CN108889922A - 一种高性能变形镁合金的复合制备模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能变形镁合金的复合制备模具，集合金熔化、高比压控速冷凝、缩径挤压和等径角挤压于一体，具体包括依次连接的型腔，挤压型腔，缩径挤压带和等径角挤压型腔，其中所述型腔上端布置有与其匹配的凸模，下端挤压型腔区域内设置有可动插板，外周设置有内套及包覆内套的加热套，所述加热套内沿周向均匀布置有6至8根发热管，外周布置有循环冷却室，所述型腔，加热套和循环冷却室内均设置有热电偶，与发热管和循环冷却室共同受控于控制系统，实现模具温度的实时采集和调整。本发明的复合制备模具在开展合金熔化、冷却和压力加工不换模连续生产的同时，可实现全制备周期工艺参数的精确控制，最终获得高性能的变形镁合金材料。

Description

一种高性能变形镁合金的复合制备模具

技术领域

本发明属于镁合金的加工技术领域，特别是涉及一种高性能变形镁合金的机械加工模具，具体是一种集合金熔化、冷却和压力加工于一体的复合制备模具。

背景技术

高性能镁合金的加工制备技术一直是制约行业生产能力和水平的一大难题。由于镁合金自身的冷凝和塑性变形特点，造成其晶粒度、致密度、强度和韧性较低，极大限制其作为高性能结构材料的广泛应用。行业内通常采用合金化，特种加工技术和热处理的方法，期望借助第二相强化、细晶强化、形变强化和沉淀强化等原理获得强度的提升，然而效果却非常有限。其原因在于现有的热处理和变形强化技术大多基于常规铸态锭坯，凝固组织的遗传性很大程度制约了最终加工材料的可强韧化程度；同时，常规制备加工手段割裂材料成分设计、制备和加工改性的各个阶段，缺乏系统和整体观念，很难通过有效的模具工装连续从熔炼、冷凝和压力加工全过程对工艺参数进行精确调控，以获得理想的微观组织状态和宏观力学性能。无法充分发挥材料的性能潜力，造成加工流程冗长、成本提高和材料浪费。

因此，对于本领域技术人员来说，研制一种可连续进行镁合金材料熔炼、冷凝和压力加工并在各制备阶段实现精确工艺参数控制的复合制备模具是十分必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，为了克服上述现有技术的不足而提供一种短流程、低成本、加工质量好的变形镁合金复合制备模具，集合金熔化、高比压控速冷凝、缩径挤压和等径角挤压于一体，可实现全制备周期工艺参数的精确控制，最终获得高性能的变形镁合金材料。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高性能变形镁合金的复合制备模具，功能集合金熔化、高比压控速冷凝、缩径挤压和等径角挤压加工于一体；其特征在于包括依次连接的型腔，挤压型腔，缩径挤压带和等径角挤压型腔，其中所述型腔上端布置有与其匹配的凸模，下端挤压型腔区域内设置有可动插板，外周设置有内套及包覆内套的加热套，所述加热套内沿周向均匀布置有6至8根发热管，外周布置有循环冷却室，所述型腔，加热套和循环冷却室内均设置有热电偶，与发热管和循环冷却室共同受控于控制系统，实现模具温度的实时采集和调整。

申请人仔细分析了现有技术，发现现有的高性能镁合金加工工艺大多基于常压下自然冷却得到的铸态锭坯，同时常规制备加工手段割裂材料成分设计、制备和加工改性的各个阶段，极易造成材料晶粒粗大，致密度和强韧性低下的问题，无法充分发挥材料的性能潜力。故申请人设计出了一种高性能变形镁合金的新型复合制备方法，该方法首先优选合金化元素，并利用熔炼和高压控速冷凝最大化提升强化相合金元素的溶解度并细化组织，并从源头上改善初始锭坯的质量；利用高质量初始锭坯直接等温缩颈挤压使强化相在变形过程中最大程度弥散析出；随后通过等径角挤压进一步细化变形组织后利用人工时效去除变形应力并稳定析出相，保持高强度的同时获得韧性的提升。依据以上思路申请人针对性设计了本申请所述结构的加工模具来实现，其使用时，可将定量成分配比的合金投入模具型腔，并在在保护气氛下加热至充分熔化，达到设定温度后控制已预热到同样温度的凸模快速下行进入型腔，并在与金属液面接触后施加恒定纵向压力，待压力稳定后关闭发热管，并同时在模具的循环冷却室中通入冷却介质，控制金属液按预设速度冷却凝固；当材料冷却到挤压温度时，凸模卸载但保持型腔封闭，关闭循环冷却室并打开发热管，利用控制系统使坯料在挤压温度保温使材料温度均匀；保温结束后调整挤压型腔区域内设置的可动插板工作位置，使型腔与挤压型腔贯通，控制凸模重新施加压力并以恒定的应变速率将坯料压入挤压型腔和缩径挤压带，在挤压过程中控制模具型腔与坯料温差为±5 ºC；从缩颈挤压带挤出的坯料直接进入与之相连接并预热到挤压温度的等径角挤压型腔，材料以恒定应变速率挤出等径角挤压模具后喷水激冷后随即在设定温度下人工时效，并最终制备获得所需材料。

