一种制备高性能镁合金板材的膨胀-连续剪切挤压变形成形装置的制作方法

本实用新型属于金属材料的加工设备技术领域，具体涉及一种制备高性能镁合金板材的膨胀-连续剪切挤压变形成形装置。

背景技术：

镁及镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有比强度和比刚度高、导热性能好、易于机加工和回收等优点，在航空航天、交通运输、电子通信等领域获得较为广泛的应用。因此镁合金的开发应用显得更加迫切。然而，由于镁合金属于密排六方晶体结构，室温变形机制以基面α滑移和{10-12}孪生变形为主，室温塑性成形能力差，且绝对强度低，已成为阻碍镁合金加工与应用的瓶颈。

目前，工业生产中镁合金的挤压变形工艺，其挤压比一般在10～100变化，镁合金坯料的挤压温度通常为300～450℃，挤压速度通常为0.1m/min～2.5m/min，挤压温度与挤压速度成正比，挤压温度越低，挤压速度越慢，如果挤压温度降低而挤压速度不随之而减慢，镁合金的成型效果将受影响，导致挤压出的材料出现裂纹，影响产品质量。在现有的镁合金变形方式中，等通道角挤压(equalchannelangularextrusion，ecae)技术是一种通过强烈塑性变形而获得大尺寸亚微米或纳米级块体的有效方法。它采用多道次转角剪切变形累计增加应变，急剧增值位错密度形成位错胞，诱发交滑移形成小角度晶界，受剪切力时发生旋转，逐渐演变为亚晶粒或大角度晶界的晶粒，同时，非基面滑移系受剪切力而得以开启，产生倾转基面织构。但ecae模具的设计、变形途径、挤压道次、挤压速度以及变形热对材料的性能和加工过程影响极大，而工件与模具接触面间的摩擦状态、材料物性等诸多因素使ecae成形过程的控制变得十分困难，难以在实际工业生产中投入使用。因此，深入认识az31镁合金晶粒细化机理，研究新的变形方式下微观组织结构及变形条件与强韧性能的定量关系，研发制备高性能镁合金新型挤压变形技术显得尤为重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对以上问题，本实用新型提供一种制备高性能镁合金板材的膨胀-连续剪切挤压变形的成形装置，它在挤压变形过程不仅有效增加了应变量，且实现大挤压比变形和应变的形状变换效应，有利于形成剪切织构和板形控制，挤压变形后使镁合金形成均匀细晶组织及达到了弱化织构等效果。本实用新型的模具结构简单，操作简单，加工效率高，可望实现连续的、大尺寸的镁合金板的生产。

为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案是：它包括凹模和凸模；凹模由挤压通道和凸模通道两部分组成，凸模插装在凸模通道内；挤压通道由膨胀球通道和连续剪切通道组成，膨胀球通道的顶部与凸模通道连通，膨胀球通道的直径大于凸模通道的直径；膨胀球通道的一端与连续剪切通道相连；连续剪切通道设置为两次，连续剪切通道与通道型腔连通，通道型腔的宽度大于连续剪切通道，通道型腔为长方体通道。

进一步的，凹模从对称部分分为两半，且用多个螺纹柱对两凹模进行固定安装。

进一步的，膨胀球通道的直径大于凸模通道的直径，凸模通道直径为20～30mm，膨胀球直径为22～36mm。

进一步的，连续剪切通道包括第一次转角剪切和第二次转角剪切，第一次转角剪切和第二次转角剪切的转角角度均为90°～150°。

进一步的，凸模通道与挤压通道是连通的。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的模具结构简单，操作简单，加工效率高，可望实现连续的、大尺寸的镁合金板的生产。

2、本实用新型提供一种制备高性能镁合金板材的膨胀-连续剪切挤压变形的成形装置，膨胀球直径大于坯料圆柱直径，在变形过程中膨胀球变形可增加应变量。

3、由膨胀球变成薄板可实现大挤压比变形，同时，镁合金在膨胀球内变成板料，最终实现棒料变成板料变形，具有形状转变增加剪切变形量功效，能够极大地提高镁合金晶粒细化、织构弱化等效果。

4、变成薄板后续两次转角剪切变形过程中容易开启内部非基面滑移系，可达到弱化镁合金的基面织构的效果，进而改善镁合金塑性，同时，利于最终板材的变形均匀性，进而实现细晶组织均匀性分布，也有利于板形的控制。

附图说明

图1为本实用新型结构正视图。

图中所述文字标注表示为：1、凸模；2、挤压通道；3、膨胀球通道；4、第一次转角剪切；5、第二次转角剪切；6、凹模；7、通道型腔；100、连续剪切通道。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。

如图1所示，本实用新型的具体结构为：它包括凹模6和凸模1；凹模6由挤压通道2和凸模通道两部分组成，凸模1插装在凸模通道内；挤压通道2由膨胀球通道3和连续剪切通道100组成，膨胀球通道3的顶部与凸模通道连通，膨胀球通道3的直径大于凸模通道的直径；膨胀球通道3的一端与连续剪切通道100相连；连续剪切通道100设置为两次，连续剪切通道100与通道型腔7连通，通道型腔7的宽度大于连续剪切通道100，通道型腔7为长方体通道。

