CN101509116A - 一种利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法，属于超细晶材制备技术领域。它将两套型腔尺寸不同的模具组合在一起，通过控制模具的型腔尺寸和坯料的变形尺寸，实现坯料在两套模具中的反复镦挤变形过程，最终使坯料的内部微观组织变成超细晶粒，以获得超细晶粒的块体材料。这种反复的、多方向的镦挤变形不仅极有利于晶粒的细化，而且可以利用两套模具的反复变形，实现坯料的大变形，具有适用于多种材料、工艺简单的特点。由于生产成本低，性能优异，因此具有很强的市场竞争能力和推广应用价值。
Description
技术领域
本发明属于超细晶材制备技术领域，特别涉及一种利用镦挤大变形制备超细晶粒的方法。
背景技术
超细晶材料因具有良好的塑性、韧性和较高的强度，拥有好的综合力学性能。对于超细晶坯料而言，获得超细晶的加工方法是最关键的问题之一，是保证获得具有均匀的超细晶粒微观组织结构是主要的技术问题。
利用大塑性变形制备块体超细晶材料成为制备块体超细晶材料的有效途径之一。它是利用材料在塑性变形中交织的剪切变形，实现晶粒细化。在低于再结晶温度下，交织的剪切变形使块体材料的粗晶内部形成大角度晶界，导致晶粒细化，从而直接将材料的内部组织细化。因此，实现多方向的、大的塑性变形，是利用大塑性变形制备超细晶材料的关键。
目前利用大塑性变形制备块体超细晶材料的主要方法有：径角挤压法，高压扭转法，叠轧合法，反复折皱压直法，循环挤压法等，利用这些方法，可以使晶粒细化到亚微米。
自由锻造过程简单，容易实现，据报道采用多向自由锻造，在0.1～0.5T熔的温度范围内，对纯Ti及Ti合金、镁合金进行变形处理，可以获得晶粒尺寸为50～500nm的超细块体材料；铸态AZ80镁合金在300℃左右进行多向自由锻造，经过7道次锻造的变形，获得1—2微米的细晶组织。但是，在自由锻造时，由于变形的不均匀性，在坯料内部容易产生拉应力作用，从而导致裂纹，使变形无法进一步进行，因而无法进一步细化晶粒。因此，利用自由锻造过程，仅能进行几道次的变形，无法实现坯料的大变形。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于多种材料、利用两套模具进行反复镦挤实现材料大变形制备超细晶粒的方法，能够克服由于变形的不均匀性，在坯料内部容易产生拉应力作用，从而导致裂纹的缺陷。
本发明使坯料的内部微观组织变成超细晶粒的原理是镦挤变形时，坯料内部在与受力方向呈45度角的方向上产生平行的滑移带，将变形后的坯料沿周向水平旋转或垂直旋转90度，在下一次镦挤变形时，产生的新的滑移带与上一次变形产生的滑移带呈90度，两次变形产生的滑移带相互交织，形成网状分布，实现坯料内部组织的细化过程。通过多次的镦挤变形过程，利用反复的、不同方向的变形，获得具有超细晶粒内部组织的坯料。
在镦挤变形时，坯料在与受力方向呈90度的方向产生水平滑动，并且由于摩擦力的作用使变形不均匀，形成凸肚现象，产生拉应力作用，使坯料在变形过程中容易产生裂纹，使变形无法继续进行。本发明是利用模具的型腔，限制凸肚的产生，同时通过控制变形量，使坯料的变形均匀，减小坯料在墩粗变形时的拉应力作用，推迟或消除由于拉应力导致的裂纹，实现在两套模具中的反复镦挤变形过程。
本发明利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法的技术解决方案是：将两套型腔尺寸不同的模具组合在一起，将坯料(5)放入第一套模具的镦挤凹模(2)内，镦挤冲头(1)向下镦挤坯料(5)，使坯料(5)充满镦挤凹模(2)的型腔，然后，取出变形后的坯料(5)，改变坯料(5)的方向，放入第二套模具的镦挤凹模(2)内，镦挤冲头(1)向下镦挤坯料(5)，使坯料(5)充满镦挤凹模(2)的型腔，然后，取出变形后的坯料(5)，改变坯料(5)的方向，重新放入第一套模具的镦挤凹模(2)内，再使坯料(5)发生变形，通过坯料(5)在第一套模具和第二套模具中的反复的墩粗变形，实现坯料(5)的大变形，使坯料(5)的内部微观组织变成超细晶粒。
第一套模具的镦挤凹模(2)横截面尺寸长a1、宽b1与第二套模具的镦挤凹模(2)横截面尺寸长a2、宽b2，满足a1>a2；b1＝b2的关系。
坯料(5)经过第一套模具变形后的高度h1<b2或h1<a2；经过第二套模具变形后的高度h2<b1或h2<a1。
坯料(5)发生变形时，每次变形的方法是将坯料(5)沿周向旋转角度，即对于变形一次的坯料，在下一次变形时与沿周向水平旋转或垂直旋转90度。
在进行变形时，镦挤冲头(1)向下的速度在1mm/min到10m/s之间变化。
变形过程在室温下进行，也可以在高温下进行，加热温度T低于坯料(5)材料的再结晶T在，即T<T在。
利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的设备，包括镦挤冲头(1)、镦挤凹模(2)。镦挤冲头(1)和镦挤凹模(2)连接在一起，放置在支撑垫板(3)，必要时，将连接在一起的镦挤冲头(1)、镦挤凹模(2)和支撑垫板(3)放置在加热套(4)内。
