制备镁合金半固态坯的正挤压及变径弯曲挤压方法和模具

摘要

本发明公开了一种制备镁合金半固态坯的正挤压及变径弯曲挤压方法和模具，制备方法包括预变形和等温球化热处理过程，预变形过程借助于正挤压及变径弯曲挤压模具完成大变形量的均匀变形，然后将经过大变形的镁合金棒料定尺切割后在氩气保护下加热至520℃～580℃，保温10min～30min；加工模具的弯道挤压角大于90°。本方法预变形抗力小、变形量大且均匀、安全可靠、无三废污染；所制成的镁合金半固态坯料晶粒尺寸细小、均匀且接近于球状；解决了传统SIMA法不能连续制备大尺寸半固态坯的问题，满足了半固态触变成形制件的大规模连续化生产的需要。

说明书

技术领域

本发明属于镁合金的挤压变形领域，特别涉及一种提高镁合金力学性能的挤压变形加工方法和加工模具。

背景技术

镁合金由于具有较高的比强度、比刚度、减震性、耐磨性、导热性、电磁屏蔽性，易切削性和易回收性等良好的综合性能，而成为汽车、航空航天及电子通讯等行业的重要新型材料。在能源、资源日益严峻和环保问题日趋突出的今天，镁合金被誉为“21世纪的绿色工程结构材料”，具有良好综合性能的轻质镁合金正成为全球关注的热点。随着镁合金结构件应用比例的不断增大，对镁合金成形技术的要求也越来越高。

镁合金的成形方法主要分为液态铸造和塑性变形两大类。由于镁属于密排六方晶体结构，滑移系较少，室温塑性较差，现在90％左右的镁合金工程结构件都是通过铸造方法制造。镁合金铸造方法有：砂型铸造、金属型重力铸造、熔模铸造、挤压铸造、低压铸造和压力铸造。这些铸造方法都需要专用的镁合金熔化炉，并且需采用覆盖剂或保护气体以防止熔化过程中镁的氧化燃烧，故资金投入大，而且存在严重的环境保护和安全隐患问题。同时，对于镁合金的主要成型方法-压力铸造方法而言，虽可成形复杂制件，但在成形厚大及不均匀铸件时存在缩孔、缩松、气孔等缺陷，从而降低了零件的力学性能。而镁合金塑性加工，虽可提高制件性能，但由于受其塑性变形能力的限制而只能生产形状极为简单的制件。

半固态成形技术具有铸造和塑性加工两者的优点，即能用较小的力近净成形(仅需少量加工或不再加工，就可成型用作机械构件)出复杂形状的优质镁合金制件。

半固态坯的制备是半固态成形的基础和关键。目前其主要制备方法有：机械搅拌法、电磁搅拌法、近液相线铸造法、应变诱发熔化激活法(SIMA)等。由于镁合金的易氧化特性，给液态法制备镁合金半固态坯料带来了困难，而SIMA法工艺简单、设备费用投入少，避免了熔体在高温时易氧化的弊端，所以SIMA法在镁合金半固态坯料制备中日益受到重视。已有的SIMA法主要是镦粗、等通道转角挤压，其中镦粗法不仅变形不均匀，而且坯料的尺寸受到很大的限制；等径道转角挤压制备的镁合金半固态坯料由于受到模具和设备的限制，每次只能制备长度较短的坯料，并且要经过多道次挤压以获得大的等效应变。

中国专利文献CN100360700C(专利申请号03132471.1)公开了一种镁合金不等径弯道挤压-剪切诱导等温球化半固态坯复合制备方法，将坯料进行不等径弯道挤压，挤压比保持在1.5～2.0之间，弯道挤压角为90°，反复循环3～4次。但是这种方法需经过多道次挤压才能够将镁合金晶粒细化到较小尺寸，工序多，生产效率低，生产成本高；且每道次的挤压时间相对较长，若提高挤压速度会使产品的质量下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以连续制备镁合金半固态坯的正挤压及变径弯曲挤压方法和模具。

