CN109622648B - 一种镁合金非对称连续大变形挤压加工成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金非对称连续大变形挤压加工成型方法,属于有色金属塑性成型领域。本发明采用非对称连续挤压模具实现镁合金板形挤压成形。具体加工工艺为：板形铸料由多元少量镁合金亚快速凝固浇注得到，然后把镁合金板形铸料放在可拆卸模芯中，通过外置加热炉加热，加热后放在模架中，合模后通过挤压杆施加压力，板形铸料在模芯上部分的镦挤腔内镦挤变形，然后挤压杆继续施加压力，板形铸料通过非对称的成型通道孔发生非对称挤压变形，在连续变截面大变形挤压的基础上进一步加剧变形，制备出性能优化的薄板镁合金。通过本发明的加工工艺可获得组织均匀、性能优化的镁合金薄板形件。

Description

一种镁合金非对称连续大变形挤压加工成型方法

技术领域

本发明属于有色金属塑性成型领域。

背景技术

由于近年来航空、航天、汽车、3C等行业减重的要求，镁合金作为重要的新兴工程材料，受到越来越多的重视。但现有的使用状况远没有发挥出其潜在优势，实际的工业应用方面规模很小。镁合金的晶体结构为密排六方结构，室温下塑性成型能力较差，因此在实际应用中受到很大制约。目前镁合金产品以压铸镁合金居多，但铸件的产品类型较少且性能不够理想，容易存在组织缺陷，导致镁合金的应用范围受到很大制约。而变形镁合金的强度和塑性都普遍优于铸造镁合金，更具有发展潜力和应用空间。因此，推动变形镁合金的发展有重要意义。多元少量亚快速凝固是制备高性能新结构金属材料的重要手段，通过在镁合金中加入几种微量元素，缩短凝固时间，使微量元素直接固溶在基体中，析出不同的沉淀相，抑制晶粒长大以及合金的成分偏析，从而缩短流程，优化性能。

镁合金板材作为最轻的金属结构材料，在诸多领域由广泛的应用前景。目前,镁合金传统的塑性变形工艺由于变形量小，晶粒细化能力有限，容易出现组织不均匀甚至裂纹等问题，成形出的产品较难满足社会需求。近年来，不少学者在传统塑性成形的基础上逐步研发了多种塑性大变形技术，该技术能显著细化晶粒，弱化织构，可获取满足市场需求的高强韧镁合金产品，是一种备受关注的塑性成形技术。非对称型材由于截面为非对称，挤压成形时金属的流动速度变化大，可实现金属的塑性大变形。因此，本专利发明了一种非对称连续大变形挤压复合工艺，该方法在挤压过程之前引入非对称变形过程。通过多道次塑性大变形，极大地提高镁合金晶粒的细化效果，使镁合金综合性能得到提高，从而获得组织均匀、性能优化的镁合金薄板形件。

发明内容

本发明的目的是提供一种变形镁合金加工方法及其成型方法，以满足变形镁合金的板材生产，实现变形镁合金的强韧化，获得组织均匀、性能优化的镁合金薄板形件。采用非对称连续大变形挤压复合加工方法，相较于传统成型工艺，多道次大塑性变形更有利于优化内部组织结构。

非对称连续大变形挤压复合工艺是指通过一种具有变截面的模芯结构，使坯料在加工过程中先发生镦挤变形，再发生非对称挤压变形。在三向压应力作用下，消除组织缺陷，细化晶粒，改善微观组织，优化性能。

本发明的具体实施方案包括以下步骤：

1. 组装模具；该模具由凸模和凹模组成；所述凸模由顶板和挤压杆3两部分构成，挤压杆3固定安装在上模架1上，顶板安装在凹模上，压在坯料8的上方；所述凹模由凹模外圈9和两个可拆卸式模芯10构成；凹模外圈9为中心加工有扁圆形通孔的圆台形结构，两个可拆卸式模芯10可拼合成一个扁圆柱安装在凹模外圈9中；拼合成的扁圆柱中间为模具型腔11；

挤压杆3通过螺栓固定在上模架1下方，固定板4通过螺栓固定在上模架1下方，弹簧5通过螺栓固定在固定板4和卸料板6之间，可拆卸式模芯10装在凹模外圈9内，凹模外圈9通过法兰固定在下模架12上，上模架1和下模架12之间通过导套2和导柱7进行定位，模具型腔11挤出段出口与下模座12的开口相对，模具型腔11的中心轴线与下模座12的中心轴线重合。

