CN102689153B - 镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法 - Google Patents

Abstract

一种镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整；所述液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的镁合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为680-740℃，加压速度为50-100mm/s，充型时间1-6s，比压为140-200MPa，并在该压力下保压35-150s，得到近终截面环坯；所述余热等温轧制为：经均匀化的近终截面环坯降温至300-400℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制。本发明的液态模锻模具镁合金异截面大型环件液态模锻轧制复合成形方法不仅能够简化合金环件的制坯工艺流程、降低成本和提高生产效率，而且还能够有效改善液态模锻模具镁合金环件的微观组织状态，提高综合力学性能。

Description

镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法

技术领域

本发明涉及一种具有复杂截面的大直径金属环件的短流程加工成形方法，具体的涉及一种镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法。

背景技术

采用镁合金制作的大型环件主要用于航空、航天等领域，工作环境恶劣。特殊的使用环境对环件的尺寸精度和综合力学性能提出了近乎苛刻的要求：一方面要求零件具有高精度的外形尺寸，避免后续机加成形，浪费大量人力物力的同时严重降低环件使用性能；另一方面要求零件具有优异的组织状态以达到综合力学性能的要求。

目前，复杂截面环件的制备通常采用热轧制（也称作热辗扩）与机械切削加工联合完成。该工艺基于成形锭坯轧制出矩形截面的环坯，再通过机械切削将矩形截面加工成所需要的复杂截面。主要加工工艺流程为：冶炼→开坯→下料→镦粗→冲孔→热轧制→热处理→机械加工。该工艺存在以下几个方面的问题：

1）流程冗长，工序繁多，生产效率低；

2）辗扩环坯需冲孔制备，且最终截面形状需通过切削多余敷料保证，材料利用率低；

3）机械加工过程切断金属流线，导致环件综合力学性能下降；

4）制备过程需反复加热，导致晶粒粗大，表面氧化严重，能源损耗大。

公开号为CN 101817134A的中国专利公开了一种金属环件短流程铸辗复合成形的方法，该金属环件短流程铸辗复合成形的方法虽然在一定程度上满足生产流程短，节省能源、材料和人力的有益效果，但是该方法采用离心铸造环坯，无法满足复杂截面环件的加工要求，且生产得到的金属环件的综合力学性能还达不到如运载火箭的使用要求。

鉴于此，本发明旨在探索一种镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，该镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法不仅能够简化镁合金环件的制坯工艺流程、降低成本和提高生产效率，而且还能够有效改善镁合金环件的微观组织状态，提高综合力学性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，该镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法不仅能够简化镁合金环件的制坯工艺流程、降低成本和提高生产效率，而且还能够有效改善镁合金环件的微观组织状态，提高综合力学性能。

要实现上述技术目的，本发明的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整；

所述液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的镁合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为680-740 ℃，加压速度为50-100 mm/s，充型时间1-6s，比压为140-200MPa，并在该压力下保压35-150 s，得到近终截面环坯；

所述余热等温轧制为：经均匀化的近终截面环坯降温至300-400 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制。

进一步，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，并预热至100-150 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度10-20微米，然后继续预热液态模锻模具至200-250 ℃；

进一步，所述余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，所述快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.5-0.6V_径向，所述减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差30-50 mm 时，轴向轧辊抬起；

进一步，轧制模具与坯料温差为±10℃；

进一步，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值；

进一步，所述镁合金的熔炼时选用的原材料为镁锭、纯锌块、铝块、铜块以及中间合金，且镁锭、纯锌块和铝块在熔炼前均需除去表面的氧化皮和污物，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽；

进一步，所述液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸；

进一步，所述等温余热轧制的辗扩比≥1.4，轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本发明的有益效果为：

本发明的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼镁合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，镁合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织。

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

因此，本发明的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。

第一实施例

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整。本实施例的镁合金为AZ91D镁合金，其化学成分（wt. %）为：Al：8.9，Zn：0.62，Cu：0.025，Mn：0.35，Si：0.02，Fe：0.004，Ni：0.001，其余为Mg，采用该AZ91D镁合金的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法的具体工艺步骤如下：

