CN103736888B - 镁合金环件的锻造成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及镁合金环件的锻造成形方法，包括下料、坯料均匀化热处理、锻前坯料和模具的预处理、多向自由锻预成形和模锻终锻成形等步骤，针对镁合金环件成形过程复杂、锻造成形易开裂等难题，采用多向自由锻预成形结合模锻终锻成形、通过合理选择锻造温度、压下速率、变形量等工艺参数以及各工序之间的相互衔接和配合，成功制备出镁合金锻环。本发明无需挤压开坯等辅助工序，在一台液压机上就可以完成锻环的成形加工，生产效率高，环件尺寸精确、稳定性好，制备出的环件充型完整，无裂纹、折迭等缺陷，内部组织致密。
Description
技术领域
本发明属于镁合金加工技术领域，特别涉及镁合金环件的锻造成形工艺方法。
背景技术
环件产品广泛应用于航空航天、汽车、火车、船舶、机械、风力发电等众多工业领域。环件材料目前通常采用钢铁和铝合金。随着航空航天和兵器工业等的发展，对材料轻量化的要求十分迫切。镁合金是实际应用最轻的金属结构材料，具有优于铝合金和钢的比强度和比刚度。用镁合金制作环件产品，可有效地实现结构减重和提高承运能力。锻造成形是规模化生产环件的主要方法之一，具有生产率高、锻件形状和尺寸稳定性好、内部组织致密等优点。但是，由于环件不同部位的变形情况差异大、成形过程复杂，而镁合金由于具有密排六方晶体结构、塑性变形加工能力差，加之对变形温度和应变速率敏感，使得环件成形难度更大，容易产生开裂、充不满、折迭等缺陷。目前，尚无镁合金锻环的研发报道。此外，虽然目前已经开发出镁合金锻造产品，但是通常均需采用挤压开坯方式获得锻造坯料，然后再对其进行二次锻造成形，增加了工序和工艺控制难度。这种状况严重制约了变形镁合金在相关领域的广泛应用。因此，必须采用合理的锻造工艺，才能制备出合格的镁合金锻环。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明针对镁合金环件成形过程复杂、锻造成形易开裂等难题，提供一种生产效率高，操作简单、工艺易于控制，产品质量稳定之制备镁合金环件的锻造成形工艺方法。
实现上述目的，本发明采取的技术方案是：镁合金环件的锻造成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）下料：将镁合金铸锭锯切成料块；料块为正方体，料块大小依环件尺寸、根据体积不变原则确定，其高与正方形底面边长之比即高/边比为0.8~1.2；
2）坯料均匀化热处理：将上述料块进行均匀化热处理，以消除铸造偏析，使组织均匀；
3）锻前坯料和模具的预处理，包括：
a. 表面润滑：在模具型腔表面和坯料表面涂覆石墨润滑剂，然后在空气中自然干燥；
b．预热：对上下模具和平砧进行预热，预热温度为240~260℃；坯料预热温度为300~400℃，时间5~10min；
4）多向自由锻预成形：对预热的坯料采用多向自由锻方式进行预成形；将坯料置于平砧上，沿坯料的三维正交面按X→Y→Z→X的顺序进行反复锻压，记每个面锻压一次为一个道次，共锻压4×（6或9）道次；其中，每道次变形量为6~10%，压下速率为4.5~5.5mm/s，每道次终了温度不低于250~270℃，在每6或9道次后于300~400℃炉中回炉保温5~10min；多向自由锻预成形完成后坯料空冷至室温，并对坯料进行整平；
5）模锻终锻成形：将经多向自由锻预成形的坯料于280~380℃加热5~10min，然后置于模具内进行终锻成形；终锻成形视道次压下量分4~6个道次完成，压下速率为4.5~5.5mm/s，其中除最后一道次外，各道次压下量在18~32%范围内、终了温度不低于270~280℃、在每道次后于280~380℃炉中回炉保温5~10min，最后一道次压下量为1~5%；模锻完成后空冷至室温，得到环件产品。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1．本发明采用多向自由锻预成形结合模锻终锻成形、通过合理选择锻造温度、压下速率、变形量等工艺参数以及各工序之间的相互衔接和配合，成功制备出镁合金锻环。
2．本发明无需挤压开坯等辅助工序，在一台液压机上就可以完成锻环的成形加工，设备投入少，成本低。
