CN101169357B - 比较金属热挤压成形性的判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种比较金属热挤压成形性的判定方法，它通过从参与比较的合金中任选一种合金，在规定时间内，在恒温恒速条件下挤压，获得该合金实现持续挤压的最小挤压力，并以此挤压力为起点，在恒温条件下挤压，得到所有参与比较的合金在规定时间内实现持续挤压的共有最小挤压力，并以此作为恒定挤压力，再在模拟试验挤压装置上，分别对参与比较的各种合金的试样进行恒温恒力挤压，取得各种合金在恒温恒力状态下的挤压行程与挤压时间的关系曲线，通过比较得到各种合金的金属热挤压成形性能。

Description

比较金属热挤压成形性的判定方法

技术领域

本发明涉及一种判定金属挤压成形性的方法，特别涉及一种比较金属热挤压成形性的判定方法。

背景技术

在工业生产中，由于不同化学成分的合金或同一种成分但经历不同工艺状态的合金的金属成形性存在一定差异，因此比较不同合金或经历不同工艺状态的相同合金的金属热变形成形性，可以为合金的成分设计、挤压成形前热处理工艺和挤压成形工艺的制定提供优化依据，具有极其重要的意义。

在比较不同合金或经历不同工艺状态的相同合金的塑性变形成形性时，通常采用在相同条件下的塑性成形的快慢和制品质量来比较其成形性能。金属热挤压成形性的比较，通常也是将不同合金或经历不同工艺状态的相同合金，在相同的挤压工艺条件下比较其所需要的最大的挤压变形力来衡量其热挤压成形性，目前最简单的常用方法是采用热镦粗试验来测量金属的变形抗力，并认为变形抗力小金属的成形性就好。由于热镦粗试验中金属处于单向压应力状态变形抗力，不同于挤压过程中受到的三向压应力，因此用镦粗试验来评价金属热挤压成形性是不严谨的，不利于金属挤压成形生产工艺的优化制定。如果直接采用工业挤压试验，虽然得到的数据真实可信的，但是工业挤压生产实验通常可获得的是挤压力和挤压行程的关系曲线，现场试验数据的多方面采集难度较大；同时工业挤压生产试验无法实现等温等速挤压，难以分别就挤压速度、挤压温度对金属可挤压性的影响进行研究。另外在生产设备上获取试验数据的次数是有限的，工业挤压生产实验费用高且效率低，就研究金属热挤压成形性而言代价太高。由此出现了基于模拟正挤压的试验方法，通过在模拟试验挤压装置上对合金试样进行模拟正挤压的试验，获得不同挤压温度下最大挤压力和挤压行程的关系曲线，用于优化金属挤压生产工艺。但正挤压变形过程的最大挤压力受模具形状影响比较大，不能完全反映出不同合金或经历不同工艺状态的相同合金之间热挤压成形性的差异，同样影响金属挤压生产工艺的优化制定。怎样才能在低费用高效率的情况下，通过模拟试验更加全面、准确的比较不同合金或经历不同工艺状态的相同合金之间挤压成形性的差异，为合金的成分设计、挤压成形前热处理工艺和挤压成形工艺的制定提供优化依据，一直是人们希望解决但尚未得到解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种比较金属热挤压成形性的判定方法。它通过将得到的所有参与比较的各种合金实现持续挤压的共有最小挤压力作为恒定挤压力，再在模拟试验挤压装置上，分别对参与比较的各种合金的试样进行恒温恒力挤压，取得各种合金在恒温恒力状态下的挤压行程与挤压时间的关系曲线，通过比较得到各种合金的金属热挤压成形性能。

本发明的目的是这样实现的：

①从参与比较的合金通常的挤压温度范围内选定一个温度值作为判定试验的恒定挤压温度，从参与比较的合金中任意选取一种合金，确定一个挤压速度，在模拟试验挤压装置上，采用选定的恒定挤压温度和确定的挤压速度对该合金的试样进行恒温恒速挤压，得到这种合金在挤压变形过程中的一个最大挤压力；

②规定一个作为判定试验的持续挤压等待时间，以得到的最大挤压力为起点，采用恒定挤压温度，在模拟试验挤压装置上，对这种合金的试样进行挤压变形，直至得到在规定的持续挤压等待时间内这种合金能实现持续挤压的一个最小挤压力，并判定该挤压力为这种合金实现持续挤压的最小挤压力；

