CN107475651A - 镁合金挤压组合式模具及其铸造‑挤压‑剪切方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金挤压组合式模具，由变挤压比浇铸挤压模具、等通道转角模具和挤压冲头组合而成，所述变挤压比浇铸挤压模具、等通道转角模具和挤压冲头是可拆卸的；所述挤压冲头安装在变挤压比浇铸挤压模具的进料口处，所述等通道转角模具安装在变挤压比浇铸挤压模具出料口处；所述挤压冲头为“沙漏”形，所述变挤压比浇铸挤压模具的内部模腔形成“漏斗”形的竖直通道，所述等通道转角模具的内部模腔通道与模具的上下平面形成转角，转角处为0～90°，转角处圆角半径为3mm。将激冷铸造后的镁合金和该模具组装起来，加热后放至锻压机上进行正向挤压，可实现镁合金晶粒细化，得到的镁合金棒材横截面晶粒细小，组织均匀，力学性能更优越。

Description

镁合金挤压组合式模具及其铸造-挤压-剪切方法

技术领域

本发明属于镁合金铸造领域，涉及镁合金挤压组合式模具及其铸造-挤压-剪切工艺方法。

背景技术

随着人们对镁合金的认识越来越深入，镁合金的应用研究也就得到了高度的重视，许多国家已经把镁合金的应用研究列入了重点研究项目，镁合金被誉为21世纪的金属。镁合金已经广泛地应用于很多领域当中，如航空、航天、汽车、计算机、通讯、家电和国防业等。

目前大量镁合金产品主要通过铸造、半固态成形等生产方式获得,通过塑性变形的镁合金产品比铸造产品有更高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能,可以满足更多结构件的需求。但由于镁为密排六方晶体结构，滑移系比较少，不易对其进行压力加工,很大程度上限制了镁合金的应用。因此,开展镁合金塑性变形研究对镁合金产品获得更广泛的应用具有重要的意义。铸坯塑性变形是近年来发展起来的新工艺，该工艺就是用铸造毛坯代替轧材生产各种无需切削或只需少量切削加工的零件。该工艺的特点是综合了铸造和塑性变形两种工艺的优势,同时达到成形和改性的双重目的。

在本课题组前期大量的研究和国内外已有的研究基础上，设计出了一种适合镁合金挤压的新型铸造-挤压-剪切工艺，对该工艺进行研究具有十分重要的意义：

①新型挤压是基于成熟的普通挤压工艺和能显著细化晶粒的等通道挤压工艺相结合而开发出的一种新的挤压方式。新的可组合式挤压模具在实现实验的前提下，大大节省了实验开支。

②铸造-挤压-剪切工艺的结合能够显著细化晶粒，同时改善镁合金挤压棒材的强度和塑性。

③挤压工艺的参数对挤出棒材的组织和性能有决定性作用，因而有必要研究各个工艺参数对挤压过程及挤压结果的影响规律。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种镁合金挤压组合式模具，及其利用该模具的镁合金铸造-挤压-剪切方法。通过对不同挤压比，挤压温度及剪切转角的组织进行取样观察和分析，研究不同挤压温度和不同剪切角度对AZ31镁合金的微观组织的影响，分析讨论挤压过程中的动态再结晶规律。采用XRD和SEM等一系列表征手段分析研究镁合金棒材的织构和塑性变形性能的变化。研究总结工艺参数对AZ31镁合金力学性能包括室温显微硬度和拉伸性能等的影响。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、镁合金挤压组合式模具：

由变挤压比浇铸挤压模具、等通道转角模具和挤压冲头组合而成，所述变挤压比浇铸挤压模具、等通道转角模具和挤压冲头是可拆卸的；所述挤压冲头安装在变挤压比浇铸挤压模具的进料口处，所述等通道转角模具安装在变挤压比浇铸挤压模具出料口处；所述挤压冲头为“沙漏”形，所述变挤压比浇铸挤压模具的内部模腔形成“漏斗”形的竖直通道，所述等通道转角模具的内部模腔通道与模具的上下平面形成转角，转角处为0～90°，转角处圆角半径为3mm。