3．本发明生产效率高，操作简单、工艺易于控制，产品质量稳定，环件尺寸精确、制备出的环件充型完整，无裂纹、折迭等缺陷，内部组织致密，组织性能均匀，使环件具有优良的力学性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：本实施例选用的镁合金是半连续铸造的AZ31铸锭，环件的锻造成形包括以下步骤：
1）下料：将AZ31镁合金铸锭锯切成正方体料块，料块大小依环件尺寸、根据体积不变原则确定，正方体高/边比为1.1。
2）坯料均匀化热处理：将AZ31镁合金坯料置于电阻炉中进行均匀化热处理，采用双级均匀化热处理制度，即300℃×2h+400℃×12h，以尽可能消除铸造偏析，使组织均匀；均匀化后空冷至室温。
3）锻前坯料和模具的预处理，包括：
a. 表面润滑：在模具型腔表面和坯料表面涂覆石墨润滑剂，所用石墨润滑剂为：7%硼酸+17%亚硝酸钠+5%石墨+余量水（重量百分比），然后在空气中自然干燥。
b．预热：对上下模具和平砧进行预热，预热温度为250℃（达到250℃±20即可）。其中，上下模具分别采用6根260W的电热管进行加热，利用温控装置进行温度控制；平砧置于电阻炉中进行加热。坯料置于设定温度的电阻炉中进行预热，预热温度为400℃、时间5min。
4）多向自由锻预成形：对预热的坯料采用多向自由锻方式进行预成形。将坯料置于平砧上，沿坯料的三维正交面按X→Y→Z→X的顺序进行反复锻压，记每个面锻压一次为一个道次，共锻压36道次，在每9道次后将坯料于400℃炉中回炉保温5min。其中，道次变形量为10%，压下速率为5.4mm/s，每9道次后测得坯料温度分别为276、273、274和270℃。多向自由锻预成形完成后坯料空冷至室温，并对坯料进行整平，去除存在的尖锐棱角。
5）模锻终锻成形：将经预锻成形的坯料于380℃电阻炉中保温10min，然后置于模具内进行终锻成形。终锻成形分4个道次完成，压下速率为5mm/s，各道次压下量分别为30%、30%、30%和2%，各道次终了温度分别为294、286、290和291℃，在每道次后于380℃炉中回炉保温5min。模锻完成后空冷至室温，得到环件产品。
本实施例得到的镁合金环件充型完整，无裂纹、折迭等缺陷。
实施例2：本实施例选用的镁合金是半连续铸造的AZ31铸锭，环件的锻造成形包括以下步骤：
1）下料：将AZ31镁合金铸锭锯切成正方体料块，料块大小依环件尺寸、根据体积不变原则确定，正方体高/边比为1.02。
2）坯料均匀化热处理：将AZ31镁合金坯料置于电阻炉中进行均匀化热处理，采用双级均匀化热处理制度，即300℃×2h+400℃×12h，以尽可能消除铸造偏析，使组织均匀；均匀化后空冷至室温。
3）锻前坯料和模具的预处理，包括：
a. 表面润滑：在模具型腔表面和坯料表面涂覆石墨润滑剂，所用石墨润滑剂为：7%硼酸+17%亚硝酸钠+5%石墨+余量水（重量百分比），然后在空气中自然干燥。
b．预热：对上下模具和平砧进行预热，预热温度为260℃（达到260℃±20即可）。其中，上下模具分别采用6根260W的电热管进行加热，利用温控装置进行温度控制；平砧置于电阻炉中进行加热。坯料置于设定温度的电阻炉中进行预热，预热温度为380℃、时间7min。
4）多向自由锻预成形：对预热的坯料采用多向自由锻方式进行预成形。将坯料置于平砧上，沿坯料的三维正交面按X→Y→Z→X的顺序进行反复锻压，记每个面锻压一次为一个道次，共锻压36道次，在每9道次后将坯料于380℃炉中回炉保温8min。其中，道次变形量为10%，压下速率为5mm/s，每9道次后测得坯料温度分别为265、262、258和260℃。多向自由锻预成形完成后坯料空冷至室温，并对坯料进行整平，去除存在的尖锐棱角。
5）模锻终锻成形：将经预锻成形的坯料于350℃电阻炉中保温5min，然后置于模具内进行终锻成形。终锻成形分5个道次完成，压下速率为5.4mm/s，各道次压下量分别为23%、18%、23%、23%和5%，各道次终了温度分别为283、287、279、277和285℃，在每道次后于350℃炉中回炉保温8min。模锻完成后空冷至室温，得到环件产品。
本实施例得到的镁合金环件充型完整，无裂纹、折迭等缺陷。
实施例3：本实施例选用的镁合金是半连续铸造的AZ31铸锭，环件的锻造成形包括以下步骤：
1）下料：将AZ31镁合金铸锭锯切成正方体料块，料块大小依环件尺寸、根据体积不变原则确定，正方体高/边比为0.9。
