本發(fā)明屬于鎂合金加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鎂合金擠壓變形加工裝置及加工方法。

背景技術(shù)：

鎂及鎂合金的密度低，是目前金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的材料，并具有比強(qiáng)度和比剛度高、電磁屏蔽能力強(qiáng)、切削加工性能好及抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在汽車、航天航空、電子通訊和輕量化制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，成為減重節(jié)能和保護(hù)環(huán)境的首選材料，被譽(yù)為21世紀(jì)的“綠色工程材料”。但鎂是密排六方結(jié)構(gòu)的金屬，其軸比(c/a)值為1.623，接近理想的密排值1.633，室溫下滑移系少，塑性變形能力差，容易導(dǎo)致脆性斷裂，冷加工性能不好。目前鎂合金的成型方法主要以鑄造為主，但其鑄態(tài)組織晶粒粗大，力學(xué)性能較低。為了提高其力學(xué)性能和細(xì)化組織。通過熱擠壓加工處理能夠很好的細(xì)化鎂合金晶粒，試樣在受到三向壓應(yīng)力的作用促使{101}<110>棱錐面和{l00}<110>棱柱面等非基面滑移系被激活，從而不僅能提高其塑性，亦可提高其強(qiáng)度。晶粒細(xì)化一直是材料科學(xué)界研究的熱點(diǎn)問題，根據(jù)著名的Hell-Petch公式多晶體屈服強(qiáng)度隨晶粒尺寸的減小而大大增加，而延伸率也明顯提高，是理想的材料強(qiáng)化方式。擠壓變形就是其中一種比較理想的細(xì)化組織，提高其力學(xué)性能的變形方式。擠壓法生產(chǎn)的零件其力學(xué)性能較壓鑄法生產(chǎn)的要高很多，而且表面光潔度高，可用于汽車承載件、國(guó)防軍工及航天航空等領(lǐng)域。我國(guó)變形鎂合金材料的研制與開發(fā)仍處于起步階段，缺少高性能鎂合金板、棒和型材，如今高性能鎂合金材料仍依靠進(jìn)口，民用產(chǎn)品尚未進(jìn)行大力開發(fā)。因此，研究和開發(fā)性能優(yōu)良、規(guī)格多樣的變形鎂合金材料顯得十分重要。

目前，工業(yè)生產(chǎn)中鎂合金的擠壓變形工藝，其擠壓比一般在10～100變化，鎂合金坯料的擠壓溫度通常為300～450℃，擠壓速度通常為0.1m/min～2.5m/min，擠壓溫度與擠壓速度成正比，擠壓溫度越低，擠壓速度越慢，如果擠壓溫度降低而擠壓速度不隨之而減慢，鎂合金的成型效果將受影響，導(dǎo)致擠壓出的材料出現(xiàn)裂紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量。現(xiàn)在最為常用的鎂合金的擠壓變形方式為ECAE(Equal channel angular extrusion)的等徑角擠壓，參見圖1，這是一種利用純剪切變形細(xì)化晶粒的大塑性變形加工方法，即將被擠壓的鎂合金坯料8，通過擠壓模9上彎曲成90°角的單向等徑擠壓通道10進(jìn)行擠壓，使鎂合金坯料在一個(gè)擠壓桿7的壓力下，由等徑擠壓通道一端向另一端運(yùn)動(dòng)，使鎂合金坯料在經(jīng)過等徑擠壓通道的90°轉(zhuǎn)角時(shí)，受到剪切變形，將鎂合金晶粒細(xì)化，提高被擠壓的鎂合金材料的力學(xué)性能，但是這種擠壓比為1，擠壓溫度為200～350℃，擠壓速度為0.1～1.5m/min，其每擠壓一道次后，鎂合金晶粒尺寸細(xì)化程度不明顯，需經(jīng)過多道次擠壓才能夠?qū)㈡V合金晶粒細(xì)化到較小尺寸。如在300℃將晶粒為230μm的鎂合金坯料采用ECAE技術(shù)擠壓變形，需經(jīng)過八道次的擠壓，鎂合金的晶粒尺寸才能達(dá)到8μm以下；將晶粒為40μm的鎂合金坯料在250℃時(shí)采用ECAE技術(shù)擠壓變形，需經(jīng)過八道次的擠壓，鎂合金的晶粒尺寸才能達(dá)到1μm左右。該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)將鎂合金晶粒細(xì)化到很小的程度，但是因其采用多道次的擠壓加工序多，每道次的擠壓時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高；并且由于ECAE技術(shù)的擠壓速度為0.1～1.5m/min，如果要提高單向擠壓的擠壓速度，又會(huì)產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此，在工業(yè)化生產(chǎn)需要提高生產(chǎn)效率的情況下，ECAE技術(shù)顯然存在不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種鎂合金擠壓變形加工裝置及加工方法，它采用錐臺(tái)強(qiáng)剪切擠壓雙側(cè)流動(dòng)擠壓變形，既能夠極大地提高鎂合金晶粒的細(xì)化效果，使鎂合金材料的綜合力學(xué)性能得到提高，又能夠?qū)崿F(xiàn)在低溫?cái)D壓狀態(tài)下不降低擠壓速度，提高鎂合金擠壓變形加工的生產(chǎn)效率。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種鎂合金擠壓變形加工裝置，包括凸模、上凹模和下凹模，上凹模位于下凹模的上方，與下凹模之間設(shè)有通道；上凹模的中心處設(shè)有通孔，凸模插裝在上凹模中心處的通孔內(nèi)；下凹模上表面上對(duì)應(yīng)于通孔處設(shè)有圓錐臺(tái)，圓錐臺(tái)截面上小下大。

