CN101279331A - 线材静液挤压装置及用该装置挤压超细晶粒线材的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线材静液挤压装置，包括外挤压筒，外挤压筒内套装有内挤压筒，内挤压筒的空腔中充有液压介质，内挤压筒的空腔上端连接有挤压杆，挤压杆与内挤压筒之间设置有密封装置；内挤压筒的空腔下端面沿轴线方向开有出料通道，内挤压筒的空腔下端面内侧安装有挤压模，挤压模与内挤压筒之间设置有密封装置，挤压模沿轴线方向开有导入孔和挤压孔，导入孔、挤压孔与出料通道处于同一轴线且通透。本发明还公开了利用上述挤压装置制备超细化晶粒线材的方法，整个装置结构紧凑，工艺简单，易于操作，适合于静液挤压制备细直径铝合金线材，也适用于连续挤压其它各种轻合金或难挤压的脆性合金线材。

Description

线材静液挤压装置及用该装置挤压超细晶粒线材的方法

技术领域

本发明属于有色金属塑性成型技术领域，涉及一种线材静液挤压装置，还涉及利用该挤压装置挤压超细晶粒线材的方法。

背景技术

在各种工程合金材料中，铝基合金是仅次于钢铁材料的一种重要合金。铝合金使用量大，应用面广，容易成型和加工，比重小，很适合现代工业发展对产品轻量化的要求。在不改变材料组成和配比的基础上，采取后续加工工艺对改善材料的性能具有重要意义。细化晶粒是改善铝合金韧性、提高强度的有效方法。超细晶(亚微米和纳米晶)材料由于具有引人注目的性能如兼具高强度和高韧性，因而引起了人们的广泛关注，对这类材料的兴趣与需求使得这类材料的各类制备方法得以快速发展。

常规的晶粒细化方法有变质、热处理和挤压、轧制等，但这类方法容易使材料中带入新的杂质或者使材料中晶粒的细化不均匀，且难以使合金组织细化到超细晶。一般地，块体纳米材料可由四类方法制备，即纳米粉末的固结法、物理、化学或电化学沉积法、非晶材料晶化法和强烈塑性变形法。以上每种方法有其优点，也有其不足，而且其技术进步程度尚不足以达到工业应用的程度。在纳米粉末的固结法中，主要问题是如何实现粉末材料的有效固结，如空洞的有效避免。至于沉积法，目前仅限于在常规材料表面制备薄膜。非晶材料晶化法只能用在易于获得非晶的材料上，而且获得的材料是特定的，如在非晶基体中的纳米沉淀相等。并且非晶材料的尺寸很小，通常是薄带状，这也限制了其潜在的应用价值。

一类能获得纳米材料而克服上述方法缺点的工艺是使材料经受强烈的塑性变形，由于这一方法可以获得无孔洞并且大尺寸的材料，因此大塑性变形方法是一种大有希望的工艺方法。可以通过多种方法使材料获得较大的塑性变形，但是只有使材料经受剧裂的塑性变形，才有可能获得具有亚微米乃至纳米尺度的高度细化的组织。一般的大塑性变形方法如往复挤压、等通道弯曲挤压和高压扭转等虽可用于金属材料的晶粒细化，并得到由平均晶粒尺寸小于200纳米的等轴晶组织，但主要缺点是获得的变形材料的尺寸和体积太小，难以应用，因此开发材料变形的新方法并将其用于超细晶材料的制备至关重要。

