镁合金板带材连续剪切正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与增加力学性能的技术领域，具体是一种镁合金板带材连续剪切正挤压装置及加工方法。

背景技术：

镁及其合金是目前最轻的金属结构材料，它具有密度小、比强度和比刚高、导电和导热性好、减震性好、电磁屏蔽效果佳、机加工性能优良、零件尺寸稳定、易回收等优点，广泛应用于航空、航天、汽车、计算机、电子信息等领域。然而，镁合金本身的结构特点（密排六方结构(hcp)）决定了其室温下缺少独立的滑移系，而且传统的加工方式会产生较强的基面织构，导致其较差的塑性及二次加工成形能力。另外，镁合金还具有如下缺点，如强度不高、容易氧化、耐腐蚀性能差等，这严重制约了镁合金产品的推广和应用。因此，必须生产加工高强韧、高成形性镁合金才能拓展其应用范围。

近年来，为了制备超细晶镁合金从而提高其强韧性，强烈塑性变形技术作为一种有效的方法受到广泛关注，目前常见的有等径角挤压、累积叠轧、高压扭转及往复挤压等。等径角挤压是一种实用且非常有效的晶粒细化方法，在挤压时试样形状、截面尺寸始终保持不变，反复累积变形从而细化晶粒组织，但需要多次循环加工且试样尺寸受限；累积叠轧也是利用大塑性变形制备超细晶材料的一种方法，其缺点是在增加材料强度的同时会导致其塑性降低；高压扭转能够累积大变形量而制得薄片状超细晶粒金属，但组织不均匀且试样尺寸受限；往复挤压可以制备均匀的超细晶大块金属，但也需要多次循环变形且试样尺寸受限、无法连续加工。综上所述，这些强烈塑性变形方法加工的试样尺寸受限，效率低且不能进行规模化生产，这在很大程度上限制了其应用。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术问题，提供一种镁合金板带材连续剪切正挤压装置及加工方法。

本发明采取以下技术方案：一种镁合金板带材连续剪切正挤压装置，包括挤压机，挤压机左侧设置有压力电机，压力电机通过压力电机连接导线和挤压机相连接，压力电机下方为压力电机底座，上方为压力电机传动带；压力电机传动带上方设置有挤压伸缩腔，挤压伸缩腔内设置有挤压伸缩压头，挤压伸缩压头与挤压凸模相接触，挤压机上方设置有左固定架与右固定架，左固定架与右固定架之间为挤压凹模，挤压凹模内设置有挤压通道，挤压通道横截面呈长方形，挤压凹模的挤压通道内设置有若干个截面呈等腰三角形的剪切台阶，挤压通道前端为容置腔，容置腔内设置镁合金坯料，挤压凸模一端设置在容置腔内，挤压凹模外围设置有加热套。

