CN105274457B - 镁合金3d超塑化处理方法以及超塑性精密成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镁合金3D超塑化处理方法以及超塑性精密成型方法。在镁合金超塑性变形温度范围内，对经过锻前预处理后的非空心镁合金铸件，在镁合金超塑性变形温度范围内，以依次经过Z轴，X轴，Y轴三个方向下压坯件为一个循环，经过至少两个循环，得到设定尺寸的锻坯件，完成3D超塑化处理。利用3D超塑化锻造处理，通过各个方向的大塑性变形，充分实现了材料的均质化、晶粒细化和组织致密化，细化晶粒平均小于20μm，等轴细晶效果显著，可大幅度提升铸件的强度性能。通过基于3D超塑化处理的镁合金超塑性精密成型方法，制备出轻量化高强度的镁合金过渡车钩，相对于现有过渡车钩，减重75％左右，而强度在350MPa以上，能够满足该型过渡车钩的服役要求。

Description

镁合金3D超塑化处理方法以及超塑性精密成型方法

技术领域

本发明属于新材料短流程快速成型技术领域，涉及一种镁合金3D超塑化处理方法和装置，基于该处理方法的镁合金超塑性精密成型方法以及通过该成型方法加工的过渡车钩。

背景技术

过渡车钩是连接轨道列车的核心零部件，同时也是极为重要的安全结构，是地铁列车、有轨电车(低地板列车)和普通客运列车、高速动车组在编组、救援、调车等过程中常用的工具，在回送和救援时需要人工搬运到车端部车钩位置，进行人工安装，没有辅助借力机构，因此需要对过渡车钩进行轻量化设计。对地铁而言，其编组频率高，过渡车钩使用频繁；动车组列车在救援时时间要求紧，要求快速、精确安装。这些工作特性要求车钩能够搬运方便，安装快捷，工作安全可靠，因此在不降低车钩性能的前提下，车钩的轻量化是必须尽快解决的问题。UIC660-2002规定：过渡车钩应采用紧凑的轻型结构，以方便搬运，并在10min内完成装备，过渡车钩的每个构件最大质量必须小于50Kg。

以地铁列车的过渡车钩为例，当前使用的过渡车钩其重达74-84Kg，换装需要3-5个工人协力安装，很不方便，稍一不慎就造成人员受伤或设备损坏。当前国产动车组车钩的主流技术是采用钢结构，重量大、人工移动和对准十分困难，而且一些结构为焊接接头，可靠性也难以保证。

现有的车钩基本为铸钢(如C级钢ZG25MnCr)铸造而成，或钢板焊接而成，只有少量的其他相关部件(如车钩舌坯料【CN200920127360.2铁路车辆用车钩钩舌坯料】，钩尾框框体【CN201310160816.6钩尾框框体的加工工艺】)采用了一般模锻成型技术。现有的钢制铸造车钩，缩孔、缩松、夹杂、气孔等铸造缺陷将严重影响后续车钩的服役性能，如其强度和塑性离散性大，钩体材料均质化程度较低，且车钩成品率较低，材料利用率不高。焊接过渡车钩同样存在缺陷率高而且不易控制、尺寸精度较低，导致结构可靠性差，使用过程中的钩体接触表面易于磨损，防脱性能下降，正常作业性能被破坏，出现纵向间距迅速增大等不良状态。

对于过渡车钩的轻量化制备方法，目前主要有选用低合金高强度钢等材料制备，也有新近开发采用碳纤维复合材料、铝合金材料等轻量化材料制备。碳纤维材质的过渡车钩已由英国铁路公司生产商试制出来，但造价过于昂贵，数百倍于现有钢结构车钩，在欧洲也难以推广，同时由于构成碳纤维复合材料基体的树脂要发生老化，性能会不可避免地随时间发生衰减，造成可靠性能逐渐降低。高强度低合金钢过渡车钩主要为铸造或焊接生产，可靠性低，质量大，操作困难，属于淘汰技术和产品。

综上所述，当前使用的过渡车钩多为铸钢铸造而成，新开发的碳纤维制造的过渡车钩的制造成本过于昂贵而无法投入实用。现阶段使用的钢制过渡车钩存在以下技术缺陷：(1)重量大，人工移动和对准困难；(2)结构强度较低；(3)制造精度较低，难以成型复杂微细结构，需要后续大量机械加工实现精密成型；(4)铸造成型产品表面质量较差。

研发减重率达65％以上的轻量化高强度镁合金车钩，将具有极大的技术进步意义。同时该技术的成功开发将打破国际技术垄断，从轻量化设计、材料、成型技术、后处理技术等方面实现技术创新，形成中国创造的高速列车新产品。

此外，目前具有实际意义的轻量化高强度材料成型加工工艺尚不成熟，尚未出现高效率的成型方法，这也是本领域目前研究的重要问题。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术中存在的问题，提供一种镁合金3D超塑化处理方法，能够实现材料均质、晶粒细化和组织致密化，消除现有铸造成型带来的铸态粗大枝晶组织及消除偏析，缩孔，缩松等铸造缺陷。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述镁合金3D超塑化处理方法的装置。