作为进一步优化，所述凸模表面靠近型腔端平行布置有2~4个T型槽用于装配截面与其匹配的弹性密封环，所述弹性密封环壁厚大于内套与凸模的间隙，内侧沿周向均匀布置有12~16个沟槽，外侧设置有一个与竖直方向成25~45°的斜开口，自然状态不封闭，弹性密封环受径向压力后斜面完全贴合，此时弹性密封环外径尺寸不大于凸模直径，装配时保证多个弹性密封环开口位置之间不小于360°/弹性密封环个数，弹性密封环的材质选用弹簧钢。

进一步，所述可动插板设置于挤压型腔区域内，用于条件开闭挤压型腔，具体由与插孔过渡配合的工作部分和两端各一个定位块组成，所述定位块定位面形状与可动插板入口外形相匹配，定位块外形不同，用于区分两侧定位块与模具完全贴合时型腔内部的开合状态；所述工作部分设置有与挤压型腔轮廓形状相同的通孔，当一侧定位块定位面与模具外形完全贴合后挤压型腔贯通用于实施高比压冷凝后的压力加工，当另一侧定位块定位面与对应模具外形贴合后，挤压型腔完全封闭，用于实施高比压冷凝操作；所述工作部分上的通孔与挤压型腔配做。

进一步，所述加热套为镶拼结构，由等弧度的2~3块拼合为一整体，加热套外侧与循环冷却室配合的表面设置有3~7°的斜度，使加热套呈上小下大的锥形。

进一步，所述循环冷却室内部分隔为两层，下层与冷却介质入口连接，同侧的上层与冷却介质出口连接；在入口另一侧的分隔上设置有使上下两层贯通的通道。

进一步，所述冷却介质为高压气体、液氮、液态二氧化碳、冷却油和水中的一种或多种。

进一步，所述首次挤压比为30~50，缩径挤压后总挤压比80~150。

进一步，所述等径角挤压型腔轴线与竖直方向成60~120°。

进一步，所述凸模、循环冷却室、挤压模具和底座外包覆有快换式保温材料，所述的保温材料为岩棉、耐火布和耐高温保温涂料中的一种或多种。

值得指出的是，申请人另行申请了将本装置使用于一种含稀土的高性能变形镁合金的复合制备方法的发明专利对其进行了单独的保护。但同时，本装置也适用于其他体系的变形镁合金的复合制备和加工。

相比于现有技术，本发明具有的有益效果为：

1）有效串联传统技术中从合金成分设计、熔炼、冷凝到压力加工相对独立的各阶段，以宏观和整体的视角看待高性能合金全制备周期，辅以实时采集和精确调控实现合金质量的闭环控制，流程短，效率高，质量好；

2）利用高压控速冷凝，有效提高了凝固熔体的过冷度，从源头上制备获得了偏析少，致密度高，晶粒细小均匀的初始锭坯，解决了传统热处理和加工坯料初始凝固组织质量低下的问题；同时，高压下控速冷凝有效提升合金化元素固溶度，获得了常压下固溶或均匀化热处理中不能达到的高比例固溶效果，使得后续沉淀强化相动态析出效果更加显著；

3）通过一次挤压后连续实施二次缩颈再挤压的方式，在获得较大挤压比的同时，有效避免了材料一次大挤压比变形中普遍出现的热裂、挤压力过大等问题，有效提升了加工稳定性，同时显著提升高比压冷凝后材料的动态析出效果；

4）等径角挤压直接作用于大挤压比变形后的坯料，通过大剪切变形和高密度位错进一步促使变形组织再结晶细化，在已经获得的固溶强化和沉淀强化效果的基础上进一步叠加细晶强化效果，进一步提升材料性能。

因此，本发明公开的高性能变形镁合金的复合制备模具有效提升现有变形镁合金制备技术，有助于丰富当前高性能变形镁合金装备制造技术原型，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。

