一种高性能超细晶镁合金管材的往复挤压加工方法与流程

本发明属于有色金属塑性加工与增加力学性能的技术领域，具体是一种高性能超细晶镁合金管材的往复挤压加工方法。

背景技术：

近年来，镁及镁合金因其独特且优良的综合力学性能受到了广泛的关注，是目前最轻的金属结构材料。由于镁及镁合金具有优良的性能特点，例如：密度低、质量轻、导电导热性能极好、较高的比强度和比刚度、电磁屏蔽性能好、机加工性能优良，除此之外，还易于回收，所以镁及镁合金拥有极好的应用前景，目前已经在军事、航空航天与数码电子产品等领域得到了大范围的应用。但是，由于镁及镁合金自身的晶体结构缺陷，比如：镁是密排六方结构，可启动的独立的滑移系少，难以发生变形，室温力学性能差；除此之外，镁属于活泼金属，容易发生化学反应使其氧化而且耐腐蚀性能差，因此极大的限制了镁及镁合金的推广应用。因此，只有生产加工综合力学性能好的镁合金材料才能拓宽其适用范围。

根据目前的研究现状，为了提高镁合金的综合力学性能主要是通过合金化与晶粒细化这两种途径。合金化是指在常见的镁合金基础上通过熔炼添加一种或多种元素，以此来提高镁合金的强度和硬度。但是由于合金化熔炼过程中需要添加合金元素或稀土元素，危险系数高、成本较高。剧烈塑性变形是晶粒细化的一种主要方式，剧烈塑性变形可以克服传统加工方法的缺点，使材料的晶粒尺寸细化至亚微米级甚至纳米级，并获得优异的综合力学性能，常见的剧烈塑性变形主要包括：等通道转角挤压、高压扭转以及累积叠轧等。这些剧烈塑性变形方法各有特点，等通道转角挤压是目前应用最广的一种方法，样品挤压前后形状和尺寸不发生变化，可以多次反复挤压变形累积较大的塑性变形量，但其单次挤压变形量较小；高压扭转可制备具有更小晶粒尺寸的薄片样品，但其样品尺寸小且组织不均匀。总之，很多剧烈塑性变形方法存在诸多技术问题和不足。

技术实现要素：

本发明的目的是针对背景技术的状况，提供一种高性能超细晶镁合金管材的往复挤压加工方法，在筒形挤压模具内、在加热状态下，对镁合金管材进行往复挤压加工，正向挤压使镁合金管材通过波纹状剪切挤压通道且管材直径逐渐变大、壁厚也不断变化，然后反向挤压使镁合金管材再次通过波纹状剪切挤压通道且管材直径逐渐变小，循环往复，使镁合金管材产生多次剪切变形，既可细化晶粒组织，又可弱化基面织构，提高镁合金管材的综合力学性能，应用范围较广。镁合金管材的晶粒尺寸可细化至400nm左右。

