CN101549361B - 一种稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法及其专用模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法及其专用模具。铸锭均匀化处理后机加工成空心坯料，先在模具内进行预挤压，换模后再挤压成形，为了进一步提高管材力学性能，还进行固溶时效处理。本发明涉及的专用模具，包括上下模座、保温套、挤压筒、测温孔、压头、凸模和凹模，凹模由预挤压凹模和成形凹模构成，预挤压凹模和成形凹模以择一并可互换的方式通过挤压筒配合固定在下模座上。本发明能够挤压外径为5～10mm、内径为4～8mm的稀土镁合金无缝薄壁细管，具有材料利用率高、挤压力小、产品尺寸精度高、表面质量好、力学性能好等特点。同时模具结构简单、使用方便、成本低廉、寿命长等优点。

Description

一种稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法及其专用模具

技术领域

本发明涉及镁合金热挤压成形技术，具体为一种稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法及其专用模具。

背景技术

镁合金作为21世纪最具开发应用潜力的绿色工程材料被广泛应用于航空、航天、汽车和电子等行业。由于镁及镁合金具有密排六方结构，滑移系少，塑性成形能力差，镁合金在压铸成形领域优先得到重视和发展。但是通过挤压、锻造、轧制等工艺生产的镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能。近年来，镁合金的塑性加工技术获得了越来越多的关注和研究。

在制造业中，由于管材挤压加工具有原材料消耗少、尺寸精度和表面精度高、力学性能好等优点，故镁合金管材也主要采用热挤压方法来生产。管材挤压成形的方法主要有空心锭坯正向挤压、穿孔挤压、反向挤压、分流挤压等，通常，反向挤压适用于大直径管材。而主要用于生物医学血管支架基材的镁合金管材要求管径细、管壁薄且无缝，分流挤压还存在焊缝，因此反向挤压、穿孔挤压和分流挤压均不适合上述镁合金薄壁管的生产，因此主要用于生物医学血管支架基材的镁合金无缝薄壁细管适合采用空心坯正向挤压生产。

目前，镁合金的塑性加工工艺还不成熟，镁合金管、尤其是高精度镁合金薄壁细管的生产还存在挤压变形力大、加工范围窄、对毛坯要求高等问题。塑性变形的坯料也主要集中在AZ系列易变形镁合金，对于热稳定性高的稀土镁合金塑性变形研究还很少，这类镁合金更难挤压，关于稀土镁合金无缝薄壁细管的挤压尚未见报道。

发明内容

针对现有镁合金管材挤压中存在的上述问题和稀土镁合金的特点，本发明的目的是提供一种挤压变形力小、加工范围广、毛坯要求低的稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法及其专用模具。

本发明的目的是这样实现的：

一种稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法，其工艺步骤是：

(1)铸锭均匀化处理-将稀土镁合金铸锭在热处理炉中均匀化处理，其处理温度为485～525℃，保温时间为8～12小时；

(2)涂敷润滑剂-将均匀化处理后的稀土镁合金铸锭车皮，加工成空心圆柱坯料，去除碎屑和毛刺，在其内外表面均匀涂敷润滑剂；

(3)坯料预挤压-将装有坯料的预挤压模置于热处理炉中加热后通过预挤压模对坯料进行预挤压，预挤压温度为360～420℃；预挤压不仅使坯料结构致密，还有均匀成分、破碎晶粒等作用；

(4)挤压成形-取下预挤压模，换上成形模，重新装好模具，连同预挤压坯料一起置于热处理炉中加热，其加热温度为400～460℃，保温时间为1～1.5h，加热后取出模具进行挤压成形；挤压成形温度为380～440℃，挤压速度为1～10mm/s，挤压比为11～44；

(5)固溶时效处理-在氩气保护下对挤压成形的稀土镁合金细管进行固溶时效处理，固溶温度480～520℃，固溶时间2～4h，时效温度160～200℃，时效时间12～20h；固溶后立即水冷。

