CN107127282A - 一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法 - Google Patents

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Abstract

一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，属于镁合金材料加工技术领域。根据设计的毛坯尺寸将挤压棒材机械加工为锻造所需的坯料，加热至270℃～300℃保温后，在270℃～300℃下等温锻造墩粗预成形，取出墩粗圆饼件进行冷却；对墩粗圆饼件加热至260℃～270℃保温后，墩粗圆饼件涂覆润滑剂，在260℃～270℃下进行等温锻造快速成形，取出快速成形件；然后快速成形件涂覆润滑剂，在260℃～270℃下进行等温锻造超塑性成形，取出超塑性成形件后冷却，得到成品件。本发明镁合金高筋薄腹板类零件直径大于等于530mm，筋部高宽比大于等于3.5，抗拉强度为330～340MPa，屈服强度为260～270MPa，延伸率为6.0％～8.0％，零件高筋处可以一次成形，后续基本无需机械加工，实现了大尺寸镁合金筋板类零件的锻造。

Description

一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法
技术领域
本发明属于镁合金材料加工技术领域，涉及一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法。
背景技术
随着我国航空航天高端装备制造业的发展，要求筋板类零件既能满足结构及材料的轻量化，又要保证构件良好的机械性能，这对精密成形高性能筋板类零件提出了更高的要求。而镁合金作为迄今为止最轻的金属结构材料,具有密度低、比强度和比刚度高、屏蔽效能佳、阻尼系数大等优异性能，被誉为“21世纪的绿色工程材料”，在航空航天等领域都具有广阔的应用前景，尤其在该领域大量采用的筋板类零件方面拥有不可比拟的优势。但是镁合金具有密排六方结构，与其他合金相比结构对称性较低，室温变形仅限于基面滑移系，变形过程中极易产生变形织构，导致其难于在室温下塑性变形，对于力学性能要求高及形状复杂高筋薄腹板类零件的成形更是困难。此外，镁合金对变形温度较为敏感，在锻造成形高筋薄腹板类零件时，温度急剧下降，导致变形抗力迅速增大，塑性急剧降低，使得采用常规锻造方法难以成形。并且，常规锻造工艺通常采用先制坯后机械加工的方法，获得最终产品的形状及尺寸。在锻造制坯中，锻件设计需成倍增加材料余量，以降低锻件的复杂程度，导致后续机械加工过程中材料的大量浪费，材料利用率极低，极有可能造成高筋薄腹板类零件内部流线被切割，使得零件的抗疲劳及抗腐蚀能力降低，故难以满足关键构件高性能的要求。
因此，这就需要采用等温锻造技术用于显著改善镁合金的塑性和流动性，降低锻造过程中变形抗力。由于等温锻造成形过程的变形速度较低，使得最终成形零件的微观组织和综合性能均有良好的均匀性和一致性；且采用等温锻造方法能够生产出无需后续机械加工的净型锻件，可保证高筋薄腹板类零件的内部流线不被破坏，维持高筋薄腹板类零件的优异性能。因而，研究一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法意义重大，可用于实现典型镁合金高筋薄腹板类零件的高性能成性及轻量化成形。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术中的不足，提供一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，获得直径大于等于530mm、最大水平投影面积大于等于0.2m2、筋部高宽比大于等于3.5、腹板厚度小于等于20mm、组织均匀及综合性能优异的镁合金高筋薄腹板类零件，实现大尺寸镁合金筋板类零件的锻造，并且等温锻造过程中锻件无褶皱及开裂现象发生，其中高筋处可以一次成形，流线形保持完整，后续基本无需机械加工。另外，本发明中的镁合金等温锻高筋薄腹板类零件具有较高的室温力学性能。