CN105344973A - 一种镁合金半固态坯料制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种镁合金半固态坯料制备装置及方法，其装置为累积复合挤压专用模具，主要由凹模型腔、挤压凸模、压缩凸模、镦粗凸模和顶出杆组成；本发明方法主要如下：将铸态镁合金棒料放入专用模具中进行多道次的累积复合挤压变形，使之获得足够的累积诱导应变；随后，对预变形坯料进行等温退火处理，通过控制退火温度和时间，制备理想的镁合金半固态坯料。本发明可保持累积大应变预变形坯料的原有形状，获得的镁合金半固态组织的固相晶粒均匀细小、球形度好，且方法简单，生产效率高，节约成本。

Description

一种镁合金半固态坯料制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种金属加工装置及方法，特别是金属半固态成形装置及方法。

背景技术

镁合金密度小，约为1.8g/cm³，约为铝的64％、锌的25％和钢的20％，是目前可工业化应用的最轻质金属结构材料。与其它金属结构材料相比，镁合金具有比强度高、比刚度大、阻尼性能好、电磁屏蔽性能好、抗碰撞能力强、对环保友好、易于回收利用等优点，在航空航天、汽车、微电子技术、通讯等工业领域具有极其重要的应用价值与应用前景。镁合金具有密排六方(HCP)晶体结构，对称性低，滑移系少，其塑性变形能力与锻造加工性能差，在很大程度上限制了镁合金材料的应用。

目前，镁合金的成形方法主要包括锻造和铸造。但传统锻造工艺，通常难以成形镁合金复杂形状零件，普通镁合金锻件常常是“肥头大耳”，机械加工余量大，材料利用率低，工艺成本高。因此，目前镁合金制件主要仍以铸造方法生产，如：差压铸造、压力铸造、挤压铸造等。然而，铸造成形方法不仅具有工艺局限性，而且铸造镁合金组织粗大及偏析、气孔、缩松等铸造缺陷会严重影响铸件的力学性能，使目前镁合金材料的应用还受到很大限制。半固态成形技术的出现，为镁合金的加工成形开辟了一条新的途径，并有望成为生产高性价比镁合金零件的实用化技术。其中，半固态坯料的制备是半固态成形技术的关键所在。目前，已开发的半固态坯料制备方法主要有机械搅拌法、电磁搅拌法、粉末冶金法、超声振动法、单辊旋转法等。此外，现有研究表明应变诱导熔化激活法(StrainInducedMeltActivation，简称SIMA法)能够有效的解决半固态坯料的制备问题。但是，传统的SIMA法所采用的变形处理方法均属于传统变形工艺范畴，如镦粗、挤压、轧制等，它存在坯料变形后形状尺寸改变很大，尤其在施加累积大应变的情况下，会使坯料尺寸变得失去实际应用价值，而且存在工艺成本高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺成本低、生产效率高、坯料形状尺寸在累积大变形后不改变、成形后零件性能优良的镁合金半固态坯料制备装置及方法。

一、本发明的装置主要包括压块、上模板、上垫板、上压套、挤压凸模、立柱、凸模压板、凹模压板、压缩凸模、凹模、凹模预紧套、顶出杆、镦粗凸模、垫块、定位销和下垫板。其中，下垫板为圆环形板，其中心圆槽孔直径大于镦粗凸模的下端圆柱杆直径，其环面上设置2个对称分布的通孔，每个通孔内有一个竖直的定位销穿过，二者呈间隙配合。在下垫板的上端设有垫块，该垫块为内设中心通孔的圆柱体，其中心通孔直径大于顶出杆外径，垫块端面上对称设置与下垫板上2个通孔对应的2个圆槽孔，上述穿过下垫板的定位销上端以过盈配合形式固定在垫块上。在垫块的上端面设有凹模预紧套，该凹模预紧套为内设倒截锥形通孔的圆环体，其为设在其内的凹模预紧。凹模为沿轴线分开的两个半锥台体，其外环面与凹模预紧套倒截锥形通孔对应，两个半锥台体相对的面上各设一轴向凹槽，两凹槽相对组成上下两个直径不等的空间，下面空间直径小，其与顶出杆外径对应，上面空间直径大，其与顶出杆头直径对应。所述顶出杆中心设置直径不等的阶梯孔，内设镦粗凸模且大直径孔空间与镦粗凸模直径相对应，小直径空间与镦粗凸模的下端圆柱杆直径相对应，凹模、顶出杆与镦粗凸模三者组成复合挤压凹模型腔。在复合挤压凹模型腔的上部分别设置压缩凸模和挤压凸模，其中压缩凸模呈圆管形，其外径等于顶出杆头外径，其内径与挤压凸模下柱体直径对应，二者呈间隙配合，且置于坯料上的压缩凸模上端面高于或等于凹模压板的上端面。该凹模压板为环形板，其中心通孔直径大于压缩凸模外径，其板面设在凹模及凹模预紧套的上端面上，并通过紧固件连接。在凹模压板上面设有圆环形凸模压板，其中心通孔直径大于压缩凸模内径。挤压凸模下部的圆柱体设在复合挤压凹模型腔内，与圆柱体相连的圆柱杆上端设有大直径在上小直径在下的塔形圆盘，该塔形圆盘置于上压套与其对应的中心阶梯形通孔内，通过台肩结构使两者定位。所述上压套为环形板，其环面上还设有3-4个均布的通孔，每个通孔内有一根竖直的立柱穿过，该立柱下端固定在凸模压板上，在上压套上面设有上垫板，其为圆形平板，板面上设有与立柱对应并套接于其上的通孔。为了提高承压能力，在上垫板上面设有与其结构相同的上模板，上压套、上垫板和上模板通过紧固件连接。在上模板上面设有压块，该压块为塔形圆盘，其小直径部分小于各立柱所夹间隙，以便向挤压凸模施加压力；其大直径部分将所有立柱上端顶覆盖，以便向压缩模具施加压力。

