三向变弧面差速剪切挤压制备镁合金板材的装置和方法

本发明属于轻金属塑性成形，具体涉及一种三向变弧面差速剪切挤压制备高性能细晶镁合金板材的装置和方法。

背景技术：

1、镁合金是当前金属中密度最小的结构材料，具有比强度和比刚度高、热成形性好、易回收等优点，因此其在汽车、3c、航空航天、军事等领域中占有重要地位，更是被誉为“21世纪的绿色能源材料”。然而，镁合金的晶体结构为密排六方，在室温下仅有两个滑移系容易开动，少于多晶体变形时要求的五个独立滑移系，从而导致镁合金室温下塑性加工困难，宏观表现为较差的室温力学性能。此外，通过传统轧制和挤压等工艺方法制得的镁合金板材往往存在强基面织构，这将导致镁合金板材出现明显的各向异性，进一步限制了其应用范围。因此，改善镁合金板材室温力学性能是目前亟需解决的问题之一。细化晶粒可显著提高镁合金强度，弱化基面织构可改善其塑性，因此各种加工技术被广泛开发，如高压扭转(hpt)、多向锻造(mdf)、等通道转角挤压（ecap）等。而现有技术存在一定弊端，加工过程不连续，效率低，挤压通道单一等，在一定程度上限制了其应用。因此，如何获得新型连续化生产的弱基面织构镁合金板材加工方法是当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述问题，提供一种制备细晶弱织构镁合金板材的三向变弧面差速剪切挤压加工装置和方法。通过该装置及其加工方法，使镁合金坯料在加工过程中发生连续差速剪切挤压变形，实现晶粒细化的同时弱化基面织构，改善镁合金板材的室温力学性能，进而扩大镁合金应用范围。

2、本发明所述的三向变弧面差速剪切挤压制备镁合金板材的装置通过以下技术方案予以实现：包括立式挤压机、外部模架、凹模模具、凸模模具和动力装置：

3、所述立式挤压机包括底座、固定在底座上的立柱以及固定在立柱顶部的顶座；顶座的中心处安装有动力装置，动力装置底部安装有挤压伸缩压头，挤压伸缩压头的端部固定有主压块和一对分列于主压块左右两侧的副压块，主压块的底部固定有挤压凸模模具，副压块的底部均固定有挤压冲头，挤压冲头作用面为倾斜面，底座的中心处固定有工作台；

4、所述外部模架包括安装在工作台上的凹模固定框架，左右侧的凹模固定框架开设有通孔，前后侧的凹模固定框架的内壁上设有加热套，在加热套内侧及工作台之上放置有凹模垫块，凹模模具放置于加热套内侧且凹模模具的底部与凹模垫块固定，凸模模具放置于凹模模具内部；

5、凹模模具上部分设有挤压凸模模具能够伸入的等距圆柱挤压通道，中间部分设有凸模模具能够伸入的左右贯通的长方体型腔，长方体型腔左右贯通并与左右侧的凹模固定框架通孔相对应，长方体型腔底面向下设有剪切变形通道；等距圆柱挤压通道、长方体型腔和剪切变形通道上下贯通构成凹模模具模腔；长方体型腔上部前后侧设有两个相对模腔轴向对称的弧面沟槽，弧面沟槽从上至下逐渐由圆弧变为水平直线，弧面沟槽与长方体型腔顶面和竖直面交接处都设有倒圆角连接，长方体型腔底面左右两侧各设有至少一个滑动定位槽；所述剪切变形通道左右两侧边均由前后走向的竖直边沿下方的弧边向中间过渡，前侧两条弧边，一条在左右水平方向上朝中间缩进，另一条既沿左右水平方向朝中间缩进又在前后水平方向上朝中间缩进，剪切变形通道后侧两条弧边与前侧两条弧边相对模腔轴向对称，最终使得剪切变形通道水平截面从上至下由矩形逐渐变为平行四边形；

6、所述凸模模具由两个相对模腔轴向对称的凸模组成，两凸模均通过其底部的定位块滑动限位于滑动定位槽中，两个凸模相向的一侧作为作用面，凸模作用面从上至下由等距圆柱挤压通道水平圆的一部分外凸形弧线逐渐变为内凸形弧线，最终变为前后走向的竖直边，外凸形弧线与内凸形弧线共同组成外凸弧面，内凸形弧线与水平线共同组成内凸弧面，外凸弧面与凸模模具顶面倒圆角连接，同时与内凸弧面倒圆角连接，圆角从前至后由外凸形逐渐变为内凸形；同时，凸模作用面外凸形弧线与凹模模具的弧面沟槽上方弧线共同组成与等距圆柱挤压通道相对应的整圆，内凸形弧线与凹模模具的弧面沟槽下方水平直线在同一水平面，两个凸模作用面底部与长方体型腔底面接触，凸模模具左右侧面分别与一个挤压冲头对应且呈与挤压冲头倾斜角度一样的倾斜面；工作台以及底座上设有与剪切变形通道底部连通的通孔；

