CN117282793A - 扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于轻金属塑性成形技术领域，具体为一种扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置及方法。所述装置包括立式挤压机、凹模模具、固定凸模模具、外部模架和动力装置。镁合金材料在挤压过程中产生分流，两次变截面转角挤压变形过程中，固定凸模模具顶端设置有凸起部分，促进镁合金挤压过程中晶粒之间的相互协调作用，降低了挤压力，从而使镁合金板材在剪切变形过程中更加容易。镁合金材料在扭转挤压通道进行扭转挤压的同时，通道的截面积逐渐减小，同时镁合金材料在接触处凸模和凹模表面的摩擦力有所不同，使得材料实现差速扭转变形，使镁合金的c轴偏转，从而实现弱化织构和晶粒细化，改善镁合金的室温力学性能，扩大镁合金应用范围。
Description
技术领域
本发明属于轻金属塑性成形技术领域，具体涉及一种扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置及方法。
背景技术
镁合金是当前金属中密度最小的结构材料，具有比强度和比刚度高、热成形性好、易回收等优点，因此其在汽车、3C、航空航天、军事等领域中占有重要地位，更是被誉为“21世纪的绿色能源材料”。然而，镁合金的晶体结构为密排六方，在室温下仅有两个滑移系容易开动，少于多晶体变形时要求的五个独立滑移系，从而导致镁合金室温下塑性加工困难，宏观表现为较差的室温力学性能。此外，由于镁合金的基面和非基面滑移的临界剪切应力相差较大，低温变形时不易启动非基面滑移，使得变形后材料内晶粒存在择优取向形成强基面织构，不利于后续变形，限制了镁合金在各领域中的应用。晶粒细化可以显著提高金属材料的各项力学性能，镁合金亦是如此。剧烈塑性变形技术被证实能够有效地细化镁合金晶粒，如高压扭转(HPT)、多向锻造(MDF)、等通道转角挤压（ECAP）、旋转挤压(TE)，其可以将晶粒极度细化，甚至可获得超细晶组织。然而，扭转变形一般较为复杂，模具加工要求与设备需求高，需承受较大压力，材料扭转程度低、对实现大批量连续制备有着极大限制。
因此发明一种有效的弱化镁合金的变形织构和细化晶粒的装置和方法对扩大镁合金的应用范围是十分重要的。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置及使用该装置用于弱基面织构镁合金薄板带材的连续差速剪切扭转复合挤压方法。通过该装置及其方法，使镁合金坯料在加工过程中发生连续剧烈扭转挤压变形，使镁合金的c轴偏转，从而实现弱化织构和晶粒细化，改善镁合金的室温力学性能，扩大镁合金应用范围。
本发明通过以下技术方案予以实现：一种扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置，包括立式挤压机、凹模模具、固定凸模模具、外部模架和动力装置：
所述立式挤压机包括底座、固定在底座上的立柱以及固定在立柱顶部的顶座；顶座的中心处安装有动力装置，动力装置底部安装有挤压伸缩压头，挤压伸缩压头的端部固定有压块，压块的底部固定有挤压凸模模具，挤压凸模模具下端向内凹，立柱上安装有控制挤压伸缩压头动作的升降手柄，底座的中心处固定有工作台；
所述外部模架包括安装在工作台上的凹模固定框架，凹模固定框架的内壁上设有加热套，在加热套内侧及工作台之上放置有凹模垫块和固定凸模垫块，凹模模具放置于加热套内侧且凹模模具的底部与凹模垫块固定，固定凸模模具放置于凹模模具内部且底部与固定凸模垫块固定；
所述凹模模具上部分设有挤压凸模模具能够伸入的等距垂直的挤压通道，中间部分设有向左右两侧延伸的倾斜台阶，倾斜台阶做倒圆角设计；下部分设有相对模腔轴向对称变截面扭转变形腔体，变形腔体前侧的两条竖边向左倾斜且倾斜角度不同，后侧两条斜边向右倾斜，且与前侧两条斜边相对模腔轴向对称，使得腔体从上至下逐渐由矩形变为平行四边形；
所述固定凸模模具为一个相对模腔轴向对称的扭转体，其顶端中间设有向上凸起部分；扭转体前侧为两条向左倾斜但倾斜角度不同的斜边，后侧两条斜边向右倾斜，且与前侧两条斜边相对扭转体轴向对称，使得顶端在底面的矩形投影逐渐变为平行四边形投影；平行四边形投影两条斜边与凹模模具底端斜边相平行，两条水平边与凹模模具底端水平边相共线；
固定凸模模具自下方伸入凹模模具的变形腔体内，挤压凸模模具自上而下伸入挤压通道且挤压凸模模具下端与固定凸模模具顶部的凸起部分相啮合；倾斜台阶与固定凸模模具顶部凸起左右两侧共同形成向两侧分流、两次变截面转角挤压通道；凹模模具下部分的变形腔体截面积逐渐减小，与固定凸模模具左右两侧边共同形成两条变截面的扭转挤压通道；
