一种高性能镁合金管材的挤压装置及加工方法与流程

本发明属于有色金属塑性加工技术领域，具体是一种高性能镁合金管材的挤压装置及加工方法。

背景技术：

镁及镁合金具有高的比强度和比刚度、导电导热性能极好、电磁屏蔽性能好、机加工性能优良、且易于回收，在航空航天、交通运输、电子产品等领域具有极好的应用前景。然而，镁及镁合金为密排六方结构，室温下独立滑移系少，塑性变形困难，室温力学性能差。另外，镁属于活泼金属，容易发生化学反应使其氧化且耐腐蚀性能差，这在很大程度上限制了镁及镁合金的推广应用。因此，必须生产加工综合力学性能好的镁合金材料，才能进一步拓宽其应用范围。

晶粒细化是提高镁合金综合力学性能的一种重要方法。目前，常采用剧烈塑性变形技术细化镁合金的晶粒组织，剧烈塑性变形技术不仅能克服传统加工方法存在的缺点，而且能将晶粒尺寸细化至更小的尺度，如亚微米级、纳米级等，从而提高材料的综合力学性能。常见的剧烈塑性变形技术包括等通道转角挤压、高压扭转以及累积叠轧等。这些剧烈塑性变形技术各有特点，等通道转角挤压是目前最常用的一种剧烈塑性变形技术，挤压前后样品的形状和尺寸保持不变，多次反复挤压累积较大的塑性变形量，但需往复循环且试样尺寸受限；高压扭转可制备具有更小晶粒尺寸的薄片样品，但其试样尺寸更小且存在组织不均匀的问题。总之，目前常用的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，提供一种高性能镁合金管材的挤压装置及加工方法，在筒形挤压模具内、在加热状态下，对镁合金坯料进行挤压加工，使镁合金坯料由棒状变为管状，然后镁合金管材通过波纹状剪切挤压通道且管材直径逐渐变小、壁厚不断变化，在此过程中产生多次剪切变形，既可细化晶粒组织，又可弱化基面织构，提高镁合金的综合力学性能，应用范围较广。最终可制备出晶粒尺寸为500nm左右的高性能镁合金管材。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

本发明所述一种高性能镁合金管材的挤压装置，包括挤压凹模、固定挤压凸模与挤压凸模；

所述挤压凹模水平中心左右贯通形成模腔且该模腔横截面中心呈圆形；所述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；

进一步的，挤压凹模内壁上的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°，如此才能保证挤压加工效果；

所述固定挤压凸模贯穿挤压凹模模腔；所述固定挤压凸模横截面呈圆形；所述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；

进一步的，固定挤压凸模外壁上的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°，如此才能保证挤压加工效果；

所述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；所述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；所述固定挤压凸模顶端右侧挤压凹模的模腔为柱状挤压通道。

所述挤压凹模与固定挤压凸模连接起来，并安装在卧式挤压机的左、右固定支架内，并置于加热套内；

所述挤压凸模横截面呈圆形；所述挤压凸模伸入到挤压模具的柱状挤压通道。

本发明所述的高性能镁合金管材的挤压加工方法，在卧式挤压机上进行，是在加热的挤压凹模内，在固定挤压凸模、挤压凸模的作用下完成的，其具体步骤包括：

（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×50mm；

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坯料

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

（3）预处理镁合金棒材坯料

①用800目砂纸对镁合金棒材坯料进行粗磨，去除其表面的氧化层与其他杂质，随后用2400目砂纸对镁合金棒棒材坯料进行精磨，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，把镁合金棒棒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，用坩埚钳把镁合金棒材坯料从玻璃清洗槽内取出，并用吹风机将镁合金棒材坯料表面吹干。

（4）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。

（5）预热镁合金棒材坯料

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

（6）挤压镁合金棒材坯料

镁合金棒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，在固定挤压凸模与挤压凸模的作用下完成的；

①制备挤压模具

固定挤压凸模用h13钢制备，呈圆柱状，在固定挤压凸模纵向外壁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；

挤压凹模用h13钢制备，呈圆筒状，在挤压凹模纵向内壁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；挤压凹模套在固定挤压凸模上，固定挤压凸模顶端右侧的挤压凹模模腔为柱状挤压通道；挤压凹模内壁上的剪切台阶与固定挤压凸模外壁上的剪切台阶之间形成波纹状剪切挤压通道；挤压凹模的内壁与固定挤压凸模的外壁在波纹状剪切挤压通道的右侧形成右挤压通道；挤压凹模的内壁与固定挤压凸模的外壁在波纹状剪切挤压通道的左侧形成左挤压通道；

挤压凸模用h13钢制备，横截面呈圆形；挤压凸模与柱状挤压通道相配合，挤压凸模外壁的粗糙度为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，将挤压凸模伸入到挤压模具的柱状挤压通道，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放置镁合金棒材坯料

