CN102601141A - 镁合金的复合挤压加工方法 - Google Patents

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赵祖德
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赵志翔
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Abstract

本发明公开了一种镁合金的复合挤压加工方法，该方法采用复合挤压模具，复合挤压模具包括上端竖直挤压通道等，该方法包括以下步骤：步骤一：先将镁合金铸坯料进行均匀化处理；步骤二：再加热复合挤压模具，复合挤压模具温度比镁合金坯料温度低10℃～30℃，复合挤压模具加热后在挤压通道内均匀涂抹润滑剂；步骤三：将经过均匀化处理的镁合金坯料加热到250℃～400℃，从镁合金坯料的上端进行单向等速挤压，使镁合金坯料由竖直通道向S型通道流动挤压变形。本发明采用复合挤压变形，极大地提高镁合金晶粒的细化效果，使镁合金材料的综合力学性能得到提高，减少挤压变形过程中的热处理道次与复杂的挤压变形工序。

Description

镁合金的复合挤压加工方法
技术领域
本发明涉及一种复合挤压加工方法，特别是涉及一种镁合金的复合挤压加工方法。
背景技术
镁合金具有密度小，比模量最高和比强度仅次之钛合金处于第二位的金属结构材料，并具有阻尼减震性能良好、电磁屏蔽性能和切削加工性能优良等特点，被誉为21世纪可绿色回收且不污染环境的清洁结构材料，尤其是实现构件/零件的轻量化，具有不可替代的优势。随着航空航天器、武器装备、交通工具、电子产品等工业轻量化的发展需求，镁合金的应用前景非常广阔。
镁属于六方晶体结构，在室温下只有一组基面滑移系可以开动，因而塑性较差，难以进行冷、温塑性成形，其应用范围受到了一定程度的限制，致使镁合金达不到铝合金应用的普及水平。因此，提高镁合金材料的塑性、强度已成为科技工作者研究的热点和重点。根据著名的Hell-Petch公式多晶体屈服强度随晶粒尺寸的减小而提升，且延伸率也明显提高。挤压变形就是其中一种比较理想的细化晶粒组织，提高力学性能的变形方式。挤压变形生产的零件综合性能优异，在武器装备、交通工具中完全可以替代部分铝合金次承力构件，如轮毂、轮辋、瞄具等。我国变形镁合金材料的研发起步较晚，武器装备、航空航天器用高性能镁合金板材、棒材、型材基本依靠进口，民用产品以中低强度的压铸镁合金件为主。因此，研究和开发性能优异、多规格的变形镁合金材料意义重大。
目前，工业生产中变形镁合金的挤压工艺为：挤压温度300℃～450℃、挤压比10∶1～100，挤压速度0.5m/min～2m/min，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减小，挤压成形的镁合金材料出现裂纹、性能不稳定等问题。近年来，大塑性变形技术得到了快速的发展，主要有：等通道角挤压(ECAE，Equal ChannelAngular Extrusion)、高压扭转(HPT)、往复挤压(CEC)等，其中，等通道角挤压具有显著细化晶粒组织、改善力学性能而发展较快，但是由于这种挤压方式仅仅是一个单向等通道的挤压方式，挤压比为1，挤压温度250℃～380℃、挤压速度0.1m/min～0.8m/min，每道次挤压后，镁合金晶粒尺寸细化程度达到2∶1～6∶1，需要经过多道次挤压才能够将镁合金晶粒细化到较小尺寸，据现有文献资料报道，将晶粒尺寸为20μm的镁合金坯料在250℃时采用ECAE技术挤压变形，需要经过8～12道次的挤压变形，镁合金的晶粒尺寸才能达到2μm左右，且每道次变形后都要经过热处理，消除应力分布不均与加工硬化，改善挤压性能。中国专利号为200710092779.4的发明了一种单向挤压径向流动变径角的挤压方法，挤压温度200℃～350℃、挤压速度1.0m/min～2.5m/min、挤压比20～40，采用初始晶粒大小为200μm的坯料，经过一道次挤压后晶粒细化为20μm左右，但在模具竖直的挤压腔通道与横向变径角型腔通道的过渡区域，变形应力集中导致模具开裂，控制复杂，模具寿命短，成本相对较高，且镁合金表面质量差，性能不稳定。因此，现代化工业生产对镁合金生产效率的提高，以及镁合金产品性能的不断提升，ECAE等技术的推广应用还有相当大的困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种镁合金的复合挤压加工方法，其采用复合挤压变形，极大地提高镁合金晶粒的细化效果，使镁合金材料的综合力学性能得到提高，减少挤压变形过程中的热处理道次与复杂的多道次挤压变形工序。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种镁合金的复合挤压加工方法，其特征在于，该方法采用复合挤压模具，复合挤压模具包括上端竖直挤压通道、下端竖直挤压通道、中间三个C型通道组合成的S型挤压通道，该方法包括以下步骤：