我国自上世纪60年代开始研究静液挤压，目前，国内有关静液挤压成型的研究主要是利用静液挤压技术成形高温难熔材料，如铁、钢、钨合金、锰合金等，用于制造穿甲弹芯；利用静液挤压技术成形碳化硅颗粒增强金属基复合材料、铜包铝复合线材、钢包钛型材等难成形材料；此外也有用静液挤压技术制备内锡扩散铌三锡多芯超导线材的报导。(胡丽平，静液挤压技术研究现状，金属成形工艺，1995(6)：40～43；牛慧玲，SIC颗粒增强铝基复合材料中温静液挤压工艺研究，轻合金加工技术，1992(11)：22～25；胡捷，铜包铝复合线材静液挤压加工工艺研究，新技术新工艺，2001(9)：27～28；陆彪、王祖唐，钛型材复合静液挤压试验，稀有金属，1992(2)：143～145；郑杰、牛慧玲、胡杰等，Zr-4合金工艺改进的研究，稀有金属，1995(7)：260～263；徐建泉、张根荣，静液挤压在内锡扩散铌三锡多芯线材加工中的应用，上海金属，1993(4)：5～11)

现有的静液挤压技术包括哈尔滨工业大学的胡连喜和李志民等人(工艺参数对静液挤压2024铝合金纳米晶组织性能的影响，中国有色金属学报，1999年9卷增刊1，第229-233页)以快速凝固和机械合金化复合工艺制备的2024铝合金纳米晶粉末为原料，在挤压比为9∶1～25∶1和挤压温度为200℃～500℃的范围内，选用热静液挤压工艺制备了棒材，但该研究仅是利用静液挤压使纳米晶粉末固结成型，并不是以铝合金型材或锭材为原料制备铝合金线材。还有北京有色金属研究总院的牛慧玲(SiC颗粒增强铝基复合材料中温静液挤压工艺研究，轻合金加工技术，1992，第20卷第11期，第22-25页)选用中温静液挤压方法对SiC颗粒增强铝基复合材料坯料进行了挤压，制备出了不同规格的SiC颗粒增强铝基复合材料棒材、管材和线材，但其不是制备铝合金线材，而且在制备复合材料线材过程中，选用的是分步挤压法，即先将直径16mm的棒材挤压成直径6.5mm的棒材后，进行退火、矫直后再静液挤压成直径3.8mm的棒材；再次进行退火、矫直后最后利用静液挤压成直径2.0mm的线材。这一过程不仅工序繁多，而且由于第二次挤压后直径较小，导致第3次挤压时密封困难，使得挤压过程难以控制，易造成挤压“放炮”，线材被打碎成数段，从而得不到连续的线材。

发明内容

本发明的目的是提供一种线材静液挤压装置，可以一次连续完成超细晶粒铝合金线材的静液挤压，制备所需尺寸和长度的线材。

本发明的另一目的是提供一种利用该线材静液挤压装置挤压超细晶粒线材的方法，工艺简单，操作容易，解决了分步挤压过程中密封困难的问题。

本发明所选用的技术方案是，一种线材静液挤压装置，包括外挤压筒，外挤压筒内套装有内挤压筒，外挤压筒与内挤压筒的结合面呈上大下小的圆锥型，内挤压筒的空腔中充有液压介质，内挤压筒的空腔上端设置有挤压杆，挤压杆与动力装置连接，挤压杆的下端面设置有压力计，挤压杆与内挤压筒之间设置有密封装置；内挤压筒的空腔下端面沿轴线方向开有出料通道，内挤压筒的空腔下端面内侧安装有挤压模，挤压模与内挤压筒之间设置有密封装置，挤压模沿轴线方向从上到下依次开有导入孔和挤压孔，导入孔、挤压孔与出料通道处于同一轴线且通透。