技术方案

一种高性能超细晶镁合金管材的往复挤压加工方法，包括如下步骤：

（1）精选材料、化学试剂

本发明使用的化学物质材料为镁合金棒材、丙酮、无水乙醇、高温石墨粉、机油、砂纸，其准备用量如下：以毫米、毫升、克、张为计量单位

镁合金棒：az31，φ50mm×100mm；

丙酮：c3h6o，1000ml；

无水乙醇：ch3ch2oh，2000ml；

高温石墨粉：c，600g；

机油：sn0w-40，1500ml；

砂纸：sic，800目，3张；2400目，4张。

（2）均匀化热处理镁合金棒材

在热处理炉中对镁合金棒材进行均匀化热处理，加热温度400℃，保温时间2h，取出后在空气中缓慢冷却。

（3）制备镁合金管材坯料

用钻床、线切割机把镁合金棒材加工成镁合金管材坯料。

（4）预处理镁合金管材坯料

①用800目砂纸对镁合金管材坯料进行粗磨，去除其表面的氧化层与其他杂质，随后用2400目砂纸对镁合金管材坯料进行精磨，使其表面光亮、洁净；

②在玻璃清洗槽内倒入浓度2000ml无水乙醇溶液和1000ml丙酮溶液，并用玻璃棒进行搅拌，使其充分混合，配制成无水乙醇＋丙酮混合液；

③把玻璃清洗槽放在超声波震动仪上，把镁合金管材坯料放入无水乙醇＋丙酮混合液中，打开超声波震动仪电源开关，进行震动洗涤，时间为1h；

④震动洗涤后，用坩埚钳把镁合金管材坯料从玻璃清洗槽内取出，并用吹风机将镁合金管材坯料内外表面吹干。

（5）配置高温石墨润滑剂

用量筒量取1000ml的机油倒入到烧杯中，用药匙与电子天平量取600克的高温石墨粉加入到烧杯中，并用玻璃棒充分搅拌使其混合均匀，配置成高温石墨润滑剂。

（6）预热镁合金管材坯料

开启真空气氛加热炉，将温度设定为200℃-550℃，达到设定温度时，将镁合金管材坯料置于真空气氛加热炉内，保温0.5h-5h。

（7）挤压镁合金管材坯料

镁合金管材坯料的挤压加工是在卧式挤压机上进行的，是在加热的挤压凹模内，在固定挤压凸模具、左挤压伸缩压环与右挤压伸缩压环的作用下完成的；

①制备挤压模具

挤压凹模用h13钢制备，呈圆筒状，在挤压凹模内壁纵向部位设置有纵截面呈波纹状的剪切台阶，且剪切台阶的内角为光滑倒圆角、范围为120-150°，外角为尖角、范围为90-120°，模腔内表面粗糙度为ra0.04-0.10μm；

固定挤压凸模用h13钢制备，呈圆柱状，在固定挤压凸模外壁纵向部位设置有纵截面呈波纹状的剪切台阶，且剪切台阶的内角为光滑倒圆角、范围为90-120°，外角为尖角、范围为120-150°，固定挤压凸模外表面粗糙度为ra0.04-0.10μm；固定挤压凸模外壁上的剪切台阶与挤压凹模内壁上的剪切台阶形成波纹状剪切挤压通道；固定挤压凸模外壁与挤压凹模内壁在波纹状剪切挤压通道的左侧形成左挤压通道；固定挤压凸模外壁与挤压凹模内壁在波纹状剪切挤压通道的右侧形成右挤压通道；

左、右挤压伸缩压环用h13钢制备，横截面呈圆环状；左挤压伸缩压环与左挤压通道相配合，厚度为2-5mm，左挤压伸缩压环的内壁、外壁的粗糙度为ra0.04-0.10μm；右挤压伸缩压环与右挤压通道相配合，厚度为2-5mm，右挤压伸缩压环的内壁、外壁的粗糙度为ra0.04-0.10μm。

②固定挤压模具

在挤压凹模的内壁、固定挤压凸模的外壁上涂抹高温石墨润滑剂，将挤压凹模与固定挤压凸模连接起来，安装在卧式挤压机的左、右固定支架内，并置于加热套内，将左挤压伸缩压环伸入到挤压模具的左挤压通道，将右挤压伸缩压环伸入到挤压模具的右挤压通道，安装牢固，连接关系正确，按序操作；

③开启加热套，加热挤压模具，将温度设定为200℃-550℃，达到设定温度时保温0.5h-5h；

④放置镁合金管材坯料

在预热后的镁合金管材坯料的内、外表面涂抹高温石墨润滑剂以润滑，退出左挤压伸缩压环，将镁合金管材坯料置于挤压模具的左挤压通道，然后将左挤压伸缩压环伸入到挤压模具的左挤压通道，接触镁合金管材坯料；

