CN115807200B - 一种径向梯度组织可控的镁合金棒材制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种径向梯度组织可控的镁合金棒材制备方法，涉及镁合金加工成形领域。具体方法面向直径为10～60mm的镁合金棒材的高强塑性匹配制备，棒材整体匀速旋转的同时，在棒材加热区域施加弯曲变形，棒材经过反复旋转弯曲变形，有效塑性应变在表层不断累积，该部位晶粒得到细化，并形成一定厚比的细晶层，沿棒材径向构筑由内及表、由大到小的梯度组织，同时增强棒材的强度与塑性。本发明在提高材料强度的同时保证了塑性，具有工艺流程简单、加工后表面质量良好、形状尺寸变化小、制造成本低等优点，材料利用率显著提高。
Description
技术领域
本发明属于合金加工成形技术领域，具体涉及一种径向梯度组织可控的镁合金棒材制备方法。
背景技术
绿色汽车、军用装备、仪器仪表、医疗器械等领域产品的轻量化需求越发紧急和迫切。高性能镁合金棒材在轮椅支撑架、康复器械、新型单车等产品应用前景广阔，需求量大。现有镁合金棒材生产工艺有两种，一种是挤压工艺，坯料放在挤压模具中施加压力使其通过模孔以实现塑性变形；另一种是轧制工艺，将坯料加工成棒坯再经预热后进行孔型轧制。这两种工艺得到的棒材尺寸依赖大直径原料，受传统工艺限制，生产成本高昂。现有生产工艺制备的棒材强度与塑性匹配性差，并且难以精准控制。目前提高镁合金棒材强塑性的手段多采用大塑性变形(SPD)工艺，但SPD工艺对棒材的晶粒细化效果差、晶粒分布不均，对原料尺寸规格要求具有局限性，难以达到工业实用性。
近几年，众学者在金属材料中引入梯度组织，在材料内部构筑梯度组织结构能实现强塑性同时提升，达到大、小晶粒层由内及表均匀分布，大晶粒层可保证材料的塑性，小晶粒层则保证材料的强度。若在镁合金棒材上实现由内及表的梯度组织结构构筑，可使材料的强塑性达到良好配合，并且表层细晶具有一定的变形协调能力和硬度，一定程度上抑制变形过程中表层金属的开裂，还能提升防腐、防护能力。
发明内容
针对目前棒材的晶粒细化效果差、晶粒分布不均，对原料尺寸规格要求具有局限性的问题，本发明提供了一种径向梯度组织可控的镁合金棒材制备方法。适合大尺寸、长尺寸的镁合金棒材，制备工艺简单，加工前后尺寸变化不大，加工条件不苛刻，材料利用率高，制备沿径向由内及表的梯度组织对实现强塑性良好配合具有重大意义。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种径向梯度组织可控的镁合金棒材制备方法，首先使棒材绕轴线旋转，再通过对单位长度变形区进行加热，达到目标温度，保持旋转的同时使单位长度变形区棒材产生弯曲变形，通过调控弯曲角度γ、旋转速度n和旋转周期t，以调控变形区内单位节点累积形成的有效塑性应变εE，完成单位长度变形后，棒材继续保持旋转，调整棒材状态直至恢复直棒形状，棒材变形区获得沿径向梯度晶粒组织；最后，棒材沿轴向进给，进入下一单位变形区，直至构筑有效长度棒材的梯度组织。
进一步，因棒材弯曲程度受棒材尺寸、旋转周期、材料棒材延伸率不同程度影响，同时防止产生累积性损伤破坏，所以弯曲角度γ表示为：
γ＝(k1d+k2nt+k3δ)
式中，d为棒材的直径，n为旋转速度，t为旋转周期，δ为镁合金室温延伸率，k1为尺寸影响系数，k1＝1.6～1.8，k2为旋转影响系数，k2＝0.4～0.5，k3为材料影响系数，k3＝1.2～1.9。
镁合金棒材在旋转和弯曲的共同作用下，每经过一次旋转加工，塑性变形区均经历一次拉伸变形和一次压缩变形，经过一定的旋转周期，变形区不断累积有效塑性应变，棒材沿径向构筑由内及表的梯度组织是由于在旋转弯曲过程中，棒材径向截面单位节点累积有效塑性应变量εE沿径向从未变形区向变形区增大，而镁合金的晶粒尺寸与εE呈现强烈的负相关性；在理想旋转弯曲状态下，不考虑棒材中性层偏移，εE沿棒材周向均匀变化，棒材累积变化过程中形成变形区和未变形区两区域，未变形区径向截面是以棒材径向截面中心节点为圆心的半径r圆形区域，由决定，旋转速度n、弯曲角度γ和旋转周期t综合决定棒材变形区径向截面单位节点累积有效塑性应变量εE；所述单位节点累积形成的有效塑性应变εE表示为：εE＝ntεe，εe＝k4hε，
