CN112570480B - 一种采用非对称挤压实现atx系镁合金板材织构弱化的方法 - Google Patents

一种采用非对称挤压实现atx系镁合金板材织构弱化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用非对称挤压实现ATX系镁合金板材织构弱化的方法，属于镁合金挤压加工技术领域。本发明首先将ATX系镁合金锭坯进行均匀化处理，然后通过常规挤压制备镁合金板材，最后将挤压板材预热后放入非对称挤压模具中挤压。由于非对称挤压模具成型通道孔中心轴线与挤压模腔中心轴线不重合，模腔中位于成型通道孔左右两侧坯料所占比例不同，多出部分坯料在挤压过程中发生额外的镦粗变形作用，整个挤压变形过程可以看作镦粗、挤压变形复合叠加，因此最终获得的非对称挤压板材的织构较初始挤压板材明显弱化。所述非对称挤压模具制造简便，工艺操作简单、易于实现，有良好的工业应用前景。

Description

一种采用非对称挤压实现ATX系镁合金板材织构弱化的方法
技术领域
本发明涉及镁合金热挤压成形技术，尤其涉及一种采用非对称挤压实现ATX系镁合金板材织构弱化的方法，属于镁合金挤压加工技术领域。
背景技术
镁合金作为密度最低的金属结构材料，具有比强度高、阻尼减震性和电磁屏蔽性好等优点。在汽车、交通运输、航空航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。镁合金是密排六方晶体结构，因此室温下独立滑移系少，室温变形主要以基面滑移为主，成形能力较差。
发明专利CN103255329B公开的一种低成本细晶弱织构镁合金薄板及其制造方法，主要是利用Ca元素具有弱化织构以及时效硬化的特性，从而提高镁合金板材强度、改善室温成形性能。发明专利CN109182861A公开的一种塑性变形镁合金及其制备方法，通过Sn元素和微量Ca元素同时固溶进基体，改善变形态合金的织构特征，进而开发出室温高塑性的变形镁合金。然而，仅仅通过添加合金化元素很难直接实现织构弱化。经过传统挤压或轧制加工后还是会产生较强的基面织构，导致板材表现出各向异性及拉压不对称性，严重制约了镁合金板材的产业化应用。随着现代汽车和航空工业提出更高的轻量化要求，设计出一种针对镁合金板材织构弱化的工艺方法，对改善镁合金室温成形性、进一步推广镁合金的应用具有重大意义。
目前实现镁合金板材织构弱化主要是通过非对称轧制、改进轧制工艺等方法。如发明专利CN109530439B公开了一种中高温塑性镁合金板材的轧制方法，该方法在镁合金板材轧制过程中，利用轧辊的直径和转速不同以及板材弯曲所引入的外应力，使晶体取向在轧制过程发生偏转，弱化镁合金板材织构，使其具有较优的二次变形能力。发明专利CN110819921A公开了一种改变镁合金板材织构的方法，该方法首先对镁合金板材进行高温多道次异步热轧，再将所获的镁合金板材重新加热进行异步终轧，利用轧辊与镁合金板材之间的摩擦力使其通过弯曲模具通道，最后进行退火处理实现镁合金板材由典型的基面织构转变为非基面织构类型。发明专利CN109182859B公开了一种复合变形制备高成形性镁合金板材的方法，该方法使用两次轧制变形，中间穿插一次压缩变形，通过耦合不同变形方向的轧制工艺及压缩变形，调控镁合金板材晶粒取向，从而弱化基面织构。虽然这些方法引入的剪切变形能够有效的弱化镁合金变形织构，但仍然存在一系列问题：比如设备成本比较高、轧制工艺比较复杂；很难制备厚度较小的板材，不适合大规模的掌握推广和大批量生产。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明在专利CN109622648B、CN109604365B公开的一种镁合金非对称连续大变形挤压加工模具、一种镁合金非对称连续大变形挤压加工成型方法的基础上对其模芯进行改进，设计出一种非对称挤压模具，目的在于提供一种采用非对称挤压实现ATX系镁合金板材织构弱化的方法，解决现有弱化板材织构方法存在的加工效率低、技术难度大的问题，同时也为非对称挤压变形提供了新思路和新选择。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种采用非对称挤压实现ATX系镁合金板材织构弱化的方法，步骤如下：
