CN114589284A - 合金棒料的一火次开坯模具、方法及镦挤镦大变形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种合金棒料的一火次开坯模具、方法及镦挤镦大变形方法，属于合金改性领域。一火次开坯模具包括第一模具组件和挤镦模具；挤镦模具的型腔包括依次连通的上型腔段、中型腔段和下型腔段，上型腔段的内腔形状为倒圆锥形凸台，中型腔段和下型腔段的内腔形状均为圆柱形，上型腔段平滑过渡至中型腔段，中型腔段与下型腔段在连接处存在断面面积差；第一模具组件包括上模板和冲头，上模板用于连接压力机，冲头一端与上模板连接。一火次开坯方法采用所述一火次开坯模具进行镦粗过程和再镦粗过程。镦挤镦大变形方法包括采用所述一火次开坯方法进行镦挤镦变形处理、固溶处理和时效处理。

Description

合金棒料的一火次开坯模具、方法及镦挤镦大变形方法

技术领域

本发明涉及合金改性技术领域，尤其涉及一种合金棒料的一火次开坯模具、方法及镦挤镦大变形方法。

背景技术

合金铸锭、冶炼和浇注过程中内部质量的稳定性和铸造缺陷难以控制，增加了铸锭锻造过程中不同部位变形的复杂性。为最大限度增加铸锭变形量，使之充分、均匀的细化铸造组织，进而获得高性能合金构件，需要对铸锭进行开坯锻造，为后续深加工提供组织性能均匀的锻坯。大塑性变形技术可以将多种强化机制有机组合，充分发掘材料的潜能。通过大塑性变形技术制取中间坯，而后采用相应的成形工艺制备所需构件，能够满足构件的使用需求。

目前国内外主要采用的大塑性变形技术有等通道挤压、多向锻造、累积叠轧等，这些方法能够细化合金晶粒，破碎第二相，但是这些方法所制备的合金加工道次多，设备要求和能耗较高，且变形均匀性较差，力学性能各向异性较为明显。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种合金棒料的一火次开坯模具、方法及镦挤镦大变形方法。本发明的技术方案如下：

第一方面，提供了一种合金棒料的一火次开坯模具，其包括第一模具组件和挤镦模具；

所述挤镦模具的型腔包括依次连通的上型腔段、中型腔段和下型腔段，上型腔段的内腔形状为倒圆锥形凸台，中型腔段和下型腔段的内腔形状均为圆柱形，上型腔段平滑过渡至中型腔段，中型腔段与下型腔段在连接处存在断面面积差；所述第一模具组件包括上模板和冲头，所述上模板用于连接压力机，所述冲头为T形，冲头一端与上模板连接；

所述第一模具组件用于在压力机的驱动下，通过冲头另一端整体挤压合金棒料进行镦粗过程得到镦粗后的合金棒料后，继续整体挤压镦粗后的合金棒料使其依次经过挤镦模具的上型腔段、中型腔段和下型腔段进行合金棒料的再镦粗过程，得到镦挤镦变形后的合金棒料。

可选地，所述合金棒料的一火次开坯模具还包括第二模具组件和垫块，所述第二模具组件包括下模板、凹模和顶杆；其中，所述下模板一端用于连接压力机，凹模与下模板另一端连接，顶杆内置于下模板中心孔处；所述垫块用于放置于顶杆上面，垫块的尺寸与凹模的内径尺寸一致，凹模的内径与冲头的外径匹配。

可选地，所述挤镦模具为两瓣式结构。

可选地，所述垫块为两端均为平底的圆柱状结构。

第二方面，提供了一种合金棒料的一火次开坯方法，所述开坯方法采用上述第一方面所述的开坯模具，所述开坯方法包括：

镦粗过程：控制压力机向下运动，第一模具组件在压力机的驱动下下行并通过其冲头对合金棒料进行整体挤压，使合金棒料发生径向、轴向流动，完成合金棒料的镦粗过程，得到镦粗后的合金棒料；