一種利用上述的鎂合金擠壓變形加工裝置的鎂合金擠壓變形加工方法，包括如下步驟：

1）對(duì)鎂合金坯料進(jìn)行均勻化處理；

2）對(duì)凸模、上凹模和下凹模加熱，并在上凹模3和下凹模6之間的通道腔內(nèi)均勻涂抹潤(rùn)滑劑；然后將上凹模和下凹模組裝放置在固定在擠壓機(jī)工作臺(tái)上；

3）將均勻化處理后的鎂合金坯料加熱，然后放入在已加熱的上凹模中心處的通孔中，然后將凸模插裝在通孔內(nèi)；

4）擠壓機(jī)的壓頭帶動(dòng)凸模擠壓鎂合金坯料，使鎂合金坯料受到錐臺(tái)剪切后向上凹模和下凹模之間兩側(cè)的擠壓通道流動(dòng)擠壓變形，擠壓比為8～60。

上述的鎂合金擠壓變形加工方法中，步驟1）的具體操作方法如下：將鎂合金坯料加熱至380～450℃保溫10～25小時(shí)。

上述的鎂合金擠壓變形加工方法中，步驟2）中將凸模、上凹模和下凹模加熱至180℃～420℃。

上述的鎂合金擠壓變形加工方法中，步驟2）中潤(rùn)滑劑采用的是汽油、機(jī)油、石墨、玻璃、二硫化鉬或植物油中的一種或幾種的混合物。

上述的鎂合金擠壓變形加工方法中，步驟3）中將鎂合金坯料加熱至200℃～450℃。

上述的鎂合金擠壓變形加工方法中，步驟4）中擠壓機(jī)的壓頭帶動(dòng)凸模以0.1～4m/min的速度、150MPa～2000MPa的擠壓力擠壓鎂合金坯料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的下凹模上表面上對(duì)應(yīng)于通孔處設(shè)有圓錐臺(tái)，在鎂合金坯料擠壓時(shí)，板材的上部受到上凹模的90°轉(zhuǎn)角剪切作用，同時(shí)，板材的下部受到錐臺(tái)頂部的轉(zhuǎn)角θ剪切作用，一部分粗大晶粒在剪切力的作用下，被破碎成一系列具有小角度晶界的亞晶，亞晶被沿著擠壓方向拉長(zhǎng)形成帶狀組織，另一部分發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使晶粒初步細(xì)化；由于錐臺(tái)頂部的轉(zhuǎn)角θ為鈍角，其剪切作用弱于上凹模的90°轉(zhuǎn)角，板材的上部分比下部分具有更好的細(xì)化效果，在坯料經(jīng)過錐臺(tái)底部的轉(zhuǎn)角后，板材下部分繼續(xù)產(chǎn)生剪應(yīng)變，促使較大晶粒繼續(xù)破碎或發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒組織再次獲得細(xì)化；最后，可以獲得上下晶粒組織細(xì)小均勻的擠壓板材。此外，本發(fā)明可以靈活設(shè)計(jì)擠壓比、錐臺(tái)的上底面半徑R、錐臺(tái)高度H和錐臺(tái)角度θ，以控制板材的上下部分的剪切變形量，隨剪切變形量的增大，晶內(nèi)位錯(cuò)密度急劇增加，晶格畸變加劇，從而使新晶粒形核數(shù)目增多，使晶粒組織可以得到深度細(xì)化。本發(fā)明方法可大大提高被加工鎂合金板材的晶粒均勻細(xì)化效果，而且能夠?qū)崿F(xiàn)在低溫?cái)D壓狀態(tài)下不降低擠壓速度，提高鎂合金擠壓變形加工的生產(chǎn)效率。

