CN115156327A - 连续可变通道扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轻合金塑性成形技术领域，具体涉及变通道连续扭转挤压制备高性能镁合金坯料的装置及方法。通过该装置及其加工方法，使镁合金坯料在加工过程中发生连续扭转变形，实现晶粒细化的同时织构弱化，改善镁合金室温力学性能，扩大镁合金应用范围。本发明通过凹模组件构成了挤压通道，挤压通道内部由自上而下的固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ与固定区域Ⅲ组成，扭转区域Ⅱ在镁合金坯料成形过程中不断扭转并挤压进入该区域的镁合金坯料，最终由固定区域Ⅲ将镁合金坯料整形。该方案使得镁合金材料晶粒细化效果更为显著，基面织构较大程度弱化且所得细晶镁合金材料组织均匀，强韧性大幅提高。

Description

连续可变通道扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的装置及方法

技术领域

本发明属于轻合金塑性成形技术领域，具体涉及变通道连续扭转挤压制备高性能镁合金坯料的装置及方法。

背景技术

作为最轻的金属结构材料，镁合金具有比强度和比刚度高、减振性好、电磁屏蔽性能优异、切削加工性和热成形性好、易回收等优点，在航天航空、医疗军事等领域有着广阔的应用前景。然而，大多数镁合金晶体结构为密排六方结构，在室温下可开动的滑移系仅有3个，无法满足开动塑性变形所需的Von-Misese准则，因此镁合金的室温力学性能较差。另外，传统的挤压方式制备的镁合金往往存在强基面织构，导致镁合金材料出现非常明显的各向异性，限制了其应用范围。细化晶粒可显著提高镁合金强度，弱化基面织构可改善其塑性，因此各种加工技术被广泛开发，如等通道角挤压、高压扭转等。而现有技术存在一定弊端，加工过程不连续，效率低，样品尺寸较小等，在一定程度上限制了其应用。如何获得一种连续大尺寸细晶弱织构高性能镁合金材料加工技术方法是当前拓展镁合金应用范围亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，发明一种连续可变通道扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的装置及工艺方法。通过该装置及其加工方法，使镁合金坯料在加工过程中发生连续扭转变形，实现晶粒细化的同时织构弱化，改善镁合金室温力学性能，扩大镁合金应用范围。

本发明通过以下技术方案予以实现：一种连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的装置，包括立式液压机，立式液压机包括液压机顶座、压力电机、挤压凸模伸缩压头、挤压凸模模具、立柱、工作平台和液压机底座，工作平台和液压机底座中心开有通孔，两根所述立柱竖直向上将液压机顶座支撑在工作平台的上方，液压机顶座横跨于立柱的上方，压力电机安装在液压机顶座上，挤压凸模伸缩压头安装在压力电机的活动端且位于液压机顶座的下方，挤压凸模模具竖直向下安装于挤压凸模伸缩压头的下方；

所述液压机底座上固定有工作平台及伸缩装置，工作平台上固定有凹模固定架及位于凹模固定架中间且中心开孔的垫板，所述垫板上以及凹模固定架之间固定有凹模组件，所述凹模组件包括自上而下排布的上部凹模、中部凹模和下部凹模；上部凹模的底面以及下部凹模的顶面均带有凸出的环形凸台，中部凹模的顶面和底面均设有环形卡槽，环形凸台与环形卡槽相配合用于固定中部凹模，并使中部凹模自由转动且不发生偏移；上部凹模、中部凹模及下部凹模内均设有供有机热载体流动的加热通道；上部凹模、中部凹模及下部凹模自上而下开有相互贯通的挤压通道，垫板、工作平台、和液压机底座与挤压通道出料口相对的部分也上下贯穿作为漏料孔；

中部凹模外部为齿轮状，所述伸缩装置包括位于凹模固定架左右两侧的一对伸缩支架、驱动装置以及水平安装在伸缩支架上的左右伸缩杆；左右两个伸缩杆与中部模具相切，为锯齿状能够自由伸缩，且与中部模具外部的齿轮啮合，两根伸缩杆平行于伸缩杆本身方向同时向相反方向运动，带动齿轮使中部模具发生转动；中部凹模内部的挤压通道内壁周圈自上而下固定有多层弹簧装置，每层弹簧装置均包括环绕中部凹模内部挤压通道周圈设置的多个弹簧，弹簧朝向中部凹模中心的一端连接有高温橡胶垫及半球形的模具挤压头，高温橡胶垫为矩形，矩形的高温橡胶垫与半球形的模具挤压头连接为固定整体，在中部凹模的挤压通道内围成扭转区域Ⅱ。

半球形的模具挤压头半径不同，在通道内呈不规则自由排列，其下方的矩形模块边长与半球形模块直径相同。随挤压过程进行，中间模具发生微小旋转，同时通道内弹簧及模块可做自由伸缩运动，改变通道形状，形成不规则通道。