二、本发明所述方法通过以下步骤实现：

1、将铸态镁合金坯料机械加工成圆柱形坯料。最好铸态镁合金坯料为AZ91D、AZ61、ZK60RE或AM60等镁合金材料。

2、对圆柱形坯料进行润滑处理，然后放入镁合金半固态坯料制备装置复合挤压凹模型腔内，将圆柱形坯料加热至累积复合挤压温度，该累积复合挤压温度为260～380℃。

3、先将下垫板带圆槽孔一侧向上、压块小直径一侧向下，然后对压块施压，使挤压凸模下行挤压圆柱形坯料变形成杯–杆型坯料，直至第一次复合挤压结束；分别将下垫板和压块翻转，使下垫板带圆槽孔一侧向向下，压块大直径一侧向下，然后对压块施压，通过立柱及凸模压板使压缩凸模下行，通过下垫板使镦粗凸模上行，分别压缩坯料的杯型部分和杆型部分变形直至回复为初始的圆柱形坯料形状，此过程定义为一道次复合挤压变形，如此进行镁合金坯料的多道次累积复合挤压变形，该累积复合挤压过程中单道次的累积应变为1.5～3.1。

4、重复步骤3镁合金坯料的累积复合挤压变形过程，所述的累积复合挤压的道次为3～8次，完成多道次的累积复合挤压变形后，开模得到预变形坯料。

5、将步骤4得到的预变形坯料按照半固态成形零件的尺寸要求切割成坯料，然后放入加热炉中进行等温退火处理，得到退火后的坯料。最好，等温退火处理是在惰性气体保护或真空环境下进行，退火处理的保温温度为490～600℃，保温时间为10～30min。

6、对退火后的坯料进行快速冷却，得到镁合金半固态坯料。最好，冷却方式为水淬。

本发明方法的原理：通过多道次累积复合挤压对铸态镁合金坯料进行预变形处理，使其内部产生足够大的诱导应变，充分破碎初始铸造镁合金坯料中的粗大低熔点相，同时细化基体相的晶粒尺寸。随后，将经过预变形处理的镁合金坯料在半固态温度区间内进行等温退火处理，使其低熔点相重熔，固相基体晶粒球化，即可得到晶粒细小的球状晶半固态组织。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

一、采用本发明方法制备的镁合金半固态坯料具有固相晶粒尺寸细小、组织结构均匀、球化程度高的特点，由该镁合金半固态坯料制备的镁合金制件具有较高的力学性能，如由该制坯方法制备的AZ91D镁合金半固态触变成形制件的抗拉强度为301.92MPa，延伸率为13.87％。

二、镁合金的圆柱形坯料经多道次累积复合挤压变形后，使之获得足够大的诱导应变，但坯料形状与尺寸保持不变，其端面也始终与轴线垂直，得到与原始坯料结构尺寸完全一致的预变形坯，克服了基于传统大变形的高诱导应变所导致的坯料宏观形貌改变很大而失去应用价值的缺点。