再次进行保温，保温时间为0.5h-5h；

⑤打开左挤压伸缩压环开关，使左挤压伸缩压环右行，对预先置于挤压模具左挤压通道的镁合金管材坯料进行挤压，镁合金管材坯料在左挤压伸缩压环的作用下从左挤压通道进入波纹状剪切挤压通道，镁合金管材坯料直径逐渐变大且壁厚不断变化，在多个剪切台阶作用下坯料流速产生差异，发生多次剪切变形，晶粒组织被细化，且晶粒c轴发生倾转弱化基面织构；当左挤压伸缩压环完全进入挤压模具的左挤压通道时，左挤压伸缩压环停止推进；打开右挤压伸缩压环开关，使右挤压伸缩压环左行，对置于挤压模具模腔内的镁合金管材坯料进行挤压，镁合金管材坯料在右挤压伸缩压环的作用下从右挤压通道进入波纹状剪切挤压通道，镁合金管材坯料直径逐渐变小且壁厚不断变化，在多个剪切台阶作用下再次产生多次剪切变形，晶粒组织被持续细化，且基面织构被持续削弱；循环往复实现镁合金管材的往复挤压加工；

⑥挤压完毕后，关闭加热套，退出左、右挤压伸缩压环，取出高性能超细晶镁合金管材，使之在空气中冷却；

（8）打磨、清洁处理

切除高性能超细晶镁合金管材的废料，并用砂纸对其内外表面进行打磨，打磨后放入装有无水乙醇＋丙酮混合溶液的玻璃清洗槽内，用超声波震动仪进行震荡洗涤，最后用吹风机将其内外表面吹干，最终获得高性能超细晶镁合金管材。

结论：镁合金管材坯料通过新型往复挤压加工方法加工后，平均晶粒尺寸可细化至400nm左右，基面织构明显削弱，综合力学性能较好。

本发明的有益效果在于：

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对镁合金显微组织粗大、综合力学性能差的情况，采用新型往复挤压加工方法使得镁合金管材坯料在挤压过程中通过波纹状剪切挤压通道，且在此过程中镁合金管材坯料直径不断变化、壁厚也不断变化，在多个剪切台阶作用下坯料流速产生差异，发生多次剪切变形，晶粒组织被持续细化，且晶粒c轴不断发生倾转弱化基面织构，从而达到细化晶粒组织、弱化基面织构，提高综合力学性能的目的。本发明的高性能超细晶镁合金管材的往复挤压加工方法简单、效率高且易于实现，应用前景较好，是十分理想的高性能超细晶镁合金管材的挤压加工方法。

附图说明

图1为本发明高性能超细晶镁合金管材的往复挤压加工状态图；

图2为挤压通道的剖面示意图；

图3为图2中a-a向的剖面示意图；

图中所示，附图标记清单如下：

1—挤压机底座，2—卧式挤压机，3—显示屏，4—指示灯，5—电源开关，6—加热套开关，7—左挤压伸缩压环开关，8—右挤压伸缩压环开关，9—左压力电机，10—右压力电机，11—左连接导线，12—右连接导线，13—左压力电机底座，14—右压力电机底座，15—左压力电机传动带，16—右压力电机传动带，17—左挤压伸缩腔，18—右挤压伸缩腔，19—左挤压伸缩压环，20—右挤压伸缩压环，21—左固定支架，22—右固定支架，23—挤压凹模，24—固定挤压凸模，25—波纹状剪切挤压通道，26—加热套，27—镁合金管材坯料，28—左挤压通道，29—右挤压通道，30—挤压凹模内壁上的剪切台阶，31—固定挤压凸模外壁上的剪切台阶。

