CN117753809A - 一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于轻合金塑性成形技术领域，提供一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金的装置及工艺方法，装置包括立式挤压机、凹模、外模架和动力装置，其中凹模包括腔体内径减小的挤压通道，挤压通道由上至下依次为第一差速剪切挤压区、第二差速剪切挤压区和成型挤压区；采用该装置对预处理后的镁合金块坯料进行连续多弧面剪切挤压成型后，经过打磨、清洗、吹干，即得到细晶弱织构镁合金棒材；通过本发明装置及工艺方法获得的镁合金棒材的平均晶粒尺寸与常规镁合金棒材相比大大减小，从原始的45.7μm减小到3.5μm，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。
Description
技术领域
本发明属于轻合金塑性成形技术领域，具体涉及一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材装置及其加工工艺方法。
背景技术
镁合金是密度最小的金属结构材料，同时兼备比强度和比刚度高、摩擦时不起火花、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，镁合金因其密排六方晶体结构导致室温下无法满足塑性变形要求的Von-Mises准则，宏观表现为较差的室温力学性能，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，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、过程不均匀等，对实现大批量连续制备有着极大限制。因此，发明一种通过连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金的装置及其加工方法是十分有必要的。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金的装置及工艺方法。通过该装置及方法使镁合金在凹模通道的不同弧面上流速不同，相邻弧面的弧面台阶发挥着剪切平台作用，不断引入剪切变形，镁合金晶粒c轴发生偏转，从而实现基面织构弱化，凹模通道腔内截面内径不断减小，晶粒被细化，改善了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：
一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的装置，包括立式挤压机、凹模、外模架和动力装置，其中：
所述立式挤压机包括底座、顶座以及固定于底座和顶座之间的立柱；顶座的中心处安装有压力电机，压力电机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；底座的中心处固定有工作台，工作台上安装有凹模垫块，且凹模垫块、工作台和底座开设有两处贯穿三者的通孔；
所述凹模的挤压通道由上至下依次为第一差速剪切挤压区、第二差速剪切挤压区和成型挤压区。在第一差速剪切挤压区，顶端是圆形通道入口，底端是三边有弧度的三角圆角通道口，三个弧边半径和三个圆角半径大小各不同，通道由两者之间的3个弧面组成，弧面半径大小不同，3个相邻弧面之间有3个竖直的上弧面台阶；在第二差速剪切挤压区，通道入口是第一差速剪切挤压区底端的三角圆角通道口，底端是成型挤压区圆形通道口入口，通道由三角圆角通道口4个不同弧段和不同圆柱通道口之间的弧面组成，不同弧面下端的高低不同，4个弧面半径大小不同，通道整体不对称，4个弧面相邻之间有4个竖直的下弧面台阶。通道整体从上至下依次由圆形变为三角圆角形再变为圆形，三者的中心不在同一个竖直轴线上，并且腔体内的通道截面积整体在不断减小；
所述外模架包括工作台上安装的凹模固定框架，凹模固定框架的内壁上设有加热套，凹模固定框架内放置有置于工作平台上的凹模垫块，凹模的底部与凹模垫块固定；
所述动力装置为驱动挤压模具的压力电机。
进一步地，所述凹模的挤压通道由上至下依次为第一差速剪切挤压区、第二差速剪切挤压区和成型挤压区。在第一差速剪切挤压区的镁合金坯料在挤压凸模模具的挤压带动下不断前进，凹模腔体内径不断减小，产生的塑性变形使初始镁合金晶粒得到细化，通道腔内3个弧面半径大小不同，凹模中间三角圆角通道口的各圆角到凹模顶端通道入口圆边的水平垂直距离长度不一，导致镁合金坯料在该通道的不同弧面上流动速度不同，挤压过程中形成了差速流动，使坯料变形不均匀，各处的变形程度差异大，3个竖直的上弧面台阶发挥着剪切平台的作用，引入了剪切变形，诱导晶粒c轴发生偏转，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运动，进入了第二差速剪切挤压区，凹模中间三角圆角通道口的三边弧段半径不同，三个圆角半径大小不同，相邻弧边夹角不同，通道腔内4个弧面半径大小不同，凹模中间三角圆角通道口与成型挤压区的圆柱通道口偏心，4个弧面上镁合金坯料流动速度不同，坯料变形不均匀，各处的变形程度差异加大，通道内4个不同的弧面台阶形成剪切平台的作用，持续引入剪切变形，晶粒c轴进一步发生倾斜偏转，基面织构再次获得弱化，加剧了镁合金的变形。挤压通道腔体内的截面积整体在不断减小，在经过成型挤压区后形成晶粒更细小的镁合金棒材，最后被挤出通孔；该装置能够实现通过连续多弧面剪切挤压制备细晶弱织构高性能镁合金棒材；
