CN104801558A - 一种增强型镁铝层状复合管材的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合管材增强及加工方法的改进，具体涉及一种增强型镁铝层状复合管材的加工方法。本发明方法有效利用镁合金轻质与铝合金耐腐蚀、塑性高的优势，通过管壁等径往复挤压细化晶粒组织，推进一次更可实现两次塑性变形，循环往复引入剧烈塑性变形，从而有效地细化晶粒组织、提高强度，镁铝层通过冶金反应实现结合，获得具有优异综合性能的增强型镁铝层状复合管材，扩大镁合金的应用范围。

Description

一种增强型镁铝层状复合管材的加工方法

技术领域

本发明涉及复合管材增强及加工方法的改进，具体涉及一种增强型镁铝层状复合管材的加工方法,属于有色金属复合材料制备及应用领域。

背景技术

镁及镁合金具有密度小、比强度高、阻尼减震性能好、导热性好、易切削加工以及易回收等优点，在航空航天、汽车、计算机、消费类电子等诸多领域具有很大的应用潜力，被誉为“21世纪绿色工程材料”。然而，镁合金的晶体结构为密排六方结构(HCP)，室温下独立滑移系少，其塑性变形仅限于基面{0001}<11-20>滑移及锥面{10-12}<10-11>孪生，塑性加工能力差。而且镁合金强度不足，耐热抗蠕变和高温服役性能差，制约着其在航空航天和汽车领域的大规模应用。另外，镁的化学性质活泼,电极电位非常低,其耐腐蚀性能很差。镁合金的这些缺点严重制约了其应用,必须提高镁合金的塑性变形能力、强度及耐腐蚀性能，才能扩展镁合金的使用范围。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种塑性变形能力强、耐腐蚀性能好的增强型镁铝多层复合管材的加工方法。本发明方法有效利用镁合金轻质与铝合金耐腐蚀、塑性高的优势，通过管壁等径往复挤压细化晶粒组织，推进一次更可实现两次塑性变形，循环往复引入剧烈塑性变形，从而有效地细化晶粒组织、提高强度，镁铝层通过冶金反应实现结合，获得具有优异综合性能的增强型镁铝层状复合管材，扩大镁合金的应用范围。

本发明采取的技术方案如下：

一种增强型镁铝层状复合管材的加工方法，包括如下步骤：

（1）精选材料、化学试剂

镁合金管：固态固体；

铝合金管：固态固体；

砂纸: 固态固体；

石墨: 固态粉末；

无水乙醇：液态液体；

丙酮：液态液体；

（2）预处理镁合金管

①用砂纸对镁合金管的内、外表面进行打磨，使表面清洁、光滑；

②按体积比5:4量取丙酮和无水乙醇，加入清洗槽内，搅拌混合，配置成丙酮＋无水乙醇混合液；

③将镁合金管浸泡于丙酮＋无水乙醇混合液中进行洗涤，时间为30min；

④浸泡洗涤后将镁合金管取出，置于干燥架上用吹风机吹干；

（3）预处理铝合金管

①用砂纸对铝合金管的内、外表面进行打磨，使表面清洁、光滑；

②按体积比5:4量取丙酮和无水乙醇，加入清洗槽内，搅拌混合，配置成丙酮＋无水乙醇混合液；

③将铝合金管浸泡于丙酮＋无水乙醇混合液中进行洗涤，时间为30min；

④浸泡洗涤后将铝合金管取出，置于干燥架上用吹风机吹干；

（4）预热镁合金管、铝合金管

将镁合金管嵌套于两个铝合金管中间组成镁铝层状管材坯料，然后置于预热炉中预热，预热温度为250℃-500℃，达到预热温度时保温0.5h-3h；

（5）管壁等径往复挤压镁铝层状管材

镁铝层状管材坯料的管壁等径往复挤压是在卧式液压往复挤压机上进行的，是在管壁等径往复挤压筒形模具和左、右挤压伸缩压头的作用下完成的；所述管壁等径往复挤压筒形模具包括挤压筒模具和挤压杆；

