CN117960818A - 变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轻金属塑性成形技术领域，具体涉及一种变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的装置及通过该装置实施的连续挤压方法。本发明将变截面挤压变形和堆叠挤压变形相结合，有效弱化镁合金基面织构，提高镁合金力学性能；在镁合金材料在挤压过程中产生向四周分流，两次变截面挤压变形过程中，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变截面挤压变形过程中更加容易。镁合金材料在堆叠挤压通道进行不均匀挤压的同时，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，使得材料实现差速挤压变形，镁合金薄壁管材晶粒细化效果更为显著。

Description

变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的装置及方法

技术领域

本发明属于轻金属塑性成形技术领域，具体涉及一种连续变截面堆叠挤压制备细晶弱织构高性能镁合金薄壁管材的连续挤压加工装置及通过该装置的连续挤压方法。

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。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，提供一种制备细晶弱织构高性能镁合金薄壁管材的连续挤压加工装置及使用该装置用于弱基面织构镁合金薄壁管材的不对称连续挤压工艺方法。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剧烈不均匀挤压变形，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：一种变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的装置，包括立式挤压机、凹模模具、固定凸模模具、外部模架和加热套，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，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，且工作台和底座上开设有贯穿二者的环形孔；工作台的环形孔中心部分安装有固定凸模垫块，工作台上同时安装有中心开有通孔的凹模垫块，凹模垫块中心通孔与固定凸模垫块之间围成与工作台环形孔大小一致且相贯通的环形通孔；

固定凸模模具安装在固定凸模垫块之上，所述固定凸模模具为包括圆台和球状体的组合体，其顶端有向上凸起的球状体部分，中间部分为一个向周圈倾斜的圆台，下部自上而下呈收缩结构以及等径结构；所述凹模模具安装在凹模垫块之上，凹模模具中心开有上下贯通的挤压通道且固定凸模模具位于挤压通道内；所述挤压通道上部分为等径垂直结构，中间部分一半呈向内逐渐收缩的倾斜台阶，另外一半侧呈向下凹陷的半圆形堆叠变形凹槽，与固定凸模模具共同形成一半逐渐向内收缩，另外一半向外扩张的变形结构；挤压通道下部为等径结构，与固定凸模模具下部等径结构围成环形通孔且与凹模垫块和固定凸模垫块之间的环形通孔以及工作台和底座上的环形孔贯通，构成挤出通道；球状体部分与等径垂直结构之间构成挤压扩口区，倾斜圆台与等径垂直通道之间构成剪切变形区，固定凸模模具收缩结构与挤压通道中间部分构成堆叠挤压变形区Ⅲ；

所述外部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；凹模垫块、固定凸模垫块、凹模模具、固定凸模模具均位于工作台和加热套围成的空间内。

镁合金块坯料（棒材）在挤压凸模模具的压力下通过挤压通道上部后，首先与固定挤压凸模上端球状体接触，镁合金块坯料逐渐在挤压凸模模具作用下初步扩散为管状，实现初步的棒变薄壁管变化。继续向下运动，固定挤压凸模的中间部分为一个向两侧倾斜的倾斜台阶，镁合金块坯料在台阶状固定挤压凸模部分进一步发生扩口，之后在固定挤压凸模末端一侧反生向内的收缩，另一侧发生向外堆叠，从而产生不均匀变形进一步使管材壁变薄；最后在固定挤压凸模与凹模模具内壁形成的挤压通道末端部分，将镁合金挤压成薄壁管材。

本发明作业时，位于固定挤压凸模上方的镁合金块坯料在挤压凸模模具的挤压带动下不断前进，到达挤压扩口区，通过挤压凸模模具，凹模模具，固定凸模模具的挤压，镁合金块坯料在接触到固定凸模模具时产生第一次棒材向管材的转化变形，向四周流动，镁合金块坯料产生的塑性变形与变口挤压变形细化了晶粒组织，在挤压变形过程中台阶挤压力的作用下晶粒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下流动，在剪切变形区产生第二次逐渐变窄通道作用下的挤压变形，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堆叠挤压变形区时，通过一侧模具进行堆叠过程中的不均匀挤压和另外一侧的逐渐向内收缩挤压力作用下，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，一次挤压便获得了一个高性能镁合金薄壁管材。该装置能够实现通过变通道堆叠挤压变形制备细晶弱织构高性能镁合金薄壁管材。

