一种镁合金挤压变形加工装置及加工方法

摘要

本发明公开了一种镁合金挤压变形加工装置及加工方法，本发明的镁合金挤压变形加工装置，包括凸模、上凹模和下凹模，上凹模位于下凹模的上方，与下凹模之间设有通道；上凹模的中心处设有通孔，凸模插装在上凹模中心处的通孔内；下凹模上表面上对应于通孔处设有圆锥台，圆锥台截面上小下大。本发明采用锥台强剪切挤压双侧流动挤压变形，既能够极大地提高镁合金晶粒的细化效果，使镁合金材料的综合力学性能得到提高，又能够实现在低温挤压状态下不降低挤压速度，提高镁合金挤压变形加工的生产效率。

权利要求

1.一种镁合金挤压变形加工装置，其特征是：包括凸模、上凹模和下凹模，上凹模位于下凹模的上方，与下凹模之间设有通道；上凹模的中心处设有通孔，凸模插装在上凹模中心处的通孔内；下凹模上表面上对应于通孔处设有圆锥台，圆锥台截面上小下大。

2.一种利用权利要求1所述的镁合金挤压变形加工装置的镁合金挤压变形加工方法，包括如下步骤：

1）对镁合金坯料进行均匀化处理；

2）对凸模、上凹模和下凹模加热，并在上凹模和下凹模之间的通道腔内均匀涂抹润滑剂；然后将上凹模和下凹模组装固定在挤压机工作台上；

3）将均匀化处理后的镁合金坯料加热，然后放入在已加热的上凹模中心处的通孔中，然后将凸模插装在通孔内；

4）挤压机的压头带动凸模挤压镁合金坯料，使镁合金坯料受到锥台剪切后向上凹模和下凹模之间两侧的挤压通道流动挤压变形，挤压比为8～60。

3.根据权利要求2所述的镁合金挤压变形加工方法，步骤1）的具体操作方法如下：将镁合金坯料加热至380～450℃保温10～25小时。

4.根据权利要求2所述的镁合金挤压变形加工方法，步骤2）中将凸模、上凹模和下凹模加热至180℃～420℃。

5.根据权利要求2所述的镁合金挤压变形加工方法，步骤2）中润滑剂采用的是汽油、机油、石墨、玻璃、二硫化钼或植物油中的一种或几种的混合物。

6.根据权利要求2所述的镁合金挤压变形加工方法，步骤3）中将镁合金坯料加热至200℃～450℃。

7.根据权利要求2所述的镁合金挤压变形加工方法，步骤4）中挤压机的压头带动凸模以0.1～4m/min的速度、150MPa～2000MPa的挤压力挤压镁合金坯料。

说明书

一种镁合金挤压变形加工装置及加工方法

技术领域

[0001] 本发明属于镁合金加工技术领域，特别涉及一种镁合金挤压变形加工装置及加工方法。

背景技术

[0002] 镁及镁合金的密度低，是目前金属结构材料中最轻的材料，并具有比强度和比刚度高、电磁屏蔽能力强、切削加工性能好及抗震能力强等优点。在汽车、航天航空、电子通讯和轻量化制造等领域具有广阔的应用前景，成为减重节能和保护环境的首选材料，被誉为21世纪的“绿色工程材料”。但镁是密排六方结构的金属，其轴比(c/a)值为1.623，接近理想的密排值1.633，室温下滑移系少，塑性变形能力差，容易导致脆性断裂，冷加工性能不好。
目前镁合金的成型方法主要以铸造为主，但其铸态组织晶粒粗大，力学性能较低。为了提高其力学性能和细化组织。通过热挤压加工处理能够很好的细化镁合金晶粒，试样在受到三向压应力的作用促使 棱锥面和 棱柱面等非基面滑移
系被激活，从而不仅能提高其塑性，亦可提高其强度。晶粒细化一直是材料科学界研究的热点问题，根据著名的Hell-Petch公式多晶体屈服强度随晶粒尺寸的减小而大大增加，而延伸率也明显提高，是理想的材料强化方式。挤压变形就是其中一种比较理想的细化组织，提高其力学性能的变形方式。挤压法生产的零件其力学性能较压铸法生产的要高很多，而且表面光洁度高，可用于汽车承载件、国防军工及航天航空等领域。我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁合金板、棒和型材，如今高性能镁合金材料仍依靠进口，民用产品尚未进行大力开发。因此，研究和开发性能优良、规格多样的变形镁合金材料显得十分重要。