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法所采用的技术方案是：根据设计的毛坯尺寸将原始挤压棒材机械加工为锻造所需的坯料，加热至270℃～300℃保温后，在270℃～300℃下进行等温锻造墩粗预成形，取出墩粗圆饼件进行冷却；对墩粗圆饼件加热至260℃～270℃保温后，墩粗圆饼件涂覆润滑剂，在260℃～270℃下进行等温锻造快速成形，取出快速成形件；快速成形件涂覆润滑剂，在260℃～270℃下进行等温锻造超塑性成形，取出超塑性成形件后冷却，得到成品。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法所述原始挤压棒材的抗拉强度为190～200MPa，屈服强度为210～220MPa，延伸率为5.5％～6.0％。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，所述的锻造坯料无明显裂纹、缩孔及杂质等缺陷。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，所述的等温锻造所用模具与模座基准面间隙≤0.3mm，墩粗预成形上下模具为平模，快速成形及超塑性成形模具为成形模具。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，所述的保温为通过电阻加热炉对包裹保温棉的坯料加热保温2h，利用等温成形加热装置对模具加热保温2h，其中模具温度和坯料的加热温度相同。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，所述的取出成形件为等温锻造压力机卸载压力并回程，上模具开启上行，借助夹持工具将成形件从下模具中取出。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，所述的墩粗预成形下压速度为0.5mm/s～1mm/s，变形量为66.7％。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，所述的冷却为空冷至室温。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，所述的墩粗圆饼件涂覆润滑剂为只在成形筋板类零件高筋的上下模具部分处均匀涂覆润滑剂。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，所述的快速成形下压速度为0.25mm/s。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，所述的快速成形件涂覆润滑剂为只在成形高筋薄腹板类零件外缘的上下模具部分均匀涂覆润滑剂。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，所述的超塑性成形下压速度为0.005～0.015mm/s，变形量为33.3％。
本发明一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，以镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法为例，其具体实施过程为：
1、预先准备圆柱体锻造坯料，保证坯料内部无明显裂纹、缩孔及杂质等缺陷；
2、通过电阻加热炉对包裹保温棉的坯料加热，利用等温成形加热装置对模具加热，坯料和模具加热温度相同为270℃～300℃，保证坯料及模具各部分的温度分布均匀；
3、对上下模具均匀涂覆润滑剂，保证坯料中心与上模及下模中心对正后，等温锻造压力机以0.5mm/s～1mm/s的速度向下运动，变形量为66.7％，坯料成形为墩粗圆饼件；
4、等温锻造压力机卸载压力并回程，上模具开启上行，取出墩粗圆饼件并进行空冷处理；
5、通过电阻加热炉对包裹保温棉的墩粗圆饼件加热，利用等温成形加热装置对模具加热，坯料和模具加热温度相同为260℃～270℃，保证坯料及模具各部分的温度分布均匀；
6、只在成形筋板类零件高筋的上下模具部分处均匀涂覆润滑剂，保证坯料中心与上模及下模中心对正后，等温锻造压力机以0.25mm/s的速度向下运动，得到快速成形件，等温锻造压力机卸载压力并回程；
7、只在成形高筋薄腹板类零件外缘的上下模具部分均匀涂覆润滑剂，保证快速成形件中心与上模及下模中心对正后，等温锻造压力机以0.005～0.015mm/s的速度向下运动，变形量为33.3％，最终成形高筋薄腹板类零件；