实现本发明目的的技术方案是一种制备镁合金半固态坯的正挤压及变径弯曲挤压模具，包括上模板、凸模、凹模、凹模套、垫块、下模板和压板；凹模套坐落并固定在下模板上，且凹模套的下表面与下模板的上表面相接触；凹模套中部空间的下部放置垫块；凹模设有位于上端的进料口；凹模设置在垫块的上方，且位于凹模套中部空间中；凸模呈阶梯型，其上端与上模板固定连接，使用时凸模的下端对准凹模的进料口；压板的中央设有一通孔，压板固定在凹模套和凹模的上表面上，且其中央的通孔与凹模的进料口相对齐；凹模的型腔包括正挤压通道和变径弯曲挤压通道；正挤压通道包括第一直道和第二直道，第一直道的进料口也即凹模的进料口；第一直道自凹模顶端向下沿轴向延伸，经过圆锥台状过渡段与第二直道相连，其中第一直道的截面积大于第二直道的截面积；变径弯曲挤压通道是一挤压弯道，其弯道挤压角为90°～150°，变径弯曲挤压通道的截面积从上部的首端至下部的尾端逐渐变小；凹模套内设置等径出口通道，等径出口通道是一直道出口通道，在凹模套内顺着变径弯曲挤压通道的延伸方向向外延伸，其截面积与变径弯曲挤压通道的最小截面积相同。

上述凹模套的左部和右部各开有一个贯通上下的通孔，通孔内放置与通孔高度相同的陶瓷管，电热丝设置在陶瓷管内。

一种制备镁合金半固态坯的正挤压及变径弯曲挤压方法，其中所使用的挤压模具包括上模板、凸模、凹模、凹模套、垫块、下模板和压板；凹模套坐落并固定在下模板上，且凹模套的下表面与下模板的上表面相接触；凹模套中部空间的下部放置垫块；凹模设有位于上端的进料口；凹模设置在垫块的上方，且位于凹模套中部空间中；凸模呈阶梯型，其上端与上模板固定连接，使用时凸模的下端对准凹模的进料口；压板的中央设有一通孔，压板固定在凹模套和凹模的上表面上，且其中央的通孔与凹模的进料口相对齐；凹模的型腔包括正挤压通道和变径弯曲挤压通道；正挤压通道包括第一直道和第二直道，第一直道的进料口也即凹模的进料口；第一直道自凹模顶端向下沿轴向延伸，经过圆锥台状过渡段与第二直道相连，其中第一直道的截面积大于第二直道的截面积；变径弯曲挤压通道是一挤压弯道，其弯道挤压角为90°～150°，变径弯曲挤压通道的截面积从上部的首端至下部的尾端逐渐变小；凹模套内设置等径出口通道，等径出口通道是一直道出口通道，在凹模套内顺着变径弯曲挤压通道的延伸方向向外延伸，其截面积与变径弯曲挤压通道的最小截面积相同；所述的挤压方法包括以下步骤：①镁铸坯的机械加工：将镁合金圆柱形铸坯加工成与上述凹模的上端内径相对应的圆柱形坯料；②坯料的预变形：对经过步骤①机械加工的坯料进行预热，使之升温至260℃～300℃；将上述挤压模具固定在通用挤压机的工作台上，对挤压模具进行预热，使挤压模具的温度比坯料预热温度低40℃～60℃；将预热的坯料放入挤压模具的凹模内，在液压机的带动下使得挤压模具的凸模通过挤压模具的压板中间的通孔将坯料压入凹模的正挤压通道的第一直道和截面积小于第一直道的第二直道而压缩变形，挤压比为15～30；凸模继续下行，正挤压后的坯料被压入变径弯曲挤压通道内进行弯道挤压及转角大于90°的剪切变形；下一块坯料在被压入正挤压通道和变径弯曲挤压通道的过程中，将前一次滞留在凹模中的坯料压入挤压模具的凹模套的等径出口通道而挤出凹模，继续挤压则将坯料挤出凹模套而得到预变形的镁合金棒料；上述过程连续进行；③将经过步骤②预变形的镁合金棒料按照需要定尺切割；④等温热处理：使步骤③定尺切割后的镁合金棒料在氩气氛围中在电阻炉中加热至半固态温度520℃～580℃，保温10min～30min获得镁合金半固态坯，其中炉温以先快后慢的升温速度加热至半固态温度。

