CN101912891A - 镁合金连续挤压变形方法 - Google Patents
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Abstract
一种镁合金连续挤压变形方法，将经过均匀化处理的镁合金坯料温度加热至350℃～450℃，用比镁合金坯料温度低10℃～30℃的挤压模，采用1m/min～3m/min的等速挤压速度，依次以正挤压、转角90度变通道角挤压、转角90度等通道角挤压的先后顺序进行一道次单向连续挤压，使镁合金坯料从模具一端经由正挤压阶段后等量分流成多股流，经变通道角挤压，等通道角挤压，从模具另一端成型出模，形成连续流动挤压变形，其经正挤压至转角90度变通道角挤压的挤压比为16∶1，变通道角挤压至转角90度等通道角挤压的挤压比为1∶1。既能使镁合金的晶粒细化效果极其显著，组织更均匀，还能通过加大挤压比和挤压速度，提高工业化生产效率，降低生产成本，保证产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及镁合金的挤压变形领域，特别涉及一种镁合金连续挤压变形方法。
背景技术
镁合金是目前最轻的金属结构材料，其具有导电性、导热性、电磁屏蔽性，同时性能良好，比强度和比刚度高，减震性好，切削加工和尺寸稳定性佳，易回收，有利于环保等优点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”，随着汽车、航空、电子及运输等工业轻量化的发展要求，镁合金的应用范围越来越广。镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金，目前应用较广的铸造镁合金，其铸态组织晶粒粗大，力学性能较低。常用的变形镁合金主要有AZ31、AZ61、AZ80、ZK31、ZK61、HK31、HK21等牌号，变形镁合金主要是通过挤压，轧制，锻造或拉伸等塑性压力加工，经过挤压、锻造和轧制等生产工艺产出的变形产品具有更高的强度、更好的延伸率和更多样化的力学性能，可以满足更多样化结构件的需求。目前我国开发成功并已形成小批量生产和应用的是采用挤压法生产的Mg-Al-Zn系列镁合金AZ31，该镁合金有较好的挤压性能，可通过挤压变形制造出多种规格的管、棒、条、带型材和断面形状比较复杂的型材，型材的最薄壁厚可以达到0.6mm甚至更薄。因此，开发变形镁合金产品是镁合金加工发展的必然趋势。
但镁是密排六方结构的金属，在室温和低温下滑移系少，理论上只有3个滑移系，变形时实际上只有1个滑移系在运动，塑性比较低，容易脆断，冷加工性能不好。为了提高其力学性能，细化组织是比较好的途径。通过热加工处理来细化镁合金晶粒不仅能提高其塑性，亦可提高其强度。晶粒细化一直是材料科学界研究的热点问题，根据著名的Hell-Petch公式多晶体屈服强度随晶粒尺寸的减小大大增加，而延伸率也明显提高，是理想的材料强化方式。挤压变形就是其中一种比较理想的细化组织，提高其力学性能的变形方式。挤压法生产的零件其力学性能较压铸法生产的要高很多，而且表面光洁度高，可用于汽车承载件如坐架、底盘框和汽车窗框等。我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁合金板、棒和型材，如今国防军工、航天航空用高性能镁合金材料仍依靠进口，民用产品尚未进行大力开发。因此，研究和开发性能优良、规格多样的变形镁合金材料显得十分重要。