伸缩杆带动齿轮使中间模具沿逆时针或顺时针方向发生微小转动，中部凹模旋转角度不超过15°，旋转速度为v₁。伸缩杆远离中间模具方向运动，中部凹模沿顺时针方向转动，通道形状可变换为沿逆时针或顺时针方向扭转通道；伸缩杆向中部凹模方向运动，中部凹模沿逆时针方向转动，通道形状可变换为沿顺时针或逆时针方向扭转通道，如图3所示。坯料在挤压过程中发生扭转变形，同时弹簧装置自由伸缩，通道各部分宽度及弯曲角度不同，形成如图6所示坯料变形状态，坯料Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各自宽度不同，扭转角度不同。坯料各部分流速不同，引入大量剪切变形，镁合金晶粒c轴偏转，进而细化晶粒，弱化基面织构。扭转区域Ⅱ在镁合金坯料成形过程中不断扭转并挤压进入该区域的镁合金坯料，产生剧烈塑性变形以细化晶粒，弱化基面织构。

进一步地，通道中弹簧顶端半球形的模具挤压头大小不一致，r＜R，且不同大小的模块可进行不规则排列，如扭转通道左侧半球状模块半径大于右侧半球状模块半径、大、小直径半球状模具挤压头在扭转通道间隔排列等，如图5所示。坯料在扭转挤压过程中，模具挤压头大小不同，排列方式不规则，在扭转通道中各部分流速不同，流经半径r圆弧的流速为v₃，流经半径R圆弧的流速为v₄，v₃＞v₄，从而使坯料在扭转挤压通道内受到剪切力的作用发生连续剪切变形，迫使镁合金晶粒c轴偏转，进而细化晶粒，弱化基面织构。

进一步地，所述扭转挤压空间包括由上至下的固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ与固定区域Ⅲ，扭转区域Ⅱ在镁合金坯料成形过程中不断扭转并挤压进入该区域的镁合金坯料，产生剧烈塑性变形以细化晶粒，最终有固定区域Ⅲ将镁合金坯料整形。

进一步地，所述上、中、下三部分凹模、挤压凸模模具及伸缩杆的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢，上、中、下三部分凹模和挤压凸模模具的表面粗糙度均为Ra0.16~0.4μm。

进一步地，所述通入凹模中的有机热载体温度均为250~500℃。

进一步地，下部凹模可根据需要进行替换，以制得不同形状的高性能镁合金棒材、型材、块材、管材等。

本发明还公开一种连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的工艺方法，配套设施有为凹模组件加热通道提供热油的油箱控制器以及油温机，控制伸缩装置的伸缩装置控制器、为镁合金坯料加热的加热炉及加热炉控制器、控制压力电机的压力电机控制器，以及集成各个控制器的电气控制柜；上部凹模、中部凹模以及下部凹模内部的挤压通道分别作为固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ和固定区域Ⅲ；所述工艺方法包括如下步骤：S1、镁合金坯料预处理：

S1-1、镁合金坯料表面用600目砂纸进行打磨，去除油污，然后依次用800目、1000目、1200目砂纸进行打磨，直至镁合金坯料表面光洁；

S1-2、将丙酮与无水乙醇按体积比3:2配制成超声波清洗液，在清洗槽中混合并搅拌均匀；

S1-3、将步骤S1-1制备的镁合金坯料浸没入步骤S1-2制备的清洗液内，将清洗槽放置在超声波清洗机上对镁合金坯料超声波清洗30~60min，取出镁合金坯料并用无水乙醇清洗，最后用吹风机冷风吹干；

S1-4、将步骤S1-3制备的镁合金坯料的表面涂抹石墨油溶液，后续使用；

S2、镁合金坯料预热：操作真空气氛加热炉控制器开启真空气氛加热炉，预设加热温度为400~500℃，加热炉炉温达到设定温度后，将镁合金坯料放入加热炉内，保温2~4h；

S3、连续扭转挤压成形模具的润滑、装配与预热：

S3-1、润滑：将所有模具表面擦拭干净，将上部凹模与中部凹模的接触面、中部凹模与下部凹模的接触面，中部凹模各部分的接触面以及构成挤压通道的所有零件表面全部涂抹石墨油溶液；

S3-2、装配：首先，将下部凹模固定在工作平台上，再依次固定中部凹模各部分，最后固定上部凹模，上部凹模、中部凹模及下部凹模的轴线重合；固定伸缩装置，锯齿状的伸缩杆与中部凹模的齿轮啮合；控制液压机顶座的挤压凸模模具向下插入上部凹模，且不要与上部凹模触碰，保证挤压凸模模具14的轴线与上部凹模直壁区轴线重合，出料口位置与贯穿工作平台和垫板设置的漏料孔对齐；

S3-3、预热：油温机控制器开启三台油温机，设定通入上部凹模中的热油温度为250~500℃，通入中部凹模中的热油温度为250~500℃，通入下部凹模19中的热油温度为250~500℃，达到设定温度后保温2~4h；