进一步，所述转角处为30～60°。

进一步，所述“沙漏”形的上表面直径为70mm，下表面直径为60mm，所述“漏斗”形的最大直径为60mm，最小直径为16mm，所述等通道转角模具的内部模腔通道的直径为16mm。

进一步，所述镁合金挤压组合式模具的材质为H13模具钢。

2、镁合金挤压组合式模具的铸造-挤压-剪切方法，步骤为：

a、激冷铸造镁合金；

b、采用镁合金挤压组合式模具，将激冷铸造后的镁合金在350℃～450℃下加热3小时以上，迅速放至锻压机上进行挤压，挤压方式为正向挤压，挤压速度为17～23mm/s，挤压温度为315℃～325℃，挤压压力为1600KN～2000KN。

进一步，步骤a具体为：

1)将低碳钢坩埚洗刷干净放入熔炼炉中，在高于室温的温度下保温直至去除湿气；

2)称取0.7kg～1.5kg的镁锭并打磨掉镁锭表变的氧化层，放入低碳钢坩埚中进行熔炼，通入保护气体，将其熔炼温度控制在650℃-670℃；

3)待镁锭溶化后，保温20min～1h；

4)去除溶体表面的浮渣；

5)熔体经过除渣后在650℃静置20min～1h，使杂质沉降得到静置熔体；

6)用石棉渣将变挤压比浇铸挤压模具底部塞住；

7)将静置溶体在20℃～25℃下浇铸在冷慕铸型中，铸造。

进一步，所述镁合金为AZ31、AZ80或AZ91。

本发明的有益效果在于：采用组合式模具可实现镁合金晶粒细化，是镁合金塑性变形能力提高。采用合理的挤压剪切工艺参数，能制备出高性能变形的镁合金棒材。具体来说：

1、本发明结合挤压过程的温度范围和强烈摩擦等因素，最终选用H13热作模具钢，因为H13热作模具钢最适用于本发明组合式模具：

①具有高的淬透性和高的韧性；②优良的抗热裂能力，在工作场合可予以水冷；③热处理的变形小。

2、本发明只要将不同角度的转角模具与同一个变挤压比浇铸挤压模具组合，就能实现不同角度的等通道转角实验，方便实验的同时节省了实验支出。

3、本发明“沙漏”形挤压冲头与现有技术中常规的圆柱型挤压冲头相比较，挤压冲头与模具内壁的接触面积大大减小，从而尽可能的减小了挤压与脱模过程中产生的强烈摩擦阻力，挤压过程的进行和挤压后的脱模，提高模具使用率，较低实验成本，实现了将挤压和等通道转角相结合。

4、本发明的工艺方法经激冷铸造及后续的挤压和等通道转角剪切后，得到的镁合金棒材横截面晶粒细小，组织均匀。

5、采用本发明组合式模具结合挤压工艺，较普通挤压得到的棒材的综合力学性能更优越。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明整体组合模具示意图一；

图2为本发明整体组合模具示意图二；

图3为本发明整体组合模具的实物图；

图4为本发明整体组合模具的变挤压比浇铸挤压模具示意图；

图5为本发明整体组合模具的变挤压比浇铸挤压模具实物图；

图6为本发明整体组合模具的等通道转角模具示意图；

图7为本发明整体组合模具的等通道转角模具实物图；

图8为本发明整体组合模具的挤压冲头示意图；

图9为本发明整体组合模具挤压冲实物图；

图10为挤压角度45°的镁合金金相照片；

图11为不同状态镁合金样品的硬度图；

图12为不同角度镁合金样品的室温拉伸应力-应变曲线。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1～图2所示，镁合金挤压组合式模具10，包括变挤压比浇铸挤压模具20、等通道转角模具30和挤压冲头40，所述变挤压比浇铸挤压模具、等通道转角模具和挤压冲头是可拆卸的。模具实物图如图3所示。

如图4、5所示，所述变挤压比浇铸挤压模具30的内部模腔形成“漏斗”形竖直通道，所述“漏斗”形的最大直径为60mm，最小直径为16mm，所述“漏斗”形的最大直径和最小直径之比为14.06。

