一种高强韧镁稀土合金锥形锻件一火次锻造方法

1.本发明属于镁合金材料加工方法技术领域，尤其涉及一种高强韧镁稀土合金锥形锻件一火次锻造方法。


背景技术：

2.镁合金作为迄今实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、高比强度、减震、降噪等优点，在高速交通工具、航空航天和军工等领域有着巨大的应用前景。
3.当前镁合金产品多以铸件，特别是压铸件居多，塑性成形的镁合金产品很少。但铸件不可避免的会出现晶粒粗大、内部缩松、组织不均匀及成分偏析等缺陷，导致后续镁合金铸件力学性能较差，极大地限制了镁合金在传动、承重等重要零部件上的应用。经过塑性变形后镁合金的晶粒得到细化，组织更加均匀，性能也更好。然而与铝合金相比，商业牌号变形镁合金的力学性能仍然明显偏低，低强度很大程度上限制了镁合金的应用和推广。
4.近年来，众多研究结果表明稀土元素的添加可以显著提高镁合金的力学性能，其中mg-gd-y-zn-zr系合金的力学性能最为优良，实验室里制备的小试样的室温抗拉强度已超过500mpa，显示出非常好的应用潜力。然而镁稀土合金存在热成形能力差、可成形区间窄、材料流动性差等问题，在采用胎模制备镁稀土合金细长锥形锻件，特别是大尺寸细长锥件时，通常需要进行多火次回炉补温再成形，但在补温间隙中会存在晶粒粗化和第二相析出等现象，导致材料力学性能严重下降，很大程度上限制了高性能镁稀土合金的应用推广。


