CN206083461U - 一种镁合金挤压模具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种镁合金挤压模具，包括凸模和凹模；所述的凹模型腔由挤压通道和凸模通道两部分组成，凸模插装在凸模通道内；挤压通道的顶部与凸模通道连通，挤压通道的宽度小于凸模通道的直径，挤压通道与凸模通道连接处呈楔形；挤压通道的上部为平滑的曲线形，下部为直线形，挤压通道的截面呈长方形。本实用新型能使得加工的镁合金板材的组织更加均匀、晶粒更加细小；而且本实用新型还具有结构简单、成本低等优点。

Description

一种镁合金挤压模具

技术领域

本实用新型属于镁合金加工设备技术领域，尤其是涉及一种镁合金挤压模具。

背景技术

镁及镁合金密度小（约1.7g/cm³），是目前金属结构材料中最轻的材料，并具有比强度和刚度高、电磁屏蔽能力强、切削加工性能好及抗震能力强等优点，且容易回收，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。在汽车、航天航空、电子通讯和轻量化制造等领域具有广阔的应用前景，成为减重节能和保护环境的首选材料。但镁是密排六方结构的金属，其轴比(c/a)值为1.623，接近理想的密排值1.633，室温下滑移系少，塑性变形能力差，容易导致脆性断裂，冷加工性能不好，很大程度上限制了镁合金的应用，因此，开展镁合金塑性变形研究对镁合金产品获得更广泛的应用具有及其重要的意义。目前大量镁合金产品主要以铸造、半固态成形等生产方式获得，但其铸态组织晶粒粗大，力学性能较低。与铸造镁合金相比，变形镁合金在组织上更细、成分上更均匀、内部更致密，更具有发展前途和潜力。变形镁合金的塑性变形主要有模锻、挤压、轧制等方法，其中挤压是最基本的方法，与其他塑性变形方法相比，挤压过程中试样在受到三向应力的作用促使{101}<110>棱锥面和{l00}<110>棱柱面等非基面滑移系被激活，同时通过挤压加工能够很好的细化镁合金晶粒，晶粒细化一直是材料科学界研究的热点问题，根据著名的Hell-Petch公式多晶体屈服强度随晶粒尺寸的减小大大增加，而延伸率也显著提高，是理想的材料强化方式，从而可获得具有较高的强度、较好的延展性和力学性能的镁合金产品。目前我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁合金板、棒和型材，如今高性能镁合金材料仍依靠进口，民用产品尚未进行大力开发。因此，研究和开发性能优良、规格多样的高强韧变形镁合金材料显得十分重要。

目前，工业生产中镁合金的挤压变形工艺，其挤压比一般在10～100变化，镁合金坯料的挤压温度通常为300～450℃，挤压速度通常为0.1m/min～2.5m/min，挤压温度与挤压速度成正比，挤压温度越低，挤压速度越慢，如果挤压温度降低而挤压速度不随之而减慢，镁合金的成型效果将受影响，导致挤压出的材料出现裂纹，影响产品质量。现在最为常用的镁合金的挤压变形方式为传统正挤压与ECAE(Equal channel angular extrusion)等径角挤压，其加工过程参见图1、图2。

正挤压是一种传统挤压方式，它是将镁合金坯料3放入到凹模2中，通过对凸模1一端施加压力，使挤压坯料通过挤压通道4以实现塑性变形的一种压力加工方法。挤压过程在近似封闭的工具内进行，材料在变形过程中承受很高的静水压力，有利于消除铸锭中的气孔疏松和缩孔等缺陷，提高材料的可成形性，使材料在一次成形过程中能承受较大的变形量，从而改善产品的性能。传统挤压是比较成熟的工艺，但是晶粒细化效果不明显，它主要是利用挤压比变形来获得细小晶粒，进而提高其力学性能，为了获得较好的晶粒细化效果，必须采取大挤压比变形，这样在挤压过程中产生较大的应力应变，使得模具使用寿命大大减少；有的甚至是进行二次变形或多次变形提高晶粒细化效果，但这样就又增加了多套模具的设计与制造，效率低下，同时又增加了工业成本，并且镁合金通过正挤压加工后织构较强烈，对镁合金织构弱化效果不佳。

