CN102744282A - 螺旋分流挤压镁合金棒材的模具 - Google Patents

Abstract

一种螺旋分流挤压镁合金棒材的模具，将分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模依次自下而上组合称为整体。在所述分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模内有轴向的金属流通通道，并且分别位于分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模上的金属流通通道之间相互贯通；通过连接螺栓将分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模固连。所述分流螺旋模、辅助螺旋模上的金属流通通道为螺旋形，所述矫直模上的金属流通通道为直通道。产品各部分合金最终的变形情况具有近似性，最终形成均匀细小的等轴晶粒，AZ31镁合金在分流螺旋挤压热挤压变形过程中发生了动态再结晶，显著地细化了晶粒，经过直径为24mm的通道1/4螺距行程，平均晶粒减小到约3-5μm，且晶粒大小均匀。

Description

螺旋分流挤压镁合金棒材的模具

技术领域

本发明涉及热加工领域，具体是一种螺旋分流挤压镁合金棒材的模具。

背景技术

金属镁及镁合金是当前工程上应用最轻的金属结构材料之一，具有导热性好、电磁屏蔽效果好、机械加工性能好、比强度和比刚度高、阻尼和减震性好、零件尺寸稳定等许多优点，而且镁资源丰富并且又易于回收利用，非常有利于环境保护和可持续性发展，镁资源又是21世纪重点发展对象，因此在航空、航天、计算机、电子、通讯、汽车和家电行业等相关领域都非常具有吸引力，被誉为“21世纪绿色金属结构材料”。尽管这样，由于受材料的制备、加工技术的落后等因素的制约，镁合金的发展潜力与实际应用现状之间存在具大的差距，特别与镁资源的储量等因素形成鲜明对比，当前镁合金尤其是变形镁合金的应用量仍远远落后于钢铁和铝合金。近代船舶、交通、军事工业、航空、航天和高技术产业的迅速发展，对具有高性能、轻量化和其他优异综合性能的先进材料的需求量不断增加，促使我们致力于新型高性能镁合金及先进制备技术的研究开发以提高传统镁合金系（如Mg-Re系、Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系等）的综合性能，从而满足结构材料的使用要求。镁合金轻质棒材是用在航空航天等需要减轻重量的高精尖科技产品中，尤其应用在强度要求不是很高的部件中，如一些螺栓的坯料。其发展潜力与实际应用之间存在巨大的差距，因此迫切需要开发新的加工工艺制造轻质棒材。

严重塑性变形(severe plastic deformation，SPD)能够细化晶粒，改善镁合金性能。SPD主要包括等通道转角挤压(equal channel angular extrusion，ECAE)、高压扭转变形(high pressure torsion，HPT)和多向锻造(multiple forging，MPF)等。ECAE成为目前研究的热点，但是ECAE具有单道次变形量小等缺点，比如将晶粒为30μm的镁合金细化到10μm以下需要4~5道次ECAE挤压（转角挤压）。因此研究开发新的挤压工艺非常重要。本发明将提出新型的分流螺旋挤压，如附图1，即：将分流模具的直通道改造为螺旋通道，合金经分流孔进入螺旋通道在进入直通道。在此工艺下，由于存在挤压和扭转对金属的同时作用使得单道次的变形量更大，单道次的分流螺旋挤压挤压作用就可获得细小晶粒尺寸的材料，从而可有效克服ECAE需要多道次挤压的不足。

在公开号CN1357420的发明专利‘等通道转角旋转挤压装置’中，叙述了一种通过类似螺钉上的螺纹的螺旋槽的旋转推进和传统等通道转角挤压结合的机械装置，坯料在安装在止推轴承上的圆柱棒与其摩擦力和推动力的共同作用下在通过转角通道之前发生扭转。其原理是定位销卡在螺旋槽内，当带有螺旋槽的杆转动时，就会使杆上下移动。该方法的主要特点是并非使用挤压机进行液压推动挤压，而是通过旋转动力装置使得挤压杆在螺旋槽和定位销的配合下运动，每次生产一件短棒，短棒需要经过多道次加工成为细晶棒材。其缺点在于仅仅通过创新装置改变了挤压的动力源，但并未从实质上改变金属的流动规律，与传统的等通道转角挤压没有本质上的区别。