本发明的再一目的在于提供一种基于上述镁合金3D超塑化处理方法的镁合金超塑性精密成型方法，通过该成型方法能够获得轻量化高强度的构件。

本发明的第四个目的在于提供一种通过上述金属坯件精密成型方法加工的过渡车钩，相对于现有的钢结构的过渡车钩，其质量减轻了75％，其强度却可以达到350MPa以上。

本发明采用以下技术方案来达到上述目的。

本发明提供了一种镁合金3D超塑化处理方法，对经过锻前预处理后的非空心镁合金铸件，在镁合金超塑性变形温度范围内，以依次经过Z轴，X轴，Y轴三个方向下压坯件为一个循环，经过至少两个循环，得到设定尺寸的锻坯件，完成3D超塑化处理；Z轴方向为镁合金原始铸锭的长轴方向，X轴、Y轴、Z轴满足笛卡尔坐标关系；坯件变形的应变速率控制在10^{- 2}s^-1～5×10^-5s^-1。

镁合金3D超塑化处理实现了材料均质化和组织致密化，消除现有铸造成型带来的铸态枝晶组织及偏析，缩孔、缩松等铸造缺陷。镁合金3D超塑化处理过程中需要严格控制超塑化变形条件，包括(1)镁合金坯件的应变速率应在10^-2s^-1～5×10^-5s^-1之间；(2)温度需要保持在超塑性变形温度范围内，当金属合金坯件温度低于超塑性变形温度的最低温度时，应立即升温。否则会造成：(1)温度过低，材料的塑性流动性变差，继续大的塑性锻压会造成坯件开裂、报废；(2)坯件温度较低时，变形抗力增加，锻压机器容易过载运行；(3)变形温度降低，压下效率极其缓慢，超出超塑化设计变形速率下限，整体加工周期延长，综合加工效率降低，最终导致难以成型。

在上述镁合金3D超塑化处理方法中，镁合金铸件对于形状没有特殊的限定，可以是圆柱状、方块状，也可以是长条状，但必须是非空心件。

在上述镁合金3D超塑化处理方法中，以依次经过Z轴，X轴，Y轴三个方向下压坯件为一个循环，经过至少两个循环，得到设定尺寸的锻坯件，完成3D超塑化处理；本发明中，一般经过2次以上的3D超塑化循环过程，保证材料实现超塑化均匀细化，在此过程中同时进行尺寸修正，使其达到设计尺寸。3D超塑化处理后，就可以彻底改变铸态枝晶组织，得到致密细小的等轴晶组织。从第二循环开始，每次循环的锻造温度要比前一循环的锻造温度低25～50℃，以控制晶粒的动态再结晶长大速度，避免二次再结晶晶粒粗化。

在上述镁合金3D超塑化处理方法中，3D超塑化处理过程中的锻坯件长轴方向与短轴方向的长度比值不宜太大，否则容易发生后续锻造弯曲失稳产生折叠，影响后续工序。本发明中，锻坯件最长方向与最短方向的长度比值不大于2.5，否则应加以修正后再进行超塑化处理。

在上述镁合金3D超塑化处理方法中，金属合金铸件在Z轴、X轴、Y轴三个方向的下压量需要严格控制。下压量过小，可能需要多重复几个循环方可达到超塑化效果，甚至达不到3D超塑化处理的目的；下压量过大，可能造成铸件出现裂纹甚至断裂。在本发明中，以镁合金为例，发明人经过大量研究，得出镁合金较适用的第一循环下压量范围为：沿Z轴方向的下压范围为坯件Z轴方向高度的40％～80％；沿X轴方向的下压范围为坯件X轴方向宽度的50％～90％；沿Y轴方向的下压范围为坯件Y轴方向宽度的55％～90％；第二循环以后(包含第二循环)的各个方向锻造下压量不超过50％。上述下压量范围会随着所选择的金属合金坯件材料不同而不同，本领域技术人员可以根据经验做出相应的调整。需要注意的是，3D超塑化处理过程中下压时，要结合锻坯件最长方向与最短方向的长度比值来考虑下压量范围；在下压量范围内，同时要注意锻坯件最长方向与最短方向的长度比值不大于2.5。

在上述镁合金3D超塑化处理方法中，处理完成后，需将锻坯件置于低于超塑性变形温度范围最低值的设定温度的恒温环境中中保温一段时间，以使锻坯件缓慢冷却，使锻坯件表面和芯部达到均匀一致的状态；随后再在空气中冷却至室温。

在上述镁合金3D超塑化处理方法中，为了使得3D超塑化处理效果更好，可以先将金属合金原始铸锭进行锻前固溶处理，锻前固溶处理的具体实现形式为：去除镁合金原始铸锭表面的毛刺和氧化皮，并将处理后的的坯件进行均匀化热处理实现铸件的元素均匀化，形成等轴状晶体。均匀化热处理可以分为若干温度段进行，相邻的温度段的差值为70～100℃，每个温度段的保温时间为1～7h。作为本领域的常规手段，对于均匀化热处理，申请人不再详细阐述。此外，为了尽量减少坯件材料与锻砧板表面的横向延展摩擦力，保证材料的自由延展，可以在金属合金原始铸锭进行均匀热处理前，在材料表面涂抹高温润滑剂。本领域技术人员可以选择多种高温润滑剂，达到润滑效果、耐高温不易掉落即可。

本发明进一步提供了一种镁合金3D超塑化处理装置，包括上砧板、下砧板；上砧板与提供压力的压力柱固定连接；下砧板与下压台固定连接；上砧板和下砧板均设置有恒温加热装置；上砧板和下砧板之间形成金属合金铸件的容纳空间，且容纳空间的外侧设置有保温套。

上述压力柱可以为液压柱、气缸等动力部件；上述压力柱伸出保温套，通过电缆与电机相连，由电机带动压力柱实现运动。上述恒温加热装置可以为插拔式加热棒、卷绕式电阻加热器或加热毯等，其目的是使上砧板和下砧板保持在设定的温度。本领域技术人员可以根据经验选择其它的恒温方式，上述恒温方式不构成对本发明的任何限定。