凹模垫块和固定凸模垫块与工作台和底座开设有两处贯穿三者的通孔，所述通孔与两条扭转挤压通道的下端口相对应。
进一步地，所述挤压通道由上至下依次为挤压推动区、剪切变形区和扭转挤压变形区。在挤压推动区镁合金坯料在挤压凸模模具的挤压带动下不断前进，到达剪切变形区，通过挤压凸模模具，凹模模具，固定凸模模具的挤压，镁合金坯料在接触到固定凸模模具时产生第一次变截面转角挤压剪切变形，并产生分流，向两侧流动，镁合金坯料产生的塑性变形与转角挤压剪切变形细化了晶粒组织，在剪切变形过程中剪切力的作用下晶粒c轴发生倾转，弱化了基面织构；在挤压凸模模具的作用下，镁合金坯料继续向前流动，将产生第二次变截面转角挤压变形，晶粒组织再次被细化，基面织构也再次被弱化；当镁合金坯料流动到扭转挤压变形区时，通过两侧模具进行不同扭转角度的扭转挤压，扭转变形导致晶粒c轴再次发生倾转从而进一步弱化基面织构，加剧了镁合金的变形，同时扭转挤压通道的截面积逐渐变小，产生了差速剪切变形，晶粒组织将进一步被细化；最后被挤出通孔，一次挤压便获得了两快高性能镁合金板材。该装置能够实现通过连续差速剪切扭转复合挤压变形制备细晶弱织构高性能镁合金。
进一步地，所述挤压凸模模具、凹模模具和固定凸模模具的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢。
进一步地，所述挤压凸模模具的表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm，凹模模具的表面粗糙度为Ra0.4~0.8μm，固定凸模模具的表面粗糙度为Ra0.16~0.4μm。扭转挤压通道的凹模模具和固定凸模模具的粗糙度形成不对称性分布，使挤压过程与坯料产生的摩擦力形成差值，进一步促使坯料差速流动，产生剪切挤压变形以弱化其基面织构。
一种扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的方法，包括以下步骤：
S1、镁合金块坯料预处理：
S1-1、用600目砂纸对镁合金块坯料的表面进行打磨，去除油污，然后依次用800目、1000目、1200目砂纸进行打磨，直至镁合金块坯料表面光洁；
S1-2、将丙酮与无水乙醇按体积比3:2在清洗槽中混合后搅拌均匀，配制成清洗液；
S1-3、将步骤S1-1制备的镁合金块坯料浸没入步骤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块坯料料超声波清洗60min，然后取出镁合金块坯料并用无水乙醇清洗，最后用吹风机吹干；
S1-4、将步骤S1-3制备的镁合金块坯料的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用；
S2、镁合金块坯料预热：设定真空气氛加热炉的加热温度为450℃，加热炉炉温达到设定温度后，将镁合金块坯料放入加热炉内，保温3h；
S3、连续差速剪切扭转复合挤压变形成形装置的润滑、装配与预热：
S3-1、润滑：将凹模模具模腔表面、挤压凸模模具表面、固定凸模模具表面涂抹石墨油溶液；
S3-2、装配：
首先，将固定凸模垫块安装固定在立式挤压机的中间的工作平台上，再将固定凸模模具固定在固定凸模垫块上，再将凹模固定框架通过螺栓固定在工作台上，再将加热套安装在凹模固定框架内表面上，再将凹模垫块固定于凹模模具底部，最后将凹模模具安置于凹模固定框架内即可，控制挤压凸模模具下行并置于凹模模具模腔的顶端腔口内，以保证挤压凸模模具和凹模模具的模腔紧密垂直接触；
S3-3、预热：控制加热套温度为300~500℃，达到设定温度后保温2~4 h，留待后步使用；
S4、连续差速剪切扭转复合挤压成形：挤压凸模模具、凹模模具和固定凸模模具共同组成扭转挤压空间；所述扭转挤压空间包括从上到下设置的挤压推动区、剪切变形区和扭转挤压变形区三个区域；
S4-1、将挤压凸模模具从通道中退出，使镁合金块坯料填充在挤压推动区，随后将挤压凸模模具推入通道内；操作立式挤压机，将挤压凸模模具向下推进，推动坯料向下前进；进入到剪切变形区，镁合金块坯料在接触到固定凸模模具时将产生第一次变截面转角挤压剪切变形，并产生分流，向左右两侧流动，镁合金块坯料产生的塑性变形与转角挤压剪切变形细化了晶粒组织，在剪切变形过程中剪切力的作用下晶粒c轴发生倾转，弱化了基面织构；在挤压凸模模具的作用下，镁合金块坯料继续向前流动，将产生第二次变截面转角挤压变形，晶粒组织再次被细化，基面织构也再次被弱化；当镁合金块坯料流动到扭转挤压变形区时，通过两侧模具进行不同扭转角度的扭转挤压，扭转变形导致晶粒c轴再次发生倾转从而进一步弱化基面织构，加剧了镁合金的变形，同时扭转挤压通道的截面积逐渐变小，产生了差速剪切变形，晶粒组织将进一步被细化；最后被挤出通孔，一次挤压便获得了两快高性能镁合金板材。在扭转挤压成形过程中，控制加热丝温度为300~500℃；