2. 在模具型腔内均匀喷涂润滑剂；所述的润滑剂为玻璃、石墨或铝粉润滑剂；

3. 将亚快速凝固浇注成型的多元少量镁合金坯料放入可拆卸式模芯10的模具型腔中，通过外置加热炉加热至200-450℃；模具型腔包括镦挤腔13和挤压腔14；镦挤腔13设置在模具型腔的上部，横截面为矩形；挤压腔14设置在镦挤腔13下方，横截面也为矩形，但宽度小于镦挤腔13，挤压腔14和镦挤腔13之间通过切角平滑过渡；成型通道孔15设置在挤压腔14下方，成型通道孔15横截面矩形，成型通道孔15的宽度和厚度均小于挤压腔14；成型通道孔15为非对称式设计，包括：长度方向非对称和厚度方向非对称两种结构；长度方向非对称，即成型通道孔15的中心轴线与挤压腔14的中心轴线设有偏离；厚度方向非对称，即在两个可拆卸式模芯10上拼合成成型通道孔15的两个凹槽深度不同。

4. 将加热后的坯料与可拆卸式模芯10一起放入凹模外圈9内，在挤压杆3恒定压力挤压下板形铸料依次经过镦挤腔13、挤压腔14，从成型通道孔15中匀速挤出得到镁合金薄板形件；挤压速度为0.1m/min-4m/min，挤压比为4-100；镦挤腔13刃口方向和挤压腔14刃口方向相垂直；

5．挤压完成后，可对镁合金采取去应力退火工艺，在150-400℃保温0.5-2h，以消除镁合金在塑性变形过程中产生的加工硬化。

6. 进行深冷处理，在液氮温度下保温24h，深冷可有效地细化晶粒，析出第二相，在激冷和激热的作用下，合金内部产生内应力可产生亚晶，此外，细晶会与位错作用，阻碍位错运动，提高结构稳定性，提升力学性能。之后可进行较短时间的人工时效（150-200℃时效1-2h），深冷处理起到预时效的作用，在深冷处理后进行短时间的时效，可在保证塑性的前提下，进一步提升合金的强度。

本发明的有益效果：

本发明采用非对称连续大变形挤压复合加工方法模具替代传统挤压方法，在变形镁合金板材成型方面上取得较好的效果。实现变形镁合金的多道次连续塑性大变形，可缩短流程，积累足够的等效应变，得到晶粒细小，性能优异的镁合金薄板形件。

附图说明

图1是发明中加工模具的装配示意图；

图2是模具中可拆卸式模芯的结构示意图；

图3和图4是可拆卸式模芯的剖面图；

图5和图6是长度方向上的非对称成型通道孔的示意图；

图7和图8是厚度方向上的非对称成型通道孔的示意图。

图9本发明方法步骤示意图。

图中，1、上模架，2、导套，3、挤压杆，4、固定板，5、弹簧，6、卸料板，7、导柱，8、坯料，9、凹模外圈，10、可拆卸式模芯，11、模具型腔，12、下模架，13、镦挤腔，14，挤压腔，15、成型通道孔。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明做进一步说明。这些实例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制。

实施例1 Mg-1.2Zn-0.5Ca-0.3Mn（wt.％）

1. 组装模具；该模具由凸模和凹模组成；所述凸模由顶板和挤压杆3两部分构成，挤压杆3固定安装在上模架1上，顶板安装在凹模上，压在坯料8的上方；所述凹模由凹模外圈9和两个可拆卸式模芯10构成；凹模外圈9为中心加工有扁圆形通孔的圆台形结构，两个可拆卸式模芯10可拼合成一个扁圆柱安装在凹模外圈9中；拼合成的扁圆柱中间为模具型腔11；

挤压杆3通过螺栓固定在上模架1下方，固定板4通过螺栓固定在上模架1下方，弹簧5通过螺栓固定在固定板4和卸料板6之间，可拆卸式模芯10装在凹模外圈9内，凹模外圈9通过法兰固定在下模架12上，上模架1和下模架12之间通过导套2和导柱7进行定位，模具型腔11挤出段出口与下模座12的开口相对，模具型腔11的中心轴线与下模座12的中心轴线重合。

2. 在模具型腔内均匀喷涂润滑剂；所述的润滑剂为玻璃、石墨或铝粉润滑剂；

3. 将镁合金坯料放入可拆卸式模芯10的模具型腔中，通过外置加热炉加热至250℃；模具型腔包括镦挤腔13和挤压腔14；镦挤腔13设置在模具型腔的上部，横截面为矩形；挤压腔14设置在镦挤腔13下方，横截面也为矩形，但宽度小于镦挤腔13，挤压腔14和镦挤腔13之间通过切角平滑过渡；成型通道孔15设置在挤压腔14下方，成型通道孔15横截面矩形，成型通道孔15的宽度和厚度均小于挤压腔14；成型通道孔15为非对称式设计，包括：长度方向非对称和厚度方向非对称两种结构；长度方向非对称，即成型通道孔15的中心轴线与挤压腔14的中心轴线设有偏离；厚度方向非对称，即在两个可拆卸式模芯10上拼合成成型通道孔15的两个凹槽深度不同。

4. 将加热后的坯料与可拆卸式模芯10一起放入凹模外圈9内，在挤压杆3恒定压力挤压下板形铸料依次经过镦挤腔13、挤压腔14，从成型通道孔15中挤出得到镁合金薄板形件；挤压速度为2.0m/min，挤压比为25；镦挤腔13刃口方向和挤压腔14刃口方向相垂直；