上述步骤④所述先快后慢地升温至坯料的半固态温度，是先以每分钟升高13℃～15℃的速度使炉温升到镁合金坯料的半固态温度前20℃～30℃，接着以每分钟升高1℃～2℃的速度使炉温缓慢升至半固态温度。

上述步骤②坯料的预变形过程中，凸模的挤压速度为每分钟30毫米。

本发明具有积极的效果：(1)本发明所制成的镁合金半固态坯料晶粒尺寸细小、均匀且接近于球状。(2)本发明预变形抗力小、变形量大且均匀、安全可靠、无三废污染。(3)本发明中在正挤压部分实现了很大的塑性变形，在随后的弯道挤压及转角大于90度的剪切中进一步加大了变形，且在整个横截面中的变形趋于均匀一致，解决了传统SIMA法不能连续制备大尺寸半固态坯的问题，满足了半固态触变成形制件的大规模连续化生产的需要。(4)本发明方法还可实现低温挤压成型的工业化生产，不仅提高生产效率，且挤压后的镁合金材料具有抗挤压强度高、屈服强度高、延伸性能好的力学性能。

附图说明

图1为本发明的正挤压及变径弯曲挤压的模具示意图；图2为图1的A-A向剖视图；图3为图2的半凹模的B向视图；图4为实施例2中AZ91D镁合金坯料等温处理时的加热温度曲线；图5为实施例2中预变形后AZ91D镁合金坯料的边部微观组织图；图6为实施例2中预变形后AZ91D镁合金坯料的心部微观组织图；图7为实施例2中AZ91D镁合金坯料用本发明挤压产生的晶粒细化效果图；图8为实施例3中AZ91D镁合金坯料用本发明挤压产生的晶粒细化效果图；图9为实施例4中AZ91D镁合金坯料用本发明挤压产生的晶粒细化效果图；图10为实施例5中AZ91D镁合金坯料用本发明挤压产生的晶粒细化效果图。

上述附图中的标记如下：上模板1，凸模2，凹模3，半凹模30，正挤压通道31，第一直道31-1，第二直道31-2，变径弯曲挤压通道32，凹模套4，等径出口通道41，电热丝42，陶瓷管43，垫块5，下模板6，压板7。

具体实施方式

(实施例1、制备镁合金半固态坯的正挤压及变径弯曲挤压模具)见图1至图3，本实施例的制备镁合金半固态坯的正挤压及变径弯曲挤压加工模具包括上模板1、凸模2、凹模3、凹模套4、电热丝42、陶瓷管43、垫块5、下模板6和压板7。

凹模套4坐落并固定在下模板6上，且凹模套4的下表面与下模板6的上表面相接触；凹模套4中部空间的下部放置垫块5。凹模3设有位于上端的进料口，凹模3设置在垫块5的上方，位于凹模套4中部空间中，且凹模3与凹模套4间隙配合；凸模2呈阶梯型，其上端与上模板1固定连接，使用时凸模2的下端对准凹模3的进料口，凹模3与凸模2的凹凸模间隙选取单边为0.05mm。压板7的中央设有一通孔，压板7固定在凹模套4和凹模3的上表面，且其中央的通孔与凹模3的进料口相对齐。

上述凹模套4的左部和右部各开有一个贯通上下的通孔，通孔内放置与通孔高度相同的陶瓷管43，电热丝42设置在陶瓷管43内。

上述凹模3的整体型腔是由两个完全对称的半凹模30组成，每个半凹模30均设有半个挤压通道，其形状为半圆形凹槽，两个半凹模30由各自的设有凹槽的一侧相向贴合，构成一个完整的凹模3，再用螺栓固定而成，两个半凹模30通过压板7与凹模套4固定。