8、等温锻造压力机卸载压力并回程，高筋薄腹板类零件进行空冷处理及后续性能测试。
采用本发明提供的方法可以成形直径大于等于530mm、最大水平投影面积大于等于0.2m2的镁合金高筋薄腹板类零件，实现大尺寸镁合金筋板类零件的锻造。具有以下优点：
1)所成形的镁合金高筋薄腹板类零件水平投影面积大，高筋处可以一次成形，流线形保持完整，后续基本无需机械加工，材料利用率极高。
2)所成形的镁合金高筋薄腹板类零件相比于原始挤压棒材力学性能得到极大提升，抗拉强度为330～340MPa，屈服强度为260～270MPa，延伸率为6.0％～8.0％，无需后续热处理即可满足性能要求，零件整体无明显褶皱及裂纹现象发生。
3)等温锻造过程中第二道次(快速成形和超塑性成形)相比第一道次(墩粗预成形)的温度小20～40℃，既可以有效的保留上道次的锻造组织，抑制新晶粒的长大；同时适当的降温在变形组织中易出现第二相强化，而第二相对晶界的钉扎作用又反过来有利于抑制晶粒长大，导致最终的晶粒细化。
4)等温锻造整个生产过程相对简单可控，加热火次较少(普通模锻需要加热次数16火次左右)，降低了成形过程所需的变形力，更易准确控制高筋薄腹板类零件性能的均匀性及一致性，相对于重复性好，无需对现有设备进行改造，可实现大批量生产。
综上所述，本发明为航空航天用镁合金高筋薄腹板类零件成形提供了一种简明高效、切实可行的制造方法，从而满足实际的工程需求。
附图说明
图1为等温锻造成形高筋薄腹板类零件工艺路线示意图。
图2为等温锻造成形高筋薄腹板类零件坯料变化示意图。
图3为等温锻造模具及成形示意图。
图4为实施例2等温锻造成形前坯料的显微组织。
图5为实施例2等温锻造成形件的显微组织。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：
在本发明的描述中，需要理解的是，下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明的保护范围限制，该领域的技术人员根据上述发明内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护内容。
实施例1：
一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，是以尺寸为Ф200×150mm，主要化学成分(质量分数，％)为Al：8.16；Zn：0.42；Mn：0.03；Si：0.01；Fe：0.005；Ni：0.001；Cu：0.001；Gd＜0.01；Y＜0.01；Mg余量的镁合金圆柱形挤压棒坯料进行等温锻造，制备出直径535mm，组织均匀、综合性能优异的镁合金高筋薄腹板类零件，其特征在于具体包括以下步骤：
步骤1、坯料预处理：将镁合金圆柱形挤压棒材经机械加工去取表面可见裂纹及氧化皮，并加工成尺寸为Ф200×150mm的圆柱体坯料，借助超声波探伤确保坯料内部无明显裂纹、缩孔及杂质等缺陷；
步骤2、坯料加热：将尺寸为Ф200×150mm的圆柱体坯料包裹保温棉，放置于电阻炉中加热至300℃保温2h，以使圆柱体坯料各部分温度保持均匀；
步骤3、模具固定及加热：将下模具固定在等温成形装置中，上下模具分别固定在上下模座上，模具与模座基准面间隙≤0.3mm，通过等温成形加热装置对上下模具进行加热至300℃，保温2h，以使上下模具各部分温度保持均匀；
步骤4、涂覆润滑剂及坯料对正：圆柱体坯料及上下模具加热保温完成后，在上下模具整体表面均匀涂覆润滑剂，圆柱体坯料立即转移至上下模具之间，保证坯料中心与上模及下模中心对正，且坯料高向与等温锻造压力机运动方向平行；
步骤5、墩粗预成形：等温锻造压力机以1mm/s的速度向下运动，行程为100mm，变形量为66.7％，总下压时间为100s，镦粗成尺寸为Ф346×50mm墩粗圆饼件；
步骤6、取件及空冷：等温锻造压力机卸载压力并回程，上模具开启上行，借助夹持工具取出墩粗圆饼件并进行空冷处理；
步骤7、坯料加热：将空冷后的墩粗圆饼件再次包裹保温棉，放置于电阻炉中加热至260℃保温2h，以使墩粗圆饼件各部分温度保持均匀；