如图6、7所示，所述等通道转角模40的内部模腔形成转角通道，转角处为30°(图6(a))、45°(图6(b))和60°(图6(c))，转角处圆角半径为3mm。

如图8、9所示，挤压冲头40为“沙漏”形。

利用上述镁合金挤压组合式模具的铸造-挤压-剪切方法，步骤为：

1)将低碳钢坩埚洗刷干净放入熔炼炉中，在高于室温的温度下保温直至去除湿气；

2)称取0.7kg～1.5kg的镁锭并打磨掉镁锭表变的氧化层，放入低碳钢坩埚中进行熔炼，通入保护气体，将其熔炼温度控制在650℃-670℃；

3)待镁锭溶化后，保温20min～1h；

4)去除溶体表面的浮渣；

5)熔体经过除渣后在650℃静置20min～1h，使杂质沉降得到静置熔体；

6)用石棉渣将变挤压比浇铸挤压模具底部塞住；

7)将静置溶体在20℃～25℃下浇铸在冷慕铸型中，铸造。

8)采用镁合金挤压组合式模具，将激冷铸造后的镁合金在350℃～450℃下加热3小时以上，迅速放至锻压机上进行挤压，挤压方式为正向挤压，挤压速度为17～23mm/s，挤压温度为315℃～325℃，挤压压力为1600KN～2000KN。

实施例1模具设计及制作

1、模具材料的选取

为了通过综合快速凝固、加工硬化、动态回复及动态再结晶等过程从而实现控制材料微观组织的形成和发展，使试样晶粒细化而提高材料的性能的目的，设计制作了一套可组装式模具。结合挤压过程的温度范围和强烈摩擦等因素，最终选用H13热作模具钢(化学成分如表1所示，是在碳工钢的基础上加入合金元素而形成的钢种，统一数字代号T20502；牌号4Cr5MoSiV1)作为模具的材料。

表1 H13钢的化学成分

2、模具结构设计

组合式模具的三个组件分为变挤压比浇铸挤压模具(图4、图5)、等通道转角模具(图6、图7)和挤压冲头(图8、图9)。

变挤压比浇铸挤压模具结构尺寸如图4所示，变挤压比浇铸挤压模具的竖直通道的最大直径为60mm，最小直径为16mm，亦即最大挤压比为约为14.06。从图4中可以看到模具有一段“漏斗”型的浇铸内腔。这部分“漏斗”型的浇铸内腔可以研究不同挤压比对实验材料组织和性能的影响。

等通道转角模具结构尺寸如图6所示，转角分别为30°(图6(a))、45°(图6(b))和60°(图6(c))，弯角处圆角半径r为3mm，为了保证等径角转角挤压，转角模具部分的内径与变挤压比浇铸挤压模具出料口的直径相同都为16mm。

挤压冲头的具体结构尺寸如图8所示。与圆柱型挤压冲头相比较，挤压冲头与模具内壁的接触面积大大减小，从而尽可能的减小了挤压与脱模过程中产生的强烈摩擦阻力。

只要将不同角度的等通道转角模具与同一个变挤压比浇铸挤压模具组合，再配合挤压重头，就能得到组合式模具，例如，图2(a)、图2(b)、图3(c)分别为30°等通道转角模具、45°等通道转角模具、60°等通道转角模具和同一变挤压比浇铸挤压模具及其挤压冲头组合得到的三种不同的组合式模具，能实现不同角度的等通道转角实验。方便实验的同时节省了实验支出。