导入孔设置成上大下小的锥角形状。

挤压孔的开口设置为上大下小的收缩台阶形状。

挤压杆与内挤压筒之间的密封装置为“O”型密封圈I和铍铜密封圈I。

挤压模与内挤压筒之间的密封装置为“O”型密封圈II和铍铜密封圈II。

外挤压筒的外表面设置有电阻式的加热体，所述的挤压模上设置有热电偶。

出料通道的出口方向设置有气冷式的冷却装置。

本发明所选用的另一技术方案是，一种利用挤压装置挤压超细晶粒线材的方法，所采用的挤压装置包括外挤压筒，外挤压筒内套装有内挤压筒，外挤压筒与内挤压筒的结合面呈上大下小的圆锥型，内挤压筒的空腔中充有液压介质，内挤压筒的空腔上端设置有挤压杆，挤压杆与动力装置连接，挤压杆的下端面设置有压力计，挤压杆与内挤压筒之间设置有密封装置；内挤压筒的空腔下端面沿轴线方向开有出料通道，内挤压筒的空腔下端面内侧安装有挤压模，挤压模与内挤压筒之间设置有密封装置，挤压模沿轴线方向从上到下依次开有导入孔和挤压孔，导入孔、挤压孔与出料通道处于同一轴线且通透，外挤压筒的外表面设置有加热体，在挤压模上设置有热电偶，

该方法利用上述装置按照以下步骤实施，

步骤一、准备挤压模，按照需要的线材尺寸分别设置出其中三个台阶的直径D1，D2和D3，选用相应尺寸导入孔和挤压孔的挤压模，

步骤二、坯料的备料，将常规挤压材制备成相应直径的圆柱形的棒材，并将其头部车成与挤压模的导入孔角度一致的锥角，制作成铝合金坯料，

步骤三、装料及组装设备，将铝合金坯料装入挤压模的导入孔锥角，并将挤压模连同铝合金坯料放进内挤压筒的内腔下端，再在挤压模和内挤压筒之间依次安装好“O”型密封圈I和铍铜密封圈I，然后向内挤压筒的内腔加入液压介质到盖过铝合金坯料的上端面，最后在内挤压筒的上端装好挤压杆，并在内挤压筒和挤压杆之间依次安装好铍铜密封圈II和“O”型密封圈II，

步骤四、静液挤压，启动压力装置压下挤压杆，挤压杆挤压挤压介质，挤压介质连续向下挤压铝合金坯料，铝合金坯料通过挤压孔被挤出，即得线材成品。

本方法的特点还在于，

在步骤四中，挤压模上设置的热电偶将挤压模的温度信号上传，控制装置控制加热体进行加温。

在步骤四中，压力计感受挤压杆的下压力，并将压力信号传给压力控制装置，压力控制装置又控制压力装置向下压挤压杆。

本发明的有益效果是，整个装置结构简单，容易操作，可将铝合金锭材或型材一次挤压成高品质的铝合金线材，保证了线材的品质。本发明方法出丝速度快，操作方便，挤压过程可在室温或较低温度下进行，材料不会氧化，模具也能长期工作，挤压效率高，成本较低。

附图说明

图1是本发明挤压装置实施例的结构示意图；

图2是本发明挤压装置实施例的挤压模的结构示意图；

图3是本发明方法制备的2017铝合金线材的显微组织图，其中a是2017铝合金线材的TEM显微组织图，b是2017铝合金线材的衍射图。

图中，1.垫块，2.外挤压筒，3.加热体，4.内挤压筒，5.液压介质，6.锰铜压力计，7.“O”型密封圈I，8.铍铜密封圈I，9.挤压杆，10.铝合金坯料，11.挤压模，12.“O”型密封圈II，13.铍铜密封圈II，14.热电偶，15.冷却装置，16.线材成品，17.挤压孔，18.出料通道，19.导入孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1是本发明装置实施例的结构示意图。包括外挤压筒2，外挤压筒2安装在垫块1上，外挤压筒2的外表面设置有加热体3，外挤压筒2内套装有内挤压筒4，外挤压筒2与内挤压筒4的结合面呈上大下小的圆锥型，内挤压筒4的空腔中充有液压介质5，内挤压筒4的空腔上端设置有挤压杆9，挤压杆9的上端与挤压机连接，挤压杆9的下端面设置有锰铜压力计6，锰铜压力计6感受挤压杆9的下压力，并将压力信号传给挤压机控制装置，挤压杆9与内挤压筒4之间设置有“O”型密封圈I 7和铍铜密封圈I 8，内挤压筒4的空腔下端面沿轴线方向开有出料通道18，内挤压筒4的空腔下端面内侧安装有挤压模11，挤压模11与内挤压筒4之间设置有“O”型密封圈II 12和铍铜密封圈II 13，挤压模11沿轴线方向开有导入孔19和挤压孔17，导入孔19和挤压孔17与出料通道18处于同一轴线且通透，出料通道18的内径大于挤压孔17的最小内径，在挤压模11上设置有热电偶14，在出料通道18的出口两侧设置有气冷式的冷却装置15。

