一种提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能的成形方法

摘要

本发明涉及一种提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能的成形方法，属于有色金属材料及工艺领域，特别涉及一种提高Mg‑9Gd‑3RE耐热稀土镁合金锥形筒形件小端组织性能的成形方法，所述的耐热是指200℃下力学性能抗拉强度不低于330MPa，所述的锥形筒形件，大端直径尺寸(外径)不低于Φ200mm，小端直径尺寸(外径)不低于Φ80mm，提高稀土镁合金筒形件组织性能是指提高力学性能及细化晶粒尺寸。所述的锥形筒形件的高度与小端外径的比值不小于7，提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能是指提高力学性能及细化晶粒。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能的成形方法，属于有色金属材料及工艺领域，特别涉及一种提高Mg-9Gd-3RE耐热稀土镁合金锥形筒形件小端组织性能的成形方法，所述的耐热是指200℃下力学性能抗拉强度不低于330MPa，所述的锥形筒形件，大端直径尺寸(外径)不低于Φ200mm，小端直径尺寸(外径)不低于Φ80mm，提高稀土镁合金筒形件组织性能是指提高力学性能及细化晶粒尺寸。所述的锥形筒形件的高度与小端外径的比值不小于7，提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能是指提高力学性能及细化晶粒。

背景技术

为了追求更高的战标，航天武器对其轻量化提出了迫切的需求，镁合金最为最轻的金属结构材料，是实现轻量化的有效手段。弹头作为全弹攻击核心，提高有效载荷一直是航天设计者以及材料工艺者追求的目标，由于弹头材料高性能、耐热性以及气密性等苛刻环境要求，因此，轻质化材料的选取尤为重要。而稀土变形镁合金具有高性能、耐热、致密等优势，是提高弹头有效载荷，实现轻量化的有效手段。目前，稀土变形镁合金提高组织性能的主要手段是通过增加变形程度细化显微组织等方式，针对弹头锥形结构件，由于长轴比较大，小端尺寸较小，锥形深度较大，小端面变形量较小，导致小端面性能较差，影响弹头锥形件的使用。对于锥形筒形件一般工艺方法是通过铸锭改性后多次反挤压成形工艺方法，由于锥形件尺寸较大，稀土镁合金加热能力较差，需要多次加热变形，反复加热容易导致显微组织晶粒尺寸长大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能的成形方法，该方法能够提高小端面变形量，提高显微组织，同时保证锥形筒形件显微晶粒尺寸。本发明通过采用变形工艺和模具设计相结合，对Mg-9Gd-3RE稀土镁合金变形后，实现了锥形件组织性能显著提高。

本发明的技术方案：

一种提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能的成形方法，该成形方法的步骤包括：

(1)对Mg-9Gd-3RE稀土镁合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理过程为：均匀化温度为500～530℃，保温8～12h，保温结束后自然冷却到室温；

(2)对步骤(1)均匀化处理后的铸锭进行挤压变形处理，采用卧式挤压机对均匀化处理后铸锭进行挤压，挤压温度300～350℃，挤压比7～10，挤压后得到挤压棒材；

(3)对步骤(2)得到的挤压棒材进行镦粗变形，镦粗变形量为30％～50％；

进行镦粗变形时使用的镦粗变形模具，在进行镦粗变形前对镦粗变形模具、挤压棒材进行加热，镦粗变形模具的加热温度为280～350℃，保温0.5～2h；挤压棒材的加热温度350～400℃，保温0.5～2h；

镦粗变形模具包括上盖板1、第一凸模2、凹膜4和顶块5；顶块5包括上顶块51和下顶块52；

上盖板1为一方形板；

第一凸模2包括固定板和柱体，柱体包括圆柱和圆台，圆柱和圆台为一体成型结构，圆柱的直径与圆台的大端直径相一致；上盖板1与固定板的顶端固定连接，固定板的底端与圆柱的顶端固定连接；

凹膜4为带有通孔的圆柱，通孔的内型面包括锥形面和圆柱面，锥形面与第一凸模2的圆台的外型面相匹配，圆柱面与上顶块51和下顶块52的外型面相匹配；

上顶块51包括一体成型的大圆柱和小圆柱，大圆柱和小圆柱连接处平滑过渡；

下顶块52为一圆柱，下顶块52的外径与上顶块51的大圆柱的外径相匹配；

(4)将步骤(3)镦粗变形后的锥形件回炉加热保温，加热温度为300～350℃，保温时间为3-5h，保温结束后进行反挤压成形，挤压下压量为20％～30％；

进行反挤压成形时使用的反挤压模具包括上盖板1、第二凸模22、凹膜4和顶块5；顶块5包括上顶块51和下顶块52；

上盖板1为一方形板；

第二凸模22包括固定板和柱体，柱体包括圆柱和圆台，圆柱和圆台为一体成型结构，圆柱的直径与圆台的大端直径相一致；上盖板1与固定板的顶端固定连接，固定板的底端与圆柱的顶端固定连接；第二凸模22的圆台的外型面与步骤(3)镦粗变形后的锥形件的内腔内型面相匹配；