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。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。

一种变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的的方法，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、变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的装置的润滑、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中间的工作台上，固定凸模模具固定在固定凸模垫块上，凹模固定框架通过螺栓固定在工作台上，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、变截面堆叠挤压成形：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扩口区Ⅰ、剪切变形区Ⅱ和堆叠挤压变形区三个区域；

S4-1、将挤压凸模模具从挤压通道中退出，使镁合金块坯料填充在固定凸模模具上方的挤压通道内，随后将挤压凸模模具推入挤压通道内；操作立式挤压机，将挤压凸模模具向下推进，推动镁合金块坯料向下前进；进入到挤压扩口区，镁合金块坯料在接触到固定凸模模具时将产生第一次扩口变形，产生向四周的流动，管材形状初步形成，镁合金块坯料产生的塑性变形和台阶处的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下流动，在剪切变形区产生第二次变通道挤压变形，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堆叠挤压变形区时，通过一侧模具进行堆叠挤压，另外一侧模具进行变窄的挤压配合作用下，发生不均匀变形导致晶粒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，同时挤压通道的截面积逐渐变小，晶粒组织将进一步被细化；最后被挤出环形通孔，一次挤压便获得了一个高性能镁合金薄壁管材；在挤压成形过程中，控制加热套温度为300~500℃；

S4-2、取出步骤S4-1制得的镁合金薄壁管材，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薄壁管材，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薄壁管材。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

1.该发明将变截面挤压变形和堆叠挤压变形相结合，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向四周分流，两次变截面挤压变形过程中，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变截面挤压变形过程中更加容易。

3.镁合金材料在堆叠挤压通道进行不均匀挤压的同时，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，使得材料实现差速挤压变形，使得镁合金薄壁管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为挤压通道的示意图；

图3为本发明挤压通道的立体示意图；

图4为固定挤压凸模主视图；

图5为固定挤压凸模俯视图。

图中：1-底座；2-工作台；3-立柱；4-固定螺钉；5-凹模模具；6-凹模固定框架；7-加热套；8-顶座；9-挤压伸缩压头；10-压块；11-压力电机；12-挤压凸模模具；13-镁合金块坯料；14-球状体部分；15-第一圆台；16-第二圆台；17-环形通孔；18-导线；19-显示屏；20-电源开关；21-加热套控制器；22-压力电机控制器；23-指示灯；24-电控箱；25-升降手柄；26-凹模垫块；27-固定凸模垫块；

Ⅰ-挤压扩口区；Ⅱ-剪切变形区；Ⅲ-堆叠挤压变形区。

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。

一种变截面堆叠挤压制备细晶弱织构高性能镁合金薄壁管材的装置，包括包括立式挤压机、凹模模具、固定凸模模具、外部模架和加热装置，其中：

所述立式挤压机包括底座1、顶座8以及固定于底座1和顶座8之间的立柱3；顶座8的中心处安装有压力电机11，压力电机11底部安装有挤压伸缩压头9，挤压伸缩压头9的端部固定有压块10，压块10的底部固定有挤压凸模模具12，立柱3上安装有控制挤压伸缩压头9动作的升降手柄25，底座1的中心处固定有工作台2，工作台2上安装有凹模垫块26和固定凸模垫块27，工作台2和底座1开设有贯穿二者的环形孔，凹模垫块26开有中心孔，固定凸模垫块27位于中心孔内，也构成与工作台2和底座1上的环形孔贯通的环形通孔17；