S4-2、取出步骤S4-1制得的镁合金板材，用砂纸对其表面进行打磨，然后用步骤S1-2制备的清洗液清洗镁合金板材，最后用无水乙醇二次清洗，并用吹风机吹干，制得能够直接投入使用的细晶弱织构镁合金板材。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
1.该发明将剧烈剪切变形和差速扭转变形相结合，有效弱化镁合金基面织构，提高镁合金力学性能；
2.在镁合金材料在挤压过程中产生分流，两次变截面转角挤压变形过程中，固定凸模模具顶端设置有凸起部分，促进镁合金挤压过程中晶粒之间的相互协调作用，降低了挤压力，从而使镁合金板材在剪切变形过程中更加容易；
3.镁合金材料在扭转挤压通道进行扭转挤压的同时，通道的截面积逐渐减小，同时镁合金材料在接触处凸模和凹模表面的摩擦力有所不同，使得材料实现差速扭转变形，使得镁合金板材晶粒细化效果更为显著。
附图说明
图1为本发明所述装置的主视结构示意图；
图2为扭转挤压通道的示意图；
图3为本发明模具的立体结构示意图；
图4为图1中凹模模具的主视图；
图5为图1中凹模模具的俯视图；
图6为图1中凹模模具的侧视图；
图7为图1中固定凸模模具的主视图；
图8为图1中固定凸模模具的俯视图；
图9为图1中固定凸模模具的侧视图；
图10为扭转挤压空间的示意图；
图11为扭转挤压通道区内坯料形状示意图；
图中：1-电控箱；2-导线；3-底座；4-顶座；5-立柱；6-压力电机；7-挤压伸缩压头；8-压块；9-挤压凸模模具；10-升降手柄；11-工作台；12-凹模固定框架；13-加热套；14-凹模垫块；15-固定凸模垫块；16-通孔；17-凹模模具；18-固定凸模模具；19-电源开关；20-加热套控制器；21-压力电机控制器；22-指示灯；23-显示屏；24-挤压通道；25-倾斜台阶；26-转角挤压通道；27-扭转挤压通道。
Ⅰ-挤压推动区；Ⅱ-剪切变形区；Ⅲ-扭转挤压变形区。
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。
一种扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置，包括包括立式挤压机、凹模模具、固定凸模模具、外部模架和动力装置，其中：
所述立式挤压机包括底座3、顶座4以及固定于底座3和顶座4之间的立柱5；顶座4的中心处安装有压力电机6，压力电机6底部安装有挤压伸缩压头7，挤压伸缩压头7的端部固定有压块8，压块8的底部固定有挤压凸模模具9，挤压凸模模具9下端向内凹，与下方固定凸模模具17的凸起部分相啮合，凸起部分半径r3为15-25mm，立柱5上安装有控制挤压伸缩压头7动作的升降手柄10，底座3的中心处固定有工作台11，工作台11上安装有凹模垫块14和固定凸模垫块15，且凹模垫块14和固定凸模垫块15与工作台11和底座3开设有两处贯穿三者的通孔；
所述凹模模具17上部分设有等距垂直的挤压通道24，挤压通道24长L1为140-180mm、宽W1为30-50mm、高H1为110-150mm；中间部分设有向两侧延伸的倾斜台阶25，台阶高度差h1为25-45mm，倾斜台阶25做倒圆角设计且圆角r1和r2半径为10-18mm，与固定凸模模具18共同形成向两侧分流，两次变截面转角挤压通道26；下部分设有相对模腔轴向对称变截面扭转变形腔体，变形腔体前侧的两条竖边向左倾斜，但倾斜角度不同，即θ2≠θ3，后侧两条斜边向右倾斜，且与前侧两条斜边相对模腔轴向对称，使得腔体从上至下逐渐由长L1为140-180mm，宽W5为100-120mm的矩形变为平行四边形，平行四边形垂直高度L2为100-140mm，宽度为W6为100-120mm，且W5≠W6，平行四边形斜边偏移角度θ1为10°-20°，截面积逐渐减小，与固定凸模模具18共同形成变截面扭转挤压通道27；
所述固定凸模模具18为一个相对模腔轴向对称的扭转体，其顶端中间有向上凸起部分，凸起部分半径r3为15-25mm，并与挤压凸模模具9下端相啮合，扭转体前侧为两条向左倾斜但倾斜角度不同的斜边，即θ2≠θ3，后侧两条斜边向右倾斜，且与前侧两条斜边相对扭转体轴向对称，使得顶端在底面的长L1为140-180mm，宽W7为80-100mm的矩形投影逐渐变为底端在底面的平行四边形投影，平行四边形底端垂直高度L2为100-140mm，宽度为W8为80-100mm，且W7≠W8，平行四边形底端斜边偏移角度θ1为10°-20°，两条斜边与凹模模具底端倾斜边相平行，两条水平边与凹模模具17底端水平边相共线；