所述润滑剂为石墨粉与动物油按质量比1∶2.5～3混合的稠状物。

根据上述热挤压方法设计的稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压专用模具，包括上模座、下模座、挤压筒、凸模和凹模，其特征在于：本专用模具配备的凹模有专对坯料预挤压的预挤压凹模和对预挤压后的坯料成形挤压的成形凹模两种，所述预挤压凹模和成形凹模具有相同的外形尺寸，可以以互换的方式通过挤压筒配合固定在下模座上，挤压筒和预挤压凹模或成形凹模通过上模座和下模座紧固；所述凸模由一体成型同轴的挤压杆、挤压轴和挤压针构成，挤压杆上端设有防止挤压轴与成形凹模直接接触的限位压头；挤压杆和挤压针直径小于挤压轴直径，挤压轴与挤压筒内壁过渡配合；挤压轴与挤压针结合部位采用25°锥度角和圆弧过渡；挤压针采用锥度为0.3°的锥度结构。预挤压凹模和成形凹模上设有与挤压筒同心的型腔，预挤压凹模的型腔与挤压针过渡配合，成形凹模的型腔与深入其内的挤压针一起构成供坯料出来的环形挤压孔。

所述挤压筒由挤压筒内衬和挤压筒外套构成，两者过盈热装配合，所述挤压筒内衬外径尺寸是内径的1.5～1.8倍，挤压筒外套外径尺寸是内径的2.0～2.2倍，装配过盈量为挤压筒内衬外径的0.002～0.003倍。在挤压筒外套外壁设有保温套，保温套、挤压筒外套和挤压筒内衬上设有贯通的直达凹模外壁的测温孔，便于插入测温设备测量凹模外壁的温度变化。

所述下模座上设有圆形凸台，挤压筒下端设有与圆形凸台对应的圆形沉孔，挤压筒通过圆形沉孔紧套在圆形凸台上。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.采用本发明能够顺利挤压外径为5～10mm、内径为4～8mm的稀土镁合金无缝薄壁细管，材料利用率高，挤压力小，产品尺寸精度高、表面质量好、力学性能好。

2.模具结构简单，使用方便，成本低廉，使用寿命长。

附图说明

图1-挤压稀土镁合金无缝薄壁细管模具结构示意图；

图2-预挤压凹模结构示意图；

图3-成形凹模结构示意图；

图4-实施例1生产的稀土镁合金无缝薄壁细管纵截面金相组织图，其中(a)为挤压态，(b)为挤压后经固溶时效处理态；

图5为实施例2生产的稀土镁合金无缝薄壁细管挤压态纵截面金相组织图。

图中：1-上模座；2-螺栓；3-保温套；4-挤压筒外套；5-挤压筒内衬；6-测温孔；7-下模座；8-限位压头；9-挤压杆；10-挤压轴；11-坯料；12-凹模；13-挤压针；14-型腔；15-导流孔。

具体实施方式

因为以下将描述的具体的热挤压方法是结合专用模具来进行的，为了使方法中出现的关于模具的一些结构不至于显得突兀，本发明在此先介绍模具，再介绍方法。

本发明涉及的稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压专用模具，主要由上模座1、下模座7、凸模、凹模12、挤压筒4、5和保温套3等组成，参见图1。本专用模具配备的凹模12有专对坯料预挤压的预挤压凹模和对预挤压后的坯料成形挤压的成形凹模两种，预挤压凹模和成形凹模可以以互换的方式通过挤压筒配合固定在下模座7上，挤压筒和预挤压凹模或成形凹模通过上模座1和下模座7紧固。

本发明技术方案所述凸模采用整体式结构，从上至下由一体成型同轴的挤压杆9、挤压轴10和挤压针13构成，见图1，挤压杆9和挤压针13直径小于挤压轴10直径，挤压轴10位于挤压筒内衬内与挤压筒内衬5内壁过渡配合。本方案结构简单，便于制造，可以保证芯棒与凸模的同轴性，避免机加和装配造成轴线偏差导致的管材壁厚差增大。挤压轴10与挤压针13结合部位采用25°锥度角和圆弧过渡，不但可以减少余料，还可以使坯料11受到更大的径向挤压力从而使其变形更加均匀。挤压时挤压轴前端直接接触坯料，省去挤压垫片，这样就缩短了凸模高度，还可防止坯料被反挤出来。为了退模方便，挤压针13轴向采用0.3°的锥度。以上设计均有助于提高挤压小尺寸管材的精度。

