定模的上部设有圆环形溢流槽，定模的型腔内分别设有用于固定陶瓷纤维增强制件的定位槽和用于提高陶瓷纤维增强制件周围合金液温度的保温槽。

一种超声处理的挤压铸造方法，采用上述所述的超声处理的挤压铸造模具，并包括如下步骤：

S1、陶瓷纤维增强制件的放置及合模：将充分预热的陶瓷纤维增强制件放入定模单元中的固定位置内，动模单元和定模单元上下合模，上下锁模环到达锁模位置，模具完成预合型，形成封闭型腔；

S2、合金液转移并压进挤压机构内：将含有Al-Si-Cu-Ni合金材料的合金熔化至预设温度后转移至合金保温炉内，对合金保温炉加压，定量的合金液通过气压溶液输送系统输送至挤压机构内；

S3、抽真空、充保护气及进料：启动抽真空单元对封闭型腔进行抽真空处理，当封闭型腔内的真空度保持≤120bar时，开启充保护气单元向封闭型腔内充入保护气，挤压机构上行，将合金液挤入封闭型腔内；

S4、超声处理：对封闭型腔内的合金液进行超声处理一定时间；

S5、保压取件：挤压机构继续对合金液施加压力，使合金液在压力作用下发生凝固，使模具内的合金发生相应挤压比的塑性变形，最终得到陶瓷纤维复合材料的活塞铸造毛坯，开模取件，执行工艺要求后，模具合模完成预合型，进行下一循环；

S6、热处理：将活塞铸造毛坯在不同淬火和时效状态下进行热处理。

优选地，所述步骤S3中挤压机构上行过程中的充型速度参数采用双级调控，0～0.8s采用182～213mm/s的上行速度，0.8～2s采用82～110mm/s的上行速度。

优选地，所述步骤S4中超声机构的起始温度设定为670～720℃，超声震动功率为814～932W、频率为34～39KHz，超声时间为5～20s。

优选地，所述步骤S5中挤压机构的挤压力为110～130MPa，保压时间为12～32s，当55～60s后，合金液在高压下浸渗到陶瓷纤维增强制件的孔隙中，经过短暂的保压凝固。

优选地，所述步骤S6中的淬火工艺条件为：2h升温→485℃×1h保温→0.5h升温→515℃×3h保温→出炉水冷；时效工艺条件为：一次时效3h升温→200℃×5h保温→停炉，二次时效2h升温→224℃×10h保温→停炉。

优选地，所述步骤S5中所得活塞铸造毛坯中以质量百分比计，由下述成分组成：Si：13％～18％；Cu：4.1％～6.2％；Ni：1.75％～3.0％，且Cu和Ni的用量之比为：1.1～2.3；Mg：0.4％～0.8％；Ti：0.1％～0.3％；Zr：0.1％～0.3％；Fe：≤0.7％；Al：余量。

本申请相对于现有技术存在如下优点：

本发明将超声处理与挤压铸造技术有机的结合起来，并采用含有Al-Si-Cu-Ni合金材料合金溶体与陶瓷纤维增强制件冶金结合用于活塞的铸造成型。采用超声作用处理铝合金熔体，强化对初生硅和Al₃CuNi等强化相的破碎作用，在活塞厚大部位局部区域形成显著细化的球状硅相与微米级Al₃CuNi相，初生硅尺寸变小，初生硅分布更加均匀，初生硅体积分数明显降低；挤压铸造使合金熔体快速凝固，减少氧化等夹渣物产生，与超声作用一同消除微小气孔，实现了精确成型，并减少了活塞缩松、缩孔等铸造缺陷。最终起到细化晶粒的作用，提升合金组织均匀性及合金熔体纯净度，提高活塞综合性能，同时通过陶瓷纤维增强局部性能的方法来降低活塞顶部一环槽磨损和喉口开裂失效风险，能够生产出内部组织细密、晶粒细化、尺寸精度较高和性能优异的活塞，从而满足现代柴油机对活塞的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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申请中记载的一些实施例，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为本发明实施例中超声处理的挤压铸造模具的结构示意图；