三、多道次累积复合挤压变形过程中，单道次的成形力较小，延长了模具的使用寿命，同时大大降低了设备资金投入。

附图说明

图1为本发明制备装置主视剖面示意简图。

图2为图1的A-A视图。

图3为本发明制备装置通过挤压凸模下行挤压圆柱形坯料产生复合挤压变形的示意图。

图4为本发明制备装置通过挤压凸模挤压圆柱形坯料完成复合挤压变形的示意图。

图5为本发明制备装置通过压缩凸模下行、镦粗凸模上行压缩坯料杯–杆型部分产生变形的示意图。

图6为本发明制备装置通过压缩凸模下行、镦粗凸模上行压缩坯料杯–杆型部分产生变形直至回复为初始圆柱形的示意图。

图中：1—压块，2—上模板，3—上垫板，4—上压套，5—挤压凸模，6—立柱，7—凸模压板，8—凹模压板，9—压缩凸模，10—凹模，11—坯料，12—凹模预紧套，13—顶出杆，14—镦粗凸模；15—垫块；16—定位销；17—下垫板；10-1—一半凹模，10-2—另一半凹模。

具体实施方式

在图1和图2所示的镁合金半固态坯料制备装置剖面示意简图中，下垫板17为圆环形板，其中心圆槽孔直径大于镦粗凸模14的下端圆柱杆直径，其环面上设置2个对称分布的通孔，每个通孔内有一个竖直的定位销16穿过，二者呈间隙配合。在下垫板的上端设有垫块15，该垫块为内设中心通孔的圆柱体，其中心通孔直径大于顶出杆13外径，垫块端面上对称设置与下垫板上2个通孔对应的2个圆槽孔，上述穿过下垫板的定位销16上端以过盈配合形式固定在垫块上。在垫块的上端面设有凹模预紧套12，该凹模预紧套为内设倒截锥形通孔的圆环体。凹模10为沿轴线分开的两个半锥台体10-1和10-2，其外环面与凹模预紧套倒截锥形通孔对应，两个半锥台体相对的面上各设一轴向凹槽，两凹槽相对组成上下两个直径不等的空间，下面空间直径小，其与顶出杆外径对应，上面空间直径大，其与顶出杆头直径对应。所述顶出杆中心设置直径不等的阶梯孔，内设镦粗凸模且大直径孔空间与镦粗凸模直径相对应，小直径空间与镦粗凸模的下端圆柱杆直径相对应，凹模、顶出杆与镦粗凸模三者组成复合挤压凹模型腔。在复合挤压凹模型腔的上部分别设置压缩凸模9和挤压凸模5，其中压缩凸模呈圆管形，其外径等于顶出杆头外径，其内径与挤压凸模下柱体直径对应，二者呈间隙配合，且置于坯料上的压缩凸模上端面高于或等于凹模压板8的上端面。该凹模压板为环形板，其中心通孔直径大于压缩凸模外径，其板面设在凹模及凹模预紧套的上端面上，并通过紧固件连接。在凹模压板上面设有圆环形凸模压板7，其中心通孔直径大于压缩凸模内径。挤压凸模下部的圆柱体设在复合挤压凹模型腔内，与圆柱体相连的圆柱杆上端设有大直径在上小直径在下的塔形圆盘，该塔形圆盘置于上压套4与其对应的中心阶梯形通孔内，通过台肩结构使两者定位。所述上压套为环形板，其环面上还设有3-4个均布的通孔，每个通孔内有一根竖直的立柱6穿过，该立柱下端固定在凸模压板上，在上压套上面设有上垫板3，其为圆形平板，板面上设有与立柱对应并套接于其上的通孔。为了提高承压能力，在上垫板上面设有与其结构相同的上模板2，上压套、上垫板和上模板通过紧固件连接。在上模板上面设有压块1，该压块为塔形圆盘，其小直径部分小于各立柱所夹间隙，其大直径部分将所有立柱上端顶覆盖。

实施例1

将AZ91D铸态镁合金棒料通过车削和电火花线切割加工成直径为长度为30mm的圆柱形坯料；采用机油与石墨混合润滑剂对AZ91D铸态镁合金圆柱形坯料11进行润滑处理，将机油与石墨混合润滑剂均匀的涂抹在圆柱形坯料的圆柱外表面、模具型腔内表面及挤压、镦粗和压缩凸模的外表面。然后放入镁合金半固态坯料制备装置复合挤压凹模型腔内，将圆柱形坯料加温至340℃的累积复合挤压变形温度；先将下垫板17带圆槽孔一侧向上、压块1小直径一侧向下，然后对压块施压，使挤压凸模5下行挤压圆柱形坯料变形成杯–杆型坯料，如图3所示，直至第一次复合挤压结束，如图4所示；分别将下垫板和压块翻转，使下垫板带圆槽孔一侧向向下，压块大直径一侧向下，然后对压块施压，通过立柱6及凸模压板7使压缩凸模9下行，通过下垫板使镦粗凸模14上行，如图5所示，分别压缩坯料的杯型部分和杆型部分变形直至回复为初始的圆柱形坯料形状，如图6所示，图3至图6为一个累积复合挤压变形的循环过程，即1道次，重复进行5道次AZ91D铸态镁合金坯料的累积复合挤压变形过程。该累积复合挤压过程中的累积应变为10.0，完成多道次的累积反向挤压变形后，开模得到预变形坯料。将得到的AZ91D铸态镁合金预变形坯料通过电火花线切割切下八个的圆柱形坯料，然后放入温度为550℃的加热炉中在氩气保护下进行等温退火处理，保温15min得到退火后的坯料。对退火后的AZ91D镁合金坯料进行快速水淬，得到AZ91D镁合金半固态坯料。