进一步地，所述挤压凸模模具、凹模的材质均为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，凹模的表面粗糙度为Ra0.4~0.8μm，挤压通道的凹模内的不同弧面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。
一种连续多弧面剪切挤压制备细晶弱织构高性能镁合金棒材的方法，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，直至镁合金棒料表面光洁；
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、连续多弧面剪切挤压成型装置的润滑、装配与预热；
S3-1、润滑：将凹模模腔表面、挤压凸模模具表面涂抹石墨油溶液；
S3-2、装配：
首先，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底部，最后将凹模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腔的顶端腔口内，以保证挤压凸模模具和凹模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、连续多弧面剪切挤压成型：挤压凸模模具和凹模共同组成挤压空间；所述挤压空间包括从上到下设置的第一差速剪切挤压区、第二差速剪切挤压区和成型挤压区三个区域；
S4-1、将挤压凸模从通道中退出，使镁合金块坯料填充在第一差速剪切挤压区，随后将挤压凸模推入通道内；操作立式挤压机，将挤压凸模向下推进，凹模腔体内径不断减小，产生的塑性变形使初始镁合金晶粒得到细化，通道腔内3个弧面半径大小不同，凹模中间三角圆角通道口的各圆角到凹模顶端通道入口圆边的水平垂直距离长度不一，导致镁合金坯料在该通道的不同弧面上流动速度不同，挤压过程中形成了差速流动，使坯料变形不均匀，各处的变形程度差异大，3个竖直的上弧面台阶发挥着剪切平台的作用，引入了剪切变形，诱导晶粒c轴发生偏转，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运动，进入了第二差速剪切挤压区，凹模中间三角圆角通道口的三边弧段半径不同，三个圆角半径大小不同，相邻弧边的夹角不同，通道腔内的4个弧面半径大小不同，凹模中间三角圆角通道口与成型挤压区的圆柱通道口偏心，4个弧面上镁合金坯料流动速度不同，坯料变形不均匀，各处的变形程度差异加大，通道内4个不同的弧面台阶形成剪切平台的作用，持续引入剪切变形，晶粒c轴进一步发生倾斜偏转，基面织构再次获得弱化，加剧了镁合金得变形。挤压通道腔体内的截面积整体在不断减小，在经过成型挤压区后形成晶粒更细小的镁合金棒材，最后被挤出通孔；在挤压成形过程中，控制加热丝温度为300~500℃；
S4-2、取出步骤S4-1制得的镁合金棒材，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棒材，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棒材。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
本发明连续的不对称通道能够使镁合金坯料产生差速流动，和通道内的弧面台阶共同引入大量的剪切变形，晶粒c轴发生偏转，从而弱化基面织构，晶粒获得细化；
本发明同时由于每一处变形的晶粒细化和基面织构弱化，极大的促使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，从而使镁合金棒材挤压过程更加容易，并且可以直接从镁合金棒坯挤压获得不同形状的镁合金棒材；
本发明连续多弧面剪切挤压的加工方法简单、成本低、大大降低了对设备吨位的要求，具有很好的规模化应用前景，是十分理想的提高镁合金强度、塑性能力的方法。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明中凹模的通道结构示意图；
图3为本发明中凹模第一差速剪切挤压区的立体示意图；
图4为本发明中凹模第二差速剪切挤压区和成型挤压区的立体示意图；
图5为本发明中凹模第一差速剪切挤压区的内部通道示意图；
图6为本发明中凹模第二差速剪切挤压区和成型挤压区的内部通道示意图；
图7为本发明中凹模整个挤压通道的俯视图；
图8、9、10为凹模第二差速剪切挤压区和成型挤压区的俯视图；
图11为挤压通道内坯料形状和晶粒取向示意图；
