本發明涉及一種制備超細晶鎂合金管材的往復擠壓加工方法,屬于有色金屬塑性加工與增強力學性能的技術領域。

背景技術：

鎂的密度為1.74g/cm³，只有鋁的2/3、鋼的1/4，是目前最輕的金屬結構材料，由其制成的鎂合金具有密度低、比強度高、電磁屏蔽性能好等優點，鎂及鎂合金是世界公認的當今最具發展潛力的綠色工程金屬材料，其在航空航天、汽車工業、電子工業等領域具有廣泛的應用前景。然而，鎂的強度低、耐腐蝕性能差，這在很大程度上限制了鎂及鎂合金的廣泛應用。

為了制備超細晶鎂合金，以增強其力學性能及耐腐蝕性能從而擴大其應用范圍，目前常利用劇烈塑性變形技術。金屬材料經劇烈塑性變形之后其晶粒組織可有效地被細化，從而獲得亞微米級、納米級的晶粒尺寸，力學性能及耐腐蝕性能大幅度提高。目前常見的劇烈塑性變形技術有等徑角擠壓、高壓扭轉、累積疊軋等，通過這些技術可以獲得具有細小晶粒組織的金屬材料，具有重要的應用價值，然而這些技術仍然存在著技術上的缺陷與弊端，而且這些技術僅能制備塊體材料，無法滿足日益增加的對超細晶鎂合金管材的需求。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有背景技術情況，在臥式液壓往復擠壓機上，在模具型腔內、加熱狀態下對鎂合金管材進行往復擠壓加工，鎂合金管材在往復擠壓過程中內徑與外徑發生變化，產生連續的等截面轉角變形，通過連續往復擠壓累積變形使鎂合金管材經受劇烈塑性變形，使晶粒組織細化、致密，以獲得具有增強力學性能的超細鎂合金管材，擴展鎂合金的使用范圍與應用領域。

為達到上述目的，本發明一種制備超細晶鎂合金管材的往復擠壓加工方法采用如下技術方案：

（1）精選材料、化學試劑

對所使用的材料與化學試劑進行精選，并進行質量純度控制：

鎂合金管材坯料：固態固體，含鎂量為90%及以上；

無水乙醇：液態液體，99.7%；

丙酮：液態液體，99.0%；

砂紙：固態固體；

高溫石墨：固態粉末。

（2）預處理鎂合金管材坯料

①使用500目砂紙對鎂合金管材坯料的內、外表面進行打磨，清除油污、氧化層等，然后使用1500目砂紙打磨鎂合金管材坯料的內、外表面，使內、外表面清潔、光滑；

②稱取體積比為1：1的無水乙醇溶液與丙酮溶液，并將其倒入玻璃清洗槽內，用玻璃棒攪拌使兩種溶液混合均勻，配制成無水乙醇＋丙酮混合液；

③將裝有無水乙醇＋丙酮混合液的玻璃清洗槽放入超聲波清洗機內，把經打磨的鎂合金管材坯料置入清洗槽內的混合液中，并確保坯料被完全浸沒，打開超聲波清洗機進行超聲波震動清洗，清洗時間為0.5-5小時；

④將洗滌后鎂合金管材坯料取出，并放在干燥架上，用吹風機將鎂合金管材坯料的內、外表面吹干。

（3）預熱鎂合金管材坯料

鎂合金管材坯料置于通入氬氣的加熱爐中進行預熱，預熱溫度為200℃至500℃，預熱時間為0.5-5小時。

（4）往復擠壓鎂合金管材坯料

鎂合金管材坯料的往復擠壓加工是在臥式液壓往復擠壓機上進行的，是在加熱的擠壓凹模內、固定擠壓凸模與左、右擠壓環的作用下完成的；

①制備往復擠壓模具

擠壓凹模用cr12mov材料制備，橫截面呈環形，模腔內設置有兩個階梯臺階，模腔內表面光滑，模腔內表面粗糙度為ra0.08-0.32μm；

固定擠壓凸模用3cr2w8v材料制備，橫截面呈圓形，固定擠壓凸模表面粗糙度為ra0.08-0.32μm；固定擠壓凸模與擠壓凹模之間形成擠壓通道，固定擠壓凸模的兩個階梯臺階與擠壓凹模的兩個階梯臺階之間形成左、右剪切臺階；

