一種鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法，采用等溫復合擠壓半連續(xù)鑄坯的精確塑性成形方法。本發(fā)明的模具并配合等溫成形加熱系統(tǒng)，成形過程中坯件一次入模，復合凸模擠壓使蜂窩狀盲孔結構件通過一道次成形，各部位的晶粒組織均勻性、性能一致性好，并實現(xiàn)其近凈成形，提高了材料利用率、尺寸精度，解決了鑄坯組織晶粒粗大，成形性能低的技術難題，實現(xiàn)復雜構件形狀尺寸與組織性能的雙重控制。
【專利說明】一種鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于鎂合金材料精密塑性成形技術，即近凈成形技術，特別是涉及一種鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的近凈成形方法。
【背景技術】
[0002]鎂合金作為最輕的金屬結構材料，具有高比強度、比剛度、易回收等特點，被譽為“21世紀綠色工程材料”，在航空航天、汽車、電子等領域有著廣泛的應用前景，由于鎂作為典型的密排六方晶體結構，在常溫下只有基面10001}三個滑移系可以發(fā)生變形，因此在室溫下塑性加工性能較差，是制約鎂合金工程化應用的關鍵因素之一。
[0003]目前，對于具有蜂窩狀盲孔結構的鎂合金零件，一般采用棒料直接機械加工成形或傳統(tǒng)擠壓成形方法。這些現(xiàn)有技術存在的具體不足和缺點如下:
[0004]1.采用棒料直接機械加工蜂窩狀盲孔結構的鎂合金零件，費工費料，材料利用率低，構件綜合使用性能不高。尺寸規(guī)格較大的鎂合金棒料主要有半連續(xù)鑄坯或變形擠壓棒料，半連續(xù)鑄坯通常存在澆注凝固過程難以避免的縮松、縮孔等鑄造缺陷，使鎂合金材料的組織不致密，且晶粒組織粗大，其強度和延伸率不高，耐腐蝕性能較差，采用機械切削加工制成的構件僅能滿足形狀要求，不能改善鑄坯材料的組織致密性；變形擠壓棒料由大型擠壓設備成形(設備噸位> 6000噸)，能耗高、材料成材率低導致材料價格貴，同時沿棒料擠壓方向形成強烈的基面織構，采用切削加工也不能改善鎂合金的晶粒組織與取向，構件各向異性大。
[0005]2.采用傳統(tǒng)的擠壓成形方法，大噸位的擠壓設備行程精度低、控制困難，同時擠壓模具在高溫條件下都存在凸模、凹模導向精度低，并通過多道次擠壓成形與加熱工序使凸模壽命短的技術難題；同時材料按照等體積準備毛坯，材料受到三向應力作用沿凸模下行反方向流動(凹模壁)，由于受力不均勻，盲孔與盲孔之間的位置不精確，且盲孔與盲孔之間的壁厚差大，后續(xù)加工過程難以找正，導致零件的合格率低；蜂窩狀大長徑比盲孔為直孔，在端面的同一圓周線上，設計凸模時拔模斜度較小，在盲孔側壁容易產生折疊或者缺肉，并且成形完成后脫模困難，脫模后盲孔相對位置偏差大。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的為克服上述傳統(tǒng)擠壓成形技術的不足，以及采用棒料直接機械切削加工性能不高、材料浪費嚴重的技術難題，提供一種適用于批量生產、性能高的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的近凈成形方法。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下措施實現(xiàn)的:
[0008]一種鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法，采用等溫復合擠壓半連續(xù)鑄坯的精確塑性成形方法。蜂窩狀盲孔結構件的盲孔深度大于160mm，直徑小于Φ 20mm，長徑比大于8，在成形過程中易導致鑄坯件受力不均勻，盲孔充形不飽滿與產生折疊，盲孔之間的孔壁壁厚差大，模具易損易裂等問題，本發(fā)明可很好的解決上述技術問題，使鑄坯件與模具間受力均勻，成形構件充型飽滿，無金屬紊流，且大幅提高模具壽命。進一步地，所述等溫復合擠壓的擠壓速率為6?8mm/s主溫度為380?440°C，實現(xiàn)近凈成形。優(yōu)選地，所述半連續(xù)鑄坯材料氫*、氧等雜質含量小于0.1%，超聲波探傷達到A級水平，進一步提聞材料的變形性性和力學性能；優(yōu)選為AZ80-RE、MB26、AM60半連續(xù)鑄坯材料。