1、熔炼：熔炼时选用的原材料为镁锭、纯锌块、铝块、铜块以及中间合金，且镁锭、纯锌块和铝块在熔炼前均需除去表面的氧化皮和污物，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽。其具体工艺过程为：将配制好的AZ91D镁合金材料在烘箱中预热至200℃，同时将熔化炉升温，并在熔化炉底部撒上一层覆盖剂，将经预热的AZ91D镁合金材料加入熔化炉内，继续加热升温，待炉内温度上升到400 ℃时，开始通入保护气体防止AZ91D镁合金燃烧，且每分钟通入的保护气体等于熔化炉封闭容积的5%；待AZ91D镁合金完全熔化后，继续升温到730 ℃，加入占AZ91D镁合金溶液总量1 wt%的变质剂进行变质细化处理，处理时间5 min，然后升温至740 ℃，加入占AZ91D镁合金液总量的1.5 wt% 的精练剂进行精炼处理，精炼时间为5 min，精炼完成后，除渣并静置降温至液态模锻的浇注温度730℃。

2、液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的AZ91D镁合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为730 ℃，加压速度为75 mm/s，充型时间1 s，比压为200MPa，并在该压力下保压120 s，得到近终截面环坯。比压是指液态金属在压力下冷却承受的单位压力。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至150℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度18微米，继续预热液态模锻模具至250℃，喷涂脱模剂能够方便液态模锻模具脱模。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使AZ91D镁合金在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：

1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；

2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；

3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；

4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。

3、均匀化为：将液态模锻得到的近终截面环坯冷却至420 ℃时，保温8 h。

4、余热等温轧制为：采用均匀化后的余热降温到轧制温度直接实施热轧制过程，而不需要二次加热，经均匀化的近终截面环坯降温至350 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制，轧制模具的温度为350 ℃，其与近终截面环坯的温差为0℃。余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.6V_径向，减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差50 mm 时，轴向轧辊抬起。优选的，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。

5、热处理为：经余热等温轧制得到的环坯在370 ℃预溶解2 h，然后升温至400 ℃保温10 h后出炉空冷，随后升温至200℃保温2 h，降温至150℃保温10 h。

6、精整：本实施例的精整采用冷精整。

进一步，所述液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸；

进一步，余热轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=1.4，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为1°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼AZ91D镁合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，AZ91D镁合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织。

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

因此，本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

第二实施例

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整。本实施例的镁合金为AZ91D镁合金，其化学成分（wt. %）为：Al：9.2，Zn：0.75，Cu：0.025，Mn：0.22，Si：0.02，Fe：0.004，Ni：0.001，其余为Mg，采用该AZ91D镁合金的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法的具体工艺步骤如下：

1、熔炼：熔炼时选用的原材料为镁锭、纯锌块、铝块、铜块以及中间合金，且镁锭、纯锌块和铝块在熔炼前均需除去表面的氧化皮和污物，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽。其具体工艺过程为：将配制好的AZ91D镁合金材料在烘箱中预热至200℃，同时将熔化炉升温，并在熔化炉底部撒上一层覆盖剂，将经预热的AZ91D镁合金材料加入熔化炉内，继续加热升温，待炉内温度上升到400 ℃时，开始通入保护气体防止AZ91D镁合金燃烧，且每分钟通入的保护气体等于熔化炉封闭容积的10 %；待AZ91D镁合金完全熔化后，继续升温到730 ℃，加入占AZ91D镁合金溶液总量1 wt%的变质剂进行变质细化处理，处理时间10 min，然后升温至740 ℃，加入占AZ91D镁合金液总量的1.5 wt% 的精练剂进行精炼处理，精炼时间为10 min，精炼完成后，除渣并静置降温至液态模锻的浇注温度680℃。

2、液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的AZ91D镁合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为680 ℃，加压速度为50 mm/s，充型时间6 s，比压为180MPa，并在该压力下保压150 s，得到近终截面环坯。比压是指液态金属在压力下冷却承受的单位压力。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至120℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度20微米，继续预热液态模锻模具至220℃，喷涂脱模剂能够方便液态模锻模具脱模。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使AZ91D镁合金在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：