再镦粗过程：将镦粗后的合金棒料置于挤镦模具上，控制压力机驱动第一模具组件对镦粗后的合金棒料进行整体挤压，使镦粗后的合金棒料依次经过挤镦模具的上型腔段、中型腔段和下型腔段，完成合金棒料的再镦粗过程，得到镦挤镦变形后的合金棒料。

可选地，所述开坯方法包括：

S1、将第一模具组件和第二模具组件装配在压力机上，将垫块置于第二模具组件中凹模内，将合金棒料放置于垫块之上；

S2、控制压力机驱动第一模具组件对合金棒料进行整体挤压，使合金棒料发生径向、轴向流动，完成合金棒料的镦粗过程；

S3、控制压力机的顶出缸将第二模具组件的顶杆顶起并取走镦粗后的合金棒料，将挤镦模具从保温炉中取出并在其内侧涂抹油基润滑剂后放置于垫块之上，再将镦粗后的合金棒料置于挤镦模具上，然后控制压力机的顶出缸使顶杆下行至底部；

S4、控制压力机驱动第一模具组件对镦粗后的合金棒料进行整体挤压，使镦粗后的合金棒料依次经过挤镦模具的上型腔段、中型腔段和下型腔段进行整体挤压完成合金棒料的再镦粗过程，得到镦挤镦变形后的合金棒料。

可选地，所述合金棒料在450～460℃条件下进行镦粗过程和再镦粗过程；整体挤压合金棒料的挤压速度为0.5～1.5mm/s。

第三方面，提供了一种合金棒料的一火次镦挤镦大变形方法，其包括：

镦挤镦变形处理，所述镦挤镦变形处理采用上述第二方面所述的开坯方法；

固溶处理：对镦挤镦变形处理后的合金棒料进行固溶处理，得到固溶态合金棒料；

时效处理：对固溶态合金棒料进行时效处理，得到最终热处理态合金棒料。

可选地，所述镦挤镦变形处理之前还包括：对合金棒料进行均匀化处理，得到均匀化态合金棒料。

可选地，所述镦挤镦变形处理结束后，在1h内将镦挤镦变形处理后的合金棒料移至固熔炉中进行固溶处理；

所述固溶处理结束后，在30~60min内将固溶态合金棒料移至时效炉中进行时效处理；

所述固溶处理选用474°C×3h，所述时效处理选用120°C×24h。

上述所有可选地技术方案均可任意组合，本发明不对一一组合后的结构进行详细说明。

借由上述方案，本发明通过设置挤镦模具，并设置挤镦模具的型腔包括依次连通的上型腔段、中型腔段、下型腔段，在合金中间坯的制备中使用该开坯模具，对初始位错密度低、第二相尺寸和晶粒尺寸粗大的合金棒料进行镦挤镦变形处理，即合金棒料先镦粗而后使其依次经过上型腔段、中型腔段、下型腔段进行挤压再镦粗，这样不仅能够提高合金棒料的应变量，改善合金棒料内部的微观组织结构，而且开坯后锻件力学性能各向异性较弱，并可工业化应用。

进一步地，本发明实施例提供的一火次开坯模具通过设计第一模具组件，实现了对合金棒料的整体挤压。同时，本发明实施例提供的一火次开坯模具通过设计第二模具组件，第二模具组件包括凹模、下模板和顶杆，这样一方面防止金属外流，另一方面下方的顶杆用于在合金棒料变形结束后，将合金棒料顶起，以便于进行卸料。

再一方面，本发明实施例提供的镦挤镦大变形方法，通过在现有的合金棒料开坯过程中的均匀化步骤之后、固溶时效步骤之前增设镦挤镦变形步骤，具体地，采用上述的一火次开坯模具及开坯方法对均匀化态后的合金棒料进行镦挤镦变形，能够在一火次工序内完成合金棒料镦挤镦变形，大大缩短合金锻坯制备流程并降低了能耗，不仅实现了合金棒料应变量的提升，细化晶粒和破碎第二相，且在变形过程中引入位错，提升位错密度，这样配合后续的时效工艺能提升锻坯的力学性能，并且所获得的合金棒料轴向与径向力学性能差异较弱。因此，本实施例发明提供的镦挤镦大变形方法能够改善棒料内部组织结构，获得高力学性能且开坯后锻件力学性能各向异性较弱的合金棒料。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中第一模具组件的结构示意图。