S4、连续差速挤压成形：

S4-1、控制立式液压机顶座退出挤压凸模模具，将镁合金坯料放入挤压通道内并使其与上部凹模接触，控制挤压凸模模具下行进行挤压，挤压速度为10~200mm/min，挤压过程中，控制三台油温机始终保证通入上部凹模中的热油温度为250~500℃，通入中部凹模中的热油温度为250~500℃，通入下部凹模中的热油温度为250~500℃，镁合金坯料在挤压通道内由上至下依次经过固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ与固定区域Ⅲ，最终从漏料孔挤出，制得高性能细晶镁合金材料；

还包括步骤S4-2和S4-3：

S4-2、连续差速挤压成形完成后，执行以下步骤a或者步骤b：

a.若需要继续制备高性能细晶镁合金材料：首先，关闭油温机，控制立式液压机顶座退出挤压凸模模具直至足够放入下一块镁合金坯料；然后，将经步骤S4-1挤压获得的高性能细晶镁合金材料从漏料孔处锯断；最后，将伸缩装置、中部凹模恢复至初始装配位置，放入下一块镁合金坯料后，开启油温机并重复步骤S4-1进行连续扭转挤压成形，直至全部镁合金坯料连续扭转挤压成形完成后执行步骤b；

b.若不需要继续获得高性能细晶镁合金，则关闭油温机，控制立式液压机顶座退出挤压凸模模具，待模具与坯料均冷却至室温后，将模具从立式液压机上拆卸下，将挤压获得的高性能细晶镁合金从漏料孔处锯断，将通道内未成形的镁合金坯料取出，封存模具以待后续使用；

S4-3、取出步骤S4-2制得的高性能细晶镁合金材料，用砂纸打磨其表面，然后用步骤S1-2制备的超声波清洗液清洗，最后用无水乙醇二次清洗，并用吹风机吹干，制得性能细晶镁合金成品。

与现有技术相比发明的有益效果为：

1. 变通道连续扭转挤压镁合金坯料使得镁合金材料晶粒细化效果更为显著，基面织构较大程度弱化且所得细晶镁合金材料组织均匀，强韧性大幅提高。

2. 分块式结构，使用者可根据需求变更模块以制备不同的细晶镁合金棒材、型材、块材、管材等。

附图说明

图1为本发明模具的主视结构主视结构示意图；

图2为本发明模具的通道主视结构示意图；

图3为图1中间模具及伸缩装置的俯视结构示意图；

图4为扭转挤压通道内弹簧部件主视图及侧视图；

图5为部分弹簧部件自由排列通道俯视图；

图6为部分不同形状下的扭挤通道内坯料形状示意图。

图中：1-显示屏；2-指示信号灯；3-开始按钮；4-油箱控制器；5-加热炉控制器；6-连接导线；7-电气控制柜；8-压力电机控制器；9-伸缩装置控制器；10-停止按钮；11-压力电机；12-液压机顶座；13-挤压凸模伸缩压头；14-挤压凸模模具；15-上部凹模；16-凹模固定架；17-中部凹模；18-伸缩装置；19-下部凹模；20-垫板；21-镁合金坯料；22-立柱；23-工作平台；24-加热通道；25-液压机底座；26-弹簧装置；27-高温橡胶垫；28-模具挤压头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

一种连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的装置，包括立式液压机，其中，立式液压机包括液压机顶座12、压力电机11、挤压凸模伸缩压头13、挤压凸模模具14、立柱22、工作平台23和液压机底座25，工作平台23和液压机底座25中心开有通孔，两根所述立柱22竖直向上将液压机顶座12支撑在工作平台23的上方，液压机顶座12横跨于立柱22的上方，压力电机11安装在液压机顶座12上，挤压凸模伸缩压头13安装在压力电机11的活动端且位于液压机顶座12的下方，挤压凸模模具14竖直向下安装于挤压凸模伸缩压头13的下方；

所述液压机底座25上固定有工作平台23及伸缩装置18，工作平台23上固定有凹模固定架16及位于凹模固定架16中间且中心开孔的垫板20，所述垫板20上以及凹模固定架16之间固定有凹模组件，所述凹模组件包括自上而下排布的上部凹模15、中部凹模17和下部凹模19；上部凹模15的底面以及下部凹模的顶面均带有凸出的环形凸台，中部凹模17的顶面和底面均设有环形卡槽，环形凸台与环形卡槽相配合用于固定中部凹模17，并使中部凹模17自由转动且不发生偏移。上部凹模15、中部凹模17及下部凹模19内均设有供有机热载体流动的加热通道24。上方凹模15、中间凹模17及下方凹模19自上而下开有相互贯通的挤压通道，垫板20、工作平台23、和液压机底座25与挤压通道出料口相对的部分也上下贯穿作为漏料孔。