等径角挤压是一种利用纯剪切变形细化晶粒的大塑性变形加工方法，即将被挤压的镁合金坯料3，通过凹模2上弯曲成90°角的单向等径挤压通道4进行挤压，使镁合金坯料在一个凸模1的压力下，由等径挤压通道一端向另一端运动，使镁合金坯料在经过等径挤压通道的90°转角时，受到剪切变形，将镁合金晶粒细化，提高被挤压的镁合金材料的力学性能，但是这种挤压比为1，挤压温度为200～350℃，挤压速度为0.1～1.5m/min，其每挤压一道次后，镁合金晶粒尺寸细化程度不明显，需经过多道次挤压才能够将镁合金晶粒细化到较小尺寸。如在300℃将晶粒为230μm的镁合金坯料采用ECAE技术挤压变形，需经过八道次的挤压，镁合金的晶粒尺寸才能达到8μm以下；将晶粒为40μm的镁合金坯料在250℃时采用ECAE技术挤压变形，需经过八道次的挤压，镁合金的晶粒尺寸才能达到1μm左右。该方法虽然能够实现将镁合金晶粒细化到很小的程度，但是因其采用多道次的挤压加工序多，每道次的挤压时间也相对较长，生产效率低，生产成本高；并且由于ECAE技术的挤压速度为0.1～1.5m/min，如果要提高单向挤压的挤压速度，又会产品质量下降。因此，在工业化生产需要提高生产效率的情况下，ECAE技术显然存在不足。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种集正挤压与等径角挤压等多种变形方式于一体的镁合金挤压模具，它不仅综合了正挤压与等径角挤压的优点，且能够极大地提高镁合金晶粒细化、织构弱化等效果，使镁合金材料的综合力学性能得到提高，又能够实现在低温挤压状态下不降低挤压速度，提高镁合金挤压变形加工的生产效率。

本实用新型采用的技术方案是：包括凸模和凹模；所述的凹模型腔由挤压通道和凸模通道两部分组成，凸模插装在凸模通道内；挤压通道的顶部与凸模通道连通，挤压通道的宽度小于凸模通道的直径，挤压通道的上部为平滑的曲线形，下部为直线形，挤压通道的截面呈长方形。

上述的镁合金挤压模具中，所述的挤压通道下部的几何中心与凸模通道的几何中心重合。

上述的镁合金挤压模具中，所述的挤压通道上部的截面呈S形或连续的S形。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1）本实用新型涵盖了传统正挤压的挤压比，可以灵活地将镁合金棒料变成板料，棒料变成板料变形，具有形状转变增加剪切变形量功效，在不需过高的挤压比情况下即可获得高的应变量，可以很好的细化晶粒；同时，剪切变形过程中容易开启内部非基面滑移系，可弱化镁合金的典型基面织构，进而改善镁合金塑性；2） 本实用新型的挤压通道的上部为平滑的曲线，可以对镁合金施加弯曲变形，利于最终板材的变形均匀性，进而实现细晶组织均匀性分布；同时在两个对称弯曲变形过程中，受到反复弯曲剪切变形，可更为充分的开启非基面滑移系，通过弯曲结构的设计实现对织构弱化的控制，为镁合金强韧性的控制起到了很大的作用。3）此外本实用新型还具有工艺简单、操作方便、效率高、成本低等优点。

附图说明

图1是现有的正挤压镁合金挤压模具的结构图。

图2是现有的等通道挤压镁合金挤压模具的结构图。

图3是本实用新型的主视图。

图4是图3中的A-A剖视图。

图5是400℃下均匀化处理后的AZ31 镁合金的金相图。

图6(a) 为290℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后横截面的显微组织图；图6 (b)为290℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后纵截面的显微组织图；图6 (c)为290℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后底面的显微组织图。

图7(a) 为330℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后横截面的显微组织图；图7 (b)为330℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后纵截面的显微组织图；图7 (c)为330℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后底面的显微组织图。

图8(a) 为370℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后横截面的显微组织图；图8(b) 为370℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后纵截面的显微组织图；图8(c)为370℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后底面的显微组织图。

图9(a) 为410℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后横截面的显微组织图；图9(b) 为410℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后纵截面的显微组织图；图9(c)为410℃，3%预变形下AZ31镁合金变形后底面的显微组织图。

图10(a) 为370℃，0%预变形下AZ31镁合金变形后横截面的显微组织图；图10(b)为370℃，0%预变形下AZ31镁合金变形后纵截面的显微组织图；图10(c)为370℃，0%预变形下AZ31镁合金变形后底面的显微组织图。