步骤一：先将镁合金铸坯材料进行均匀化处理；
步骤二：再加热复合挤压模具，复合挤压模具温度比镁合金坯料温度低10℃～30℃，复合挤压模具加热后在挤压通道内均匀涂抹润滑剂；
步骤三：将经过均匀化处理的镁合金坯料加热到250℃～400℃，保温1h～2h，放入复合挤压模具的挤压腔中，从镁合金坯料的上端进行单向等速挤压，使镁合金坯料由竖直通道向S型通道流动挤压变形，其中挤压速度为0.3m/min～1.2m/min、挤压比为4～36。
优选地，所述步骤三是将经过均匀化处理的镁合金坯料加热至350±5℃，保温时间为1h，复合挤压模具温度控制在330±5℃，将已加热的镁合金坯料放入复合挤压模具型腔中，以挤压速度为0.6m/min，挤压比为9，从镁合金坯料的上端进行单向等速挤压，使镁合金坯料由竖直通道向S型通道流动挤压变形。
优选地，所述镁合金坯料在挤压前已经过均匀化处理，平均晶粒尺寸为200μm。
优选地，所述镁合金坯料经过复合挤压模具的挤压后，晶粒细化的比率达到35∶1。
优选地，所述步骤一是将镁合金坯料加热到410±3℃保温均匀化处理24h。
优选地，所述步骤二是将复合挤压模具加热至220℃～390℃后，在模具挤压通道型腔内均匀涂抹Al2O3粉和水玻璃的混合润滑剂，把复合挤压模具装配在立式油压机的工作台上。
本发明的积极进步效果在于：本发明采用复合挤压变形，极大地提高镁合金晶粒的细化效果，使镁合金材料的综合力学性能得到提高，减少挤压变形过程中的热处理道次与复杂的多道次挤压变形工序。
附图说明
图1为本发明采用的复合挤压模具的结构示意图。
图2为本发明复合挤压过程中不同部位镁合金材料的显微硬度(Microhardness)分布的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，该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挤压方法的简单改进，都属于本发明要求的保护范围。
本发明镁合金的复合挤压加工方法采用的复合挤压模具如图1所示，复合挤压模具包括上端竖直挤压通道A、下端竖直挤压通道F以及中间三个C型通道B、D、E组合成的S型挤压通道。采用复合挤压变形的挤压模具，通过复合挤压模具的凸模的向下等速运动，使镁合金坯料通过竖直的型腔通道向S型通道流动挤压变形，镁合金坯料在S型通道内产生近似理想的纯剪切变形。这样做的好处如下：一是镁合金铸坯中由于非平衡结晶所带来的各种偏析和存在于晶界及枝晶网络上的金属间化合物，在挤压力作用下沿着一定方向拉长形成带状组织；二是在后续S型通道内继续发生剪切变形，开始出现部分等轴晶组织；三是晶粒组织随着剪切变形量的增大而变小，同时随着挤压的流线方向发生晶粒破碎现象。
本发明镁合金的复合挤压加工方法包括以下步骤：
在YX-1000A立式油压机(X-1000A立式油压机是一台通用的挤压设备，复合挤压模是一套模具)上对AZ91D镁合金坯料进行挤压变形加工。先将镁合金坯料进行均匀化处理，以改善铸坯在非平衡凝固过程中化学成分和组织的不均匀性，提高成形性能；具体是将镁合金坯料加热到410±3℃保温均匀化处理24h，第二相Mg17Al12(镁合金在非平衡凝固过程中形成的金属化合物，大部分分布于晶界)完全固溶入镁基体，大部分粗大的枝晶消失，使镁合金铸锭的化学成分和组织更加均匀；
再加热复合挤压模具，复合挤压模具温度可以比镁合金坯料温度低10℃～30℃，复合挤压模具加热后在挤压通道内均匀涂抹润滑剂；具体是将复合挤压模具加热至220℃～390℃后，在模具挤压通道型腔内均匀涂抹Al2O3(三氧化二铝)粉和水玻璃的混合润滑剂，把复合挤压模具装配在立式油压机的工作台上；