所述外部模架包括工作台11上安装的凹模固定框架12，凹模固定框架12的内壁上设有加热套13，凹模固定框架12内放置有置于工作台11上的凹模垫块14和固定凸模垫块15，凹模模具17的底部与凹模垫块14固定，固定凸模模具18的底部与固定凸模垫块15固定；
所述动力机构为驱动挤压模具的压力电机6。
电控箱1设有电源开关19、加热套控制器20、压力电机控制器21、指示灯22、显示屏23；加热套控制器20和压力电机控制器21分别控制加热套和压力电机的动作，显示屏的指示灯用以显示该装置动态，显示屏也可设计成触摸式的显示屏。
进一步地，所述挤压通道由上至下依次为挤压推动区Ⅰ、剪切变形区Ⅱ和扭转挤压变形区Ⅲ。镁合金坯料在挤压凸模模具9的挤压带动下不断前进，从挤压推动区Ⅰ的挤压通道24到达剪切变形区Ⅱ的转角挤压通道26，通过挤压凸模模具9，凹模模具17，固定凸模模具18的挤压，镁合金坯料在接触到固定凸模模具18时将产生第一次变截面转角挤压剪切变形，截面宽度由W1为30-50mm缩小到W2为15-25mm，并产生分流，向两侧流动，镁合金坯料产生的塑性变形与转角挤压剪切变形细化了晶粒组织，在剪切变形过程中剪切力的作用下晶粒c轴发生倾转，弱化了基面织构；在挤压凸模模具9的作用下，镁合金坯料继续向前流动，将产生第二次变截面转角挤压变形，截面宽度由W2为15-25mm缩小到W3为10-20mm晶粒组织再次被细化，基面织构也再次被弱化；当镁合金坯料流动到扭转挤压变形区Ⅲ的扭转挤压通道27时，通过两侧模具进行扭转角度为θ2和θ3的扭转挤压，使扭转挤压通道27从上至下逐渐由长L1为140-180mm，宽W3为10-20mm的矩形变为平行四边形，平行四边形垂直高度L2为100-140mm，宽度为W4为4-8mm，平行四边形斜边偏移角度θ1为10°-20°，扭转变形导致晶粒c轴再次发生倾转从而进一步弱化基面织构，加剧了镁合金的变形，同时扭转挤压通道27的截面积逐渐变小，产生差速剪切变形，晶粒组织将进一步被细化；最后被挤出通孔16，一次挤压便获得了两快高性能镁合金板材。该装置能够实现通过连续差速剪切扭转复合挤压变形制备细晶弱织构高性能镁合金。
进一步地，所述挤压凸模模具9、凹模模具17和固定凸模模具18的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢。
进一步地，所述挤压凸模模具9的表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm，凹模模具17的表面粗糙度为Ra0.4~0.8μm，固定凸模模具18的表面粗糙度为Ra0.16~0.4μm。扭转挤压通道27的凹模模具17和固定凸模模具18的粗糙度形成不对称性分布，使挤压过程与坯料产生的摩擦力形成差值，进一步促使坯料差速流动，产生剪切挤压变形以弱化其基面织构。
本具体实施方式中，在进行连续差速剪切扭转复合挤压变形制备细晶弱织构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：长方体块坯料，材料选用AZ31，含镁96%、含铝3%、含锌1%；
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%。
一种扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的方法，包括以下步骤：
S1、镁合金块坯料预处理：
S1-1、用600目砂纸对镁合金块坯料的表面进行打磨，去除油污，然后依次用800目、1000目、1200目砂纸进行打磨，直至镁合金块坯料表面光洁；
S1-2、将丙酮与无水乙醇按体积比3:2在清洗槽中混合后搅拌均匀，配制成清洗液；
S1-3、将步骤S1-1制备的镁合金块坯料浸没入步骤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块坯料料超声波清洗60min，然后取出镁合金块坯料并用无水乙醇清洗，最后用吹风机吹干；
S1-4、将步骤S1-3制备的镁合金块坯料的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用；
S2、镁合金块坯料预热：设定真空气氛加热炉的加热温度为450℃，加热炉炉温达到设定温度后，将镁合金块坯料放入加热炉内，保温3h；