设置保温套的目的是保证上砧板和下砧板之间形成坯料的容纳空间内的温度稳定，为此，还可以在下砧板与下压台之间设置有隔热层。上述保温壳体可以为保温石棉套，隔热层可以选择石棉；上述保温壳体和隔热层也可以是其它形式的保温材料。本领域技术人员可以根据经验选择其它的保温方式。

本发明在基于镁合金3D超塑化处理方法的研究基础上，进一步提供了一种镁合金超塑性精密成型方法，通过该成型方法能够获得尺寸精密的高强度的构件。上述镁合金超塑性精密成型方法包括以下步骤：

步骤一：锻前预处理，去除镁合金原始铸锭表面的毛刺和氧化皮，并将处理后的坯件进行均匀化热处理实现铸件的元素均匀化，形成等轴晶体；金属合金原始铸锭的质量比成品件的质量大1％～15％；

步骤二：3D超塑化处理，以镁合金铸件为坯件，在镁合金超塑性变形温度范围内，以依次经过Z轴，X轴，Y轴三个方向下压坯件为一个循环，经过至少两个循环，得到设定尺寸的锻坯件，完成3D超塑化处理；Z轴方向为镁合金原始铸锭的长轴方向，X轴、Y轴、Z轴满足笛卡尔坐标关系；坯件变形的应变速率控制在10^-2s^-1～5×10^-5s^-1；

步骤三：超塑性等温精密模锻成型，将镁合金3D超塑化处理后得到的锻坯件在超塑性变形温度范围内放入欲精密成型的锻造模具；保持超塑性变形温度条件下压入成型，使锻坯件保持不大于10^-2s^-1的应变速率至锻模充型完成，得到成型件；

步骤四：锻后处理：脱模后的成型件去除毛刺，并对成型件进行常规热处理得到成品件。

上面已经对步骤一、步骤二的内容进行了详细解释，这里就不再赘述。在这里需要强调的是，采用该成型方法，可以做到精确下料，只要镁合金原始铸锭的质量比成品件的质量大1％～15％即可满足要求。可实现材料近净成型，大幅度提高成品件成型的尺寸精度，材料利用率可达90％以上。

在步骤三中，锻坯件在放入模具前，可以先在超塑性变形温度范围内，加热至表面和芯部温度均匀一致。步骤三的关键之一是锻造过程中，保持锻造模具的模腔温度和步骤二得到的锻坯件温度相同(或相近)，并保持温度基本不变；另外一个关键点是控制锻坯件的应变速率在所述范围内。通过上述过程，可以使锻坯件充分流动充型等技术特征，实现整体精密成型，有效提高了成品件的强度和韧性等服役性能。

在步骤四中，进行常规热处理的目的在于提高强度和韧性，可以采用例如T6的常规处理方法。在进行完热处理后，还可以进一步对成型件表面进行常规处理，例如脱脂、酸洗、表调、钝化、清洗、干燥、涂装等，最终得到成品件。

本发明进一步提供了一种实现锻件成型方法中步骤三的超塑性等温精密模锻成型装置，包括安装在第二下压台上的锻造模具和罩在锻造模具外围的保温桶；保温桶的内侧以及锻造模具底部与第二下压台之间设置有第二恒温加热装置；保温桶的上部设置有保温盖；用于提供压力的第二压力柱穿过保温盖进入保温桶；第二压力柱的下方为第二上砧板；锻造完成后用于将锻造模具顶出的下顶柱穿过第二下压台、第二恒温加热装置，与锻造模具底部正对。

上述第二压力柱可以为液压柱、气缸等动力部件；上述第二压力柱通过电缆与第二电机相连，由第二电机带动第二压力柱实现运动。下顶柱可以由千斤顶来实现，也可以通过电缆与第三电机相连，由第三电机带动下顶柱实现上下移动。上述第二恒温加热装置可以为插拔式加热棒、卷绕式电阻丝，也可以为电磁感应加热等加热控温方式，其目的是实现对锻造模具的加热控温。本领域技术人员可以根据经验选择其它的恒温方式，上述恒温方式不构成对本发明的任何限定。第二上砧板具有与最终成型部件上部形状相一致的型面。

设置保温桶和保温盖的目的是保证锻造模具的温度稳定，为此，还可以在锻造模具下方第二加热源与第二下压台之间设置有第二隔热层。上述保温盖和第二隔热层均可以选择石棉作为保温材料，也可以是其它形式的保温材料。本领域技术人员可以根据经验选择其它的保温方式。

当制造过渡车钩时，锻造模具可以采用申请号为CN201410547245.6公开的金属热塑性成型组合模具来实现。为了减小下压过程中的摩擦阻力，可以在封闭模腔内壁涂抹高温润滑剂，例如石墨、MoS₂或者石墨(50～80％wt)+黄油(0～20％wt)+硬脂酸(0～20％wt)+苛性钠(0～10％wt)混合物等。本领域技术人员可以选择其它高温润滑剂，只要起到润滑效果、不侵蚀模具和锻件，且耐高温即可。

本发明进一步提供了利用上述镁合金超塑性精密成型方法加工的过渡车钩。过渡车钩的承载能力达到350MPa以上。过渡车钩的材质可以为铝合金、镁合金等。特别是提供的镁合金轨道车辆过渡车钩(镁合金密度为钢的1/4)，其质量仅为18Kg左右，相较于现在的钢制过渡车钩，减重达75％，具有显著的减重效果，可轻松完成人工快速更换，对于提高动车编组技术水平等，将有着重大的技术进步意义。对于镁合金过渡车钩，采用高强度锻造镁合金，比强度远高于铝合金和高强度钢，仅次于碳纤维复合材料和高强度钛合金，而其比价格(单位体积价格)远低于高强度钢和钛合金，和铝合金持平，具有很好的应用前景。

