CN106140852B - 一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具及其制备方法，其中，制备模具包括挤压筒、挤压垫以及成型芯轴，所述挤压筒具有进料段和出料段，所述挤压垫设于进料段内，在进料段和出料段之间设有分隔段和焊合室，在分隔段上设有数条坯料通道，所述成型芯轴与挤压筒同轴心线设置，并从出料段伸出；制备方法包括如下步骤：1）将轻合金圆柱坯料加热到再结晶温度以上；2）将加热后的坯料放入挤压筒；3）开启挤压机，通过挤压机挤压坯料；4）在挤压机的挤压下，最终成型得到管材。本发明制备的轻合金材料具有极细的晶粒结构，较高的屈服应力，能够大幅度提高材料的塑性以及低温超塑性和高应变速率超塑性性能。

Description

一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具及其制备方法

技术领域

本发明涉及管材成型技术领域，尤其涉及一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具及其制备方法。

背景技术

在工业生产中，轻合金管材在生产加工过程中，主要通过成型模具挤压成型管材；传统轻合金塑性变形工艺包含铸锭制备、铸锭处理、坯料加热、热塑性变形等多个阶段。

就制造轻合金管材而言，特别是薄壁和高精度的轻合金管材，目前，一般采用预先准备的空心毛坯，其内径相应于管材的内径；然后在小功率和中等功率的压力机上生产管材时，空心毛坯主要是用机械加工法(钻孔和镗孔)获得，空心毛坯仅用于获得内径不大于25～30mm的管材。而为制造较大内径的管材，采用了的新工艺，即在压力机的一个工作循环内将毛坯扩径工序和管材挤压工序相重合；为了挤压，采用的毛坯为带中心孔的毛坯，其孔径约比管材内径小75%左右，这样可降低材料消耗20%～30%，且无需用大量车床来准备毛坯。

但是，传统的挤压生产过程中，会形成沿管材挤压方向的带状组织和强烈的基面织构，严重降低了轻合金的力学性能，并造成力学性能的各向异性，这些织构不利于薄管的二次加工（如内高压成形、折角、煨弯等）；容易造成轻合金铸造组织中的缩孔、疏松等缺陷，使得管材尤其是薄管的加工精度变差。并且，传统挤压后的轻合金管材横向截面组织为等轴晶粒，挤压后的纵向截面组织变成细长晶粒，而且特别明显。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具及其制备方法，制备的轻合金材料具有极细的晶粒结构（0.5μm左右），较高的屈服应力，能够大幅度提高材料的塑性以及低温超塑性和高应变速率超塑性性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具，其特征在于：包括挤压筒、挤压垫以及成型芯轴，所述挤压筒具有进料段和出料段，所述挤压垫设于进料段内，并能够在进料段内自由移动；在进料段和出料段之间设有分隔段和焊合室，所述分隔段将进料段和焊合室隔断，在分隔段上设有数条坯料通道，所述坯料通道的一端与进料段相连通，另一端与焊合室相连通；所述出料段与焊合室相连通，且焊合室的内径大于出料段的内径；所述成型芯轴与挤压筒同轴心线设置，其一端与分隔段相连，另一端穿过焊合室和出料段，并从出料段伸出，该成型芯轴与出料段之间具有间隙，使成型芯轴与出料段之间形成管材成型区域；

所述坯料通道包括分流段、第一剪切段和第二剪切段，其中，分流段与挤压筒的进料端相连通，其轴心线与挤压筒的轴心线平行，第一剪切段的一端与分流段相连通，另一端向背离挤压筒轴心线方向倾斜后与第二剪切段相连通，使第一剪切段与分流段之间形成剪切转角α，第二剪切段的一端与第一剪切段相连通，另一端与焊合室相连通，且第二剪切段的轴心线与挤压筒的轴心线平行，使第二剪切段与第一剪切段之间形成剪切转角β。