进一步的，剪切台阶截面等腰三角形的顶角为30°-120°，剪切台阶的数量为1-10个，各个角为光滑倒圆角，挤压凹模模腔表面粗糙度为ra0.08-0.16μm。

进一步的，挤压凸模用cr12mov材料制备，横截面呈圆形，挤压凸模表面粗糙度为ra0.08-0.16μm。

进一步的，挤压凹模和挤压通道内表面涂抹有高温石墨。

进一步的，挤压机为卧式，挤压机下方为挤压机底座，挤压机的控制台上设置有显示屏、指示灯、电源开头、加热套开关和压力电机控制器。

一种镁合金板带材连续剪切正挤压装置的加工方法：具体步骤如下：

（1）精选材料、化学试剂：

精选制备所需的材料、化学试剂，并控制其纯度、浓度：

镁合金坯料：固态块体，含镁量为90%及以上；

砂纸:固态固体；

高温石墨:固态粉末；

无水乙醇：液态液体，99.7%；

丙酮：液态液体，99.0%。

（2）预处理镁合金坯料：

①用1000目砂纸对镁合金坯料的进行打磨，去除油污、杂质、氧化层等，再用2400目砂纸进行细磨，使表面清洁、光滑；

②量取丙酮400ml、无水乙醇各600ml，倒入玻璃清洗槽内，用玻璃棒进行搅拌使其均匀混合，配置成丙酮加无水乙醇混合溶液；

③将装有混合溶液的玻璃清洗槽置于超声波清洗机上，把镁合金坯料浸泡于混合溶液中，打开超声波清洗机电源开关，进行震动洗涤，时间为30min；

④超声波震动洗涤完毕后，用镊子取出镁合金坯料，置于干燥架上，用吹风机将镁合金坯料表面吹干。

（3）预热镁合金坯料：

开启真空气氛加热炉，将温度设为100℃-600℃，达到设定温度时，将镁合金坯料放入真空气氛加热炉内，保温0.5h-6.5h。

（4）挤压镁合金坯料：

镁合金坯料的挤压加工在挤压机上进行，在加热的挤压凹模内、挤压凸模与挤压伸缩压头的作用下完成；

①制备挤压凸模和挤压凹模：

②固定挤压凸模和挤压凹模：

在挤压凹模模腔、挤压通道内表面涂抹高温石墨进行润滑，通过固定螺栓将挤压凹模与挤压模具底座连接起来，将挤压模具安装于卧室式挤压机的模具固定架内，并置于加热套内，将挤压凸模伸入挤压凹模模腔内，安装牢固，连接关系正确，按序操作；

③开户加热套，加热挤压模具，加热温度预设为100℃-600℃，达到设定温度时保温0.5h-6.5h；

④置放镁合金坯料：

在预热后的镁合金坯料表面涂抹高温石墨进行润滑，退出挤压凸模，将镁合金坯料置于挤压凹模模腔内，将挤压凸模伸入挤压凹模模腔内，接触镁合金坯料；

再次进行保温，保温时间为0.5h-6.5h；

⑤开启挤压伸缩压头，使挤压凸模运行，对预先置于挤压凹模模腔内的镁合金坯料进行挤压，镁合金坯料产生正挤压变形，棒状镁合金坯料变成板带状；在挤压凸模的作用下，镁合金坯料继续向前流动，在剪切台阶的作用下产生剧烈变形，晶粒组织被细化，在剪切力的作用下晶粒c轴发生倾转弱化了基面织构；当继续挤压镁合金坯料时，坯料在下一个剪切台阶的作用下再次产生剧烈变形，晶粒组织进一步被细化，剪切力再一次导致晶粒c轴发生倾转从而进一步弱化基面织构，（在多个剪切台阶的作用下晶粒组织会被持续细化、基面织构也会被持续弱化）；当镁合金坯料全部进入挤压凹模的挤压通道内时停止推进，完成挤压，一次挤压便能制备出大尺寸的高强韧、高成形性镁合金板带材；

⑥挤压完毕后，关闭加热套，退出挤压凸模。

（6）打磨、洁净处理：

切除高强韧、高成形性镁合金板带材的废料，并用2400目砂纸对其表面进行打磨，然后将其放入丙酮与无水乙醇的混合液中，利用超声波振动对其进行清洗，使其洁净，最后用吹风机吹干。

结论：通过新型挤压加工方法加工后，镁合金板带材的晶粒组织更加均匀、致密，平均晶粒尺寸由初始的38μm细化至0.8μm，基面织构强度被弱化，组织细化、基面织构强度削弱有利于镁合金强度、塑性及成形性能的提高。

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，是针对强度、塑性、成形性能等较差的情况，采用新型挤压加工方法使得镁合金坯料在挤压过程中产生连续剪切挤压变形，在此过程中晶粒组织不断被细化，晶粒c轴不断发生倾转致使基面织构不断被弱化，从而达到细化晶粒组织、弱化基面织构、增强增韧、提高成形性性能的目的，一次挤压便能制备出大尺寸的高强韧、高成形性镁合金板带材。本发明的高强韧、高成形性镁合金板带材挤压加工方法简单、成本低、效率高，且能连续生产制备大尺寸、大规格板带材，规模化应用前景较为广泛，是十分理想的高强韧、高成形性镁合金板带材的挤压加工方法。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

