一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具及成形方法技术

本发明专利技术属于镁合金变形技术和模具设计制造领域，涉及一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具及成形方法。该挤压剪切模具包括压块、套筒和挤压剪切镶块；挤压剪切镶块的半模上包括挤压杯、挤压段、剪切段、成形段和出料区。本发明专利技术克服了现有技术对设备挤压力、模具结构及强度的要求高，工艺复杂等缺点；提供一种有效实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具及成形方法，该模具结构简单，方法简便，易于操作且效果明显。

Extrusion shearing die for magnesium alloy grain refinement and forming method thereof

The invention belongs to the field of magnesium alloy deformation technology and mould design and manufacture, and relates to an extrusion shearing die and a forming method for realizing magnesium alloy grain refinement. The extruding and shearing die consists of a pressing block, a sleeve and an extrusion cut insert, and the semi die of the extruded and shearing insert consists of a extrusion cup, an extrusion section, a shear section, a forming section and a feeding zone. The invention overcomes the shortcomings of the existing technology for the extrusion pressure of equipment, the high requirement of the structure and strength of the die and the complex process, and provides a extrusion shearing die and forming method to effectively realize the grain refinement of the magnesium alloy. The die has simple structure, simple method, easy operation and obvious effect.

【技术实现步骤摘要】
一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具及成形方法
本专利技术涉及一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具及成形方法，属于镁合金变形技术和模具设计制造领域。
技术介绍
镁合金被誉为21世纪资源与环境可持续发展的绿色材料，已成为各国关注的焦点。由于镁合金的密排六方晶体结构，使镁合金塑性变形能力差，目前，90%以上镁合金以铸件的形式获得的。常规铸造条件下得到的镁合金强度低，在很大程度上限制了镁合金的广泛应用。与铸造镁合金相比，变形镁合金的晶粒更加细小，铸造缺陷减少，甚至消除，从而使产品的综合力学性能大幅度提高，且通过塑性变形可以生产出尺寸、规格多样的镁合金棒、管、型材、线材、板材及锻件产品，以满足不同场合对镁合金结构件使用性能的要求，对扩大镁合金应用范围具有重要的现实意义。根据Hall-Petch公式，合金强度主要和晶粒尺寸有着直接联系。近年来，在镁合金晶粒细化方面开展了一些研究，主要通过大塑性变形方法如等通道挤压、交叉轧制、异步轧制、往复挤压、大比率挤压、多向锻造和大变形热轧来使得晶粒细化，虽然这些方法对镁合金晶粒细化的作用比较明显，但这些方法工艺复杂，操作繁琐，且产品尺寸有限，不适合工业化应用。例如，等通道挤压（ECAP）是近些年备受关注的一种新型金属强塑形变形工艺，通过该方法可使镁合金获得明显的晶粒细化效果，但坯料需要经过多道次剪切才能达到较好的晶粒细化效果，且镁合金力学性能受晶粒尺寸、变形参数的影响较大，从而导致其生产效率较低和工艺复杂；此外，等通道挤压不能应用于较大尺寸型材的制备，其应用范围也受到较大的限制。《ZK60镁合金ECAP变形组织及力学性能》（2013年42卷1期）中吴宝红等发现铸态ZK60合金经2道次等通道挤压后可获得平均晶粒尺寸为20µm，其拉伸力学性能可以达到：抗拉强度250MPa，伸长率17.7%，但继续增加等通道挤压的道次，反而会造成晶粒的长大（4道次后晶粒平均晶粒尺寸为50µm）和抗拉强度的降低（242MPa）。《ECAP法制备细晶ZK60镁合金的微观组织与力学性能》（2011年6期）中何运斌等发现挤压态ZK60合金经4道次等通道挤压后可获得平均晶粒尺寸约为1-2µm，其拉伸力学性能达到最佳：抗拉强度221MPa，伸长率28.1%。但随着等通道挤压的道次增加，其晶粒细化效果不明显，合金强度提高较小，但伸长率却明显增加（35.1%）。目前，有连续转角剪切模具，其经过两次转角剪切达到充分细化晶粒的目的，其转角的角度在合金剪切变形过程中起到重要的作用，在试验条件允许的情况下，角度越小，其剪切力越大，对合金的晶粒细化程度越明显。但这种方法对设备挤压力、模具结构及强度的要求很高。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有效实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具及成形方法，该模具结构简单，方法简便，易于操作且效果明显。技术方案：本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具，包括压块、套筒和挤压剪切镶块，压块和挤压剪切镶块装配于套筒内，在压块和挤压剪切镶块之间放置坯料；挤压剪切镶块以轴线分成两个对称的半模，半模包括挤压杯、挤压段、剪切段、成形段和出料区；坯料依次经过挤压杯、挤压段、剪切段、成形段和出料区。套筒内圆半径R1为18-95mm，在套筒下端设有与挤压剪切镶块出料区对应的空槽，空槽高度L1为100-250mm，空槽宽度L2为30-50mm；套筒内侧与空槽等高处设有出模斜度β为1°-1.5°。挤压杯锥角α为85-95°，挤压段长度L2为15~40mm，挤压段圆角半径r1为10-20mm，剪切段圆角半径r2为5-15mm，成形段半径R2为5-15mm，工作带长度L3为3-5mm，出口区半径R3为成形段半径R2加1mm。一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具的挤压比R12/R22为12-40。一种实现镁合金晶粒细化的成形方法，所述成形方法包括以下步骤：步骤一：将圆柱形铸造镁合金坯料加热至300-550℃，并保温5-20小时，进行均匀化处理；步骤二：将套筒和挤压剪切镶块装配在一起，并预热至300-450℃；压块预热至200-250℃；步骤三：将均匀化处理后的坯料再次加热至300-550℃，并保温2小时后，放置于套筒内挤压剪切镶块的上方，在坯料上端放入压块进行挤压，挤压速度1.5-2.5m/min，并在套筒空槽的外端对棒材进行风冷；步骤四：挤压结束后，将套筒垫起，并在压块上方放置顶杆将压块、挤压剪切镶块和镁合金棒材从套筒下端顶出，打开挤压剪切镶块获得镁合金棒材。挤压前，在套筒内表面、压块及坯料表面和挤压剪切镶块内外表面涂抹高温润滑剂。该成形方法采用的材料为镁锌系合金。优点及效果：（1）该模具结构简单，尺寸合理，安装拆卸方便，成形方法简便，成形过程稳定，镁合金成形质量高；（2）该模具将挤压工艺与剪切工艺相结合，可在较小的挤压比下使镁合金获得较大的塑性变形，有效地细化镁合金晶粒尺寸（不大于20µm），并提高镁合金的力学性能；（3）该模具可在中小型立式液压机上实现细晶镁合金棒材的制备，通过变换套筒内径和挤压模具镶块成形段的直径，可获得不同尺寸的镁合金棒材。附图说明：图1模具装配示意图；图2套筒示意图；图3挤压剪切镶块半模示意图；图4挤压比为12的Mg-6Zn-0.5Cu-0.6Zr合金显微组织；图5挤压比为40的Mg-4Zn-1Y-0.6Zr合金显微组织。图6挤压比为25的Mg-6Zn-0.5Zr合金显微组织。附图标记说明：1、压块；2、坯料；3、套筒；4、挤压剪切镶块；5、挤压杯；6、挤压段；7、剪切段；8、成形段；9、出料区；10、空槽。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术加做进一步的说明：如图1、图2和图3所示，一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具，包括压块1、套筒3和挤压剪切镶块4，压块1和挤压剪切镶块4装配于套筒3内，在压块1和挤压剪切镶块4之间放置坯料2；挤压剪切镶块4以轴线分成两个对称的半模，半模上包括挤压杯5、挤压段6、剪切段7、成形段8和出料区9；坯料2依次经过挤压杯5、挤压段6、剪切段7、成形段8和出料区9。套筒3腔体内从上到下依次是压块1、坯料2、挤压杯5、挤压段6、剪切段7、成形段8和出料区9；其中半模垂直方向上分为挤压杯5、挤压段6和剪切段7；水平方向上分为成形段8和出料区9。一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具，套筒内圆半径R1范围是18-95mm，在套筒下端设有与挤压剪切镶块出料区对应的空槽10，空槽高度L1范围是100-250mm，空槽宽度L2范围是30-50mm；套筒内侧与空槽10等高处设有出模斜度β范围是1°-1.5°。一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具，挤压杯锥角α范围是85-95°，挤压段长度L2是15~40mm，挤压段圆角半径r1是10-20mm，剪切段圆角半径r2是5-15mm，成形段半径R2是5-15mm，工作带长度L3是3-5mm，出口区半径R3为成形段半径R2加1mm。一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具的挤压比R12/R22为12-40，即挤压比为坯料半径与成形棒材半径平方比。一种实现镁合金晶粒细化的成形方法，其特征在于：所述成形方法包括以下步骤：步骤一：将圆柱形铸造镁合金坯料加热至300-550℃，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具，包括压块（1）、套筒（3）、和挤压剪切镶块（4），其特征在于：压块（1）和挤压剪切镶块（4）装配于套筒（3）内，在压块（1）和挤压剪切镶块（4）之间放置坯料（2）；挤压剪切镶块（4）以轴线分成两个对称的半模，半模包括挤压杯（5）、挤压段（6）、剪切段（7）、成形段（8）和出料区（9）；坯料（2）依次经过挤压杯（5）、挤压段（6）、剪切段（7）、成形段（8）和出料区（9）。