技术实现要素：

5.针对背景技术中的问题，本发明的目的是提供一种高强韧镁稀土合金锥形锻件一火次锻造方法，包括以下步骤：
6.s1：准备镁稀土合金铸锭和胎模，所述胎模具有倒锥形的成形腔；
7.s2：对所述镁稀土合金铸锭进行加热保温，对加热保温后的所述镁稀土合金铸锭反复镦拔成形，获得圆柱形的第一锻坯；
8.s3：对所述第一锻坯的一端依次进行两次滚压成形使得所述第一锻坯形成三轴阶梯轴，所述第一锻坯的本体为第一轴、第一次滚压成形形成第二轴、第二次滚压成形形成第三轴，所述第一轴、所述第二轴和所述第三轴的直径依次减小，且相邻轴之间具有倒角；
9.s4：将所述三轴阶梯轴的所述第三轴朝下放入所述胎模的所述成形腔中，并将其压制成锥形锻件。
10.较佳的，s2中通过压机的上砧板和下砧板对所述镁稀土合金铸锭进行反复镦拔成形，且单道次镦拔成形的变形量至少40％。
11.较佳的，s3中在所述第二轴上第二次滚压成形形成所述第三轴。
12.较佳的，s3中通过压机的上砧板配合马鞍形模具对所述第一锻坯进行两次滚压成形。
13.较佳的，s4中在所述三轴阶梯轴放入所述胎模的所述成形腔前，对所述成形腔的
腔壁涂覆油基石墨。
14.较佳的，s4中通过所述压机的上砧板配合所述胎模将所述三轴阶梯轴压制成锥形锻件。
15.较佳的，所述成形腔的高度为800-1300mm、小端直径为100-200mm、大端直径为400-800mm。
16.较佳的，所述第一锻坯的直径为320mm、长度为800mm，所述成形腔的高度为850mm、小端直径为160mm、大端直径为450mm。
17.较佳的，所述三轴阶梯轴的长度为945mm，所述第一轴的直径为320mm、长度为585mm，所述第二轴的直径为260mm、长度为120mm，所述第三轴的直径为200mm、长度为130mm。
18.较佳的，所述镁稀土合金铸锭按质量百分比计算，材料成分为：gd：8.0～12.0％，y：2.5～4.5％，zn：0.5～2.0％，zr：0.3～0.6％，其余为mg。
19.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
20.1、本发明先将第一锻坯进行两次滚压成形使得形成三轴阶梯轴，极大改善了材料在后续胎模成形腔底部的流动能力，且只需要一开始对镁稀土合金铸锭进行一次加热即可，实现了一火次制备出大尺寸细长的锥形锻件，防止多火次回炉补温对材料力学性能的影响，使得锥形锻件性能优异，胎模成形腔底部充填饱满，外形尺寸控制精确，批次稳定性高，生产制造成本低。
21.2、本发明s2中通过压机的上砧板和下砧板对镁稀土合金铸锭进行反复镦拔成形，且单道次镦拔成形的变形量至少40％，也就是大变形量下的反复镦拔成形，一方面通过大的塑性变形来细化第二相和微观组织，另一方面，通过高的塑性变形功来补偿热散失，形成近等温变形环境，充分促使材料动态软化且避免开裂。
附图说明
22.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
23.图1为本发明中第一锻坯示意图；
24.图2为本发明中三轴阶梯轴示意图；
25.图3为本发明中胎模示意图；
26.图4为本发明中三轴阶梯轴在胎模中压制时的示意图；
27.图5为本发明中三轴阶梯轴在胎模中压制过程中的有限元分析图；
28.图6为直接以圆柱形的第一锻坯在胎模中压制时的示意图；
29.图7为直接以圆柱形的第一锻坯在胎模中压制过程中的有限元分析图。
30.附图标记说明：
31.1：胎模；2：三轴阶梯轴；3：第一锻坯；4：成形腔；5：第一轴；6：第二轴；7：第三轴。
具体实施方式
32.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，
仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
33.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
34.实施例1
35.参看图1至7，本发明的核心是提供一种高强韧镁稀土合金锥形锻件一火次锻造方法，包括以下步骤：
36.s1：准备镁稀土合金铸锭和胎模1，镁稀土合金铸锭按质量百分比计算，材料成分为：gd：8.0～12.0％，y：2.5～4.5％，zn：0.5～2.0％，zr：0.3～0.6％，其余为mg。
37.胎模1具有倒锥形的成形腔4，成形腔4的高度为800-1300mm、小端直径为100-200mm、大端直径为400-800mm，本实施例中具体为成形腔4的高度为850mm、小端直径为160mm、大端直径为450mm。
38.s2：对镁稀土合金铸锭进行加热保温，通过压机的上砧板和下砧板对加热保温后的镁稀土合金铸锭进行反复镦拔成形，且单道次镦拔成形的变形量至少40％，获得圆柱形的第一锻坯3，第一锻坯3的直径为320mm、长度为800mm。
39.单道次镦拔成形的变形量至少40％是指相对每次镦拔成形前镁稀土合金铸锭的变形量，至少40％为大变形量下的反复镦拔成形，一方面通过大的塑性变形来细化第二相和微观组织，另一方面，通过高的塑性变形功来补偿热散失，形成近等温变形环境，充分促使材料动态软化且避免开裂。
40.s3：通过压机的上砧板配合马鞍形模具对第一锻坯3的一端依次进行两次滚压成形使得第一锻坯3形成三轴阶梯轴2，第一锻坯3的本体为第一轴5、在第一轴5上第一次滚压成形形成第二轴6、在第二轴6上第二次滚压成形形成第三轴7，第一轴5、第二轴6和第三轴7的直径依次减小，且相邻轴之间具有倒角。
41.三轴阶梯轴2的长度为945mm，第一轴5的直径为320mm、长度为585mm，第二轴6的直径为260mm、长度为120mm，第三轴7的直径为200mm、长度为130mm。