在预热后的镁合金棒材坯料的表面涂抹高温石墨润滑剂以润滑，退出挤压凸模，将镁合金棒材坯料置于挤压模具的柱状挤压通道，然后将挤压凸模伸入到挤压模具的柱状挤压通道，接触镁合金棒材坯料；

再次进行保温，保温时间为0.5h-5h；

⑤打开挤压伸缩压头开关，启动挤压伸缩压头，使挤压凸模左行，对预先置于挤压模具柱状挤压通道的镁合金棒材坯料进行挤压，镁合金棒材坯料在挤压凸模的作用下向左流动，在固定挤压凸模右侧顶端发生塑性变形，镁合金棒材坯料逐渐变为镁合金管材，晶粒组织被初步细化；随着挤压凸模的继续运动，镁合金管材进入波纹状剪切挤压通道，镁合金管材的直径逐渐变小且壁厚不断变化，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，晶粒组织被持续细化，且晶粒c轴不断发生倾转弱化基面织构；当挤压凸模接触到固定挤压凸模时，挤压伸缩压头停止推进，完成挤压；

⑥挤压完毕后，关闭加热套，退出挤压凸模，取出高性能镁合金管材，使之大空气中冷却；

（7）打磨、清洁处理

切除高性能镁合金管材的废料，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，最终获得高性能镁合金管材。

结论：通过新型挤压加工方法制备的高性能镁合金管材，其平均晶粒尺寸可达500nm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，采用新型挤压加工方法使镁合金棒材坯料逐渐变为镁合金管材，晶粒组织被初步细化，随着挤压凸模的继续运动，镁合金管材进入波纹状剪切挤压通道，镁合金管材的直径逐渐变小且壁厚不断变化，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。本发明的高性能镁合金管材的挤压加工方法简单、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为本发明高性能镁合金管材的挤压加工状态图；

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—挤压伸缩压头开关，8—压力电机，9—连接导线，10—压力电机底座，11—电机传动带，12—挤压伸缩腔，13—挤压伸缩压头，14—挤压凸模，15—左固定支架，16—右固定支架，17—挤压凹模，18—固定挤压凸模，19—波纹状剪切挤压通道，20—加热套，21—镁合金棒材坯料，22—镁合金管材，23—左挤压通道，24—右挤压通道，25—柱状挤压通道，26—挤压凹模内壁上的剪切台阶，27—固定挤压凸模外壁上的剪切台阶。

具体实施方式

下面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，一种高性能镁合金管材的挤压装置包括：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.挤压伸缩压头开关，8.压力电机，9.连接导线，10.压力电机底座，11.电机传动带，12.挤压伸缩腔，13.挤压伸缩压头，14.挤压凸模，15.左固定支架，16.右固定支架，17.挤压凹模，18.固定挤压凸模，19.波纹状剪切挤压通道，20.加热套，21.镁合金棒材坯料，22.镁合金管材，23.左挤压通道，24.右挤压通道，25.柱状挤压通道，26.挤压凹模内壁上的剪切台阶，27.固定挤压凸模外壁上的剪切台阶。其中挤压机为卧式，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、挤压伸缩压头开关7；在挤压机左侧设置有压力电机8，压力电机8通过连接导线9与挤压机2相连接；压力电机8下方为压力电机底座10，上方为压力电机传动带11；压力电机传动带11上方设置有挤压伸缩腔12，挤压伸缩腔12内设置有挤压伸缩压头13，挤压伸缩压头13与挤压凸模14相接触；在卧式挤压机2上方设置有左固定支架15与右固定支架16，左、右固定支架15、16之间为挤压凹模17与固定挤压凸模18；挤压凹模17与固定挤压凸模18之间形成左挤压通道23、波纹状剪切挤压通道19、右挤压通道24，固定挤压凸模18顶端右侧挤压凹模17的模腔为柱状挤压通道25；挤压凹模17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26的内角为光滑倒圆角、范围为120-150°，外角为尖角、范围为90-120°；固定挤压凸模18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27的内角为光滑倒圆角、范围为120-150°，外角为尖角、范围为90-120°；挤压凹模17与固定挤压凸模18外围设置有加热套20；挤压伸缩压头13按预设程序驱动挤压凸模14向左运动，对预先置于挤压模具柱状挤压通道25的镁合金棒材坯料21进行挤压，镁合金棒材坯料21在挤压凸模14的作用下从柱状挤压通道25进入右挤压通道24，镁合金棒材坯料21变为管材，在挤压凸模14的继续推动下，镁合金管材进入波纹状剪切挤压通道19，镁合金管材直径逐渐变小且壁厚不断变化，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轴发生倾转弱化了基面织构，从而达到提高镁合金综合力学性能的目的，最终获得高性能镁合金管材22。图1中，固定挤压凸模18的左端伸出左固定支架并被外部的支撑装置支撑，以使固定挤压凸模18与挤压凹模17之间形成挤压通道。