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4为初始镁合金坯料金相组织；

图5为挤压加工后镁合金板材的金相组织；

图中所示，附图标记清单如下：

1-挤压机底座，2-挤压机，3-显示屏，4-指示灯，5-电源开头，6-加热套开关，7-压力电机控制器，8-压力电机连接导线，9-压力电机底座，10-压力电机，11-压力电机传动带，12-挤压伸缩腔，13-挤压伸缩圧头，14-挤压凸模，15-固定螺栓，16-左固定架，17-右固定架，18-加热套，19-挤压凹模，20-镁合金坯料，21-剪切台阶，22-挤压摸具底座，23-镁合金板带材，24-挤压通道。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1所示，本发明中高强韧、高成形性镁合金板带材的挤压状态图，各部位置、连接关系要正确，安装牢固，按序操作。

高强韧、高成形性镁合金板带材23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19内、挤压凸模14与挤压伸缩压头13的作用下完成的。

挤压机2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、电源开头5、加热套开关6、压力电机控制器7；在挤压机2左侧设置有压力电机10，压力电机10通过压力电机连接导线8和挤压机2相连接；压力电机10下方为压力电机底座9、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；在挤压机2上方设置有左固定架16与右固定架17，左、右固定架16、17之间为挤压凹模19与挤压模具底座22，挤压凹模19与挤压模具底座22通过固定螺栓15与左、右固定架16、17相连接，挤压凹模19内设置有挤压通道24，挤压通道24内设置有剪切台阶21；挤压凹模19外围设置有加热套18；挤压伸缩压头13按预设程驱动挤压凸模14向右运动，镁合金坯料20在挤压加工过程中连续剪切挤压变形，达到细化晶粒组织、弱化基面织构、增强增韧、提高成形性性能的目，从而获得高强韧、高成形性能镁合金板带材26。

图2所示，为挤压通道的剖面示意图，所述挤压通道24在挤压凹模19内。

图3所示，为图2中a-a向的剖面示意图，所述挤压凹模19的横截面为圆形。所述挤压凹模19内的挤压通道24横截面为矩形。

图4、5所示，为（a）初始镁合金板材与（b）挤压加工后镁合金板的金相图，镁合金的平均晶粒尺寸由初始板材的38μm细化至0.6μm，基面织构强度被削弱，有利于镁合金板材增强、增韧及成形性能的改善。

本方明通过挤压加工制备高强韧、高成形性镁合金板带材的原理是：

在挤压凸模的推动下，镁合金坯料产生正挤压变形，棒状镁合金坯料变成板带状；在挤压凸模的作用下，镁合金坯料继续向前流动，在剪切台阶的作用下产生剧烈变形，晶粒组织被细化，在剪切力的作用下晶粒c轴发生倾转弱化了基面织构；当继续挤压镁合金坯料时，坯料在下一个剪切台阶的作用下再次产生剧烈变形，晶粒组织进一步被细化，剪切力再一次导致晶粒c轴发生倾转从而进一步弱化基面织构，（在多个剪切台阶的作用下晶粒组织会被持续细化、基面织构也会被持续弱化）；当镁合金坯料全部进入挤压凹模的挤压通道内时停止推进，完成挤压，一次挤压便能制备出大尺寸的高强韧、高成形性镁合金板带材。

