一种镁合金丝材电磁拉拔方法及其装置

1.本发明属于金属材料塑性加工领域，具体涉及一种镁合金丝材电磁拉拔方法及其装置。


背景技术：

2.镁合金是最轻的金属结构材料，密度仅为1.8g/cm3，其密度约为铝合金的2/3；钛合金的2/5；钢铁材料的1/4。这使得镁合金具有很高的比强度，比刚度，在汽车工业，航空航天领域应用十分广泛。镁合金还因为其良好导热性和电磁波屏蔽性，在电子产品领域得到广泛应用。因此，镁合金被誉为21世纪绿色工程材料。
3.目前镁合金零件成形方式以铸造为主，镁合金产品中铸件占比约为95％以上，这是由于镁合金的晶格结构是密排六方，并且c轴较长，使得镁合金在室温下可开动的滑移系只有基面滑移，这限制了镁合金的室温变形能力。随着金属增材制造技术的逐渐成熟，一些难变形金属可以通过增材制造的方式加工成复杂形状的构件。这也将成为镁合金构件的一种新的成形方法，目前针对镁合金增材制造，主流工艺是采用电弧增材中钨极气体保护焊(tig)。tig焊的高效率，低能耗非常适合镁合金的增材制造。电弧增材的原始坯料形式为镁合金丝材，镁合金的室温塑性差导致符合tig要求的镁丝制备相对困难，因此制备高性能的镁合金丝材在镁合金电弧增材领域是十分重要而且必要的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种镁合金丝材电磁拉拔方法及其装置，解决了镁合金丝材拉拔容易断裂的技术问题，实现了镁合金丝材的高效率生产。
5.一种镁合金丝材电磁拉拔方法，包括以下步骤：
6.步骤s1：将镁合金铸锭固溶处理，固溶处理后水冷，以便抑制镁合金中的第二相析出；
7.步骤s2：对固溶后的镁合金铸锭进行挤压，挤压温度在再结晶温度以上，使镁合金在挤压过程中产生动态再结晶；
8.步骤s3：将丝材两端分别绕在盘丝机上，垂直穿过往复运动的磁场；
9.步骤s4：靠近磁场位置，设置水系金属离子电解液，使得丝材在穿过磁场后，能够再穿过该电解液，此时电解液粘附在丝材的表面；
10.步骤s5：将镁合金丝材放入拉拔模具中进行拉拔，每道次变形量控制在4％-12％之间，每道次直径最大减小量为0.2mm；
11.步骤s6：重复步骤s1-s5，直至丝材直径下降至2.0mm以下。
12.所述步骤s1中，所述镁合金为镁铝合金、镁锌锆合金、镁钆钇镁合金中的任意一种；且固溶温度为500-530℃，保温时间为20-24h。
13.所述步骤s2中，挤压温度为500℃,挤压比为100：1，挤压模具的出料口直径为4mm。
14.所述步骤s3中，盘丝机主轴通过导线相连，且镁合金丝材、盘丝机、导线形成闭合
回路。
15.所述步骤s3中，所述磁场的磁场强度大小可变，方向可变，通过磁场的往复运动使镁合金丝材切割磁感线，在闭合回路之间产生脉冲感应电流，使镁合金在脉冲电流辅助作用下进行拉拔成形。
16.一种镁合金丝材电磁拉拔装置，包括相隔间距设置的绕丝机轮和送丝机轮、与所述绕丝机轮同轴连接的主动轮、通过连接皮带与所述主动轮连接的电机，所述绕丝机轮和所述送丝机轮之间设置有拉拔模具、电解液和磁场，一端与所述送丝机轮连接的镁合金丝其另一端依次穿过所述磁场、所述电解液和所述拉拔模具，所述绕丝机轮和所述送丝机轮的中心轴通过铜导线连接；
17.所述绕丝机轮、所述送丝机轮、所述镁合金丝和所述铜导线形成闭合电回路。
18.所述电解液为水系金属离子电解液。
19.所述磁场为可变磁场。
20.本发明达成以下显著效果：
21.(1)本发明的高强韧镁合金丝材拉拔方法，采用一种在脉冲电流辅助下对镁合金丝材进行拉拔的成形方法，在脉冲电流的作用下，可以促进镁合金丝材内部位错运动，产生的焦耳热效应使丝材软化，降低变形抗力，提高镁合金的塑性。