如图2所示，所述凹模模具5中心开有上部等截面、中下部变截面的挤压通道，挤压通道等截面部分长L₁为140-180mm、宽W₁为90-140mm；固定挤压凸模的第一、第二圆台设有向周围倾斜的台阶，固定挤压凸模最宽处为W₂=80mm-120mm；倾斜台阶做倒圆角设计且圆角R₂半径为10-18mm，与凹模模具5共同形成向四周分流的结构，挤压通道下部截面宽度缩小到W₃为30-50mm；凹模模具5由左右两半部分组合而成（如图3所示），中心为挤压通道，左半部分中部设有堆叠变形凹槽，凹槽圆角半径R₁=10mm-13mm；右半部分中部挤压腔体内外壁的倾斜角度不同，即θ₁≠θ₂，使挤压通道逐渐变窄，使薄壁管材进行不均匀剪切变形，使得镁合金块坯料（棒材）由初始的直径为W₁通过挤压通道挤压变形为壁厚为t，直径为W₃的薄壁管材；

所述固定凸模模具为一个由不同尺寸圆台组成的组合体（如图4、5所示），其顶端有向上凸起的球状体部分使镁合金块坯料（棒材）发生初次向四周的流动变形，凸起的球状体部分半径R₃为25-40mm，并与挤压凸模模具12下端相匹配，固定挤压凸模上部分（第一、第二圆台）设有向两侧倾斜的台阶，固定挤压凸模最宽处为W₂=80mm-120mm；倾斜台阶做倒圆角设计且圆角R₂半径为10-18mm，与凹模模具5共同形成向四周分流的结构，下端向内回收，与外壁（即挤压通道）匹配，使材料进一步发生剪切变形，在末端与凹模模具5组成挤出通道，通道直径同时为挤出薄壁管材壁厚为t；

所述外部模架包括工作台2上安装的凹模固定框架6，凹模固定框架6的内壁上设有加热套7，凹模固定框架6内放置有置于工作台2上的凹模垫块26和固定凸模垫块27，凹模模具5的底部与凹模垫块26固定，固定凸模模具的底部与固定凸模垫块27固定；

所述动力机构为驱动挤压模具的压力电机11；

加热装置包括加热套7及加热套控制器21；压力电机11通过压力电机控制器22实现控制，加热套控制器21、压力电机控制器22均集成在电控箱24内；电控箱24通过导线与各器件实现连接，其上设有显示屏19和指示灯23。

进一步地，所述挤压通道由上至下依次为挤压扩口区Ⅰ、剪切变形区Ⅱ和堆叠挤压变形区Ⅲ。镁合金块坯料13在挤压凸模模具12的挤压带动下不断前进，从挤压扩口区Ⅰ的挤压通道到达剪切变形区Ⅱ的挤压台阶和变截面挤压部分，通过挤压凸模模具12，凹模模具5，固定凸模模具的挤压，镁合金块坯料13在接触到固定凸模模具时将产生第一次向四周的扩口变形，向四周产生分流，镁合金块坯料13产生的塑性变形与变截面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12的作用下，镁合金块坯料继续向下流动，将产生第二次变截面挤压变形同时在台阶处发生显著剪切变形，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堆叠挤压变形区Ⅲ时，通过两侧模具进行堆叠剪切变形和变截面剪切变形，堆叠变形导致晶粒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，产生差速剪切变形，晶粒组织将进一步被细化；最后被挤出环形通孔17，一次挤压便获得了一块高性能镁合金薄壁管材。该装置能够实现通过变截面配合堆叠挤压变形制备细晶弱织构高性能镁合金。

挤压结束后，将挤压凸模模具12和固定凸模模具14取出，就可以将镁合金薄壁管材取出了。

进一步地，所述挤压凸模模具12、凹模模具5和固定凸模模具14的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢。

进一步地，所述挤压凸模模具12的表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm，凹模模具5的表面粗糙度为Ra0.4~0.8μm，固定凸模模具14的表面粗糙度为Ra0.16~0.4μm。挤压通道的凹模模具5和固定凸模模具14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，在进行变截面不对称堆叠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%。