预挤压凹模和成形凹模上设有与挤压筒同心的型腔14，见图2和图3，预挤压凹模的型腔14与挤压针13过渡配合，成形凹模的型腔14与深入其内的挤压针13一起构成供坯料出来的环形挤压孔，因此预挤压凹模的型腔比成形凹模的型腔小，为示区别，预挤压凹模的型腔用Φ^/表示，成形凹模的型腔用Φ表示。为了降低模具成本，坯料预挤压和成形采用同一套模具，本发明的预挤压凹模和成形凹模具有相同的外形尺寸。当坯料预挤压时，安装预挤压凹模即可；当成形挤压时，取下预挤压凹模换上成形凹模即可，其他结构不变。

为了利于金属流动，减小挤压力，提高模具寿命，成形凹模的入模锥度角α采用30°，凹模收口处采用半径为4～6mm的圆角过渡，定径带长度L选择1.8～2.2mm，型腔尺寸为Φ5～10mm。为了减小摩擦阻力，型腔下部导流孔15适当放大1～2mm，见图3。为了更好的与挤压筒配合，扩大承载面积从而减小下模座上单位压力以及退模换模方便，将预挤压凹模和成形凹模整体外形设计成倒T型。

所述挤压筒由挤压筒内衬5和挤压筒外套4构成，两层过盈热装配合，以提高强度、节约材料。所述下模座7上设有圆形凸台，挤压筒外套4下端设有与圆形凸台对应的圆形沉孔，挤压筒外套4通过圆形沉孔紧套在圆形凸台上。本发明根据压机吨位、制品规格、所允许挤压比范围等确定挤压筒内衬工作直径D，挤压筒内衬5外径D₁符合D₁/D＝1.5～1.8，挤压筒外套4外径和内径之比符合D₂/D₁ ^/＝2.0～2.2，挤压筒内衬5和挤压筒外套4配合面的过盈量符合δ＝D₁ ^/-D₁＝0.002D₁～0.003D₁。

在挤压筒外套4外壁上套设有玻璃纤维保温套3，防止挤压过程模具降温过快。为了掌握挤压过程凹模的实际温度，以便调节挤压速度，保温套3、挤压筒外套4和挤压筒内衬5上设有贯通的直达凹模外壁的3mm左右的测温孔6，测温孔6内插入测温设备(如便携式热电偶)实时测量凹模外壁的温度变化。

本发明提供的成型模具可以在普通的立式液压机上使用。挤压杆9上端设有防止凸模(挤压轴)与凹模12直接接触的限位压头8，当挤压筒内坯料将挤完时，限位压头8的一端正好卡在挤压筒上，既减少了余料，又防止凸模继续下压损坏凹模。挤压完成后，卸下限位压头8和下模座7，继续压下凸模，使其与凹模12、余料一起从挤压筒下端退出。

本发明的稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法，其工艺步骤是：

(1)铸锭均匀化处理。为了消除非平衡结晶所造成的晶内化学成分和组织不均匀性，使偏析于枝晶间的非平衡组织溶解到固溶体中，将熔炼的稀土镁合金铸锭在热处理炉中进行均匀化处理，其处理温度为485～525℃，保温时间为8～12小时。

(2)涂敷润滑剂。将均匀化处理后的铸锭车皮，经机加工成空心圆柱坯料，去除碎屑和毛刺，在其内外表面均匀涂敷润滑剂；将凸模、预挤压凹模、挤压筒内孔清理干净后均匀涂敷润滑剂，采用的润滑剂为石墨粉与动物油按质量比1∶2.5～3混合的稠状物。

(3)坯料预挤压。为了提高坯料塑性变形能力，先进行预挤压使其结构致密。将预挤压凹模通过挤压筒配合固定在下模座上，上面依次装好坯料和凸模，压上上模座并用螺栓紧固，在热处理炉中加热并保温1～2h后进行预挤压，其预挤压温度为360～420℃。考虑到散热因素，通常热处理炉中加热温度比预挤压实际温度高20℃左右。

(4)挤压成形。取下预挤压凹模，换上涂有润滑剂的成形凹模，重新装好模具，再次置于热处理炉中加热。其加热温度为400～460℃，保温时间为1～1.5h。加热后取出模具，套上压头，在立式液压机上进行挤压，挤压过程通过插入测温孔的热电偶实时测量成形凹模外壁的温度，挤压温度为380～440℃，挤压速度为1～10mm/s，挤压比为11～44。