42.s4：先对成形腔4的腔壁涂覆油基石墨以润滑，然后将三轴阶梯轴2的第三轴7朝下放入胎模1的成形腔4中，通过压机的上砧板配合胎模1将其压制成大尺寸细长的锥形锻件，成形后的锥形锻件进行空冷。锥形锻件的小端直径为160mm、大端直径为450mm、高度为850mm。
43.通过油基石墨可使三轴阶梯轴2在成形腔4中的形变过程更加顺畅，且防止压制后锥形锻件在胎模1成形腔4中的粘连。
44.本发明s2-s4步骤中锻件成形过程中不需要回炉补热，实现一火次制备出大尺寸细长锥形锻件。
45.参看图4，s4中三轴阶梯轴2放入胎模1的成形腔4中还未压制时，第三轴7距离胎模1的成形腔4底部约120mm，折算一下，胎模1成形腔4底部未成形型腔空间的体积约占胎模1成形腔4空间总体积的5％。当然，胎模1底部未成形型腔空间具体大小可根据实际情况进行调整，具体范围在0～15％之间，在此不作具体限定。
46.参看图5，本实施例中由于三轴阶梯轴2距离胎模1成形腔4底部较近，成形过程中金属首先朝着成形腔4底部流动充满成形腔4底部，充满后上端金属发生镦粗变形充满成形
腔4上端。
47.通过本发明的高强韧镁稀土合金锥形锻件一火次锻造方法，成形完成后胎模1成形腔4充填饱满，实现了大尺寸细长锥形锻件的一火次成形，外形尺寸满足设计要求。本实施例中通过连续成形出一端含有双台阶轴的三轴阶梯轴2，一火次制备细长锥形锻件后，室温下锥形锥件的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为：363mpa、252mpa和11.2％，锥件性能优异。
48.本发明先将第一锻坯3进行两次滚压成形使得形成三轴阶梯轴2，极大改善了材料在后续胎模1成形腔4底部的流动能力，且只需要一开始对镁稀土合金铸锭进行一次加热即可，实现了一火次制备出大尺寸细长的锥形锻件，防止多火次回炉补温对材料力学性能的影响，使得锥形锻件性能优异，胎模1成形腔4底部充填饱满，外形尺寸控制精确，批次稳定性高，生产制造成本低。
49.为更好的辅助说明本发明的创造性，给出两个对比例。
50.对比例1
51.s1：准备mg-gd-y-zn-zr合金铸锭，按质量百分比计算，材料成分为：gd：8.0～12.0％，y：2.5～4.5％，zn：0.5～2.0％，zr：0.3～0.6％，其余为mg。
52.s2：对镁稀土合金铸锭进行加热保温，通过压机的上砧板和下砧板对加热保温后的镁稀土合金铸锭进行反复镦拔成形，获得圆柱形的第一锻坯。
53.s3：将第一锻坯进行回炉补温，通过压机的上砧板和马鞍形模具的配合，对第一锻坯进行滚压成形，制备含有台阶轴的第二锻坯。
54.s4：将第二锻坯进行回炉补温，然后将第二锻坯放入内腔事先涂好油基石墨的胎模中，通过上砧板和胎模的配合对所述的第二锻坯进行成形，制备出大尺寸细长锥形锻件。
55.所述步骤四中的胎模模具如图3所示，本对比例中的大尺寸细长锥形锻件的小端直径为160mm、大端直径为450mm、高度为850mm。
56.本对比例中通过多火次回炉补温成形出大尺寸细长锥形锻件后，室温下锥形锥件的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为：304mpa、205mpa和9.8％。
57.将实施例1和对比例1中的力学性能列举在下表中：
[0058] 抗拉强度屈服强度延伸率实施例1363mpa252mpa11.2％对比例1304mpa205mpa9.8％
[0059]
从上表中，可以看出实施例1中的力学性能明显优于对比例1，主要是因为实施例1中通过大变形量下的反复镦拔成形，细化了第二相和微观组织，并通过高的塑性变形功来补偿了热散失，可以连续成形出一端含有双台阶轴的三轴阶梯轴，最终实现一火次制备高强韧大尺寸细长锥形锻件。
[0060]
对比例2
[0061]
s1：准备mg-gd-y-zn-zr合金铸锭，按质量百分比计算，材料成分为：gd：8.0～12.0％，y：2.5～4.5％，zn：0.5～2.0％，zr：0.3～0.6％，其余为mg。
[0062]
s2：对镁稀土合金铸锭进行加热保温，通过压机的上砧板和下砧板对加热保温后的镁稀土合金铸锭进行反复镦拔成形，获得传统圆柱形的第一锻坯。
[0063]
s3：将第一锻坯放入内腔事先涂好油基石墨的胎模中，通过上砧板和胎模的配合
对传统的第一锻坯进行压制成形，一火次成形大尺寸细长锥形锻件。
[0064]
s2和s3中的锻件成形过程中不需要回炉补热，一火次成形大尺寸细长锥形锻件，成形后的锥形锻件进行空冷。
[0065]
s2中的第一锻坯，如图1所示，直径为320mm，高度为800mm。
[0066]
s3中的胎模模具如图3所示，本具体实施例中的大尺寸细长锥形锻件的小端直径为160mm、大端直径为450mm、高度为850mm。
[0067]
如图7所示，在胎模锻成形开始时，本对比例中的第一锻坯距离胎模底部约480mm，折算一下，胎模底部未成形型腔空间的体积约占胎模型腔空间总体积的35％。
[0068]
参看图7，本对比例在成形过程中，由于第一锻坯距离胎模底部较远和摩擦力的存在，胎模中下端金属在朝型腔底部流动的同时，胎模上端的金属同时发生镦粗变形，成形后期出现了胎模底部成形腔填充不满、顶部材料溢出等问题，锥形锻件的外形尺寸难以满足设计要求。
[0069]
对比图5和图7，可以看出实施例1中的锥形锻件充满了胎模成形腔，对比例1中锥形锻件未能充满胎模成形腔。主要是因为实施例1中通过成形出三轴阶梯轴，三轴阶梯轴距离胎模成形腔底部的距离大大缩短，胎模底部未成形成形腔空间的体积也大大减小，材料流动更加容易，进而可以制备出满足外形尺寸要求的大尺寸细长锥形锻件。
[0070]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。