CN101406906A - 连续转角剪切的挤压整形制备镁合金型材的方法及模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续转角剪切的挤压整形制备镁合金型材的方法及模具，其方法有以下步骤：(1)镁合金坯料进行均匀化处理；(2)将具有多次转角成形的挤压模的模具预热，模具通道内均匀涂抹润滑剂；(3)将挤压筒加热至175～325℃；(4)均匀化的坯料加热至200～350℃，挤压模的挤压比为4～100，3～6m/min的挤压速度对镁合金坯料进行单向挤压，使镁合金坯料先经过高挤压比的压缩挤压，再经过多次转角的等通道挤压。采用本发明所述方法制备的镁合金材料具有极细的晶粒结构，具有大幅度提高镁合金材料的塑性以及低温超塑性和高应变速率的优点，并且屈服应力高。

Description

连续转角剪切的挤压整形制备镁合金型材的方法及模具

技术领域

本发明涉及一种高性能镁合金挤压变形制备领域，特别涉及一种连续转角剪切的挤压整形制备镁合金型材的方法及模具。

背景技术

晶粒细化及织构控制是改善、提高镁合金材料的性能的有效途径之一。采用传统的锻造、挤压、轧制以及随后的再结晶退火处理工艺，尽管其晶粒尺寸可达10μm以下并形成变形织构和/或再结晶织构，但仍难以满足对高性能材料的要求。采用大塑性变形技术制备的材料通常具有超细晶组织，可获得晶粒尺寸小于1μm的UFG材料并形成特殊的织构组分，因此具有优异的力学性能和使用性能。目前，已经开发的SPD技术主要有累积叠轧工艺、高压扭转工艺、等径角挤压工艺、等径角拉拔工艺、连续约束板带剪切工艺、连续大塑性变形、ECAP-Conform工艺、连续反复弯曲工艺以及反复弯曲矫直工艺等。等通道弯角挤压(ECAP)过程通过剧烈塑性变形来制备块状超细晶粒材料是一种最具工业化前景的工艺，但是不能多道次的连续生产，难以应用于实际的工业生产。

工业生产中镁合金的挤压变形所采用挤压方式均为单向挤压，其所用的模具也均为单向挤压模，单向挤压模一般有一个凹模，凹模的挤压通道中嵌有一个用于成形的挤压筒，一个挤压杆插入挤压筒中与挤压筒间隙配合，对放入凹模挤压筒中的镁合金坯料进行挤压变形。由于镁合金具有挤压温度相对越低，其挤压成形后的力学性能相对越好的特性，在挤压变形时都力求采用相对较低的温度，以追求相对较高的力学性能；然而在挤压时又存在镁合金坯料温度越低，其挤压速度就越慢，如果挤压温度降低而挤压速度不随之而减慢，镁合金的成形效果将受影响，导致挤压出的材料出现裂纹，影响产品质量。现有公开了的最先进的镁合金的单向挤压变形方式为ECAE(Equal channel angularextrusion)的等径角挤压，该等径角挤压所用的模具是将凹模的挤压通道设置为一个弯曲成一定角度的单向等径挤压通道，镁合金坯料在挤压通道一端的挤压杆的压力下，由单向等径挤压通道一端向另一端运动，使镁合金坯料在经过单向等径挤压通道的90度转角时，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。由于这种挤压方式的模具的挤压比为1，挤压时坯料的温度一般为300～350℃，挤压速度为0.6～1.2m/min，比通常的单向挤压速度还慢。虽然采用这种模具，通过不连续的多道次挤压变形能够提高镁合金的力学性能，但每挤压一道次后，镁合金晶粒尺寸细化程度不能达到二分之一，如将晶粒为210μm的镁合金坯料采用ECAE技术挤压变形，需经过不连续的八道次的挤压，镁合金的晶粒尺寸才能达到10μm以下，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导致其生产效率降低；并且由于ECAE技术的挤压速度为0.6～1.2m/min，每道次的挤压时间也相对较长，同样导致其生产效率降低，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，现有的单向挤压模显然存在不足。