1)将ATX系镁合金锭坯进行均匀化处理；
2)通过常规挤压制备镁合金板材；
3)将步骤2)中得到的板材预热后放入到非对称挤压模具中挤压，所获得的非对称挤压板材较常规挤压板材织构明显弱化；
所述ATX系镁合金质量百分比成分为Al 1.5％～3％、Sn 0.5％～1％、Ca 0.1～0.5％，不可避免杂质元素含量≤0.05％，余量为Mg。
所述的非对称挤压模具，其芯模内部由上部的挤压模腔和下部的成型通道孔组成，二者截面均呈矩形，成型通道孔截面小于挤压模腔截面，且成型通道孔中心轴线与挤压模腔中心轴线不重合，使挤压模腔中位于成型通道孔左右两侧坯料所占比例不同。
步骤1)中所述均匀化处理工艺分为三个阶段，在320℃～360℃保温2～4h，再升温到420℃～440℃保温2～4h，最后在470℃～500℃保温2～4h。
步骤3)中常规挤压板材加热到370℃～420℃，模具预热至350℃～420℃，保温2～4h后，将板材放入非对称挤压模具中挤压，所述非对称挤压模具中成型通道孔左右两侧挤压模腔比例d1:d2为6:5～8:1，如图2；挤压时的挤压比为10～40，挤压速度为0.1～10mm/s。
作为优选的，所述步骤2)中常规挤压工艺过程，挤压温度为370～430℃，挤压速度为1～5m/min，挤压比为10～100。
作为优选的，所述步骤2)中常规挤压板材尺寸应与非对称挤压模具模腔尺寸一致。
所述最终的非对称挤压板材宽10～400mm，厚度1～10mm。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明依据多元少量合金化元素的筛选原则，设计并开发出一种ATX系镁合金，通过常规挤压及非对称挤压变形工艺，制备弱基面织构低合金含量镁合金板材。首先通过均匀化处理将ATX系镁合金中的Ca原子和Sn原子固溶到基体中，有利于固溶强化和第二相强化，然后经过常规挤压制备镁合金板材，最后采用非对称挤压对板材进行二次挤压达到弱化织构的目的。非对称挤压模具成型通道孔中心轴线与挤压模腔中心轴线不重合，挤压模腔中位于成型通道孔左右两侧坯料所占比例不同，即两侧参与挤压过程的金属量不同，出口通道一侧较另一侧多出部分坯料由于距离出模口较远，在挤压过程中将会发生额外的镦粗变形作用。因此整个挤压变形过程可以看作镦粗、挤压变形复合叠加。同时金属流动趋势发生变化，流动方式也变为更加复杂的镦粗与挤压混合流动，流动场更加复杂。多出部分坯料的镦粗变形主要有两种作用：一方面使较多坯料一侧水平方向金属流动速度明显增加，导致两侧金属流动速度不同，在挤压变形区交汇形成紊流，对于镁合金晶粒有更大的冲击，迫使晶粒发生转动，从而弱化织构；另一方面，镦粗变形作用产生额外应变，使得坯料累积应变量增大，金属坯料易变形区增大，死区减小，变形更充分。最后再经过挤压大剪切作用，促使晶粒c轴发生倾斜，导致织构弱化和分散，提高镁合金的室温塑韧性及二次加工成形性。
2、本发明可能从以下几方面进一步推广：
(1)本发明所述挤压材料不仅局限于ATX系镁合金，将来可推广到更多仅通过合金化难以弱化织构或常规挤压后仍具有强织构的多元少量合金系镁合金。
(2)非对称挤压工艺不仅能够有效弱化基面织构、改善室温成形性，还能进一步促进再结晶进行，细化晶粒，使组织更均匀，进而改善性能。
(3)模具的制造相对于现有的非对称挤压模具更加简便，而且通过优化模具结构，调整非对称挤压模具出口成型通道偏移程度改变左右两侧参与挤压过程坯料的比例，能够使镁合金板材织构弱化效果达到最好，获得最优的组织和综合性能。