在公开号CN1695885A的发明专利‘镁合金挤压棒材的制造方法’中，叙述了一种用来挤压镁合金棒材的方法，其特点在于通过将铸造的镁合金棒材加热后直接挤压，这种方法的优点是模具结构简单。这种方法的缺点是仅仅通过一定挤压比的挤压后合金的晶粒细化程度不够，由于直接挤压的棒材各处变形不均，导致棒材的各处材质不均，晶粒尺寸不均匀，实现的是每次挤压生产1件产品。

在公开号CN101773946A的发明专利‘镁合金方形等通道旋形型腔的挤压模具及挤压方法’中，叙述了一种用来挤压镁合金方形截面棒材的方法，其特点与等通道转角挤压相似，通过将方形镁合金棒材在模腔内与模具一起加热，然后以2-4mm/s的速度将棒材从模具另一端挤出。这种方法的优点是一定程度的改善了合金组织，细化了晶粒，也使得棒材横截面各处变形均匀。这种方法的缺点是仅仅通过该模具将坯料变形，变形的过程类似于对棒材进行扭拧挤压，棒材挤压前后截面尺寸形状不变，仅仅适用于方形截面的棒料，也只用于每次1件棒料的生产。

传统方法加工的镁合金棒晶粒粗大或者不均匀，或者需要较多道次的加工才能细化合金晶粒，机械性能和塑性差。

有鉴于此，本发明提供一种螺旋分流挤压制备高性能镁合金轻质棒材的模具。本发明要解决的技术问题是提供一种使合金在通过分流模口后沿着等直径螺旋型通道内流动，最后进入矫直通道挤出棒材的挤压模具，使金属在连续的扭转和剪切同时作用下获得均匀细晶的镁合金棒材的生产。该方法通过在工艺步骤中控制精确的参数，使得在即便较小挤压比下的挤压过程亦能实现镁合金的晶粒细化，从而提高合金的各项性能。

发明内容

为克服现有技术中存在的晶粒粗大、性能不高、每模单件生产的镁合金轻质棒材生产问题，本发明提出了一种螺旋分流挤压镁合金棒材的模具。

本发明包括分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模；所述分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模均为等径圆柱体，将分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模依次自下而上组合称为整体；在所述分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模内有轴向的金属流通通道，并且分别位于分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模上的金属流通通道之间相互贯通；通过连接螺栓将分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模固连。

分流螺旋模的下端面中心上有4个对称分布的同径直孔，形成了金属流通通道；所述的金属流通通道的中心线均与分流螺旋模的中心线平行；在所述各金属流通通道的下端分别与螺旋形金属流通通道连通；各螺旋形金属流通通道贯通至分流螺旋模的上端面，所述螺旋形金属流通通道的长度为1/8螺距；

辅助螺旋模的下端面中心上有4个对称分布的同径贯通孔，为金属流通通道，并且所述的各金属流通通道的位置与分流螺旋模上金属流通通道的位置对应；所述各金属流通通道的一端分别与分流螺旋模上的螺旋形金属流通通道连通，另一端与矫直模上的金属流通通道连通；所述位于辅助螺旋模上的金属流通通道亦为螺旋形，该螺旋形金属流通通道的长度为1/8螺距。

矫直模下端面中心上对称有4个对称分布的同径直通孔，为金属流通通道，并且所述的各金属流通通道的位置与辅助螺旋模上螺旋形金属流通通道的位置对应，所述矫直模上各金属流通通道的一端分别与辅助螺旋模上的金属流通通道连通。

使用时，在装配后的模具内孔刷石墨水，并在出口附近涂抹动物油脂或机油，将坯料加热至420℃保温12小时完成均匀化处理以达到坯料内部组织均匀后冷却至380℃保温1小时以上，起到变形坯料材质均匀的前提。模具和挤压筒的工作温度为350℃。将处理完成的AZ31镁合金装入挤压筒，挤压杆初始挤压速度设为4mm/s,待合金分流进入螺旋通道之后将挤压速度调高至5mm/s，待挤出棒材长度约50mm后将挤压速度调高至6mm/s保持匀速完成整根坯料的挤压。