【技术特征摘要】
1.一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具，包括压块（1）、套筒（3）、和挤压剪切镶块（4），其特征在于：压块（1）和挤压剪切镶块（4）装配于套筒（3）内，在压块（1）和挤压剪切镶块（4）之间放置坯料（2）；挤压剪切镶块（4）以轴线分成两个对称的半模，半模包括挤压杯（5）、挤压段（6）、剪切段（7）、成形段（8）和出料区（9）；坯料（2）依次经过挤压杯（5）、挤压段（6）、剪切段（7）、成形段（8）和出料区（9）。2.根据权利要求1所述的一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具，其特征在于：套筒内圆半径（R1）18-95mm，在套筒下端设有与挤压剪切镶块出料区对应的空槽（10），空槽高度（L1）100-250mm，空槽宽度（L2）30-50mm；套筒内侧与空槽（10）等高处设有出模斜度（β）1°-1.5°。3.根据权利要求1所述的一种实现镁合金晶粒细化的挤压剪切模具，其特征在于：挤压杯锥角（α）85-95°，挤压段长度（L2）15~40mm，挤压段圆角半径（r1）10-20mm，剪切段圆角半径（r2）5-15mm，成形段半径（R2）5-15mm，工作带长度（L3）3-5mm，出口区半径（R3）为成形段半径（R2）加1mm。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，代帅，王志，刘正，毛萍莉，王威，周乐，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21