石 磊，徐國(guó)輝，任 暢，金文中，王玉江，王利劍

（1.洛陽(yáng)理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471023；2.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安710072）

動(dòng)態(tài)流量控制法擠出鎂合金三維彎曲管件

石 磊1，2，徐國(guó)輝1，任 暢2，金文中1，王玉江1，王利劍1

（1.洛陽(yáng)理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471023；2.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安710072）

為了開發(fā)新的彎管件加工工藝，提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)整傳統(tǒng)分流擠壓模具中分流孔內(nèi)金屬流量（dynamic flow con?trol extrusion，DFCE）的擠壓變形方法.在帶有輔助調(diào)控?cái)D壓桿的630 T臥式擠壓機(jī)上擠出鎂合金彎管件，采用OM、SEM、TEM、拉伸試驗(yàn)等方法，研究了DFCE制造的鎂合金彎管件的晶粒細(xì)化方式、微觀組織結(jié)構(gòu)和性能.結(jié)果表明：在變形溫度450℃、直管擠壓速度3 mm/s、彎管擠壓速度1.5 mm/s、輔助調(diào)控?cái)D壓桿速度30 mm/s時(shí)，成功擠出變形均勻的彎管件；擠壓后的直管部分和彎管部分的晶粒尺寸分別為7.9和12.8 μm，且合金晶粒大小均勻；彎管部分室溫拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別由217和124 MPa提高到296和179 MPa，延伸率由12.9%提高到26.2%.DFCE擠壓變形可以顯著細(xì)化AZ91鎂合金晶粒，其擠壓過(guò)程中晶粒細(xì)化機(jī)制為位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，機(jī)械性能較鑄態(tài)大幅度提高，坯料和擠出合金的拉伸斷口分別呈現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂和韌窩斷裂的特征.

流量控制；鎂合金；動(dòng)態(tài)；三維彎管；分流擠壓

由于彎管零件容易滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)化等方面的要求，在航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，除大量應(yīng)用于氣體、液體的輸送管路外，也廣泛用作金屬結(jié)構(gòu)件，以滿足零件對(duì)空間和體積的需要.隨著航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)彎管的需求越來(lái)越薄壁化、加工一體化，傳統(tǒng)的彎管件加工主要有兩種方法：一種是推彎［1－2］，也叫擠壓彎曲，還有一種是繞彎［3－5］.不管是上述哪種方法，均需要兩套設(shè)備：1）將金屬坯料制成直管件的設(shè)備，可以是拉拔、擠壓、軋制等設(shè)備；2）將直管繞彎或者推彎的設(shè)備.

傳統(tǒng)的推彎和繞彎作為管材二次加工工藝已經(jīng)被證明是行之有效的并被大量采用，此類工藝模具簡(jiǎn)單，工藝成熟，而且直觀易學(xué)，尤其是在多維度彎曲管材時(shí)易控，可以生產(chǎn)出形狀極其復(fù)雜的彎管件，以滿足空間和工程的需要.但是，推彎和繞彎工藝有一些缺點(diǎn)和局限性：1）在推彎和繞彎的過(guò)程中易產(chǎn)生回彈、褶皺和失穩(wěn)［6－8］，前人采用預(yù)測(cè)回彈量、調(diào)節(jié)工藝參數(shù)和預(yù)測(cè)失穩(wěn)與起皺來(lái)避免此類缺陷.但是，由于計(jì)算復(fù)雜和預(yù)測(cè)難度大且不準(zhǔn)確，因此，此類方法很難被生產(chǎn)企業(yè)所掌握.2）采用推彎和繞彎成形的彎管件內(nèi)應(yīng)力大［9］，彎管件的綜合性能較差.3）采用推彎和繞彎加工的彎管件壁厚不均勻.管材彎曲變形時(shí)，彎曲部分的內(nèi)弧面發(fā)生壓縮變形而增厚，外弧面發(fā)生拉伸變形而變薄，增厚量的大小不影響管材的正常使用，而外壁減薄量的大小對(duì)管材的服役強(qiáng)度有較大的影響［10］.