具体实施方式

一种高性能超细晶镁合金管材的往复挤压加工方法，包括如下步骤：

（1）精选材料、化学试剂

本发明使用的化学物质材料为镁合金棒材、丙酮、无水乙醇、高温石墨粉、机油、砂纸，其准备用量如下：以毫米、毫升、克、张为计量单位

镁合金棒：az31，φ50mm×100mm；

丙酮：c3h6o，1000ml；

无水乙醇：ch3ch2oh，2000ml；

高温石墨粉：c，600g；

机油：sn0w-40，1500ml；

砂纸：sic，800目，3张；2400目，4张；

（2）均匀化热处理镁合金棒材

在热处理炉中对镁合金棒材进行均匀化热处理，加热温度400℃，保温时间2h，取出后在空气中缓慢冷却。

（3）制备镁合金管材坯料

用钻床、线切割机把镁合金棒材加工成镁合金管材坯料27。

（4）预处理镁合金管材坯料

①用800目砂纸对镁合金管材坯料27进行粗磨，去除其表面的氧化层与其他杂质，随后用2400目砂纸对镁合金管材坯料27进行精磨，使其表面光亮、洁净；

②在玻璃清洗槽内倒入浓度2000ml无水乙醇溶液和1000ml丙酮溶液，并用玻璃棒进行搅拌，使其充分混合，配制成无水乙醇＋丙酮混合液；

③把玻璃清洗槽放在超声波震动仪上，把镁合金管材坯料27放入无水乙醇＋丙酮混合液中，打开超声波震动仪电源开关，进行震动洗涤，时间为1h；

④震动洗涤后，用坩埚钳把镁合金管材坯料27从玻璃清洗槽内取出，并用吹风机将镁合金管材坯料27内外表面吹干。

（5）配置高温石墨润滑剂

用量筒量取1000ml的机油倒入到烧杯中，用药匙与电子天平量取600克的高温石墨粉加入到烧杯中，并用玻璃棒充分搅拌使其混合均匀，配置成高温石墨润滑剂。

（6）预热镁合金管材坯料

开启真空气氛加热炉，将温度设定为200℃-550℃，达到设定温度时，将镁合金管材坯料27真空气氛加热炉内，保温0.5h-5h。

（7）挤压镁合金管材坯料

镁合金管材坯料27的挤压加工是在卧式挤压机2上进行的，是在加热的挤压凹模23内，在固定挤压凸模24、左挤压伸缩压环19与右挤压伸缩压环20的作用下完成的；

①制备挤压模具

挤压凹模23用h13钢制备，呈圆筒状，在挤压凹模23内壁纵向部位设置有纵截面呈波纹状的剪切台阶，该挤压凹模内壁上的剪切台阶30的内角为光滑倒圆角、范围为120-150°，外角为尖角、范围为90-120°，模腔内表面粗糙度为ra0.04-0.10μm；

固定挤压凸模24用h13钢制备，呈圆柱状，在固定挤压凸模24外壁纵向部位设置有纵截面呈波纹状的剪切台阶，该固定挤压凸模外壁上的剪切台阶31的内角为光滑倒圆角、范围为90-120°，外角为尖角、范围为120-150°，固定挤压凸模24外表面粗糙度为ra0.04-0.10μm；固定挤压凸模24伸入挤压凹模23的模腔，固定挤压凸模外壁上的剪切台阶31与挤压凹模内壁上的剪切台阶30形成波纹状剪切挤压通道25；固定挤压凸模24外壁与挤压凹模23内壁在波纹状剪切挤压通道25的左侧形成左挤压通道28；固定挤压凸模外壁与挤压凹模内壁在波纹状剪切挤压通道25的右侧形成右挤压通道29；

左、右挤压伸缩压环19、20用h13钢制备，横截面呈圆环状；左挤压伸缩压环19与左挤压通道28相配合，厚度为2-5mm，左挤压伸缩压环19的内壁、外壁的粗糙度为ra0.04-0.10μm；右挤压伸缩压环20与右挤压通道29相配合，厚度为2-5mm，右挤压伸缩压环20的内壁、外壁的粗糙度为ra0.04-0.10μm；