①制备管壁等径往复挤压模具

挤压筒模具用4Cr5MoSiV材料制备，呈圆筒形，内径为20-60mm，厚度为30-80mm，模具型腔表面粗糙度为Ra0.16-0.32μm；

挤压杆用4Cr5MoSiV1材料制备，呈与挤压筒模具相配的圆柱形，直径为16-52mm，挤压杆中部设置有至少两个圆环状凸起，凸起高度为1-2mm，挤压杆表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm；

②固定管壁等径往复挤压筒形模具

将挤压筒模具置于卧式液压往复挤压机的模具固定架内，并置于加热套内；

③开启加热套，加热管壁等径往复挤压筒形模具，加热温度预设为250℃-500℃，达到预设温度时保温0.5h；

④置放镁铝层状管材坯料

在预热后的镁铝层状管材坯料内表面涂抹石墨以润滑，并将其置于挤压筒模具内；

在具有圆环状凸起的挤压杆表面涂抹石墨以润滑，并将其伸入挤压筒模具的模腔内，接触镁铝层状管材坯料；

再次进行保温，保温温度250-500℃，保温时间为0.5h；

⑤开启左挤压伸缩压头，使挤压杆右行，对预先置于挤压筒模具模腔内的镁铝层状管材坯料进行挤压，镁铝层状管材坯料在挤压筒模具模腔内体积保持不变，在挤压杆的圆环状凸起的作用下发生塑性变形，镁铝层通过塑性变形、冶金反应而实现结合，当挤压杆左端完全进入挤压筒模具时，停止推进，实现两次塑性变形，完成一道次挤压；

⑥开启右挤压伸缩压头，使挤压杆左行，当挤压杆右端完全进入挤压筒模具时，停止推进，完成二道次挤压；

⑦重复上述步骤⑤和步骤⑥至少2次实现镁铝层状管材坯料的连续管壁等径往复挤压加工，往复挤压加工累积变形而达到剧烈塑性变形的目的，有效地细化晶粒组织、提高强度，从而获得增强型镁铝层状复合管材；

⑧挤压完毕后，关闭加热套，关闭左、右挤压伸缩压头，取出增强型镁铝层状复合管材，使之在空气中冷却；

（6）打磨、洁净处理

切除增强型镁铝层状复合管材的废料，并用砂纸对其内外表面进行打磨，然后用丙酮与无水乙醇按体积比5:4配制的混合液进行清洗，使其洁净，最后置于干燥架上用吹风机吹干。

所述镁合金管的含镁量为96%及以上；铝合金管的含铝量为96%及以上；无水乙醇的纯度为99.7%；丙酮纯度为99.0%。

结论：通过管壁等径往复挤压制备的镁铝层状复合管材，镁合金层与铝合金层界面结合致密，界面结合处形成Mg₁₇Al₁₂相，表明镁合金层与铝合金层之间形成了冶金结合融为一体，结合牢固，组织致密，晶粒组织均匀细小，形成一整体增强复合管材。

本发明的有益效果在于：

本发明通过管壁等径往复挤压制备镁铝层状复合管材，镁合金密度低减轻了复合管材的重量，铝合金包覆镁合金可防止镁合金被腐蚀，另外铝合金良好的塑性可同时提高复合管材的塑性，因此本发明方法有效结合了镁合金轻质与铝合金耐腐蚀、塑性高的优势。此外，本发明管壁等径往复挤压推进一次便可实现两次塑性变形，循环往复可引入剧烈塑性变形，有效地细化晶粒组织、提高强度，而且镁铝层间发生冶金反应使界面结合的更好，从而获得增强型镁铝多层复合管材。本发明所采用的模具结构简单，挤压杆中部圆环状凸起的形状与数量可根据生产需要与材料的性能进行调整，模具加热方便，温度易于控制。本发明所述的增强型镁铝多层复合管材加工方法简单、成本低且易于实现，具有良好的规模化应用前景，是十分理想的增强型镁铝多层复合管材的制备方法。