本发明提供的镁合金3D超塑化处理方法，具有以下至少一项有益效果：

(1)利用3D超塑化自由锻，通过各个方向的大塑性变形，充分实现了材料的均质化、晶粒细化和组织致密化，细化晶粒平均小于20μm，等轴细晶效果显著，可大幅度改善坯件的强度性能；

(2)消除铸态枝晶组织、偏析缺陷，以及缩孔、缩松等铸造缺陷，显著改善了坯件的组织状态，性能稳定；

(3)各个循环之间采用阶梯降温设置来控制晶粒长大，保证细晶组织。

本发明提供的镁合金3D超塑化处理装置，具有以下至少一项有益效果：

(1)保证坯件能够在有效温度范围内以较低的应变速率实现大超塑化变形，充分实现了材料的均质化、晶粒细化和组织致密化，细化晶粒平均小于20μm；

(2)减少材料在横向延展的摩擦力，保证材料的自由延展；

(3)结构简单，易于控制，具有很好的适用性，适于在本领域普遍推广。

本发明提供的镁合金超塑性精密成型方法，具有以下至少一项有益效果：

(1)利用3D超塑化自由锻充分实现了材料的均质化，消除铸态枝晶组织，等轴细晶效果显著(平均晶粒尺寸小于20μm)，可大幅度改善成品件的强度性能，同时有利于后续模锻成型；

(2)采用超塑性等温精密模锻成型技术，在经过3D超塑化自由锻后，基于超塑性变形原理，在封闭模腔里实现精密成型，结合了多向压应力、背压约束、内挤压强迫流动充型等技术特征，实现整体成型，有效提高了成品件的强度和韧性等服役性能；

(3)通过该成型方法获得的成品件尺寸精确，表面质量优良，尺寸精度易于控制，有效改善了成品件的表面抗磨损性能，延长了成品件的服役周期；

(4)通过该成型方法获得的成品件，整体结构强度高，可改善表面质量，优化配合间隙，改善成品件的受力状态，提升成品件的结构强度；

(5)通过该成型方法获得的成品件，化学成分均匀，抗腐蚀性能良好，易于防护，产品可靠性高，寿命长；

(6)通过该成型方法，可实现材料近净成型，大幅度提高成品件成型的尺寸精度，材料利用率可达90％以上；

(7)该成型方法不仅适用于镁合金，也可以适用于铝合金、钛合金等高强度轻量化的材料，也适用于短切碳纤维增强或碳化硅等增强颗粒增强的镁复、铝基复合材料，能够在保证高强度的同时，大大减轻成品件重量，为制备轻量化高强度的成品件提供了技术方向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1为本发明给出的镁合金3D超塑化处理装置的一个实施例的结构示意图；

图2(A)为本发明给出的超塑性等温精密模锻装置，(B)为图(A)中沿A-A线的截面图；

图3为本发明给出的镁合金过渡车钩成型方法的锻前预处理的一个实施例的流程示意图；

图4为本发明给出的镁合金过渡车钩成型方法的3D超塑化处理的一个实施例的流程示意图；

图5为本发明给出的未经3D超塑化处理的锻造后的一个实施例的车钩组织形貌图；其中，(a)100x，(b)200x，(c)500x，(d)1000x；

图6为本发明给出的一个原始铸态显微镜组织，100x；

图7为本发明给出的经3D超塑化处理方法处理的一个实施例的锻坯件显微组织形貌图；其中，(a)、(b)是在390～400℃第一循环第三道次后给出的，(c)、(d)是在350～360℃第二循环第三道次后给出的。

其中，1-镁合金3D超塑化处理装置，11-压力柱，12-保温套，13、16-恒温加热装置，14-上砧板，15-下砧板，17-隔热层，18-下压台；

2-超塑性等温精密模锻装置，21-第二压力柱，22-保温盖，23-第二上砧板，24、27-第二恒温加热装置，25-锻造模具，26-保温桶，28-下顶杆，29-第二隔热层，210-第二下压台。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

术语解释：

过渡车钩：当轨道列车车辆在编组、救援或临时调动时，需要使用过渡车钩连接牵引车，实现牵引力和推力传递。

3D超塑化处理：沿三维空间各个方向，在较高温度下对铸造状态的金属合金坯料实现大变形量的交替累积塑性变形，使原始铸锭的树枝晶状组织发生足够大的塑性变形使之发生再结晶，得到细晶组织，实现材质均匀化，为后续的超塑化成型提供组织基础。

超塑性：材料在较高的温度和较低的应变速率下可得到超大的均匀塑性形变或/和形状改变而不发生内部和表面损伤破坏。金属的超塑性变形温度大约相当于金属熔点温度的一半。本专利举证的镁合金超塑性变形温度范围在300～450℃之间；此外，铝合金的超塑性变形温度也在上述范围之内。

超塑性等温精密模锻：在模腔温度和坯料温度相同(或相近)并保持温度基本不变，采用较低的变形速率使上述材料在模具中实现精密成型的方法。

实施例1

为了便于理解，本实施例先给出镁合金3D超塑化处理装置的一种实现方式。

如图1所示，该镁合金3D超塑化处理装置1包括上砧板14、下砧板15；上砧板14与实现上下移动的压力柱11固定连接；下砧板15与下压台18固定连接；上砧板14和下砧板15均设置有恒温加热装置(13、16)；上砧板14和下砧板15之间形成金属合金铸件的容纳空间，且容纳空间的外侧设置有保温套12；与上砧板14连接的压力柱11伸出保温壳体。