实施例2

将ZK60RE铸态镁合金棒料通过车削和电火花线切割加工成直径为长度为30mm的圆柱形坯料；采用机油与石墨混合润滑剂对ZK60RE铸态镁合金圆柱形坯料11进行润滑处理，将机油与石墨混合润滑剂均匀的涂抹在圆柱形坯料的圆柱外表面、模具型腔内表面及挤压、镦粗和压缩凸模的外表面。然后放入镁合金半固态坯料制备装置复合挤压凹模型腔内，将圆柱形坯料加温至260℃的累积复合挤压变形温度；先将下垫板17带圆槽孔一侧向上、压块1小直径一侧向下，然后对压块施压，使挤压凸模5下行挤压圆柱形坯料变形成杯–杆型坯料，如图3所示，直至第一次复合挤压结束，如图4所示；分别将下垫板和压块翻转，使下垫板带圆槽孔一侧向向下，压块大直径一侧向下，然后对压块施压，通过立柱6及凸模压板7使压缩凸模9下行，通过下垫板使镦粗凸模14上行，如图5所示，分别压缩坯料的杯型部分和杆型部分变形直至回复为初始的圆柱形坯料形状，如图6所示，图3至图6为一个累积复合挤压变形的循环过程，即1道次，重复进行3道次ZK60RE铸态镁合金坯料的累积复合挤压变形过程。该累积复合挤压过程中的累积应变为6.0，完成多道次的累积复合挤压变形后，开模得到预变形坯料。将得到的ZK60RE铸态镁合金预变形坯料通过电火花线切割切下八个的圆柱形坯料，然后放入温度为600℃的加热炉中进行等温退火处理，保温30min得到退火后的坯料。对退火后的ZK60RE镁合金坯料进行快速水淬，得到ZK60RE镁合金半固态坯料。

实施例3

将AM60铸态镁合金棒料通过车削和电火花线切割加工成直径为长度为30mm的圆柱形坯料；采用机油与石墨混合润滑剂对AM60铸态镁合金圆柱形坯料11进行润滑处理，将机油与石墨混合润滑剂均匀的涂抹在圆柱形坯料的圆柱外表面、模具型腔内表面及挤压、镦粗和压缩凸模的外表面。然后放入镁合金半固态坯料制备装置复合挤压凹模型腔内，将圆柱形坯料加温至380℃的累积复合挤压变形温度；先将下垫板17带圆槽孔一侧向上、压块1小直径一侧向下，然后对压块施压，使挤压凸模5下行挤压圆柱形坯料变形成杯–杆型坯料，如图3所示，直至第一次复合挤压结束，如图4所示；分别将下垫板和压块翻转，使下垫板带圆槽孔一侧向向下，压块大直径一侧向下，然后对压块施压，通过立柱6及凸模压板7使压缩凸模9下行，通过下垫板使镦粗凸模14上行，如图5所示，分别压缩坯料的杯型部分和杆型部分变形直至回复为初始的圆柱形坯料形状，如图6所示，图3至图6为一个累积复合挤压变形的循环过程，即1道次，重复进行8道次AM60铸态镁合金坯料的累积复合挤压变形过程。该累积复合挤压过程中的累积应变为12.0，完成多道次的累积复合挤压变形后，开模得到预变形坯料。将得到的AM60铸态镁合金预变形坯料通过电火花线切割切下八个的圆柱形坯料，然后放入温度为570℃的加热炉中在真空度为2.0kPa下进行等温退火处理，保温20min得到退火后的坯料。对退火后的AM60镁合金坯料进行快速水淬，得到AM60镁合金半固态坯料。

Claims (5)

