CN103736894A - 镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具及其锻造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具及其锻造工艺，上模(3)与下模(4)为半闭式结构，即所述的上模(3)与所述的下模(4)沿长度方向为开式结构，设计有飞边仓，沿宽度方向为闭式结构，所述的上模(3)与所述的下模(4)的宽度方向两侧面为垂直面，所述的上模(3)与所述的下模(4)在此处为间隙配合，形成闭式型腔。本发明是一种能有效降低锻造变形抗力、使锻坯获得了良好的塑性、等温锻造生产效率高的镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具及其锻造工艺。

Description

镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具及其锻造工艺

技术领域

本发明涉及一种镁合金锻造模具，特别是涉及一种镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具，本发明还涉及使用该镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具的锻造工艺。

背景技术

镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、电磁屏蔽效果佳、机械加工性能优良、零件尺寸稳定、易回收等优点，在航空、航天、国防军工等行业具有广阔的应用前景。目前镁合金产品以铸件，特别是压铸件居多。由于液态镁合金凝固速度快，结晶温度范围宽，铸造时容易产生气孔、缩松、冷凝等缺陷，使得镁合金铸件力学性能不够理想，无法满足航空、航天、军工等领域中高性能结构件的要求，从而致使镁合金应用范围受到很大限制。据研究表明，经过锻造加工的镁合金在强度、塑性、性能的可靠性等各方面都优于铸造产品，因此开发研究镁合金的塑性加工技术是提高镁合金性价比、扩大镁合金应用的关键。

镁合金晶体结构为密排六方，室温时镁合金的滑移系仅有3个，这就导致了镁合金室温塑性变形时容易产生脆裂，塑性变形加工困难，在高温条件下，由于晶体中{1011}和<1121>滑移系出现，使得镁合金在高温下塑性性能有所增加，塑性加工成形成为可能，但镁合金加热温度过高或保温时间过长，会导致晶粒粗化，造成合金软化，导致力学性能下降，因此锻造过程中必须严格控制锻造温度。镁合金导热系数高，锻造时，若坯料与较低温度的模具相接触，则锻件容易因激冷而产生龟裂，锻造过程中还必须控制锻造温度。镁合金对应变速率很敏感，随着应变速率的增加，塑性急剧下降，因此锻造过程中必须严格控制变形速率，通常需要在液压机上以较低的速率锻造成形，防止锻件产生裂纹。镁合金高温下黏性大，流动性差，容易产生各种缺陷，必须设计合理的模具、坯料以保证锻件充填完全，流线顺畅，组织均匀。镁合金在三向挤压应力的状态下，塑性能显著提高，因此，能设计出合理的锻模、锻坯，使锻坯在锻造过程中处于三向挤压应力状态也是提高镁合金质量的一种重要方法。为此，我们提供一种在半闭式模具内采用等温低速率成形镁合金阶梯型结构模锻件的锻造方法。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能有效降低锻造变形抗力、使锻坯获得良好的塑性、等温锻造生产效率高的镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种使用该镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具的锻造工艺。

为了解决第一个技术问题，本发明提供的镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具，包括上模、上模座、导柱、导套、下模、顶板和顶杆，所述的上模与所述的下模为半闭式结构，即所述的上模与所述的下模沿长度方向为开式结构，设计有飞边仓，沿宽度方向为闭式结构，所述的上模与所述的下模的宽度方向两侧面为垂直面，所述的上模与所述的下模在此处为间隙配合，形成闭式型腔。

所述的上模、上模座、导柱、导套、下模、顶板和顶杆均由耐高温模具材料5CrNiMo制成。

为了解决第二个技术问题，本发明提供的使用镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具的锻造工艺，包括以下步骤操作：