S3、连续差速剪切扭转复合挤压变形成形装置的润滑、装配与预热：
S3-1、润滑：将凹模模具17模腔表面、挤压凸模模具9表面、固定凸模模具18表面涂抹石墨油溶液；
S3-2、装配：
首先，将固定凸模垫块15安装固定在立式挤压机的中间工作台11上，再将固定凸模模具18固定在固定凸模垫块15上，再将凹模固定框架12通过螺栓固定在工作台11上，再将加热套13安装在凹模固定框架12内表面上，再将凹模垫块14固定于凹模模具17底部，最后将凹模模具17安置于凹模固定框架12内即可，控制挤压凸模模具9下行并置于凹模模具17模腔的挤压通道24内，以保证挤压凸模模具9和凹模模具17的模腔紧密垂直接触；
S3-3、预热：控制加热套温度为300~500℃，达到设定温度后保温2~4 h，留待后步使用；
S4、连续差速剪切扭转复合挤压成形：挤压凸模模具9、凹模模具17和固定凸模模具18共同组成扭转挤压空间；所述扭转挤压空间包括从上到下设置的挤压推动区Ⅰ、剪切变形区Ⅱ和扭转挤压变形区Ⅲ三个区域；
S4-1、将挤压凸模模具9从挤压通道24中退出，使镁合金块坯料填充在挤压推动区Ⅰ，随后将挤压凸模模具9推入挤压通道24内；操作立式挤压机，将挤压凸模模具9向下推进，推动坯料向下前进；当坯料接触到固定凸模模具18顶端时，便进入到剪切变形区Ⅱ内的转角挤压通道26，镁合金块坯料在固定凸模模具18的作用下产生分流，向两侧流动，并在接触到固定凸模模具18时产生第一次变截面转角挤压变形，镁合金块坯料产生的塑性变形与转角挤压剪切变形细化了晶粒组织，在剪切变形过程中在剪切力的作用下晶粒c轴发生倾转弱化了基面织构；在挤压凸模模具9的作用下，镁合金坯料继续向前流动，在固定凸模模具18出口处产生第二次变截面转角挤压变形，晶粒组织再次被细化，基面织构也再次被弱化；当镁合金坯料流动到扭转挤压变形区Ⅲ时，通过两侧模具进行扭转角度为θ2和θ3的扭转挤压，使扭转挤压通道27从上至下逐渐由长L1为140-180mm，宽W3为10-20mm的矩形变为平行四边形，平行四边形垂直高度L2为100-140mm，宽度为W4为4-8mm，平行四边形斜边偏移角度θ1为10°-20°，扭转变形导致晶粒c轴再次发生倾转从而进一步弱化基面织构，加剧了镁合金的变形，同时扭转挤压通道27的截面积逐渐变小，产生差速剪切变形，晶粒组织将进一步被细化；最后被挤出通孔16，一次挤压便获得了两快高性能镁合金板材。该装置能够实现通过连续差速剪切扭转复合挤压变形制备细晶弱织构高性能镁合金。在扭转挤压成形过程中，控制加热丝温度为300~500℃；
S4-2、取出步骤S4-1制得的镁合金板材，用砂纸对其表面进行打磨，然后用步骤S1-2制备的清洗液清洗镁合金板材，最后用无水乙醇二次清洗，并用吹风机吹干，制得能够直接投入使用的细晶弱织构镁合金板材。
具体实施例
一种扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的方法，采用如下步骤：
（1）将上部扭转挤压模具和外部模架安装在立式挤压机上，各部位置的连接关系要正确，按序操作；
（2）将AZ31镁合金块坯料外表面用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；将打磨好的镁合金块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块坯料进行预热，预设温度为400℃，达到预定温度时继续将镁合金块坯料置于加热炉中保温3h；
（4）开启挤压模腔加热装置，对挤压模腔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域进行加热，加热温度预设为400℃，达到预设温度后继续保温3h；
（5）将挤压凸模模具9从挤压通道24中退出，在镁合金块坯料表面涂抹高温石墨油溶液进行润滑，使镁合金块坯料填充在挤压推动区Ⅰ，随后将挤压凸模9推入挤压通道24内。
（6）本发明中挤压凸模模具9、凹模模具17和固定凸模模具18的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢。所述挤压凸模模具9的表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm，凹模模具17的表面粗糙度为Ra0.4~0.8μm，固定凸模模具18的表面粗糙度为Ra0.16~0.4μm。