(5)退模。当限位压头的一端作用在挤压筒上，立即停止加压，待卸下限位压头和下模座后继续压下凸模，使其与成形凹模、余料一起从挤压筒下端退出。

(6)固溶和时效处理。稀土镁合金是典型的可热处理强化合金，挤压过程又可能引入晶粒不均匀、孪晶、条带状组织等缺陷，为了进一步提高管材的力学性能，在氩气保护下对挤压管进行固溶+时效处理，其固溶温度480～520℃，固溶时间2～4h，时效温度160～200℃，时效时间12～20h；固溶后立即水冷。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1-本实施例热挤压外径为8mm、内径为6mm的Mg-4.0Y-2.0Nd-0.4Zr镁合金无缝管。

本实施例所用专用模具结构如图1所示。挤压筒4、5采用开有测温孔6的两层预应力组合结构，其工作内孔直径为20mm；凸模挤压轴10采用过渡配合与挤压筒内壁直接接触，挤压针13直径为6mm；预挤压凹模12(见图2)或成形凹模12(见图3)通过挤压筒配合固定在下模座7上，其中预挤压凹模型腔直径为6mm，成形凹模型腔直径为8mm；挤压筒外采用玻璃纤维保温层3；挤压杆上所套限位压头8保证凸模不直接压在成形凹模上；挤压筒、保温套、预挤压凹模或成形凹模通过上模座1、下模座7用螺栓2紧固。

采用上述专用模具挤压外径为8mm、内径为6mm的Mg-4.0Y-2.0Nd-0.4Zr稀土镁合金无缝管具体工艺步骤如下：

(1)铸锭均匀化处理。将熔炼的Mg-4.0Y-2.0Nd-0.4Zr稀土镁合金浇注为直径30mm的铸锭，在热处理炉中进行均匀化处理，其加热温度为525℃，保温时间为8小时。

(2)涂敷润滑剂。将均匀化处理后的铸锭车皮，机加工成外径18mm、内径7mm的空心坯料，去除碎屑和毛刺，在其内外表面均匀涂敷润滑剂；将凸模、预挤压凹模、挤压筒内孔清理干净后均匀涂敷润滑剂，所用的润滑剂为石墨粉与动物油按质量比1∶3混合的稠状物。

(3)坯料预挤压。将预挤压凹模通过挤压筒配合固定在下模座上，上面依次装好坯料和凸模，压上上模座并用螺栓紧固，置入温度为400℃的热处理炉中保温2h后进行预挤压，其预挤压温度为380℃。

(4)挤压成形。取下预挤压凹模，换上涂有润滑剂的成形凹模，重新装好模具，再次置于热处理炉中加热，其加热温度为440℃，保温时间为1h。加热后取出模具，套上压头，在立式液压机上进行挤压，挤压过程通过插入测温孔的热电偶实时测量成形凹模外壁的温度，挤压温度为420℃，挤压速度为5mm/s，挤压比为14。

(5)退模。当限位压头的一端作用在挤压筒套上，立即停止加压，待卸下限位压头和下模座后继续压下凸模，使其与成形凹模、余料一起从挤压筒下端退出。

(6)固溶和时效处理。为了进一步提高管材的力学性能，将挤压管置入热处理炉中进行固溶+时效处理，其工艺为：在520℃下固溶4h，取出后水冷，再在200℃下时效12h，热处理过程通入氩气保护。

本实施例挤压过程中最大挤压力只有143KN，杯状余料不足坯料的1％。获得的Mg-4.0Y-2.0Nd-0.4Zr镁合金无缝薄壁细管表面光滑，壁厚差小于0.05mm，其晶粒细小，平均晶粒尺寸20μm左右，抗拉强度为232MPa，延伸率为31.5％。经固溶+时效处理后，其晶粒近似等轴状，强度和塑性都有所提高，分别达到247MPa和33％。

实施例1得到的镁合金无缝管挤压态和挤压后热处理态组织分别如图4(a)和(b)所示。

实施例2-本实施例挤压外径为7.2mm、内径为6mm的Mg-4.0Y-2.0Nd-0.4Zr镁合金无缝管。

本实施例所用模具基本与实施例1相同，不同之处是所用成形凹模的型腔直径为7.2mm，挤压温度为400℃。

本实施例所采取的具体工艺步骤在实施例1的基础上，调整挤压速度为3mm/s，挤压比为25，固溶时效处理参数为500℃×2h+180℃×16h。

本实施例挤压过程中最大挤压力为161KN，杯状余料不足坯料的1％。获得的Mg-4.0Y-2.0Nd-0.4Zr镁合金无缝薄壁细管表面光滑，壁厚差小于0.05mm，其晶粒尺寸小于5μm，抗拉强度为246MPa，延伸率为28.2％。经固溶+时效处理后，其强度和塑性分别达到259MPa和32％。