7、挤压凸模模具、两个凸模以及凹模模具的模腔之间共同构成相对轴向对称的挤压通道，挤压通道由上至下依次为挤压推动区ⅰ、动态差速变形区ⅱ和剪切挤压变形区ⅲ。

8、本发明工作时，首先，挤压凸模模具和挤压冲头在挤压伸缩压头的作用下同时向下运动，使得在挤压推动区的镁合金棒料不断向下前进到达动态差速变形区，动态差速变形区上部分通道由前后两个凹模模具弧面沟槽和左右两个凸模模具外凸弧面组成，由于外凸弧面和弧面沟槽的弯曲程度不同，使得镁合金棒料在该通道的不同弧面上流动速度不同，在挤压过程中形成了差速剪切变形，诱导晶粒c轴发生偏转，弱化了基面织构；动态差速变形区下部分由凹模模具长方体型腔前后两个竖直面和左右两个凸模模具内凸弧面组成，左右两个内凸弧面逐渐变竖直，使得镁合金棒料在左右两侧的流动速度在前后方向持续变化，与此同时，凸模模具随着左右两侧挤压冲头的向下挤压从而利用定位块在滑动定位槽内向中间滑动，使得镁合金棒料在左右侧的变形程度持续变化，将进一步对镁合金产生差速剪切变形，晶粒组织再次被细化，基面织构也再次被弱化，镁合金棒料在此通道内水平截面从上至下先由圆形逐渐变为由左右两条弧边和前后两条水平边组成的四边形，最后四边形左右两条弧边逐渐向中间变直成为矩形，最终镁合金棒料先变为镁合金块材；接着，当镁合金块材被挤压到剪切挤压变形区时，通过通道两侧弧面的作用，镁合金块材持续经历差速变形和左右方向的剪切变形，同时通道前后侧逐渐由竖直面变为倾斜面，使得镁合金块材右后端和左前端分别受到向前和向后的剪切变形，两者的综合作用导致镁合金晶粒c轴再次发生倾转从而进一步弱化基面织构，加剧了镁合金的变形；最后被挤出通孔，获得了细晶弱织构镁合金板材。该装置能够实现通过三向变弧面差速剪切挤压制备细晶弱织构镁合金板材。

9、进一步地，所述挤压凸模模具、挤压冲头、凹模模具和凸模模具的材质均为4cr5mosiv1热作模具钢。

10、进一步地，所述挤压凸模模具工作面的表面粗糙度为ra0.08~0.16μm，挤压冲头工作面的表面粗糙度为ra0.04~0.08μm，凹模模具工作面的表面粗糙度为ra0.4~0.8μm，凸模模具工作面的表面粗糙度为ra0.16~0.4μm，凸模模具左右侧斜面表面粗糙度为ra0.04~0.08μm。挤压通道的凹模模具和凸模模具的粗糙度不一致，使挤压过程与坯料产生的摩擦力形成差值，进一步促使坯料差速流动，产生剪切挤压变形以弱化其基面织构。

11、本发明所述的一种三向变弧面差速剪切挤压制备镁合金板材的方法，包括以下步骤：

12、s1、镁合金块棒料预处理：

13、s1-1、用600目砂纸对镁合金棒料的表面进行打磨，去除油污，然后依次用800目、1000目、1200目砂纸进行打磨，直至镁合金棒料表面光洁；

14、s1-2、将丙酮与无水乙醇按体积比3:2在清洗槽中混合后搅拌均匀，配制成清洗液；

15、s1-3、将步骤s1-1制备的镁合金棒料浸没入步骤s1-2制备的清洗液内，将清洗槽放置在超声波清洗机上对镁合金棒料超声波清洗60min，然后取出镁合金块坯料并用无水乙醇清洗，最后用吹风机吹干；