凹膜4为带有通孔的圆柱，通孔的内型面包括锥形面和圆柱面，锥形面与第二凸模22的圆台的外型面相匹配，圆柱面与上顶块51和下顶块52的外型面相匹配；

上顶块51包括一体成型的大圆柱和小圆柱，大圆柱和小圆柱连接处平滑过渡；

下顶块52为一圆柱，下顶块52的外径与上顶块51的大圆柱的外径相匹配；

(5)待挤压完成后，通过下顶块52将挤压成型后的锥形筒形件顶出，快速转移水冷，水温度为50～60℃，冷却室温后，对锥形筒形件进行时效处理，时效温度200～225℃，时效时间24～48h。得到时效处理后的稀土镁合金锥形筒形件。

所述的步骤(3)中，使用镦粗变形模具进行镦粗变形的过程为：首先将下顶块52放入到凹膜4的通孔底端，其次将上顶块51放入到下顶块52上面，再将加热后的挤压棒材放入上顶块51的上面，并通过第一凸模2挤压成形。

所述的步骤(5)中，使用挤压成形模具进行挤压成形的过程为：首先将下顶块52放入到凹膜4的通孔底端，其次将上顶块51放入到下顶块52上面，再将镦粗变形后锥形件放入上顶块51的上面，并通过第二凸模22挤压成形。

有益效果

(1)本发明采用Mg-9Gd-3RE高强耐热稀土镁合金材料，该材料稀土含量不高于12％，耐热温度不低于200℃，通过挤压变形、镦粗预成形以及一次反挤压成形工艺方法，充分的发挥该材料形变动态再结晶强化效果，保证了挤压变形态合金组织和性能；

(2)预变形坯料采用Mg-9Gd-3RE高强耐热稀土镁合金挤压变形，相比铸锭锻造开坯，挤压变形能够显著提高Mg-9Gd-3RE高强耐热稀土镁合金高度方向力学性能和显微组织。

(3)采用预变形可以提高Mg-9Gd-RE高强耐热稀土镁合金挤压坯料变形量，提高本体材料的显微组织和力学性能，同时降低对模具的损耗以及锻压设备吨位要求。

(4)通过模具设计，采用上顶块51和下顶块52，增加小端面变形程度，提高小端材料的力学性能，均匀细化显微组织。

(5)本发明中挤压温度及变形量与Mg-9Gd-3RE材料变形特点密切相关，为了保证挤压变形细化效果，防止挤压变形开裂等问题，挤压变形工艺参数为，温度范围350～400℃，单次变形量范围30～50％。

(6)本发明时效热处理工艺参数参考时效硬化曲线，根据Mg-9Gd-3RE材料弥散强化机理，结合材料特点，时效温度200～225℃，时效时间24～48h。

(7)本发明中模具设计中，凹模和上顶块51、下顶块52相配合，挤压变形过程相当于两端面双向凸模挤压变形，提高小端面金属流向以及变形程度，有效的提高锥形筒形件力学性能和显微组织。

(8)本发明采用铸锭挤压开坯，保证了挤压坯料沿轴向金属流线的一致性，保证了材料的高性能，其次，采用一次镦粗反挤压成形，增加小端变形量，降低了加热次数，保证了小端面组织的均匀性，同时提高合金的显微组织和性能，实现了长轴比较大的锥形件组织性能的均匀变形，保证了产品的高性能以及高致密性。

(9)本发明涉及一种提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能的成形方法，属于有色金属材料及工艺领域。本发明对大尺寸Mg-9Gd-3RE稀土镁合金铸锭，按照铸锭挤压开坯、镦粗变形以及反挤压成形工艺方法与模具设计相结合的方法，提高大长轴比锥形筒形件组织性能。

附图说明

图1为挤压棒材镦粗模具示意图；

图2为镦粗变形后反挤压成形模具示意图；

图3为实施例1锥形筒形件中部显微组织；

图4为实施例1锥形筒形件小端显微组织。

具体实施方式

一种提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能的成形方法包括：

(1)对Mg-9Gd-3RE稀土镁合金铸锭进行均匀化处理；

(2)对步骤(1)均匀化处理后的铸锭进行挤压变形处理，得到挤压后挤压棒材；

(3)对步骤(2)得到的挤压棒材，利用镦粗变形模具进行镦粗变形。

(4)将步骤(3)镦粗变形后的锥形件回炉加热保温，利用反挤压模具进行反挤压成形。

(5)待挤压完成后，通过下顶块52将挤压成型后的锥形筒形件顶出，快速转移水冷，冷却室温后，对锥形筒形件进行时效处理。得到时效处理后的稀土镁合金锥形筒形件。

所述的步骤(1)中，Mg-9Gd-3RE稀土镁合金圆形铸锭均匀化热处理温度500～530℃，保温时间8～12h，保温结束后自然冷却到室温。

所述的步骤(3)中，所述的对得到的挤压棒材进行镦粗变形，镦粗变形量为30％～50％；镦粗变形模具的加热温度为280～350℃，保温0.5～2h；挤压棒材的加热温度350～400℃，保温0.5～2h；