将经过均匀化处理的镁合金坯料加热到250℃～400℃，保温1h～2h，放入复合挤压模具的挤压腔中，从镁合金坯料的上端进行单向等速挤压，使镁合金坯料由竖直通道向S型通道流动挤压变形，其中挤压速度0.3m/min～1.2m/min，挤压比为4～36，挤压力受镁合金坯料(变形抗力、坯料状态、坯料直径、坯料长度)、工艺参数(变形程度、变形温度、变形速率)、润滑状态与摩擦条件、设备吨位等因素的影响。较好的技术方案是将经过均匀化处理的镁合金坯料加热至350±5℃，保温时间为1h，复合挤压模具温度控制在330±5℃，将已加热的镁合金坯料放入复合挤压模具型腔中，以挤压速度为0.6m/min，挤压比为9，从镁合金坯料的上端进行单向等速挤压，使镁合金坯料由竖直通道向S型通道流动挤压变形，采用快速风冷方法(如工业用电风扇)将挤压出的镁合金坯料冷却，防止晶粒长大，最终得到性能优异的镁合金材料。
以铸造AZ91D镁合金坯料挤压变形为例，镁合金坯料在挤压前已经过均匀化处理，平均晶粒尺寸为200μm，在挤压比为9的情况下，挤压温度为350℃时，镁合金坯料只经过复合挤压模具的一道次复合挤压变形后，平均晶粒尺寸就能细化到6μm左右，晶粒细化的比率达到35∶1，且组织分布均匀，在挤压通道的不同部位取样(如图1中A～G点部位)分析的微观组织与显微硬度，如图2所示。而对于等通道挤压，在同样的挤压条件下，挤压四道次后其晶粒尺寸约为10μm。镁合金坯料ECAE方法与本发明方法晶粒细化效果如表1所示。
表1不同挤压方法晶粒细化效果对比
Figure BSA00000685845500061
采用本发明方法挤压加工镁合金材料工艺简单、效率高，同时挤压后镁合金材料具有抗拉强度高、屈服强度高和延伸率好等特点，可以满足航空航天、武器装备等对高性能镁合金材料的需求。表2为本发明方法制备镁合金材料与ECAE挤压方法制备镁合金材料的力学性能对比，从表中可以得出，采用本发明方法挤压的AZ91D镁合金棒材的综合力学性能优于ECAE挤压方法制备的AZ91D镁合金棒材的综合力学性能。
表2本发明方法挤压AZ91D镁合金棒材与ECAE方法挤压的性能对比
镁合金坯料采用本发明方法挤压变形时，在经过了一系列的连续大剪切变形之后，晶内位错密度大量增加，晶格畸变加剧，从而使新晶粒形核数量增多而显著细化晶粒。本发明克服了等通道角挤压法和大挤压比变形的不足之处，挤压制备出的镁合金晶粒细小，性能优异，工艺简单，能满足镁合金工程化应用的发展需求。本发明采用复合挤压变形方法，极大地提高镁合金晶粒的细化效果，使镁合金材料的综合力学性能得到提高，减少挤压变形过程中的热处理道次与复杂的多道次挤压变形工序。
上述实施例不作为对本发明的限定，凡在本发明的范围内所作的任何修改、等同替换、改进等，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种镁合金的复合挤压加工方法，其特征在于，该方法采用复合挤压模具，复合挤压模具包括上端竖直挤压通道、下端竖直挤压通道、中间三个C型通道组合成的S型挤压通道，该方法包括以下步骤：
步骤一：先将镁合金坯料进行均匀化处理；
步骤二：再加热复合挤压模具，复合挤压模具温度比镁合金坯料温度低10℃～30℃，复合挤压模具加热后在挤压通道内均匀涂抹润滑剂；
步骤三：将经过均匀化处理的镁合金坯料加热到250℃～400℃，保温1h～2h，放入复合挤压模具的挤压腔中，从镁合金坯料的上端进行单向等速挤压，使镁合金坯料由竖直通道向S型通道流动挤压变形，其中挤压速度为0.3m/min～1.2m/min，挤压比为4～36。
2.如权利要求1所述的镁合金的复合挤压加工方法，其特征在于，所述步骤三是将经过均匀化处理的镁合金坯料加热至350±5℃，保温时间为1h，复合挤压模具温度控制在330±5℃，将已加热的镁合金坯料放入复合挤压模具型腔中，以挤压速度为0.6m/min，挤压比为9，从镁合金坯料的上端进行单向等速挤压，使镁合金坯料由竖直通道向S型通道流动挤压变形。
3.如权利要求1所述的镁合金的复合挤压加工方法，其特征在于，所述镁合金坯料在挤压前已经过均匀化处理，平均晶粒尺寸为200μm。
4.如权利要求1所述的镁合金的复合挤压加工方法，其特征在于，所述镁合金坯料经过复合挤压模具的挤压后，晶粒细化的比率达到35∶1。
5.如权利要求1所述的镁合金的复合挤压加工方法，其特征在于，所述步骤一是将镁合金坯料加热到410±3℃保温均匀化处理24h。
6.如权利要求1所述的镁合金的复合挤压加工方法，其特征在于，所述步骤二是将复合挤压模具加热至220℃～390℃后，在模具挤压通道型腔内均匀涂抹Al2O3粉和水玻璃的混合润滑剂，把复合挤压模具装配在立式油压机的工作台上。
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