5．挤压完成后，可对镁合金采取去应力退火工艺，在350℃保温2h，以消除镁合金在塑性变形过程中产生的加工硬化。

6. 进行深冷处理，在液氮温度下保温24h，深冷可有效地细化晶粒，析出第二相，在激冷和激热的作用下，合金内部产生内应力可产生亚晶，此外，细晶会与位错作用，阻碍位错运动，提高结构稳定性，提升力学性能。之后可进行较短时间的人工时效（180℃时效1h），深冷处理起到预时效的作用，在深冷处理后进行短时间的时效，可在保证塑性的前提下，进一步提升合金的强度。

测试结果如下表所示：

实施例2 Mg-1.2Al-1Zn-0.3Sn（wt.％）

本实施例中通过外置加热炉加热至300℃；挤压速度为2.5m/min，挤压比为50。挤压成型后得到薄板形件，对镁合金板材进行去应力退火，在300℃保温1h；再进行深冷处理，在液氮温度下保温24h；然后进行人工时效，在150℃下时效1h，进一步优化性能。

测试结果如下表所示：

实施例3 Mg-1.2Sn-0.8Zn-0.5Mn (wt.％)

本实施例中在外置加热炉中加热至350℃；挤压速度为3m/min,挤压比为100。得到薄板形件后，对镁合金板材进行去应力退火，在350℃保温1h；再进行深冷处理，在液氮温度下保温24h；然后进行人工时效，在180℃下时效1h，进一步优化性能。

测试结果如下表所示：

	晶粒度	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	伸长率/％
					挤压前	95	144	192	14.5
挤压后	5.0	257	316	21.5

Claims (3)

1.一种镁合金非对称连续大变形挤压加工成型方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：

1）. 组装模具；该模具由凸模和凹模组成；所述凸模由顶板和挤压杆（3）两部分构成，挤压杆（3）固定安装在上模架（1）上，顶板安装在凹模上，压在坯料（8）的上方；所述凹模由凹模外圈（9）和两个可拆卸式模芯（10）构成；凹模外圈（9）为中心加工有扁圆形通孔的圆台形结构，两个可拆卸式模芯（10）可拼合成一个扁圆柱安装在凹模外圈（9）中；拼合成的扁圆柱中间为模具型腔（11）；

挤压杆（3）通过螺栓固定在上模架（1）下方，固定板（4）通过螺栓固定在上模架（1）下方，弹簧（5）通过螺栓固定在固定板（4）和卸料板（6）之间，可拆卸式模芯（10）装在凹模外圈（9）内，凹模外圈（9）通过法兰固定在下模架（12）上，上模架（1）和下模架（12）之间通过导套（2）和导柱（7）进行定位，模具型腔（11）挤出段出口与下模座（12）的开口相对，模具型腔（11）的中心轴线与下模座（12）的中心轴线重合；

2）. 在模具型腔内均匀喷涂润滑剂；所述的润滑剂为玻璃、石墨或铝粉润滑剂；

3）. 将亚快速凝固浇注成型的多元少量镁合金坯料放入可拆卸式模芯（10）的模具型腔中，通过外置加热炉加热至200-450℃；模具型腔包括镦挤腔（13）和挤压腔（14）；镦挤腔（13）设置在模具型腔的上部，横截面为矩形；挤压腔（14）设置在镦挤腔（13）下方，横截面也为矩形，但宽度小于镦挤腔（13），挤压腔（14）和镦挤腔（13）之间通过切角平滑过渡；成型通道孔（15）设置在挤压腔（14）下方，成型通道孔（15）横截面为矩形，成型通道孔（15）的长度和厚度均小于挤压腔（14）；成型通道孔（15）为非对称式设计，包括：长度方向非对称和厚度方向非对称两种结构；长度方向非对称，即成型通道孔（15）的中心轴线与挤压腔（14）的中心轴线设有偏离；厚度方向非对称，即在两个可拆卸式模芯（10）上拼合成成型通道孔（15）的两个凹槽深度不同；

4）. 将加热后的坯料与可拆卸式模芯（10）一起放入凹模外圈（9）内，在挤压杆（3）恒定压力挤压下板形镁合金坯料依次经过镦挤腔（13）、挤压腔（14），从成型通道孔（15）中匀速挤出得到镁合金薄板形件；挤压速度为0.1-4 m/min，挤压比为4~100；镦挤腔（13）刃口方向和挤压腔（14）刃口方向相垂直。

2.根据权利要求1所述的一种镁合金非对称连续大变形挤压加工成型方法，其特征在于，该方法还包括：

步骤5）．在步骤4挤压完成后，对镁合金采取去应力退火工艺，在150-400℃保温0.5-2h。

3.根据权利要求2所述的一种镁合金非对称连续大变形挤压加工成型方法，其特征在于，该方法还包括：

步骤6）.在步骤5完成后进行深冷处理，在液氮温度下保温24h，之后进行较短时间的人工时效，即在150-200℃时效1-2h。

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