[0009]為了消除半連續(xù)鑄坯鎂合金材料組織中嚴重的枝晶偏析和共晶組織，提高材料的變形性，上述等溫復合擠壓前還包括兩段梯度加熱保溫步驟:(I)將半連續(xù)鑄態(tài)坯件在140?160°C保溫30?60min，將水基石墨潤滑劑噴涂在坯件表面，減輕鑄態(tài)坯件加熱過程中表面氧化，同時成形過程中潤滑劑降低鑄態(tài)坯件與模具之間摩擦系數(shù)，提高成形過程中金屬流動性，延長模具壽命；(2)進一步升溫至380?440°C，保溫20?24具，消除鑄態(tài)坯件中枝晶偏析、共晶組織等成分不均，并使鎂合金材料棱柱面、錐面滑移系開動，提高變形性。
[0010]為了避免重新加熱固溶處理導致細晶粒的快速長達，形成粗大的晶粒組織，上述等溫復合擠壓后直接進行人工時效處理，人工時效溫度170?200°C，保溫12h以上。人工時效處理后冷卻，冷卻方式為水冷、風冷或空冷。進一步時效析出強化，提高鎂合金構件的力學性能，以及構件的尺寸穩(wěn)定性。
[0011]具體的，上述鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法，包括以下步驟；
[0012](I)鎂合金鑄態(tài)坯件的下料準備:首先計算蜂窩狀盲孔結構件的成形體積，并考慮鑄坯外表面I?2mm的車削加工余量，將AZ80-RE、MB26或AM60半連續(xù)鑄坯材料坯鋸切下料；
[0013](2)兩段梯度加熱保溫:將鎂合金鑄態(tài)坯件置于加熱爐中，進行兩段梯度加熱保溫處理:①在140?160°C保溫30?60min，在鎂合金坯件表面涂抹水基石墨潤滑劑，采用噴涂方式涂抹升溫至380?440°C，保溫20?24具，使鎂合金坯件熱透，心部與表面溫
度一致；
[0014](3)等溫復合擠壓的近凈成形:將坯件放入復合擠壓模具系統(tǒng)凹模中近凈成形，擠壓速率為6?8mm/s，復合擠壓模具的溫度控制在380?400°C，通過一道次復合擠壓成形獲得蜂窩狀盲孔結構件，成形過程如圖3所示；
[0015](4)時效處理:將步驟(3)獲得的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件放入時效熱處理爐中，時效工藝為保溫溫度170?200°C、保溫時間12?20具。
[0016]鎂合金蜂窩狀盲孔結構件三維造型圖如圖1所示，中心大盲孔圓心與圓周8個等分小盲孔圓心在同一直徑線上。
[0017]上述鎂合金蜂窩狀盲孔結構件制備方法中所采用的近凈成形模具，包括凸模部分和凹模部分；上述的凸模部分包括大凸模10、小凸模9和凸模套8,大凸模10和小凸模9固定于凸模套8。為了提高模具的使用壽命，并提供生產效率和尺寸精度，上述凸模部分還包括凸模套8、凸模墊板7、上模板4,凸模墊板7設置于凸模套8與上模板4之間，凸模墊板7和凸模套8將大凸模10和小凸模9卡夾于凸模套8內。大凸模10、小凸模9壓裝于凸模套8內，由凸模墊板7壓緊，凸模部分設計成鑲拼組合式結構，可以自由卸載，如果某個小凸模9和大凸模10磨損、疲勞斷裂破壞，可以單獨更換小凸模9和大凸模10，可以節(jié)省凸模部分加工費用，具有模具維修時間短、生產效率高等特點。大凸模10、小凸模9、凸模套8與凸模墊板7、上模板4通過螺栓連接；上模板4與油壓機通過螺栓和定位銷連接。
[0018]上述凹模部分包括凹模12、模墊13、頂料桿16，模墊13設置于凹模12內底部，頂料桿16設置于模墊13下端與之相配合。優(yōu)選地，凹模部分還包括設置于凹模12下端的模座17，設置于模座17下端的上墊板15，設置于上墊板15下端的下模板14，頂料桿16貫通上墊板15、上墊板15和下模板14。模墊13與鎂合金蜂窩狀盲孔結構件底端形狀配合，并保證尺寸精度；下模板14與上墊板15通過螺栓連接，下模板14與油壓機之間通過螺栓連接。凸模部分與凹模部分的型腔相對應，合模后形成鎂合金結構件上的蜂窩狀盲孔。