左、右擠壓環用3cr2w8v材料制備，橫截面呈圓環形，壁厚為2mm，左、右擠壓環表面粗糙度為ra0.08-0.32μm；

②固定往復擠壓模具

將連接好的往復擠壓模具安裝于臥式液壓往復擠壓機的左、右模具固定支架內，并置于加熱套內，在擠壓凹模模腔內表面、固定擠壓凸模表面與左、右擠壓環表面涂抹高溫石墨以潤滑，將左、右擠壓環伸入擠壓凹模模腔內，安裝牢固，連接關系正確，按序操作；

③開啟加熱套，對往復擠壓模具進行加熱，加熱溫度為200-500℃，保溫0.5-5小時；

④置放鎂合金管材坯料

在預熱后的鎂合金管材坯料表面涂抹高溫石墨以潤滑，退出左、右擠壓環，將鎂合金管材坯料置于擠壓凹模內，并與固定擠壓凸模和擠壓凹模之間的左剪切臺階接觸，將左、右擠壓環伸入擠壓凹模模腔內，接觸鎂合金管材坯料；

再次進行保溫，保溫時間為0.5-5小時；

⑤開啟左擠壓環調控器，使左擠壓環下行，以左擠壓環為主壓，擠壓壓強為600mpa，對預先置于擠壓凹模模腔內的鎂合金管材坯料進行擠壓，鎂合金管材坯料在左擠壓環的作用下向右流動，并在固定擠壓凸模與擠壓凹模之間的左剪切臺階處產生一次等截面轉角擠壓變形，鎂合金管材坯料的直徑逐漸變大，晶粒組織因受轉角擠壓剪切變形而被細化；在左擠壓環為主壓的作用下，鎂合金管材坯料繼續向右流動，在固定擠壓凸模與擠壓凹模之間的右剪切臺階處產生第二次等截面轉角擠壓變形，鎂合金管材坯料的直徑再次變大，晶粒組織再次被細化；當鎂合金管材坯料接觸到右擠壓環時，右擠壓環調控器自動開啟，使右擠壓環對鎂合金管材坯料施加背壓，擠壓壓強為100mpa；當左擠壓環行至左剪切臺階時，左擠壓環調控器與右擠壓環調控器自動變換，主壓與背壓發生變換，此時右擠壓環的擠壓壓強為600mpa，左擠壓環的擠壓壓強為100mpa；鎂合金管材坯料在右擠壓環為主壓、左擠壓環為背壓的作用下向左流動，鎂合金管材坯料在右剪切臺階處產生第三次等截面轉角擠壓變形，在左剪切臺階處產生第四次等截面轉角擠壓變形，晶粒組織持續被細化；鎂合金管材坯料的直徑從大變小，恢復到原始尺寸，當右擠壓環行至右剪切臺階處時，完成一道次往復反擠壓變形；循環往復擠壓變形若干次，實現對鎂合金管材坯料的往復連續擠壓加工，晶粒組織被細化，力學性能有效提高，從而獲得超細晶鎂合金管材；

⑥連續循環往復擠壓加工若干次后，實現對鎂合金管材坯料的連續往復擠壓變形；

⑦往復擠壓變形完成后，關閉左、右擠壓環調控器與加熱套，使鎂合金管材在往復擠壓模具內靜置兩分鐘；

⑧退出左、右擠壓環，取出往復擠壓后的超細晶鎂合金管材，在空氣中冷卻至室溫。

（5）打磨、潔凈處理

切除往復擠壓后的超細晶鎂合金管材的廢料，并用砂紙對管材表面進行打磨，然后將其置入體積比為1：1的無水乙醇與丙酮的混合液中，通過超聲波震動對其進行洗滌，使其潔凈，最后用吹風機吹干。