本实施例压力柱11选用的是液压柱，也可以选用气缸等其它动力部件；上述压力柱11通过电缆与电机相连，由电机带动压力柱实现运动。

本实施例恒温加热装置(13、16)选用的是插拔式加热棒，其目的是实现对上砧板14和下砧板15的加热。本领域技术人员可以根据经验选择卷绕式电阻丝等其它的加热方式。

本实施例在下砧板14与下压台18之间设置有隔热层17。

本实施例保温壳体12为保温石棉套，隔热层17的材料为石棉；上述保温壳体12和隔热层17也可以是其它形式的保温材料。本领域技术人员可以根据经验选择其它的保温方式。

本实施例在上砧板14和下砧板15与金属合金铸件接触的一面涂抹适量石墨黄油混合物，其中石墨与黄油的混合比例为体积比1：1。本领域技术人员可以选择其它高温润滑剂，只要起到润滑效果、耐高温且不易掉落即可。

该镁合金3D超塑化处理装置1的使用方法为：使用时，先将上砧板14和下砧板15通过插板式加热棒加热至设定温度，再将已经进行热透(使金属合金铸件的芯部和表面温度一致)的金属合金铸件放置到砧板15上，按照设定的压力和循环次数，对铸件进行处理，待得到的锻坯件达到设定要求后，取出锻坯件，再进行后续处理。

实施例2

为了便于理解，本实施例先给出超塑性等温精密模锻装置的一种实现方式。

如图2(A)所示，该超塑性等温精密模锻成型装置2，包括安装在第二下压台210上的锻造模具25和罩在锻造模具25外围的保温桶26；保温桶26的内侧以及锻造模具25底部与第二下压台210之间设置有第二恒温加热装置(24、27)；保温桶26的上部设置有保温盖22；用于提供压力的第二压力柱21穿过保温盖22进入保温桶26；第二压力柱21的下方为第二上砧板23；锻造完成后用于将锻造模具顶出的下顶柱28穿过第二下压台210、第二恒温加热装置27，与锻造模具25底部正对。

本实施例第二压力柱21选用的是液压柱，也可以选用气缸等其它动力部件；上述第二压力柱21通过电缆与第二电机相连，由第二电机带动第二压力柱21实现运动。

本实施例下顶柱28通过电缆与第三电机相连，由第三电机带动下顶柱28实现上下移动；下顶柱28也可以由千斤顶来实现。

本实施例第二恒温加热装置(24、27)为插拔式电阻加热棒，也可以选择卷绕式电阻丝或者电磁感应加热等加热控温方式，其目的是实现对锻造模具25的加热控温。本领域技术人员可以根据经验选择其它的加热方式，上述加热方式不构成对本发明的任何限定。

本实施例在锻造模具25下方第二恒温加热装置27与第二下压台210之间设置有第二隔热层29。上述保温盖22和第二隔热层29均选择石棉作为保温材料，也可以是其它形式的保温材料。本领域技术人员可以根据经验选择其它的保温方式。

本实施例第二上砧板23具有与最终成型部件上部形状相一致的型面。第二上砧板23与锻坯件接触的一面涂抹适量的石墨黄油混合物作为高温润滑剂，其中石墨与黄油的混合比例为体积比1：1。本领域技术人员可以选择其它高温润滑剂，只要起到润滑效果、耐高温且不易掉落即可。

本实施例给出的是制造过渡车钩的超塑性等温精密模锻成型装置2，锻造模具25采用申请号为CN201410547245.6公开的金属热塑性成型组合模具来实现。并在封闭模腔内壁涂抹石墨。本领域技术人员可以选择其它高温润滑剂，例如MoS₂或者石墨黄油混合物等，只要起到润滑效果且耐高温即可。图2(B)给出了一种锻造模具中的截面图，从图中可以看出，这是一种过渡车钩模具的示意图。

该超塑性等温精密模锻成型装置2的使用方法为：在模腔内壁涂抹石墨，先将锻造模具25热透后在第二下压台210上组装完毕，再将保温桶26罩在组装后的锻造模具26的外围，由第二恒温加热装置(24、27)加热保持模锻温度在设定温度，将3D超塑化处理的锻坯件放入锻造模具25后，盖上保温盖2，开始按照设定的压力启动第二压力柱21，控制锻坯件的应变速率在设定范围内，待锻坯件在锻造模具25内完成充型后，由下顶杆28将锻造模具25顶出，取出成型件，再进行后处理。锻造模具25清理后，在模腔内壁涂抹石墨，再次热组装，可进行下一轮超塑性等温锻造。

示例数据例

与普通锻造镁合金相比，若无充分3D超塑化处理而直接成型车钩，则无法实现车钩内部材质均匀一致，达到高强度、高韧性的服役要求，例如使用按照实施例3、4给出的实验条件而未经充分3D超塑化处理的铸件进行超塑性等温模锻成型该过渡车钩后，其强度只有250MPa左右，延伸率约14％，且遗传了铸态组织的不均匀性，强度指标在不同部位波动较大，无法达到过渡车钩的服役要求，如下表1所示。