[0019]為了保證凸模與凹模之間的對中，以及蜂窩盲孔與端面的相對位置精度，上述鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的近凈成形模具，在凹模?？谠O有單獨的?？趯χ袑蜓b置。所述的導向部分由導向支柱21、導向柱凸臺20、導向柱固定板19、限位套18、導向套6、導向套固定板5組成，導向支柱21、導向套6之間的配合間隙為單邊0.25mm,在導向支柱21上設置限位套18;在導向支柱21、導向套6上分別設計有導向柱凸臺20、導向套凸臺22，導向套固定板5扣住導向套凸臺22,導向柱固定板19扣住導向柱凸臺；在導向支柱21、導向套6之間設置限位套18。
[0020]上述成形模具為如圖2所示。
[0021]有益效果
[0022]1.本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，在同樣的設備條件下，對于鎂合金蜂窩狀盲孔結構件，采用了由大凸模、小凸模組成的鑲拼組合式凸模系統(tǒng)，并配合等溫成形加熱系統(tǒng)，成形過程中坯件一次入模，復合凸模擠壓使蜂窩狀盲孔結構件通過一道次成形，各部位的晶粒組織均勻性、性能一致性好，并實現(xiàn)其近凈成形，提高了材料利用率、尺寸精度，如圖4所示；解決了鑄坯組織晶粒粗大，成形性能低的技術難題，實現(xiàn)復雜構件形狀尺寸與組織性能的雙重控制。
[0023]2.本發(fā)明得到的蜂窩狀盲孔結構件心部與外表面的組織結構平均晶粒尺寸在30 μ m左右，室溫抗拉強度大于320MPa，斷后伸長率大于8%，晶粒尺寸得到明顯細化，同時組織均勻性能好，能顯著提高構件的力學性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1本發(fā)明制得的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件三維圖(左側為主視圖，右側為剖視圖)；
[0025]圖2本發(fā)明等溫復合擠壓成形模具主視剖視圖；
[0026]圖3本發(fā)明等溫復合擠壓成形過程模擬圖(隨著復合凸模下行，鑄態(tài)坯件在凸模和凹模的三向應力作用下，鎂合金鑄態(tài)坯件充滿模具型腔成形出蜂窩狀盲孔結構件，復合凸模下行不通下壓量的成形過程)；
[0027]圖4本發(fā)明制得的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件零件圖；
[0028]圖5半連續(xù)鑄坯金相組織圖譜(平均晶粒尺寸250 μ m)；
[0029]圖6典型構件的不同部位組織結構(左側為心部組織，右側為邊部組織)。
【具體實施方式】
[0030]下面結合實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步的描述，并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。
[0031]實施例1[0032]—種鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法
[0033]采用本發(fā)明設計的近凈成形模具系統(tǒng)，以AZ80-RE鎂合金半連續(xù)鑄坯材料為例，進行蜂窩狀盲孔結構件的近凈成形，具體步驟如下:
[0034](I)鎂合金鑄態(tài)坯件下料準備:首先計算蜂窩狀盲孔結構件的成形體積，并考慮鑄坯外表面l_2mm的車削加工余量，將直徑為Φ 160mm的AZ80-RE半連續(xù)鑄坯鋸切下料，將還件表面車削加工成Φ 156mmX220mm。
[0035](2)鎂合金坯件加熱保溫:將AZ80-RE鎂合金鑄態(tài)坯件置于加熱爐中，進行兩段梯度加熱保溫處理:①在150°C保溫30min，在鎂合金坯件表面涂抹水基石墨潤滑劑，采用噴涂方式涂抹；②在380°C保溫20具，使鎂合金坯件熱透，心部與表面溫度一致。通過均勻化熱處理以消除鑄態(tài)鎂合金組織中嚴重的枝晶偏析和共晶組織，提高材料的變形性。
[0036](3)等溫復合擠壓的近凈成形:將均勻化熱處理好的坯件放入復合擠壓模具系統(tǒng)凹模中，通過對擠壓速率、變形溫度等工藝參數(shù)進行窄規(guī)格控制，實現(xiàn)鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的近凈成形；擠壓速率為6mm/s，復合擠壓模具的溫度控制在380°C，通過一道次復合擠壓成形獲得蜂窩狀盲孔結構件，成形過程如圖3所示。