一种变截面不对称堆叠挤压制备细晶弱织构高性能镁合金薄壁管材的方法，包括以下步骤：

S1、镁合金块坯料13预处理：

S1-1、用600目砂纸对镁合金块坯料13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13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13超声波清洗60min，然后取出镁合金块坯料13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13的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用；

S2、镁合金块坯料13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13放入加热炉内，保温3h；

S3、变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的装置的润滑、装配与预热：

S3-1、润滑：将凹模模具5模腔表面、挤压凸模模具12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27安装固定在立式挤压机中间的工作台2上，固定凸模模具固定在固定凸模垫块27上，凹模固定框架6通过螺栓固定在工作台2上，加热套7安装在凹模固定框架6内表面上，再将凹模垫块26固定于凹模模具5底部，最后将凹模模具5安置于凹模固定框架6内即可，控制挤压凸模模具12下行并置于凹模模具5模腔的顶端腔口内，以保证挤压凸模模具12和凹模模具5的模腔紧密垂直接触；

S3-3、预热：控制加热套7温度为300~500℃，达到设定温度后保温2~4 h，留待后步使用；

S4、变截面堆叠挤压成形：挤压凸模模具12、凹模模具5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扩口区Ⅰ、剪切变形区Ⅱ和堆叠挤压变形区三个区域；

S4-1、将挤压凸模模具12从挤压通道中退出，使镁合金块坯料13填充在固定凸模模具上方的挤压通道内，随后将挤压凸模模具12推入挤压通道内；操作立式挤压机，将挤压凸模模具12向下推进，推动镁合金块坯料13向下前进；进入到挤压扩口区Ⅰ，镁合金块坯料13在接触到固定凸模模具时将产生第一次扩口变形，产生向四周的流动，管材形状初步形成，镁合金块坯料13产生的塑性变形和台阶处的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12的作用下，镁合金块坯料13继续向下流动，在剪切变形区Ⅱ产生第二次变通道挤压变形，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13流动到堆叠挤压变形区Ⅲ时，通过一侧模具进行堆叠挤压，另外一侧模具进行变窄的挤压配合作用下，发生不均匀变形导致晶粒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，同时挤压通道的截面积逐渐变小，晶粒组织将进一步被细化；最后被挤出环形通孔17，一次挤压便获得了一个高性能镁合金薄壁管材；在挤压成形过程中，控制加热套7温度为300~500℃；

S4-2、取出步骤S4-1制得的镁合金管状棒材，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薄壁管材。

具体实施例

一种连续变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金薄壁管材的装置及工艺方法，采用如下步骤：

（1）将上部挤压凸模模具12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13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13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13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13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12从挤压通道中退出，在镁合金块坯料13表面涂抹高温石墨油溶液进行润滑，使镁合金块坯料13填充在挤压通道上部，随后将挤压凸模模具12推入挤压通道内。

（6）本发明中挤压凸模模具12、凹模模具5和固定凸模模具的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢。所述挤压凸模模具12的表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm，凹模模具5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。

（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12向下前进，其行进速度为V₁=70mm/min；同时固定凸模模具顶端凸起部分半径R₃设置为30mm，固定挤压凸模模具设有倾斜台阶，倾斜台阶做倒圆角设计且圆角R₂半径设为13mm，与固定凸模模具共同形成向四周分流，通道截面宽度W₁、W₂和W₃分别设为120mm、80mm和50mm，变截面和台阶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；当镁合金块坯料13流动到堆叠挤压变形区Ⅲ时，通过两侧模具分别进行堆叠挤压和变截面挤压，本实验设置为θ₁=67º和θ₂=62°，使挤压通道右侧在向下过程中逐渐变窄实现变截面剪切挤压，剪切变形导致晶粒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17，一次挤压便获得了一块高性能镁合金薄壁管材，实现镁合金管材的加工过程。