目前，工业生产中镁合金的挤压变形工艺，一般是采用单向挤压方式，其镁合金坯料的挤压温度通常为300～450℃，为了防止与模具之间的温差而产生裂纹，常采用模具温度与挤压温度相同的等温挤压，或模具温度约低于挤压温度进行挤压；挤压速度通常为0.5m/min～2m/min。这种单向挤压方式的挤压温度与挤压速度成正比，挤压温度越低，挤压速度越慢，如果挤压温度降低而挤压速度不随之而减慢，镁合金的成型效果将受影响，导致挤压出的材料出现裂纹，影响产品质量。目前在实验研究领域采用的镁合金的单向挤压变形方式通常为单一的等通道角挤压，又称等径角挤压(英文简称ECAE，即Equal channelangular extrusion)，和单一的变通道角挤压，又称变径角挤压(英文简称CCAE，即Change channel angular extrusion)，都是利用大剪切变形细化晶粒的塑性变形加工方法，即将被挤压的镁合金坯料，通过挤压模上弯曲成90度角的单向等径挤压通道进行挤压，使镁合金坯料在一个挤压杆的压力下，由模具挤压通道的一端向另一端，通过单向的一道次等通道转角挤压出模，或通过单向的一道次变通道角挤压出模，使镁合金坯料在经过单向等径角挤压通道的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。
由于这种等通道角挤压(ECAE)的挤压方式仅仅是一个单向等径通道的挤压方式，挤压比为1，挤压温度为300～350℃，挤压速度为0.1～0.8m/min，其每挤压一道次后，镁合金晶粒尺寸细化程度一般只能达到2∶1到6∶1左右，需经过多道次挤压才能够将镁合金晶粒细化到较小尺寸，而且从已有的研究文献来看，该挤压工艺所用的坯料基本都是要先进行多次大挤压比的预挤压，以求将镁合金坯料的晶粒尺寸预先降到很小的范围，一般在20～80μm左右。如将晶粒为20μm的镁合金坯料在350℃时采用等通道角挤压(ECAE)技术挤压变形，需经过八道次的挤压，镁合金的晶粒尺寸才能达到2μm左右；如果原始晶粒大小为80um左右，要经过四道次才能降到10um左右。该方法虽然能够实现将镁合金晶粒细化到很小的程度，但是其有几点不足：第一，坯料需要通过预挤压变形进行初步细化晶粒，因此工序多，设备、能源耗费大，成本高：第二，采用多道次的挤压加工，同样工序多，生产效率低，生产成本高；并且由于等通道角挤压(ECAE)技术的挤压速度为0.1～0.8m/min，每道次的挤压时间相对较长，生产效率低，若提高单向挤压速度，会使产品质量下降。因此，在工业化生产需要提高生产效率的情况下，等通道角挤压(ECAE)技术显然存在不足，工业化生产推广应用相当困难。
由于变通道角挤压(CCAE)其特点是在等通道角挤压的基础上加上了一定的挤压比，可以将晶粒为500μm的镁合金坯料，通过一个道次的挤压比为4∶1的挤压使晶粒尺寸达到25μm，晶粒细化比为20∶1，提高了镁合金的晶粒细化效果；但是镁合金坯料在通过变通道角挤压时，会出现带状组织，晶粒的均匀性变差，使镁合金的力学性能降低，并且现有的变通道角挤压(CCAE)的挤压比通常控制在10∶1以内，如一旦挤压比达到或超过10∶1，镁合金就很容易产生裂纹，并且当挤压速度大于2m/min后，模具还容易开裂造成损坏。如果要将直径较粗镁合金坯料挤压变形到直径较细的型材，目前的等通道角挤压和变通道角挤压都必须要经过多道次的分次挤压才能完成，而从大直径逐渐分道次挤压到小直径，每改一次直径就必须拆模、换模，其程序多且复杂，在实际生产中既浪费时间又浪费资源；另外因为挤压比太大往往会导致裂纹的产生，在通常的挤压温度下350～450℃，如采用变通道角挤压，每一道次的挤压比达到10∶1后，挤压出的材料就很容易产生裂纹，影响产品质量。
由此可见，如果要求较高挤压比和加快挤压速度来提高镁合金挤压变形的工业化生产效率，同时提高镁合金晶粒细化的效果，保证产品质量，上述挤压方法都很难达到，因此需要一种能够解决在镁合金挤压变形的工业化生产中提高生产效率、保证产品质量的镁合金挤压变形方法，使变形镁合金产品能够广泛的应用于工业化生产中。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种镁合金连续挤压变形方法，它通过一道次单向连续挤压，使镁合金坯料从模具一端经由正挤压分流成多股，经第一次转角90度，通过变通道角挤压，然后再经第二次转角90度，通过等通道角挤压，随后从模具另一端成型出模，既能使镁合金的晶粒细化效果极其显著，组织更均匀，还能通过加大挤压比和挤压速度，提高工业化生产效率，降低生产成本，保证产品质量。