[0003] 目前，工业生产中镁合金的挤压变形工艺，其挤压比一般在10～100变化，镁合金坯料的挤压温度通常为300～450℃，挤压速度通常为0.1m/min～2.5m/min，挤压温度与挤压速度成正比，挤压温度越低，挤压速度越慢，如果挤压温度降低而挤压速度不随之而减慢，镁合金的成型效果将受影响，导致挤压出的材料出现裂纹，影响产品质量。现在最为常用的镁合金的挤压变形方式为ECAE(Equal channel angular extrusion)的等径角挤压，参见图2，这是一种利用纯剪切变形细化晶粒的大塑性变形加工方法，即将被挤压的镁合金的坯料4，通过挤压模9上弯曲成90°角的单向等径挤压的通道8进行挤压，使镁合金坯料在一个挤压杆7的压力下，由等径挤压通道一端向另一端运动，使镁合金坯料在经过等径挤压通道的90°转角时，受到剪切变形，将镁合金晶粒细化，提高被挤压的镁合金材料的力学性能，但是这种挤压比为1，挤压温度为200～350℃，挤压速度为0.1～1.5m/min，其每挤压一道次后，镁合金晶粒尺寸细化程度不明显，需经过多道次挤压才能够将镁合金晶粒细化到较小尺寸。如在300℃将晶粒为230μm的镁合金坯料采用ECAE技术挤压变形，需经过八道次的挤压，镁合金的晶粒尺寸才能达到8μm以下；将晶粒为40μm的镁合金坯料在250℃时采用ECAE技术挤压变形，需经过八道次的挤压，镁合金的晶粒尺寸才能达到1μm左右。该方法虽然能够实现将镁合金晶粒细化到很小的程度，但是因其采用多道次的挤压加工序多，每道次的挤压时间也相对较长，生产效率低，生产成本高；并且由于ECAE技术的挤压速度为0.1～1.5m/min，如果要提高单向挤压的挤压速度，又会产品质量下降。因此，在工业化生产需要提高生产效率的情况下，ECAE技术显然存在不足。

发明内容

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种镁合金挤压变形加工装置及加工方法，它采用锥台强剪切挤压双侧流动挤压变形，既能够极大地提高镁合金晶粒的细化效果，使镁合金材料的综合力学性能得到提高，又能够实现在低温挤压状态下不降低挤压速度，提高镁合金挤压变形加工的生产效率。

[0005] 本发明采用的技术方案是：一种镁合金挤压变形加工装置，包括凸模、上凹模和下凹模，上凹模位于下凹模的上方，与下凹模之间设有通道；上凹模的中心处设有通孔，凸模插装在上凹模中心处的通孔内；下凹模上表面上对应于通孔处设有圆锥台，圆锥台截面上小下大。