图中：1-顶座；2-挤压伸缩压头；3-立柱；4-压力电机；5-压块；6-挤压凸模模具；7-凹模固定框架；8-底座；9-工作台；10-加热套；11-凹模垫块；12-凹模；13-通孔；14-导线；15-显示屏；16-电控箱；17-指示信号灯；18-开始按钮；19-暂停控制器；20-加热套控制器；21-压力电机控制器；22-伸缩压头控制器；23-停止按钮；24-上弧面台阶，25-下弧面台阶；Ⅰ为第一圆柱通道口；Ⅱ为第二圆柱通道口；Ⅲ为第三圆柱通道口；A为第一差速剪切挤压区；B为第二差速剪切挤压区；C为成型挤压区
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。
一种连续多弧面剪切挤压制备细晶弱织构高性能镁合金棒材的装置，如图1所示，包括立式挤压机、凹模、外模架，控制装置和动力装置，其中：
立式挤压机包括底座8、顶座1以及固定于底座8和顶座1之间的立柱3；顶座1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2，挤压伸缩压头2的端部固定有压块5，压块5的底部固定有挤压凸模模具6，底座8的中心处固定有工作台9，工作台9上安装有凹模垫块11，且凹模垫块11与工作台9和底座8开设有两处贯穿三者的通孔；
凹模12如图2到10所示，由上至下依次为第一差速剪切挤压区A、第二差速剪切挤压区B和成型挤压区C；第一差速剪切变挤压形区A的镁合金坯料在挤压凸模模具6的挤压带动下不断前进，凹模腔体内径减小，产生的塑性变形使初始镁合金晶粒得到细化，第一差速剪切变形挤压区A高度h1为120-135mm，3个弧面半径R1、R2和R3大小不同，R1为150-175mm，R2为155-180mm和R3为160-185mm，第二差速剪切挤压区B通道入口圆角k顶点与第一差速剪切挤压区A通道入口圆边的水平垂直距离X1为20-40mm,圆角q顶点与第一差速剪切挤压区A通道入口圆边的水平垂直距离X2为25-40mm,圆角f顶点与第一差速剪切挤压区A通道入口圆边的水平垂直距离X3为30-40mm,X1、X2和X3长度不一，导致通道内三个弧面上的镁合金坯料在挤压过程中形成了差速流动，坯料变形不均匀，各处的变形程度差异大，3个竖直的上弧面台阶24发挥着剪切平台的作用，引入了剪切变形，晶粒c轴发生偏转，弱化了基面织构；在挤压凸模模具6的作用下，镁合金坯料继续向前运动，进入了第二差速剪切挤压区B，三角圆角通道口ab段弧半径r6为70-100mm，cd段弧半径r4为75-105mm,eg段弧半径r5为80-110mm,r4、r5和r6大小不同， ab段弧与cd段弧的夹角δ为50-60°，cd段弧与eg段弧的夹角α为55-65°，ab段弧与eg段弧的夹角θ为60-70°，δ、α和θ大小不同，三角圆角通道口圆角k半径r1为15-25mm,圆角q半径r2为20-30mm,圆角f半径r3为25-35mm, r1、r2和r3大小不一，三角圆角通道口a段弧与第一圆柱通道口I间的弧面半径为R5为100-130mm,bkc段弧与第二圆柱通道口II间的弧面半径R6为105-135mm，dqe段弧与第三圆柱通道口III间的弧面半径R7为110-140mm,g段弧与第二圆柱通道口II间的弧面半径R4为105-135mm,弧面半径R5<R6<R7,R6和R4大小不同,第二差速剪切变形区B通道入口各弧段切线到成型挤压区C通道入口的水平垂直距离为y1、y2和y3，且y1、y2和y3大小不同，第二差速剪切挤压区B高度h4为90-100mm，第一圆柱通道口I到第二圆柱通道口II的垂直高度h2为15-20mm,第二圆柱通道口II到第三圆柱通道口III的垂直高度h3为20-25mm，且h2≠h3，4个弧面下端高低不同，导致通道内不同弧面上的镁合金坯料在挤压过程中产生不断的差速流动，使得镁合金坯料各处变形程度差异更大，通道内4个竖直不同的下弧面台阶25形成剪切平台的作用，共同引入大量的剪切变形，晶粒c轴进一步发生偏转，基面织构再次获得弱化，加剧了镁合金得变形。第一差速剪切变形挤压形区A通道入口直径D1为140-160mm,第二差速剪切挤压区B的通道入口弧度的水平长度D3为75-95mm,成型挤压区C通道口直径D2为20-25mm，挤压通道腔内的截面直径整体在不断减小，成型挤压区C高度h5为40-45mm，在经过成型挤压区C后形成晶粒更细小的镁合金棒材，最后被挤出通孔13；该装置能够实现通过连续多弧面剪切挤压制备细晶弱织构高性能镁合金棒材。
外模架包括工作台9上安装的凹模固定框架7，凹模固定框架7的内壁上设有加热套10，凹模固定框架7内放置有置于工作台9上的凹模垫块11，凹模12的底部与凹模垫块11固定；
控制装置包括由导线14连接底座8的电控箱16，电控箱16上端有显示屏15，中间有指示信号灯17，下端有开始按钮18，暂停控制器19，加热套控制器20，压力电机控制器21，伸缩压头控制器22和停止按钮23；
动力装置为驱动挤压模具的压力电机4。
进一步地，挤压凸模模具6、凹模12的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢。
进一步地，挤压凸模模具6的表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm，凹模12的表面粗糙度为Ra0.4~0.8μm，挤压通道凹模12内的不同弧面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。