图5和图6给出了分流螺旋挤压分流孔内的合金晶粒细化模型和过程。本发明中，当坯料刚进入分流孔时，大部分晶粒为原始铸态晶粒，晶粒十分粗大，在扭转和剪切应力的同时作用下，晶粒开始发生破碎和少量的动态再结晶，由于有限的应变，此时微观组织不均匀，新的晶粒主要在剪切带内和晶界处形成，所以导致原始组织的晶界上分布着细小晶粒。随着金属流在分流孔内连续的、均匀的扭转着进入螺旋通道时，晶粒也发生转动和承受着剪切应变，变形材料进一步发生动态再结晶。通过交滑移和攀滑移，位错堆积越来越大，最终导致位错重排，亚结构的出现指使大角度晶粒不断形成。大变形条件下积累了大量的形变储能，晶格发生严重畸变，能位较高的区域也产生大量的晶核，大部分晶粒都破碎成细小的再结晶组织。由于在螺旋通道内的金属具有非轴向性，因此需要矫直，即合金进入矫直通道进行矫直，最后形成产品。产品各部分合金最终的变形情况具有近似性，所以最终形成均匀细小的等轴晶粒，在AZ31镁合金坯料变形温度为380℃，挤压速度为3mm·s^-1，AZ31镁合金在分流螺旋挤压热挤压变形过程中发生了动态再结晶，显著地细化了晶粒，经过直径为24mm的通道1/4螺距行程，平均晶粒减小到约3-5μm，且晶粒大小均匀。如图7所示。

附图说明

附图1是本发明的三维结构示意图；其中：图1a是立体结构示意图，图1b是本发明中一个金属流通通道的结构示意图，图1c是本发明中四个金属流通通道的结构示意图。

附图2是本发明的结构示意图；其中：图2a是本发明的俯视图，图2b是图2a的A向视图；图2c是图2a的B向视图。

附图3是分流螺旋模的结构示意图；其中：图3a是分流螺旋模的底视图；图3b是图3a的D向视图；图3c是图3a的C向视图；图3d是助螺旋模的三维视图。

附图4是辅助螺旋模的结构示意图；其中：图4a是辅助螺旋模的三维示意图；图4b是辅助螺旋模的底视图；图4c是图4b的E向视图；图4d是图4b的F向视图。

附图5是矫直模的结构示意图；其中：图5a是矫直模的三维视图；图5b是矫直模的俯视图；图5c是图5b的G向视图；图5d是图5b的H向视图。

附图6是挤压过程金属流动成形示意图；

附图7是晶粒细化过程示意图；

附图8是挤出产品的微观组织图。图中：

1.分流螺旋模2.辅助螺旋模3.矫直模4.定位销5.连接螺栓6.坯料

具体实施方式

本实施例是一种螺旋分流挤压制作镁合金轻质棒材的模具，用于成形宽度为直径为24mm的AZ31镁合金圆棒材，成形过程采用的挤压机吨位为630t。采用H13热作模具钢制作模具和其余挤压工具。

如图1所示。本实施例包括分流螺旋模1、辅助螺旋模2和矫直模3。所述分流螺旋模1、辅助螺旋模2和矫直模3均为用H13制成的等径圆柱体，按照分流螺旋模1、辅助螺旋模2和矫直模3的次序自下而上组合称为整体，形成了本实施例所称的螺旋分流挤压制作镁合金轻质棒材的模具。在所述分流螺旋模1、辅助螺旋模2和矫直模3内有轴向的金属流通通道，并且分别位于分流螺旋模1、辅助螺旋模2和矫直模3上的金属流通通道之间相互贯通。通过连接螺栓5将分流螺旋模1、辅助螺旋模2和矫直模3固连。

如图2所示，分流螺旋模1为圆柱体。分流螺旋模的下端面中心上有4个对称分布的直径为24mm、长度为10mm的直孔，形成了金属流通通道。该金属流通通道位于分流螺旋模1的下端面的入口的直径为48mm，在该金属入口处有90°圆弧倒角，该倒角形成的弧面为金属的流动面，能够防止金属在入口处堆积。所述的金属流通通道的中心线均与分流螺旋模1的中心线平行。在所述各金属流通通道的下端分别与螺旋形的金属流通通道连通。各螺旋形金属流通通道贯通至分流螺旋模1的上端面，所述螺旋形金属流通通道的长度为1/8螺距。本实施例中螺旋形金属流通通道的螺距为560mm，螺形线的公称直径为70mm。

在分流螺旋模1上端面外缘处的圆周上对称分布有两个螺纹孔和两个销孔，并且两个螺纹孔对称分布，用于安装连接螺栓5；两个销孔对称分布，用于安装定位销4。所述的螺纹孔和销孔均为盲孔。