[0037](4)人工時效處理:將步驟(3)獲得的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件放入時效熱處理爐中，(180±5)°C保溫12具進行人工時效處理。然后進行空氣冷卻。
[0038]AZ80-RE鎂合金半連續(xù)鑄坯組織結構如圖5所示，平均晶粒尺寸約為250 μ m,室溫抗拉強度為200MPa，斷后伸長率為6% ;采用本發(fā)明近凈成形方法后，蜂窩狀盲孔結構件心部與外表面的組織結構如圖6所示，平均晶粒尺寸約為30 μ m，室溫抗拉強度330MPa，斷后伸長率為10%，晶粒尺寸得到明顯細化，同時組織均勻性能好，能顯著提高構件的力學性能。
[0039]實施例2
[0040]采用本發(fā)明設計的近凈成形模具系統(tǒng)，以MB26鎂合金半連續(xù)鑄坯材料為例，進行蜂窩狀盲孔結構件的近凈成形，具體步驟如下:
[0041](I)鎂合金鑄坯下料準備:首先計算蜂窩狀盲孔結構件的成形體積，并考慮鑄坯外表面l_2mm的車削加工余量，將直徑為Φ 160mm的MB26半連續(xù)鑄坯鋸切下料，將坯件表面車削加工成Φ 156mmX220mm。
[0042](2)鎂合金坯件加熱保溫:將MB26鎂合金鑄態(tài)坯件置于加熱爐中，進行兩段梯度加熱保溫處理:①在150°C保溫30min，在鎂合金坯件表面涂抹水基石墨潤滑劑，采用噴涂方式涂抹；②在440°C保溫24具，使鎂合金坯件熱透，心部與表面溫度一致。通過均勻化熱處理以消除鑄態(tài)鎂合金組織中嚴重的枝晶偏析和共晶組織，提高材料的變形性。
[0043](3)等溫復合擠壓的近凈成形:將均勻化熱處理好的坯件放入復合擠壓模具系統(tǒng)凹模中，通過對擠壓速率、變形溫度等工藝參數(shù)進行窄規(guī)格控制，實現(xiàn)鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的近凈成形；擠壓速率為8mm/s，復合擠壓模具的溫度控制在400°C，通過一道次復合擠壓成形獲得蜂窩狀盲孔結構件，成形過程如圖3所示。
[0044](4)人工時效處理:將步驟(3)獲得的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件放入時效熱處理爐中，(190±5) °C保溫20具進行人工時效處理。然后進行風冷卻或水冷卻。
[0045]采用本發(fā)明近凈成形方法后，平均晶粒尺寸約為20μπι，室溫抗拉強度大于350MPa,斷后伸長率為12%，晶粒尺寸得到明顯細化，同時組織均勻性能好，能顯著提高構件的力學性能。[0046]實施例3
[0047]采用本發(fā)明設計的近凈成形模具系統(tǒng)，以AM60鎂合金半連續(xù)鑄坯材料為例，進行蜂窩狀盲孔結構件的近凈成形，具體步驟如下:
[0048](I)鎂合金鑄坯下料準備:首先計算蜂窩狀盲孔結構件的成形體積，并考慮鑄坯外表面l_2mm的車削加工余量，將直徑為Φ 160mm的AM60半連續(xù)鑄坯鋸切下料，將坯件表面車削加工成Φ 156mmX220mm。
[0049](2)鎂合金坯件加熱保溫:將AM60鎂合金鑄態(tài)坯件置于加熱爐中，進行兩段梯度加熱保溫處理:①在150°C保溫30min，在鎂合金坯件表面涂抹水基石墨潤滑劑，采用噴涂方式涂抹；②在420°C保溫22具，使鎂合金坯件熱透，心部與表面溫度一致。通過均勻化熱處理以消除鑄態(tài)鎂合金組織中嚴重的枝晶偏析和共晶組織，提高材料的變形性。
[0050](3)等溫復合擠壓的近凈成形:將均勻化熱處理好的坯件放入復合擠壓模具系統(tǒng)凹模中，通過對擠壓速率、變形溫度等工藝參數(shù)進行窄規(guī)格控制，實現(xiàn)鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的近凈成形；擠壓速率為7mm/s，復合擠壓模具的溫度控制在400°C，通過一道次復合擠壓成形獲得蜂窩狀盲孔結構件，成形過程如圖3所示。