一种连续多弧面剪切挤压制备细晶弱织构高性能镁合金棒材的加工方法，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，直至镁合金棒料表面光洁；
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、连续差速挤压引入剪切变形成型装置的润滑、装配与预热；
S3-1、润滑：将凹模12腔表面、挤压凸模模具6表面涂抹石墨油溶液；
S3-2、装配：
首先，将凹模固定框架7通过螺栓固定在工作台9上，再将加热套10安装在凹模固定框架7内表面上，再将凹模垫块11固定于凹模12底部，最后将凹模12安置于凹模固定框架7内即可，控制挤压凸模模具6下行并置于凹模12模腔的顶端腔口内，以保证挤压凸模模具和凹模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、连续多弧面剪切挤压成型：挤压凸模模具6和凹模12共同组成挤压空间；所述挤压空间包括从上到下设置的第一差速剪切挤压区A、第二差速剪切挤压区B和成型挤压区C三个区域；
S4-1、将挤压凸模6从通道中退出，使镁合金块坯料填充在第一差速剪切挤压区A，随后将挤压凸模6推入通道内；操作立式挤压机，将挤压凸模6向下推进，凹模腔体内径减小，产生的塑性变形使初始镁合金晶粒得到细化，通道腔内3个弧面半径R1、R2和R3大小不同，第二差速剪切挤压区B入口的圆角顶点到第一差速剪切挤压区A入口圆边的水平垂直距离X1、X2和X3长度不一，导致通道内三个弧面上的镁合金坯料在挤压过程中形成了差速流动，坯料变形不均匀，各处的变形程度差异大，3个竖直的上弧面台阶24发挥着剪切平台的作用，引入了剪切变形，晶粒c轴发生偏转，弱化了基面织构；在挤压凸模模具6的作用下，镁合金坯料继续向前运动，进入了第二差速剪切挤压区B，凹模中间三角圆角通道口的三边弧段半径r4、r5和r6大小不同，三个弧边的夹角δ、α和θ大小不同，三个圆角半径r1、r2和r3大小不一，该通道腔内的4个弧面半径R5<R6<R7,R6和R4大小不同,第二差速剪切变形区B通道入口各弧段切线到成型挤压区C通道口的水平垂直距离y1、y2和y3大小不同，第一圆柱通道口I到第二圆柱通道口II的垂直高度h2为15-20mm,第二圆柱通道口II到第三圆柱通道口III的垂直高度h3为20-25mm，且h2≠h3，4个弧面下端高低不同，导致通道内不同弧面上的镁合金坯料在挤压过程中产生不断的差速流动，使得镁合金坯料各处变形程度差异更大，通道内4个竖直不同的下弧面台阶25形成剪切平台的作用，共同引入大量的剪切变形，晶粒c轴进一步发生偏转，基面织构再次获得弱化，加剧了镁合金得变形。第一差速剪切变形挤压形区A通道入口直径D1为140-160mm,第二差速剪切挤压区B的通道入口弧度的水平长度D3为75-95mm,成型挤压区C通道口直径D2为20-25mm，挤压通道腔内的截面直径整体在不断减小，在经过成型挤压区C后形成晶粒更细小的镁合金棒材，最后被挤出通孔13；该装置能够实现通过连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材。在挤压成形过程中，控制加热丝温度为300~500℃；
S4-2、取出步骤S4-1制得的镁合金棒材，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棒材，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棒材。
实施例：所用材料、化学试剂：AZ31镁合金块状坯料，其直径长L=140mm，高H=120mm；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。细晶镁合金棒材的制备方法，采用如下步骤：
（1）将挤压模具和外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）开启连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的装置的加热套10，对挤压模腔A、B和C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6从挤压通道中退出，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第一差速剪切挤压区A，随后将挤压凸模6推入挤压通道内；
（6）本发明中挤压凸模模具6、凹模12的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢。所述挤压凸模模具6的表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm，凹模12的表面粗糙度为Ra0.4~0.8μm；