进一步地，中部凹模17外部为齿轮状，所述伸缩装置18包括位于凹模固定架16左右两侧的伸缩支架、驱动装置以及水平安装在伸缩支架上的左右伸缩杆；左右两个伸缩杆与中部凹模17相切，为锯齿状能够自由伸缩，且与中部凹模17外部的齿轮啮合，两根伸缩杆平行于伸缩杆本身方向同时向相反方向运动，带动齿轮使中部凹模17发生转动。中部凹模17内部的挤压通道周圈自上而下固定有多层弹簧装置26，每层弹簧装置26均包括环绕中部凹模17内部挤压通道周圈设置的多个弹簧，弹簧朝向中部凹模17中心的一端连接有高温橡胶垫及半球形的模具挤压头，所述模具为半球形，高温橡胶垫为矩形，矩形及半球形模块连接为固定整体，形成扭转区域Ⅱ。半球形的模具挤压头半径不同，在通道内呈不规则自由排列，其下方的矩形模块边长与半球形模具挤压头直径相同。随挤压过程进行，中间模具发生微小旋转，同时通道内弹簧及模块可做自由伸缩运动，改变通道形状，形成不规则通道。

进一步地，锯齿状伸缩杆与中部凹模17的齿轮啮合，伸缩装置18由电气控制柜通过伸缩装置控制器9实现控制，两根伸缩杆平行于伸缩杆本身方向同时向相反方向运动，运动速度为v₂。伸缩杆带动齿轮使中间模具沿逆时针或顺时针方向发生微小转动，中部凹模旋转角度不超过15°，旋转速度为v₁。伸缩杆远离中部凹模17方向运动，中部凹模17沿顺时针方向转动，通道形状可变换为沿逆时针或顺时针方向扭转通道；伸缩杆向中部凹模方向运动，中部凹模沿逆时针方向转动，通道形状可变换为沿顺时针或逆时针方向扭转通道，如图3所示。镁合金坯料21在挤压过程中发生扭转变形，同时弹簧装置自由伸缩，通道各部分宽度及弯曲角度不同，形成如图6所示坯料变形状态，坯料Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ各自宽度不同，扭转角度不同。镁合金坯料21各部分流速不同，引入大量剪切变形，镁合金晶粒c轴偏转，进而细化晶粒，弱化基面织构。扭转区域Ⅱ在镁合金坯料成形过程中不断扭转并挤压进入该区域的镁合金坯料，产生剧烈塑性变形以细化晶粒，弱化基面织构。

进一步地，通道中弹簧顶端半球形模具挤压头大小不一致，r＜R，且不同大小的模块可进行不规则排列，如扭转通道左侧半球状模具挤压头半径大于右侧半球状模具挤压头半径、大、小直径半球状模块在扭转通道间隔排列等，如图5所示。坯料在扭转挤压过程中，模具挤压头大小不同，排列方式不规则，在扭转通道中各部分流速不同，流经半径r圆弧的流速为v₃，流经半径R圆弧的流速为v₄，v₃＞v₄，从而使坯料在扭转挤压通道内受到剪切力的作用发生连续剪切变形，迫使镁合金晶粒c轴偏转，进而细化晶粒，弱化基面织构。

进一步地，所述扭转挤压空间包括由上至下的固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ与固定区域Ⅲ，扭转区域Ⅱ在镁合金坯料21成形过程中不断扭转并挤压进入该区域的镁合金坯料21，最终有固定区域Ⅲ将镁合金坯料21整形。

进一步地，所述上、中、下三部分凹模、挤压凸模模具及伸缩杆的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢，上、中、下三部分凹模和挤压凸模模具的表面粗糙度均为Ra0.16~0.4μm。

进一步地，所述通入凹模中的有机热载体温度均为250~500℃。

进一步地，锯齿状伸缩杆与中部凹模17齿轮啮合，伸缩装置18由控制柜控制，两根伸缩杆平行于伸缩杆本身方向同时向相反方向运动，运动速度为v₂。伸缩杆18带动齿轮使中部凹模17沿逆时针或顺时针方向发生微小转动，中部凹模17旋转角度不超过15°，旋转速度为v₁。在挤压过程中中部凹模17内部通道弹簧装置26可任意变换通道形状，形成不规则连续扭转挤压通道，通道中弹簧顶端半球形模块大小不一致，r＜R，且不同大小的模块可进行不规则排列。镁合金坯料21在扭转挤压过程中，在大小不同的模块作用下，各部分流速不同，流经半径r圆弧的流速为v₃，流经半径R圆弧的流速为v₄，v₃＞v₄，从而使镁合金坯料21受到剪切力的作用发生连续剪切变形，迫使镁合金晶粒c轴偏转，进而细化晶粒，弱化基面织构。