辅助螺旋模2为圆柱体。辅助螺旋模2的下端面中心上对称有4个同径的贯通孔，为金属流通通道，并且所述的各金属流通通道的位置与分流螺旋模1上金属流通通道的位置对应。所述各金属流通通道的一端分别与分流螺旋模1上的螺旋形金属流通通道连通，另一端与矫直模3上的金属流通通道连通。所述位于辅助螺旋模2上的金属流通通道亦为螺旋形，该螺旋形金属流通通道的长度为1/8螺距，直径为24mm。本实施例中螺旋形金属流通通道的螺距为560mm，螺形线的公称直径为70mm。在辅助螺旋模2的外圆周表面有一个起吊螺栓孔。

在辅助螺旋模2上的螺旋形金属流通通道的外侧对称分布有一对螺杆通孔和一对销孔，并且两个螺纹孔对称分布，用于安装连接螺栓5；两个销孔对称分布，用于安装定位销4。所述螺杆通孔和销孔的中心线均与辅助螺旋模2的轴线对称。

矫直模3为圆柱体。在矫直模3下端面中心上对称有4个同径的贯通孔，为金属流通通道，并且所述的各金属流通通道的位置与辅助螺旋模2上螺旋形金属流通通道的位置对应，并且矫直模3上各金属流通通道的一端分别与辅助螺旋模2上的金属流通通道连通。所述位于辅助螺旋模2上的金属流通通道为直通孔。

在矫直模3上的金属流通通道的外侧亦对称分布有一对有沉孔的螺杆通孔和一对销孔，并且两个螺纹孔对称分布，用于安装连接螺栓5；两个销孔对称分布，用于安装定位销4。所述螺杆通孔和销孔的中心线均与辅助螺旋模2的轴线对称。

加工分流螺旋模1和辅助螺旋模2时，在数控机床上采用针钻头从两个端面按尺寸多钻次加工螺旋线孔，数控机床加工后的螺旋线内孔壁呈阶梯状，后用金刚石柔性研磨绳磨光。将3个模具主要构件装配后将整体模具简易粘连后整体钻销孔和螺栓基孔。

本实施例装配后在模具内孔刷石墨水，并在出口附近涂抹动物油脂或机油，采用的AZ31镁合金的坯料6为Φ92mm×450mm。将坯料6加热至420℃保温12小时完成均匀化处理以达到坯料内部组织均匀后冷却至380℃保温1小时以上，起到变形坯料材质均匀的前提。模具和挤压筒的工作温度为350℃。将处理完成的AZ31镁合金装入挤压筒，挤压杆初始挤压速度设为4mm/s,待合金分流进入螺旋通道之后将挤压速度调高至5mm/s，待挤出棒材长度约50mm后将挤压速度调高至6mm/s保持匀速完成整根坯料的挤压。该方法生产的棒材晶粒均匀细小，如图7。

Claims (1)

1.一种螺旋分流挤压镁合金棒材的模具，其特征在于，包括分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模；所述分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模均为等径圆柱体，将分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模依次自下而上组合称为整体；在所述分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模内有轴向的金属流通通道，并且分别位于分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模上的金属流通通道之间相互贯通；通过连接螺栓将分流螺旋模、辅助螺旋模和矫直模固连；

分流螺旋模的下端面中心上有4个对称分布的同径直孔，形成了金属流通通道；所述的金属流通通道的中心线均与分流螺旋模的中心线平行；在所述各金属流通通道的下端分别与螺旋形金属流通通道连通；各螺旋形金属流通通道贯通至分流螺旋模的上端面，所述螺旋形金属流通通道的长度为1/8螺距；

辅助螺旋模的下端面中心上有4个对称分布的同径贯通孔，为金属流通通道，并且所述的各金属流通通道的位置与分流螺旋模上金属流通通道的位置对应；所述各金属流通通道的一端分别与分流螺旋模上的螺旋形金属流通通道连通，另一端与矫直模上的金属流通通道连通；所述位于辅助螺旋模上的金属流通通道亦为螺旋形，该螺旋形金属流通通道的长度为1/8螺距；

矫直模下端面中心上对称有4个对称分布的同径直通孔，为金属流通通道，并且所述的各金属流通通道的位置与辅助螺旋模上螺旋形金属流通通道的位置对应，所述矫直模上各金属流通通道的一端分别与辅助螺旋模上的金属流通通道连通。

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