第一步：在模具加热炉内把模具加热到锻造温度380℃并保温2小时以上，在坯料加热炉内把镁合金坯料加热到锻造温度380℃并保温4小时；

第二步：把加热后的镁合金坯料装入下模的型腔内，通过定位块定位，装模定位后按设定的变速率压制工艺在数控等温锻造液压机上进行锻造；

第三步：锻造完成后开启上模，通过顶出机构将锻件顶出，移出工作台，取出锻件并立即淬火。

所述模具加热炉在锻造过程中保持工作状态，控制上模、下模和镁合金坯料的温度为380±5℃。

所述的镁合金坯料在装入加热炉前均匀喷涂油剂氮化硼润滑剂，上模、下模在镁合金坯料装模前均匀喷涂油剂氮化硼润滑剂。

所述的设定的变速率的速度范围为1mm/s～0.005mm/s，根据不同锻造阶段的载荷特征设置了四个不同压制速度，具体按表1设置：

表1不同锻造行程锻造速度设置

所述镁合金阶梯型结构模锻件锻后立即进行淬火。

采用上述技术方案的镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具及其锻造工艺，模具设计为半闭式结构，以平面分模替代阶梯分模，实现锻件阶梯型结构的模锻成形要求。沿长度方向为开式锻造，设计有飞边仓；沿宽度方向为闭式锻造，宽度方向两侧面为垂直面，上下模在此处为间隙配合，形成闭式型腔。其特点在于：以平面分模代替阶梯分模的半闭式锻造，锻件飞边少，可以由简单的长方体自由锻坯料实现一次锻造成形，无需预锻，缩短了生产周期，节省了原材料；采用变速率等温锻造工艺，一方面有效降低了锻造变形抗力，使锻坯获得了良好的塑性，另一方面提高了等温锻造生产效率。应用本发明提供的方法可解决镁合金塑性变形易开裂的难题，可获得均匀的等轴细晶组织，锻件流线顺畅，残余应力小，工艺稳定性好，成品率高。

附图说明

图1为等温锻模具及加热系统总装图。

图2为上模座、上模和下模的装配图。

图3为锻造成形时的行程-载荷曲线。

图4为锻件长度方向截面二分之一的流线。

图5为锻件底部显微镜下的放大倍数为100倍组织金相。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

参见图1，上模座1固定在上加热垫板12上，上加热垫板12固定在上水冷板10上，上水冷板10与压机连接；下模4固定在下加热垫板18上，下加热垫板18固定在下水冷板20上，下水冷板20连接在压机的移动工作台上，上模3和下模4宽度方向两侧面通过平面贴合封闭，形成闭式型腔，锻造成形时宽度方向无飞边。加热系统由上加热管11、上加热垫板12、下加热管17、下加热垫板18、环形模具加热炉9、热电偶、温控仪组成。加热时，模具加热炉9、上加热管11、下加热管17同时通电加热，通过热电偶测定上模测温孔14、下模测温孔15内的模具温度，热电偶测得的温度反馈到外部温控仪以自动控制温度；下加热垫板18与下水冷板20相连接，下水冷板20通水冷却，防止热量传入压机，上加热垫板12为相同结构。

图2为上模座1、上模3、下模4的装配情况，为模具长度方向截面图。上模3通过内六角螺钉2固定在上模座1上，顶板5、第一顶杆6、第二顶杆16通过下模4的台阶定位在下模底部，上模3、下模4合模时通过导柱8、导套7导向，防止上模3、下模4发生错动。

参见图1和图2，上模3与下模4为半闭式结构，即上模3与下模4沿长度方向为开式结构，设计有飞边仓，沿宽度方向为闭式结构，上模3与下模4的宽度方向两侧面为垂直面，上模3与下模4在此处为间隙配合，形成闭式型腔。上模3、上模座1、导柱8、导套7、下模4、顶板5第一顶杆6和第二顶杆16均由耐高温模具材料5CrNiMo制成。

参见图1和图2，航空用镁合金阶梯型结构模锻件等温锻造，需要4000吨以上数控等温锻造液压机一台，等温锻造模具及模具加热炉一套，坯料加热炉一台，镁合金坯料需自由锻开坯，工作时按以下步骤操作：

步骤1：加热镁合金坯料和模具。镁合金坯料均匀喷涂油剂氮化硼润滑剂后装炉，在加热炉内加热到锻造温度380℃并保温4小时；模具加热装置如图1所示，上模3和下模4表面均匀喷涂油剂氮化硼后在合模状态下开启模具加热炉9、上加热管11和下加热管17将上模3和下模4加热到锻造温度380℃，保温两小时。上模3和下模4选用5CrNiMo模具钢。

步骤2：镁合金坯料装模定位。卸下隔热板13，开启压机，上水冷板10、上加热垫板12、上模座1、上模3向上移动，移动到一定高度后停机；移出移动工作台，下模4、下加热垫板18、下水冷板20和模具加热炉9随移动工作台一起移出，通过起吊装置把加热好的镁合金坯料装入下模4的型腔，下模4的型腔宽度方向和坯料宽度方向尺寸相同，可自动卡紧定位，长度方向通过定位块卡紧定位，装模定位后移动工作台复位。