附图说明

图1为本发明中增强型镁铝多层复合管材的管壁等径往复挤压状态图。

图2为挤压通道的剖面示意图。

图3为图2中A-A向的剖面示意图。

图4为增强型镁铝层状复合管材的横截面示意图。

图5为镁铝层状复合管材中镁合金层与铝合金层的截面SEM扫描图。

图中所示，附图标记清单如下：

1.挤压机底座，2.工作台，3.显示屏，4.指示灯，5.电源开头，6.加热套开关，7.左压力电机控制器，8.右压力电机控制器，9.左压力电机连接导线，10.右压力电机连接导线，11.左压力电机底座，12.右压力电机底座，13.左压力电机，14.右压力电机，15.左压力电机传动带，16.右压力电机传动带，17.左挤压伸缩压头，18.右挤压伸缩压头，19.挤压杆，20.固定螺栓，21.左固定支架，22.右固定支架，23.左固定压盘，24.右固定压盘，25.加热套，26.挤压筒模具，27.镁铝层状管材坯料，28.圆环状凸起，29.挤压通道，30.铝合金层，31.镁合金层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1所示，为增强型镁铝多层复合管材的管壁等径往复挤压状态图，安装牢固，各部位置、连接关系要正确，按序操作。

管壁等径往复挤压镁铝多层管材使用的化学试剂的量值是按预先设置的比例确定的。

镁铝多层管材的管壁等径往复挤压是在卧式液压往复挤压机上进行的，是在筒形模具内、在加热套、在左右挤压伸缩压头和挤压杆的作用下完成的；

卧式液压往复挤压机包括工作台2，工作台2下方为挤压机底座1，在工作台2上设置有显示屏3、指示灯4、电源开头5、控制加热套25的加热套开关6、左压力电机控制器7、右压力电机控制器8；在工作台2两侧分别设置有左压力电机13与右压力电机14，左、右压力电机分别通过左、右压力电机连接导线和工作台2上的左、右压力电机控制器相连接；左、右压力电机下方分别为左压力电机底座11与右压力电机底座12；左、右压力电机上方分别通过左、右支柱支撑有左、右挤压伸缩压头，左、右支柱内分别设有左压力电机传动带15与右压力电机传动带16；左、右压力电机分别通过左、右压力电机传动带驱动左挤压伸缩压头17与右挤压伸缩压头18，左、右挤压伸缩压头之间水平支撑有挤压杆19，挤压杆19中间部位设置有至少两个圆环状凸起28；在工作台2上方设置有左固定支架21和右固定支架22，左、右固定支架相对的侧面上分别固定有左固定压盘23与右固定压盘24，左、右固定压盘通过固定螺栓20分别与左、右固定支架相连接；左、右固定压盘之间固定挤压筒模具26，挤压筒模具26外围设置有加热套25；左、右固定压盘以及左、右固定支架与挤压筒模具26两端开口对应的位置均开有孔；所述挤压杆19贯穿左、右固定压盘、左、右固定支架以及挤压筒模具26设置，挤压杆19与挤压筒模具26内壁之间留有挤压通道29；左、右挤压伸缩压头按预设程序驱动挤压杆19左右运动，通过圆环状凸起28完成对镁铝层状管材坏料27的往复挤压变形，在挤压过程中镁铝层状管材坏料27的体积保持不变，累积变形而达到剧烈塑性变形的目的，从而获得增强型镁铝层状复合管材。

图2所示，为挤压通道的剖面示意图，挤压通道29在挤压杆19与挤压筒模具26之间。

图3所示，为图2中A-A向的剖面示意图，挤压杆19的截面为圆柱状，挤压杆19的圆环状凸起28的侧视图与挤压筒模具26的截面为圆环状。

图4所示，为增强型镁铝层状复合管材的横截面示意图，图中可见，层状复合管材内壁与外壁分别为铝合金层30，中间层为镁合金层31。

图5所示，为镁铝层状复合管材中镁合金层与铝合金层的截面SEM扫描图，镁合金层与铝合金层界面结合致密，融为一体，结合牢固，组织致密，形成一整体增强管材,c区域为Mg₁₇Al₁₂，这表明镁合金层与铝合金层之间形成了冶金结合。