图2是本发明实施例的挤压模的示意图。铝合金坯料10进入挤压模11的通道是导入孔19，导入孔19设置成上大下小的锥角形状，挤压模11的挤出通道是挤压孔17，挤压孔17与导入孔19连通，挤压孔17的开口设置为上大下小的台阶形状，从上到下的三级台阶开口直径尺寸分别为D1、D2、D3，各个台阶之间由一锥形斜面连接。这种台阶形状可以保证铝合金线材的连续的较大变形，以获得所需的超细晶线材，该模具可在一次挤压过程中同时对铝合金坯料实施逐次不同截面尺寸的连续挤压，从而实现一次挤压获得极大的挤压比。在挤压时，材料在很高的三向压应力(30MPa～1000MPa)状态下以很高的应变速率(甚至高于104s^-1)产生大塑性变形，从而获得晶粒非常细小、组织均匀，各向同性、综合性能优异的超细晶材料；同时该模具设计具有密封效果好、线材不易断裂，挤压过程易于控制的优点。

垫块1设置在外挤压筒2的下面起支撑作用，垫块1选用45号钢制作。

外挤压筒2、内挤压筒4、挤压杆9均选用热作模具钢4Cr5MoV1Si制作。

液压介质5选用蓖麻油、精密机床液压油或者添加10％无水乙醇的甘油。

待挤压的铝合金坯料10是铸锭、型材、或金属包覆粉末材料等。

挤压模11选用硬质合金或天然金刚石材料制作。

本发明的超细晶粒铝合金线材挤压方法的工作原理是：将需要挤压的铝合金坯料10放在内挤压筒4内的挤压模11上，周围充满液压介质5，并在挤压模11周边和挤压杆9外侧进行密封设置，这样挤压杆9通过液压介质5把挤压力传递给铝合金坯料10，挤压过程中，挤压杆9不与铝合金坯料10接触，铝合金坯料10被从挤压孔17挤出，铝合金坯料10的变形比很大，所以铝合金坯料10会产生强烈的塑性变形，同时由于挤压速度很快，可能抑制强烈金属塑性变形中的回复和可能的晶粒长大，从而使晶粒得到显著细化，获得晶粒细小、组织均匀、综合性能优良的超细晶铝粒合金线材。

本发明的超细晶粒铝合金线材挤压方法是，

首先将经加工并外表除锈除污后的铝合金常规挤压材料的一端加工成与挤压模11的导入孔19锥角角度一致的锥形，得到铝合金坯料10；并将铝合金坯料10的锥形一端插入导入孔19中，使铝合金坯料10锥形一端与导入孔19的锥面紧密接触；

将连接好铝合金坯料10的挤压模11放在内挤压筒4的下端内侧，然后在挤压模11和内挤压筒4之间依次安装铍铜密封圈II 13和“O”型密封圈II 12，

在内挤压筒4的内腔加入液压介质5到盖过铝合金坯料10的上端面，再装上挤压杆9，并在挤压杆9与内挤压筒4之间安装好“O”型密封圈I 7和铍铜密封圈I 8；

启动压力装置压下挤压杆9，挤压杆9向下挤压挤压介质5，挤压介质5将压力传给待挤压的铝合金坯料10，从而使铝合金坯料10受到连续向下挤压，通过挤压模11的挤压孔17被挤出，得到线材成品16。