②固定挤压模具

在挤压凹模23的内壁、固定挤压凸模24的外壁上涂抹高温石墨润滑剂，将挤压凹模23与固定挤压凸模24连接起来，安装在卧式挤压机的左、右固定支架21、22内，并置于加热套26内，将左挤压伸缩压环19伸入到挤压模具的左挤压通道28，将右挤压伸缩压环20伸入到挤压模具的右挤压通道29，安装牢固，连接关系正确，按序操作；

③开启加热套26，加热挤压模具，将温度设定为200℃-550℃，达到设定温度时保温0.5h-5h；

④放置镁合金管材坯料

在预热后的镁合金管材坯料27的内、外表面涂抹高温石墨润滑剂以润滑，退出左挤压伸缩压环19，将镁合金管材坯料27置于挤压模具的左挤压通道28，然后将左挤压伸缩压环19伸入到挤压模具的左挤压通道28，接触镁合金管材坯料27；

再次进行保温，保温时间为0.5h-5h；

⑤打开左挤压伸缩压环开关7，使左挤压伸缩压环19右行，对预先置于挤压模具左挤压通道28的镁合金管材坯料27进行挤压，镁合金管材坯料27在左挤压伸缩压环19的作用下从左挤压通道28进入波纹状剪切挤压通道25，镁合金管材坯料27直径逐渐变大且壁厚不断变化，在多个剪切台阶作用下坯料流速产生差异，发生多次剪切变形，晶粒组织被细化，且晶粒c轴发生倾转弱化基面织构；当左挤压伸缩压环19完全进入挤压模具的左挤压通道28时，左挤压伸缩压环19停止推进；打开右挤压伸缩压环开关8，使右挤压伸缩压环20左行，对置于挤压模具模腔内的镁合金管材坯料27进行挤压，镁合金管材坯料27在右挤压伸缩压环20的作用下从右挤压通道29进入波纹状剪切挤压通道25，镁合金管材坯料27直径逐渐变小且壁厚不断变化，在多个剪切台阶作用下再次产生多次剪切变形，晶粒组织被持续细化，且基面织构被持续削弱；循环往复实现镁合金管材的往复挤压加工；

⑥挤压完毕后，关闭加热套26，退出左、右挤压伸缩压环19、20，取出高性能超细晶镁合金管材，使之在空气中冷却；

（8）打磨、清洁处理

切除高性能超细晶镁合金管材的废料，并用砂纸对其内外表面进行打磨，打磨后放入装有无水乙醇＋丙酮混合溶液的玻璃清洗槽内，用超声波震动仪进行震荡洗涤，最后用吹风机将其内外表面吹干，最终获得高性能超细晶镁合金管材。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1所示，为本发明高性能超细晶镁合金管材的往复挤压加工状态图，各位置、连接关系要正确，安装牢固，按序操作。