本方明通过管壁等径往复挤压制备增强型镁铝多层复合管材的原理是：

管壁等径往复挤压推进一次便可实现两次塑性变形，循环往复利用剧烈塑性变形有效地细化晶粒组织、提高强度，而且镁铝层间发生冶金反应使界面结合的更好。镁合金密度低减轻了复合管材的重量，铝合金包覆镁合金可防止镁合金被腐蚀，另外铝合金良好的塑性可同时提高复合管材的塑性，因此本发明方法有效结合了镁合金轻质与铝合金耐腐蚀、塑性高的优势，是十分理想的增强型镁铝多层复合管材的制备方法。

Claims (3)

1.一种增强型镁铝层状复合管材的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）精选材料、化学试剂

镁合金管：固态固体；

铝合金管：固态固体；

砂纸: 固态固体；

石墨: 固态粉末；

无水乙醇：液态液体；

丙酮：液态液体；

（2）预处理镁合金管

①用砂纸对镁合金管的内、外表面进行打磨，使表面清洁、光滑；

②按体积比5:4量取丙酮和无水乙醇，加入清洗槽内，搅拌混合，配置成丙酮＋无水乙醇混合液；

③将镁合金管浸泡于丙酮＋无水乙醇混合液中进行洗涤，时间为30min；

④浸泡洗涤后将镁合金管取出，置于干燥架上用吹风机吹干；

（3）预处理铝合金管

①用砂纸对铝合金管的内、外表面进行打磨，使表面清洁、光滑；

②按体积比5:4量取丙酮和无水乙醇，加入清洗槽内，搅拌混合，配置成丙酮＋无水乙醇混合液；

③将铝合金管浸泡于丙酮＋无水乙醇混合液中进行洗涤，时间为30min；

④浸泡洗涤后将铝合金管取出，置于干燥架上用吹风机吹干；

（4）预热镁合金管、铝合金管

将镁合金管嵌套于两个铝合金管中间组成镁铝层状管材坯料（27），然后置于预热炉中预热，预热温度为250℃-500℃，达到预热温度时保温0.5h-3h；

（5）管壁等径往复挤压镁铝层状管材

镁铝层状管材坯料（27）的管壁等径往复挤压是在卧式液压往复挤压机上进行的，是在管壁等径往复挤压筒形模具和左、右挤压伸缩压头的作用下完成的；所述管壁等径往复挤压筒形模具包括挤压筒模具（26）和挤压杆（19）；

备管壁等径往复挤压模具

挤压筒模具（26）用4Cr5MoSiV材料制备，呈圆筒形，内径为20-60mm，厚度为30-80mm，模具型腔表面粗糙度为Ra0.16-0.32μm；

挤压杆（19）用4Cr5MoSiV1材料制备，呈与挤压筒模具（26）相配的圆柱形，直径为16-52mm，挤压杆（19）中部设置有至少两个圆环状凸起（28），凸起高度为1-2mm，挤压杆（19）表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm；

②固定管壁等径往复挤压筒形模具

将挤压筒模具（26）置于卧式液压往复挤压机的模具固定架内，并置于加热套（25）内；

③开启加热套（25），加热管壁等径往复挤压筒形模具，加热温度预设为250℃~500℃，达到预设温度时保温0.5h；

④置放镁铝层状管材坯料

在预热后的镁铝层状管材坯料（27）内表面涂抹石墨以润滑，并将其置于挤压筒模具（26）内；

在具有圆环状凸起（28）的挤压杆（19）表面涂抹石墨以润滑，并将其伸入挤压筒模具（26）的模腔内，接触镁铝层状管材坯料（27）；

再次进行保温，保温温度250~500℃，保温时间为0.5h；

⑤开启左挤压伸缩压头（17），使挤压杆（19）右行，对预先置于挤压筒模具（26）模腔内的镁铝层状管材坯料（27）进行挤压，镁铝层状管材坯料（27）在挤压筒模具（27）模腔内体积保持不变，在挤压杆（19）的圆环状凸起（28）的作用下发生塑性变形，镁铝层通过塑性变形、冶金反应而实现结合，当挤压杆（19）左端完全进入挤压筒模具（26）时，停止推进，实现两次塑性变形，完成一道次挤压；