进一步地，下方凹模可根据需要进行替换，以制得不同形状的高性能镁合金棒材、型材、块材、管材等。

本具体实施方式中，在进行连续扭转挤压变形制备高性能镁合金之前先精选制备过程需要的材料、化学试剂：

1、镁合金坯料21；

2、砂纸，固态固体；

3、石墨油溶液，黏稠液体；

4、无水乙醇，液态液体，纯度99.5%；

5、丙酮，液态液体，纯度99%。

一种采用上述方式连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的方法，包括以下步骤：

S1、镁合金坯料21预处理：

S1-1、镁合金坯料21表面用600目砂纸进行打磨，去除油污，然后依次用800目、1000目、1200目砂纸进行打磨，直至镁合金坯料21表面光洁；

S1-2、将丙酮与无水乙醇按体积比3:2配制成超声波清洗液，在清洗槽中混合并搅拌均匀。

S1-3、将步骤S1-1制备的镁合金坯料21浸没入步骤S1-2制备的清洗液内，将清洗槽放置在超声波清洗机上对镁合金坯料21超声波清洗30~60min，取出镁合金坯料21并用无水乙醇清洗，最后用吹风机冷风吹干；

S1-4、将步骤S1-3制备的镁合金坯料21的表面涂抹石墨油溶液，后续使用；

S2、镁合金坯料21预热：操作加热炉控制器5开启真空气氛加热炉，预设加热温度为400~500℃，加热炉炉温达到设定温度后，将镁合金坯料21放入加热炉内，保温2~4h；

S3、连续扭转挤压成形模具的润滑、装配与预热：

S3-1、润滑：将所有模具表面擦拭干净，将上部凹模15与中部凹模17的接触面、中部凹模17与下部凹模19的接触面，中部凹模17各部分的接触面以及构成挤压通道的所有零件表面全部涂抹石墨油溶液；

S3-2、装配：首先，将下部凹模19固定在工作平台23上，再依次固定中部凹模17各部分，最后固定上部凹模15，上部凹模15、中部凹模17及下部凹模19的轴线重合；固定伸缩装置，锯齿状伸缩杆与中部模具齿轮啮合；控制液压机顶座12的挤压凸模模具14向下插入上部凹模15内，且不要与上部凹模15触碰，保证挤压凸模模具14的轴线与上部凹模15直壁区轴线重合，出料口位置与贯穿工作平台23和垫板20设置的漏料孔对齐；

S3-3、预热：油箱控制器4开启三台油温机，设定通入上部凹模15中的热油温度为250~500℃，通入中部凹模17中的热油温度为250~500℃，通入下部凹模19中的热油温度为250~500℃，达到设定温度后保温2~4h；

S4、连续差速挤压成形：

S4-1、控制挤压凸模伸缩压头13将挤压凸模模具14从上部凹模15中退出，将镁合金坯料21放入挤压通道内并使其与上部凹模15接触，控制挤压凸模模具14下行进行挤压，挤压速度为10~200mm/min，挤压过程中，控制三台油温机始终保证通入上部凹模15中的热油温度为250~500℃，通入中部凹模17中的热油温度为250~500℃，通入下部凹模19中的热油温度为250~500℃，镁合金坯料21在挤压通道内由上至下依次经过固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ与固定区域Ⅲ，最终从漏料孔挤出，制得高性能细晶镁合金棒材；

S4-2、连续差速挤压成形完成后，执行以下步骤a或者步骤b：

a.若需要继续制备高性能细晶镁合金材料：首先，关闭油温机，控制挤压凸模伸缩压头13退出挤压凸模模具14直至足够放入下一块镁合金坯料21；然后，将经步骤S4-1挤压获得的高性能细晶镁合金材料从漏料孔处锯断；最后，将伸缩装置18、中部凹模17及其弹簧装置26恢复至初始装配位置，放入下一块镁合金坯料21后，开启油温机并重复步骤S4-1进行连续扭转挤压成形，直至全部镁合金坯料21连续扭转挤压成形完成后执行步骤b；

b.若不需要继续获得高性能细晶镁合金材料，则关闭油温机，控制挤压凸模伸缩压头13退出挤压凸模模具14，待模具与坯料均冷却至室温后，将模具从立式液压机上拆卸下，将挤压获得的高性能细晶镁合金材料从漏料孔处锯断，将通道内未成形的镁合金坯料21取出，封存模具以待后续使用；

S4-3、取出步骤S4-2制得的高性能细晶镁合金材料，用砂纸打磨其表面，然后用步骤S1-2制备的超声波清洗液清洗，最后用无水乙醇二次清洗，并用吹风机吹干，制得性能细晶镁合金材料成品。

具体实施例

本发明的配套设施有为凹模组件加热通道24提供热油的油箱控制器4以及油温机，控制伸缩装置的伸缩装置控制器9、为镁合金坯料21加热的加热炉及加热炉控制器5、控制压力电机11的压力电机控制器8，以及集成各个控制器的电气控制柜7；电气控制柜和立式液压机通过导线连接。

