一种超细晶镁合金板带材的挤压加工装置及加工方法

摘要

本发明属于有色金属塑性加工技术领域，具体是一种超细晶镁合金板带材的挤压加工装置及加工方法。包括挤压机，挤压机上方设置有左固定架与右固定架，左固定架与右固定架之间为挤压凹模与固定挤压凸模，挤压凹模与固定挤压凸模之间形成挤压通道，挤压凹模模腔右侧上、下内壁设置有若干截面呈等腰三角形的挤压凹模凹槽，固定挤压凸模包括底部圆盘和凸起平台，固定挤压凸模的凸起平台上、下外壁设置有若干截面呈等腰三角形的固定挤压凸模凸起，挤压凹模的模腔内设置有镁合金板材，挤压凸模伸进挤压凹模的模腔内，挤压凹模与固定挤压凸模外围设置有加热套。本发明加工方法简单、成本低、效率高，且能连续生产制备大尺寸、大规格板带材。

说明书

技术领域

本发明属于有色金属塑性加工技术领域，具体是一种超细晶镁合金板带材的挤压加工装置及加工方法。

背景技术

镁合金是目前实际应用的最轻的金属结构材料，具有比强度和比刚高、阻尼减震性能好、电磁屏蔽性能好、导电和导热性好、易切削加工、以及易回收等优点，在航空航天、交通运输以及信息产业等领域有广泛的应用。然而，镁合金为密排六方结构(HCP)，室温下独立滑移系少，塑性及二次成形性能差。此外，镁合金还存在着强度低、易氧化、耐腐蚀性差、耐高温性能差等缺点，这在很大程度上限制了镁合金的应用范围。因此，必须生产加工超细晶镁合金，提高其综合力学性能，才能进一步扩大其应用领域与应用范围。

为了对镁合金进行晶粒细化，常采用剧烈塑性变形技术（Severe Plastic deformation ,SPD），例如等径角挤压（Equal channel angular pressing, ECAP）、高压扭转（High-pressure torsion, HPT）、往复挤压（cyclic extrusion and compression, CEC）及多向锻造（Multi-directional forging，MDF）等。等径角挤压是一种实用且非常有效的晶粒细化方法，可在保持试样形状和截面尺寸不变的条件下，反复累积变形持续细化晶粒，但需要循环往复且试样尺寸受限；高压扭转可获得大变形量的薄片状超细晶粒试样，但存在着组织不均匀的问题；往复挤压和多向锻造能够制备大块均匀超细晶粒材料，同样需要循环多次变形且试样尺寸有限。总之，这些方法生产制备的试样尺寸受限，效率低且无法实现连续的规模化生产，这限制了其应用范围。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种超细晶镁合金板带材的挤压加工装置及加工方法。

本发明采取以下技术方案：一种超细晶镁合金板带材的挤压加工装置，包括挤压机，挤压机左侧设置有压力电机，压力电机通过压力电机连接导线和挤压机相连接，压力电机下方为压力电机底座，上方为压力电机传动带；压力电机传动带上方设置有挤压伸缩腔，挤压伸缩腔内设置有挤压伸缩压头，挤压伸缩压头与挤压凸模相接触，挤压机上方设置有左固定架与右固定架，左固定架与右固定架之间为挤压凹模与固定挤压凸模，挤压凹模与固定挤压凸模之间形成挤压通道，挤压凹模模腔右侧上、下内壁设置有若干截面呈等腰三角形的挤压凹模凹槽，固定挤压凸模包括底部圆盘和凸起平台，固定挤压凸模的凸起平台上、下外壁设置有若干截面呈等腰三角形的固定挤压凸模凸起，挤压凹模的模腔内设置有镁合金板材，挤压凸模伸进挤压凹模的模腔内，挤压凹模与固定挤压凸模外围设置有加热套。

进一步的，挤压凹模凹槽的等腰三角形的顶角为30°-120°，挤压凹模凹槽个数为1对-10对，各个角为光滑倒圆角，挤压凹模模腔表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm；固定挤压凸模凸起等腰三角形的顶角与挤压凹模凹槽的顶角角度相同，固定挤压凸模凸起的个数与挤压凹模凹槽的个数相同，各个角为光滑倒圆角，固定挤压凸模表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm。