③以这种合金实现持续挤压的最小挤压力为起点，采用恒定挤压温度，在模拟试验挤压装置上，以规定的持续挤压等待时间为界，对参与比较的第二种合金的试样进行挤压变形，直至得到第二种合金在规定的持续挤压等待时间内能实现持续挤压的一个最小挤压力，并判定这个挤压力为上述两种合金实现持续挤压的共有最小挤压力；

④再以这两种合金实现持续挤压的共有最小挤压力为起点，采用恒定挤压温度，在模拟试验挤压装置上，以规定的持续挤压等待时间为界，对参与比较的第三种合金的试样进行挤压变形，直至得到第三种合金在规定的持续挤压等待时间内能实现持续挤压的一个最小挤压力，并判定这个挤压力为上述三种合金实现持续挤压的共有最小挤压力；

⑤根据上述第④步的方法，继续对其余参与比较的合金的试样进行挤压变形，直至得到所有参与比较的各种合金实现持续挤压的共有最小挤压力，并以此共有最小挤压力作为判定试验的恒定挤压力，在模拟试验挤压装置上，采用该恒定挤压力和恒定挤压温度，分别对参与比较的各种合金的试样进行恒温恒力挤压变形，取得各种合金在恒温恒力状态下的挤压行程与挤压时间的关系曲线，通过比较得到各种合金的金属热挤压成形性能。

所述模拟试验挤压装置采用反挤压模拟变形装置，该装置的挤压筒连接在右支持座上，挤压模一端插入挤压筒形成滑动配合，另一端与左支持座相抵，挤压模的圆心设有轴向的挤压变形通孔，该挤压变形通孔对着左支持座上的通道。

由于采用了上述方案，使本发明具有以下优点：

1.本发明引入最小挤压力的概念，通过获取所有参与比较的各种合金在相同恒温的条件下，在规定的持续挤压等待时间内实现持续挤压的共有最小挤压力，并以该共有最小挤压力作为判定试验的恒定挤压力，在模拟试验挤压装置上，采用该恒定挤压力和恒定挤压温度，分别对参与比较的各种合金的试样进行恒温恒力挤压变形，取得各种合金在恒温恒力状态下的挤压行程与挤压时间的关系曲线，从而通过比较挤出长度和挤出速度得到各种合金的热挤压成形性能。采用共有最小挤压力进行挤压，既保证了参与比较的合金在规定的持续挤压等待时间内能实现持续挤压，又避免了采用太大的挤压力使得参与比较得合金挤出速度均过快而不同程度地产生较大的摩擦阻力，影响各合金挤出长度和挤出速度比较的显著性。

2.本发明通过采用共有最小挤压力作为恒定挤压力，在恒温条件下进行多个合金试样热挤压成形性的比较，取得各种合金在恒温恒力状态下的挤压行程与挤压时间的关系曲线，可得到挤出试样的长短以及挤出速率作为挤压成形性评判依据，改变了工业挤压生产实验通常采用获得的是挤压力和挤压行程的关系作为评判挤压成形性的惯例，其试验技术路线更明了，试验数据的可比性较高，更有利于比较判定不同化学成分的合金或同一种成分但经历不同工艺状态的合金的热挤压成形性，为合金的成分设计、挤压成形前热处理工艺和挤压成形工艺的制定提供有效的优化依据。

3.本发明利用反挤压模拟装置对合金进行挤压，反挤压装置进行模拟挤压所需的挤压力比正挤压小，容易形成稳定挤压过程，可用于比较变形抗力大、变形困难的合金的成形性能分析。

4.本发明采用模拟挤压的方式，可模拟金属在挤压变形中处于三向压应力下的变形流动，相对于墩粗压缩等试验方法更利于判定不同工艺参数条件下金属的挤压成形性。模拟挤压可使等温等速挤压的测定能够实现，可以分别就挤压速度、挤压温度对金属可挤压性的影响进行研究，解决了工业挤压生产试验难以实现等温等速挤压实验的难题，为挤压生产工艺参数的优化提供了有效的方法。

5.本发明采用小试样进行模拟，可以方便、经济地对模拟挤压装置的模具尺寸和形状参数进行修正，优化出模具的尺寸和形状的参数，为工业挤压生产模具的设计提供依据。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的反挤压模拟变形装置的结构示意图；