表1未经超塑化预处理超塑性等温模锻成型的车钩力学性能检测

图5为对比例给出的未经3D超塑化处理的锻造后的组织形貌图。从图中可以明显看出，未经3D超塑化处理而进行超塑性等温模锻后组织依然粗大，未能形成细晶组织，且有大量β-Mg₁₇Al₁₂片层相析出，最终成型后强度很低。

实施例3

下面结合实施例3.1～3.3对镁合金3D超塑化处理方法进行进一步解释，并对实施例得到的锻坯件进行实验分析。需要说明的话，本实施例是对镁合金3D超塑化处理方法的进一步解释，并不构成本发明的限定。

实施例3.1：实施例3.1以AZ80镁合金为例，采用实施例1给出的镁合金3D超塑化处理装置进行处理。镁合金原始铸锭在进行3D超塑化处理之前，先对其进行锻前预处理。

锻前预处理：主要采用本领域常规锻前处理手段，包括以下步骤：

(a)检查镁合金原始铸锭表面缺陷，去除毛刺和氧化皮；

(b)在去除毛刺和氧化皮的镁合金原始铸锭表面涂抹石墨黄油混合物，并用铝箔包裹；

(c)将包裹好的镁合金原始铸锭放入热处理炉内按照图3给出的流程，采用阶段升温加热的方式三个阶段加热：

第一阶段：保温温度为246～254℃，保温时长为4.5～5h；

第二阶段：保温温度为346～354℃，保温时长为6.5～7h；

第三阶段：保温温度为416～420℃，保温时长为5.5～6h。

三个阶段完成后，坯料随炉冷却至200℃左右，然后空冷至室温，得到均匀的镁合金铸件。

镁合金3D超塑化处理：

锻造前先将铸件在热处理炉内420～430℃保温4h热透，再将上砧板14和下砧板15通过插拔式加热棒加热至420～450℃；然后启动压力柱11，严格控制变形温度，保持锻造温度在350～400℃范围内，严格控制坯件的应变速率在10^-2s^-1～5×10^-5s^-1。在自由锻造过程中，如果坯件表面温度低于250℃，则立即回炉420℃保温至少0.5h，一般0.5～1h即可。

按照图4给出的流程，以圆柱形铸件为加工坯件，将坯件沿着X轴、Y轴、Z轴三个方向进行大变形量变形，经过六道次两个循环实现超塑化，以打破原始铸态枝晶组织，得到等轴细晶组织。在锻造过程，坯件最长方向与最短方向的长度比不宜大于2.5，否则容易发生后续锻造弯曲失稳产生折叠，影响后续工序，应立即机动修正。按照降温铸造操作，第二循环锻造温度要比第一锻造温度低25～50℃，以控制晶粒的动态再结晶长大速率，避免二次再结晶晶粒粗化。

上述六道次两个循环的具体工艺为：

I)首先在保持温度390℃～400℃条件下，沿Z轴方向压下40％，真应变量为0.51，记为工序Z1；

II)然后翻转墩粗铸锭，压X方向50％，真应变量为0.7，记为工序R1/X1；

III)然后沿着Y方向压下55％，真应变量为0.8，记为工序R1/Y1；至此第一锻造循环完成；

IV)依次类推，第二循环锻造温度要比第一循环低25～50℃，首先在Z方向压下36％，真应变量为0.45，记为Z2；

V)在X方向压下36％，真应变量为0.45，记为R2/X1；

VI)然后沿着Y方向压下36％，真应变量应为0.45，记为工序R2/Y1，第二锻造循环完成；

VII)最后分别修正X，Y，Z三个方向，直至最终成型尺寸接近下一步超塑性等温精密模锻的料框尺寸。

至此完成了原始铸锭的3D超塑化处理。将3D超塑化处理完成的锻坯件置于200℃时效炉中保温约8h，随后空冷至室温封存备用。

图6为本发明给出的一个原始铸锭显微组织；图7为本发明给出的本实施例得到的锻坯件显微组织形貌图；其中，(a)、(b)是在390～400℃第一循环第三道次后给出的，(c)、(d)是在350～360℃第二循环第三道次后给出的。从图中可以明显的看出，在经过3D超塑化处理后，组织得到明显细化。最终晶粒尺寸在20～40μm，可在后续超塑性等温精密实现晶粒的进一步细化，实现20μm以下细晶组织。