进一步的，挤压凹模模腔内表面以及固定挤压凸模的凸起平台外表面涂抹高温石墨。

进一步的，挤压机为卧式，挤压机下方为挤压机底座，挤压机的控制台上设置有显示屏、指示灯、电源开头、加热套开关和压力电机控制器。

一种制备高强韧性镁合金板材的挤压装置的加工方法：具体步骤如下：

（1）精选材料、化学试剂：

镁合金坯料：固态块体，含镁量为90%及以上；

砂纸: 固态固体；

高温石墨: 固态粉末；

无水乙醇：液态液体，99.7%；

丙酮：液态液体，99.0%。

（2）预处理镁合金坯料：

①用800目砂纸对镁合金块体坯料的六个表面进行打磨，去除油污、杂质和氧化层，再用2000目砂纸进行细磨，使表面清洁、光滑；

②量取丙酮450ml、无水乙醇各550ml，倒入玻璃清洗槽内，用玻璃棒进行搅拌使其均匀混合，配置成丙酮＋无水乙醇混合溶液；

③将装有混合溶液的玻璃清洗槽置于超声波清洗机上，把镁合金坯料浸泡于混合溶液中，打开超声波清洗机电源开关，进行震动洗涤，时间为20min；

④超声波震动洗涤完毕后，用镊子取出镁合金坯料，置于干燥架上，用吹风机将镁合金坯料表面吹干。

（3）预热镁合金坯料：

开启真空气氛加热炉，将温度设为150℃-550℃，达到设定温度时，将镁合金坯料放入真空气氛加热炉内，保温1h-6h。

（4）挤压镁合金坯料：

①制备挤压模具；

②固定挤压模具；

在挤压凹模模腔内表面、固定挤压凸模的凸起平台外表面涂抹高温石墨进行润滑，通过固定螺栓将挤压凹模与固定挤压凸模连接起来，挤压凹模与固定挤压凸模之间形成挤压通道，将挤压模具安装于卧室式挤压机的模具固定架内，并置于加热套内，将挤压凸模伸入挤压凹模模腔内，安装牢固，连接关系正确，按序操作；

③开户加热套，加热挤压模具，加热温度预设为150℃-550℃，达到设定温度时保温1h-6h；

④置放镁合金坯料；

在预热后的镁合金坯料表面涂抹高温石墨进行润滑，退出挤压凸模，将镁合金坯料置于挤压凹模内，与固定挤压凸模接触，将挤压凸模伸入挤压凹模模腔内，接触镁合金坯料；

再次进行保温，保温时间为1h-6h；

⑤开启挤压伸缩压头，使挤压凸模运行，对预先置于模具型腔内的镁合金坯料进行挤压，镁合金坯料在挤压凹模与固定挤压凸模的作用下产生分流，向两侧流动，并在固定挤压凸模上、下入口处产生分流转角挤压变形，镁合金晶粒组织因产生分流转角挤压变形而细化；在挤压凸模的作用下，镁合金坯料继续向前流动，在固定挤压凸模转角处等径角挤压变形，晶粒组织被细化，在剪切变形的作用下晶粒c轴发生倾转弱化了基面织构；当镁合金坯料流动到挤压凹模的凹槽与固定挤压凸模的凸起间形成的剪切平台时，产生剪切变形，晶粒组织进一步被细化，剪切变形再一次导致晶粒c轴发生倾转从而进一步弱化基面织构，（在多个剪切平台的作用下晶粒组织会被持续细化、基面织构也会被持续弱化）；当挤压凸模运行至固定挤压凸模时，停止推进，完成挤压，一次挤压便能连续制备出两条大尺寸的超细晶镁合金板带材。

⑥挤压完毕后，关闭加热套，退出挤压凸模；

（6）打磨、洁净处理：

切除高强韧、高成形性镁合金板带材的废料，并用2000目砂纸对其表面进行打磨，然后将其放入丙酮与无水乙醇的混合液中，利用超声波振动对其进行清洗，使其洁净，最后用吹风机吹干。

结论：通过新型挤压加工方法加工后，镁合金板带材的晶粒组织更加均匀、致密，平均晶粒尺寸由初始的38μm细化至0.8μm，基面织构强度被弱化，组织细化、基面织构强度削弱有利于镁合金综合力学性能的提高。

本发明的有益效果在于：

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对镁合金综合力学性能等较差的情况，采用新型挤压加工方法使得镁合金坯料在挤压过程中产生分流转角挤压变形、等径角挤压变形与剪切挤压变形，在此过程中晶粒组织不断被细化，晶粒c轴不断发生倾转致使基面织构不断被弱化，从而达到细化晶粒组织、弱化基面织构、增强增韧、提高综合力学性能的目的，一次挤压便能连续制备出两条大尺寸的超细晶镁合金板带材。本发明的超细晶镁合金板带材挤压加工方法简单、成本低、效率高，且能连续生产制备大尺寸、大规格板带材，规模化应用前景较为广泛，是十分理想的超细晶镁合金板带材的挤压加工方法。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为挤压通道的剖面示意图；