图2为本发明实施例中动模的结构示意图；

图3(a)、(b)为本发明实施例中超声处理5s时的合金铸态图：(a)金相组织图、(b)显微组织图；

图3(c)、(d)为本发明实施例中超声处理10s时的合金铸态图：(c)金相组织图、(d)显微组织图；

图3(e)、(f)为本发明实施例中超声处理20s时的合金铸态图：(e)金相组织图、(f)显微组织图。

附图标记：、

1、动模单元；11、动模镶块；12、动模；2、定模单元；21、定模；211、溢流槽；212、定位槽；213、保温槽；22、定模垫块；3、挤压机构；4、合金保温炉；5、封闭型腔；6、抽真空单元；7、充保护气单元；8、陶瓷纤维增强制件；9、超声机构；91、架体；911、支架；912、高度调节臂；913、旋转臂；92、超声波换能器；93、超声棒；931、多级变幅杆；932、金属合金工具头；94、智能数控单元。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将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的一部分实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1-3所示，本发明实施例提供一种超声处理的挤压铸造模具，包括动模单元1、位于动模单元1下方的定模单元2、位于定模单元2下方的挤压机构3和合金保温炉4，合金保温炉4与挤压机构3连通，挤压机构3包括压室冲头和挤压设备平台，合金保温炉4与压室冲头所在的通道连通，动模单元1和定模单元2之间形成用于铸造成型的封闭型腔5，封闭型腔5连接有抽真空单元6和充保护气单元7，抽真空单元6包括型腔真空设施、型腔真空回路和真空闭合开关，真空闭合开关设置在定模单元2上，充保护气单元7中的保护气流通开关也设置在定模单元2上，封闭型腔5内设有陶瓷纤维增强制件8，封闭型腔5内插入有超声机构9。

本实施例中，超声机构9包括高度可调节的架体91及安装在架体91上的超声波换能器92、超声棒93和智能数控单元94，超声波换能器92与智能数控单元94之间有效电连接，超声棒93由多级变幅杆931和位于多级变幅杆931端部的金属合金工具头932组成，多级变幅杆931包括一级变幅杆和二级变幅杆，金属合金工具头932安装在二级变幅杆的端部。

本实施例中，架体91包括支架911、高度调节臂912和旋转臂913，旋转臂913安装在高度调节臂912的上方，支架911设置在高度调节臂912的一侧，超声波换能器92安装在旋转臂913上；高度调节臂912包括伸缩杆和设置在伸缩杆之间的高度定位销，通过高度定位销调节伸缩杆的长度，进一步实现调节架体91的高度；旋转臂913上设有用于安装超声棒的超声棒安装臂。

本实施例中，智能数控单元94的结构及抽真空单元6的结构均可放置在支架911上，使整个挤压铸造模具的结构有序性较高。

本实施例中，动模单元1包括动模镶块11和动模12，动模12固定在动模镶块11内，动模镶块11和动模12内设有供超声机构9进入的通道一；定模单元2包括定模21和定模垫块22，定模垫块22固定在定模21内，定模垫块22内设有供合金液流动及挤压机构3运动的通道二，陶瓷纤维增强制件8以可拆卸的方式固定在定模21上，通道一和通道二分别位于陶瓷纤维增强制件8的两侧。

本实施例中，定模21的上部设有圆环形溢流槽211，定模21的型腔内分别设有用于固定陶瓷纤维增强制件8的定位槽212和用于提高陶瓷纤维增强制件8周围合金液温度的保温槽213。

一种超声处理的挤压铸造方法，采用上述的超声处理的挤压铸造模具，并包括如下步骤：

S1、陶瓷纤维增强制件8的放置及合模：将充分预热的陶瓷纤维增强制件8放入定模单元2中的固定位置内，需要注意的是：陶瓷纤维增强制件8需要经过充分预热，以避免基体合金液在浸渗到陶瓷纤维增强制件8的孔隙中之前就遇冷凝固，阻塞浸渗通道，动模单元1和定模单元2上下合模，上下锁模环到达锁模位置，模具完成预合型，形成封闭型腔5；

S2、合金液转移并压进挤压机构3内：将含有Al-Si-Cu-Ni合金材料的合金熔化至预设温度(670～720℃)后转移至合金保温炉4内，对合金保温炉4加压，定量的合金液通过气压溶液输送系统输送至挤压机构3内；

S3、抽真空、充保护气及进料：启动抽真空单元6对封闭型腔5进行抽真空处理，当封闭型腔5内的真空度保持≤120bar时，开启充保护气单元7向封闭型腔5内充入保护气(保护气为惰性气体，如氩气)，封闭型腔5内充满保护气，保证整个超声处理过程中均在浇包内熔体表面进行高纯保护气保护，防止熔体因暴露在空气中发生氧化、产生氧化夹渣，挤压机构3上行，将合金液挤入封闭型腔5内；

S4、超声处理：对封闭型腔5内的合金液进行超声处理一定时间；

S5、保压取件：挤压机构3继续对合金液施加压力，使合金液在压力作用下发生凝固，使模具内的合金发生相应挤压比的塑性变形，最终得到陶瓷纤维复合材料的活塞铸造毛坯，开模取件，执行工艺要求后，模具合模完成预合型，进行下一循环；