一种连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的加工工艺及方法，采用如下步骤：

（1）将挤压装置安装于立式液压挤压机上，安装牢固，各部位置，连接关系要正确，按序操作；

（2）将AZ31镁合金棒材坯料外表面用600目砂纸进行打磨，去除油污，随后依次用1000，1200，2500目砂纸进行打磨，确保表面清洁、光滑；将打磨好的镁合金棒材坯料置于丙酮和无水乙醇体积比为3:2的混合液中进行超声波清洗30min，随后用酒精清洗并用吹风机吹干；

（3）开启真空气氛加热炉对镁合金棒材坯料进行预热，预设温度为400℃，达到预定温度时继续将镁合金棒材坯料置于加热炉中保温2h；

（4）在镁合金块棒材坯料表面涂抹高温石墨油溶液进行润滑，将下部凹模19固定在工作平台23上，再固定中部凹模17，最后固定上部凹模15，上部凹模15、中部凹模17及下部凹模19的轴线重合；固定伸缩杆装置，锯齿状伸缩杆与中间模具齿轮啮合；

（5）开启油温机加热装置，对挤压模腔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ进行加热，加热温度预设为400℃，达到预设温度后继续保温2h；

（6）将预热后的镁合金棒材坯料置于模腔Ⅰ内，将挤压凸模模具14伸入模腔Ⅰ内，并接触镁合金棒材坯料，出料口位置与贯穿工作平台23和垫板20设置的漏料孔对齐；本发明中凹模、挤压凸模及伸缩杆均用4Cr5MoSiV1热作模具钢制作，挤压模腔及挤压凸模模具表面光滑，粗糙度为Ra0.16μm；

（7）开启压力电机，设置压强为400MPa，同时开启伸缩装置18，立式液压机横梁带动挤压凸模模具14同时下行，对置于挤压模腔Ⅰ内的镁合金坯料21进行挤压，坯料在挤压模腔Ⅰ内的转角区发生剪切变形，当坯料通过中心模腔Ⅱ时，由于模腔内弹簧装置自由伸缩，形成不规则连续扭转通道，同时伸缩装置18带动中间凹模发生微小转动，模腔壁对坯料产生扭转作用力，通过模腔Ⅱ的坯料不断产生扭转变形。与此同时，挤压凸模模具14不断施加压力对坯料进行挤压，当镁合金坯料21通过模腔Ⅲ时，在转角区发生剪切变形，被挤压变细，下部凹模19调整坯料形状，形成直径为20mm棒材，实现镁合金棒材的变通道扭转挤压加工过程；

（8）取出镁合金棒材，使用砂纸对其表面进行打磨，随后置于丙酮和无水乙醇体积比为3:2的混合液中进行超声波清洗，最后用酒精清洗并用吹风机冷风吹干。

结论：通过本发明的变通道扭转挤压加工方法，镁合金坯料的平均晶粒尺寸与常规镁合金相比大大减小，从原始的20.83μm减小到1.32 μm，织构强度从25.48减小至6.33，织构强度显著降低，镁合金综合力学性能得到显著提升，可满足当前对高性能镁合金的市场需求。

所用材料、化学试剂：镁合金型材：AZ31镁合金块状坯料；砂纸：SiC，600目，2张；1000目，2张；1200目，2张；2500目，2张；高温石墨油溶液：C，500g；无水乙醇：CH₃CH₂OH，1200ml；丙酮：C₃H₆O，800ml。

以下结合附图对本发明通过上述步骤获得弱基面织构镁合金材料的原理进行详述：

如图1所示，为本发明中模具的主视结构主视结构示意图；在放入坯料之前坯料需要经过真空气氛加热炉加热至指定温度并在表面均匀涂抹高温石墨油溶液进行润滑。凹模、挤压凸模及伸缩杆均用4Cr5MoSiV1热作模具钢制作，模腔内部表面光滑，粗糙度为Ra0.16~0.4μm，模腔外部设有加热装置，可设定加热温度使模腔迅速升温，在进行坯料加工时通过加热装置使模腔升温至指定温度。

如图2所示，为本发明模具的通道主视结构示意图；挤压过程中，镁合金坯料21经过模腔Ⅰ转角区时，发生剪切变形，弱化基面织构、细化晶粒；在镁合金坯料21经过模腔Ⅱ时，通道中弹簧顶端半球形模具挤压头28大小不一致，r＜R，且不同大小的模块进行不规则排列，最终形成各种扭转角度不同宽度不同的不规则通道；在大小不同的模块作用下，各部分流速不同，流经半径r圆弧的流速为v₃，流经半径R圆弧的流速为v₄，v₃＞v₄，且通道各部分宽度及弯曲角度不同，从而使坯料受到剪切力的作用发生连续剪切变形，迫使镁合金晶粒c轴偏转，进而细化晶粒，弱化基面织构；此外，当镁合金坯料21通过模腔Ⅲ时，在转角区发生剪切变形，弱化基面织构、细化晶粒。