图3是图1中挤镦模具的结构示意图。

图4是图1中第二模具组件的结构示意图。

图5是对合金棒料进行镦挤镦变形处理的过程示意图。

图6是本发明实验实施例的实验结果示意图。

图7是使用本发明的处理后的棒料组织图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1至图3所示，本发明提供了一种合金棒料的一火次开坯模具，其包括第一模具组件1和挤镦模具4；所述挤镦模具4的型腔包括依次连通的上型腔段41、中型腔段42和下型腔段43，上型腔段41的内腔形状为倒圆锥形凸台，中型腔段42和下型腔段43的内腔形状均为圆柱形，上型腔段41平滑过渡至中型腔段42，中型腔段42与下型腔段43在连接处存在断面面积差；所述第一模具组件1包括上模板11和冲头12，所述上模板11用于连接压力机，所述冲头12为T形，冲头12一端与上模板11连接。

所述第一模具组件1用于在压力机的驱动下，通过冲头12另一端整体挤压合金棒料进行镦粗过程得到镦粗后的合金棒料后，继续整体挤压镦粗后的合金棒料使其依次经过挤镦模具4的上型腔段41、中型腔段42和下型腔段43进行合金棒料的再镦粗过程，得到镦挤镦变形后的合金棒料。

可选地，如图1和图4所示，所述合金棒料的一火次开坯模具还包括第二模具组件2和垫块3，所述第二模具组件2包括下模板22、凹模21和顶杆23；其中，所述下模板22一端用于连接压力机，凹模21与下模板22另一端连接，顶杆23内置于下模板22中心孔处；所述垫块3用于放置于顶杆23上面，垫块3的尺寸与凹模21的内径尺寸一致，凹模21的内径与冲头12的外径匹配。其中，凹模21的内径与冲头12的外径匹配是指凹模21的内径略大于冲头12的外径，使冲头12能够在凹模21内挤压合金棒料。

其中，所述第二模具组件2用于容置挤镦模具4和垫块3，并起到挤压定位的作用，使合金棒料依次经过挤镦模具4的上型腔段41、中型腔段42和下型腔段43后，合金棒料能够在所述挤镦模具的下型腔段43内完成金属的聚集。

可选地，所述挤镦模具4为两瓣式结构，这种结构便于在镦粗过程前放置合金棒料以及在再镦粗过程完成后拿取合金棒料，易于脱模。

可选地，所述垫块为两端均为平底的圆柱状结构。

优选地，所述合金棒料为铝合金。更优地，所述合金棒料为Al-Zn-Mg-Cu合金。

本发明实施例提供的合金棒料的一火次开坯模具，通过采用整体镦粗合金棒料，而后使其稳定通过挤镦模具4的上型腔段41、中型腔段42和下型腔段43，完成合金棒料的镦挤镦变形过程。合金棒料受凹模21挤压时经过挤镦模具4的上型腔段41-中型腔段42-下型腔段43，在此过程中金属会产生径、轴向流动，最后在下型腔段43完成金属聚集，获得最终的合金棒料。通过多次镦粗可以提高合金棒料的应变量，可以破碎第二相和细化晶粒，且在变形过程中引入大量位错能够诱导大量亚稳态相析出，实现合金棒料力学性能提升的同时所得锻坯径轴向力学性能差异较弱，为后续深加工提供了组织性能均匀的锻坯。

本发明实施例还提供了一种合金棒料的一火次开坯方法，所述开坯方法采用上述实施例所述的开坯模具，所述开坯方法包括镦粗过程和再镦粗过程。其中：

镦粗过程具体为：控制压力机向下运动，第一模具组件1在压力机的驱动下下行并通过其冲头12对合金棒料进行整体挤压，使合金棒料发生径向、轴向流动，完成合金棒料的镦粗过程，得到镦粗后的合金棒料；