凹模3的型腔包括正挤压通道31和变径弯曲挤压通道32，正挤压通道31在变径弯曲挤压通道32的上方且两通道相通。正挤压通道31包括第一直道31-1和第二直道31-2，第一直道31-1的进料口也即凹模3的进料口，第一直道31-1自凹模3顶端向下沿轴向延伸，经过圆锥台状过渡段与第二直道31-2相连，其中第一直道31-1的截面积大于第二直道31-2的截面积；变径弯曲挤压通道32是一挤压弯道，自第二直道31-2的最下端起向凹模3的斜下方向延伸直至与凹模套4的等径出口通道41相接，变径弯曲挤压通道32的截面积从最上部的首端即第二直道31-2的最下端至与凹模套4相接的尾端逐渐变小，其弯道挤压角(也即弯道的弯曲角度)为120°；上述凹模套4的等径出口通道41是一直道出口通道，在凹模套4内顺着变径弯曲挤压通道32的延伸方向向外延伸，其截面积与变径弯曲挤压通道32的最小截面积相同。

(实施例2、制备镁合金半固态坯的正挤压及变径弯曲挤压方法)见图4至图7，本实施例制备镁合金半固态坯的正挤压及变径道角挤压方法所用的挤压模具，采用实施例1所得到的模具，本实施例所处理的是AZ91D镁合金铸坯，制备镁合金半固态坯的方法包括以下步骤：①镁铸坯的机械加工：将镁合金圆柱形铸坯加工成与凹模3的上端内径相对应的圆柱形坯料，坯料的直径是50mm，高度为120mm。

②坯料的预变形：将经过步骤①机械加工的圆柱形坯料在箱式电阻炉中预热，预热温度为280℃，保温20min。将实施例1的挤压模具固定在通用挤压机的工作台上，而使得凸模2可以相对于凹模3进行上下相对滑动。再将设置在模具中的电热丝42接通电源，而对挤压模具进行预热，使模具温度达到220℃。将预热的圆柱形坯料放入挤压模具的凹模3中，在液压机的带动下使得挤压模具的凸模2通过挤压模具的压板7中间的通孔将坯料压入正挤压通道31的第一直道31-1和截面积小于第一直道31-1的第二直道31-2中，挤压速度为每分钟30毫米，从而产生大的压缩变形，挤压比(挤压前制品的总横断面积与挤压后制品的总横断面积之比)为15～30(本实施例为17)；凸模2继续下行，经过正挤压(运动方向与所受挤压力的方向相同)后的坯料被压入变径弯曲挤压通道32内，在变径变形以及120度弯道挤压剪切变形(在一段通道中行进的同时所发生的弯曲变形)中进一步加大变形；当凸模2下行至第一直道31-1的下端而无法再下行时，凸模2上行，将下一圆柱形坯料放入凹模3中，然后凸模2下行挤压下一块圆柱形坯料，下一块圆柱形坯料在被压入正挤压通道31和变径弯曲挤压通道32的过程中，将前一次滞留在凹模3中的坯料压入挤压模具的凹模套4的等径出口通道41而挤出凹模3，继续挤压则将坯料挤出凹模套4而得到预变形的镁合金棒料；上述过程连续进行，电热丝42一直通电，使得预变形过程中坯料的温度保持280℃，预变形时的等效应变(一股应变状态下各应变分量经适当组合而形成的与单向应变等效的应变)为5.1。

③将经过步骤②预变形的镁合金棒料按照需要定尺切割(在轴向上进行一定长度的切割)。

④等温热处理：使步骤③定尺切割后的镁合金棒料在氩气氛围中在电阻炉中以先快后慢的方式加热至半固态温度565℃，然后保温20min获得镁合金半固态坯；具体升温方法是：加热时炉温通过调压器改变电压控制，以每分钟升高13.5℃的速度使炉温升到镁合金坯料的半固态温度前20℃～30℃(本实施例为30℃)，接着以每分钟升高1℃的速度使炉温缓慢升至半固态温度，也即等温温度。