1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；

2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；

3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；

4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。

3、均匀化为：将液态模锻得到的近终截面环坯冷却至420 ℃时，保温8 h。

4、余热等温轧制为：采用均匀化后的余热降温到轧制温度直接实施热轧制过程，而不需要二次加热，经均匀化的近终截面环坯降温至400 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制，轧制模具的温度为390 ℃，其与近终截面环坯的温差为-10℃。余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.56V_径向，减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差40 mm 时，轴向轧辊抬起。优选的，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。

5、热处理为：经余热等温轧制得到的环坯在370 ℃预溶解2 h，然后升温至400 ℃保温10 h后出炉空冷，随后升温至200℃保温2 h，降温至150℃保温10 h。

6、精整：本实施例的精整采用冷精整。

进一步，所述液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸；

进一步，余热轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=3，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为2°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼AZ91D镁合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，AZ91D镁合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织。

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

因此，本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

第三实施例

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整。本实施例的镁合金为AZ91D镁合金，其化学成分（wt. %）为：Al：8.6，Zn：0.53，Cu：0.025，Mn：0.22，Si：0.02，Fe：0.004，Ni：0.001，其余为Mg，采用该AZ91D镁合金的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法的具体工艺步骤如下：

1、熔炼：熔炼时选用的原材料为镁锭、纯锌块、铝块、铜块以及中间合金，且镁锭、纯锌块和铝块在熔炼前均需除去表面的氧化皮和污物，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽。其具体工艺过程为：将配制好的AZ91D镁合金材料在烘箱中预热至200℃，同时将熔化炉升温，并在熔化炉底部撒上一层覆盖剂，将经预热的AZ91D镁合金材料加入熔化炉内，继续加热升温，待炉内温度上升到400 ℃时，开始通入保护气体防止AZ91D镁合金燃烧，且每分钟通入的保护气体等于熔化炉封闭容积的8 %；待AZ91D镁合金完全熔化后，继续升温到730 ℃，加入占AZ91D镁合金溶液总量1 wt%的变质剂进行变质细化处理，处理时间7 min，然后升温至740 ℃，加入占AZ91D镁合金液总量的1.5 wt% 的精练剂进行精炼处理，精炼时间为8 min，精炼完成后，除渣并静置降温至液态模锻的浇注温度700℃。

2、液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的AZ91D镁合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为700 ℃，加压速度为60 mm/s，充型时间5s，比压为190MPa，并在该压力下保压135s，得到近终截面环坯。比压是指液态金属在压力下冷却承受的单位压力。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至100℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度10微米，继续预热液态模锻模具至200℃，喷涂脱模剂能够方便液态模锻模具脱模。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使AZ91D镁合金在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：

1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；

2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；

3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；

4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。

3、均匀化为：将液态模锻得到的近终截面环坯冷却至420 ℃时，保温8 h。

4、余热等温轧制为：采用均匀化后的余热降温到轧制温度直接实施热轧制过程，而不需要二次加热，经均匀化的近终截面环坯降温至370 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制，轧制模具的温度为380 ℃，其与近终截面环坯的温差为10℃。余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.5V_径向，减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差30 mm 时，轴向轧辊抬起。优选的，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。

5、热处理为：经余热等温轧制得到的环坯在370 ℃预溶解2 h，然后升温至400 ℃保温10 h后出炉空冷，随后升温至200℃保温2 h，降温至150℃保温10 h。

6、精整：本实施例的精整采用冷精整。

进一步，所述液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸；

进一步，余热轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=2，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为3°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼AZ91D镁合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，AZ91D镁合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织。

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

因此，本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

第四实施例

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整。本实施例的镁合金为ZK60镁合金，其化学成分（wt. %）为：Al：0.05，Zn：5.62，Cu：0.05，Zr：0.75，Si：0.05，Mn：0.1，Fe：0.05，Ni：0.005，Be：0.02，其余为Mg，采用该镁合金的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法的具体工艺步骤如下：