附图说明

此处附图为助于加深对本申请的深入理解，构成本申请的一部分；本申请的示意性实施例及其说明用于解释说明本申请，并非是对发明内容的限定。

图1为可动插板调整到挤压型腔贯通时本发明的结构示意图。

图2为带两个T型槽的凸模结构示意图。

图3为弹性密封环结构示意图。

图4为可动插板结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的形状结构，下面采用ZK60-1Yb变形镁合金作为示例用材料，并结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种高性能变形镁合金的复合制备模具，功能集合金熔化、高比压控速冷凝、缩径挤压和等径角挤压加工于一体；包括依次连接的型腔12，挤压型腔9，缩径挤压带8和等径角挤压型腔7，其中所述型腔12上端布置有与其匹配的凸模1，下端挤压型腔9区域内设置有可动插板10，外周设置有内套2及包覆内套的加热套3，所述加热套3内沿周向均匀布置有8根发热管4，外周布置有循环冷却室5，所述型腔12，加热套3和循环冷却室5内均设置有热电偶，与发热管4和循环冷却室5共同受控于控制系统，实现模具温度的实时采集和调整。

作为对上述实施例的进一步改进，如图2和图3所示，凸模1表面靠近型腔12端平行布置有2个T型槽15用于装配截面与其匹配的弹性密封环14，弹性密封环14的主要功能在于模具实施高压控速冷凝时自然弥合内套2与凸模1的间隙，防止金属熔体在高压下渗漏，因此所述弹性密封环14壁厚a大于内套2与凸模1的间隙；同时，为了保证弹性密封环14能装配入T型槽15，所述弹性密封环14内侧沿周向均匀布置有10个沟槽16，外侧设置有一个与竖直方向成25°的斜开口17，以适当降低弹性密封环14刚度，通过适度变形通过增大斜开口17间隙装配入T型槽15工作位置；所述斜开口17自然状态不封闭，弹性密封环14受径向压力后斜面完全贴合，此时弹性密封环14外径尺寸不大于凸模1直径，可保证其随凸模1正常进入型腔12；弹性密封环14装配时保证多个弹性密封环14斜开口17位置之间不小于36°，以错开开口方向，防止金属液沿斜开口17渗漏；弹性密封环14的材质选用弹簧钢。

作为对上述实施例的进一步改进，如图4所示，可动插板10设置于挤压型腔9区域内，用于条件开闭挤压型腔9，具体由与插孔11过渡配合的工作部分18和两端各一个定位块19组成，所述定位块19定位面20形状与可动插板10入口外形相匹配，但定位块19外形不同用于区分两侧定位块19与模具完全贴合时型腔12内部的开合状态；所述工作部分18设置有与挤压型腔9轮廓形状相同的通孔21，当左侧圆弧外形定位块19定位面20与模具外形完全贴合后挤压型腔9贯通用于实施高比压冷凝后的压力加工，当右侧平面外形定位块19定位面20与对应模具外形贴合后，挤压型腔9完全封闭，用于实施高比压冷凝操作；所述工作带上的通孔21与挤压型腔9配做。

作为对上述实施例的进一步改进，所述加热套3为镶拼结构，由等弧度的两块拼合为一整体，加热套3外侧与循环冷却室5配合的表面设置有5°的斜度，使加热套3呈上小下大的锥形。镶拼式加热套3与外形斜度的设计均是防止加热套3受冷热变化后变形，导致模具自锁无法拆卸的问题。

作为对上述实施例的进一步改进，所述循环冷却室5内部分隔为上下两层，下层与冷却介质入口连接，同侧的上层与冷却介质出口连接；在入口另一侧的分隔上设置有使上下两层贯通的通道13；该设置可有效保证冷却介质充分充盈循环冷却室5，以提高冷却效率。

作为对上述实施例的进一步改进，本实施例中首次挤压比为30，缩径挤压后总挤压比为100。

作为对上述实施例的进一步改进，在本实施例中所述等径角挤压型腔7轴线与竖直方向成60°。

作为对上述实施例的进一步改进，所述凸模1、循环冷却室5、挤压模具和底座6外包覆有快换式保温材料，采用快换式是保证熔化时可尽快升温，防止热量散失，而在高压控速冷凝前可快速拆卸保温材料，保证熔体以需要的速度快速冷却；本实施例中所述的保温材料为岩棉。