图2为ZM10镁合金在恒温恒速条件下挤压时的挤压力与时间的关系曲线；

图3为纯Mg、AZ31、AZ61、ZM10镁合金在恒温恒定挤压力条件下挤压时的挤压行程与时间的关系曲线。

具体实施方式

参见图1，本发明采用的模拟试验挤压装置为反挤压模拟变形装置，该装置的挤压筒2螺纹连接在右支持座4b上，将合金试样3(φ10×12mm圆棒)放置在挤压筒2内后，挤压模1一端插入挤压筒2形成滑动配合，另一端与左支持座4a相抵，挤压模1的圆心设有轴向的挤压变形通孔，该挤压变形通孔对着左支持座4a上的通道。通过左、右支持座施加一定的压力，以保证挤压模1和挤压筒2对中。挤压模1在放入挤压筒2之前，还需在挤压模1的两端分别涂抹石墨膏作为润滑剂，并贴上石墨纸，以保证工作时挤压模1分别与试样和支持座的良好导电性。合金试样3采用φ10×12mm的圆棒，试验在Gleeble1500D热模拟试验机上进行，装置准备就绪之后，在计算机上编程并设定好挤压力和挤压温度，开始启动试验程序。挤压变形前，通过计算机控制低电压高电流对挤压模1、挤压筒2及被挤压的合金试样3形成的导电通路进行缓慢升温，直到设定的温度，然后开始挤压变形，由计算机对挤压实验过程的挤压行程和时间进行数据记录。挤压行程通过与挤压筒连接的位移传感器进行测量。挤压力通过与挤压筒和动力源连接的压力传感器进行设定。挤压温度通过在挤压筒上设置的热电偶进行测量，并通过调整电流大小进行温度控制。所述模拟试验挤压装置采用相同的挤压筒、挤压模对各金属试样进行挤压。

本发明以比较纯Mg、AZ31、AZ61、ZM10四种合金的热挤压成形性能为例进行说明，其判定方法的步骤如下：

首先，从参与比较的合金通常的挤压温度范围内选定一个温度值作为判定试验的恒定挤压温度。根据文献所述，镁合金在350℃至450℃之间进行制品的挤压成形时，其挤压成形性比较好，所需挤压力也相对处于较低水平，所以350℃至450℃为上述合金可取的挤压温度范围。所述恒定挤压温度在参与比较的合金通常的挤压温度范围内选定一个相对适中的温度值，根据生产经验选定试验挤压温度为380℃，有利于检测合金在相对较低的挤压温度时的热挤压成形性能。从参与比较的合金中任意选取一种合金，本实施例随机选取ZM10镁合金作为试验的第一种合金。确定一个挤压速度，考虑上述合金在挤压生产中通常的挤出速度在每分钟1～5米，所以选择模拟试验的挤出速度为每分钟2.5米，根据所选模拟装置的挤压比为25，挤出速度为挤压速度的25倍，对应的挤压速度为每分钟100毫米，就以每分钟100毫米作为本实施例确定的挤压速度。在模拟试验挤压装置上，采用选定的恒定挤压温度380℃和确定的挤压速度每分钟100毫米，对ZM10合金的试样进行恒温恒速挤压，得到ZM10合金在挤压过程中的最大挤压力为18KN(如图2所示)。

随后，规定一个作为判定试验的持续挤压等待时间，将持续挤压等待时间规定为不超过3分钟，有利于缩短试验时间，提高效率，本实施例规定的持续挤压等待时间为3分钟。以得到的最大挤压力18KN为起点，采用380℃的恒定挤压温度，在模拟试验挤压装置上，对ZM10合金的试样进行挤压变形，看ZM10合金能否在3分钟内实现持续挤压，如果能实现，则将该已得到的最大挤压力18KN判定为ZM10合金实现持续挤压的最小挤压力；如果不能实现，则一次次增大挤压力，直至得到在3分钟内能实现持续挤压的挤压力，并将此挤压力判定为ZM10合金实现持续挤压的最小挤压力。由于ZM10合金在380℃的挤压温度、18KN的挤压力的条件下，在3分钟内不能实现持续挤压，就需一次次增大挤压力，每次提高100N，当把挤压力增大到18.1KN时，ZM10合金在3分钟内能实现持续挤压，所以我们判定ZM10合金能实现持续挤压的最小挤压力为18.1KN。