結論：利用新型往復擠壓加工方法，通過4道次往復擠壓加工后鎂合金管材的晶粒組織更加均勻、致密，平均晶粒尺寸被細化到670nm，力學性能有效提高。

本發明的有益效果：本發明相對于背景技術具有明顯的先進性，是針對鎂合金管材組織粗大、不均勻與力學性能較差的情況，采用新型的往復擠壓加工方法使鎂合金管材在往復擠壓過程中內徑與外徑發生變化，產生連續的等截面轉角變形，循環往復引入劇烈塑性變形，有效細化晶粒組織并使組織更加均勻，提高力學性能。本發明制備超細晶鎂合金管材的往復擠壓加工方法工藝簡單、效率高、成本低且易于實現，應用前景廣泛，是十分理想的制備超細晶鎂合金管材的往復擠壓加工方法。

附圖說明

圖1為本發明中超細晶鎂合金管材的往復擠壓狀態圖。

圖2為擠壓模具的剖面示意圖。

圖3為圖2中a-a向的剖面示意圖。

圖4為圖2中b-b向的剖面示意圖。

圖中所示，附圖標記清單如下：

1.臥式液壓往復擠壓機，2.電子顯示屏，3.液壓機底座，4.電源開關，5.加熱套控制開關，6.緊急停止開關，7.信號指示燈，8.左液壓泵站底座，9.右液壓泵站底座，10.左液壓泵站，11.右液壓泵站，12.左液壓管路，13.右液壓管路，14.左液壓伸縮腔，15.右液壓伸縮腔，16.左擠壓環調控器，17.右擠壓環調控器，18.左擠壓環，19.右擠壓環，20.左模具固定支架，21.右模具固定支架，22.加熱套，23.擠壓凹模，24.鎂合金管材坯料，25.固定擠壓凸模，26.左剪切臺階，27.右剪切臺階，28.擠壓通道。

具體實施方式

一種制備超細晶鎂合金管材的往復反擠壓加工方法，采用如下步驟：

（1）精選材料、化學試劑

對所使用的材料與化學試劑進行精選，并進行質量純度控制：

鎂合金管材坯料：固態固體，含鎂量為90%及以上；

無水乙醇：液態液體，99.7%；

丙酮：液態液體，99.0%；

砂紙：固態固體；

高溫石墨：固態粉末。

（2）預處理鎂合金管材坯料

①使用500目砂紙對鎂合金管材坯料24的內、外表面進行打磨，清除油污、氧化層等，然后使用1500目砂紙打磨管材坯料的內、外表面，使內、外表面清潔、光滑；

②稱取體積比為1：1的無水乙醇溶液與丙酮溶液，并將其倒入玻璃清洗槽內，用玻璃棒攪拌使兩種溶液混合均勻，配制成無水乙醇＋丙酮混合液；

③將裝有無水乙醇＋丙酮混合液的玻璃清洗槽放入超聲波清洗機內，把經打磨的鎂合金管材坯料24置入清洗槽內的混合液中，并確保坯料被完全浸沒，打開超聲波清洗機進行超聲波震動清洗，清洗時間為0.5-5小時；

④將洗滌后鎂合金管材坯料24取出，并放在干燥架上，用吹風機將鎂合金管材坯料24的內、外表面吹干。

（3）預熱鎂合金管材坯料

鎂合金管材坯料24置于通入氬氣的加熱爐中進行預熱，預熱溫度為200℃至500℃，預熱時間為0.5-5小時。

（4）往復擠壓鎂合金管材坯料

鎂合金管材坯料24的往復擠壓加工是在臥式液壓往復擠壓機1上進行的，是在加熱的擠壓凹模23內、固定擠壓凸模25與左、右擠壓環18、19的作用下完成的；

①制備往復擠壓模具

擠壓凹模23用cr12mov材料制備，橫截面呈環形，模腔內設置有兩個階梯臺階，模腔內表面光滑，模腔內表面粗糙度為ra0.08-0.32μm；

固定擠壓凸模25用3cr2w8v材料制備，橫截面呈圓形，固定擠壓凸模25表面粗糙度為ra0.08-0.32μm；固定擠壓凸模25與擠壓凹模23之間形成擠壓通道28，固定擠壓凸模25的兩個階梯臺階與擠壓凹模23的兩個階梯臺階之間形成左、右剪切臺階26、27；