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27与挤压凹模内壁上的剪切台阶26形成波纹状剪切挤压通道19；所述固定挤压凸模18外壁与挤压凹模17内壁在波纹状剪切挤压通道19的左侧形成左挤压通道23；所述固定挤压凸模18外壁与挤压凹模17内壁在波纹状剪切挤压通道19的右侧形成右挤压通道24；所述固定挤压凸模18顶端右侧挤压凹模17的模腔为柱状挤压通道25。

图3所示，为图2中a-a向的剖面示意图，所述挤压凹模17的横截面为环形，固定挤压凸模18的横截面为圆形；所述挤压凹模17与固定挤压凸模18之间的挤压通道23的横截面为环形。

本发明所述的高性能镁合金管材的挤压加工方法，在卧式挤压机2上进行，是在加热的挤压凹模17内，在固定挤压凸模18、挤压凸模14的作用下完成的，其具体步骤包括：

（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×50mm；

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坯料

在热处理炉中对镁合金棒材坯料21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）预处理镁合金棒材坯料

①用800目砂纸对镁合金棒材坯料21进行粗磨，去除其表面的氧化层与其他杂质，随后用2400目砂纸对镁合金棒进行精磨，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，把镁合金棒材坯料21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，用坩埚钳把镁合金棒材坯料21从玻璃清洗槽内取出，并用吹风机将镁合金棒材坯料21表面吹干。

（4）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。

（5）预热镁合金棒材坯料

开启真空气氛加热炉，将温度设定为200℃-550℃，达到设定温度时，将镁合金棒材坯料21放入真空气氛加热炉内，保温0.5h-5h。

（6）挤压镁合金棒材坯料

镁合金棒材坯料21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17内，在固定挤压凸模18与挤压凸模14的作用下完成的；

①制备挤压模具

固定挤压凸模18用h13钢制备，呈圆柱状，在固定挤压凸模18纵向外壁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27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18外表面粗糙度为ra0.04-0.10μm；

挤压凹模17用h13钢制备，呈圆筒状，在挤压凹模17纵向内壁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26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；挤压凹模17套在固定挤压凸模18上，固定挤压凸模18顶端右侧的挤压凹模模腔为柱状挤压通道25；挤压凹模内壁上的剪切台阶26与固定挤压凸模外壁上的剪切台阶27之间形成波纹状剪切挤压通道19；挤压凹模17的内壁与固定挤压凸模18的外壁在波纹状剪切挤压通道19的右侧形成右挤压通道24；挤压凹模17的内壁与固定挤压凸模18的外壁在波纹状剪切挤压通道19的左侧形成左挤压通道23；

挤压凸模14用h13钢制备，横截面呈圆形；挤压凸模14与柱状挤压通道25相配合，挤压凸模14外壁的粗糙度为ra0.04-0.10μm；

②固定挤压模具

在挤压凹模17的内壁、固定挤压凸模18的外壁上涂抹高温石墨润滑剂，将挤压凹模17与固定挤压凸模18连接起来，安装在卧式挤压机的左、右固定支架15、16内，并置于加热套20内，将挤压凸模14伸入到挤压模具的柱状挤压通道25，安装牢固，连接关系正确，按序操作；

③开启加热套20，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放置镁合金棒材坯料

在预热后的镁合金棒材坯料21的表面涂抹高温石墨润滑剂以润滑，退出挤压凸模14，将镁合金棒材坯料21置于挤压模具的柱状挤压通道25，然后将挤压凸模14伸入到挤压模具的柱状挤压通道25，接触镁合金棒材坯料21；

再次进行保温，保温时间为0.5h-5h；

⑤打开挤压伸缩压头开关7，启动挤压伸缩压头13，使挤压凸模14左行，对预先置于挤压模具柱状挤压通道25的镁合金棒材坯料21进行挤压，镁合金棒材坯料21在挤压凸模14的作用下向左流动，在固定挤压凸模18右侧顶端发生塑性变形，镁合金棒材坯料21逐渐变为镁合金管材22，晶粒组织被初步细化；随着挤压凸模14的继续运动，镁合金管材22进入波纹状剪切挤压通道19，镁合金管材22的直径逐渐变小且壁厚不断变化，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，晶粒组织被持续细化，且晶粒c轴不断发生倾转弱化基面织构；当挤压凸模14接触到固定挤压凸模18时，挤压伸缩压头13停止推进，完成挤压；

⑥挤压完毕后，关闭加热套20，退出挤压凸模14，取出高性能镁合金管材，使之大空气中冷却；

（7）打磨、清洁处理

切除高性能镁合金管材的废料，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，最终获得高性能镁合金管材。

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：

开启挤压伸缩压头，使挤压凸模右行，对预先置于挤压模具上挤压通道的镁合金棒材坯料进行挤压，镁合金棒材坯料在挤压凸模的作用下向左流动，在固定挤压凸模顶端发生塑性变形，镁合金材坯料逐渐变为镁合金管材，晶粒组织被初步细化；随着挤压凸模的继续运动，镁合金管材进入波纹状剪切挤压通道，镁合金管材的直径逐渐变小且壁厚不断变化，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，最终获得高性能镁合金管材。