k4＝nt/γ，其中，εe为单圈次棒材径向截面的单位节点等效塑性应变；k4为径向系数；h为单位节点距离棒材径向截面未变形区的距离，r≤h≤0.5d；ε为单圈次棒材径向截面最外节点处等效塑性应变。棒材中性层两侧交替产生拉伸变形和压缩变形；如图4镁合金棒材中性层两侧拉应力和压应力分布示意图所示。
进一步，所述弯曲角度γ应控制在140°～180°。
进一步，所述旋转速度n应控制在30r/min≤n≤60r/min。为了稳定弯曲过程、保证良好的梯度组织效果、表面加工精度和防止产生累积性损伤破坏，旋转速度应控制在30～120r/min范围内。
进一步，所述镁合金棒材的直径为10～60mm。
进一步，使用能随棒材联动调位且具有角向补偿的旋转夹具，夹持棒材绕其轴线旋转。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
本发明径向梯度组织可控的镁合金棒材制备方法，经过旋转弯曲加工后获得的梯度组织构筑，一方面，通过精准调控棒材旋转速度n、弯曲角度γ和旋转周期t来控制棒材所受累积等效应变的大小、沿径向由内及表组织的粗晶、细晶占比，从而使棒材强塑性达到良好配合；另一方面，表层细晶制备后具有一定的变形协调能力和硬度，不容易引起变形过程中表层开裂，还能提升防腐、防护能力。
本发明方法保证棒材形状尺寸保持不变的前提下，完成沿径向由内及表的梯度组织构筑，棒材的强塑性达到良好配合，保证镁合金棒材力学综合性能的同时提高了棒材成材率。
通过本发明方法使得棒材弯曲变形可以达到精准控制，加工变形后尺寸规格无明显变化，棒材成材率显著提高，可实现棒材连续加工变形，保证了镁合金棒材力学性能、表面质量，制备工艺简单，成本低廉，可实现工业实用性。
附图说明
图1为棒材旋转弯曲过程俯视示意图；
图2为径向梯度组织可控的镁合金棒材制备的工艺流程示意图；
图3为镁合金棒材旋转弯曲过程中更换单位变形区示意图；
图4为镁合金棒材中性层两侧拉应力和压应力分布示意图；
图5为镁合金棒材变形过程中径向截面等效塑性应变示意图。
图中符号：①为步进电机，②能随棒材联动调位且具有角向补偿的旋转夹具，③为镁合金棒材，④为感应加热系统，⑤为冷却系统，⑥为前伸装置，⑦为变形区；d为镁合金棒材直径，n为棒材旋转速度，γ为棒材弯曲角度，t为棒材旋转周期，RD为沿棒材轴向进给方向，ND为垂直棒材轴线方向。
具体实施方式
以规格是500mm*10mm(长度*直径)的两根相同挤压态AZ31镁合金棒材作为实施例1试样(1号和2号)，其化学成分组织如表1所示：
表1实施例挤压态AZ31镁合金化学成份(wt％)
弯曲角度表示为：
γ＝(k1d+k2nt+k3δ)
式中，d为棒材的直径，n为旋转速度，t为旋转周期，δ为镁合金室温延伸率，k1为尺寸影响系数，k1＝1.6～1.8，k2为旋转影响系数，k2＝0.4～0.5，k3为材料影响系数，k3＝1.2～1.9。140°≤γ≤180°，30r/min≤n≤60r/min，10mm≤d≤60mm，
单位节点累积有效塑性应变εE表示为：
εE＝ntεe，εe＝k4hε，k4＝nt/γ，
其中，εe为单圈次棒材径向截面的单位节点等效塑性应变；k4为径向系数；h为单位节点距离棒材径向截面未变形区的距离，r≤h≤0.5d；ε为单圈次棒材径向截面最外节点处等效塑性应变。
如图1所示，使用的设备包括步进电机，能随棒材联动调位且具有角向补偿的旋转夹具，感应加热系统，冷却系统，前伸装置；
所述感应加热系统和冷却系统可以对棒材进行加热和冷却从而调整棒材变形区的温度；
所述前伸装置在原始位置和工作位置之间切换时促使匀速转动的棒材在直线状态和拉伸弯曲状态之间切换；
实施例1