如图3所示，为图1中部凹模及伸缩装置的俯视结构示意图；坯料在扭转挤压过程中，中部凹模17内部形成不规则扭转通道，同时外部伸缩装置18带动中部凹模17做微小转动，模腔壁对坯料产生扭转作用力，通过中心模腔Ⅱ的坯料不断产生扭转变形。

如图4所示，为扭转挤压通道内弹簧部件主视图及侧视图；如图5所示，为部分弹簧部件自由排列通道俯视图；如图6所示，为部分不同形状下的扭挤通道内坯料形状示意图。

在整个变通道连续扭转挤压剪切变形的过程当中，镁合金坯料通过多道次变形不断累积变形量，引入大的应变，迫使镁合金晶粒c轴偏转，金属晶粒发生细化，得到超细晶金属，弱化基面织构，使镁合金力学性能得到提高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的装置，包括立式液压机，其特征在于，立式液压机包括液压机顶座（12）、压力电机（11）、挤压凸模伸缩压头（13）、挤压凸模模具（14）、立柱（22）、工作平台（23）和液压机底座（25），工作平台（23）和液压机底座（25）中心开有通孔，两根所述立柱（22）竖直向上将液压机顶座（12）支撑在工作平台（23）的上方，液压机顶座（12）横跨于立柱（22）的上方，压力电机（11）安装在液压机顶座（12）上，挤压凸模伸缩压头（13）安装在压力电机（11）的活动端且位于液压机顶座（12）的下方，挤压凸模模具（14）竖直向下安装于挤压凸模伸缩压头（13）的下方；

所述液压机底座（25）上固定有工作平台（23）及伸缩装置（18），工作平台（23）上固定有凹模固定架（16）及位于凹模固定架（16）中间且中心开孔的垫板（20），所述垫板（20）上以及凹模固定架（16）之间固定有凹模组件，所述凹模组件包括自上而下排布的上部凹模（15）、中部凹模（17）和下部凹模（19）；上部凹模（15）的底面以及下部凹模（19）的顶面均带有凸出的环形凸台，中部凹模（17）的顶面和底面均设有环形卡槽，环形凸台与环形卡槽相配合用于固定中部凹模（17），并使中部凹模（17）自由转动且不发生偏移；上部凹模（15）、中部凹模（17）及下部凹模（19）内均设有供有机热载体流动的加热通道（24）；上部凹模（15）、中部凹模（17）及下部凹模（19）自上而下开有相互贯通的挤压通道，垫板（20）、工作平台（23）、和液压机底座（25）与挤压通道出料口相对的部分也上下贯穿作为漏料孔；

中部凹模（17）外部为齿轮状，所述伸缩装置（18）包括位于凹模固定架（16）左右两侧的一对伸缩支架、驱动装置以及水平安装在伸缩支架上的左右伸缩杆；左右两个伸缩杆与中部模具（17）相切，为锯齿状能够自由伸缩，且与中部模具（17）外部的齿轮啮合，两根伸缩杆平行于伸缩杆本身方向同时向相反方向运动，带动齿轮使中部模具（17）发生转动；中部凹模（17）内部的挤压通道内壁周圈自上而下固定有多层弹簧装置（26），每层弹簧装置（26）均包括环绕中部凹模（17）内部挤压通道周圈设置的多个弹簧，弹簧朝向中部凹模（17）中心的一端连接有高温橡胶垫（27）及半球形的模具挤压头（28），高温橡胶垫（27）为矩形，矩形的高温橡胶垫（27）与半球形的模具挤压头（28）连接为固定整体，在中部模具（17）的挤压通道内形成扭转区域Ⅱ。

2.如权利要求1所述的连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的装置，其特征在于，上部凹模（15）内的挤压通道中下部呈收口结构，形成转角区；下部凹模（19）内的挤压通道的中上部呈收口结构，形成转角区。

3.如权利要求1或2所述的连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的装置，其特征在于，模具挤压头（28）半径不同，在通道内呈不规则自由排列。

4.如权利要求1或2所述的连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的装置，其特征在于，模具挤压头（28）的半径分为R和r，R>r，扭转通道左侧模具挤压头（28）半径大于右侧模具挤压头（28）半径；或者大、小直径模具挤压头（28）在扭转通道间隔排列。

5.如权利要求1或2所述的连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的装置，其特征在于，中部凹模（17）的内壁也安装有矩形的高温橡胶垫，所述弹簧通过该高温橡胶垫安装在中部凹模的内壁。

6.如权利要求1或2所述的连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的装置，其特征在于，凹模组件、挤压凸模模具（14）及伸缩杆均用4Cr5MoSiV1热作模具钢制作，挤压通道内壁及挤压凸模模具（14）表面光滑，粗糙度为Ra0.16μm。