熱擠壓是先進(jìn)的金屬管材壓力加工方法之一，擠壓工藝得到的結(jié)構(gòu)件的微觀組織和機(jī)械性能良好［11－12］，但擠出管材的直線度與擠壓模具的正確設(shè)計(jì)有十分密切的關(guān)系.由于分流通道截面積誤差引起的擠出管材的彎曲現(xiàn)象是擠壓加工生產(chǎn)的重大缺陷，研究者往往傾向于通過(guò)精密的模具設(shè)計(jì)來(lái)避免或減小該缺陷出現(xiàn)的可能性，卻沒(méi)有一項(xiàng)研究利用該缺陷.擠出管材的彎曲度如果能通過(guò)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，那么即可利用這一缺陷生產(chǎn)出彎管件.

鑒于此，本文結(jié)合分流擠壓加工管材的特點(diǎn)，研究提出了一種新型的通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整傳統(tǒng)分流擠壓模具中分流孔內(nèi)金屬流量（dynamic flow control extrusion，DFCE）的方法，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)器生產(chǎn)等壁厚高精度高強(qiáng)度細(xì)晶彎管件，不但徹底擺脫先用傳統(tǒng)的擠壓機(jī)、拉拔機(jī)或軋制機(jī)生產(chǎn)直管再將直管繞彎或推彎的兩步加工方法，而且在加工過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)無(wú)凹陷、凸起、褶皺、回彈等缺陷的高性能等壁彎管件厚的加工.

1 研究方法規(guī)則

1.1 DFCE的工作原理

DFCE的工作原理如圖1所示.擠出彎管件的步驟如下：1）在坯料腔內(nèi)置入坯料，輔助擠壓桿1和輔助擠壓桿2置于初始位置，不伸入金屬流動(dòng)通道，在4個(gè)分流通道內(nèi)的流量完全相等的情況下，坯料經(jīng)4個(gè)分流通道進(jìn)入焊合腔，并從定徑帶與定徑孔之間的間隙擠出，擠出管材為直管；2）當(dāng)擠出到需要彎曲的位置時(shí)，啟動(dòng)輔助擠壓桿，使其向凸模的軸線方向運(yùn)動(dòng)，輔助擠壓桿伸進(jìn)分流通道，減少了相應(yīng)的分流通道內(nèi)的截面積，即減少了相應(yīng)的金屬分流通道內(nèi)的流量，管材向啟動(dòng)的輔助擠壓桿方向彎曲，擠出彎曲管；3）當(dāng)彎曲角達(dá)到設(shè)計(jì)需要時(shí)，輔助擠壓桿瞬間退回到初始位置，開始擠出直管；4）重復(fù)執(zhí)行步驟1）～3），得到一體成型多維度彎管件.圖1中，虛線為多股合金的焊合線；對(duì)標(biāo)注為彎管和直管部分進(jìn)行取樣金相分析和性能測(cè)試.

圖1 DFCE擠出示意圖（3/4擠壓模具）Fig.1 The sketch of DFCE（3/4 of die）

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)原料選用AZ91鎂合金鑄錠，其化學(xué)成分如表1所示.為消除鑄造引起的偏析，減少脆性的Mg17Al12，提高合金成分的均勻性和塑性［13－14］，對(duì)AZ91鎂合金空心鑄棒在400℃下進(jìn)行12 h的均勻化處理；車削成Ф92 mm×450 mm，內(nèi)孔直徑為Ф40 mm，作為通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整傳統(tǒng)分流擠壓模具中分流孔內(nèi)金屬流量擠壓彎管件的坯料.

表1 AZ91鎂合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of the AZ91 magnesium alloy（mass fraction/%）

1.3 擠壓工藝參數(shù)

本文研究的擠出彎管件直徑為45 mm，壁厚2.5 mm，彎管件具有一個(gè)彎曲段且彎曲角為90°，內(nèi)弧面的彎曲半徑R為150 mm，外弧面的彎曲半徑R為195 mm，采用4孔分流擠壓模具，分流孔直徑為Ф26 mm，輔助擠壓桿直徑為Ф26 mm.擠壓前將坯料加熱到450℃保溫60 min，對(duì)模具和擠壓筒預(yù)熱到坯料溫度以下50℃保溫30 min.試驗(yàn)在630 t臥式擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓速度3 mm/s，在模具分流孔內(nèi)涂刷石墨水劑潤(rùn)滑.