图11(a) 为410℃，0%预变形下AZ31镁合金变形后横截面的显微组织图；图11(b)为410℃，0%预变形下AZ31镁合金变形后纵截面的显微组织图；图11(c)为410℃，0%预变形下AZ31镁合金变形后底面的显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图3、4所示，本实用新型包括凸模1和凹模2；所述的凹模2设有挤压通道3和凸模通道5，凸模1插装在凸模通道5内。挤压通道4的顶部与凸模通道5连通，挤压通道4的宽度小于凸模通道5的直径，挤压通道4与凸模通道5连接处呈楔形。挤压通道4的上部呈S形（也可以是连续的S形或其他平滑的曲线形），下部的呈直线形；所述的挤压通道4下部的几何中心与凸模通道5的几何中心重合，挤压通道4的截面为长方形，用于挤出板材。

本实用新型使用时，其挤压加工方法如下：挤压前，把凸模1、凹模2都加热至200℃～400℃，随后在凹模2（左右两半）挤压通道4和凸模通道5的腔内均匀涂抹润滑剂，润滑剂可选用汽缸油、机油、石墨、玻璃、二硫化钼、植物油等，或者选其几种根据不同情况按不同比例混合使用。本实施例采用的润滑剂为由74号汽缸油加粒度400目的石墨混合而成的润滑剂，该润滑剂的配制比例的重量百分比为74号汽缸油60～90％，粒度400目的石墨10～40％，为达较佳的润滑效果，以配制比例的重量百分比为74号汽缸油70％，粒度400目的石墨30％的润滑剂的效果最佳；然后将凹模2（左右两半）组装放置并固定在立式挤压机工作台上，然后将经过均匀化处理的镁合金坯料加热至250℃～450℃，放入在已加热的凹模2的凸模通道5中，在凸模通道5内插入凸模1。由立式挤压机的压头带动凸模1以0.1～4m/min的速度、200MPa～1500MPa的挤压力，使镁合金坯料首先通过正挤压通道，随后受到弯曲剪切随等截面挤压通道流动挤压变形，其挤压比为凸模通道5的圆形截面积除以弯曲剪切阶段挤压通道的矩形截面积，挤压比为4～60。为使AZ31镁合金挤压加工后的板材的综合力学性能达到高标准要求，可将镁合金坯料进行准静态压缩预变形3%，温度加热至290℃，放入加热至270℃的正挤压等截面弯曲剪切成形的挤压模中，通过凸模1以0.1m/min～4m/min的挤压速度、200MPa～1500MPa的挤压力，采用7.08的挤压比，从镁合金坯料的上端进行单侧挤压，使镁合金坯料先通过正挤压阶段，随后随等截面弯曲剪切型腔通道流动挤压变形，经挤压后的AZ31镁合金板材的抗拉强度可达到307MPa，屈服强度可达到232MPa，通过一次挤压晶粒可细化至0.5mm左右，延伸率可达到28.9%，在此工艺条件下生产的AZ31镁合金板材的性能较好，达到的效果最佳。

晶粒细化原理：

本实用新型将粗晶镁合金的晶粒细化进程归纳如下：首先，坯料在凸模通道5内受到凸模1和凹模2的作用，使得粗晶镁合金在强变形下，部分晶粒内部萌生变形带，同时在晶界处有少量再结晶晶粒出现，发生不连续再结晶。坯料进入压缩减径区，AZ31 镁合金坯料心部形成的平行的纤维组织，并在挤压力和挤压热的作用下，沿晶界形成亚晶结构进而通过亚晶合并机制形成较大尺寸的大角度亚晶，产生交错变形带。坯料边部组织沿变形带(压缩减径区)受到大的剪切力被破碎成若干碎块，变形带区域的点阵畸变严重，成为连续动态再结晶的优先形核区域，随后通过晶界迁移，亚晶进一步合并和转动，发生动态再结晶，最终形成细小的大角度晶粒。坯料进入挤压通道4内，连续经过二个连续的弯曲剪切，晶粒受到比较大的剪切力，继续转动并受到剪切力破碎，在剪切力的作用下发生旋转动态再结晶，随着变形程度加大，晶内以连续动态再结晶机制产生动态再结晶晶粒，从而达到全面细化组织的效果。由于坯料各部分的变形程度不一，就每个晶粒而言细化过程大致符合上述的步骤，但对于所有晶粒而言，这些步骤可以是同时进行并且没有明显的先后顺序。坯料使用该方法挤压时，可使坯料经历一系列的连续深度变形，所以通过此挤压方法只需一次挤压变形，与轧制相比，就能组织更加均匀、晶粒更加细小的均匀细晶组织的高强韧镁合金板材。