7.一种连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的方法，配套设施有为凹模组件加热通道（24）提供热油的油温机以及油箱控制器（4），控制伸缩装置的伸缩装置控制器（9）、为镁合金坯料（21）加热的加热炉及加热炉控制器（5）、控制压力电机（11）的压力电机控制器（8）以及集成上述各控制器的电气控制柜（7）；上部凹模（15）、中部凹模（17）以及下部凹模（19）内部的挤压通道分别作为固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ和固定区域Ⅲ；其特征在于，所述工艺方法包括如下步骤：S1、镁合金坯料预处理：

S1-1、镁合金坯料（21）表面用600目砂纸进行打磨，去除油污，然后依次用800目、1000目、1200目砂纸进行打磨，直至镁合金坯料表面光洁；

S1-2、将丙酮与无水乙醇按体积比3:2配制成超声波清洗液，在清洗槽中混合并搅拌均匀；

S1-3、将步骤S1-1制备的镁合金坯料（21）浸没入步骤S1-2制备的清洗液内，将清洗槽放置在超声波清洗机上对镁合金坯料超声波清洗30~60min，取出镁合金坯料并用无水乙醇清洗，最后用吹风机冷风吹干；

S1-4、将步骤S1-3制备的镁合金坯料（21）的表面涂抹石墨油溶液，后续使用；

S2、镁合金坯料预热：操作加热炉控制器（5）开启真空气氛加热炉，预设加热温度为400~500℃，加热炉炉温达到设定温度后，将镁合金坯料（21）放入加热炉内，保温2~4h；

S3、连续扭转挤压成形模具的润滑、装配与预热：

S3-1、润滑：将所有模具表面擦拭干净，将上部凹模（15）与中部凹模（17）的接触面、中部凹模（17）与下部凹模（19）的接触面，中部凹模（17）各部分的接触面以及构成挤压通道的所有零件表面全部涂抹石墨油溶液；

S3-2、装配：首先，将下部凹模（19）固定在工作平台（23）上，再依次固定中部凹模（17）各部分，最后固定上部凹模（15），上部凹模（15）、中部凹模（17）及下部凹模（19）的轴线重合；固定伸缩装置（18），锯齿状的伸缩杆与中部凹模（17）的齿轮啮合；控制液压机顶座（12）的挤压凸模模具（14）向下插入上部凹模（15），且不要与上部凹模（15）触碰，保证挤压凸模模具（14）的轴线与上部凹模（15）直壁区轴线重合，出料口位置与贯穿工作平台（23）和垫板（20）设置的漏料孔对齐；

S3-3、预热：油温机控制器开启三台油温机，设定通入上部凹模（15）中的热油温度为250~500℃，通入中部凹模（17）中的热油温度为250~500℃，通入下部凹模（19）中的热油温度为250~500℃，达到设定温度后保温2~4h；

S4、连续差速挤压成形：

S4-1、控制立式液压机顶座（12）退出挤压凸模模具（14），将镁合金坯料（21）放入挤压通道内并使其与上部凹模（15）接触，控制挤压凸模模具（14）下行进行挤压，挤压速度为10~200mm/min，挤压过程中，控制三台油温机始终保证通入上部凹模（15）中的热油温度为250~500℃，通入中部凹模（17）中的热油温度为250~500℃，通入下部凹模（19）中的热油温度为250~500℃，镁合金坯料（21）在挤压通道内由上至下依次经过固定区域Ⅰ、扭转区域Ⅱ与固定区域Ⅲ，最终从漏料孔挤出，制得高性能细晶镁合金材料。

8.如权利要求7所述的一种连续扭转挤压制备弱织构细晶镁合金的工艺方法，其特征在于，还包括步骤S4-2和S4-3：

S4-2、连续差速挤压成形完成后，执行以下步骤a或者步骤b：

a.若需要继续制备高性能细晶镁合金材料：首先，关闭油温机，控制立式液压机顶座退出挤压凸模模具（14）直至足够放入下一块镁合金坯料（21）；然后，将经步骤S4-1挤压获得的高性能细晶镁合金材料从漏料孔处锯断；最后，将伸缩装置（18）、中部凹模（17）恢复至初始装配位置，放入下一块镁合金坯料（21）后，开启油温机并重复步骤S4-1进行连续扭转挤压成形，直至全部镁合金坯料（21）连续扭转挤压成形完成后执行步骤b；

b.若不需要继续获得高性能细晶镁合金，则关闭油温机，控制立式液压机顶座退出挤压凸模模具（14），待模具与坯料均冷却至室温后，将模具从立式液压机上拆卸下，将挤压获得的高性能细晶镁合金从漏料孔处锯断，将通道内未成形的镁合金坯料（21）取出，封存模具以待后续使用；

S4-3、取出步骤S4-2制得的高性能细晶镁合金材料，用砂纸打磨其表面，然后用步骤S1-2制备的超声波清洗液清洗，最后用无水乙醇二次清洗，并用吹风机吹干，制得性能细晶镁合金成品。

Images