1、熔炼：熔炼时选用的原材料为镁锭、纯锌块、铝块、铜块以及中间合金，且镁锭、纯锌块和铝块在熔炼前均需除去表面的氧化皮和污物，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽。其具体工艺过程为：将配制好的镁合金材料在烘箱中预热至250℃，同时将熔化炉升温，并在熔化炉底部撒上一层覆盖剂，将经预热的镁合金材料加入熔化炉内，继续加热升温，待炉内温度上升到400 ℃时，开始通入保护气体防止镁合金燃烧，且每分钟通入的保护气体等于熔化炉封闭容积的10%；待镁合金完全熔化后，继续升温到730 ℃，加入占镁合金溶液总量0.5 wt%的变质剂进行变质细化处理，处理时间10min，然后升温至750 ℃，加入占镁合金液总量的2wt% 的精练剂进行精炼处理，精炼时间为10 min，精炼完成后，除渣并静置降温至液态模锻的浇注温度700℃。

2、液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的镁合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为700 ℃，加压速度为100 mm/s，充型时间1 s，比压为180MPa，并在该压力下保压35s，得到近终截面环坯。比压是指液态金属在压力下冷却承受的单位压力。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至100℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度10微米，继续预热液态模锻模具至230℃，喷涂脱模剂能够方便液态模锻模具脱模。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使镁合金在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：

1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；

2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；

3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；

4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。

3、均匀化为：将液态模锻得到的近终截面环坯冷却至400 ℃时，保温12 h。

4、余热等温轧制为：采用均匀化后的余热降温到轧制温度直接实施热轧制过程，而不需要二次加热，经均匀化的近终截面环坯降温至300 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制，轧制模具的温度为310 ℃，其与近终截面环坯的温差为10℃。余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.6V_径向，减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差30 mm 时，轴向轧辊抬起。优选的，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。

5、热处理为：经余热等温轧制得到的环坯180℃保温15 h。

6、精整：本实施例的精整采用冷精整。

进一步，所述液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸；

进一步，余热轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=1.4，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为3°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼镁合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，镁合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织。

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

因此，本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

第五实施例

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整。本实施例的镁合金为ZK60镁合金，其化学成分（wt. %）为：Al：0.05，Zn：5.28，Cu：0.05，Zr：0.45，Si：0.05，Mn：0.1，Fe：0.05，Ni：0.005，Be：0.02，其余为Mg，采用该镁合金的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法的具体工艺步骤如下：

1、熔炼：熔炼时选用的原材料为镁锭、纯锌块、铝块、铜块以及中间合金，且镁锭、纯锌块和铝块在熔炼前均需除去表面的氧化皮和污物，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽。其具体工艺过程为：将配制好的镁合金材料在烘箱中预热至250℃，同时将熔化炉升温，并在熔化炉底部撒上一层覆盖剂，将经预热的镁合金材料加入熔化炉内，继续加热升温，待炉内温度上升到400 ℃时，开始通入保护气体防止镁合金燃烧，且每分钟通入的保护气体等于熔化炉封闭容积的5%；待镁合金完全熔化后，继续升温到730 ℃，加入占镁合金溶液总量1 wt%的变质剂进行变质细化处理，处理时间5 min，然后升温至750 ℃，加入占镁合金液总量的2wt% 的精练剂进行精炼处理，精炼时间为10 min，精炼完成后，除渣并静置降温至液态模锻的浇注温度740℃。

2、液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的镁合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为740℃，加压速度为60 mm/s，充型时间6 s，比压为140MPa，并在该压力下保压150 s，得到近终截面环坯。比压是指液态金属在压力下冷却承受的单位压力。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至150℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度14微米，继续预热液态模锻模具至200℃，喷涂脱模剂能够方便液态模锻模具脱模。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使镁合金在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：

1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；

2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；

3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；

4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。

3、均匀化为：将液态模锻得到的近终截面环坯冷却至400 ℃时，保温12h。

4、余热等温轧制为：采用均匀化后的余热降温到轧制温度直接实施热轧制过程，而不需要二次加热，经均匀化的近终截面环坯温度为400 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制，轧制模具的温度为400 ℃，其与近终截面环坯的温差为0℃。余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.5V_径向，减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差40mm 时，轴向轧辊抬起。优选的，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。