下表為采用本發(fā)明對(duì)AZ31鎂合金坯料進(jìn)行擠壓所得的產(chǎn)品的力學(xué)性能參數(shù)，所有產(chǎn)品都是在擠壓比為10.18下得到的。其產(chǎn)品的晶粒細(xì)化效果圖分別如圖4-6所示。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是現(xiàn)有的擠壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是AZ31鎂合金經(jīng)400℃保溫15小時(shí)均勻化處理后的微觀組織圖。

圖4是AZ31鎂合金坯料溫度260℃用本發(fā)明擠壓產(chǎn)生的晶粒細(xì)化效果圖。

圖5是AZ31鎂合金坯料溫度370℃用本發(fā)明擠壓產(chǎn)生的晶粒細(xì)化效果圖。

圖6是AZ31鎂合金坯料溫度410℃用本發(fā)明擠壓產(chǎn)生的晶粒細(xì)化效果圖。

圖中：1-壓頭；2-凸模；3-上凹模；4-坯料；5-圓錐臺(tái)；6-下凹模；7-擠壓桿；8-通道；9-等徑角模具。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明的鎂合金擠壓變形加工裝置，包括凸模2、上凹模3和下凹模6，上凹模3位于下凹模6的上方，與下凹模6之間設(shè)有通道8。上凹模3的中心處設(shè)有通孔，凸模2插裝在上凹模3中心處的通孔內(nèi)。下凹模6的上表面上對(duì)應(yīng)于通孔處設(shè)有圓錐臺(tái)5，圓錐臺(tái)5截面上小下大。

利用上述的鎂合金擠壓變形加工裝置，本發(fā)明的鎂合金擠壓變形加工方法包括如下步驟：

1）將鎂合金坯料加熱至380～450℃保溫10～25小時(shí)，對(duì)鎂合金坯料進(jìn)行均勻化處理。

2）將凸模2、上凹模3和下凹模6加熱至180~420℃，并在上凹模3和下凹模6之間的通道8內(nèi)均勻涂抹潤(rùn)滑劑；潤(rùn)滑劑采用的是汽油、機(jī)油、石墨、玻璃、二硫化鉬或植物油中的一種或幾種的混合物。然后將上凹模3和下凹模6固定在立式擠壓機(jī)工作臺(tái)上。

3）將經(jīng)過均勻化處理的鎂合金坯料加熱至200℃～450℃。然后放入在已加熱的上凹模3中心處的通孔中，然后將凸模2插裝在通孔內(nèi)。

4）由擠壓機(jī)的壓頭1帶動(dòng)凸模2以0.1～4m/min的速度、150MPa～2000MPa的擠壓力擠壓鎂合金坯料，使鎂合金坯料受到錐臺(tái)剪切后向上凹模和下凹模之間兩側(cè)的通道流動(dòng)擠壓變形，擠壓比為8～60。