本发明的目的是这样实现的：将经过均匀化处理的镁合金坯料温度加热至350℃～450℃，在卧式挤压机上用比镁合金坯料温度低10℃～30℃的挤压模，采用1m/min～3m/min的等速挤压速度，依次以正挤压、转角90度变通道角挤压、转角90度等通道角挤压的先后顺序进行一道次单向连续挤压，使镁合金坯料从模具一端经由正挤压阶段后等量分流成多股流，经第一次转角90度，通过变通道角挤压，然后再经第二次转角90度，通过等通道角挤压，随后从模具另一端成型出模，由此形成连续流动挤压变形，其经正挤压至转角90度变通道角挤压的挤压比为16∶1，变通道角挤压至转角90度等通道角挤压的挤压比为1∶1。
正挤压至转角90度变通道角挤压的等量分流至少分流成4股。
所述正挤压的初始行程阶段采用2∶1～7∶1的挤压比。
由于采用了上述方案，本挤压方法依次以正挤压、转角90度变通道角挤压、转角90度等通道角挤压的先后顺序进行一道次单向连续挤压，使镁合金坯料从模具一端经由正挤压阶段后等量分流成多股流，经第一次转角90度，通过变通道角挤压，然后再经第二次转角90度，通过等通道角挤压，随后从模具另一端成型出模，由此形成连续流动挤压变形，这种连续挤压方式在正挤压阶段，起到了对镁合金预处理的作用，能细化最粗大的原始组织；在经过正挤压阶段后等量分流成多股流，可以使挤压阻力相对减小而满足大挤压比，挤压速度能够提高到3m/min，同时通过等量分流的作用，在挤压比提高的同时，也避免了在挤压的过程中因挤压比增大，而导致镁合金开裂的现象，使运用到大规模的工业化生产时效率能够提高。同时，在正挤压分流后，经第一次转角90度，通过变通道角挤压，尤其是该转角90度变通道角挤压的挤压比采用16∶1的大挤压比，使被挤压的镁合金能够在经过转角90度的大剪切变形作用下，镁合金组织的部分晶粒被粉碎成一系列具有小角度晶界的亚晶，亚晶被沿着一定方向拉长形成带状组织；然后亚晶被继续破坏，由于动态再结晶行为开始出现部分具有大角度界面的等轴晶组织，亚晶带就消失，产生混晶组织，显微组织为具有大角度晶界的亚晶，晶粒位相差随剪切变形量的增大而增大，同时随着流线区域发生了晶粒破碎现象，在挤压过程中发生动态再结晶；然后再经第二次转角90度，通过等通道角挤压，其挤压比采用1∶1，使被挤压的镁合金再次能够在经过转角90度的大剪切变形作用下进一步的剪切晶粒，包括在经过变通道时由于拉长形成带状组织的没有发生完全再结晶的晶粒，消除了带状组织的存在，使晶粒更加细化和均匀。因此采用本发明镁合金连续挤压变形方法，先通过变通道角挤压，极大地提高镁合金晶粒的细化效果，然后再通过等通道角挤压，在进一步细化晶粒的同时，使镁合金金相组织更加均匀，这种采用变通道角、等通道角连续挤压，使镁合金在挤压过程中能充分得到剪切变形，只需一道次挤压变形，就能使被加工的镁合金起到极其显著的晶粒细化效果并且使组织更加均匀，晶粒细化比达到50∶1，远大于单独的等通道角挤压或变通道角挤压的一道次挤压的晶粒细化比。
为使正挤压至转角90度变通道角挤压的挤压比能够达到16∶1，又不产生过大挤压阻力，正挤压至转角90度变通道角挤压的等量分流至少分流成4股，这种等量分流能够保证正挤压分流的同步性和均匀性，使分流出的镁合金能够在相同的挤压速度下得到相同的剪切挤压效果。
所述正挤压的初始行程阶段采用2∶1～7∶1的挤压比，还能使整个一道次连续挤压过程的挤压比得到进一步增大，其最大可达到挤压比为25∶1的连续挤压的工业化生产。
由于本连续挤压方法结合了变通道角挤压变形和等通道角挤压变形的优点，并且形成互补，克服了变通道角挤压变形和等通道角挤压变形各自存在的不足，能够实现镁合金挤压成型的工业化连续挤压生产，在提高工业生产效率的前提下，挤压后的镁合金材料具有抗压强度高、屈服强度高、延伸性好的力学性能，可以用于对金属材料的综合力学性能要求高的领域，如航空航天、军工等领域。