进一步的，凹模6从对称部分分为两半，且用多个螺纹柱对两凹模进行固定安装。

进一步的，膨胀球通道3的直径大于凸模通道的直径，凸模通道直径为20～30mm，膨胀球直径为22～36mm。

进一步的，连续剪切通道100包括第一次转角剪切4和第二次转角剪切5，第一次转角剪切4和第二次转角剪切5的转角角度均为90°～150°。

进一步的，凸模通道与挤压通道2是连通的。

如图1所示:本实用新型包括凸模1和凹模6；凹模6由挤压通道2和凸模通道两部分组成，凸模1插装在凸模通道内；挤压通道2由膨胀球通道3和连续剪切通道100两部分组成，膨胀球通道3的顶部与凸模通道连通，膨胀球通道3的直径大于凸模通道的直径；膨胀球通道3的一端与连续剪切通道100相连，最终形成长方形通道，用于挤出板材。

本实用新型使用时，其挤压加工方法如下：由于镁合金在铸造过程中，非平衡结晶所带来的各种偏析和存在于晶界及枝晶网络上的金属间化合物，使得铸坯的化学成分和组织很不均匀，造成热塑性的和加工性能的降低。为改善铸锭化学成分和组织的不均匀性，需要在铸造后对铸坯进行均匀化退火处理。本实验将镁合金坯料加热至400℃保温20小时进行均匀化处理，达到较佳的均匀化处理效果，经过均匀化处理的铸锭，粗大的枝晶消失，使得铸锭的化学成分和组织更加均匀。

挤压前，把挤压凸模1和凹模6都加热至350℃，随后在挤压凹模6（左右两半）的挤压通道腔内均匀涂抹润滑剂，润滑剂可选用汽缸油、机油、石墨、玻璃、二硫化钼、植物油等，或者选其几种根据不同情况按不同比例混合使用。本实施例采用的润滑剂为由74号汽缸油加粒度400目的石墨混合而成的润滑剂，该润滑剂的配制比例的重量百分比为74号汽缸油60～90％，粒度400目的石墨10～40％，为达较佳的润滑效果，以配制比例的重量百分比为74号汽缸油70％，粒度400目的石墨30％的润滑剂的效果最佳；然后将挤压凹模6（左右两半）组装放置在固定在立式挤压机工作台上，然后将经过均匀化处理的镁合金坯料加热至300℃～460℃，放入在已加热的挤压凹模6的凸模通道中，在接着插入挤压凸模1。由立式挤压机的压头带动挤压凸模1以0.1～4m/min的速度、200mpa～800mpa的挤压力，使镁合金坯料首先在模具的球体型腔发生膨胀变形，然后再经过连续剪切变形形成板材。

晶粒细化原理:

膨胀-连续剪切挤压是将坯料通过膨胀挤压和两道次转角剪切变形后由棒材挤压成形为板材。结合连续剪切大变形技术的特点和镁合金的变形特性，可将实验中粗大的az31镁合金的晶粒细化进程归纳如下：首先，坯料在挤压模的凸模通道处2受到挤压凸模1和挤压凹模6的作用，初始阶段使镁合金坯料产生墩粗变形，部分晶粒内部萌生变形带，同时在晶界处有少量再结晶晶粒出现，发生不连续再结晶；随着变形的加剧坯料进入球形膨胀区，使表面积增加，由膨胀球变成薄板可实现大挤压比变形，同时，镁合金在膨胀球内变成板料，最终实现棒料变成板料变形，具有形状转变增加剪切变形量功效，能够极大地提高镁合金晶粒细化、织构弱化等效果，变成薄板后续两次转角剪切变形过程中容易开启内部非基面滑移系，可达到弱化镁合金的基面织构的效果，进而改善镁合金塑性，同时，利于最终板材的变形均匀性，进而实现细晶组织均匀性分布，也有利于板形的控制。

铸态az31镁合金采用新型膨胀-连续剪切变形挤压方法后，晶粒组织的得到明显的细化，平均晶粒尺寸从240μm（原始铸态）最小能细化至0.5μm，且组织较为均匀。说明通过本实用新型变形后组织发生充分的动态再结晶。

当挤压温度分别为300℃和460℃时，镁合金变形后其纵截面的显微组织有着不同变化。两个温度板材的晶粒组织发生充分的动态再结晶，平均晶粒尺寸分别约为1μm和5μm。300℃成形板材的显微组织较为均匀，尺寸大小大致相同，但400℃板材的显微组织晶粒尺寸较大，主要是高温挤压变形后晶界扩散能力增强，在变形过程中所产生的位错迅速被再结晶晶粒吸收，加速了动态再结晶过程并迅速长大。

开始坯料发生墩粗变形，组织中存在着部分拉伸孪晶。随着挤压变形的增加，应变值逐渐增加，镁合金粗大晶粒发生破碎，初始孪晶经挤压后进一步变形，导致位错通过滑移或攀移在粗大晶粒或孪晶的晶界区域受阻而集中，则首先在原始破碎晶粒的晶界和孪晶晶界处发生动态再结晶。由于温度较低，在墩粗区的粗大晶粒内容易发生全位错塞积现象，由此可以引起应力集中，这种应力集中可以促进孪晶形核来协调塑性变形，而当孪晶达到一定比例时，则出现孪晶交错现象，使得在经过膨胀-连续剪切变形时更容易发生塑性变形及发生动态再结晶。当膨胀球变为薄板时，镁合金板材发生大的挤压比变形，发生了完全动态再结晶形成细小的晶粒，晶粒分布较为均匀，平均晶粒尺寸大约为3μm，后续进行连续转角剪切变形，连续经过二个连续的转角剪切，晶粒受到比较大的剪切力，继续转动并受到剪切力破碎，在剪切力的作用下发生剪切动态再结晶，从而进一步的细化晶粒。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本实用新型的保护范围。