22.(2)本发明所选用的脉冲电流辅助拉拔，丝材温度较传统拉拔低，丝材表面氧化物明显减少，拉拔后丝材表面质量良好，并且多道次拉拔后不需要进行退火热处理，在感应电流的作用下，由于焦耳热效应和感应电流的高能脉冲对对镁合金丝材进行热处理，使得剧烈变形的拉拔组织快速转变为均匀细小的再结晶晶粒。
23.(3)本发明的脉冲电流来源是变化的磁场产生的感应电流，是产生在丝材与盘丝机之间行成的闭合回路中，这种脉冲电流的施加方法避免了电源与丝材的接触，这使脉冲电流稳定，不会产生点接触局部电流密度过大，避免了镁合金丝材因大电流密度而熔化。
24.(4)在拉拔和磁场处理之间增加电解液，产生了如下的作用效果：
25.一是便于控制脉冲电流的宏微观热效应，即丝材穿过电解液，有助于降温冷却，且不影响到导电，有助于避免过大的热效应；
26.二是丝材穿过电解液后，开始进行拉拔，而拉拔会造成丝材变细，导线的截面积变小，于是电阻增加，导致电流减小，电致塑性效应也会减弱，然而由于电解液附着在丝材上，这会有助于加强拉拔后导电的效果，保证电致塑性效应不会减弱太多；
27.三是同时因为导电带来的热效应，还有助于使得附着在丝材上的电解液快速干燥，避免在绕丝机轮上漏电的问题。
附图说明
28.图1为本发明实施例中丝材电磁拉拔装置的结构示意图。
29.图2为本发明实施例中mg-gd-y合金铸态组织(a)和挤压后组织(b)的对比图。
30.图3为本发明实施例中镁合金在挤压后丝材经不同道次拉拔后的微观组织图。
31.图4为本发明实施例中镁合金在不同变形量下丝材的显微硬度图。
32.其中，附图标记为：1、主动轮；2、连接皮带；3、绕丝机轮；4、镁合金丝材；5、拉拔模具；6、磁场；7、送丝机轮；8、铜导线；9、电解液容器。
具体实施方式
33.为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
34.参见图1，一种镁合金丝材电磁拉拔方法，包括以下步骤：
35.步骤s1：将镁合金铸锭固溶处理，固溶处理后水冷，以便抑制镁合金中的第二相析出；
36.步骤s2：对固溶后的镁合金铸锭进行挤压，挤压温度在再结晶温度以上，使镁合金在挤压过程中产生动态再结晶；
37.步骤s3：将丝材两端分别绕在盘丝机上，垂直穿过往复运动的磁场6；
38.步骤s4：靠近磁场6位置，设置水系金属离子电解液，使得丝材在穿过磁场6后，能够再穿过该电解液，此时电解液粘附在丝材的表面；
39.步骤s5：将镁合金丝材4放入拉拔模具中进行拉拔，每道次变形量控制在4％-12％之间，每道次直径最大减小量为0.2mm；
40.步骤s6：重复步骤s1-s5，直至丝材直径下降至2.0mm以下。
41.步骤s1中，镁合金为镁铝合金、镁锌锆合金、镁钆钇镁合金中的任意一种；且固溶温度为500-530℃，保温时间为20-24h。
42.步骤s2中，挤压温度为500℃,挤压比为100：1，挤压模具的出料口直径为4mm。
43.步骤s3中，盘丝机主轴通过导线相连，且镁合金丝材4、盘丝机、导线形成闭合回路。
44.步骤s3中，磁场6的强度大小可变，方向可变，通过磁场6的往复运动使镁合金丝材4切割磁感线，在闭合回路之间产生脉冲感应电流，使镁合金在脉冲电流辅助作用下进行拉拔成形。
45.因为是切割磁感线产生的电流，称之为感应电流，通过控制磁场6的大小和反向，根据右手定则，可以将感应电流的方向改变，电流的方向改变，呈现周期性，即可以称之为脉冲电流。
46.一种镁合金丝材电磁拉拔装置，包括相隔间距设置的绕丝机轮3和送丝机轮7、与绕丝机轮3同轴连接的主动轮1、通过连接皮带2与主动轮1连接的电机，绕丝机轮3和送丝机轮7之间设置有拉拔模具5、电解液和磁场6，一端与送丝机轮7连接的镁合金丝材4其另一端依次穿过磁场6、电解液和拉拔模具5，绕丝机轮3和送丝机轮7的中心轴通过铜导线8连接；电解液设置在电解液容器9内。