[0006] 一种利用上述的镁合金挤压变形加工装置的镁合金挤压变形加工方法，包括如下步骤：

[0007] 1）对镁合金坯料进行均匀化处理；

[0008] 2）对凸模、上凹模和下凹模加热，并在上凹模3和下凹模6之间的通道腔内均匀涂抹润滑剂；然后将上凹模和下凹模组装固定在挤压机工作台上；

[0009] 3）将均匀化处理后的镁合金坯料加热，然后放入在已加热的上凹模中心处的通孔中，然后将凸模插装在通孔内；

[0010] 4）挤压机的压头带动凸模挤压镁合金坯料，使镁合金坯料受到锥台剪切后向上凹模和下凹模之间两侧的挤压通道流动挤压变形，挤压比为8～60。

[0011] 上述的镁合金挤压变形加工方法中，步骤1）的具体操作方法如下：将镁合金坯料加热至380～450℃保温10～25小时。

[0012] 上述的镁合金挤压变形加工方法中，步骤2）中将凸模、上凹模和下凹模加热至180℃～420℃。

[0013] 上述的镁合金挤压变形加工方法中，步骤2）中润滑剂采用的是汽油、机油、石墨、玻璃、二硫化钼或植物油中的一种或几种的混合物。

[0014] 上述的镁合金挤压变形加工方法中，步骤3）中将镁合金坯料加热至200℃～450℃。

[0015] 上述的镁合金挤压变形加工方法中，步骤4）中挤压机的压头带动凸模以0.1～4m/min的速度、150MPa～2000MPa的挤压力挤压镁合金坯料。

[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0017] 本发明的下凹模上表面上对应于通孔处设有圆锥台，在镁合金坯料挤压时，板材的上部受到上凹模的90°转角 剪切作用，同时，板材的下部受到锥台顶部的转角θ剪切作用，一部分粗大晶粒在剪切力的作用下，被破碎成一系列具有小角度晶界的亚晶，亚晶被沿着挤压方向拉长形成带状组织，另一部分发生动态再结晶，使晶粒初步细化；由于锥台顶部的转角θ为钝角，其剪切作用弱于上凹模的90°转角 ，板材的上部分比下部分具有更好的细化效果，在坯料经过锥台底部的转角后，板材下部分继续产生剪应变，促使较大晶粒继续破碎或发生动态再结晶，晶粒组织再次获得细化；最后，可以获得上下晶粒组织细小均匀的挤压板材。此外，本发明可以灵活设计挤压比、锥台的上底面半径R、锥台高度H和锥台角度θ，以控制板材的上下部分的剪切变形量，随剪切变形量的增大，晶内位错密度急剧增加，晶格畸变加剧，从而使新晶粒形核数目增多，使晶粒组织可以得到深度细化。本发明方法可大大提高被加工镁合金板材的晶粒均匀细化效果，而且能够实现在低温挤压状态下不降低挤压速度，提高镁合金挤压变形加工的生产效率。

[0018] 下表为采用本发明对AZ31镁合金坯料进行挤压所得的产品的力学性能参数，所有产品都是在挤压比为10.18下得到的。其产品的晶粒细化效果图分别如图4-6所示。

[0019]

附图说明

[0020] 图1是本发明的结构示意图。

[0021] 图2是现有的挤压装置的结构示意图。

[0022] 图3是AZ31镁合金经400℃保温15小时均匀化处理后的微观组织图。

[0023] 图4是AZ31镁合金坯料温度260℃用本发明挤压产生的晶粒细化效果图。

[0024] 图5是AZ31镁合金坯料温度370℃用本发明挤压产生的晶粒细化效果图。

[0025] 图6是AZ31镁合金坯料温度410℃用本发明挤压产生的晶粒细化效果图。

[0026] 图中：1-压头；2-凸模；3-上凹模；4-镁合金坯料；5-圆锥台；6-下凹模；7-挤压杆；9-等径角模具。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。

[0028] 如图1所示，本发明的镁合金挤压变形加工装置，包括凸模2、上凹模3和下凹模6，上凹模3位于下凹模6的上方，与下凹模6之间设有通道。上凹模3的中心处设有通孔，凸模2插装在上凹模3中心处的通孔内。下凹模6的上表面上对应于通孔处设有圆锥台5，圆锥台5截面上小下大。

[0029] 利用上述的镁合金挤压变形加工装置，本发明的镁合金挤压变形加工方法包括如下步骤：

[0030] 1）将镁合金坯料加热至380～450℃保温10～25小时，对镁合金坯料进行均匀化处理。

[0031] 2）将凸模2、上凹模3和下凹模6加热至180 420℃，并在上凹模3和下凹模6之间的~通道内均匀涂抹润滑剂；润滑剂采用的是汽油、机油、石墨、玻璃、二硫化钼或植物油中的一种或几种的混合物。然后将上凹模3和下凹模6固定在立式挤压机工作台上。