(4)本发明仅在普通立式液压机上安装非对称挤压模具即可实现，可移植性强，易于工业化应用；通过合理设计模腔尺寸，非对称挤压板材尺寸还可以进一步放大，仅通过一次非对称挤压制备出可用于工业冲压成形的～500mm宽的板材，相比于现有弱化板材基面织构技术，操作简单，生产率高，有效缩短弱化织构制备板材过程，具有良好的工业应用前景。
附图说明
图1和图2为非对称挤压模具示意图
图3为Deform-3D软件模拟非对称挤压过程速度矢量场图
图4(a),(b)分别为实施例1中ATX2102镁合金常规挤压板材(0002)极图和对比例2中轧制退火后板材(0002)极图
图5(a),(b)分别为对比例1中ATX2102镁合金对称挤压板材(0002)极图和实施例1中非对称挤压板材(0002)极图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地解释和说明。
如图1和图2所示，本发明中的非对称挤压模具，其内部由上部的挤压模腔和下部的成型通道孔组成，二者截面均呈矩形，成型通道孔截面小于挤压模腔截面，成型通道孔中心轴线与挤压模腔中心轴线不重合，使挤压模腔中位于成型通道孔左右两侧坯料所占比例不同。
实施例1
将Mg-2Al-0.8Sn-0.18Ca(ATX2102)镁合金锭坯去皮后进行均匀化处理：首先加热到320℃保温2h，再升温到430℃保温3h，最后在490℃保温2h。随后对均匀化处理后的ATX2102镁合金锭坯进行常规挤压，挤压速度为15mm/s，挤压温度410℃，挤压比为30，得到宽度60mm，厚度10mm的ATX2102镁合金板材。将非对称挤压模具安装在立式液压机上，模具的成型通道将模腔按比例3:2分为左右两侧，将模腔和坯料表面均匀涂敷水基石墨润滑剂，并分别加热到350℃和370℃保温2h，挤压比30，以2mm/s进行非对称挤压，冷却到室温，最终得到宽10mm厚2mm的ATX2102镁合金板材。
实施例2
将Mg-2Al-0.8Sn-0.28Ca(ATX2103)镁合金锭坯去皮后进行均匀化处理：首先加热到330℃保温2h，再升温到420℃保温3h，最后在480℃保温2h。随后对均匀化处理后的ATX2103镁合金锭坯进行常规挤压，挤压速度为20mm/s，挤压温度400℃，挤压比为25，得到宽度50mm，厚度8mm的ATX2103镁合金板材。将非对称挤压模具安装在立式液压机上，模具的成型通道将模腔按比例3:1分为左右两侧，将模腔和坯料表面均匀涂敷水基石墨润滑剂，并分别加热到370℃和390℃保温2h，挤压比25，以3mm/s进行非对称挤压，冷却到室温，最终得到宽8mm厚2mm的ATX2103镁合金板材。
实施例3
将Mg-2Al-0.8Sn-0.5Ca(ATX2105)镁合金锭坯去皮后进行均匀化处理：首先加热到350℃保温2h，再升温到420℃保温3h，最后在490℃保温2h。随后对均匀化处理后的ATX2105镁合金锭坯进行常规挤压，挤压速度为25mm/s，挤压温度400℃，挤压比为25，得到宽度55mm，厚度10mm的ATX2105镁合金板材。将非对称挤压模具安装在立式液压机上，模具的成型通道将模腔按比例4:1分为左右两侧，将模腔和坯料表面均匀涂敷水基石墨润滑剂，并分别加热到400℃和420℃保温2h，挤压比27.5，以3mm/s进行非对称挤压，冷却到室温，最终得到宽10mm厚2mm的ATX2105镁合金板材。
对比例1
对比例1与实施例1所不同的是对常规挤压镁合金板材进行对称挤压，此时挤压模具成型通道孔中心轴线与挤压模腔中心轴线重合，其余工艺参数均与实施例1相同。
对比例2
对比例2与实施例1所不同的是首先通过常规挤压获得镁合金板材，工艺参数均与实施例1相同，然后进行五道次恒温轧制，变形温度270℃，每道次压下量25％，最后在220℃退火30min。