再镦粗过程具体为：将镦粗后的合金棒料置于挤镦模具4上，控制压力机驱动第一模具组件1的冲头12对镦粗后的合金棒料进行整体挤压，使镦粗后的合金棒料依次经过挤镦模具4的上型腔段41、中型腔段42和下型腔段43，完成合金棒料的再镦粗过程，得到镦挤镦变形后的合金棒料。

可选地，当合金棒料的一火次开坯模具包括第二模具组件2和垫块3时，如图5所示，所述开坯方法具体包括如下步骤：

S1、将第一模具组件1和第二模具组件2装配在压力机上，将垫块3置于第二模具2组件中凹模21内，将合金棒料放置于垫块3之上；

S2、控制压力机驱动第一模具组件1的冲头12对合金棒料进行整体挤压，使合金棒料发生径向、轴向流动，完成合金棒料的镦粗过程；

S3、控制压力机的顶出缸将第二模具组件2的顶杆23顶起并取走镦粗后的合金棒料，将挤镦模具4从保温炉中取出并在其内侧涂抹油基润滑剂后放置于垫块3之上，再将镦粗后的合金棒料置于挤镦模具4上，然后控制压力机的顶出缸使顶杆23下行至底部；

S4、控制压力机驱动第一模具组件1的冲头12对镦粗后的合金棒料进行整体挤压，使镦粗后的合金棒料依次经过挤镦模具4的上型腔段41、中型腔段42和下型腔段43进行整体挤压完成合金棒料的再镦粗过程，得到镦挤镦变形后的合金棒料。

镦挤镦变形处理完成后，将压力机停止加载并向上直线运动，带动第一模具组件1向上运动，控制顶出缸，将顶杆23顶起取走镦挤镦变形后的合金棒料。

可选地，所述合金棒料在450～460℃条件下进行镦粗过程和再镦粗过程；整体挤压合金棒料的挤压速度为0.5～1.5mm/s。通过如此设置，可以使合金棒料的各方面性能比较好。

本发明实施例提供的合金棒料的一火次开坯方法，通过采用上述的一火次开坯模具及开坯方法对合金棒料进行镦粗过程和再镦粗过程，不仅实现了合金棒料应变量的提升，细化晶粒和破碎第二相，能够改善棒料内部组织结构，且在变形过程中引入位错，提升位错密度，这样配合后续的时效工艺能提升锻坯的力学性能，使获得的合金棒料轴向与径向力学性能差异较弱。

进一步地，本发明实施例还提供了一种合金棒料的一火次镦挤镦大变形方法，其包括镦挤镦变形处理、固溶处理和时效处理。其中，所述镦挤镦变形处理采用上述实施例所述的开坯方法；

固溶处理具体为：对镦挤镦变形处理后的合金棒料进行固溶处理，得到固溶态合金棒料；

时效处理具体为：对固溶态合金棒料进行时效处理，得到最终热处理态合金棒料。

可选地，所述镦挤镦变形处理之前还包括：对合金棒料进行均匀化处理，得到均匀化态合金棒料。

可选地，所述镦挤镦变形处理结束后，在1h内将镦挤镦变形处理后的合金棒料移至固熔炉中进行固溶处理；所述固溶处理结束后，在30~60min内将固溶态合金棒料移至时效炉中进行时效处理；所述固溶处理选用474°C×3h，所述时效处理选用120°C×24h。这些参数使得本发明实施例进行一火次镦挤镦大变形后的合金棒料的应变量的提升，细化晶粒和破碎第二相，能够改善棒料内部组织结构，且在变形过程中引入位错，提升位错密度，这样配合后续的时效工艺能提升锻坯的力学性能，使获得的合金棒料轴向与径向力学性能差异较弱。