⑥开启右挤压伸缩压头（18），使挤压杆（19）左行，当挤压杆（19）右端完全进入挤压筒模具（26）时，停止推进，完成二道次挤压；

⑦重复上述步骤⑤和步骤⑥至少2次实现镁铝层状管材坯料（27）的连续管壁等径往复挤压加工，往复挤压加工累积变形而达到剧烈塑性变形的目的，有效地细化晶粒组织、提高强度，从而获得增强型镁铝层状复合管材；

⑧挤压完毕后，关闭加热套（25），关闭左、右挤压伸缩压头，取出增强型镁铝层状复合管材，使之在空气中冷却；

（6）打磨、洁净处理

切除增强型镁铝层状复合管材的废料，并用砂纸对其内外表面进行打磨，然后用丙酮与无水乙醇按体积比5:4配制的混合液进行清洗，使其洁净，最后置于干燥架上用吹风机吹干。

2.如权利要求1所述的一种增强型镁铝层状复合管材的加工方法，其特征在于，所述镁合金管的含镁量为96%及以上；铝合金管的含铝量为96%及以上；无水乙醇的纯度为99.7%；丙酮纯度为99.0%。

3.如权利要求1或2所述的一种增强型镁铝层状复合管材的加工方法，其特征在于，镁铝层状管材坯料（27）的管壁等径往复挤压是在卧式液压往复挤压机上进行的；

卧式液压往复挤压机包括工作台（2），工作台（2）下方为挤压机底座（1），在工作台（2）上设置有显示屏（3）、指示灯（4）、电源开头（5）、加热套开关（6）、左压力电机控制器（7）、右压力电机控制器（8）；在工作台（2）两侧分别设置有左压力电机（13）与右压力电机（14），左、右压力电机分别通过左、右压力电机连接导线和工作台（2）上的左、右压力电机控制器相连接；左、右压力电机下方分别为左压力电机底座（11）与右压力电机底座（12）；左、右压力电机上方分别通过左、右支柱支撑有左、右挤压伸缩压头，左、右支柱内分别设有左压力电机传动带（15）与右压力电机传动带（16）；左、右压力电机分别通过左、右压力电机传动带驱动左挤压伸缩压头（17）与右挤压伸缩压头（18），左、右挤压伸缩压头之间水平支撑有挤压杆（19），挤压杆（19）中间部位设置有至少两个圆环状凸起（28）；在工作台（2）上方设置有左固定支架（21）和右固定支架（22），左、右固定支架相对的侧面上分别固定有左固定压盘（23）与右固定压盘（24），左、右固定压盘通过固定螺栓（20）分别与左、右固定支架相连接；左、右固定压盘之间固定挤压筒模具（26），挤压筒模具（26）外围设置有加热套（25）；左、右固定压盘以及左、右固定支架与挤压筒模具（26）两端开口对应的位置均开有孔；所述挤压杆（19）贯穿左、右固定压盘、左、右固定支架以及挤压筒模具（26）设置，挤压杆（19）与挤压筒模具（26）内壁之间留有挤压通道（29）；左、右挤压伸缩压头按预设程序驱动挤压杆（19）左右运动，通过圆环状凸起（28）完成对镁铝层状管材坏料（27）的往复挤压变形，在挤压过程中镁铝层状管材坏料（27）的体积保持不变，累积变形而达到剧烈塑性变形的目的，从而获得增强型镁铝层状复合管材。