47.绕丝机轮3、送丝机轮7、镁合金丝材4和铜导线8形成闭合电回路。
48.电解液为水系金属离子电解液。
49.磁场6为可变磁场。
50.电致塑性效应与脉冲电流的频率有很大的关系，一般频率越大，电致塑性效应也随之增加，高频电流通过材料时，电流通过金属表面进行传输，但是高频会导致电流汇聚于金属表面，伴随着大的发热现象，金属表面和内部温差增大，从而影响电致塑性效应。
51.另外过大的热效应会导致金属整体温度上升，温度越高，原子能量越高，热运动越激烈，对位错线运动产生的影响越大，因此，在探讨电致塑性微观机制时，脉冲电流的宏、微观热效应的控制是目前的难题，如何尽量降低热效应这一问题是研究者重点考虑解决的问
题，本方案中设置电解液，创造性地将降温且不影响导电过程较好的统筹起来，产生了意想不到的技术效果，特此说明。
52.本发明实施例的具体工作过程：
53.步骤s1：将mg-gd-y-zn-zr镁合金棒材放入电阻炉中，升温速度为10℃/min，在515摄氏度进行固溶处理，保温24h；消除铸造态的成分偏析等不均匀组织，水淬防止第二相析出；
54.步骤s2：将水冷后的坯料加热到500℃，保温2h，达到预设温度及时间后，挤压坯料直径80mm，将镁合金坯料放入卧式挤压机盛料筒中，进行热挤压，挤压出4mm的mg-gd-y-zn-zr镁合金丝材4；
55.步骤s3：继续将4mm丝材穿过拉拔模具5，一端缠绕在送丝机轮7上，另一端固定在绕丝机轮3上，将绕丝机轮3与送丝机轮7的主轴用铜导线8相连接，形成闭合回路。将往复运动的磁场6穿过镁合金丝材4，磁场6与镁合金丝材4夹角为90
°
，磁场6在垂直丝材的方向做切割镁合金丝材4的往复运动，在镁合金丝材4内部产生感应电流，利用感应电流产生的电致塑性使得镁合金丝材4在感应电流辅助下进行拉拔；
56.步骤s4：同时将电解液容器9设置在磁场6和拉拔模具5之间，使得镁合金丝材4穿过水系金属离子电解液；
57.步骤s5：拉拔模具5的每道次变形量控制在4％-9％，将mg-gd-y-zn-zr镁合金丝材4放入拉拔模具5中进行拉拔，第一道次丝材直径从4mm到3.8mm，每次直径减小0.2mm，直到3.0mm，随后每道次减径量在0.1mm直到2.0mm。
58.步骤s6：重复步骤s1-s5，在2.0mm以下，每道次拉拔量在0.05mm，最终生产镁合金丝材4直径为1.5mm。
59.为了进一步说明镁合金在本方案提供的电磁拉拔方法后，所产生的优良组织和力学性能，现做出以下具体分析：
60.图2(a)为mg-gd-y合金铸态组织照片，可以看出初始晶粒粗大，晶间之间存在大量的共晶相，晶粒内部存在平行的长程有序相(lpso),图2(b)为铸态合金经挤压后的组织，挤压温度为500℃，挤压比为100，从图中可以看到晶界处的粗大共晶相被挤压成细小破碎的颗粒状，沿着挤压方向成条带状分布，粗大的铸态晶粒在高温大塑性变形下，经过动态再结晶想成细小的等轴晶粒。
61.图3为挤压后丝材经不同道次拉拔后的微观组织，可以看出拉拔初期(此时丝材直径在3.4mm，参见图3(a))，晶粒仍然呈现等轴状，与挤压态相比，晶粒尺寸略有下降，挤压条带组织仍然沿着拉拔方向分布。随着累计应变的增加，当直径为2.9mm(参见图3(b))时，沿拉拔方向略有拉长，带状组织中的颗粒第二相回溶到镁基体中。随直径继续减小，在丝材直径为2.5mm(参见图3(c))时，可以清楚的发现微观组织主要由两部分组成，呈现双峰微观组织，大部分被拉长的变形晶粒，小部分为变形晶粒周围的细小再结晶晶粒。随着累计变形量的增加，当丝材直径下降到2.3mm(参见图3(d))，微观组织仍为双峰组织，与直径2.5mm相比时，发现再结晶比例明显升高，微观组织主要为大量再结晶晶粒与少量被拉长的变形晶粒。
