一种AZ31镁合金及其制备方法与流程

本发明涉及镁合金热挤压成形技术，具体为一种az31镁合金及其等通道转角热挤压成型模具，用于镁合金热挤压加工领域。

背景技术：

镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，其比强度、比刚度高；导热、导电性能好；具有很好的阻尼性、减震性、切削加工性和电磁屏蔽性能；加工成本低、易于回收，被誉为21世纪最具有发展前景的绿色工程材料。镁及其合金因具有良好的减震性能、导热性能而被广泛应用于航空航天和其它交通领域等。但是，由于镁具有密排六方（hcp）晶体结构，滑移系少，与铝、钢等其他结构材料相比，存在塑性差等缺点，制约了镁及其合金在工业上的应用。因此，研究提高镁合金的塑性等力学性能具有十分重要的意义。

超细晶材料（包括纳米材料和亚微米材料）有许多很好的物理、化学和力学性能，所以采用深度塑性变形（spd,severeplasticdeformation）方法来获得超细晶粒成为众多材料学者的关注和研究，这主要因为超细晶金属材料能在不损失甚至提高材料的塑性和韧度的同时大幅度提高材料的室温强度，从而改善材料的综合性能。等通道转角挤压作为一种大塑性变形方式，等通道转角挤压可以使材料获得大应变从而将大块粗晶金属或合金细化成具有超细晶结构的材料。块体试样试样在挤压杆的作用下从一个通道挤进，在转角处材料发生近似理想的纯剪切变形，然后从另外一个通道挤出，块体试截面形状与试样变形前基木相同。因此，可以通过多次重复挤压变形来获得较大的应变量，在材料内部形成亚微米甚至纳米级尺寸的超细晶组织。影响镁合金加工性能的主要包括模具结构、挤压路径、挤压速度、接触条件、挤压温度等工艺参数。而且，变形前材料的原始微观结构、相组成等对挤压后材料的微观组织和力学性能也有重要的影响。

目前，塑性变形的坯料也主要集中在az系列易变形镁合金，对于热稳定性高、塑性变形能力差的稀土镁合金塑性变形研究还很少，稀土镁合金等通道转角挤压国内尚未见报道。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对现有等通道转角挤压模具在结构上及模具加热方式存在的不足，本发明的目的是优化模具结构、解决传统模具加热方式存在的问题，解决由于模具结构造成的塑性变形不均匀的问题，提高模具的寿命和安全性能，解决传统模具加热方式存在的问题。

本发明的技术方案是：一种az31镁合金，其组分质量百分比为：2.5-3%al,0.8-1.2%zn,0.15-0.2%mn,0.06%si,0.03%cu,0.02%ni,0.01%fe,mg余量。

所述的一种az31镁合金的制备方法，其特征在于包含以下步骤：(1)按照所述质量配比选取每种原料，并对选取的原料分别进行预热，将该原料中的纯镁、镁硅和镁钙中间合金混合，在保护气氛下加热熔化形成熔体，熔化的温度为760℃～850℃，保温，以此形成合金液；(2)降低所述合金液的温度，然后通入高纯氩气进行精炼，保温静置后获得精炼的合金液，将该精炼后的合金液浇注到模具中，冷却凝固后获得镁合金产品，该镁合金产品通过镁合金通道转角热挤压模具挤压后得到所需的镁合金产品。

一种镁合金通道转角热挤压模具，其包括模具体和挤压杆，模具体中设置试样通道，所述的试样通道为“<”型，所述的试样通道通道内夹角为120°，外侧夹角为30°，内侧过度圆弧半径均为3mm，外侧圆弧半径均为3mm，通道直径均为12mm。

所述的模具体外侧包覆陶瓷加热圈，并通过连接螺钉连接。

所述的模具体一侧开设温孔，内置热电偶。

所述的模具还包括底座和定位轴，底座上端开设有模具固定孔，其与具体下端的底座固定块匹配，底座下端开设与定位轴相匹配的定位孔。

所述的模具体为圆柱形，其由两个沿直径剖开的两个半圆柱形组成，上述的两个半圆柱形模具体通过相匹配的反锁螺孔螺接。

所述陶瓷加热圈包括内侧设有加热圈、中间设有保温层和外侧设有外壳。

所述热电偶、陶瓷加热圈分别与温控仪连接组成加热和温控系统。

本发明的有益效果：

螺栓的螺孔采用沉头孔螺栓在模具上的布局，采用交叉连接的方式，组成一个螺栓锁紧机构系统，使得两个半模紧固成一个整体。所用螺栓为m12。

定位轴通过与试验机平台的配合，起到了很好的在水平方向上的限位作用，保证模具在挤压实验的过程中的安全性能。

模具通道模凹模模腔的表面光洁度ra≤0.4，减小在挤压实验过程中，试样与凹模模壁之间的摩擦力。

底座与挤压模具（模具体）配合，配合方式为紧配合。

设定两个半模垂直通道与斜通道的内交角φ=120°，主要是比如镁合金等塑性变形能力差的材料，变形量小时，避免试样的表面产生裂纹，使得试样不能成功挤出，另外，较φ=90°，当φ=120°所需的挤压力小，减小模具的磨损，提高模具的寿命；