见图5和图6，上述步骤②中的预变形的目的是获得足够的诱发应变，该步骤是获得均匀细小近球形半固态坯的基础和关键；在预变形工艺中将挤压、变径挤压与剪切变形挤压技术巧妙地复合，在一次挤出中同时实现了正挤压变形、转角大于90°的变径剪切变形，其等效应变可达5以上。(SIMA应变诱发熔化激活法工艺原理：利用传统的铸造方法获得铸件，将该金属坯料在回复再结晶的温度范围内进行热挤压变形，破碎铸态枝晶组织，在坯料的组织中储存部分变化能，最后可按需要将经过变形的金属坯料切成一定的大小，迅速将其加热到固液两相区并适当保温，通过变形能的释放，即可获得具有触变性的球状半固态浆料。因此，上面所说的足够的诱发应变，可以理解为在坯料组织中储存足够的变化能)。

见图4，上述步骤④等温热处理的目的是获得所需要的固液相比例及使初生相球形化。半固态等温处理时的加热速度采取先快后慢的原则，是因为快的加热速度虽可以有效地提高生产效率，但会引起坯料内的温度不均匀分布，且液体没有足够的时间浸润晶粒边界，导致液体外流，使半固态坯料的流动性变差；而当加热速度较慢时，不仅影响生产效率，而且晶粒容易粗化长大，当加热温度较高时，坯料难以保持其自身的形状。因此，加热速度的选择原则应在保证均匀加热的同时，以最快的速度加热到设定的温度，又能避免坯料在高温下保持较长时间而引起的晶粒长大等不利因素，因而采取先快后慢的原则。

本发明结合了大挤压比挤压变形和变径弯曲挤压变形的优点，镁合金坯料在凹模的变径弯曲挤压通道流动挤压变形过程中，金属内部组织呈现出一定的方向性，使晶粒被拉长甚至发生破碎，增加了再结晶形核率(在单位时间、单位体积内母相中形成的晶核数目)，细化了晶粒。

(实施例3、制备镁合金半固态坯的正挤压及变径弯曲挤压方法)见图8，本实施例与实施例2的不同之处在于：步骤②中，经过步骤①机械加工的坯料在箱式电阻炉中预热，预热温度为300℃，保温15min，对挤压模具进行预热时模具温度为240℃，坯料的预变形温度即坯料在预变形过程中的温度为300℃。

本实施例较实施例2提高了预变形温度，会使得平均晶粒直径变大，但本实施例减少了预变形保温时间，相应的又使平均晶粒直径变小；相较实施例1，本实施例预变形温度的升高和预变形保温时间的减少均会使晶粒形状系数(固体颗粒的外表面积与体积和固体颗粒相同的圆球的外表面积之比；由于体积相同而形状不同的物体中，以圆球的外表面积最小，因此形状系数恒大于1；形状系数的大小，说明颗粒相撞与圆球的差异程度，若其值越接近1，则其形状也就越接近于圆球)变大，亦即晶粒的形状愈不规则。

(实施例4、制备镁合金半固态坯的正挤压及变径弯曲挤压方法)见图9，本实施例与实施例3的不同之处在于：步骤②预变形过程中，经过步骤①机械加工的坯料在箱式电阻炉中预热，预热温度为300℃，保温10min。

步骤④坯料的等温热处理过程中，将步骤④定尺切割后的坯料在氩气氛围中在电阻炉中加热至580℃，保温20min；具体方法是：加热时炉温通过调压器改变电压控制，炉温升到580℃的方法是：先以每分钟升高13.5℃的速度使炉温升到560℃，接着以每分钟升高1℃的速度使炉温缓慢升至半固态温度，也即等温温度。

相较实施例3，本实施例晶粒的形状系数接近1；因为虽然本实施例预变形保温时间较短导致形状系数有一定的变大，但是等温热处理的温度较高，在相同的等温保温时间内，坯料的加热温度越高，晶粒的形状系数越小而大大减小了形状系数。

(实施例5、制备镁合金半固态坯的正挤压及变径弯曲挤压方法)见图10，本实施例与实施例4的不同之处在于：步骤④坯料的等温热处理过程中，将步骤③定尺切割后的坯料在氩气氛围中在电阻炉中加热至580℃，保温30min。

与实施例4相比，本实施例晶粒的形状系数更接近1；因为相同的等温温度，等温时间越长，晶粒的形状系数越小。