1、运用Deform-3D软件对非对称挤压过程进行模拟，速度矢量分布情况如图3所示。从图中可以看出，左侧金属流动速度明显大于右侧，且相对于右侧死区更小，易变形区更大。两股金属坯料流动到挤压变形区汇合形成紊流，流动方式变为更加复杂的镦粗与挤压混合流动，流动场更加复杂。
2、运用EBSD技术对实施例1中制得的常规挤压板材以及对比例2中制得的轧制退火板材进行织构分析获得(0002)极图，结果如图4(a)、(b)所示。
从图4(a)中可以看出，ATX2102镁合金在经过常规挤压后呈现基面织构类型，基极向ED方向有一定程度的倾斜，与大多数镁合金常规挤压后得到的织构类型没有太大区别，织构强度达到18.59。经过5道次轧制退火后，镁合金板材织构情况如图4(b)所示，相比原挤压板材织构强度略有增大，达到19.47。这是由于变形织构很难通过普通轧制和退火工艺来减轻和消除，常规动态再结晶也仅使晶粒取向发生偏转而未明显弱化织构。
3、运用EBSD技术对实施例1中制得的非对称挤压板材以及对比例1中制得的对称挤压板材进行织构分析获得(0002)极图，结果如图5(a)、(b)所示。
由图5(a)和图4(a)对比可知，常规挤压得到的ATX2102镁合金板材在经过对称挤压后，织构强度由18.59下降到16.08，下降幅度为2.51。对称挤压前后织构分布情况没有发生变化。由图5(a)和图5(b)对比可知，经过非对称挤压后的ATX2102镁合金板材(0002)基面织构强度与常规挤压板材相比，由18.59下降至6.84，下降幅度高达11.75，织构强度更低且更分散。因此非对称挤压相对于对称挤压，织构弱化效果更加明显。结果表明，非对称复合挤压能够明显弱化ATX2102镁合金板材织构。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用非对称挤压实现ATX系镁合金板材织构弱化的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
1）将ATX系镁合金锭坯进行均匀化处理；
2）通过常规挤压制备镁合金板材；
3）将步骤2）中得到的镁合金板材预热后放入到非对称挤压模具中挤压，所获得的非对称挤压板材较常规挤压板材织构明显弱化；
所述ATX系镁合金质量百分比成分为Al 1.5%~3%、Sn 0.5%~1%、Ca 0.1~0.5%，不可避免杂质元素含量≤0.05%，余量为Mg；
所述的非对称挤压模具，其芯模内部由上部的挤压模腔和下部的成型通道孔组成，二者截面均呈矩形，成型通道孔截面小于挤压模腔截面，且成型通道孔中心轴线与挤压模腔中心轴线不重合，使挤压模腔中位于成型通道孔左右两侧坯料所占比例不同；
步骤1）中所述均匀化处理工艺分为三个阶段，在320℃~360℃保温2~4h，再升温到420℃~440℃保温2~4h，最后在470℃~500℃保温2~4h；
步骤3）中镁合金板材加热到370℃~420℃，模具预热至350℃~420℃，保温2~4h后，将镁合金板材放入非对称挤压模具中挤压，所述非对称挤压模具中成型通道孔左右两侧挤压模腔比例d1:d2为6:5~8:1；挤压时的挤压比为10~40，挤压速度为0.1~10mm/s。
2.根据权利要求1所述的采用非对称挤压实现ATX系镁合金板材织构弱化的方法，其特征在于，步骤2）中的常规挤压工艺过程中，挤压温度为370~430℃，挤压速度为1~5m/min，挤压比为10~100。
3.根据权利要求1所述的采用非对称挤压实现ATX系镁合金板材织构弱化的方法，其特征在于，所述常规挤压得到的镁合金板材尺寸与非对称挤压模具模腔尺寸一致。
4.根据权利要求1所述的采用非对称挤压实现ATX系镁合金板材织构弱化的方法，其特征在于，所获得的非对称挤压板材宽10~400mm，厚度1~10mm。
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