高性能超细晶镁合金管材的往复挤压加工所使用的化学物质材料的量是按预先设置的用量确定的，以毫米、毫升、克、张为计量单位。

高性能超细晶镁合金管材的挤压加工是在卧式挤压机2上进行的，是在加热的挤压凹模23内，在固定挤压凸模24、左挤压伸缩压环19与右挤压伸缩压环20的作用下完成的；

挤压机为卧式，挤压机下方为挤压机底座1，在卧式挤压机2的控制台上设置有显示屏3、指示灯4、电源开关5、加热套开关6、左挤压伸缩压环开关7、右挤压伸缩压环开头8；在挤压机左、右两侧设置有左压力电机9、右压力电机10，左压力电机9、右压力电机10分别通过左连接导线11、右连接导线12与卧式挤压机2相连接；左压力电机9、右压力电机10下方分别为左压力电机底座13、右压力电机底座14，上方分别为左压力电机传动带15、右压力电机传动带16；左压力电机传动带15、右压力电机传动带16上方分别设置有左挤压伸缩腔17、右挤压伸缩腔18，左挤压伸缩腔17、右挤压伸缩腔18内分别设置有左挤压伸缩压环19、右挤压伸缩压环20；在卧式挤压机2上方设置有左固定支架21与右固定支架22，左、右固定支架21、22之间为挤压凹模23与固定挤压凸模24；挤压凹模23与固定挤压凸模24之间形成左挤压通道28、波纹状剪切挤压通道25、右挤压通道29；挤压凹模23内壁纵向部位设置有纵截面呈波纹状的剪切台阶，且该挤压凹模内壁上的剪切台阶30的内角为光滑倒圆角、外角为尖角；固定挤压凸模24外壁纵向部位设置有纵截面呈波纹状的剪切台阶，且该固定挤压凸模外壁上的剪切台阶31的内角为光滑倒圆角、外角为尖角；挤压凹模23与固定挤压凸模24外围设置有加热套26；左挤压伸缩压环19按预设程序运动，对预先置于挤压模具左挤压通道28的镁合金管材坯料27进行挤压，镁合金管材坯料27在左挤压伸缩压环19的作用下从左挤压通道28进入波纹状剪切挤压通道25，镁合金管材坯料27直径逐渐变大且壁厚不断变化，在多个剪切台阶作用下坯料流速产生差异，发生多次剪切变形，晶粒组织被细化，且晶粒c轴发生倾转弱化基面织构；当左挤压伸缩压环19完全进入挤压模具的左挤压通道28时，左挤压伸缩压环19停止推进；开启右挤压伸缩压环20，对置于挤压模具模腔内的镁合金管材坯料27进行挤压，镁合金管材坯料27在右挤压伸缩压环20的作用下从右挤压通道29进入波纹状剪切挤压通道25，镁合金管材坯料27直径逐渐变小且壁厚不断变化，在多个剪切台阶作用下再次产生多次剪切变形，晶粒组织被持续细化，且基面织构被持续削弱，循环往复从而获得高性能超细晶镁合金管材。具体应用时，固定挤压凸模24的左右两端或者其中一端伸出固定支架（如左端伸出左固定支架），并且被左和/或右挤压伸缩腔支撑；左和/或右挤压伸缩压环套在固定挤压凸模24伸出的端部外周圈以实现往复挤压作业。

图2所示，为挤压通道的剖面示意图，所述固定挤压凸模外壁上的剪切台阶31与挤压凹模内壁上的剪切台阶30形成波纹状剪切挤压通道25；所述固定挤压凸模24外壁与挤压凹模23内壁在波纹状剪切台阶的左侧形成左挤压通道28；所述固定挤压凸模24外壁与挤压凹模23内壁在波纹状剪切台阶的右侧形成右挤压通道29；

图3所示，为图2中a-a向的剖面示意图，所述挤压凹模23的横截面为环形，固定挤压凸模24的横截面为圆形。所述挤压凹模23与固定挤压凸模24之间的挤压通道的横截面为环形。

本发明通过往复挤压加工制备高性能超细晶镁合金管材的原理是：

开启左挤压伸缩压环，对预先置于挤压模具模腔内的镁合金管坯料进行挤压，镁合金管坯料在左挤压伸缩压环的作用下从左挤压通道进入波纹状剪切挤压通道，镁合金管坯料直径逐渐变大且壁厚不断变化，在多个剪切台阶作用下坯料流速产生差异，发生多次剪切变形，晶粒组织被细化，且晶粒c轴发生倾转弱化基面织构；当左挤压伸缩压环完全进入挤压模具的左挤压通道时，左挤压伸缩压环停止推进；开启右挤压伸缩压环，对置于挤压模具模腔内的镁合金管坯料进行挤压，镁合金管坯料在右挤压伸缩压环的作用下从右挤压通道进入波纹状剪切挤压通道，镁合金管坯料直径逐渐变小且壁厚不断变化，在多个剪切台阶作用下再次产生多次剪切变形，晶粒组织被持续细化，且基面织构被持续削弱；循环往复从而获得高性能超细晶镁合金管材。