当模具的外交角ψ＜20°时，挤压试样不能在通道内正常流动，较难在模具相交处产生变形“死区”，考虑到挤压试样能够在通道内正常流动，避免变形“死区”的形成，设定两通道外交角ψ=30°；

考虑到当模具内转角半径r过小时，对材料晶粒的细化效率降低，但是当内转角半径r>3mm时，在影响挤压变形均匀性的同时，也会加剧模具的磨损，降低模具的使用寿命。

采用本发明模具能够顺利挤压镁合金棒，生产成本低，坯料变形均匀，表面质量较好；

模具加热方便、安全，且能够动态的控制温度，模具的温差在±2℃内，保证坯料始终处于等温挤压状态，准确性较高；

模具结构简单，使用方便，成本低廉，使用寿命长。

附图说明

图1为等通道转角热挤压（ecap）模具结构示意图；

图2为挤压棒材所用挤压杆结构示意图；

图3为模具体的剖面图；

图4为定位轴的主视图；

图5为定位轴的俯视图；

图6为挤压前后镁合金的金相图；a为挤压前样品的金相图，b为挤压一次的金相图，c为挤压4次的金相图，d为挤压6次的金相图；

图中：1-挤压杆，2-连接螺钉，3-模具体，4-试样通道，5-底座，6-定位轴，7-陶瓷加热圈，8-热电偶。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明技术方案进行详细说明：

一种az31镁合金，其组分质量百分比为：2.5-3%al,0.8-1.2%zn,0.15-0.2%mn,0.06%si,0.03%cu,0.02%ni,0.01%fe,mg余量。

其制备方法，包含以下步骤：(1)按照上述质量配比选取每种原料，并对选取的原料分别进行预热，将该原料中的纯镁、镁硅和镁钙中间合金混合，在保护气氛sf6下加热熔化形成熔体，熔化的温度为760℃～850℃，保温，以此形成合金液；(2)降低所述合金液的温度，然后通入高纯氩气进行精炼，保温静置后获得精炼的合金液，将该精炼后的合金液浇注到模具中，冷却凝固后获得镁合金棒，该镁合金棒通过镁合金通道转角热挤压模具挤压后得到所需的镁合金产品。

一种镁合金通道转角热挤压模具，其包括模具体3和挤压杆1，模具体中设置试样通道4，所述的试样通道4为“<”型，所述的试样通道4通道内夹角为120°，外侧夹角为30°，内侧过度圆弧半径均为3mm，外侧圆弧半径均为3mm，通道直径均为12mm；所述的模具体3外侧包覆陶瓷加热圈7，并通过连接螺钉2连接；所述的模具体3一侧开设温孔，内置热电偶8；所述的模具还包括底座5和定位轴6，底座5上端开设有模具固定孔，其与具体3下端的底座固定块匹配，底座5下端开设与定位轴6相匹配的定位孔；所述的模具体3为圆柱形，其由两个沿直径剖开的两个半圆柱形组成，上述的两个半圆柱形模具体通过相匹配的反锁螺孔螺接；所述陶瓷加热圈7包括内侧设有加热圈、中间设有保温层和外侧设有外壳；所述热电偶8、陶瓷加热圈7分别与温控仪连接组成加热和温控系统。

本实施例挤压长度为100mm、直径为12mm的镁合金棒。

本实施例所用模具结构如所示，挤压杆直径为12mm，凹模型腔直径为12mm，模具挤压过程如下：

（1）采用机加工将镁合金坯料车成直径为12mm镁合金棒，打磨镁合金棒外表面的碎屑和毛刺，并在挤压杆和镁合金棒均匀涂敷润滑剂；将凹模型腔内壁清理干净后均匀涂敷润滑剂；

（2）模具体3由两个沿直径剖开的两个半圆柱形组成，分半是第一模具、第二模具，将第一模具、第二模具通过螺栓紧固，将底座、底座固定块组装成一体，然后将第一模具、第二模具底座、底座和定位轴组装，将陶瓷加热圈套在挤压模具外，陶瓷加热圈由钢皮固定内侧由陶瓷加热圈及保温棉组成，并通过螺钉紧固，将热电偶插入测温孔压；

（3）将模具置于试验机工作台上，将镁合金棒置于模具中随模具加热，为保证加热效率和确保坯料处于等温挤压状态，在测温孔和凹模末端处置一团保温棉，设定温控箱温度参数和加热方式。设定试验机参数。达到所设温度后，保温10min之后,开动试验机开始试验，直至试验结束。挤压杆在试验机的作用，将力施加于镁合金棒，镁合金棒受力经过模具体3转角处塑性变形之后，然后从模具体3中流出，成型为镁合金棒，试验结束，拆卸模具，取出试样清理模具以备后用。

本实施例挤压过程中挤压力较小，最大挤压力只有30kn。获得的镁合金棒表面光滑，挤压前后截面尺寸变化较小。因此，可以进行多道次重复性挤压。

从图6中能够明显看到，经过本发明装置进行挤压过后，其合金的金粒明显变小，而且试样表面也更光滑，组织更细腻。