进一步地，所述坯料通道的分流段、第一剪切段和第二剪切段之间的长度L1、L2、L3比为：（1~2）：（1~1.5）：（0.5~1）；该分流段、第一剪切段和第二剪切段之间的半径R1、R2、R3比为：(1~1.5):(0.5~1):(0.1~0.5)。

进一步地，所述挤压垫的直径为R，焊合室的直径为D：且2*（R-2）-20 >D>2（R1+R3）mm。

进一步地，所述挤压筒和挤压垫均采用H13模具钢制成，其中，挤压筒、分隔段以及成型芯轴一体成型。

进一步地，进料段与分流段的连接处、分流段与第一剪切段的连接处、第一剪切段与第二剪切段的连接处、第二剪切段与焊合室的连接处、以及焊合室与出料段连接处均采用圆弧过渡，且圆弧的半径为0.8~2mm。

一种利用上述高强韧性细晶轻合金管材的制备模具制备细晶轻合金管材方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）将轻合金圆柱坯料加热到再结晶温度以上，并保温0.5-4小时；其中，所述坯料具有直径为R的中心孔，所述再结晶温度为200°；

2）将加热后的坯料放入挤压筒；

3）开启挤压机，通过挤压机挤压坯料；

4）在挤压机的挤压下，坯料依次经过分流段、第一剪切段、第二剪切段、以及管材成型区域，最终成型得到管材。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）在同一模具上同时完成了挤压、连续等通道挤压、管材成形、整形4道工序，相比管材热挤压工艺工序更少，并且减少了废料，节约了能源；并且，挤压和连续剪切变形可引入大应变率，促进轻合金动态再结晶的发生；在挤压过程中材料始终处于三向压应力状态（转角处局部受四向压力），更能发挥轻合金材料的塑性变形能力，避免在大应变条件下产生裂纹，减少或消除组织内部的空洞缺陷；通过管材连续成形温度和速度、模具结构调控可控制管材的变形程度及均匀性，从而控制晶粒细化的程度及基面织构的强度和管材精度；使细化晶粒和成形的效率高，并具有高效、节能的特性。

（2）该模具占地面积小，生产成本低；通过本申请的模具挤压成型管材，可连续稳定进行生产，简化生产工艺，缩短生产周期，制备和生产轻合金材料时间短、成形速度快，使生产效率大大提高，便于自动控制实现自动化；并且在提高轻合金力学性能和成型能力方面具有较大的潜力，可以实现连续的、大尺寸的轻合金管材的生产，适合制备塑性较差的轻合金管材，适用范围广。

（3）本装置生产的轻合金管材强塑性好；通过工艺和模具结构参数优化，能够消除轻合金中显微孔洞等缺陷、提高材料的致密性、破碎枝晶，形成细小的等轴晶，并促使基面织构弱化，从而保证管材的成形精度和力学性能，并可以通过调整剪切次数和剪切强度来调控微观组织织构，从而提高管材的可靠性和可控性，可应用于镁铝钛等轻合金管材的加工成形。

附图说明

图1为发明模具的结构示意图。

图2为本发明模具的局部结构示意图。

图3为图2的剖视图。

图中：1—挤压筒，2—挤压垫，3—成型芯轴，4—进料段，5—出料段，6—焊合室，7—分流段，8—第一剪切段，9—第二剪切段。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1、图2以及图3，一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具，包括挤压筒1、挤压垫2以及成型芯轴3。所述挤压筒1具有进料段4和出料段5，所述挤压垫2设于进料段4内，并能够在进料段4内自由移动；具体实施时，挤压垫2为柱状圆盘结构，其半径为R，工作时与挤压机的挤压杆相连。所述挤压筒1的进料段4的长度为L，内径为2（R+1）mm，从而使挤压垫2与挤压筒1之间的间隙尽可能的小，以便于更好地推动坯料。