为了证明本发明上述实施例的有益效果，本发明进一步提供了下述实验实施例；在此需要说明的是：实验实施例仅是用来证明上述提及的有益效果，但是，本发明的上述方案并不局限于实验实施例所述的合金棒料类型及各项参数。

实验实施例

本实验实施例提供一种合金棒料的一火次镦挤镦大变形方法，具体包括如下步骤：

制备合金铸棒：通过铣削加工、均匀化处理制备出Al-Zn-Mg-Cu合金铸棒。

镦挤镦变形处理步骤：采用上述实施例中的一火次开坯模具和开坯方法对均匀化态合金铸棒进行镦挤镦变形处理。

如图1至图5所示，将第一模具组件1、第二模具组件2分别与压机上下工作台相连接，将垫块3、均匀化态合金铸棒依次放置在凹模21的型腔内，压力机向下运动带动冲头12下行，完成镦粗过程，顶杆23上行带动垫块3与合金铸棒上行，取走合金铸棒后放入挤镦模具4，再将合金铸棒置于挤镦模具4上，压力机向下运动带动冲头12下行，当冲头12接触合金铸棒顶部时，带动合金铸棒下行，在挤镦模具4的作用下，合金铸棒发生径、轴向流动。当冲头2运动至与挤镦模具4相接触时，镦挤镦变形结束，压力机向上运动，顶杆23向上运动将挤镦模具4顶起，将挤镦模具4分开，取出最终合金铸棒。

固溶处理：将镦挤镦变形后的合金铸棒在1h内转移至固熔炉内，完成474°C×3h的固溶处理，得到固溶态合金棒料。

时效处理：将固溶态合金棒料在3min内转移至时效炉中进行时效处理，得到最终热处理后合金棒料。

其中，本实验实施例得到的终态热处理合金棒料轴向抗拉强度为643.5MPa，屈服强度为585.1MPa，延伸率为2.3%；合金棒料径向抗拉强度为642.8MPa，屈服强度为583.1MPa，延伸率为2.2%。该实验结果如图6所示。

通过实验实施例可以看出：在铝合金中间坯的制备过程中，采用本发明上述实施例的一火次开坯模具、开坯方法对均匀化态合金棒料进行450～460°C高温变形，破碎第二相和细化晶粒尺寸，引入大量位错，为后续时效过程中亚稳相的析出提供通道，提高了亚稳相的体积分数。因此，使得中间坯的力学性能得以显著提升。同时，镦挤镦变形有效改善了棒料各向异性，最终获得组织性能均匀的中间坯。

如图7所示，其为通过本发明实施例提供的方法处理后的合金棒料的组织图。由图7可以看出，通过本发明实施例提供的方法变形后，晶粒组织得以显著细化。

综上，本发明实施例提供的开坯模具、开坯方法及镦挤镦大变形方法，能够在一火次工序内完成合金棒料镦挤镦变形，大大缩短合金锻坯制备流程并降低了能耗，增大合金棒料应变量，实现了大塑性变形细化晶粒和破碎第二相。同时，经一火次镦挤镦大变形获得的棒坯轴向与径向力学性能差异较弱，为后续深加工提供了组织性能均匀的锻坯，且开坯模具及成形方法简单，便于工业化应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种合金棒料的一火次开坯模具，其特征在于，包括第一模具组件和挤镦模具；

所述挤镦模具的型腔包括依次连通的上型腔段、中型腔段和下型腔段，上型腔段的内腔形状为倒圆锥形凸台，中型腔段和下型腔段的内腔形状均为圆柱形，上型腔段平滑过渡至中型腔段，中型腔段与下型腔段在连接处存在断面面积差；所述第一模具组件包括上模板和冲头，所述上模板用于连接压力机，所述冲头为T形，冲头一端与上模板连接；

所述第一模具组件用于在压力机的驱动下，通过冲头另一端整体挤压合金棒料进行镦粗过程得到镦粗后的合金棒料后，继续整体挤压镦粗后的合金棒料使其依次经过挤镦模具的上型腔段、中型腔段和下型腔段进行合金棒料的再镦粗过程，得到镦挤镦变形后的合金棒料。