铸态AZ31镁合金采用新型正挤压-弯曲剪切变形方法后，晶粒组织的得到明显的细化，平均晶粒尺寸从240μm（原始铸态）最小能细化至0.5μm，且组织较为均匀。说明通过本实用新型变形后组织发生充分的动态再结晶。

镁合金经正挤压弯曲剪切变形后的微观组织如图6-11所示，从图可以看出，在预变形为3%的镁合金随挤压温度的升高，晶粒尺寸逐渐长大。在290℃下，相比于预变形为0%的镁合金的晶粒较为细小，而在370℃下，相比于预变形为0%的镁合金的晶粒反而有所增大。这可能是因为经高温变形后，预变形后的孪晶消失，促进了再结晶晶粒的生长。

从图6(a)、图6 (b)和图6 (c)为挤压温度290℃预变形量为3%镁合金变形后横截面、纵截面、底面的显微组织。可以看出，板材的晶粒组织发生充分的动态再结晶，平均晶粒尺寸约为0.5μm，横截面和底面的显微组织较为均匀，尺寸大小大致相同，但纵截面的显微组织存在部分长条晶粒，主要是在挤压过程中，一些粗大晶粒没能发生动态再结晶而在弯曲变形过程中被拉长。

从图7(a)、图7(b)和图7 (c)为挤压温度330℃预变形量为3%镁合金变形后横截面、纵截面、底面的显微组织。可以看出，板材的再结晶晶粒逐渐长大，组织由6~8μm粗大晶粒和1~4μm细小晶粒混合组成，平均晶粒尺寸约为4.5μm，组织中的长条晶粒消失。

从图8(a)、图8 (b)和图8(c)为挤压温度370℃预变形量为3%镁合金变形后横截面、纵截面、底面的显微组织。可以看出，板材的再结晶晶粒逐渐长大，组织与330℃下的大致相同，由粗大晶粒和细小晶粒混合组成，但细小的晶粒开始长大，平均晶粒尺寸约为4.6μm。

从图9(a)、图9(b)和图9(c)为挤压温度410℃预变形量为3%镁合金变形后横截面、纵截面、底面的显微组织。可以看出，板材的细小的晶粒消失，在高温下，晶粒长大的速率较快，组织均匀，平均晶粒尺寸约为9.5μm。

从图10(a)、图10(b)和图10(c)为挤压温度290℃预变形量为0%镁合金变形后横截面、纵截面、底面的显微组织。可以看出，板材的晶粒组织发生充分的动态再结晶，平均晶粒尺寸约为4.5μm，横截面和底面的显微组织较为均匀，尺寸大小大致相同，但纵截面的显微组织存在部分粗大晶粒，主要是在挤压过程中，一些粗大晶粒发生二次再结晶。

从图11(a)、图11(b)和图11(c)为挤压温度370℃预变形量为0%镁合金变形后横截面、纵截面、底面的显微组织。可以看出，板材的晶粒组织组织由5~8μm粗大晶粒和1~3μm细小晶粒混合组成，平均晶粒尺寸约为4.1μm。

综上，在挤压之前采用采用了小变形量的准静态压缩预变形，可以增加原始镁合金坯料内部的孪晶组织，为热挤压过程中的动态再结晶提供了更多的形核点，可以强化均匀细化晶粒的效果，同时预孪晶改变了晶粒取向，在动态再结晶形核过程中，增加了随机取向形核的再结晶晶粒，对最终的织构弱化起到了重要的作用。

Claims (3)

1.一种镁合金挤压模具，包括凸模和凹模；其特征是：所述的凹模型腔由挤压通道和凸模通道两部分组成，凸模插装在凸模通道内；挤压通道的顶部与凸模通道连通，挤压通道的宽度小于凸模通道的直径，挤压通道与凸模通道连接处呈楔形；挤压通道的上部为平滑的曲线形，下部为直线形，挤压通道的截面呈长方形。

2.根据权利要求1所述的镁合金挤压模具，其特征是：所述的挤压通道下部的几何中心与凸模通道的几何中心重合。

3.根据权利要求1所述的镁合金挤压模具，其特征是：所述的挤压通道上部的截面呈S形或连续的S形。