实施例2得到的镁合金无缝管挤压态组织如图5所示。

Claims (10)

1.一种稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法，其特征在于：其工艺步骤是：

(1)铸锭均匀化处理-将稀土镁合金铸锭在热处理炉中均匀化处理，其处理温度为485～525℃，保温时间为8～12小时；

(2)涂敷润滑剂-将均匀化处理后的稀土镁合金铸锭车皮，加工成空心圆柱坯料，去除碎屑和毛刺，在其内外表面均匀涂敷润滑剂；

(3)坯料预挤压-将装有坯料的预挤压模置于热处理炉中加热后通过预挤压模对坯料进行预挤压，预挤压温度为360～420℃；

(4)挤压成形-取下预挤压模，换上成形模，重新装好模具，连同预挤压坯料一起置于热处理炉中加热，其加热温度为400～460℃，保温时间为1～1.5h，加热后取出模具进行挤压成形；

(5)固溶时效处理-在氩气保护下对挤压成形的稀土镁合金细管进行固溶时效处理。

2.根据权利要求1所述的稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法，其特征在于：所述第(4)步挤压成形温度为380～440℃，挤压速度为1～10mm/s，挤压比为11～44。

3.根据权利要求1或2所述的稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法，其特征在于：所述第(5)步固溶时效处理工艺是：固溶温度480～520℃，固溶时间2～4h，时效温度160～200℃，时效时间12～20h；固溶后立即水冷。

4.根据权利要求3所述的稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法，其特征在于：所述润滑剂为石墨粉与动物油按质量比1∶2.5～3混合的稠状物。

5.一种根据权利要求1所述的稀土镁合金无缝薄壁细管热挤压方法设计的专用模具，包括上模座(1)、下模座(7)、挤压筒(4、5)、凸模和凹模(12)，其特征在于：本专用模具配备的凹模(12)有专对坯料预挤压的预挤压凹模和对坯料成形挤压的成形凹模两种，所述预挤压凹模和成形凹模具有相同的外形尺寸，可以以互换的方式通过挤压筒配合固定在下模座(7)上，挤压筒(4、5)和预挤压凹模或成形凹模通过上模座(1)和下模座(7)紧固；所述凸模由一体成型同轴的挤压杆(9)、挤压轴(10)和挤压针(13)构成，挤压杆(9)和挤压针(13)直径小于挤压轴(10)直径，挤压轴(10)与挤压筒内壁过渡配合；预挤压凹模和成形凹模上设有与挤压筒同心的型腔(14)，预挤压凹模的型腔与挤压针过渡配合，成形凹模的型腔与深入其内的挤压针一起构成环形挤压孔。

6.根据权利要求5所述的专用模具，其特征在于：所述挤压筒由挤压筒内衬(5)和挤压筒外套(4)构成，两者过盈热装配合，在挤压筒外套(4)外壁设有保温套(3)，保温套(3)、挤压筒外套(4)和挤压筒内衬(5)上设有贯通的直达凹模外壁的测温孔(6)，便于插入测温设备测量凹模外壁的温度变化。

7.根据权利要求6所述的专用模具，其特征在于：所述挤压筒内衬(5)外径尺寸是内径的1.5～1.8倍，挤压筒外套(4)外径尺寸是内径的2.0～2.2倍，装配过盈量为挤压筒内衬外径的0.002～0.003倍。

8.根据权利要求5或6或7所述的专用模具，其特征在于：所述挤压轴(10)与挤压针(13)结合部位采用25°锥度角和圆弧过渡；挤压针(13)采用锥度为0.3°的锥度结构。

9.根据权利要求8所述的专用模具，其特征在于：所述挤压杆(9)上端设有防止挤压轴与成形凹模直接接触的限位压头(8)。

10.根据权利要求9所述的专用模具，其特征在于：所述下模座上设有圆形凸台，挤压筒下端设有与圆形凸台对应的圆形沉孔，挤压筒通过圆形沉孔紧套在圆形凸台上。

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