62.图4为不同变形量丝材的显微硬度，挤压态的丝材硬度为hv99.5；说明随着拉拔道次进行，丝材直径逐渐减小，显微硬度逐渐升高。当累计应变逐渐增加到110％，显微硬度最高为hv137.4。
63.本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种镁合金丝材电磁拉拔方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：将镁合金铸锭固溶处理，固溶处理后水冷，以便抑制镁合金中的第二相析出；步骤s2：对固溶后的镁合金铸锭进行挤压，挤压温度在再结晶温度以上，使镁合金在挤压过程中产生动态再结晶；步骤s3：将丝材两端分别绕在盘丝机上，垂直穿过往复运动的磁场；步骤s4：靠近磁场位置，设置水系金属离子电解液，使得丝材在穿过磁场后，能够再穿过该电解液，此时电解液粘附在丝材的表面；步骤s5：将镁合金丝材放入拉拔模具中进行拉拔，每道次变形量控制在4％-12％之间，每道次直径最大减小量为0.2mm；步骤s6：重复步骤s1-s5，直至丝材直径下降至2.0mm以下。2.根据权利要求1所述的镁合金丝材电磁拉拔方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述镁合金为镁铝合金、镁锌锆合金、镁钆钇镁合金中的任意一种；且固溶温度为500-530℃，保温时间为20-24h。3.根据权利要求1所述的镁合金丝材电磁拉拔方法，其特征在于，所述步骤s2中，挤压温度为500℃,挤压比为100：1，挤压模具的出料口直径为4mm。4.根据权利要求1所述的镁合金丝材电磁拉拔方法，其特征在于，所述步骤s3中，盘丝机的主轴通过导线相连，且镁合金丝材、盘丝机、导线形成闭合回路。5.根据权利要求4所述的镁合金丝材电磁拉拔方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述磁场的磁场强度大小可变，方向可变，通过磁场的往复运动使镁合金丝材切割磁感线，在闭合回路之间产生脉冲感应电流，使镁合金在脉冲电流辅助作用下进行拉拔成形。6.一种镁合金丝材电磁拉拔装置，其特征在于，包括相隔间距设置的绕丝机轮和送丝机轮、与所述绕丝机轮同轴连接的主动轮、通过连接皮带与所述主动轮连接的电机，所述绕丝机轮和所述送丝机轮之间设置有拉拔模具、电解液和磁场，一端与所述送丝机轮连接的镁合金丝其另一端依次穿过所述磁场、所述电解液和所述拉拔模具，所述绕丝机轮和所述送丝机轮的中心轴通过铜导线连接；所述绕丝机轮、所述送丝机轮、所述镁合金丝和所述铜导线形成闭合电回路。7.根据权利要求6所述的镁合金丝材电磁拉拔装置，其特征在于，所述电解液为水系金属离子电解液。8.根据权利要求7所述的镁合金丝材电磁拉拔装置，其特征在于，所述磁场为可变磁场。

技术总结
本发明提供一种镁合金丝材电磁拉拔方法及其装置，包括以下步骤：将镁合金铸锭固溶处理，固溶处理后水冷；对固溶后的镁合金铸锭进行挤压，挤压温度在再结晶温度以上；将丝材两端分别绕在盘丝机上，垂直穿过往复运动的磁场；靠近磁场位置，设置水系金属离子电解液，使得丝材在穿过磁场后，能够再穿过该电解液，此时电解液粘附在丝材的表面；将镁合金丝材放入拉拔模具中进行拉拔，每道次变形量控制在4％-12％之间，每道次直径最大减小量为0.2mm；重复步骤S1-S5，直至丝材直径下降至2.0mm以下。本发明提供的镁合金丝材电磁拉拔方法及其装置，避免了镁合金丝材拉拔容易断裂的问题，实现了镁合金丝材的高效率生产。镁合金丝材的高效率生产。镁合金丝材的高效率生产。


技术研发人员：张文丛 谢汶卓 杨建雷
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/21