2）坯料均匀化热处理：将AZ31镁合金坯料置于电阻炉中进行均匀化热处理，采用双级均匀化热处理制度，即300℃×2h+400℃×12h，以尽可能消除铸造偏析，使组织均匀；均匀化后空冷至室温。
3）锻前坯料和模具的预处理，包括：
a. 表面润滑：在模具型腔表面和坯料表面涂覆石墨润滑剂，所用石墨润滑剂为：7%硼酸+17%亚硝酸钠+5%石墨+余量水（重量百分比），然后在空气中自然干燥。
b．预热：对上下模具和平砧进行预热，预热温度为240℃（达到240℃±20即可）。其中，上下模具分别采用6根260W的电热管进行加热，利用温控装置进行温度控制；平砧置于电阻炉中进行加热。坯料置于设定温度的电阻炉中进行预热，预热温度为300℃、时间10min。
4）多向自由锻预成形：对预热的坯料采用多向自由锻方式进行预成形。将坯料置于平砧上，沿坯料的三维正交面按X→Y→Z→X的顺序进行反复锻压，记每个面锻压一次为一个道次，共锻压36道次，在每9道次后将坯料于300℃炉中回炉保温10min。其中，道次变形量为10%，压下速率为4.7mm/s，每9道次后测得坯料温度分别为256、253、254和250℃。多向自由锻预成形完成后坯料空冷至室温，并对坯料进行整平，去除存在的尖锐棱角。
5）模锻终锻成形：将经预锻成形的坯料于280℃电阻炉中保温8min，然后置于模具内进行终锻成形。终锻成形分4个道次完成，压下速率为4.5mm/s，各道次压下量分别为32%、32%、32%和5%，各道次终了温度分别为270、276、270和271℃，在每道次后于280℃炉中回炉保温10min。模锻完成后空冷至室温，得到环件产品。
本实施例得到的镁合金环件充型完整，无裂纹、折迭等缺陷。
需要说明的是，具体实施过程中，根据不同牌号的镁合金采用相应的均匀化热处理温度和时间。例如对于ZK60合金，均匀化热处理采用（260~300℃）×（2~4 h）+（350~400℃）×（12~15h）。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.镁合金环件的锻造成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）下料：将镁合金铸锭锯切成料块；料块为正方体，料块大小依环件尺寸、根据体积不变原则确定，其高与正方形底面边长之比即高/边比为0.8~1.2；
2）坯料均匀化热处理：将上述料块进行均匀化热处理，以消除铸造偏析，使组织均匀；
3）锻前坯料和模具的预处理，包括：
a. 表面润滑：在模具型腔表面和坯料表面涂覆石墨润滑剂，然后在空气中自然干燥；
b．预热：对上下模具和平砧进行预热，预热温度为240~260℃；坯料预热温度为300~400℃，时间为5~10min；
4）多向自由锻预成形：对预热的坯料采用多向自由锻方式进行预成形；将坯料置于平砧上，沿坯料的三维正交面按X→Y→Z→X的顺序进行反复锻压，记每个面锻压一次为一个道次，共锻压4×6或4×9道次；其中，每道次变形量为6~10%，压下速率为4.5~5.5mm/s，每道次终了温度不低于250~270℃，在每6或9道次后于300~400℃炉中回炉保温5~10min；多向自由锻预成形完成后坯料空冷至室温，并对坯料进行整平；
5）模锻终锻成形：将经多向自由锻预成形的坯料于280~380℃加热5~10min，然后置于模具内进行终锻成形；终锻成形视道次压下量分4~6个道次完成，压下速率为4.5~5.5mm/s，其中除最后一道次外，各道次压下量在18~32%范围内、终了温度不低于270~280℃、在每道次后于280~380℃炉中回炉保温5~10min，最后一道次压下量为1~5%；模锻完成后空冷至室温，得到环件产品。
2.根据权利要求1所述镁合金环件的锻造成形方法，其特征在于，所述步骤2）中,均匀化热处理采用（280~320℃）×（2~4 h）+（380~420℃）×（10~12h）；根据不同牌号的镁合金进行调整。
3.根据权利要求1所述镁合金环件的锻造成形方法，其特征在于，所述石墨润滑剂的成份重量百分比为：7%硼酸+17%亚硝酸钠+5%石墨+余量水。
4.根据权利要求1所述镁合金环件的锻造成形方法，其特征在于，所述步骤3）中第b步，对上下模具和平砧进行预热，其中模具采用自身的电加热装置和温控装置进行加热和温度控制；平砧置于电阻炉中进行加热。
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