本实施例中，所制得的活塞挤压铸造毛坯的材料成分范围(wt％)如下表1所示，其中Cu和Ni的用量之比为：1.1～2.3。

表1所制得的活塞挤压铸造毛坯的材料成分范围(wt％)

元素

Si

Cu

Ni

Mg

Ti

Zr

Fe

Al

含量

13～18

4.1～6.2

1.75～3.0

0.4～0.8

0.1～0.3

≤0.7

余量

本实施例中，步骤S3中挤压机构3上行过程中的充型速度参数采用双级调控，0～0.8s采用182～213mm/s的上行速度，0.8～2s采用82～110mm/s的上行速度；速度双级调控可以减少合金液在流道内的热量损失，且合金液抵达内浇口之前速度变缓，保证前端液面平稳移动。

本实施例中，步骤S4中超声机构9的起始温度设定为670～720℃，超声震动功率为814～932W、频率为34～39KHz，超声时间为5～20s。

本实施例中，步骤S5中挤压机构3的挤压力为110～130MPa，保压时间为12～32s，当55～60s后，合金液在高压下浸渗到陶瓷纤维增强制件8的孔隙中，经过短暂的保压凝固。

本实施例中，步骤S6中的淬火工艺条件为：2h升温→485℃×1h保温→0.5h升温→515℃×3h保温→出炉水冷；时效工艺条件为：一次时效3h升温→200℃×5h保温→停炉，二次时效2h升温→224℃×10h保温→停炉。

采用本实施例的超声处理的挤压铸造方法制得三种产品，三种产品的成分组成如下表2所示：

表2：三种产品的成分组成表(wt％)

	元素	Si	Cu	Ni	Mg	Fe	Ti	Zr	Al
										产品1	含量	13.5	6	2.9	0.8	0.56	0.30	0.15	余量
产品2	含量	15	5	2.2	0.6	0.65	0.25	0.3	余量
										产品3	含量	17.5	4	1.8	0.4	0.34	0.12	0.24	余量

对上述三种产品分别进行性能分析，结果如下表3所示：

表3：热处理后的实施例性能测试对比

由上表3可以看出：本实施例的超声处理的挤压铸造方法将超声处理与挤压铸造技术有机的结合起来，采用含有Al-Si-Cu-Ni合金材料作为基体合金，采用超声作用处理铝合金熔体，提高基体熔体非均匀形核率，细化晶粒，同时细化Al₃CuNi强化相，Al₃CuNi起弥散和钉扎强化作用，同时使合金熔体快速凝固，减少氧化等夹渣物产生，与超声作用一同消除微小气孔，实现了精确成型，并减少了活塞缩松、缩孔等铸造缺陷，最终起到细化晶粒的作用，提升合金组织均匀性及合金熔体纯净度，提高合金高温下的高温性能和疲劳强度。

采用本实施例的超声处理的挤压铸造方法所得产品的微观结构如图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，从图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)中可以看出：随着超声作用时间从5-20s延长，超声分别作用至共晶硅、初生硅、强化相(特别是Al₃CuNi相)，表明超声时间所对应的强化相形成温度对合金组织形态的控制至关重要。当超声作用时间10s时，对合金熔体进行超声处理时，α-Al相树枝晶二次枝晶臂明显增大，初生硅尺寸变小，初生硅分布更加均匀，初生硅体积分数明显降低。超声作用时间20s时，对强化相的细化效果越显著力学性能提高越明显。另外，从图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)可以看出，采用本实施例的超声处理的挤压铸造方法在活塞厚大部位局部区域形成显著细化的球状硅相与微米级Al₃CuNi相，使合金熔体快速凝固，减少氧化等夹渣物产生，与超声作用一同消除微小气孔，实现了精确成型，并减少了活塞缩松、缩孔等铸造缺陷，最终起到细化晶粒的作用，提升合金组织均匀性及合金熔体纯净度，提高合金高温下的高温性能和疲劳强度，通过陶瓷纤维增强局部性能的方法来降低活塞顶部一环槽磨损和喉口开裂失效风险，从而满足现代柴油机对活塞的要求。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种超声处理的挤压铸造模具，包括动模单元(1)、位于动模单元(1)下方的定模单元(2)、位于定模单元(2)下方的挤压机构(3)和合金保温炉(4)，所述合金保温炉(4)与挤压机构(3)连通，所述动模单元(1)和定模单元(2)之间形成用于铸造成型的封闭型腔(5)，封闭型腔(5)连接有抽真空单元(6)和充保护气单元(7)，其特征在于，封闭型腔(5)内设有陶瓷纤维增强制件(8)，所述封闭型腔(5)内插入有超声机构(9)。