所述的步骤(3)中，镦粗变形模具包括上盖板1、第一凸模2、凹膜4和顶块5；顶块5包括上顶块51和下顶块52，如图1所示；

所述的步骤(4)中，镦粗变形后的锥形件回炉加热保温，加热温度为加热温度为300～350℃，保温时间为3-5h，保温结束后进行反挤压成形，挤压下压量为20％～30％；

所述的步骤(4)中，利用反挤压模具反挤压成形，反挤压模具包括上盖板1、第二凸模22、凹膜4和顶块5；顶块5包括上顶块51和下顶块52，如图2所示；

所述的步骤(5)中，将挤压成型后的锥形筒形件顶出，快速转移水冷，冷却室温后，对锥形筒形件进行时效处理。水温度为50～60℃，冷却室温后，对锥形筒形件进行时效处理，时效温度200～225℃，时效时间24～48h。得到时效处理后的稀土镁合金锥形筒形件。

对Mg-9Gd-3RE稀土镁合金铸锭(外径200mm)，进行均匀化处理，均匀化温度为500～530℃，保温8～12h，均匀化处理后对其进行挤压，挤压温度300～350℃，挤压比7～10，挤压后得到挤压棒材。对挤压后棒材进行镦粗变形，镦粗变形量为30％～50％，镦粗变形模具加热温度为280～350℃，保温0.5～2h；挤压棒材的加热温度350～400℃，保温0.5～2h；对镦粗变形后锥形件回炉加热，加热温度为300～350℃，保温时间为3-5h，保温结束后进行反挤压成形，挤压下压量为20％～30％。将挤压完成后锥形筒形件快速转移水冷，冷却到室温后，对锥形筒形件进行时效处理，时效温度200～225℃，时效时间24～48h。得到时效处理后的稀土镁合金锥形筒形件。

实施例1

一种提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能的成形方法，该成形方法的步骤包括：

(1)对Mg-9Gd-3RE稀土镁合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理温度500℃均匀化温度，保温8h，保温结束后自然冷却到室温；

(2)均匀化处理后铸锭进行挤压变形处理，在挤压前首先对模具进行加热，模具加热温度300℃，挤压比7，挤压后得到挤压棒材；

(3)对步骤(2)得到的挤压棒材进行镦粗变形，镦粗变形量为40％；镦粗变形模具第一凸模2、凹膜4和顶块5，加热温度为280℃，保温0.5～2h；挤压棒材的加热温度350℃，保温1h；得到镦粗变形后锥形件；

(4)对步骤(3)中镦粗变形后锥形件回炉加热保温，加热温度为320℃，保温时间为3h，保温结束后进行反挤压成形，反挤压模具第二凸模2、凹膜4和顶块5，加热温度为280℃，保温1h；挤压下压量为25％；

(5)对步骤(4)中挤压后锥形筒形件，通过下顶块52将其顶出，快速转移水冷，水温度为60℃，冷却室温后，对锥形筒形件进行时效处理，时效温度200℃，时效时间48h。得到时效处理后的稀土镁合金锥形筒形件。

表1时效处理后锥形筒形件的性能

图3为Mg-9Gd-3RE稀土镁合金锥形筒形件沿挤压方向中部金相显微组织，图4为小端面金相显微组织，由图3、4可知，锥形筒形件挤压过程都发生动态再结晶。其中图3所示，中部晶粒尺寸细小约15～20μm，动态再结晶分布均匀。图4所示，小端面晶粒尺寸再结晶晶粒细小，大部分晶粒尺寸为30～50μm。按照GB/T 228.1对挤压后锥形筒形件中部、小端面抗拉强度、屈服强度以及延伸率测试。中部力学性能优于小端面，中部抗拉强度与小端面抗拉强度、屈服强度相差10～20MPa，延伸率差异较小。稀土镁合金锥形筒形件整体均匀性得到改善和提升。

实施例2

一种提高稀土镁合金锥形筒形件组织性能的成形方法，该成形方法的步骤包括：

(1)对Mg-9Gd-3RE稀土镁合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理温度500℃均匀化温度，保温8h，保温结束后自然冷却到室温；

(2)均匀化处理后铸锭进行挤压变形处理，在挤压前首先对模具进行加热，模具加热温度300℃，挤压比7，挤压后得到挤压棒材；

(3)对步骤(2)得到的挤压棒材进行镦粗变形，镦粗变形量为40％；镦粗变形模具第一凸模2、凹膜4和顶块5，加热温度为280℃，保温0.5～2h；挤压棒材的加热温度380℃，保温1h；得到镦粗变形后锥形件；

(4)对步骤(3)中镦粗变形后锥形件回炉加热保温，加热温度为320℃，保温时间为3h，保温结束后进行反挤压成形，反挤压模具第二凸模2、凹膜4和顶块5，加热温度为280℃，保温1h；挤压下压量为25％；

(5)对步骤(4)中挤压后锥形筒形件，通过下顶块52将其顶出，快速转移水冷，水温度为60℃，冷却室温后，对锥形筒形件进行时效处理，时效温度200℃，时效时间48h。得到时效处理后的稀土镁合金锥形筒形件。

表2时效处理后锥形筒形件的性能