然后，以ZM10合金实现持续挤压的最小挤压力18.1KN为起点，采用380℃的恒定挤压温度，在模拟试验挤压装置上，以规定的3分钟为界，对参与比较的纯Mg合金的试样进行挤压变形。结果得到纯Mg合金的试样采用18.1KN的挤压力在规定的3分钟内能实现持续挤压，因此判定挤压力18.1KN为上述ZM10、纯Mg两种合金实现持续挤压的共有最小挤压力。所述合金实现持续挤压的共有最小挤压力的获得，是采用恒定挤压温度，并以前一种合金已得到的最小挤压力为起点，对后一种合金进行挤压变形，看后一种合金能否在规定的持续挤压等待时间内实现持续挤压，能实现，则将前一种合金的最小挤压力判定为这两种合金实现持续挤压的共有最小挤压力，不能实现，则一次次增大挤压力，直至得到后一种合金在规定的持续挤压等待时间内能实现持续挤压的挤压力，并将此挤压力判定为两种合金实现持续挤压的共有最小挤压力。

再以ZM10、纯Mg两种合金实现持续挤压的共有最小挤压力18.1KN为起点，采用380℃的恒定挤压温度，在模拟试验挤压装置上，以规定的3分钟为界，对参与比较的AZ31合金的试样进行挤压变形，结果AZ31合金的试样采用18.1KN的挤压力在规定的3分钟内不能实现持续挤压，就需一次次增大挤压力，每次提高100N，当把挤压力从18.1KN增大到32.8KN时，AZ31合金在3分钟内能实现持续挤压，因此判定挤压力32.8KN为上述纯Mg、ZM10、AZ31三种合金实现持续挤压的共有最小挤压力。继续采用上述办法对AZ61进行挤压变形，结果AZ61合金的试样在380℃的恒定挤压温度，采用32.8KN的挤压力在规定的3分钟内不能实现持续挤压，就需也一次次增大挤压力，每次提高100N，当把挤压力从32.8KN增大到41.6KN时，AZ61合金在3分钟内能实现持续挤压，因此判定41.6KN为纯Mg、AZ31、AZ61、ZM10镁合金实现持续挤压的共有最小挤压力。

然后以共有最小挤压力41.6KN作为判定试验的恒定挤压力，在模拟试验挤压装置上，采用该恒定挤压力和恒定挤压温度380℃，分别对参与比较的这四种合金的试样进行恒温恒力挤压，取得这四种合金在恒温恒力状态下的挤压行程与挤压时间的关系曲线(如图3所示)，通过比较得到在相同条件下，参与比较的这四种在挤出试样长度相同的情况下，所需的时间由长到短的顺序是AZ61＞AZ31＞ZM10＞纯Mg，由此可判别出四种镁合金热挤压成形性的高低顺序为纯Mg＞ZM10＞AZ31＞AZ61。在选择用于生产挤压制品的合金和制定挤压工艺时，就可以根据它们热挤压成形性的差异作为参考的依据，优化制定挤压工艺。

本发明所述参与比较的各合金不仅仅局限于上述实施例的四种镁合金，它包括不同化学成分的合金或同一种成分但经历不同工艺状态的合金。对化学成分相同但经历不同工艺状态的合金进行挤压成形性比较，在工业上产中具有重要的用途。例如，在合金铸坯挤压前的均匀化退火工艺参数进行优化时，可对经过不同退火温度和退火保温时间均匀化处理的多个试样进行本发明所述的挤压成形性比较试验，选择挤压成形性好的试样的均匀化退火工艺作为优化工艺。例如，对AZ61镁合金的均匀化退火工艺进行优化时，420℃×12小时退火的试样以及更高温度更长时间均匀化退火的试样，因氧化严重而否定其均匀化工艺，当通过采用本发明方法进行比较试验，结果表明其热挤压成形性从高到低的顺序为：400℃×18小时＞400℃×12小时＞420℃×8小时＞380℃×18小时＞400℃×8小时＞380℃×12小时＞380℃×8小时，可选择400℃×18小时作为AZ61镁合金挤压前均匀化退火的优化工艺。

比较试验时的恒定挤压温度的选定，应根据参与比较的合金通常生产用的挤压温度，在其挤压温度范围内选定一个相对适中的温度值作为试验用恒定挤压温度，这样使比较试验所的结果更接近工业化生产的条件，为生产工艺制定提供有价值的判定。在进行挤压实验时，所述参与比较的各合金的试样形状和尺寸，以及模拟试验挤压装置所用的挤压筒、挤压模都必须保持相同，以保证试验条件的一致性，使比较金属热挤压成形性的判定方法的试验具有可比性。

除上述实施例外，本发明方法所述的规定的持续挤压等待时间以不超过5分钟为宜，这样能够在较短的时间内进行试验，同时也使持续挤压等待时间能够接近工业生产的状况。

Claims (7)