16、s1-4、将步骤s1-3制备的镁合金棒料的表面涂抹石墨油溶液，留待后步使用；

17、s2、镁合金棒料预热：设定真空气氛加热炉的加热温度为450℃，加热炉炉温达到设定温度后，将镁合金棒料放入加热炉内，保温3h；

18、s3、三向变弧面差速剪切挤压成形装置的润滑、装配与预热：

19、s3-1、润滑：将凹模模具模腔和弧面沟槽和滑动定位槽表面、凸模模具表面、挤压冲头作用面表面涂抹石墨油溶液；

20、s3-2、装配：

21、首先，将凹模垫块安装固定在立式挤压机的工作台上，再将一个前凹模固定在凹模垫块上，再将凸模模具通过定位块固定在凹模的滑动定位槽的定位区内，再将后凹模的滑动定位槽的定位区与凸模模具的定位块相装配并固定在凹模垫块上，最终使得凸模模具装配在凹模模具的长方体型腔内，再将加热套安装在前后两侧的凹模固定框架内表面上，最后将凹模固定框架通过螺栓固定在工作台上既可，其中带通孔的凹模固定框架固定在左右两侧，以保证凸模模具可进行左右方向滑动，控制挤压凸模模具下行并置于凹模模具模腔的顶端腔口内，以保证挤压凸模模具和凹模模具的模腔紧密垂直接触；

22、s3-3、预热：控制加热套温度为300~500℃，达到设定温度后保温2~4 h，留待后步使用；

23、s4、三向变弧面差速剪切挤压变形成形：挤压凸模模具、凹模模具和凸模模具共同组成挤压通道；所述挤压通道包括由上至下设置的挤压推动区ⅰ、动态差速变形区ⅱ和剪切挤压变形区ⅲ三个区域；

24、s4-1、将挤压凸模模具从通道中退出，使镁合金棒料填充在挤压推动区ⅰ，随后将挤压凸模模具推入通道内；操作立式挤压机，挤压凸模模具和挤压冲头在挤压伸缩压头的作用下同时向下运动，使得在挤压推动区ⅰ的镁合金棒料不断向下前进到达动态差速变形区ⅱ，动态差速变形区ⅱ上部分通道由前后两个弧面沟槽和左右两个凸模模具外凸弧面组成，由于外凸弧面和弧面沟槽的弯曲程度不同，使得镁合金棒料在该通道的不同弧面上流动速度不同，在挤压过程中形成了差速剪切变形，诱导晶粒c轴发生偏转，弱化了基面织构；动态差速变形区ⅱ下部分由前后两个凹模模具竖直面和左右两个凸模模具内凸弧面组成，左右两个内凸弧面逐渐变竖直，使得镁合金棒料在左右两侧的流动速度在前后方向持续变化，与此同时，凸模模具随着左右两侧挤压冲头的向下挤压从而利用定位块在滑动定位槽中向中间滑动，使得镁合金棒料在左右侧的变形程度持续变化，将进一步对镁合金产生差速剪切变形，晶粒组织再次被细化，基面织构也再次被弱化，镁合金棒料在动态差速变形通道内水平截面从上至下先由圆形逐渐变为由左右两条弧边和前后两条水平边组成的四边形，最后四边形左右两条弧边逐渐向中间变直成为矩形，最终镁合金棒料变为镁合金块材；接着，当镁合金块材被挤压到剪切挤压变形区ⅲ时，通过剪切变形通道两侧弧面的作用，镁合金块材持续经历差速变形和左右方向的剪切变形，同时剪切变形通道前后侧逐渐由竖直面变为倾斜面，使得镁合金块材右后端和左前端分别受到向前和向后的剪切变形，最终使得镁合金块材在剪切变形通道内水平截面从上至下由矩形逐渐变为平行四边形；两者的综合作用导致镁合金晶粒c轴再次发生倾转从而进一步弱化基面织构，加剧了镁合金的变形；最后被挤出通孔，获得了细晶弱织构镁合金板材；

25、s4-2、取出步骤s4-1制得的镁合金板材，用砂纸对其表面进行打磨，然后用步骤s1-2制备的清洗液清洗镁合金板材，最后用无水乙醇二次清洗，并用吹风机吹干，制得能够直接投入使用的细晶弱织构镁合金板材。

26、与现有技术相比本发明的有益效果为：

27、1.本发明与现有技术相比具有明显的先进性，凸模模具随着左右两侧挤压冲头的向下挤压从而向中间滑动，导致动态差速变形区内通道持续变化，镁合金坯料在左右侧的变形程度也随之变化，使得镁合金同时受到三个方向的动态挤压力，从而弱化镁合金基面织构，提高镁合金力学性能；

28、2.变弧面动态变通道能够使镁合金使在挤压过程中左右两侧的流动速度在前后方向持续变化，使得坯料进一步实现差速的挤压变形，使得镁合金棒材晶粒细化效果更为显著；

29、3.镁合金在挤压过程中在左右两侧和前后两侧受到的剪切变形各不相同，使镁合金变形不均匀，各处的变形程度差异大，弱化了基面织构。