挤压铝合金线材的工作在室温下即可进行，如针对特殊的材料，需要提高挤压温度，可给外挤压桶2外的加热体3通电，由热电偶14实时检测温度，控制加热体3的工作，实现特殊的要求。

实施例：

制备φ3mm纳米晶2017铝合金线材。

步骤一、准备挤压模。按照需要挤压的线材选择相应的挤压模11，将其中挤压孔17的三个台阶的直径尺寸D1、D2和D3分别设置为10mm、6mm和3mm。

步骤二、铝合金坯料10的备料。将工业态2017铝合金常规挤压材料制备成直径为30mm的圆柱形的棒材，并将其头部车成与挤压模11角度一致的锥角，制作成铝合金坯料10。

步骤三、装料及组装设备。将待挤压的铝合金坯料10清洗润滑后，装入挤压模11的锥角，并将挤压模11、内挤压筒4及其“O”型密封圈I 7和铍铜密封圈I 8依次连接好，然后向内挤压筒4的内腔加入液压介质5到盖过铝合金坯料10的上端面，最后装好挤压杆9及其铍铜密封圈II 13和“O”型密封圈II 12，

步骤四、静液挤压。启动压力机压下挤压杆9，挤压杆9向下挤压挤压介质5，挤压介质5又挤压铝合金坯料10，从而使铝合金坯料10受到连续向下挤压，通过挤压模11的挤压孔17被挤出，即成线材成品16。

图3是静液挤压2017铝合金线材的显微组织图，a是TEM显微组织图；b是静液挤压2017铝合金线材的衍射图。静液挤压前，坯料的晶粒尺寸为1μm。经过静液挤压后，线材内部组织致密，晶粒得到极大细化，晶粒尺寸小于100nm，在晶粒内可以看到一些位错，晶粒间具有高的取向差。线材具有高的组织稳定性，在300℃下保温30min后，晶粒尺寸仍小于100nm。

本发明装置的出丝速度在10～1000m/min，可根据需要设定压力机的压力大小，挤压制备的线材成品16表面光洁无裂纹，铝合金线材拉伸性能好，线材不存在低温脆性，且具有很高的力学性能。如线材在-198℃时抗拉强度、屈服强度分别为679.5MPa和603.4MPa，延伸率为12％；在室温下(20℃)，其抗拉强度、屈服强度分别为570.9MPa和505.4MPa，其延伸率为11％。

本发明装置的结构紧凑，挤压模设计独特，能一次完成细直径线材的静液挤压，挤压过程容易控制，可得到准无限长的连续线材。能够在室温或较高温度下进行挤压，挤压模能长期工作；系统操作方便、安全可靠、生产效率高。本发明适合于各种轻合金或难挤压合金的连续挤压，尤其适合于超晶粒高强度铝合金的挤压。

Claims (10)

1、一种线材静液挤压装置，其特征在于：包括外挤压筒(2)，外挤压筒(2)内套装有内挤压筒(4)，外挤压筒(2)与内挤压筒(4)的结合面呈上大下小的圆锥型，内挤压筒(4)的空腔中充有液压介质(5)，内挤压筒(4)的空腔上端设置有挤压杆(9)，挤压杆(9)与动力装置连接，挤压杆(9)的下端面设置有压力计，挤压杆(9)与内挤压筒(4)之间设置有密封装置；内挤压筒(4)的空腔下端面沿轴线方向开有出料通道(18)，内挤压筒(4)的空腔下端面内侧安装有挤压模(11)，挤压模(11)与内挤压筒(4)之间设置有密封装置，挤压模(11)沿轴线方向从上到下依次开有导入孔(19)和挤压孔(17)，导入孔(19)、挤压孔(17)与出料通道(18)处于同一轴线且通透。