实施例2工艺流程

1、浇铸过程

熔炼所使用的设备及实验材料有电阻炉，低碳钢坩埚，AZ31镁锭(成分如表2所示)，模具(铸型和挤压)，保护气体(CO₂和SF₆)等。具体熔炼和铸造流程如下：

①先将低碳钢坩埚洗刷干净放入入熔炼炉中，在700℃下保温5分钟左右，去除湿气；

②称取定量的AZ31镁锭并打磨掉镁锭表变的氧化层，放入低碳钢坩埚中进行熔炼，通入保护气体，将其熔炼温度控制在650℃-670℃之间；

③待AZ31镁锭溶化后，保温30分钟；

④去除溶体表面的浮渣；

⑤熔体经过除渣后在650℃静置30分钟，使杂质沉降得到静置熔体；

⑥用石棉渣将变挤压比浇铸挤压模具(铸型)底部塞住；

⑦将静置溶体在室温20℃～25℃下浇铸在冷慕铸型中，铸造，随后进行下一步实验。

表2 AZ31镁合金的主要元素质量分数％

2、挤压及等通道转角过程

挤压的挤压实验机为200t的锻压机，超过该挤压力范围(0KN～2000KN)，则不能挤出。辅助设备有：热处理炉。

将激冷铸造后的AZ31镁锭连同所需角度的模具全部组装起来。在350℃温度下加热3.5h。随后迅速放至锻压机上进行挤压实验。挤压筒直径即模具内槽直径为60mm，挤压方式为正向挤压,挤压速度为20mm/s，实际挤压温度在315℃～325℃之间。

经激冷铸造及后续的挤压和等通道转角剪切后，得到的AZ31镁合金棒材横截面晶粒细小，组织均匀。以315℃-325℃下角度为45°时挤压的棒材为例，得到如图10所示的金相照片。从图中可以看出，同时受到挤压和剪切作用的样品横截面，动态再结晶完全进行，晶粒细小，几乎没有狭长的变形大晶粒，晶粒尺寸在5μm～20μm之间，组织也分布均匀。

图11为对不同状态下处理的试样进行显微硬度测试，取所有测量的硬度的平均值。可以看出，随着角度的增大，材料的硬度更高，硬度增长的趋势逐渐减小。

图12为不同角度得到样品的室温拉伸应力-应变曲线。可以明显看出结合起来的工艺较普通挤压(即图中0°)得到的棒材的综合力学性能更优越。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.镁合金挤压组合式模具，由变挤压比浇铸挤压模具、等通道转角模具和挤压冲头组合而成，其特征在于，所述变挤压比浇铸挤压模具、等通道转角模具和挤压冲头是可拆卸的；所述挤压冲头安装在变挤压比浇铸挤压模具的进料口处，所述等通道转角模具安装在变挤压比浇铸挤压模具出料口处；所述挤压冲头为“沙漏”形，所述变挤压比浇铸挤压模具的内部模腔形成“漏斗”形的竖直通道，所述等通道转角模具的内部模腔通道与模具的上下平面形成转角，转角处为0～90°，转角处圆角半径为3mm。

2.根据权利要求1所述镁合金挤压组合式模具，其特征在于，所述转角处为30～60°。

3.根据权利要求1所述镁合金挤压组合式模具，其特征在于，所述“沙漏”形的上表面直径为70mm，下表面直径为60mm，所述“漏斗”形的最大直径为60mm，最小直径为16mm，所述等通道转角模具的内部模腔通道的直径为16mm。

4.根据权利要求1所述镁合金挤压组合式模具，其特征在于，所述镁合金挤压组合式模具的材质为H13模具钢。

5.利用权利要求1-4任一所述的镁合金挤压组合式模具的铸造-挤压-剪切方法，其特征在于，步骤为：

a、激冷铸造镁合金；

b、采用镁合金挤压组合式模具，将激冷铸造后的镁合金在350℃～450℃下加热3小时以上，迅速放至锻压机上进行挤压，挤压方式为正向挤压，挤压速度为17～23mm/s，挤压温度为315℃～325℃，挤压压力为1600KN～2000KN。

6.利用权利要求5所述的镁合金挤压组合式模具的铸造-挤压-剪切方法，其特征在于，所述步骤a具体为：

1)将低碳钢坩埚洗刷干净放入熔炼炉中，在高于室温的温度下保温直至去除湿气；

2)称取0.7kg～1.5kg的镁锭并打磨掉镁锭表变的氧化层，放入低碳钢坩埚中进行熔炼，通入保护气体，将其熔炼温度控制在650℃-670℃；

3)待镁锭溶化后，保温20min～1h；

4)去除溶体表面的浮渣；

5)熔体经过除渣后在650℃静置20min～1h，使杂质沉降得到静置熔体；

6)用石棉渣将变挤压比浇铸挤压模具底部塞住；

7)将静置溶体在20℃～25℃下浇铸在冷慕铸型中，铸造。

7.根据权利要求5所述的铸造-挤压-剪切方法，其特征在于，所述镁合金为AZ31、AZ80或AZ91。