发明内容

本发明目的是提供一种连续转角剪切的挤压整形制备镁合金型材的方法，本发明采用连续的挤压变形方法，制备的镁合金材料具有极细的晶粒结构，具有大幅度提高镁合金材料的塑性以及低温超塑性和高应变速率的优点，并且屈服应力高。

本发明的方法，有以下步骤：

(1)镁合金坯料进行均匀化处理；

(2)将具有多次转角成形的挤压模的模具预热，模具通道内均匀涂抹润滑剂；

(3)将挤压筒加热至175～325℃；

(4)均匀化的坯料加热至200～350℃，挤压模以4～100的挤压比，3～6米/分的挤压速度对镁合金坯料进行单向挤压，使镁合金坯料经多次转角的挤压通道内径向流动挤压剪切变形。

本发明所述挤压比，根据材料本身变形性能如密排六方晶系、滑移系和变形条件作为依据选择挤压比，以AZ31镁合金的变形强化为例，对于圆柱镁合金棒料：

挤压比为： $\mathrm{\λ}=\frac{d_1^2}{d_3^2};$

式中：d₁为挤压前坯料直径；d₃为整形后的挤压棒材成品直径；

本发明设计的挤压比为4-100，其挤压比越小，挤压机的吨位可选择越小，挤压比越大，挤压机的吨位要求越大，根据材料性能和挤压要求选择挤压设备的吨位为4-800吨。

本发明的另一个目的是提供一种用于连续转角剪切的挤压整形制备镁合金型材的方法的模具，所述模具结构为：

挤压凹模的挤压通道左端为挤压压缩区，然后沿凹模横向设置一段工作区经转角剪切区后再向上延伸，再经转角剪切区后沿凹模横向设置。从挤压凹模的进口至挤压通道的区域为挤压压缩区，挤压通道沿凹模横向设置区域为工作区，转角为剪切区，再转角后沿凹模横向设置区域为整形区。

所述挤压通道进料口的直径大于挤压通道出料口的直径。

本发明有以下优点：

(1)与普通挤压相比，挤压-剪切-整形复合变形不需要其它任何多余的设备，直接将该模具安装到挤压机上即可，装配方法和普通挤压模一样。

(2)所得镁合金为细小均匀的等轴晶粒，具有很好的强韧性。

(3)与现有的普通的镁合金挤压的技术相比较，镁合金再挤压变形时，始终处于很高的三向应力状态，即挤压压缩区、剪切区和整形区，镁合金材料的塑性随着压应力的增加而增加，并且在2个剪切区镁合金材料承受很强的剪切力，因而该工艺适用于材料比较脆、滑移系少的镁合金强化。在低温或者室温下经过很大的挤压压缩和反复剪切可以促进棱锥面{1，0，-1，1}和棱柱面{0，0 -1，0}的滑移，镁合金的塑性得到极大提高，在整形区可以得到变形非常均匀，表面光洁度高，力学性能在断面和长度都较均匀的镁合金材料。用本发明所得的镁合金材料制备的产品，其抗拉强度大大超过一般经热挤压变形后所得镁合金材料之内的产品的强度。

(4)与普通的等径角挤压(ECAP)相比，本方法将两个道次的剪切连续进行，即本发明采用连续的挤压变形方法，提高了镁合金的变形程度和均匀性，可以得到大应变的材料。

(5)与其它大应变晶粒细化的方法相比，本方法具有较大的实用性，可以直接安装在大型挤压机上进行挤压。

(6)与普通的挤压相比，本方法增加了整形阶段，可以提高金属流动的均匀性，最大限度地提高材料表面的光洁度，减少挤压过程出现裂纹的可能性。

(7)采用本发明方法制备和生产镁合金材料时间短、成形速度快，可以用于连续生产，有生产率高，适用范围广，操作简单的优点。

(8)本方法生产的镁合金材料强塑性好，提供的制备工艺简单，显著降低产品成本的同时具有环境友好特征，有着广阔的应用前景。

本发明适用于镁合金及其它有色合金材料的连续挤压变形，采用本发明所述制备方法和模具，根据不同的金属材料本身变形性能，如密排六方晶系、滑移系和变形条件等选择不同的挤压比，同样可以达到本发明所述效果。