（7）开启立式挤压机的压力电机4，设置压强为400MPa，同时开启电动机；立式挤压机推动挤压凸模6向下前进，其行进速度为V1=50mm/min；同时，第一差速剪切挤压区A通道入口的直径D1设为150mm,第一差速剪切挤压区A高度h1 设为125mm,弧面弧段半径R1为150mm, R2为158mm, R3为166mm,第二差速剪切挤压区B通道入口圆角到第一差速剪切挤压区A通道入口边的水平距离设为X1为20mm，X2为28mm，X3为35mm,挤压过程中不同弧面上的镁合金坯料向下流动的速度不同，形成了差速流动，相邻弧面的上弧面台阶24发挥着剪切平台的作用，引入了剪切变形，晶粒c轴发生偏转，弱化了基面织构；当镁合金坯料流动到第二差速剪切挤压区B，通道入口的圆角半径r1设为15mm,r2为20mm,r3为27mm,通道入口的段弧半径r6设为75mm，r4为86mm,r5为95mm，相邻段弧的夹角δ设为55°，α为60°，θ为65°，第二差速剪切挤压区B通道入口到成型挤压区C通道入口间的弧面半径R5设为103mm，R6为115mm，R7为124mm,R4为113mm,第一圆柱通道口I到第二圆柱通道口II的垂直高度h2设为18mm,第二圆柱通道口II到第三圆柱通道口III的垂直高度h3设为20mm，第二差速剪切挤压区B入口各弧段切线到成型挤压区C通道口的水平垂直距离分别设为y1为15mm、y2为23mm和y3为30mm，第二差速剪切挤压区B高度h4为100mm,成型挤压区C高度h5为45mm，第一差速剪切挤压区A通道入口、第二差速剪切挤压区B通道入口和成型挤压区C通道入口的中心不在同一个竖直轴线上，导致镁合金坯料在挤压过程中，不同弧段上的坯料流动速度持续不同，坯料各处变形程度相差大，相邻弧面间的下弧面台阶25发挥着剪切平台的作用，进一步引入了剪切变形，晶粒c轴进一步发生偏转，不断弱化基面织构；凹模12的挤压通道截面在不断变小，镁合金再通过成型挤压区C，晶粒组织进一步被细化，最后被挤压出通孔13，得到了细晶弱织构高性能镁合金，实现了镁合金棒材的加工。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。
通过本发明一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的装置及工艺方法制备的镁合金棒材的平均晶粒尺寸与常规镁合金相比大大减小，从原始的45.7μm减小到3.5μm,，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。
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棒材的原理进行详述：
挤压通道的尺寸参数：三个挤压区的挤压通道口宽度依次减小即D1＞D3＞D2，第一差速剪切挤压区A的腔内弧面半径R1≠R2≠R3；第二差速剪切挤压区B的通道入口弧段半径r4≠r5≠r6,圆角半径r1≠r2≠r3，相邻弧段夹角δ≠α≠θ，第二差速剪切挤压区B的弧面半径R4≠R5≠R6≠R7，第一圆柱通道口I与第二圆柱通道口II相差h2,第二圆柱通道口II与第三圆柱通道口III相差h3,第二差速剪切挤压区入口各圆角到第一差速剪变形挤压区入口圆边的水平距离X1≠X2≠X3，第二差速剪切挤压区B入口的各弧段切线到成型挤压区C通道口的水平垂直距离y1≠y2≠y3，三者通道口的中心不在同一个竖直轴线上。
连续差速挤压引入剪切变形过程：如图11所示，镁合金坯料在挤压凸模模具的挤压带动下不断前进，坯料会流进第一差速剪切挤压区A和第二差速剪切挤压区B中，腔内各个弧面半径大小不同，第一差速剪切挤压区A通道入口、第二差速剪切挤压区B通道入口和成型挤压区C通道口中心不在同一个竖直轴线上，导致在整个通道不同弧面上的镁合金流动速度持续不同，坯料各处变形程度不同，变形不均匀，并且上弧面台阶和下弧面台阶发挥着剪切平台的作用,共同引入大量剪切变形，晶粒c轴发生偏转，不断弱化基面织构，凹模腔内通道的截面直径整体在不断减小，镁合金晶粒组织被细化，最后经过成型挤压区C矫直成型，得到细晶弱织构高性能镁合金棒材。
挤压凸模模具的表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm，凹模的表面粗糙度为Ra0.4~0.8μm，挤压通道凹模内的不同弧面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。
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 (9)
1.一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的装置，其特征在于：包括立式挤压机、凹模、外模架和动力装置；
所述立式挤压机包括底座、顶座以及固定于底座和顶座之间的立柱；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；底座的中心处固定有工作台，工作台上安装有凹模垫块，且凹模垫块、工作台和底座开设有两处贯穿三者的通孔；
所述凹模的挤压通道整体从上至下依次由圆形变为三角圆角形再变为圆形，三者的中心不在同一个竖直轴线上，并且腔体内的通道截面积整体不断减小;