具體擠壓桿動(dòng)作為：1）首先啟動(dòng)主擠壓桿，以3 mm/s的擠壓速度擠出直管，除去端部料頭，當(dāng)合格直管超過(guò)200 mm時(shí)啟動(dòng)輔助擠壓桿2.2）輔助擠壓桿2以大于30 mm/s的速度向模具軸線方向擠壓6.15 mm停下.同時(shí)，將主擠壓桿的運(yùn)行速度降低至1.5 mm/s；該段彎曲部分的金屬體積為39 425 mm3，結(jié)合擠壓筒型腔的截面尺寸，并根據(jù)體積不變?cè)碛?jì)算可知，主擠壓桿再運(yùn)行6.76 mm完成該彎曲管段的擠壓.3）將輔助擠壓桿以 30 mm/s退回原始位置，主擠壓桿以3 mm/s的擠壓速度完成直管的擠壓.

1.4 實(shí)驗(yàn)分析方法

采用GX71型金相倒置光學(xué)顯微鏡、KYKY－2800B型掃描電鏡（SEM）、JEM－2100型透射電鏡（TEM）等對(duì)擠出彎管件進(jìn)行微觀組織觀察與分析.力學(xué)性能測(cè)試按GB/T 228—2002取樣，在DWD－10萬(wàn)能電子力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1.5 mm/s；采用平均截線法多視場(chǎng)表征擠出彎管件的平均晶粒尺寸 d（d＝1.74L，L為截線長(zhǎng)度）.

2 結(jié)果及討論

2.1 DFCE法擠壓出的彎管

DFCE法所使用的模具和擠出的彎管見圖2，彎管件表面光潔無(wú)裂痕，管件表面在擠出過(guò)程中由于存在與模具上定徑帶處摩擦而產(chǎn)生細(xì)微的紋理.彎管件彎頭處內(nèi)外弧面無(wú)褶皺，弧面處壁厚均勻.

圖2 DFCE擠壓AZ91鎂合金彎管Fig.2 Bending tube of DFCE of AZ91 magnesium alloy

2.2 試驗(yàn)顯微組織

本文采用的DFCE分流擠壓方法變形量大.在450℃高于鎂合金的再結(jié)晶溫度時(shí)，變形過(guò)程中產(chǎn)生棱柱面和錐面滑移面的臨界切應(yīng)力和基面滑移的臨界切應(yīng)力非常接近，可以開動(dòng)全部滑移系［13］.在450℃時(shí)，由于鎂合金的回復(fù)和再結(jié)晶而造成的動(dòng)態(tài)軟化大于加工硬化的影響［14］.因此，在擠壓過(guò)程中，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使大量的原始晶粒產(chǎn)生更多的新晶粒，使合金組織細(xì)化.

圖3（a）為鑄態(tài)坯料的微觀組織，可以看出，晶粒較為粗大，且有較多第二相Mg17Al12分布在基體上，呈現(xiàn)明顯的枝晶鑄造組織.

圖3 鑄造坯料和DFCE擠壓AZ91鎂合金金相照片F(xiàn)ig.3 Microstructure of as?cast and DFCE of AZ91 magnesi?um alloy：（a）As?cast；（b）Bending tube；（c）Straight tube

圖3（b）為擠出AZ91鎂合金彎管弧面處的金相組織.在彎管部分的成形過(guò)程中，各個(gè)分流通道內(nèi)流過(guò)的合金量不同，當(dāng)各股合金到達(dá)焊合腔時(shí)，發(fā)生自適應(yīng)流動(dòng)以使焊合腔內(nèi)的各處壓力相同，然而，由于摩擦的作用，這種自適應(yīng)流動(dòng)并不能達(dá)到預(yù)期效果，即不能使焊合腔內(nèi)圓周方向上各處的壓力仍不均勻，從而導(dǎo)致從定徑帶一周各個(gè)部位流出的合金量和流出速度不同，最終產(chǎn)生了彎曲.在此過(guò)程中，由于變形量的不均勻和流動(dòng)方向的非軸向性，導(dǎo)致在定徑帶處產(chǎn)生的局部變形量較小，因而晶粒不均勻，彎管處由于變形均勻性導(dǎo)致有少量拉長(zhǎng)的大晶粒，在大晶粒周圍為均勻細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，晶粒尺寸約為17.9 μm，而直管部分的晶粒尺寸為12.8 μm.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)溫度較高，焊縫已經(jīng)產(chǎn)生冶金結(jié)合，并發(fā)生再結(jié)晶，所以其金相組織的狀態(tài)與非焊縫處無(wú)明顯差別.直管部分，DFCE變形后原始基體組織全部消失，呈現(xiàn)出晶粒均勻細(xì)小的再結(jié)晶等軸晶粒，如圖3（c）所示，晶粒尺寸約7.9 μm.顯微組織顯示，在彎管和直管的合金內(nèi)沒(méi)有孿晶組織，因此，在此溫度下，AZ91合金內(nèi)有足夠獨(dú)立滑移系，可以均勻變形.