步骤8、模具固定及加热：将下模具固定在等温成形加热装置中，上下模具分别固定在上下模座上，模具与模座基准面间隙≤0.3mm，通过等温成形加热装置对上下模具进行加热至260℃，保温2h，以使上下模具各部分温度保持均匀；
步骤9、涂覆润滑剂及坯料对正：墩粗圆饼件及上下模具加热保温完成后，只在成形筋板类零件高筋的上下模具部分处均匀涂覆润滑剂，墩粗圆饼件去除保温棉包套后立即转移至上下模具之间，保证墩粗圆饼件中心与上模及下模中心对正，且墩粗圆饼件高向与等温锻造压力机运动方向平行；
步骤10、快速成形：等温锻造压力机以0.25mm/s的速度向下运动，行程为61mm，总下压时间为244s后，得到快速成形件，等温锻造压力机卸载压力并回程，上模具开启上行；
步骤11、涂覆润滑剂及坯料对正：借助夹持工具取出快速成形件，立即只在成形高筋薄腹板类零件外缘的上下模具部分均匀涂覆润滑剂，随后快速成形件马上转移至上下模具之间，保证快速成形件中心与上模及下模中心对正，且快速成形件高向与等温锻造压力机运动方向平行；
步骤12、超塑性成形：等温锻造压力机以0.015mm/s的速度向下运动，行程为10mm，变形量为33.3％，总下压时间为667s，最终成形外径尺寸535mm、筋部高度38mm、筋部宽度10mm、腹板厚度18mm的高筋薄腹板类零件；
步骤13、取件及空冷：等温锻造压力机卸载压力并回程，上模具开启上行，借助夹持工具取出高筋薄腹板类零件并进行空冷处理；
步骤14、性能测试：对成形后高筋薄腹板类零件的典型位置取样，参考国家标准GBT228.1-2010金属材料拉伸试验室温试验方法，在微机控制电子万能实验机进行室温拉伸试验，具体力学性能见附表1。
特殊说明的是，步骤3至步骤6的上模具及下模具指代的是墩粗平模，步骤8至步骤13的上模具及下模具分别指代的是成形凸模及成形凹模。
实施例2：
一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，是以尺寸为Ф200×150mm，主要化学成分(质量分数，％)为Al：8.16；Zn：0.42；Mn：0.03；Si：0.01；Fe：0.005；Ni：0.001；Cu：0.001；Gd＜0.01；Y＜0.01；Mg余量的镁合金圆柱形挤压棒坯料进行等温锻造，制备出直径535mm，组织均匀、综合性能优异的镁合金高筋薄腹板类零件，其特征在于具体包括以下步骤：
步骤1、坯料预处理：将镁合金圆柱形挤压棒材经机械加工去取表面可见裂纹及氧化皮，并加工成尺寸为Ф200×150mm的圆柱体坯料，借助超声波探伤确保坯料内部无明显裂纹、缩孔及杂质等缺陷；
步骤2、坯料加热：将尺寸为Ф200×150mm的圆柱体坯料包裹保温棉，放置于电阻炉中加热至270℃保温2h，以使圆柱体坯料各部分温度保持均匀；
步骤3、模具固定及加热：将下模具固定在等温成形加热装置中，上下模具分别固定在上下模座上，模具与模座基准面间隙≤0.3mm，通过等温成形加热装置对上下模具进行加热至270℃，保温2h，以使上下模具各部分温度保持均匀；
步骤4、涂覆润滑剂及坯料对正：圆柱体坯料及上下模具加热保温完成后，在上下模具整体表面均匀涂覆润滑剂，圆柱体坯料立即转移至上下模具之间，保证坯料中心与上模及下模中心对正，且坯料高向与等温锻造压力机运动方向平行；
步骤5、墩粗预成形：等温锻造压力机以1mm/s的速度向下运动，行程为100mm，变形量为66.7％，总下压时间为100s，镦粗成尺寸为Ф346×50mm墩粗圆饼件；
步骤6、取件及空冷：等温锻造压力机卸载压力并回程，上模具开启上行，借助夹持工具取出墩粗圆饼件并进行空冷处理；
步骤7、坯料加热：将空冷后的墩粗圆饼件再次包裹保温棉，放置于电阻炉中加热至250℃保温2h，以使墩粗圆饼件各部分温度保持均匀；
步骤8、模具固定及加热：将下模具固定在等温成形加热装置中，上下模具分别固定在上下模座上，模具与模座基准面间隙≤0.3mm，通过等温成形加热装置对上下模具进行加热至250℃，保温2h，以使上下模具各部分温度保持均匀；
步骤9、涂覆润滑剂及坯料对正：墩粗圆饼件及上下模具加热保温完成后，只在成形筋板类零件高筋的上下模具部分处均匀涂覆润滑剂，墩粗圆饼件去除保温棉包套后立即转移至上下模具之间，保证墩粗圆饼件中心与上模及下模中心对正，且墩粗圆饼件高向与等温锻造压力机运动方向平行；