所述外模架包括工作台上安装的凹模固定框架，凹模固定框架的内壁上设有加热套，凹模固定框架内放置有置于工作平台上的凹模垫块，凹模的底部与凹模垫块固定;
所述动力装置为驱动立式挤压机的压力电机。
2.根据权利要求1所述的一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的装置，其特征在于：所述挤压通道由上至下依次为第一差速剪切挤压区、第二差速剪切挤压区和成型挤压区；所述第一差速剪切挤压区的顶端是圆形通道入口，第一差速剪切挤压区的通道末端是三边有弧度的三角圆角通道口，三个弧边半径和三个圆角半径大小各不同，通道由顶端和末端之间的3个弧面组成，弧面半径大小不同，3个相邻弧面之间有3个竖直的上弧面台阶；凹模中间处以三角圆角通道口为过渡连接所述第二差速剪切挤压区，凹模底端以成型挤压区为出口，所述第二差速剪切挤压区通道由三角圆角通道口的4个不同弧段和不同圆柱通道口之间的弧面组成，不同弧面下端的高低不同，4个弧面半径大小不同，通道整体不对称，4个弧面相邻之间有4个竖直的下弧面台阶。
3.根据权利要求1所述的一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的装置，其特征在于：所述挤压凸模模具、凹模的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢。
4.根据权利要求1所述的一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的装置，其特征在于：所述挤压凸模模具的表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm，所述凹模的表面粗糙度为Ra0.4~0.8μm，凹模的挤压通道内的不同弧面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。
5.一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、镁合金块坯料预处理：
S1-1、对镁合金块坯料的表面进行打磨，去除油污；
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，然后取出镁合金块坯料并用无水乙醇清洗、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；
S3、对连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的装置进行润滑、装配与预热；
S3-1、润滑：将凹模模腔表面、挤压凸模模具表面涂抹石墨油溶液；
S3-2、装配：
首先，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底部，最后将凹模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腔的顶端腔口内，以保证挤压凸模模具和凹模的模腔紧密垂直接触；
S3-3、预热：设定加热套温度为300~500℃，达到设定温度后保温2~4 h，留待后步使用；
S4、连续多弧面剪切挤压成型：挤压凸模模具和凹模共同组成挤压空间；所述挤压空间包括从上到下设置的第一差速剪切挤压区、第二差速剪切挤压区和成型挤压区三个区域；
S4-1、将挤压凸模从通道中退出，使镁合金块坯料填充在第一差速剪切挤压区，随后将挤压凸模推入通道内；操作立式挤压机，将挤压凸模向下推进，凹模腔体内径不断减小，在挤压凸模模具的作用下，镁合金坯料继续向前运动，进入了第二差速剪切挤压区，再经过成型挤压区后形成晶粒更细小的镁合金棒材，最后被挤出通孔；
S4-2、取出步骤S4-1制得的镁合金棒材，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棒材，最后用无水乙醇二次清洗，并吹干，制得能够直接投入使用的细晶弱织构镁合金棒材。
6.根据权利要求5所述一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的加工方法，其特征在于：所述S1-1依次用600目、用800目、1000目、1200目砂纸进行除油污、打磨，直至镁合金棒料表面光洁。
7.根据权利要求5所述一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的加工方法，其特征在于：所述S1-3中超声波清洗60min。
8.根据权利要求5所述一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的加工方法，其特征在于：所述S2采用真空气氛加热炉对镁合金块坯料预热；真空气氛加热炉达到设定温度450℃后，将镁合金块坯料放入真空气氛加热炉内，保温3h。
9.根据权利要求5所述一种连续多弧面剪切挤压制备细晶镁合金棒材的加工方法，其特征在于：所述S4-1挤压成形过程中，控制加热套温度为300~500℃。
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