在进料段4和出料段5之间设有分隔段和焊合室6，所述分隔段将进料段4和焊合室6隔断，在分隔段上设有数条坯料通道，在加工过程中，所述坯料通道绕挤压筒1轴心线一周均匀分布，从而使分料更加均匀，进一步提高管材成型的塑性和可靠性。所述坯料通道的一端与进料段4相连通，另一端与焊合室6相连通；所述出料段5与焊合室6相连通，且焊合室6的内径大于出料段5的内径。通过数条坯料通道将坯料分成数份，并同时对其进行挤压，从而能够使坯料的受力效果更好，更能发挥轻合金材料的塑性变形能力，避免在大应变条件下产生裂纹，减少或消除组织内部的空洞缺陷，能够消除轻合金中显微孔洞等缺陷、提高材料的致密性、破碎枝晶，形成细小的等轴晶，并促使基面织构弱化，从而保证管材的成形精度和力学性能。

具体实施时，所述坯料通道包括分流段7、第一剪切段8和第二剪切段9。其中，分流段7与挤压筒1的进料端相连通，其轴心线与挤压筒1的轴心线平行，第一剪切段8的一端与分流段7相连通，另一端向背离挤压筒1轴心线方向倾斜后与第二剪切段9相连通，使第一剪切段8与分流段7之间形成剪切转角α（即分流段7和第一剪切段8的轴心线之间的夹角）。第二剪切段9的一端与第一剪切段8相连通，另一端与焊合室6相连通，且第二剪切段的轴心线与挤压筒1的轴心线平行，使第二剪切段9与第一剪切段8之间形成剪切转角β（即第二剪切段9和第一剪切段8的轴心线之间的夹角）；其中，90°〈α=β〈180°；从而使坯料的移动更加顺畅，且能够保证坯料的连续性。

在加工过程中，进料段与分流段7的连接处、分流段7与第一剪切段8的连接处、第一剪切段8与第二剪切段9的连接处、第二剪切段9与焊合室6的连接处、以及焊合室6与出料段5连接处均采用圆弧过渡，且圆弧的半径为0.8~2mm；从而能够避免模具在热处理和挤压成形过程中因应力集中而导致模具开裂，并保证金属充满型槽。若圆弧半径过小，金属充填模具型腔相应处十分困难，而且易在该处引起应力集中使其开裂；并且，金属流动时产生的纤维容易被割断，导致力学性能下降，还容易产生回流最后形成折叠导致管材报废。若圆弧半径过大，将增加机械加工余量和金属损耗，使金属过早流失，造成局部充不满。

所述成型芯轴3与挤压筒1同轴心线设置，其一端与分隔段相连，另一端穿过焊合室6和出料段5，并从出料段5伸出，其伸出出料段5的距离至少为10mm，以对管材进行导向，从而保证管材出料过程中的稳定性。该成型芯轴3与出料段5之间具有间隙，使成型芯轴3与出料段5之间形成管材成型（及整形）区域。所述挤压筒1和挤压垫2均采用H13模具钢制成，其中，挤压筒1、分隔段以及成型芯轴3一体成型；从而使模具整体结构稳定性更好，并且加工过程中可靠性更高。

具体实施时，所述坯料通道的分流段7、第一剪切段8和第二剪切段9之间的长度L1、L2、L 3之比为：（1~2）：（1~1.5）：（0.5~1）；该分流段7、第一剪切段8和第二剪切段9之间的半径R1、R2、R3比为：(1~1.5):(0.5~1):(0.1~0.5)；能够有效增加轻合金材料在挤压过程中的连续性，更能发挥轻合金材料的塑性变形能力，避免在大应变条件下产生裂纹，减少或消除组织内部的空洞缺陷；从而控制晶粒细化的程度及基面织构的强度和管材精度。所述焊合室6的轴向长度L4为20~100mm，其直径为D：且2*（R-2）-20 >D>2（R1+R3）mm；从而细化组织，尤其细化第二相，以提高性能，特别是各向同性；能够将剪切后的坯料充分融合到一起，消除轻合金中显微孔洞等缺陷、提高材料的致密性、破碎枝晶，形成细小的等轴晶，从而保证管材的成形精度和力学性能。管材成型区域的长度为L5，且50mm>L5>15mm；采用合理的管材成型区域长度，可延长模具的使用寿命，并提高管材的质量。若管材成型区域长度过短，制品尺寸难于稳定，易产生波纹、椭圆度、压痕、压伤等废品；并且模具易磨损，会大大降低模具的使用寿命。若管材成型区域长度过长，则会增大与金属的摩擦作用，增大挤压力，易于粘结金属，使管材的表面出现划伤、毛刺、麻面、搓衣板形波浪等缺陷。