图3为图2中A-A向的剖面示意图；

图中所示，附图标记清单如下：

1-挤压机底座，2-挤压机，3-显示屏，4-指示灯，5-电源开头，6-加热套开关，7-压力电机控制器，8-压力电机连接导线，9-压力电机底座，10-压力电机，11-压力电机传动带，12-挤压伸缩腔，13-挤压伸缩圧头，14-挤压凸模，15-固定螺栓，16-左固定架，17-右固定架，18-加热套，19-挤压凹模，20-镁合金坯料，21-挤压凹模凹槽，22-固定挤压凸模，23-固定挤压凸模底盘，24-固定挤压凸模凸起平台，25-固定挤压凸模凸起，26-镁合金板材，27-挤压通道。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1所示，本发明中超细晶镁合金板带材的挤压状态图，各部位置、连接关系要正确，安装牢固，按序操作。

超细晶镁合金板带材26的挤压加工是在卧式挤压机2上进行的，是在加热的挤压凹模19内、固定挤压凸模22、挤压凸模14与挤压伸缩压头13的作用下完成的。

挤压机2为卧式，挤压机下方为挤压机底座1，在卧式挤压机2的控制台上设置有显示屏3、指示灯4、电源开头5、加热套开关6、压力电机控制器7；在挤压机2左侧设置有压力电机10，压力电机10通过压力电机连接导线8和挤压机2相连接；压力电机10下方为压力电机底座9、上方为压力电机传动带11；压力电机传动带11上方设置有挤压伸缩腔12，挤压伸缩腔12内设置有挤压伸缩压头13，挤压伸缩压头13与挤压凸模14相接触；在挤压机2上方设置有左固定架16与右固定架17，左、右固定架16、17之间为挤压凹模19与固定挤压凸模22，挤压凹模19与固定挤压凸模22通过固定螺栓15与左、右固定架16、17相连接，挤压凹模19与固定挤压凸模22之间形成挤压通道27；挤压凹模19模腔右侧上下内壁设置有挤压凹模凹槽21，固定挤压凸模22由底部圆盘23和凸起平台24构成，固定挤压凸模22的凸起平台24上下外壁设置有固定挤压凸模凸起25；挤压凹模19与固定挤压凸模22外围设置有加热套18；挤压伸缩压头13按预设程驱动挤压凸模14向右运动，镁合金坯料20在挤压加工过程中连续产生分流转角挤压变形、等径角挤压变形与剪切挤压变形，达到细化晶粒组织、弱化基面织构、提高综合力学性性能的目，从而获得超细晶镁合金板带材26。

图2所示，为挤压通道的剖面示意图，所述挤压通道27在挤压凹模19与固定挤压凸模22之间。

图3所示，为图2中A-A向的剖面示意图，所述挤压凹模19的横截面为圆形。所述挤压凹模19的模腔右侧横截面为矩形。所述固定挤压凸模22的凸起平台24的横截面为方形。

本方明通过挤压加工制备超细晶镁合金板带材的原理是：

在挤压凸模的推动下，镁合金坯料在挤压凹模与固定挤压凸模的作用下产生分流，向两侧流动，并在固定挤压凸模上、下入口处产生分流转角挤压变形，镁合金晶粒组织因产生分流转角挤压变形而细化；在挤压凸模的作用下，镁合金坯料继续向前流动，在固定挤压凸模转角处等径角挤压变形，晶粒组织被细化，在剪切变形的作用下晶粒c轴发生倾转弱化了基面织构；当镁合金坯料流动到挤压凹模的凹槽与固定挤压凸模的凸起间形成的剪切平台时，产生剪切变形，晶粒组织进一步被细化，剪切变形再一次导致晶粒c轴发生倾转从而进一步弱化基面织构，（在多个剪切平台的作用下晶粒组织会被持续细化、基面织构也会被持续弱化），综合力学性能提高，从而获得超细晶镁合金板带材。