如将AZ31镁合金采用本连续挤压方法挤压后的挤压件，加工成Φ10mm×12mm的压缩试样进行压缩试验，通过下列表对照可见采用本连续挤压方法挤压的AZ31棒材的综合力学性能优于传统挤压方法挤压的和变通道角挤压的AZ31棒材综合力学性能，见下表：
表2采用本连续挤压方法挤压变形的AZ31棒材的力学性能
| 挤压速度 | 坯料温度 | 抗压强度/Mpa | 屈服强度/Mpa | 压缩率(％) | 显微硬度/HV |
| 1～3m/min | 350℃ | 398.3 | 123.5 | 15.4 | 74.1 |
| 1～3m/min | 400℃ | 375.1 | 116.7 | 14.1 | 66.5 |
| 1～3m/min | 450℃ | 347.5 | 106.1 | 13.3 | 62.8 |
表3采用传统挤压方法挤压变形的AZ31棒材力学性能
| 挤压速度 | 坯料温度 | 抗压强度/Mpa | 屈服强度/Mpa | 压缩率(％) | 显微硬度/HV |
| 1.5mm/min | 350℃ | 320 | 85 | 11.4 | 52.2 |
表4采用变通道角挤压方法挤压变形的AZ31棒材力学性能
| 挤压速度 | 坯料温度 | 抗压强度/Mpa | 屈服强度/Mpa | 压缩率(％) | 显微硬度/HV |
| 0.5～2m/min | 350℃ | 374 | 102 | 12.4 | 63.8 |
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明连续挤压方法的实施例图；
图2为AZ31镁合金铸态微观组织照片；
图3为AZ31镁合金均匀化处理后的微观组织照片；
图4为本方法挤压温度350℃的AZ31镁合金坯料的晶粒细化效果图；
图5为本方法挤压温度400℃的AZ31镁合金坯料的晶粒细化效果图；
图6为本方法挤压温度450℃的AZ31镁合金坯料的晶粒细化效果图。
具体实施方式
参见图1，在卧式挤压机上用挤压模对AZ31镁合金棒材进行连续挤压变形加工，挤压模1设有正挤压通道4、多个转角90度的变通道角挤压通道3和多个与变通道角挤压通道连通的转角90度的等通道角挤压通道2。首先将镁合金坯料5加热至400℃保温15小时进行均匀化处理，使经过均匀化处理的镁合金铸锭的粗大的枝晶消失，使铸锭的化学成分和组织更加均匀(如图3所示)。挤压前，把模具加热，使模具的温度约低于镁合金坯料温度10℃～30℃，在模具挤压通道腔内均匀涂抹石墨润滑剂，然后将模具装配卧式挤压机的工作台上。随后将经过均匀化处理的镁合金坯料温度加热至350℃～450℃，放入卧式挤压机的挤压筒6中，卧式挤压机的压杆7以1m/min～3m/min的等速挤压速度，推动镁合金坯料依次以正挤压、转角90度变通道角挤压、转角90度等通道角挤压的先后顺序进行一道次单向连续挤压，使镁合金坯料从模具一端经由正挤压阶段后等量分流成多股流，正挤压至转角90度变通道角挤压的等量分流至少分流成4股，本实施例分流成4股，经第一次转角90度，通过变通道角挤压，然后再经第二次转角90度，通过等通道角挤压，随后从模具另一端成型出模，由此形成连续流动挤压变形。其经正挤压至转角90度变通道角挤压的挤压比为16∶1，变通道角挤压至转角90度等通道角挤压的挤压比为1∶1。为使镁合金铸锭到挤压变形的挤压比进一步提高，所述正挤压的初始行程阶段也可采用2∶1～7∶1的挤压比，使整个一道次连续挤压的挤压比最高可达25∶1，以提高工业化连续挤压加工的效率。
实施例1，以铸造AZ31镁合金挤压变形为例，为使AZ31镁合金挤压加工后的棒材的综合力学性能达到高标准要求，挤压前将镁合金坯料加热至400℃保温15小时进行均匀化处理，经均匀化处理的平均晶粒尺寸大小为500μm左右的AZ31镁合金坯料温度加热至350℃，放入温度加热至330℃的挤压模中，在卧式挤压机上进行挤压，用10Mpa～20Mpa的挤压力，以3m/min的挤压速度，依次以正挤压、转角90度变通道角挤压、转角90度等通道角挤压的先后顺序进行一道次的等速单向连续挤压，正挤压阶段后等量分流成4股流，正挤压至转角90度变通道角挤压的挤压比为16∶1，变通道角挤压至转角90度等通道角挤压的挤压比为1∶1，只经过一道次的连续挤压，平均晶粒尺寸就能细化到10μm左右，晶粒细化的比率达到50∶1，且成型组织均匀(如图4所示)。