（1）精选材料、化学试剂：

精选制备所需的材料、化学试剂，并控制其纯度、浓度：

镁合金坯料：固态块体，含镁量为90%及以上；

砂纸:固态固体；

高温石墨:固态粉末；

无水乙醇：液态液体，99.7%；

丙酮：液态液体，99.0%。

（2）预处理镁合金坯料：

①用1000目砂纸对镁合金坯料20的进行打磨，去除油污、杂质、氧化层等，再用2400目砂纸进行细磨，使表面清洁、光滑；

②量取丙酮400ml、无水乙醇各600ml，倒入玻璃清洗槽内，用玻璃棒进行搅拌使其均匀混合，配置成丙酮＋无水乙醇混合溶液；

③将装有混合溶液的玻璃清洗槽置于超声波清洗机上，把镁合金坯料20浸泡于混合溶液中，打开超声波清洗机电源开关，进行震动洗涤，时间为30min；

④超声波震动洗涤完毕后，用镊子取出镁合金坯料20，置于干燥架上，用吹风机将镁合金坯料20表面吹干。

（3）预热镁合金坯料：

开启真空气氛加热炉，将温度设为100℃-600℃，达到设定温度时，将镁合金坯料20放入真空气氛加热炉内，保温0.5h-6.5h。

（4）挤压镁合金坯料：

镁合金坯料20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19内、挤压凸模14与挤压伸缩压头13的作用下完成的；

③制备挤压模具

挤压凹模19模具用4cr5mosiv1材料制备，模腔横面呈圆形，挤压通道24横截面呈长方形，挤压凹模19的挤压通道24内设置有若干个截面呈等腰三角形的剪切台阶21，等腰三角形的顶角为30°-120°，剪切台阶数量为1-10个，各个角为光滑倒圆角，挤压凹模19模腔表面粗糙度为ra0.08-0.16μm；

挤压凸模14模具用cr12mov材料制备，横截面呈圆形，挤压凸模14表面粗糙度为ra0.08-0.16μm；

挤压模具底座22用cr12mov材料制备，横截面呈圆形，中心设置有长方形穿孔，模具底座表面粗糙度为ra0.08-0.16μm；

④固定挤压模具

在挤压凹模19模腔、挤压通道24内表面涂抹高温石墨进行润滑，通过固定螺栓15将挤压凹模19与挤压模具底座22连接起来，将挤压模具安装于卧室式挤压机2的模具固定架16、17内，并置于加热套18内，将挤压凸模14伸入挤压凹模19模腔内，安装牢固，连接关系正确，按序操作；

③开户加热套18，加热挤压模具，加热温度预设为100℃-600℃，达到设定温度时保温0.5h-6.5h；

④放镁合金坯料：

在预热后的镁合金坯料20表面涂抹高温石墨进行润滑，退出挤压凸模14，将镁合金坯料20置于挤压凹模19模腔内，将挤压凸模14伸入挤压凹模19模腔内，接触镁合金坯料20；

再次进行保温，保温时间为0.5h-6.5h；

⑤开启挤压伸缩压头13，使挤压凸模14运行，对预先置于挤压凹模19模腔内的镁合金坯料20进行挤压，镁合金坯料20产生成挤压变形，镁合金坯料20变成板带状；在挤压凸模14的作用下，镁合金坯料20继续向前流动，在剪切台阶21的作用下产生剧烈变形，晶粒组织被细化，在剪切力的作用下晶粒c轴发生倾转弱化了基面织构；当继续挤压镁合金坯料20时，坯料在下一个剪切台阶21的作用下再次产生剧烈变形，晶粒组织进一步被细化，剪切力再一次导致晶粒c轴发生倾转从而进一步弱化基面织构，（在多个剪切台阶的作用下晶粒组织会被持续细化、基面织构也会被持续弱化）；当镁合金坯料20全部进入挤压凹模19的挤压通道24内时停止推进，完成挤压，一次挤压便能制备出大尺寸的高强韧、高成形性镁合金板带材23；

⑥挤压完毕后，关闭加热套，退出挤压凸模。

（6）打磨、洁净处理：

切除高强韧、高成形性镁合金板带材23的废料，并用2400目砂纸对其表面进行打磨，然后将其放入丙酮与无水乙醇的混合液中，利用超声波振动对其进行清洗，使其洁净，最后用吹风机吹干。