1.一种镁合金半固态坯料制备装置，其特征在于：下垫板为圆环形板，其中心圆槽孔直径大于镦粗凸模的下端圆柱杆直径，其环面上设置2个对称分布的通孔，每个通孔内有一个竖直的定位销穿过，二者呈间隙配合，在下垫板的上端设有垫块，该垫块为内设中心通孔的圆柱体，其中心通孔直径大于顶出杆外径，垫块端面上对称设置与下垫板上2个通孔对应的2个圆槽孔，上述穿过下垫板的定位销上端以过盈配合形式固定在垫块上，在垫块的上端面设有凹模预紧套，该凹模预紧套为内设倒截锥形通孔的圆环体，凹模为沿轴线分开的两个半锥台体，其外环面与凹模预紧套倒截锥形通孔对应，两个半锥台体相对的面上各设一轴向凹槽，两凹槽相对组成上下两个直径不等的空间，下面空间直径小，其与顶出杆外径对应，上面空间直径大，其与顶出杆头直径对应，所述顶出杆中心设置直径不等的阶梯孔，内设镦粗凸模且大直径孔空间与镦粗凸模直径相对应，小直径空间与镦粗凸模的下端圆柱杆直径相对应，凹模、顶出杆与镦粗凸模三者组成复合挤压凹模型腔，在复合挤压凹模型腔的上部分别设置压缩凸模和挤压凸模，其中压缩凸模呈圆管形，其外径等于顶出杆头外径，其内径与挤压凸模下柱体直径对应，二者呈间隙配合，且置于坯料上的压缩凸模上端面高于或等于凹模压板的上端面，该凹模压板为环形板，其中心通孔直径大于压缩凸模外径，其板面设在凹模及凹模预紧套的上端面上，并通过紧固件连接，在凹模压板上面设有圆环形凸模压板，其中心通孔直径大于压缩凸模内径，挤压凸模下部的圆柱体设在复合挤压凹模型腔内，与圆柱体相连的圆柱杆上端设有大直径在上小直径在下的塔形圆盘，该塔形圆盘置于上压套与其对应的中心阶梯形通孔内，通过台肩结构使两者定位，所述上压套为环形板，其环面上还设有3-4个均布的通孔，每个通孔内有一根竖直的立柱穿过，该立柱下端固定在凸模压板上，在上压套上面设有上垫板，其为圆形平板，板面上设有与立柱对应并套接于其上的通孔，为了提高承压能力，在上垫板上面设有与其结构相同的上模板，上压套、上垫板和上模板通过紧固件连接，在上模板上面设有压块，该压块为塔形圆盘，其小直径部分小于各立柱所夹间隙，其大直径部分将所有立柱上端顶覆盖。

2.权利要求1的镁合金半固态坯料制备方法，其特征在于：

1)将铸态镁合金坯料机械加工成圆柱形坯料；

2)对圆柱形坯料进行润滑处理，然后放入镁合金半固态坯料制备装置复合挤压凹模型腔内，将圆柱形坯料加热至累积复合挤压温度，该累积复合挤压温度为260～380℃；

3)先将下垫板带圆槽孔一侧向上、压块小直径一侧向下，然后对压块施压，使挤压凸模下行挤压圆柱形坯料变形成杯–杆型坯料，直至第一次复合挤压结束；分别将下垫板和压块翻转，使下垫板带圆槽孔一侧向向下，压块大直径一侧向下，然后对压块施压，通过立柱及凸模压板使压缩凸模下行，通过下垫板使镦粗凸模上行，分别压缩坯料的杯型部分和杆型部分变形直至回复为初始的圆柱形坯料形状，如此进行镁合金坯料的多道次累积复合挤压变形，该累积复合挤压过程中单道次的累积应变为1.5～3.1。

4)重复步骤3镁合金坯料的累积复合挤压变形过程，所述的累积复合挤压的道次为3～8次，完成多道次的累积复合挤压变形后，开模得到预变形坯料；

5)将步骤4得到的预变形坯料按照半固态成形零件的尺寸要求切割成坯料，然后放入加热炉中进行等温退火处理，得到退火后的坯料，退火处理的保温温度为490～600℃，保温时间为10～30min；

6)对退火后的坯料进行快速冷却，得到镁合金半固态坯料。

3.根据权利要求2所述的镁合金半固态坯料制备方法，其特征在于：等温退火处理是在惰性气体保护或真空环境下进行。

4.根据权利要求2所述的镁合金半固态坯料制备方法，其特征在于：退火后的坯料冷却方式为水淬。

5.根据权利要求2所述的镁合金半固态坯料制备方法，其特征在于：铸态镁合金坯料为AZ91D、AZ61、ZK60RE或AM60等镁合金材料。