一种利用上述高强韧性细晶轻合金管材的制备模具制备细晶轻合金管材方法，包括如下步骤：

1）将轻合金圆柱坯料加热到再结晶温度以上，并保温0.5-4小时；其中，所述再结晶温度为200°；所述坯料的半径为（R-2）mm；长度至少为L+20mm。

2）将加热后的坯料放入挤压筒；

3）开启挤压机，通过挤压机的挤压杆推动挤压垫挤压坯料；

4）在挤压机的挤压下，坯料依次经过分流段、第一剪切段、第二剪切段、以及管材成型区域，最终成型得到管材。

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 (6)

1.一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具，其特征在于：包括挤压筒、挤压垫以及成型芯轴，所述挤压筒具有进料段和出料段，所述挤压垫设于进料段内，并能够在进料段内自由移动；在进料段和出料段之间设有分隔段和焊合室，所述分隔段将进料段和焊合室隔断，在分隔段上设有数条坯料通道，所述坯料通道的一端与进料段相连通，另一端与焊合室相连通；所述出料段与焊合室相连通，且焊合室的内径大于出料段的内径；所述成型芯轴与挤压筒同轴心线设置，其一端与分隔段相连，另一端穿过焊合室和出料段，并从出料段伸出，该成型芯轴与出料段之间具有间隙，使成型芯轴与出料段之间形成管材成型区域；

所述坯料通道包括分流段、第一剪切段和第二剪切段，其中，分流段与挤压筒的进料端相连通，其轴心线与挤压筒的轴心线平行，第一剪切段的一端与分流段相连通，另一端向背离挤压筒轴心线方向倾斜后与第二剪切段相连通，使第一剪切段与分流段之间形成剪切转角α，第二剪切段的一端与第一剪切段相连通，另一端与焊合室相连通，且第二剪切段的轴心线与挤压筒的轴心线平行，使第二剪切段与第一剪切段之间形成剪切转角β。

2.根据权利要求1所述的一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具，其特征在于：所述坯料通道的分流段、第一剪切段和第二剪切段之间的长度L1、L2、L3比为：（1~2）：（1~1.5）：（0.5~1）；该分流段、第一剪切段和第二剪切段之间的半径R1、R2、R3比为：(1~1.5):(0.5~1):(0.1~0.5)。

3. 根据权利要求2所述的一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具，其特征在于：所述挤压垫的直径为R，焊合室的直径为D，且2*（R-2）-20 >D>2（R1+R3）mm。

4.根据权利要求1所述的一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具，其特征在于：所述挤压筒和挤压垫均采用H13模具钢制成，其中，挤压筒、分隔段以及成型芯轴一体成型。

5.根据权利要求1所述的一种高强韧性细晶轻合金管材的制备模具，其特征在于：进料段与分流段的连接处、分流段与第一剪切段的连接处、第一剪切段与第二剪切段的连接处、第二剪切段与焊合室的连接处、以及焊合室与出料段连接处均采用圆弧过渡，且圆弧的半径为0.8~2mm。

6.一种利用上述任一权利要求所述的高强韧性细晶轻合金管材的制备模具制备细晶轻合金管材方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）将轻合金圆柱坯料加热到再结晶温度以上，并保温0.5-4小时；其中，所述再结晶温度至少为200°；

2）将加热后的坯料放入挤压筒；

3）开启挤压机，通过挤压机挤压坯料；

4）在挤压机的挤压下，坯料依次经过分流段、第一剪切段、第二剪切段、以及管材成型区域，最终成型得到管材。