[0032] 3）将经过均匀化处理的镁合金坯料4加热至200℃～450℃。然后放入在已加热的上凹模3中心处的通孔中，然后将凸模2插装在通孔内。

[0033] 4）由挤压机的压头1带动凸模2以0.1～4m/min的速度、150MPa～2000MPa的挤压力挤压镁合金坯料，使镁合金坯料受到锥台剪切后向上凹模和下凹模之间两侧的通道流动挤压变形，挤压比为8～60。

[0034] 实施例1：

[0035] 参见图1，本实施例采用锥台强剪切挤压双侧流动成型的挤压模，在挤压机上对AZ31镁合金板材进行挤压变形加工。首先将镁合金坯料4加热至380℃保温25小时进行均匀化处理，经过均匀化处理的铸锭，使铸锭的化学成分和组织更加均匀。挤压前，把模具加热至240℃后，在模具挤压通道腔内均匀涂抹润滑剂，所述润滑剂为70％的74号汽缸油和30％的粒度400目的石墨混合而成的润滑剂，然后将上凹模3、下凹模6固定在挤压机的工作台上，将经过均匀化处理的镁合金坯料加热至260℃，挤压比为8，放入在已加热的模具的挤压腔中，挤压机的压头1带动凸模2以1m/min的速度，以610Mpa～685Mpa的压强挤压，从镁合金坯料的上端进行等速挤压，即挤压机的压头1带动凸模2向下施与压力运动，使镁合金坯料向模具型腔底面的锥台流动，产生强剪切变形。最终流向两个径向的成型型腔通道而成型，其挤压比为挤压模具竖直型腔的截面积与两径向型腔通道的截面积之和的比值。

[0036] 实施例2

[0037] 参照图1，本实施例采用与上面实施例相同类型的锥台强剪切挤压双侧流动成型的挤压模具，挤压比为30，挤压前首先要对坯料在400℃保温15h进行均匀化处理以消除铸造时留下的各种枝晶和金属间化合物(如图3所示)。模具加热温度为350℃，所使用的润滑剂为70％的74号汽缸油和30％的粒度400目的二硫化钼混合而成的润滑剂，将经过均匀化处理的镁合金坯料4加热至370℃，挤压速度为：4m/min，挤压力范围在1000～1085MPa之间，具体的实施过程为：将均匀化处理后的坯料放入挤压腔中，由挤压机的压头1施加压力带动凸模2向下运动，由凸模2挤压坯料使镁合金坯料向锥台流动，产生强剪切变形后向上凹模和下凹模之间两侧的通道流动成型得到挤压成形制品。采用上述挤压方法挤出的制品应迅速水冷，防止晶粒长大。随着挤压温度的降低，挤压速度也应减小。

[0038] 实施例3

[0039] 本实施例采用与上面实施例相同类型的锥台强剪切挤压双侧流动成型的挤压模具，挤压比为60，挤压前首先要对坯料在450℃保温10h进行均匀化处理，以消除铸造时留下的各种枝晶和金属间化合物。模具加热温度为420℃，所使用的润滑剂为粒度为109 190μm~的玻璃润滑剂，将经过均匀化处理的镁合金坯料4加热至450℃，挤压速度为：2m/min，挤压力范围在1710～1790MPa之间，具体的实施过程为：将均匀化处理后的坯料放入挤压腔中，由挤压机的压头1施加压力带动凸模2向下运动，由凸模2挤压坯料使镁合金坯料向锥台流动，产生强剪切变形后向上凹模和下凹模之间两侧的通道流动成型得到挤压成形制品。采用上述挤压方法挤出的制品应迅速水冷，防止晶粒长大。随着挤压温度的降低，挤压速度也应减小。

[0040] 本发明的模具型腔的转角以及圆角半径可以修改，其中圆角半径应该在恰当范围内为0.5mm～5mm效果较好。

[0041] 本发明不仅仅局限于加工各种镁合金板料，还可以根据模具设置的径向的型腔通道结构，采用适当的模具结构，还可以挤压出多种形态的镁合金材料(如棒材，管材等)。