首先使用能随棒材联动调位且具有角向补偿的旋转夹具，(选取8618HBS6401型号的步进电机控制旋转夹具)夹持1号棒材绕其轴线旋转，由感应加热系统感应加热和两侧的冷却系统冷却来控制单位变形区温度达到400℃，达到目标温度后，单位变形区长度为60mm，利用前伸装置使单位长度变形区棒材产生弯曲变形，此时在旋转和弯曲的共同作用下，棒材中性层两侧交替产生拉伸变形和压缩变形；随后，控制弯曲角度γ为145°、旋转速度n为50r/min，旋转周期t为2min，以调控变形区内单位节点累积形成的有效塑性应变εE；完成单位长度变形后，棒材继续保持旋转，前伸装置回退，直至恢复直棒形状，棒材变形区获得沿径向梯度晶粒组织；最后，棒材沿轴向进给，进入下一单位变形区，(如图3镁合金棒材旋转弯曲过程中更换单位变形区示意图所示)直至构筑有效长度棒材的梯度组织。加工完成后最外圈单位节点累积有效塑性应变量εE为0.6。
测量旋转弯曲后1号试样和初始挤压态2号试样沿径向从中性层到表层的细晶层厚比、平均晶粒尺寸。测量结果如表2。
表2细晶层测量结果
经过旋转弯曲工艺的1号棒材试样，获得沿径向由内及表的梯度组织构筑，沿径向从中心层到表层的细晶层占比提高了8.4％，表层晶粒组织得到细化，再结晶程度提高了18.61％，平均晶粒尺寸降低了37.53％。
因此本发明方法可通过精准调控棒材旋转弯曲参数来控制棒材所受累积等效应变的大小、从而控制沿径向由内及表组织粗晶、细晶占比，从而使棒材强塑性达到良好配合。
实施例2～6
首先使棒材绕轴线旋转，再通过对单位长度变形区进行加热，达到目标温度450℃，然后使单位长度变形区棒材产生弯曲变形，通过调控弯曲角度γ、旋转速度n和旋转周期t，以调控变形区内单位节点累积形成的有效塑性应变εE，完成单位长度变形后，棒材继续保持旋转，调整棒材状态直至恢复直棒形状，棒材变形区获得沿径向梯度晶粒组织；最后，棒材沿轴向进给，进入下一单位变形区，直至构筑有效长度棒材的梯度组织。
具体参数调整见表1
表1
实施例2～6测试结果见表2
表2
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (3)
1.一种径向梯度组织可控的镁合金棒材制备方法，其特征在于：首先使棒材绕轴线旋转，再通过对单位长度变形区进行加热，达到目标温度，保持旋转的同时使单位长度变形区棒材产生弯曲变形，通过调控弯曲角度γ、旋转速度n和旋转周期t，以调控变形区内单位节点累积形成的有效塑性应变εE，完成单位长度变形后，棒材继续保持旋转，调整棒材状态直至恢复直棒形状，棒材变形区获得沿径向梯度晶粒组织；最后，棒材沿轴向进给，进入下一单位变形区，直至构筑有效长度棒材的梯度组织；
所述弯曲角度γ表示为：
γ＝(k1d+k2nt+k3δ)
式中，d为棒材的直径，n为旋转速度，t为旋转周期，δ为镁合金室温延伸率，k1为尺寸影响系数，k1＝1.6～1.8，k2为旋转影响系数，k2＝0.4～0.5，k3为材料影响系数，k3＝1.2～1.9；
所述单位节点累积形成的有效塑性应变εE表示为：εE＝ntεe，εe＝k4hε，k4＝nt/γ，其中，εe为单圈次棒材径向截面的单位节点等效塑性应变；k4为径向系数；h为单位节点距离棒材径向截面未变形区的距离，r≤h≤0.5d；ε为单圈次棒材径向截面最外节点处等效塑性应变；
所述径向截面未变形区是以棒材径向截面中心节点为圆心的半径r圆形区域，由r＝0.4*0.9(180-γ)*d1.15决定；
所述弯曲角度γ应控制在140°～180°；
所述旋转速度n应控制在30r/min≤n≤60r/min。
2.根据权利要求1所述的一种径向梯度组织可控的镁合金棒材制备方法，其特征在于：所述镁合金棒材的直径为10～60mm。
3.根据权利要求1所述的一种径向梯度组织可控的镁合金棒材制备方法，其特征在于：使用能随棒材联动调位且具有角向补偿的旋转夹具，夹持棒材绕其轴线旋转。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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