2.根据权利要求1所述的合金棒料的一火次开坯模具，其特征在于，所述合金棒料的一火次开坯模具还包括第二模具组件和垫块，所述第二模具组件包括下模板、凹模和顶杆；其中，所述下模板一端用于连接压力机，凹模与下模板另一端连接，顶杆内置于下模板中心孔处；所述垫块用于放置于顶杆上面，垫块的尺寸与凹模的内径尺寸一致，凹模的内径与冲头的外径匹配。

3.根据权利要求1或2所述的合金棒料的一火次开坯模具，其特征在于，所述挤镦模具为两瓣式结构。

4.根据权利要求2所述的合金棒料的一火次开坯模具，其特征在于，所述垫块为两端均为平底的圆柱状结构。

5.一种合金棒料的一火次开坯方法，其特征在于，所述开坯方法采用权利要求1至4中任一权利要求所述的开坯模具，所述开坯方法包括：

镦粗过程：控制压力机向下运动，第一模具组件在压力机的驱动下下行并通过其冲头对合金棒料进行整体挤压，使合金棒料发生径向、轴向流动，完成合金棒料的镦粗过程，得到镦粗后的合金棒料；

再镦粗过程：将镦粗后的合金棒料置于挤镦模具上，控制压力机驱动第一模具组件对镦粗后的合金棒料进行整体挤压，使镦粗后的合金棒料依次经过挤镦模具的上型腔段、中型腔段和下型腔段，完成合金棒料的再镦粗过程，得到镦挤镦变形后的合金棒料。

6.根据权利要求5所述的开坯方法，其特征在于，所述开坯方法包括：

S1、将第一模具组件和第二模具组件装配在压力机上，将垫块置于第二模具组件中凹模内，将合金棒料放置于垫块之上；

S2、控制压力机驱动第一模具组件对合金棒料进行整体挤压，使合金棒料发生径向、轴向流动，完成合金棒料的镦粗过程；

S3、控制压力机的顶出缸将第二模具组件的顶杆顶起并取走镦粗后的合金棒料，将挤镦模具从保温炉中取出并在其内侧涂抹油基润滑剂后放置于垫块之上，再将镦粗后的合金棒料置于挤镦模具上，然后控制压力机的顶出缸使顶杆下行至底部；

S4、控制压力机驱动第一模具组件对镦粗后的合金棒料进行整体挤压，使镦粗后的合金棒料依次经过挤镦模具的上型腔段、中型腔段和下型腔段进行整体挤压完成合金棒料的再镦粗过程，得到镦挤镦变形后的合金棒料。

7.根据权利要求5或6所述的开坯方法，其特征在于，所述合金棒料在450～460℃条件下进行镦粗过程和再镦粗过程；整体挤压合金棒料的挤压速度为0.5～1.5mm/s。

8.一种合金棒料的一火次镦挤镦大变形方法，其特征在于，包括：

镦挤镦变形处理，所述镦挤镦变形处理采用权利要求5至7中任一权利要求所述的开坯方法；

固溶处理：对镦挤镦变形处理后的合金棒料进行固溶处理，得到固溶态合金棒料；

时效处理：对固溶态合金棒料进行时效处理，得到最终热处理态合金棒料。

9.根据权利要求8所述的合金棒料的一火次镦挤镦大变形方法，其特征在于，所述镦挤镦变形处理之前还包括：对合金棒料进行均匀化处理，得到均匀化态合金棒料。

10.根据权利要求8或9所述的合金棒料的一火次镦挤镦大变形方法，其特征在于，

所述镦挤镦变形处理结束后，在1h内将镦挤镦变形处理后的合金棒料移至固熔炉中进行固溶处理；

所述固溶处理结束后，在30~60min内将固溶态合金棒料移至时效炉中进行时效处理；

所述固溶处理选用474°C×3h，所述时效处理选用120°C×24h。

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