实施例3.2：实施例3.2与实施例3.1的不同之处在于后期的六道次两个循环的具体工艺，实施例3.2的六道次两个循环的具体工艺为：

I)首先在保持温度390℃～400℃条件下，沿Z轴方向压下45.9％，真应变量为0.61，记为工序Z1；

II)然后翻转墩粗铸锭，压X方向50.5％，真应变量为0.70，记为工序R1/X1；

III)然后沿着Y方向压下64.2％，真应变量为1.03，记为工序R1/Y1；至此第一锻造循环完成；

IV)依次类推，第二循环锻造温度要比第一循环低25～50℃，首先在Z方向压下40.2％，真应变量为0.51，记为Z2；

V)在X方向压下41.8％，真应变量为0.54，记为R2/X1；

VI)然后沿着Y方向压下35.4％，真应变量应为0.44，记为工序R2/Y1，第二锻造循环完成；

VII)最后分别修正X，Y，Z三个方向，直至最终成型尺寸接近下一步超塑性等温精密模锻的料框尺寸。

至此完成了原始铸锭的3D超塑化处理。将3D超塑化处理完成的锻坯件置于200℃时效炉中保温约8h，随后空冷至室温封存备用。

实施例3.3：实施例3.3与实施例3.1的不同之处在于后期的六道次两个循环的具体工艺，实施例3.3的六道次两个循环的具体工艺为：

I)首先在保持温度390℃～400℃条件下，沿Z轴方向压下42.3％，真应变量为0.55，记为工序Z1；

II)然后翻转墩粗铸锭，压X方向50.0％，真应变量为0.69，记为工序R1/X1；

III)然后沿着Y方向压下69.4％，真应变量为1.18，记为工序R1/Y1；至此第一锻造循环完成。

IV)依次类推，第二循环锻造温度要比第一循环低25～50℃，首先在Z方向压下36.0％，真应变量为0.45，记为Z2；

V)在X方向压下43.5％，真应变量为0.57，记为R2/X1；

VI)然后沿着Y方向压下31.8％，真应变量应为0.38，记为工序R2/Y1，第二锻造循环完成；

VII)最后分别修正X，Y，Z三个方向，直至最终成型尺寸接近下一步超塑性等温精密模锻的料框尺寸。

至此完成了原始铸锭的3D超塑化处理。将3D超塑化处理完成的锻坯件置于200℃时效炉中保温约8h，随后空冷至室温封存备用。

上述实施例3.1～3.3是给出的具体实例，在实际应用中，本领域技术人员可以根据选用的金属合金材料以及型号不同，依据表2中的参数范围进行选择。

表2镁、铝合金进行3D超塑性处理主要参数表：

实施例4

本实施例以制造镁铝合金过渡车钩为例，根据本发明提供的镁合金超塑性精密成型方法，对实施例3.1得到的锻坯件进行进一步的超塑性等温精密模锻成型和锻后处理，得到镁铝合金过渡车钩成品件，包括以下步骤：

超塑性等温精密模锻成型：

采用实施例2给出的超塑性等温精密模锻成型装置，首先在模具封闭模腔内壁涂抹石墨，将过渡车钩的锻造模具25在400～420℃保温5h左右热透后，在下压台210上热组装完毕，将保温桶26罩在锻造模具25外围，由电阻恒温加热装置(24、27)加热并保持模锻温度在350℃及350℃以上。严格控制第二压力柱21和第二上砧板23的下压速率，保证铸件的应变速率在10^-2s^-1以下。待镁合金铸件在超塑性等温条件下模锻充型完成后，由下顶杆28将过渡车钩的锻造模具的内部组合模具顶出，取出锻造车钩，进行车钩锻后常规处理。

需要指出的是，首先将过渡车钩的锻造模具25在400～420℃保温5h左右热透的目的是使铸件的芯部和表面温度一致，达到温度均匀化，实际上，400～420℃保温4～8h达到的效果差别较小。

另外，保持模锻温度在350℃及350℃以上，强调是模锻的温度不能低于350℃，至于上限最好不要超过超塑性变形温度上限420℃。

锻后处理：

(a)检查车钩锻造成型度，排查车钩锻造缺陷(如折叠，撕裂，裂纹等)，采用刮刷或者高压空气或者砂轮打磨的方法清除锻件表面残留氧化皮等毛刺缺陷；

(b)进行车钩整体热处理；首先将锻件置于沙堆中缓慢冷却，然后对其进行固溶+时效(T6)热处理；例如对于AZ80高强锻造镁合金车钩，可采用(400℃固溶4h，170℃时效10h)；

(c)对热处理完后的车钩进行脱脂→混合草(铬)酸酸洗→表调→钝化处理→清洗、烘干等常规操作后在车钩表面形成一层保护膜，然后进行涂装；

(d)编号封存。

本实施例得到的镁合金过渡车钩，重量只有18Kg左右，强度可达350MPa以上，能够满足该型过渡车钩的服役要求。

从实施例3、4以及与对比例的比对中可以看出，上述镁合金过渡车钩成型方法具有以下优点：

(1)镁合金密度约为钢的1/4，用于制造过渡车钩可大幅减轻重量，例如本发明的镁合金过渡车钩的重量只有18kg左右，与现有重量为74-84Kg钢结构的过渡车钩相比，减重75％左右；

(2)采用高强度锻造镁合金，运用3D超塑化和超塑性等温精密模锻成型技术，经过热处理和精加工、表面处理后成为过渡车钩，其强度与直接使用超塑等温精密模锻成型(对比例)相比，成型的强度可提高约30％，达到350MPa以上，能够满足该型过渡车钩的服役要求；

(3)该镁合金过渡车钩在模锻成型前，利用3D超塑化自由锻充分实现了材料的均质化，消除铸态枝晶组织，等轴细晶效果显著(平均晶粒尺寸小于20μm)，可大幅度改善铸件的强度性能，同时有利于后续模锻成型；

(4)该镁合金过渡车钩采用超塑性等温精密模锻成型技术，在经过3D超塑化自由锻后，基于超塑化变形原理，在封闭模腔里实现精密成型，结合了多向压应力、背压约束、内挤压强迫流动充型等技术特征，实现整体成型，有效提高了铸件的强度和韧性等服役性能；

(5)在3D超塑化处理过程中，通过各个方向两循环六道次大塑性变形，实现材料均质和晶粒细化和组织致密化，消除现有铸造成型带来的铸态枝晶组织及偏析，缩孔，缩松等铸造缺陷，显著改善了钩体材料组织状态，性能稳定；