通過(guò)TEM驗(yàn)證了滑移和位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)作為鎂合金再結(jié)晶的主要變形機(jī)制，本文研究的溫度較高，在變形過(guò)程中雙交滑移和攀滑移機(jī)制同時(shí)發(fā)生增殖［15］.圖4為擠壓AZ91鎂合金管材縱斷面的組織TEM照片.圖4表明，在平行于擠壓方向上分布大量的位錯(cuò)，并且分為位錯(cuò)密聚集區(qū)和位錯(cuò)稀疏區(qū)，在位錯(cuò)聚集區(qū)的周圍分布著稀疏的位錯(cuò)線.因此，在位錯(cuò)的增殖過(guò)程中，先形成的位錯(cuò)在推移過(guò)程中位錯(cuò)聚集區(qū)推動(dòng)原始組織形成更多的位錯(cuò)，最終導(dǎo)致晶粒重排，最終導(dǎo)致原始組織發(fā)生全部再結(jié)晶，再結(jié)晶晶粒在變形過(guò)程中又由于外力的作用重復(fù)再結(jié)晶，在外力作用停止后，即在擠壓結(jié)束后，部分正擴(kuò)展的位錯(cuò)聚集區(qū)突然停止增殖.

圖4 450℃DFCE變形后AZ91鎂合金TEM照片F(xiàn)ig.4 TEM micrographs of AZ91 magnesium alloy after DF?CE at 450℃：（a）Lower dislocation density and higher dislocation density；（b）Dislocation group

2.3 DFCE擠出彎管的室溫拉伸性能和斷口分析

DFCE擠出彎管件上的直管部分和彎管部分均沿彎管件的中心線方向取樣，參考《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)方法（ASTM）A370》，室溫拉伸性能的取樣如圖5所示.其中，彎曲管部分沿著彎曲管段的外弧面縱向取樣，如圖5（b）所示.因此，縱向和橫向的性能均能通過(guò)該方法測(cè)試得到，可以較為全面地反映擠出彎管件的力學(xué)性能.

圖5 拉伸測(cè)試試樣的尺寸與規(guī)格Fig.5 Specimen dimensions and gage length for tensile tes?ting：（a）Straight tube；（b）Bending tube

DFCE所用坯料、擠出直管部分、擠出彎管部分的室溫拉伸力學(xué)性能見表2.DFCE所用坯料、擠出直管部分、擠出彎管部分的室溫拉伸試樣的斷口SEM形貌如圖6所示.

表2 幾種不同工藝制備AZ91鎂合金的典型力學(xué)性能比較Table 2 Comparison of mechanical properties of AZ91 mag?nesium alloys processed by different techniques

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鑄造坯料的拉伸試樣斷口呈現(xiàn)明顯的河流花樣，分析為解理斷裂，如圖6所示.這是因?yàn)樵寂髁系木Я４执?，且有一定的脆性相Mg17Al12.擠出彎管件的直管部分晶粒相對(duì)均勻細(xì)小，且經(jīng)過(guò)擠壓變形與再結(jié)晶，成分更均勻，其拉伸斷口形貌以韌窩為主.但是，在擠出的彎管外弧面上，由于變形的不均勻性，導(dǎo)致了拉伸性能較直管部分稍差，且斷口形貌顯示有少量區(qū)域呈臺(tái)階狀，大部分區(qū)域?yàn)轫g窩.直管部分的拉伸性能最好，其抗拉極限強(qiáng)度為296 MPa.