本装置用于加工示例所用的ZK60-1Yb镁合金时，具体可采用下述步骤：a、按设计要求装配好模具并将其安装到可调整压力和变形速率的液压机上，安装岩棉保温套，调整可动插板10位置使挤压型腔9封闭，打开发热管4和控制系统，预热模具到300 ºC后投入预先已破碎为直径5~10 mm的ZK60-1Yb合金块，封闭型腔12并通入保护气体，快速升温到720ºC，待合金完全熔化后保温静置10 min；b、将预先装配好弹性密封环14并预热的凸模1在压力机的带动下快速下行进入型腔12，并在与金属液面接触后施加120 MPa的恒定纵向压力，待压力稳定后关闭发热管4，并同时在循环冷却室5中通入一定流量的高压气体，控制金属液按预设速度冷却凝固；c、待坯料冷却到350 ºC时，凸模1卸载但保持型腔12封闭，关闭高压气体并打开发热管4和控制系统，保温15 min；d、温度均匀后调整可动插板10位置使挤压型腔9贯通，控制凸模1重新施加压力并以恒定的应变速率0.01 s^-1将坯料依次压入通过总挤压比为100的挤压型腔9和缩径挤压带8，在挤压过程中控制模具型腔12与坯料温差为±5ºC；e、从缩径挤压带8挤出的坯料直接进入与之相连接并预热到挤压温度的等径角挤压型腔7，材料挤出模具后随即喷水激冷；f、出模的坯料随即在200 ºC温度下人工时效24小时。

采用本发明提出的复合制备模具，并按照权利要求限定的参数合理取值，所得ZK60-1Yb变形镁合金与传统分步挤压所得的材料性能相比，有益效果十分显著。具体结果如下：

注：表中比例数据均以传统挤压成形方式制备的ZK60-1Yb镁合金材料为对比基准。

最后说明的是，以上实施例仅用于更清楚地说明本发明的工作原理和过程，并不对本发明产生限制。本发明还可以适用于加工其他类型的低熔点合金，其加工原理和加工步骤与上述实例并无不同，故不需重复举例。本发明对现有技术做出创造性贡献的地方，在于提出了一种高性能变形镁合金的新型复合制备方法及其可实施的模具结构，有效串联传统技术中从合金成分设计、熔炼、冷凝到压力加工相对独立的各阶段，从源头上改善初始锭坯的质量，并复合多种强化方法，具有流程短，效率高，质量好的优点，有益效果非常显著。

Claims (9)

1.一种高性能变形镁合金的复合制备模具，功能集合金熔化、高比压控速冷凝、缩径挤压和等径角挤压加工于一体；其特征在于包括依次连接的型腔，挤压型腔，缩径挤压带和等径角挤压型腔，其中所述型腔上端布置有与其匹配的凸模，下端挤压型腔区域内设置有可动插板，外周设置有内套及包覆内套的加热套，所述加热套内沿周向均匀布置有6至8根发热管，外周布置有循环冷却室，所述型腔，加热套和循环冷却室内均设置有热电偶，与发热管和循环冷却室共同受控于控制系统，实现模具温度的实时采集和调整。

2.如权利1所述的一种高性能变形镁合金的复合制备模具，其特征在于所述凸模下端平行布置有2~4个T型槽用于装配截面与其匹配的弹性密封环，所述弹性密封环壁厚大于内套与凸模的间隙，内侧沿周向均匀布置有12~16个沟槽，外侧设置有一个与竖直方向成25~45°的斜开口，弹性密封环的材质选用弹簧钢。

3.如权利1所述的一种高性能变形镁合金的复合制备模具，其特征在于所述可动插板设置于挤压型腔区域内，用于条件开闭挤压型腔，由与插孔过渡配合的工作部分和两端各一个定位块组成；所述工作部分设置有与挤压型腔轮廓形状相同的通孔，通孔与挤压型腔配做。

4.如权利1所述的一种高性能变形镁合金的复合制备模具，其特征在于所述加热套为镶拼结构，加热套外侧与循环冷却室配合的表面设置有3~7°的斜度，使加热套呈上小下大的锥形。

5.如权利1所述的一种高性能变形镁合金的复合制备模具，其特征在于所述循环冷却室内部分隔为两层，下层与冷却介质入口连接，同侧的上层与冷却介质出口连接；在入口另一侧的分隔上设置有使上下两层贯通的通道。

6.如权利5所述的一种高性能变形镁合金的复合制备模具，其特征在于所述冷却介质为高压气体、液氮、液态二氧化碳、冷却油和水中的一种或多种。

7.如权利1所述的一种高性能变形镁合金的复合制备模具，其特征在于所述首次挤压比为30~50，缩径挤压后总挤压比80~150。

8.如权利1所述的一种高性能变形镁合金的复合制备模具，其特征在于所述等径角挤压型腔轴线与竖直方向成60~120°。

9.如权利1所述的一种高性能变形镁合金的复合制备模具，其特征在于所述凸模、循环冷却室、挤压模具和底座外包覆有快换式保温材料，所述的保温材料为岩棉、耐火布和耐高温保温涂料中的一种或多种。