(6)在3D超塑化处理过程中，各个大塑性变形循环之间采用阶梯降温设置来控制晶粒长大，保证细晶组织；

(7)通过该成型方法，可实现材料近净成型，大幅度提高过渡车钩成型的尺寸精度，材料利用率可达90％以上；

与现有的轻量化高强度材料碳纤维增强复合材料以及铝合金高强度钢精密铸造制备的过渡车钩，相比之下，上述镁合金过渡车钩仍有以下优势：

(1)性价比高：新开发的轻量化产品有碳纤维增强复合材料制备的过渡车钩，密度与镁合金接近(1.75～1.8g/cm3)，也可实现较好的轻量化效果，但其性能各向异性明显，制备成本高昂，约为本发明过渡车钩的的100倍以上，相当于需要钢制车钩的200倍以上，故尚未得到业界普遍采用。在不影响作业性能的前提下，要实现同样轻量化效果，上述镁合金高强度轻量化过渡车钩具有明显的价格成本优势，易于推广使用，且易于回收再利用。

(2)镁合金比强度高于铝合金和高强度钢，仅次于碳纤维复合材料和高强度钛合金，而其比价格(单位体积价格)远低于高强度钢和钛合金，和铝合金持平，因此具有比强度优势，与碳纤维和钛合金相比具有显著的价格优势。

(3)3D超塑化处理+超塑性等温精密模锻成型工艺，属于短流程近净成型方法，其生产的镁合金过渡车钩强度高，表面质量良好，尺寸精度高，内部组织细小，化学成分均匀，具有较高的结构强度和良好的抗腐蚀性。

虽然实施例以镁合金过渡车钩的成型工艺进行说明，本领域技术人员在本发明的思想下，很容易将其应用于其它车钩(如自动车钩、自动密接车钩等)或者其它铸件，特别是针对轻量化高强度超塑合金的。因此，本发明的保护范围应当延伸至利用3D超塑化处理方法和/或基于此的金属铸件精密成型方法制备轻量化高强度制品的范围。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种镁合金3D超塑化处理方法，其特征在于，对经过锻前预处理后的非空心镁合金铸件，在镁合金超塑性变形温度范围内，以依次经过Z轴，X轴，Y轴三个方向下压坯件为一个循环，经过至少两个循环，得到设定尺寸的锻坯件，完成3D超塑化处理；第一循环内沿Z轴方向的下压范围为坯件Z轴方向高度的40％～80％；沿X轴方向的下压范围为坯件X轴方向宽度的50％～90％；沿Y轴方向的下压范围为坯件Y轴方向宽度的55％～90％；第二循环以后的各个方向锻造下压量不超过50％；

Z轴方向为镁合金原始铸锭的长轴方向，X轴、Y轴、Z轴满足笛卡尔坐标关系；坯件变形的应变速率控制在10^-2s^-1～5×10^-5s^-1。

2.根据权利要求1所述的镁合金3D超塑化处理方法，其特征在于，锻前预处理的具体实现形式为：去除镁合金原始铸锭表面的毛刺和氧化皮，并将处理后的坯件进行均匀化热处理实现铸件的元素均匀化，形成等轴晶体。

3.根据权利要求1所述的镁合金3D超塑化处理方法，其特征在于，从第二个循环开始，每次循环的锻造温度比前一循环的锻造温度低25～50℃。

4.根据权利要求1所述的镁合金3D超塑化处理方法，其特征在于，3D超塑化处理过程中得到的锻坯件最长方向与最短方向的长度比值不大于2.5。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的镁合金3D超塑化处理方法，其特征在于，所采用的装置包括上砧板、下砧板；所述上砧板与提供压力的压力柱固定连接；所述下砧板与下压台固定连接；所述上砧板和下砧板均设置有恒温加热装置；所述上砧板和下砧板之间形成金属合金铸件的容纳空间，且容纳空间的外侧设置有保温套；所述下砧板与下压台之间设置有隔热层。

6.一种镁合金超塑性精密成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：锻前预处理，去除镁合金原始铸锭表面的毛刺和氧化皮，并将处理后的坯件进行均匀化热处理至形成坯件的元素均匀化，形成等轴晶体即得到镁合金铸件；金属合金原始铸锭的质量比成品件的质量大1％～15％；

步骤二：3D超塑化处理，以镁合金铸件为坯件，在镁合金超塑性变形温度范围内，以依次经过Z轴，X轴，Y轴三个方向下压坯件为一个循环，经过至少两个循环，得到设定尺寸的锻坯件，完成3D超塑化处理；第一循环内沿Z轴方向的下压范围为坯件Z轴方向高度的40％～80％；沿X轴方向的下压范围为坯件X轴方向宽度的50％～90％；沿Y轴方向的下压范围为坯件Y轴方向宽度的55％～90％；第二循环以后的各个方向锻造下压量不超过50％；Z轴方向为镁合金合金原始铸锭的长轴方向，X轴、Y轴、Z轴满足笛卡尔坐标关系；坯件变形的应变速率控制在10^-2s^-1～5×10^-5s^-1；

步骤三：超塑性等温精密模锻成型，将镁合金3D超塑化处理后得到的坯件在超塑性变形温度范围内放入精密成型锻造模具；在超塑性变形温度条件下施压，使锻坯件保持不大于10^-2s^-1的应变速率至锻模充型完成得到成型件；施压所使用的砧板具有与最终成型部件上部形状相一致的型面；

步骤四：锻后处理：脱模后的成型件去除毛刺，并对成型件进行常规热处理得到成品件。

7.根据权利要求6所述的镁合金超塑性精密成型方法，其特征在于，锻前预处理中均匀化热处理分为若干温度段进行，相邻温度段的差值为70～100℃，每个温度段的保温时间为1～7h。

8.一种根据权利要求6或7所述的镁合金超塑性精密成型方法制备的轨道列车过渡车钩，过渡车钩的强度达到350MPa以上。