1.一种比较金属热挤压成形性的判定方法，其特征在于所述判定方法的步骤如下：

①参与比较的各合金的试样形状和尺寸相同，从参与比较的合金通常的挤压温度范围内选定一个温度值作为判定试验的恒定挤压温度，从参与比较的合金中任意选取一种合金，确定一个挤压速度，在模拟试验挤压装置上，采用选定的恒定挤压温度和确定的挤压速度对该合金的试样进行恒温恒速挤压，得到这种合金在挤压变形过程中的一个最大挤压力；

②规定一个作为判定试验的持续挤压等待时间，以得到的最大挤压力为起点，采用恒定挤压温度，在模拟试验挤压装置上，对这种合金的试样进行挤压变形，直至得到在规定的持续挤压等待时间内这种合金能实现持续挤压的一个挤压力，并判定该挤压力为这种合金实现持续挤压的最小挤压力；

③以这种合金实现持续挤压的最小挤压力为起点，采用恒定挤压温度，在模拟试验挤压装置上，以规定的持续挤压等待时间为界，对参与比较的第二种合金的试样进行挤压变形，直至得到第二种合金在规定的持续挤压等待时间内能实现持续挤压的一个挤压力，并判定这个挤压力为上述两种合金实现持续挤压的共有最小挤压力；

④再以这两种合金实现持续挤压的共有最小挤压力为起点，采用恒定挤压温度，在模拟试验挤压装置上，以规定的持续挤压等待时间为界，对参与比较的第三种合金的试样进行挤压变形，直至得到第三种合金在规定的持续挤压等待时间内能实现持续挤压的一个挤压力，并判定这个挤压力为上述三种合金实现持续挤压的共有最小挤压力；

⑤继续采用上述办法，直至得到所有参与比较的各种合金实现持续挤压的共有最小挤压力，并以此共有最小挤压力作为判定试验的恒定挤压力，在模拟试验挤压装置上，采用该恒定挤压力和恒定挤压温度，分别对参与比较的各种合金的试样进行恒温恒力挤压变形，取得各种合金在恒温恒力状态下的挤压行程与挤压时间的关系曲线，通过比较得到各种合金的金属热挤压成形性能。

2.根据权利要求1所述的比较金属热挤压成形性的判定方法，其特征在于：所述合金实现持续挤压的最小挤压力的获得，是采用恒定挤压温度，以该合金已得到的最大挤压力为起点，对该合金进行挤压变形，看该合金能否在规定的持续挤压等待时间内实现持续挤压，能实现，则将该已得到的最大挤压力判定为这种合金实现持续挤压的最小挤压力，不能实现，则一次次增大挤压力，直至得到在规定的持续挤压等待时间内能实现持续挤压的挤压力，并将此挤压力判定为这种合金实现持续挤压的最小挤压力。

3.根据权利要求1所述的比较金属热挤压成形性的判定方法，其特征在于：所述合金实现持续挤压的共有最小挤压力的获得，是采用恒定挤压温度，以前一种合金已得到的最小挤压力为起点，对后一种合金进行挤压变形，看后一种合金能否在规定的持续挤压等待时间内实现持续挤压，能实现，则将前一种合金的最小挤压力判定为这两种合金实现持续挤压的共有最小挤压力，不能实现，则一次次增大挤压力，直至得到后一种合金在规定的持续挤压等待时间内能实现持续挤压的挤压力，并将此挤压力判定为两种合金实现持续挤压的共有最小挤压力。

4.根据权利要求1～3任一所述的比较金属热挤压成形性的判定方法，其特征在于：所述规定的持续挤压等待时间不超过5分钟。

5.根据权利要求1所述的比较金属热挤压成形性的判定方法，其特征在于：所述参与比较的各合金包括不同化学成分的合金或同一种成分但经历不同工艺状态的合金。

6.根据权利要求1所述的比较金属热挤压成形性的判定方法，其特征在于：所述模拟试验挤压装置采用反挤压模拟变形装置，该装置的挤压筒连接在右支持座上，挤压模一端插入挤压筒形成滑动配合，另一端与左支持座相抵，挤压模的圆心设有轴向的挤压变形通孔，该挤压变形通孔对着左支持座上的通道。

7.根据权利要求1或6所述的比较金属热挤压成形性的判定方法，其特征在于：所述模拟试验挤压装置采用相同的挤压筒、挤压模对各金属试样进行挤压。

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