（8）取出镁合金板管材，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：通过本发明一种变截面堆叠剪切挤压制备细晶弱织构镁合金薄壁管材的装置及工艺方法，镁合金块坯料的平均晶粒尺寸与常规镁合金相比大大减小，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镁合金棒状坯料，其长L=160mm，半径R=60mm；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，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变形挤压方式也不同即左侧为堆叠挤压，右侧为变截面剪切挤压，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，使镁合金块坯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块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，使镁合金块坯料晶粒c轴发生偏转，弱化镁合金块坯料基面织构并细化晶粒。2）变截面堆叠挤压过程：镁合金块坯料在挤压凸模模具的挤压带动下不断前进，到达挤压扩口区Ⅰ，在挤压凸模模具，凹模模具，固定凸模模具的作用下，镁合金块坯料在接触到固定凸模模具时产生第一次变截面扩口挤压剪切变形，并产生分流，向四周流动，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，镁合金块坯料继续向前流动到达台阶处，在剪切变形区Ⅱ将产生第二次变截面剪切挤压变形，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堆叠挤压变形区Ⅲ时，通过两侧模具进行不同程度的堆叠挤压和变截面挤压，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，一次挤压便获得了一块高性能镁合金薄壁管材。该装置能够实现通过连续变截面堆叠挤压变形制备细晶弱织构高性能镁合金。

经过以上两点原理，最终使得镁合金坯料经过大量的剪切挤压变形，获得弱基面织构高性能镁合金薄壁管材。

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 (5)

1.一种变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的装置，包括立式挤压机、凹模模具（5）、固定凸模模具、外部模架和加热套（7），其中：

所述立式挤压机包括底座（1）、顶座（8）以及固定于底座（1）和顶座（8）之间的立柱（3）；顶座（8）的中心处安装有压力电机（11），压力电机（11）底部安装有挤压伸缩压头（9），挤压伸缩压头（9）的端部固定有压块（10），压块（10）的底部固定有挤压凸模模具（12），立柱（3）上安装有控制挤压伸缩压头（9）动作的升降手柄（25），底座（1）的中心处固定有工作台（2），且工作台（2）和底座（1）上开设有贯穿二者的环形孔；工作台（2）的环形孔中心部分安装有固定凸模垫块（27），工作台（2）上同时安装有中心开有通孔的凹模垫块（26），凹模垫块（26）中心通孔与固定凸模垫块（27）之间围成与工作台环形孔大小一致且相贯通的环形通孔（17）；

固定凸模模具安装在固定凸模垫块（27）之上，所述固定凸模模具为包括圆台和球状体的组合体，其顶端有向上凸起的球状体部分，中间部分为一个向周圈倾斜的圆台，下部自上而下呈收缩结构以及等径结构；所述凹模模具（5）安装在凹模垫块（26）之上，凹模模具（5）中心开有上下贯通的挤压通道且固定凸模模具位于挤压通道内；所述挤压通道上部分为等径垂直结构，中间部分一半呈向内逐渐收缩的倾斜台阶，另外一半侧呈向下凹陷的半圆形堆叠变形凹槽，与固定凸模模具共同形成一半逐渐向内收缩，另外一半向外扩张的变形结构；挤压通道下部为等径结构，与固定凸模模具下部等径结构围成环形通孔（17）且与凹模垫块和固定凸模垫块（27）之间的环形通孔（17）以及工作台（2）和底座（1）上的环形孔贯通，构成挤出通道；球状体部分与等径垂直结构之间构成挤压扩口区Ⅰ，倾斜圆台与等径垂直通道之间构成剪切变形区Ⅱ，固定凸模模具收缩结构与挤压通道中间部分构成堆叠挤压变形区Ⅲ；

所述外部模架包括工作台（2）上安装的凹模固定框架（6），凹模固定框架（6）的内壁上设有加热套（7）；凹模垫块（26）、固定凸模垫块（27）、凹模模具（5）、固定凸模模具均位于工作台（2）和加热套（7）围成的空间内。