（7）开启立式挤压机的电机，设置压强为400MPa，同时开启电动机。立式挤压机推动挤压凸模模具9向下前进，其行进速度为V1=70mm/min；同时固定凸模模具18顶端凸起部分半径r3设置为20mm，凹模模具17设有倾斜台阶25，台阶高度差h1设为40mm，倾斜台阶25做倒圆角设计且圆角r1和r2半径设为16mm和10mm，与固定凸模模具18共同形成向两侧分流，两次变截面转角挤压通道26，通道截面宽度W1、W2和W3分别设为40mm、16mm和10mm，转角挤压通道26使得镁合金坯料在剪切变形过程中在剪切力的作用下晶粒c轴发生倾转弱化了基面织构并细化了晶粒；当镁合金坯料流动到扭转挤压变形区Ⅲ时，通过两侧模具进行扭转角度为θ2和θ3的扭转挤压，本实验设置为θ2=5°和θ3=6°，使扭转挤压通道27从上至下逐渐由长L1为160mm，宽W3为10mm的矩形变为平行四边形，平行四边形垂直高度L2为120mm，宽度为W4为6mm，平行四边形斜边偏移角度θ1为15°，扭转变形导致晶粒c轴再次发生倾转从而进一步弱化基面织构，加剧了镁合金的变形，同时扭转挤压通道27的截面积逐渐变小，产生差速剪切变形，晶粒组织将进一步被细化；最后被挤出通孔16，一次挤压便获得了两快高性能镁合金板材，实现镁合金板材的加工过程。
（8）取出镁合金板材料，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：通过本发明一种连续差速剪切扭转复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置及工艺方法，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50.6μm减小到5.6 μm，基面织构和初始镁合金坯料相比得到了有效的弱化，镁合金力学性能得到有效提升。
所用材料、化学试剂：AZ31镁合金块状坯料，其长L=160mm，宽W=40mm，高H=140mm；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细晶弱织构镁合金板材的原理进行详述：
1）挤压通道的尺寸参数：三个挤压区的挤压通道截面宽度依次减小即W1＞W2＞W3＞W4，且通道截面入口长度长于出口长度即L1＞L2，其次两侧模具进行的扭转挤压的扭转角度也不同即θ2≠θ3，这使得通道截面积逐渐变小，同时凹模模腔表面和固定凸模表面的表面粗糙度不同，使镁合金材料在接触处凸模和凹模表面的摩擦力不同，这两点原因造成靠近这些面的镁合金坯料在变形过程中流动速度不均，导致材料实现差速剪切扭转变形，使镁合金坯料晶粒c轴发生偏转，弱化镁合金坯料基面织构并细化晶粒。
2）连续差速剪切扭转复合挤压过程：镁合金坯料在挤压凸模模具的挤压带动下不断前进，到达剪切变形区Ⅱ，在挤压凸模模具，凹模模具，固定凸模模具的作用下，镁合金坯料在接触到固定凸模模具时产生第一次变截面转角挤压剪切变形，并产生分流，向两侧流动，镁合金坯料产生的塑性变形与转角挤压剪切变形细化了晶粒组织，在剪切变形过程中在剪切力的作用下晶粒c轴发生倾转弱化了基面织构；在挤压凸模模具的作用下，镁合金坯料继续向前流动，将产生第二次变截面转角挤压变形，晶粒组织再次被细化，基面织构也再次被弱化；当镁合金坯料流动到扭转挤压变形区Ⅲ时，通过两侧模具进行不同扭转角度的扭转挤压，扭转变形导致晶粒c轴再次发生倾转从而进一步弱化基面织构，加剧了镁合金的变形；最后被挤出通孔，一次挤压便获得了两快高性能镁合金板材。该装置能够实现通过连续差速剪切扭转复合挤压变形制备细晶弱织构高性能镁合金。
综合以上两点原理，最终使得镁合金坯料经过大量的剪切扭转挤压变形，获得弱基面织构高性能镁合金板材。
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)
1.一种扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置，其特征在于，包括立式挤压机、凹模模具（17）、固定凸模模具（18）、外部模架和动力装置：
所述立式挤压机包括底座（3）、固定在底座（3）上的立柱（5）以及固定在立柱（5）顶部的顶座（4）；顶座（4）的中心处安装有动力装置，动力装置底部安装有挤压伸缩压头（7），挤压伸缩压头（7）的端部固定有压块（8），压块（8）的底部固定有挤压凸模模具（9），挤压凸模模具（9）下端向内凹，立柱（5）上安装有控制挤压伸缩压头（7）动作的升降手柄（10），底座（3）的中心处固定有工作台（11）；
所述外部模架包括安装在工作台（11）上的凹模固定框架（12），凹模固定框架（12）的内壁设有加热套（13），在加热套（13）内侧及工作台（11）之上放置有凹模垫块（14）和固定凸模垫块（15），凹模模具（17）放置于加热套（13）内侧且凹模模具（17）的底部与凹模垫块（14）固定，固定凸模模具（18）放置于凹模模具（17）内部且底部与固定凸模垫块（15）固定；