左、右擠壓環18、19用3cr2w8v材料制備，橫截面呈圓環形，壁厚為2mm，左、右擠壓環18、19表面粗糙度為ra0.08-0.32μm；

②固定往復擠壓模具

將連接好的擠壓模具安裝于臥式液壓往復擠壓機1的左、右模具固定支架20、21內，并置于加熱套22內，在擠壓凹模23模腔內表面、固定擠壓凸模25表面與左、右擠壓環18、19表面涂抹高溫石墨以潤滑，將左、右擠壓環18、19伸入擠壓凹模23模腔內，安裝牢固，連接關系正確，按序操作；

③開啟加熱套22，對往復擠壓模具進行加熱，加熱溫度為200-500℃，保溫0.5-5小時；

④置放鎂合金管材坯料

在預熱后的鎂合金管材坯料24表面涂抹高溫石墨以潤滑，退出左、右擠壓環18、19，將鎂合金管材坯料24置于擠壓凹模23內，并與固定擠壓凸模25和擠壓凹模23之間的左剪切臺階26接觸，將左、右擠壓環18、19伸入擠壓凹模23模腔內，接觸鎂合金管材坯料24；

再次進行保溫，保溫時間為0.5-5小時；

⑤開啟左擠壓環調控器16，使左擠壓環18下行，以左擠壓環18為主壓，擠壓壓強為600mpa，對預先置于擠壓凹模23模腔內的鎂合金管材坯料24進行擠壓，鎂合金管材坯料24在左擠壓環18的作用下向右流動，并在固定擠壓凸模25與擠壓凹模23之間的左剪切臺階26處產生一次等截面轉角擠壓變形，鎂合金管材坯料24的直徑逐漸變大，晶粒組織因受轉角擠壓剪切變形而被細化；在左擠壓環18為主壓的作用下，鎂合金管材坯料24繼續向右流動，在固定擠壓凸模25與擠壓凹模23之間的右剪切臺階27處產生第二次等截面轉角擠壓變形，鎂合金管材坯料24的直徑再次變大，晶粒組織再次被細化；當鎂合金管材坯料24接觸到右擠壓環19時，右擠壓環調控器17自動開啟，使右擠壓環19對鎂合金管材坯料24施加背壓，擠壓壓強為100mpa；當左擠壓環18行至左剪切臺階26時，左擠壓環調控器16與右擠壓環調控器17自動變換，主壓與背壓發生變換，此時右擠壓環19的擠壓壓強為600mpa，左擠壓環18的擠壓壓強為100mpa；鎂合金管材坯料24在右擠壓環19為主壓、左擠壓環18為背壓的作用下向左流動，鎂合金管材坯料24在右剪切臺階27處產生第三次等截面轉角擠壓變形，在左剪切臺階26處產生第四次等截面轉角擠壓變形，晶粒組織持續被細化；鎂合金管材坯料24的直徑從大變小，恢復到原始尺寸，當右擠壓環19行至右剪切臺階27處時，完成一道次往復反擠壓變形。循環往復擠壓變形若干次，實現對鎂合金管材坯料24的往復連續擠壓加工，晶粒組織被細化，力學性能有效提高，從而獲得超細晶鎂合金管材；

⑥連續循環往復擠壓加工若干次后，實現對鎂合金管材坯料24的連續往復擠壓變形；

⑦往復擠壓變形完成后，關閉左、右擠壓環調控器16、17與加熱套22，使超細晶鎂合金管材在往復擠壓模具內靜置兩分鐘；

⑧退出左、右擠壓環18、19，取出往復擠壓后的超細晶鎂合金管材，在空氣中冷卻至室溫。

（5）打磨、潔凈處理

切除往復擠壓后的超細晶鎂合金管材的廢料，并用砂紙對管材表面進行打磨，然后將其置入體積比為1：1的無水乙醇與丙酮的混合液中，通過超聲波震動對其進行洗滌，使其潔凈，最后用吹風機吹干。