實(shí)施例1：

參見圖1，本實(shí)施例采用錐臺(tái)強(qiáng)剪切擠壓雙側(cè)流動(dòng)成型的擠壓模，在擠壓機(jī)上對(duì)AZ31鎂合金板材進(jìn)行擠壓變形加工。首先將鎂合金坯料加熱至380℃保溫25小時(shí)進(jìn)行均勻化處理，經(jīng)過均勻化處理的鑄錠，使鑄錠的化學(xué)成分和組織更加均勻。擠壓前，把模具加熱至240℃后，在模具擠壓通道腔內(nèi)均勻涂抹潤(rùn)滑劑，所述潤(rùn)滑劑為70％的74號(hào)汽缸油和30％的粒度400目的石墨混合而成的潤(rùn)滑劑，然后將上凹模3、下凹模6固定在擠壓機(jī)的工作臺(tái)上，將經(jīng)過均勻化處理的鎂合金坯料加熱至260℃，擠壓比為8，放入在已加熱的模具的擠壓腔4中，擠壓機(jī)的壓桿1帶動(dòng)上凸模2以1m/min的速度，以610Mpa～685Mpa的壓強(qiáng)擠壓，從鎂合金坯料的上端進(jìn)行等速擠壓，即擠壓機(jī)的壓桿1帶動(dòng)上凸模2向下施與壓力運(yùn)動(dòng)，使鎂合金坯料向模具型腔底面的錐臺(tái)流動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)剪切變形。最終流向兩個(gè)徑向的成型型腔通道而成型，其擠壓比為擠壓模具豎直型腔的截面積與兩徑向型腔通道的截面積之和的比值。

實(shí)施例2

參照?qǐng)D1，本實(shí)施例采用與上面實(shí)施例相同類型的錐臺(tái)強(qiáng)剪切擠壓雙側(cè)流動(dòng)成型的擠壓模具，擠壓比為30，擠壓前首先要對(duì)坯料在400℃保溫15h進(jìn)行均勻化處理以消除鑄造時(shí)留下的各種枝晶和金屬間化合物(如圖3所示)。模具加熱溫度為350℃，所使用的潤(rùn)滑劑為70％的74號(hào)汽缸油和30％的粒度400目的二硫化鉬混合而成的潤(rùn)滑劑，將經(jīng)過均勻化處理的鎂合金坯料加熱至370℃，擠壓速度為：4m/min，擠壓力范圍在1000～1085MPa之間，具體的實(shí)施過程為：將均勻化處理后的坯料放入擠壓腔4中，由擠壓機(jī)的壓桿施加壓力帶動(dòng)凸模2向下運(yùn)動(dòng)，由凸模2擠壓坯料使鎂合金坯料向錐臺(tái)流動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)剪切變形后向上凹模和下凹模之間兩側(cè)的通道流動(dòng)成型得到擠壓成形制品。采用上述擠壓方法擠出的制品應(yīng)迅速水冷，防止晶粒長(zhǎng)大。隨著擠壓溫度的降低，擠壓速度也應(yīng)減小。

實(shí)施例3

本實(shí)施例采用與上面實(shí)施例相同類型的錐臺(tái)強(qiáng)剪切擠壓雙側(cè)流動(dòng)成型的擠壓模具，擠壓比為60，擠壓前首先要對(duì)坯料在450℃保溫10h進(jìn)行均勻化處理，以消除鑄造時(shí)留下的各種枝晶和金屬間化合物。模具加熱溫度為420℃，所使用的潤(rùn)滑劑為粒度為109~190μm的玻璃潤(rùn)滑劑，將經(jīng)過均勻化處理的鎂合金坯料加熱至450℃，擠壓速度為：2m/min，擠壓力范圍在1710～1790MPa之間，具體的實(shí)施過程為：將均勻化處理后的坯料放入擠壓腔4中，由擠壓機(jī)的壓桿施加壓力帶動(dòng)凸模2向下運(yùn)動(dòng)，由凸模2擠壓坯料使鎂合金坯料向錐臺(tái)流動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)剪切變形后向上凹模和下凹模之間兩側(cè)的通道流動(dòng)成型得到擠壓成形制品。采用上述擠壓方法擠出的制品應(yīng)迅速水冷，防止晶粒長(zhǎng)大。隨著擠壓溫度的降低，擠壓速度也應(yīng)減小。

本發(fā)明的模具型腔的轉(zhuǎn)角以及圓角半徑可以修改，其中圓角半徑應(yīng)該在恰當(dāng)范圍內(nèi)為0.5mm～5mm效果較好。

本發(fā)明不僅僅局限于加工各種鎂合金板料，還可以根據(jù)模具設(shè)置的徑向的型腔通道結(jié)構(gòu)，采用適當(dāng)?shù)哪＞呓Y(jié)構(gòu)，還可以擠壓出多種形態(tài)的鎂合金材料(如棒材，管材等)。