步骤3：镁合金坯料在4000吨液压机上锻造成形。由图1可知，模具宽度方向封闭，镁合金坯料在模具型腔内变形只能沿长度方向流动，镁合金锻坯可由简单方坯变形充满型腔。锻造速度范围1mm/s～0.005mm/s，压机速度设置如表1，当载荷接近4000吨时，速度降低一个等级，当载荷达到3900时压机转为载荷控制，即以3900吨恒定载荷锻造至最终成形，控制载荷在3900吨以内，成形过程中行程-载荷曲线如图3所示，参见图3，载荷曲线存在三个3局部峰值，将载荷曲线分为4段，按行程从小到大每段对应的速度分别为1mm/s、0.1mm/s、0.05mm/s、0.005mm/s，当载荷达到3900吨时，压机转为载荷控制，即以3900吨恒定载荷保压下压至最终成形。在此锻造过程中，模具加热炉9始终保持加热状态，准确控制上模3、下模4和镁合金锻坯的温度在所需的锻造温度。

表1不同锻造行程锻造速度设置

步骤4：锻件淬火。锻造结束后开启压机，上模3与下模4分离，镁合金锻件滞留于下模4的型腔；压机的第三顶杆19向上移动，通过第二顶杆16、第一顶杆6和顶板5把锻件顶出；移出移动工作台22，通过起吊装置将镁合金锻件从下模4取出并立即淬火。至此，整个等温锻造过程结束。

锻件长度方向低倍流线组织如图4所示，图4为锻件长度方向截面二分之一的流线，表明按本方法等温锻造成形的锻件流线连续、顺畅，变形均匀。

底部金相组织如图5所示，显微镜下的放大倍数为100倍，可以看出应用本方法获得的锻件组织呈等轴晶形貌，且细小均匀。

Claims (7)

1.一种镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具，包括上模(3)、上模座(1)、导柱(8)、导套(7)、下模(4)、顶板(5)和顶杆，其特征在于：所述的上模(3)与所述的下模(4)为半闭式结构，即所述的上模(3)与所述的下模(4)沿长度方向为开式结构，设计有飞边仓，沿宽度方向为闭式结构，所述的上模(3)与所述的下模(4)的宽度方向两侧面为垂直面，所述的上模(3)与所述的下模(4)在此处为间隙配合，形成闭式型腔。

2.根据权利要求1所述的镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具，其特征在于：所述的上模(3)、上模座(1)、导柱(8)、导套(7)、下模(4)、顶板(5)和顶杆均由耐高温模具材料5CrNiMo制成。

3.使用权利要求1所述的镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具的锻造工艺，其特征在于：包括以下步骤操作：

第一步：在模具加热炉内把模具加热到锻造温度380℃并保温2小时以上，在坯料加热炉内把镁合金坯料加热到锻造温度380℃并保温4小时；

第二步：把加热后的镁合金坯料装入下模的型腔内，通过定位块定位，装模定位后按设定的变速率压制工艺在数控等温锻造液压机上进行锻造；

第三步：锻造完成后开启上模，通过顶出机构将锻件顶出，移出工作台，取出锻件并立即淬火。

4.根据权利要求3所述的使用镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具的锻造工艺，其特征在于：所述模具加热炉在锻造过程中保持工作状态，控制上模、下模和镁合金坯料的温度为380±5℃。

5.根据权利要求3或4所述的使用镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具的锻造工艺，其特征在于：所述的镁合金坯料在装入加热炉前均匀喷涂油剂氮化硼润滑剂，上模、下模在镁合金坯料装模前均匀喷涂油剂氮化硼润滑剂。

6.根据权利要求3或4所述的使用镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具的锻造工艺，其特征在于：所述的设定的变速率的速度范围为1mm/s～0.005mm/s，根据不同锻造阶段的载荷特征设置了四个不同压制速度，具体按表1设置：

表1不同锻造行程锻造速度设置

7.根据权利要求3或4所述的使用镁合金阶梯型结构模锻件的等温锻造模具的锻造工艺，其特征在于：所述镁合金阶梯型结构模锻件锻后立即进行淬火。

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