（1）精选材料、化学试剂：

精选制备所需的材料、化学试剂，并控制其纯度、浓度：

镁合金坯料：固态块体，含镁量为90%及以上；

砂纸: 固态固体；

高温石墨: 固态粉末；

无水乙醇：液态液体，99.7%；

丙酮：液态液体，99.0%。

（2）预处理镁合金坯料：

①用800目砂纸对镁合金块体坯料20的六个表面进行打磨，去除油污、杂质、氧化层等，再用2000目砂纸进行细磨，使表面清洁、光滑；

②量取丙酮450ml、无水乙醇各550ml，倒入玻璃清洗槽内，用玻璃棒进行搅拌使其均匀混合，配置成丙酮＋无水乙醇混合溶液；

③将装有混合溶液的玻璃清洗槽置于超声波清洗机上，把镁合金坯料20浸泡于混合溶液中，打开超声波清洗机电源开关，进行震动洗涤，时间为20min；

④超声波震动洗涤完毕后，用镊子取出镁合金坯料20，置于干燥架上，用吹风机将镁合金坯料20表面吹干。

（3）预热镁合金坯料：

开启真空气氛加热炉，将温度设为150℃-550℃，达到设定温度时，将镁合金坯料20放入真空气氛加热炉内，保温1h-6h。

（4）挤压镁合金坯料：

镁合金坯料20的挤压加工是在卧式挤压机2上进行的，是在加热的挤压凹模19内、固定挤压凸模22、挤压凸模14与挤压伸缩压头13的作用下完成的。

①制备挤压模具

挤压凹模模具19用4Cr5MoSiV1材料制备，模腔纵截面呈阶梯状，模腔横截面呈方形，挤压凹模19模腔右侧上、下内壁设置有对称分布的截面呈等腰三角形的凹槽21，等腰三角形的顶角为30°-120°，凹槽21个数为1对-10对，各个角为光滑倒圆角，挤压凹模19模腔表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm。

固定挤压凸模模具22用Cr12MoV材料制备，底盘23为圆形，凸起平台24横截面呈方形，凸起平台24上、下外壁设置有对称分布的截面呈等腰三角形的凸起25，等腰三角形的顶角为30°-120°，凸起25个数为1对-10对，各个角为光滑倒圆角，固定挤压凸模22表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm。

挤压凸模模具14用Cr12MoV材料制备，横截面呈方形，挤压凸模14表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm。

②固定挤压模具

在挤压凹模19模腔内表面、固定挤压凸模22的凸起平台24外表面涂抹高温石墨进行润滑，通过固定螺栓15将挤压凹模19与固定挤压凸模22连接起来，挤压凹模19与固定挤压凸模22之间形成挤压通道27，将挤压模具安装于卧室式挤压机2的模具固定架16、17内，并置于加热套18内，将挤压凸模14伸入挤压凹模19模腔内，安装牢固，连接关系正确，按序操作。

③开户加热套18，加热挤压模具，加热温度预设为150℃-550℃，达到设定温度时保温1h-6h。

④置放镁合金坯料

在预热后的镁合金坯料20表面涂抹高温石墨进行润滑，退出挤压凸模14，将镁合金坯料20置于挤压凹模19内，与固定挤压凸模22接触，将挤压凸模14伸入挤压凹模19模腔内，接触镁合金坯料20；

再次进行保温，保温时间为1h-6h。

⑤开启挤压伸缩压头13，使挤压凸模14运行，对预先置于模具型腔内的镁合金坯料20进行挤压，镁合金坯料20在挤压凹模19与固定挤压凸模22的作用下产生分流，向两侧流动，并在固定挤压凸模22上、下入口处产生分流转角挤压变形，镁合金晶粒组织因产生分流转角挤压变形而细化；在挤压凸模14的作用下，镁合金坯料20继续向前流动，在固定挤压凸模22转角处等径角挤压变形，晶粒组织被细化，在剪切变形的作用下晶粒c轴发生倾转弱化了基面织构；当镁合金坯料20流动到挤压凹模19的凹槽21与固定挤压凸模22的凸起25间形成的剪切平台时，产生剪切变形，晶粒组织进一步被细化，剪切变形再一次导致晶粒c轴发生倾转从而进一步弱化基面织构，（在多个剪切平台的作用下晶粒组织会被持续细化、基面织构也会被持续弱化）；当挤压凸模14运行至固定挤压凸模22时，停止推进，完成挤压，一次挤压便能连续制备出两条大尺寸的超细晶镁合金板带材26。

⑥挤压完毕后，关闭加热套18，退出挤压凸模14。

（6）打磨、洁净处理

切除高强韧、高成形性镁合金板带材26的废料，并用2000目砂纸对其表面进行打磨，然后将其放入丙酮与无水乙醇的混合液中，利用超声波振动对其进行清洗，使其洁净，最后用吹风机吹干。