5、热处理为：经余热等温轧制得到的环坯180℃保温15 h。

6、精整：本实施例的精整采用冷精整。

进一步，所述液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸；

进一步，余热轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=2，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为2°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼镁合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，镁合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织。

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

因此，本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

第六实施例

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整。本实施例的镁合金为ZK60镁合金，其化学成分（wt. %）为：Al：0.05，Zn：5.35，Cu：0.05，Zr：0.68，Si：0.05，Mn：0.1，Fe：0.05，Ni：0.005，Be：0.02，其余为Mg，采用该镁合金的异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法的具体工艺步骤如下：

1、熔炼：熔炼时选用的原材料为镁锭、纯锌块、铝块、铜块以及中间合金，且镁锭、纯锌块和铝块在熔炼前均需除去表面的氧化皮和污物，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽。其具体工艺过程为：将配制好的镁合金材料在烘箱中预热至250℃，同时将熔化炉升温，并在熔化炉底部撒上一层覆盖剂，将经预热的镁合金材料加入熔化炉内，继续加热升温，待炉内温度上升到400 ℃时，开始通入保护气体防止镁合金燃烧，且每分钟通入的保护气体等于熔化炉封闭容积的0.75%；待镁合金完全熔化后，继续升温到730 ℃，加入占镁合金溶液总量0.8 wt%的变质剂进行变质细化处理，处理时间8min，然后升温至750 ℃，加入占镁合金液总量的2wt% 的精练剂进行精炼处理，精炼时间为10 min，精炼完成后，除渣并静置降温至液态模锻的浇注温度720℃。

2、液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的镁合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为720 ℃，加压速度为95mm/s，充型时间2s，比压为160MPa，并在该压力下保压100s，得到近终截面环坯。比压是指液态金属在压力下冷却承受的单位压力。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至80℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度20微米，继续预热液态模锻模具至250℃，喷涂脱模剂能够方便液态模锻模具脱模。

采用液态模锻制成近终截面环坯，使镁合金在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：

1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；

2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；

3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；

4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。

3、均匀化为：将液态模锻得到的近终截面环坯冷却至400 ℃时，保温12 h。

4、余热等温轧制为：采用均匀化后的余热降温到轧制温度直接实施热轧制过程，而不需要二次加热，经均匀化的近终截面环坯降温至380 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制，轧制模具的温度为370 ℃，其与近终截面环坯的温差为-10℃。余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=0.55V_径向，减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差50 mm 时，轴向轧辊抬起。优选的，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。

5、热处理为：经余热等温轧制得到的环坯180℃保温15 h。

6、精整：本实施例的精整采用冷精整。

进一步，所述液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸；

进一步，余热轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=4，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为0.5°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。

本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼镁合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：

1）短流程，有效提高生产效率；

2）无冲孔工序，镁合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；

3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织。

4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；

5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。

因此，本实施例的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：包括熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整；

所述镁合金的熔炼时选用的原材料为镁锭、纯锌块、铝块、铜块以及中间合金，且镁锭、纯锌块和铝块在熔炼前均需除去表面的氧化皮和污物，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽；

所述液态模锻为：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将熔炼得到的镁合金熔液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为680-740 ℃，加压速度为50-100 mm/s，充型时间1-6s，比压为140-200MPa，并在该压力下保压35-150 s，得到近终截面环坯；

所述余热等温轧制为：经均匀化的近终截面环坯降温至300-400 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制；

所述精整为冷精整。

2.根据权利要求1所述的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，并预热至100-150 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度10-20微米，然后继续预热液态模锻模具至200-250 ℃。

3.根据权利要求1所述的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述余热等温轧制依次包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，所述快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V_轴向与径向进给速度V_径向满足V_轴向=（0.5-0.6）V_径向，所述减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差30-50 mm 时，轴向轧辊抬起。

4.根据权利要求3所述的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：轧制模具与坯料温差为±10℃。

5.根据权利要求3所述的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。

6.根据权利要求1-5任一项所述的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在设计液态模锻模具时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热等温轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸。

7.根据权利要求1所述的镁合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述余热等温轧制的辗扩比≥1.4，轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。