圖6 AZ91鎂合金拉伸斷口形貌Fig.6 SEM micrographs showing morphology of tensile frac?ture surface of AZ91 magnesium alloy：（a）Gasting blank；（b）Straight tube；（c）Bending tube

2.4 DFCE擠出彎管動(dòng)態(tài)流量控制方式

通過(guò)測(cè)量不同輔助擠壓桿擠壓量擠出的彎管件發(fā)現(xiàn)，擠出的彎管件的曲率半徑與輔助擠壓桿的擠壓量成反比關(guān)系.擠壓量與內(nèi)、外弧面的曲率半徑的關(guān)系如表3所示.在輔助擠壓桿擠壓量超過(guò)6.65 mm時(shí)，在內(nèi)弧面出現(xiàn)了裂紋；當(dāng)擠壓量達(dá)7.15 mm時(shí)，在彎管件的內(nèi)外弧面均出現(xiàn)了裂紋，這可能是由于嚴(yán)重的流動(dòng)不均勻造成的.

表3 輔助擠壓桿的擠壓量與內(nèi)、外弧面的曲率半徑的關(guān)系Table3 Relationship of auxiliary ram distance and curvature radius of extrados and intrados

3 結(jié) 論

1）本文提出了一種新型的通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整分流擠壓模具中分流孔內(nèi)金屬流量的方法，擠出了彎管件，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)器制造三維彎曲管件；擠出合金具有各部位變形均勻、晶粒細(xì)小等特點(diǎn)，彎管和直管部位的晶粒尺寸分別細(xì)化至 17.9和12.8 μm.

2）DFCE擠壓變形可顯著地提高AZ91鎂合金的機(jī)械性能.直管部分室溫拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別由217和134 MPa提高到296和179 MPa，延伸率由12.9%提高到26.2%；彎管部分室溫拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別由217和134 MPa提高到274和178 MPa，延伸率由12.9%提高到21.4%；坯料和擠出合金的拉伸斷口分別呈現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂和韌窩斷裂的特征.

3）DFCE擠壓變形可通過(guò)調(diào)節(jié)輔助擠壓桿的擠壓量來(lái)調(diào)整彎管件的曲率，擠出的彎管件的曲率半徑與輔助擠壓桿的擠壓量成反比關(guān)系.且擠壓量過(guò)大時(shí)彎管處出現(xiàn)裂紋.

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（編輯 程利冬）

Three dimensional magnesium alloy bent pipe produced by dynamic flow control extrusion

SHI Lei1，2，XU Guohui1，REN Chang2，JIN Wenzhong1，WANG Yujiang1，WANG Lijian1
（1.School of Materials Science and Engineering，Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，China；2.School of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

To develop a new processing technology of bent pipe，a deformation technique of the dynamic flow control extrusion（DFCE）was proposed.The magnesium alloy bending tube processed on 630T horizontal extrusion equipment with auxiliary ram.Microstructure and mechanical properties of DFCEed magnesium alloy tube were studied by using optical microscopy（OM），scanning electron microscopy（SEM），transmission electron microscopy（TEM）and tensile tests.The results show that metal flow is uniform at the temperature of 450℃ and an extrusion rate of 3 mm/s for straight pipe and an extrusion rate of 3 mm/s for bent pipe.The mean grain sizes of straight pipe and bent pipe after extrusion are 7.9 μm and 12.8 μm，respectively.The mechanical properties are greatly improved.The tensile strength，yield strength and elongation of the straight pipe tube sample increase from 217 MPa，124 MPa and 12.9%to 296 MPa，179 MPa and 26.2%，respectively.The DFCE could significantly refine the grains of the AZ91 magnesium alloy，which can be attributed to the multiplication of dislocation and dynamic recrystallization.Quasi?cleavage fracture and dimple fracture dominate the tensile fracture morphology of the billet and the DFCEed alloy，respectively.

flow control；magnesium alloy；dynamic；three dimensional bent pipe；porthole extrusion

TG132.3

A

1005－0299（2016）06－0008－06

2015－12－28.

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（17A430025）.

石 磊（1980—），男，博士，講師.

石 磊，E?mail：shilei207207＠163.com.

10.11951/j.issn.1005－0299.20160602