采用连续的挤压变形方法，本发明所述模具还可以制备成3个转角，在挤压通道设置1个挤压压缩区，3个剪切区，1个整形区，调整挤压比和模具的强度，同样可以达到本发明所述效果。

本发明所述模具的转角可以相同，也可以不同。转角相同时，其整形区为水平设置，被挤压的镁合金棒材直接挤出，若棒材表明出现裂纹，需要在整形区设置促流结构和阻流结构，以消除被挤压的棒材表面的裂纹；当转角不同时，在整形区的模口处将被挤压的棒材调整为水平状态，保证棒材水平挤出，若棒材表面出现裂纹，用上述同样的方法处理即可。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，这些实施例用于对本发明中的连续转角剪切的挤压整形制备镁合金棒材的方法及模具进行描述，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进，都属于本发明要求保护的范围。

附图说明

图1为AZ31镁合金挤压-剪切-整形复合成形模具示意图；

图2为实施例3采用的挤压态坯料的原始组织；

图3为实施例3经过挤压-剪切-整形复合成形后的横向组织；

图4为实施例3经过挤压-剪切-整形复合成形后的纵向组织。

具体实施方式

本发明所述连续转角剪切的挤压整形制备镁合金棒材的方法主要原理如下：

利用高挤压比使得镁合金在三向不等值压缩应力状态下细化晶粒，利用通道转角产生的大剪切剧烈塑性变形，再次细化晶粒并提高组织的均匀性，利用挤压变形调整镁合金的流动速度促使均匀、提高变形材的表面质量。

参见图1，

将镁合金坯料在挤压前进行均匀化处理，均匀化处理的条件为将坯料加热至300～410℃，保温10～12h，预热模具并在模具通道内均匀涂抹石墨润滑剂，将挤压筒加热至175～325℃；均匀化的坯料加热至200～350℃，开启挤压机(吨位4到800ton)选择压强推动挤压凸模(挤压杆)以4～100的挤压比，3～6米/分的挤压速度，对镁合金挤压进行单向挤压，(图中位置A)-剪切(图中位置C和E)-整形(图中位置F)，镁合金坯料使镁合金坯料在经多次转角变径的挤压通道内径向流动挤压剪切变形。

本发明所述的镁合金材料在变形过程中，始终处于很高的三向不等的压应力状态，材料的塑性随压应力的增加而增加，适合于较脆、滑移系少的镁合金室温形变强化，可以细化晶粒提高组织的均匀性，调整镁合金挤压流动速度促使均匀、提高变形材的表面质量。

参见图1，本实施例中，挤压凹模的外形锥角a＝1～5°；模角β＝55°～65°，挤压凹模进料口处的过渡圆角半径r₁＝0.5mm左右，挤压压缩区和工作带的之间的过渡转角半径r₂＝1～3mm；挤压凹模的直径d₄＝(0.80-0.85)D_{挤压筒直径}。挤压凹模的挤压通道分为挤压压缩区、工作带、剪切区和整形区，挤压通道沿凹模横向设置一段区域，经转角后再向上延伸，再转角后沿凹模横向设置。其中，从挤压凹模的进口至挤压通道的区域为挤压压缩区A，挤压通道沿凹模横向设置区域为工作区h，工作区h＝1～3mm，工作区的转角γ₁为第一剪切区C，转角γ₁＝90°～180°，挤压通道经工作区转角后再向上延伸至第二转角γ₂，γ₂为第二剪切区E，γ₂＝90°～180°，经第二转角后沿凹模横向区域为整形区F，挤压通道进料口的直径d₁大于挤压通道出料口的直径d₃，压缩区最终尺寸d₂≥挤压通道进料口的直径d₃。

实施例1：

设置挤压比为9，取牌号为AZ31直径为Ф90mm的镁合金坯料，对坯料进行均匀化处理，其条件是将坯料加热到400℃保持10小时，此时坯料晶粒直径为50微米左右。在挤压的温度为300摄氏度，挤压速度为3m/min，挤压筒及模具加热到275摄氏度，采用石墨作为润滑剂条件下，按照上述方法挤压镁合金坯料。挤压通道工作带的长度h为3mm；通道的二个转角γ₁、γ₂均为90°，挤压阶段棒料的直径d₂为Ф40mm。整形后的挤压棒材成品直径d3(成品)为Ф30mm，挤压后镁合金进行微观组织观察发现，其晶粒为分布均匀细小圆整的等轴晶粒，平均尺寸为5微米左右。抗拉强度可以达到300Mpa，延伸率达到＞35％。