2.如权利要求1所述的变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的装置，其特征在于，所述固定凸模模具自上而下包括球状体部分（14）、第一圆台（15）、第二圆台（16）以及下部柱体；球状体部分（14）半径R₃为25-40mm，第一圆台（15）、第二圆台（16）构成向周圈倾斜的台阶，第二圆台（15）底部最宽处为W₂=80mm-120mm；倾斜台阶做倒圆角设计且圆角R₂半径为10-18mm，下部柱体上部呈收缩结构，顶部最宽处为W₂，下部为等径结构，宽度缩小到W₃为30-50mm；挤出通道直径同时为挤出薄壁管材壁厚t；

凹模模具（5）等径垂直结构长L₁为140-180mm、宽W₁为90-140mm；中下部变截面通道长度L₂<L₁，凹模模具（5）中间部分的堆叠变形凹槽圆角半径R₁=10mm-13mm；固定凸模模具的倾斜台阶与挤压通道倾斜台阶的倾斜角度不同，即θ₁≠θ₂，挤压通道逐渐变窄，使得镁合金块坯料（13）由初始的直径为W₁通过挤压通道挤压变形为壁厚为t，直径为W₃的薄壁管材。

3.如权利要求1所述的变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的装置，其特征在于，所述挤压凸模模具（12）、凹模模具（5）和固定凸模模具的材质均为4Cr5MoSiV1热作模具钢。

4.如权利要求1所述的变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的装置，其特征在于，所述挤压凸模模具（12）的表面粗糙度为Ra0.08~0.16μm，凹模模具（5）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。

5.一种变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的方法，包括以下步骤：

S1、镁合金块坯料（13）预处理：

S1-1、用600目砂纸对镁合金块坯料（13）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（13）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（13）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（13）超声波清洗60min，然后取出镁合金块坯料（13）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（13）的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用；

S2、镁合金块坯料（13）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（13）放入加热炉内，保温3h；

S3、变截面堆叠挤压制备细晶弱织构镁合金管材的装置的润滑、装配与预热：

S3-1、润滑：将凹模模具（5）模腔表面、挤压凸模模具（12）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（27）安装固定在立式挤压机中间的工作台（2）上，固定凸模模具固定在固定凸模垫块（27）上，凹模固定框架（6）通过螺栓固定在工作台（2）上，加热套（7）安装在凹模固定框架（6）内表面上，再将凹模垫块（26）固定于凹模模具（5）底部，最后将凹模模具（5）安置于凹模固定框架（6）内即可，控制挤压凸模模具（12）下行并置于凹模模具（5）模腔的顶端腔口内，以保证挤压凸模模具（12）和凹模模具（5）的模腔紧密垂直接触；

S3-3、预热：控制加热套（7）温度为300~500℃，达到设定温度后保温2~4 h，留待后步使用；

S4、变截面堆叠挤压成形：挤压凸模模具（12）、凹模模具（5）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扩口区Ⅰ、剪切变形区Ⅱ和堆叠挤压变形区三个区域；

S4-1、将挤压凸模模具（12）从挤压通道中退出，使镁合金块坯料（13）填充在固定凸模模具上方的挤压通道内，随后将挤压凸模模具（12）推入挤压通道内；操作立式挤压机，将挤压凸模模具（12）向下推进，推动镁合金块坯料（13）向下前进；进入到挤压扩口区Ⅰ，镁合金块坯料（13）在接触到固定凸模模具时将产生第一次扩口变形，产生向四周的流动，管材形状初步形成，镁合金块坯料（13）产生的塑性变形和台阶处的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（12）的作用下，镁合金块坯料（13）继续向下流动，在剪切变形区Ⅱ产生第二次变通道挤压变形，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（13）流动到堆叠挤压变形区Ⅲ时，通过一侧模具进行堆叠挤压，另外一侧模具进行变窄的挤压配合作用下，发生不均匀变形导致晶粒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，同时挤压通道的截面积逐渐变小，晶粒组织将进一步被细化；最后被挤出环形通孔（17），一次挤压便获得了一个高性能镁合金薄壁管材；在挤压成形过程中，控制加热套（7）温度为300~500℃；

S4-2、取出步骤S4-1制得的镁合金薄壁管材，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薄壁管材，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薄壁管材。