2.根据权利要求1所述的超声处理的挤压铸造模具，其特征在于，所述超声机构(9)包括高度可调节的架体(91)及安装在架体(91)上的超声波换能器(92)、超声棒(93)和智能数控单元(94)，所述超声波换能器(92)与智能数控单元(94)之间有效电连接，所述超声棒(93)由多级变幅杆(931)和位于多级变幅杆(931)端部的金属合金工具头(932)组成；所述架体(91)包括支架(911)、高度调节臂(912)和旋转臂(913)，所述旋转臂(913)安装在高度调节臂(912)的上方，所述支架(911)设置在高度调节臂(912)的一侧，所述超声波换能器(92)安装在旋转臂(913)上。

3.根据权利要求1所述的超声处理的挤压铸造模具，其特征在于，所述动模单元(1)包括动模镶块(11)和动模(12)，所述动模(12)固定在动模镶块(11)内，所述动模镶块(11)和动模(12)内设有供超声机构(9)进入的通道一；所述定模单元(2)包括定模(21)和定模垫块(22)，所述定模垫块(22)固定在定模(21)内，定模垫块(22)内设有供合金液流动及挤压机构(9)运动的通道二，陶瓷纤维增强制件(8)以可拆卸的方式固定在定模(21)上，通道一和通道二分别位于陶瓷纤维增强制件(8)的两侧。

4.根据权利要求3所述的超声处理的挤压铸造模具，其特征在于，所述定模(21)的上部设有圆环形溢流槽(211)，定模(21)的型腔内分别设有用于固定陶瓷纤维增强制件(8)的定位槽(212)和用于提高陶瓷纤维增强制件(8)周围合金液温度的保温槽(213)。

5.一种超声处理的挤压铸造方法，其特征在于，采用权利要求1-4中任一项所述的超声处理的挤压铸造模具，并包括如下步骤：

S1、陶瓷纤维增强制件(8)的放置及合模：将充分预热的陶瓷纤维增强制件(8)放入定模单元(2)中的固定位置内，动模单元(1)和定模单元(2)上下合模，上下锁模环到达锁模位置，模具完成预合型，形成封闭型腔(5)；

S2、合金液转移并压进挤压机构(9)内：将含有Al-Si-Cu-Ni合金材料的合金熔化至预设温度后转移至合金保温炉(4)内，对合金保温炉(4)加压，定量的合金液通过气压溶液输送系统输送至挤压机构(9)内；

S3、抽真空、充保护气及进料：启动抽真空单元(6)对封闭型腔(5)进行抽真空处理，当封闭型腔(5)内的真空度保持≤120bar时，开启充保护气单元(7)向封闭型腔内充入保护气，挤压机构(3)上行，将合金液挤入封闭型腔(1)内；

S4、超声处理：对封闭型腔(5)内的合金液进行超声处理一定时间；

S5、保压取件：挤压机构(3)继续对合金液施加压力，使合金液在压力作用下发生凝固，使模具内的合金发生相应挤压比的塑性变形，最终得到陶瓷纤维复合材料的活塞铸造毛坯，开模取件，执行工艺要求后，模具合模完成预合型，进行下一循环；

6.根据权利要求5所述的超声处理的挤压铸造方法，其特征在于，所述步骤S3中挤压机构(3)上行过程中的充型速度参数采用双级调控，0～0.8s采用182～213mm/s的上行速度，0.8～2s采用82～110mm/s的上行速度。

7.根据权利要求5所述的超声处理的挤压铸造方法，其特征在于，所述步骤S4中超声机构(9)的起始温度设定为670～720℃，超声震动功率为814～932W、频率为34～39KHz，超声时间为5～20s。

8.根据权利要求5所述的超声处理的挤压铸造方法，其特征在于，所述步骤S5中挤压机构(3)的挤压力为110～130MPa，保压时间为12～32s，当55～60s后，合金液在高压下浸渗到陶瓷纤维增强制件(8)的孔隙中，经过短暂的保压凝固。

9.根据权利要求5所述的超声处理的挤压铸造方法，其特征在于，所述步骤S6中的淬火工艺条件为：2h升温→485℃×1h保温→0.5h升温→515℃×3h保温→出炉水冷；时效工艺条件为：一次时效3h升温→200℃×5h保温→停炉，二次时效2h升温→224℃×10h保温→停炉。

10.根据权利要求5所述的超声处理的挤压铸造方法，其特征在于，所述步骤S5中所得活塞铸造毛坯中以质量百分比计，由下述成分组成：

Si：13％～18％；

Cu：4.1％～6.2％；

Ni：1.75％～3.0％，且Cu和Ni的用量之比为：1.1～2.3；

Mg：0.4％～0.8％；

Ti：0.1％～0.3％；

Zr：0.1％～0.3％；

Fe：≤0.7％；

Al：余量。