实施例2：

设置挤压比为25，取牌号为AZ31、直径为Ф80mm的镁合金铸坯，坯料的状态是挤压态，对坯料进行均匀化处理，其条件是将坯料加热到400℃保持12小时，此时坯料晶粒直径为20微米左右。在挤压的温度为300℃，挤压速度为3m/min，挤压筒及模具加热到275℃，采用石墨作为润滑剂，按照上述方法挤压镁合金坯料，挤压通道工作带的长度h为3mm；通道的二个转角γ₁、γ₂均为120°，挤压阶段棒料的直径d₂为Ф20mm。然后进行400摄氏度保持10小时的均匀化处理，整形后的挤压棒材成品直径d₃(成品)为Ф16mm。挤压后镁合金进行微观组织观察发现，其晶粒为分布均匀细小圆整的等轴晶粒，平均尺寸为2微米左右。抗拉强度可以达到320Mpa，延伸率达到＞300％。

实施例3：

设置挤压比为4，取牌号AZ 31、直径为Ф6mm的镁合金铸坯，AZ31坯料的状态是挤压态，对坯料进行均匀化处理，其条件是将坯料加热到380℃保持12小时，此时坯料晶粒直径为为35微米左右，参见附图2。在挤压的温度为325℃，挤压速度为3m/min，挤压筒及模具加热到300℃，采用石墨作为润滑剂，按照上述方法挤压镁合金坯料。挤压通道工作带的长度h为2mm；通道的二个转角γ₁、γ₂均为90°，挤压阶段棒料的直径d2为Ф6mm，整形后的挤压棒材成品直径d3(成品)为Ф3mm，参见图3和图4。挤压后镁合金进行微观组织观察发现，其晶粒为分布均匀细小圆整的等轴晶粒，平均尺寸为5微米左右。抗拉强度可以达到280Mpa，延伸率达到＞150％。

Claims (7)

1.一种连续转角剪切的挤压整形制备镁合金型材的方法，其特征在于有以下步骤：

(1)镁合金坯料在挤压前进行均匀化处理；

(2)将具有多次转角成形的挤压模的模具预热，模具通道内均匀涂抹润滑剂；

(3)将挤压筒加热至175～325℃；

(4)均匀化的坯料加热至200～350℃，挤压模的挤压比为4～100，3～6m/min的挤压速度对镁合金坯料进行单向挤压，使镁合金坯料先经过高挤压比的压缩变径挤压，再经多次转角剪切的等通道挤压。

2.根据权利要求1所述的连续转角剪切的挤压整形制备镁合金型材的方法，其特征在于：所述镁合金坯料均匀化处理是将坯料加热温度为300～410℃，保温10～13h。

3.根据权利要求1所述的连续转角剪切的挤压整形制备镁合金型材的方法，其特征在于：所述润滑剂为石墨润滑剂。

4.一种用于权利要求1所述的连续转角剪切的挤压整形制备镁合金型材的方法的模具，其特征在于：挤压凹模的挤压通道沿凹模横向设置一段压缩区和工作区经转角后再向上延伸，再转角后沿凹模横向设置。左端为单向挤压的压缩区，在两个转角的位置分别形成剪切区，第二个转角至模具出口为整形区。

5.根据权利要求4所述的模具，其特征在于：所述挤压通道的转角γ＝90°～180°。

6.根据权利要求4所述的模具，其特征在于：所述挤压凹模的进口至挤压通道的区域为挤压压缩区，挤压通道沿凹模横向设置区域为工作区，转角为剪切区，再转角后沿凹模横向设置区域为整形区。

7.根据权利要求4所述的模具，其特征在于：所述挤压通道进料口的直径d₁大于挤压通道出料口的直径d₃，压缩区最终尺寸d₂≥挤压通道进料口的直径d₃。

Images