[0051](4)人工時效處理:將步驟(3)獲得的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件放入時效熱處理爐中，(180±5)°C保溫14具進行人工時效處理。然后進行空氣冷卻。
[0052]采用本發(fā)明近凈成形方法后，平均晶粒尺寸約為35μπι，室溫抗拉強度大于320MPa,斷后伸長率為8%，晶粒尺寸得到明顯細化，同時組織均勻性能好，能顯著提高構件的力學性能。
【權利要求】
1.一種鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法，采用等溫復合擠壓半連續(xù)鑄坯的精確塑性成形。
2.如權利要求1所述的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法，等溫復合擠壓的擠壓速率為6?8mm/s，溫度為380?440°C。
3.如權利要求1或2所述的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法，所述半連續(xù)鑄坯材料氫、氧等雜質含量小于0.1%，超聲波探傷達到A級水平；優(yōu)選為AZ80-RE，MB26或AM60半連續(xù)鑄坯材料。
4.如權利要求1、2或3所述的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法，所述等溫復合擠壓前還包括兩段梯度加熱保溫步驟:(I)將半連續(xù)鑄態(tài)坯件在140?160°C保溫30?60min，將水基石墨潤滑劑噴涂在坯件表面；(2)升溫至380?440°C，保溫20?24h。
5.如權利要求1?4任一所述的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法，所述等溫復合擠壓后直接進行人工時效處理，人工時效溫度170?200°C，保溫12h以上后；人工時效處理后冷卻，冷卻方式為水冷、風冷或空冷。
6.如權利要求1所述的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法，包括以下步驟: (1)鎂合金鑄坯下料準備:首先計算蜂窩狀盲孔結構件的成形體積，并考慮鑄坯外表面I?2mm的車削加工余量，將AZ80-RE、MB26或AM60半連續(xù)鑄坯材料坯鋸切下料； (2)兩段梯度加熱保溫:將鎂合金鑄態(tài)坯件置于加熱爐中，進行兩段梯度加熱保溫處理:①在140?160°C保溫30?60min，在鎂合金坯件表面涂抹水基石墨潤滑劑，采用噴涂方式涂抹升溫至380?440°C，保溫20?24h，使鎂合金坯件熱透，心部與表面溫度一致； (3)等溫復合擠壓的近凈成形:將坯件放入復合擠壓模具系統(tǒng)凹模中近凈成形，擠壓速率為6?8mm/s，復合擠壓模具的溫度控制在380?400°C，通過一道次復合擠壓成形獲得蜂窩狀盲孔結構件； (4)時效處理:將步驟(3)獲得的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件放入時效熱處理爐中，在(180 ?190) ±5°C保溫 12 ?20h。
7.如權利要求1?6任一所述的鎂合金蜂窩狀盲孔結構件的制備方法使用的模具，包括凸模部分和凹模部分；所述的凸模部分包括大凸模10、小凸模9和凸模套8,大凸模10和小凸模9固定于凸模套8 ;所述凹模部分包括凹模12、模墊13、頂料桿16,模墊13設置于凹模12內底部，頂料桿16設置于模墊13下端與模墊13相連。
8.如權利要求7所述的模具，所述凸模部分還包括凸模套8、凸模墊板7、上模板4，凸模墊板7設置于凸模套8與上模板4之間，凸模墊板7和凸模套8將大凸模10和小凸模9卡夾于凸模套8內。
9.如權利要求7或8所述的模具，所述凹模部分還包括設置于凹模12下端的模座17，設置于模座17下端的上墊板15，設置于上墊板15下端的下模板14，頂料桿16貫通上墊板15、上墊板15和下模板14。
【文檔編號】B21C23/00GK103753150SQ201410039027
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月27日 優(yōu)先權日:2014年1月27日
【發(fā)明者】李建平 申請人:重慶電子工程職業(yè)學院