所述凹模模具（17）上部分设有挤压凸模模具（9）能够伸入的等距垂直的挤压通道（24），中间部分设有向左右两侧延伸的倾斜台阶（25），倾斜台阶（25）做倒圆角设计；下部分设有相对模腔轴向对称的变截面扭转变形腔体，变形腔体前侧的两条竖边向左倾斜且倾斜角度不同，后侧两条斜边向右倾斜，且与前侧两条斜边相对模腔轴向对称，使得腔体从上至下逐渐由矩形变为平行四边形；
所述固定凸模模具（18）为一个相对模腔轴向对称的扭转体，其顶端中间设有向上凸起部分；扭转体前侧为两条向左倾斜但倾斜角度不同的斜边，后侧两条斜边向右倾斜，且与前侧两条斜边相对扭转体轴向对称，使得顶端在底面的矩形投影逐渐变为平行四边形投影；平行四边形投影两条斜边与凹模模具（17）底端斜边相平行，两条水平边与凹模模具（17）底端水平边相共线；
固定凸模模具（18）自下方伸入凹模模具（17）的变形腔体内，挤压凸模模具（9）自上而下伸入挤压通道（24）且挤压凸模模具（9）下端与固定凸模模具（18）顶部的凸起部分相啮合；倾斜台阶（25）与固定凸模模具（18）顶部凸起左右两侧共同形成向两侧分流、两次变截面转角挤压通道（26）；凹模模具（17）下部分的变形腔体截面积逐渐减小，与固定凸模模具（18）左右两侧边共同形成两条变截面的扭转挤压通道（27）；
凹模垫块（14）和固定凸模垫块（15）与工作台（11）和底座（3）开设有两处贯穿三者的通孔（16），所述通孔（16）与两条扭转挤压通道（27）的下端口相对应。
2.如权利要求1所述的一种扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置，其特征在于，固定凸模模具（18）凸起部分半径r3为15-25mm；
凹模模具（17）的挤压通道（24）前后长L1为140-180mm、左右宽W1为30-50mm、高H1为110-150mm；倾斜台阶（25）高度差h1为25-45mm，每个倾斜台阶（25）包括两段倒圆角设计且圆角半径r1和r2半径为10-18mm，；变形腔体前侧的两条竖边向左倾斜，倾斜角度分别为θ2和θ3且θ2≠θ3，后侧两条斜边向右倾斜，且与前侧两条斜边相对模腔轴向对称，使得腔体从上至下逐渐由前后长L1为140-180mm，左右宽W5为100-120mm的矩形变为平行四边形；平行四边形垂直高度L2为100-140mm，宽度为W6为100-120mm，且W5≠W6，平行四边形斜边偏移角度θ1为10°-20°；
固定凸模模具（18）顶端在底面的长L1为140-180mm，宽W7为80-100mm的矩形投影逐渐变为底端在底面的平行四边形投影，平行四边形底端垂直高度L2为100-140mm，宽度W8为80-100mm，且W7≠W8，平行四边形底端斜边偏移角度为θ1为10°-20°，扭转体前侧的两条竖边向左倾斜，倾斜角度分别为θ2和θ3且θ2≠θ3；
转角挤压通道（26）经过两次变截面，截面宽度先由W1为30-50mm缩小到W2为15-25mm，再由W2为15-25mm缩小到W3为10-20mm；
扭转挤压通道（27）截面自上而下由长L1为140-180mm，宽W3为10-20mm的矩形变为平行四边形，平行四边形垂直高度L2为100-140mm，宽度为W4为4-8mm，平行四边形斜边偏移角度θ1为10°-20°。
3.如权利要求1或2所述的扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置，其特征在于，所述动力装置为压力电机（6）。
4.如权利要求1或2所述的扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置，其特征在于，所述挤压凸模模具（9）、凹模模具（17）和固定凸模模具（18）的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢。
5.如权利要求1或2所述的扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的装置，其特征在于，所述挤压凸模模具（9）的表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm，凹模模具（17）的表面粗糙度为Ra0.4~0.8μm，固定凸模模具（18）的表面粗糙度为Ra0.16~0.4μm。
6.一种扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、镁合金块坯料预处理：