而单独采用等通道挤压，在同样的挤压温度条件下，原始晶粒平均尺寸为20μm的AZ31镁合金坯料，在经过预挤压变形后，通过一道次挤压，其晶粒大小为10μm左右，晶粒细化比为2∶1；而单独采用变通道角挤压，在同样的挤压温度条件下，原始晶粒平均尺寸为500μm的AZ31镁合金坯料，采用挤压比为4∶1一道次挤压后，平均的晶粒尺寸为25μm左右，晶粒细化比率为20∶1。其效果比较见下表：
表1晶粒细化效果对照表
| 挤压方式 | 原始平均晶粒大小 | 一个道次挤压 | 晶粒细化比 |
| 等通道角挤压 | 20μm(预挤压变形后) | 10μm | 2∶1 |
| 变通道角挤压 | 500μm | 25μm | 20∶1 |
| 本发明连续挤压 | 500μm | 10μm | 50∶1 |
实施例2，以铸造AZ31镁合金挤压变形为例，为使AZ31镁合金挤压加工后的棒材的综合力学性能达到高标准要求，挤压前将镁合金坯料加热至400℃保温15小时进行均匀化处理，经均匀化处理的平均晶粒尺寸大小为500μm左右的AZ31镁合金坯料温度加热至400℃，放入温度加热至380℃的挤压模中，在卧式挤压机上进行挤压，用15～18Mpa的挤压力，以2m/min的挤压速度，依次以正挤压、转角90度变通道角挤压、转角90度等通道角挤压的先后顺序进行一道次的等速单向连续挤压，正挤压阶段后等量分流成4股流，正挤压至转角90度变通道角挤压的挤压比为16∶1，变通道角挤压至转角90度等通道角挤压的挤压比为1∶1，只经过一道次的连续挤压，平均晶粒尺寸就能细化到10μm左右，晶粒细化的比率达到50∶1，且成型组织均匀(如图5所示)。
实施例3，以铸造AZ31镁合金挤压变形为例，为使AZ31镁合金挤压加工后的棒材的综合力学性能达到高标准要求，挤压前将镁合金坯料加热至400℃保温15小时进行均匀化处理，经均匀化处理的平均晶粒尺寸大小为500μm左右的AZ31镁合金坯料温度加热至450℃，放入温度加热至420℃的挤压模中，在卧式挤压机上进行挤压，用10Mpa～20Mpa的挤压力，以3m/min的挤压速度，依次以正挤压、转角90度变通道角挤压、转角90度等通道角挤压的先后顺序进行一道次的等速单向连续挤压，正挤压阶段后等量分流成4股流，正挤压至转角90度变通道角挤压的挤压比为16∶1，变通道角挤压至转角90度等通道角挤压的挤压比为1∶1，只经过一道次的连续挤压，平均晶粒尺寸就能细化到10μm左右，晶粒细化的比率达到50∶1，且成型组织均匀(如图6所示)。
采用上述挤压方法在挤压机上挤压成棒材后，用吹风机快速冷却，防止晶粒长大，即可加工出各种镁合金棒料产品。
Claims (3)
1.一种镁合金连续挤压变形方法，其特征在于：将经过均匀化处理的镁合金坯料温度加热至350℃～450℃，在卧式挤压机上用比镁合金坯料温度低10℃～30℃的挤压模，采用1m/min～3m/min的等速挤压速度，依次以正挤压、转角90度变通道角挤压、转角90度等通道角挤压的先后顺序进行一道次单向连续挤压，使镁合金坯料从模具一端经由正挤压阶段后等量分流成多股流，经第一次转角90度，通过变通道角挤压，然后再经第二次转角90度，通过等通道角挤压，随后从模具另一端成型出模，由此形成连续流动挤压变形，其经正挤压至转角90度变通道角挤压的挤压比为16∶1，变通道角挤压至转角90度等通道角挤压的挤压比为1∶1。
2.根据权利要求1所述的镁合金连续挤压变形方法，其特征在于：正挤压至转角90度变通道角挤压的等量分流至少分流成4股。
3.根据权利要求1所述的镁合金连续挤压变形方法，其特征在于：所述正挤压的初始行程阶段采用2∶1～7∶1的挤压比。
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