2、根据权利要求1所述的挤压装置，其特征在于：所述的导入孔(19)设置成上大下小的锥角形状。

3、根据权利要求1所述的挤压装置，其特征在于：所述的挤压孔(17)的开口设置为上大下小的收缩台阶形状。

4、根据权利要求1所述的挤压装置，其特征在于：所述挤压杆(9)与内挤压筒(4)之间的密封装置为“O”型密封圈I(7)和铍铜密封圈I(8)。

5、根据权利要求1所述的挤压装置，其特征在于：所述挤压模(11)与内挤压筒(4)之间的密封装置为“O”型密封圈II(12)和铍铜密封圈II(13)。

6、根据权利要求1所述的挤压装置，其特征在于：所述的外挤压筒(2)的外表面设置有电阻式的加热体(3)，所述的挤压模(11)上设置有热电偶(14)。

7、根据权利要求1所述的挤压装置，其特征在于：所述的出料通道(18)的出口方向设置有气冷式的冷却装置(15)。

8、一种利用权利要求1所述的挤压装置挤压超细晶粒线材的方法，其特征在于：采用的挤压装置包括外挤压筒(2)，外挤压筒(2)内套装有内挤压筒(4)，外挤压筒(2)与内挤压筒(4)的结合面呈上大下小的圆锥型，内挤压筒(4)的空腔中充有液压介质(5)，内挤压筒(4)的空腔上端设置有挤压杆(9)，挤压杆(9)与动力装置连接，挤压杆(9)的下端面设置有压力计，挤压杆(9)与内挤压筒(4)之间设置有密封装置；内挤压筒(4)的空腔下端面沿轴线方向开有出料通道(18)，内挤压筒(4)的空腔下端面内侧安装有挤压模(11)，挤压模(11)与内挤压筒(4)之间设置有密封装置，挤压模(11)沿轴线方向从上到下依次开有导入孔(19)和挤压孔(17)，导入孔(19)、挤压孔(17)与出料通道(18)处于同一轴线且通透，所述的外挤压筒(2)的外表面设置有加热体(3)，在挤压模(11)上设置有热电偶(14)，

该方法利用上述装置按照以下步骤实施，

步骤一、准备挤压模，按照需要的线材尺寸分别设置出其中三个台阶的直径D1，D2和D3，选用相应尺寸导入孔(19)和挤压孔(17)的挤压模(11)，

步骤二、坯料的备料，将常规挤压材制备成相应直径的圆柱形的棒材，并将其头部车成与挤压模(11)的导入孔(19)角度一致的锥角，制作成铝合金坯料(10)，

步骤三、装料及组装设备，将铝合金坯料(10)装入挤压模(11)的导入孔(19)锥角，并将挤压模(11)连同铝合金坯料(10)放进内挤压筒(4)的内腔下端，再在挤压模(11)和内挤压筒(4)之间依次安装好“O”型密封圈I(7)和铍铜密封圈I(8)，然后向内挤压筒(4)的内腔加入液压介质(5)到盖过铝合金坯料(10)的上端面，最后在内挤压筒(4)的上端装好挤压杆(9)，并在内挤压筒(4)和挤压杆(9)之间依次安装好铍铜密封圈II(13)和“O”型密封圈II(12)，

步骤四、静液挤压，启动压力装置压下挤压杆(9)，挤压杆(9)挤压挤压介质(5)，挤压介质(5)连续向下挤压铝合金坯料(10)，铝合金坯料(10)通过挤压孔(17)被挤出，即得线材成品(16)。

9、根据权利要求7所述的挤压方法，其特征在于：所述的步骤四中，挤压模(11)上设置的热电偶(14)将挤压模(11)的温度信号上传，控制装置控制加热体(3)进行加温。

10、根据权利要求7所述的挤压方法，其特征在于：所述的步骤四中，压力计感受挤压杆(9)的下压力，并将压力信号传给压力控制装置，压力控制装置又控制压力装置向下压挤压杆(9)。

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