步骤10、快速成形：等温锻造压力机以0.25mm/s的速度向下运动，行程为61mm，总下压时间为244s后，得到快速成形件，等温锻造压力机卸载压力并回程，上模具开启上行；
步骤11、涂覆润滑剂及坯料对正：借助夹持工具取出快速成形件，立即只在成形高筋薄腹板类零件外缘的上下模具部分均匀涂覆润滑剂，随后快速成形件马上转移至上下模具之间，保证快速成形件中心与上模及下模中心对正，且快速成形件高向与等温锻造压力机运动方向平行；
步骤12、超塑性成形：等温锻造压力机以0.015mm/s的速度向下运动，行程为10mm，变形量为33.3％，总下压时间为667s，最终成形外径尺寸535mm、筋部高度38mm、筋部宽度10mm、腹板厚度18mm的高筋薄腹板类零件；；
步骤13、取件及空冷：等温锻造压力机卸载压力并回程，上模具开启上行，借助夹持工具取出高筋薄腹板类零件并进行空冷处理。
步骤14、性能测试：对成形后高筋薄腹板类零件的典型位置取样，参考国家标准GBT228.1-2010金属材料拉伸试验室温试验方法，在微机控制电子万能实验机进行室温拉伸试验，具体力学性能见附表1。
特殊说明的是，步骤3至步骤6的上模具及下模具指代的是墩粗平模，步骤8至步骤13的上模具及下模具分别指代的是成形凸模及成形凹模。
附表1为镁合金高筋薄腹板类零件等温锻造成形后的室温力学性能。
表1
从表1中的数据并结合附图3、附图4及附图5可以看出：采用本发明成形的镁合金高筋薄腹板类零件综合力学性能好，等轴晶粒数与总晶粒数之比≥90％，整体无明显褶皱及裂纹，其中高筋处可以一次成形，流线形保持完整，后续基本无需机械加工，材料利用率极高。
本发明内容不限于上述实施例，本发明内容所述均可实施并具有所述良好的效果。

Claims (7)

1.一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，所采用的技术方案是：
根据设计的毛坯尺寸将原始挤压棒材机械加工为锻造所需的坯料，加热至270℃～300℃保温后，在270℃～300℃下等温锻造墩粗预成形，取出墩粗圆饼件进行冷却；对墩粗圆饼件加热至260℃～270℃保温后，墩粗圆饼件涂覆润滑剂，在260℃～270℃下进行等温锻造快速成形，取出快速成形件；快速成形件涂覆润滑剂，在260℃～270℃下进行等温锻造超塑性成形，取出超塑性成形件后冷却，得到成品。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，其特征在于，等温锻造墩粗预成形的工艺参数为：坯料及模具保温温度270℃～300℃，保温时间2h，成形温度270℃～300℃，锻造速度0.5mm/s～1mm/s，变形量66.7％，锻造结束后对墩粗圆饼件进行空冷处理。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，其特征在于，等温锻造快速成形的润滑方式为：只在成形高筋薄腹板类零件高筋的上下模具部分处均匀涂覆润滑剂。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，其特征在于，等温锻造快速成形的工艺参数为：坯料及模具保温温度260℃～270℃，保温时间2h，成形温度260℃～270℃，锻造速度0.25mm/s。
5.根据权利要求1所述的一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，其特征在于，等温锻造超塑性成形的润滑方式为：只在成形高筋薄腹板类零件外缘的上下模具部分均匀涂覆润滑剂。
6.根据权利要求1所述的一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，其特征在于，等温锻造超塑性成形的工艺参数为：成形温度260℃～270℃，锻造速度0.005～0.015mm/s，变形量33.3％，锻造结束后对墩粗圆饼件进行空冷处理。
7.根据权利要求1所述的一种镁合金高筋薄腹板类零件的等温锻造方法，其特征在于，等温锻造后高筋薄腹板类零件的直径大于等于530mm，筋部高宽比大于等于3.5，腹板厚度小于等于20mm，零件高筋处能一次成形，抗拉强度为330～340MPa，屈服强度为260～270MPa，延伸率为6.0％～8.0％。
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