以下結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明：

圖1所示，本發明中制備超細晶鎂合金管材的往復擠壓狀態圖，不同部件位置、連接關系要正確，安裝牢固，按序操作。

超細晶鎂合金管材的往復擠壓加工是在臥式液壓往復擠壓機1上進行的，是在擠壓凹模23內、在加熱、在左擠壓環18、右擠壓環19與固定擠壓凸模25的作用下完成的；

臥式液壓往復擠壓機1包括液壓機底座3，在臥式液壓往復擠壓機1的控制面板上設置有電子顯示屏2、電源開關4、加熱套控制開關5、緊急停止開關6、信號指示燈7、左擠壓環調控器16、右擠壓環調控器17；在臥式液壓往復擠壓機1的上部設置有左模具固定支架20、右模具固定支架21，在左、右模具固定支架20、21之間放置擠壓凹模23，擠壓凹模23外圍安裝有加熱套22，擠壓凹模23的模腔內設置有固定擠壓凸模25；擠壓凹模23和固定擠壓凸模25之間放置鎂合金管材坯料24，鎂合金管材坯料24左部接觸左擠壓環18，左擠壓環18與左液壓伸縮腔14相連接，左液壓伸縮腔14通過左液壓管路12與左液壓泵站10相連接，左液壓泵站10放置在左液壓泵站底座8上；鎂合金管材坯料24右部接觸右擠壓環19，右擠壓環19與右液壓伸縮腔15相連接，右液壓伸縮腔15通過右液壓管路13與右液壓泵站11相連接，右液壓泵站11放置在右液壓泵站底座9上；左、右擠壓環18、19按預設程序做往復擠壓運動，完成對鎂合金管材坯料24的往復擠壓變形。

圖2所示，為擠壓通道的剖面示意圖，擠壓凹模23的階梯臺階與固定擠壓凸模25階梯臺階之間形成左剪切平臺26與右剪切平臺27，擠壓凹模23與固定擠壓凸模25之間形成擠壓通道28。

圖3、4所示，分別為圖2中a-a、b-b向的剖面示意圖，擠壓凹模23與固定擠壓凸模25之間形成的擠壓通道28橫截面呈圓環形。

本發明通過往復擠壓加工制備增強型鎂合金管材的原理是：

開啟左擠壓環調控器12，使左擠壓環18下行，以左擠壓環18為主壓，擠壓壓強為600mpa，對預先置于擠壓凹模23模腔內的鎂合金管材坯料24進行擠壓，鎂合金管材坯料24在左擠壓環18的作用下向右流動，并在固定擠壓凸模25與擠壓凹模23之間的左剪切臺階26處產生一次等截面轉角擠壓變形，鎂合金管材坯料24的直徑逐漸變大，晶粒組織因受轉角擠壓剪切變形而被細化；在左擠壓環18為主壓的作用下，鎂合金管材坯料24繼續向右流動，在固定擠壓凸模25與擠壓凹模23之間的右剪切臺階27處產生第二次等截面轉角擠壓變形，鎂合金管材坯料24的直徑再次變大，晶粒組織再次被細化；當鎂合金管材坯料24接觸到右擠壓環19時，右擠壓環調控器17自動開啟，使右擠壓環19對鎂合金管材坯料24施加背壓，擠壓壓強為100mpa；當左擠壓環18行至左剪切臺階26時，左擠壓環調控器16與右擠壓環調控器17自動變換，主壓與背壓發生變換，此時右擠壓環19的擠壓壓強為600mpa，左擠壓環18的擠壓壓強為100mpa；鎂合金管材坯料24在右擠壓環19為主壓、左擠壓環18為背壓的作用下向左流動，鎂合金管材坯料24在右剪切臺階27處產生第三次等截面轉角擠壓變形，在左剪切臺階26處產生第四次等截面轉角擠壓變形，晶粒組織持續被細化；鎂合金管材坯料24的直徑從大變小，恢復到原始尺寸，當右擠壓環19行至右剪切臺階27處時，完成一道次往復反擠壓變形。循環往復擠壓變形若干次，實現對鎂合金管材坯料24的往復連續擠壓加工，晶粒組織被細化，力學性能有效提高，從而獲得超細晶鎂合金管材。