S1-1、用600目砂纸对镁合金块坯料的表面进行打磨，去除油污，然后依次用800目、1000目、1200目砂纸进行打磨，直至镁合金块坯料表面光洁；
S1-2、将丙酮与无水乙醇按体积比3:2在清洗槽中混合后搅拌均匀，配制成清洗液；
S1-3、将步骤S1-1制备的镁合金块坯料浸没入步骤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块坯料超声波清洗60min，然后取出镁合金块坯料并用无水乙醇清洗，最后用吹风机吹干；
S1-4、将步骤S1-3制备的镁合金块坯料的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用；
S2、镁合金块坯料预热：设定真空气氛加热炉的加热温度为450℃，加热炉炉温达到设定温度后，将镁合金块坯料放入加热炉内，保温3h；
S3、连续差速剪切扭转复合挤压变形成形装置的润滑、装配与预热：
S3-1、润滑：将凹模模具（17）模腔表面、挤压凸模模具（9）表面、固定凸模模具（18）表面涂抹石墨油溶液；
S3-2、装配：
首先，将固定凸模垫块（15）安装固定在立式挤压机中间的工作台（11）上，再将固定凸模模具（18）固定在固定凸模垫块（15）上，再将凹模固定框架（12）通过螺栓固定在工作台（11）上，再将加热套（13）安装在凹模固定框架（12）内表面上，再将凹模垫块（14）固定于凹模模具（17）底部，最后将凹模模具（17）安置于凹模固定框架（12）内即可，控制挤压凸模模具（9）下行并置于凹模模具（17）的挤压通道（24）内，以保证挤压凸模模具（9）和凹模模具（17）的模腔紧密垂直接触；
S3-3、预热：控制加热套温度为300~500℃，达到设定温度后保温2~4 h，留待后步使用；
S4、连续差速剪切扭转复合挤压成形：挤压凸模模具（9）、凹模模具（17）和固定凸模模具（18）共同组成扭转挤压空间；所述扭转挤压空间包括从上到下设置的挤压推动区Ⅰ、剪切变形区Ⅱ和扭转挤压变形区Ⅲ三个区域；
S4-1、将挤压凸模模具（9）从挤压通道（24）中退出，使镁合金块坯料填充在挤压推动区Ⅰ，随后将挤压凸模模具（9）推入挤压通道（24）内；操作立式挤压机，将挤压凸模模具（9）向下推进，推动镁合金块坯料向下前进；当镁合金块坯料接触到固定凸模模具（18）顶端时，便进入到剪切变形区Ⅱ内的转角挤压通道（26），镁合金块坯料在固定凸模模具（18）的作用下产生分流，向两侧流动，并在接触到固定凸模模具（18）时产生第一次变截面转角挤压变形，镁合金块坯料产生的塑性变形与转角挤压剪切变形细化了晶粒组织，在剪切变形过程中在剪切力的作用下晶粒c轴发生倾转弱化了基面织构；在挤压凸模模具（9）的作用下，镁合金块坯料继续向前流动，在固定凸模模具（18）出口处产生第二次变截面转角挤压变形，晶粒组织再次被细化，基面织构也再次被弱化；当镁合金块坯料流动到扭转挤压变形区Ⅲ时，通过两侧模具的扭转挤压，扭转变形导致晶粒c轴再次发生倾转从而进一步弱化基面织构，加剧了镁合金的变形，同时扭转挤压通道（27）的截面积逐渐变小，产生差速剪切变形，晶粒组织将进一步被细化；最后被挤出通孔（16），一次挤压便获得了两快高性能镁合金板材；
S4-2、取出步骤S4-1制得的镁合金板材，用砂纸对其表面进行打磨，然后用步骤S1-2制备的清洗液清洗镁合金板材，最后用无水乙醇二次清洗，并用吹风机吹干，制得能够直接投入使用的细晶弱织构镁合金板材。
7.如权利要求6所述的扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的方法，其特征在于，步骤S4-1在扭转挤压成形过程中，控制加热套温度为300~500℃。
8.如权利要求6或7所述的扭剪复合挤压制备细晶弱织构镁合金板材的方法，其特征在于，镁合金坯料选用长方体块坯料，材料选用AZ31，含镁96%、含铝3%、含锌1%；无水乙醇纯度99.5%；丙酮纯度99%。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118455295A (zh) * | 2024-07-15 | 2024-08-09 | 洛阳理工学院 | 一种金属管材分流挤压用焊合模具及材料内压测量方法 |
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2023
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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