在利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法中，第一套模具的镦挤凹模(2)横截面尺寸长a1、宽b1与第二套模具的镦挤凹模(2)横截面尺寸长a2、宽b2满足a1>a2；b1＝b2关系。坯料(5)在第一套模具变形后的高度h1，满足h1<b2或h1<a2的关系；在第二套模具变形后的高度度h2，满足h2<b1或h2<a1的关系。
在利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法中，变形可以在液压机、机械压力机、锻锤和挤压设备中进行，在进行变形时，镦挤冲头(1)向下的速度在1mm/min到10m/s之间变化。
在利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法中，对于塑性较好的材料，变形过程在室温下进行。对于塑性较差或难变形的材料，也以可通过加热套(4)加热，在高温下进行。加热温度T低于坯料(5)材料的再结晶T在，既T<T在。本发明利用了模具型腔的限制作用，使坯料在墩粗变形过程中产生压应力作用，减小坯料在墩粗变形时的拉应力作用，推迟或消除由于拉应力导致的裂纹，同时使坯料的变形均匀。通过在两套模具中的反复镦挤变形，实现坯料的大变形，最终使坯料的内部微观组织变成超细晶粒。本发明具有以下的有益效果：
1.采用本发明制备超细晶粒坯料时，利用专用模具，通过反复镦挤变形过程，实现了坯料的微观组织细化，直接方便地获得超细晶粒的坯料，适用于多种材料的坯料。
2.采用本发明，可以控制坯料在每次模具中的变形量。利用每次较小的变形量，通过反复的变形，实现坯料的大变形，可以进行较难变形材料制备超细晶粒的需要。
3.本发明特别适用于制备超细晶粒块体坯料，实施简单，对坯料尺寸、材料的局限性小，易于控制坯料的晶粒和质量。通过增大变形程度，可以获得特别细小的微观组织甚至得到纳米晶粒。
附图说明
图1是利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的设备示意图。
图2是利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法示意图。
图3是纯铜坯料退火后的粗晶组织。
图4坯料变形过程示意图。
图5纯铜坯料经过10次反复镦挤变形后的显微组织。
图6纯铜坯料经过30次反复镦挤变形后的显微组织。
图7是纯铜坯料经过70次反复镦挤变形后的显微组织。
图8是纯铜坯料经过40次反复镦挤变形后的显微组织。
图中：1是镦挤冲头，2是镦挤凹模，3是支撑垫板，4是加热套；5坯料。
具体实施方式
下面将结合实施例进一步说明本发明的实质。
实施例1 利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的设备，包括镦挤冲头(1)、镦挤凹模(2)，镦挤冲头(1)和镦挤凹模(2)连接在一起，放置在支撑垫板(3)上。将两套型腔尺寸不同的模具组合在一起，如图2所示，两套模具分别固定在液压机上。模具1型腔横截面尺寸为10mm×13.3mm，模具2型腔的横截面尺寸为10mm×10mm。
外形尺寸为10mm×10mm×10mm的纯铜坯料(5)在热处理炉内经过退火，获得晶粒尺寸约为50—100微米左右具有粗晶组织的纯铜坯料，如图(3)所示。反复镦挤过程如图4所示，将坯料(5)放入第一套模具的镦挤凹模(2)内，镦挤冲头(1)向下镦挤坯料(5)，使坯料(5)充满镦挤凹模(2)的型腔，镦挤冲头(1)的下压量为2.5毫米，坯料(5)变形后的尺寸为10mm×7.5mm×13.3mm。然后取出变形后的坯料(5)，沿周向垂直旋转90度，放入第二套模具的镦挤凹模(2)内，镦挤冲头(1)向下镦挤坯料(5)，使坯料(5)充满镦挤凹模(2)的型腔，镦挤冲头(1)的下压量为3.3毫米，坯料(5)变形后的尺寸为10mm×10mm×10mm。然后，再取出变形后的坯料(5)，沿周向垂直或水平旋转90度，重新放入第一套模具的镦挤凹模(2)内，再使坯料(5)发生变形，从而使坯料(5)在两套模具中反复镦挤变形。
纯铜坯料(5)在第一套模具和第二套模具的反复的墩粗变形，晶粒逐渐细化，经过70次上述反复的镦挤变形后，坯料的晶粒尺寸约为0.5-1微米。图5、图6和图7为坯料(5)经过不同次数的镦挤变形后的微观组织形貌。
实施例2 在所述的反复镦挤大变形制备超细晶粒的设备，固定在机械压力机上，提高镦挤冲头的下压速度，目的是提高坯料的变形速率。
模具1型腔横截面尺寸为10mm×11.1mm，模具2型腔的横截面尺寸为10mm×10mm。外形尺寸为10mm×10mm×10mm的纯铜坯料经过退火后，首先放在第一套模具的镦挤凹模内，镦挤冲头的下压1毫米，使坯料充满镦挤凹模的型腔，坯料变形后的尺寸为10mm×11.1mm×9mm。取出坯料后旋转90度，放入第二套模具的镦挤凹模内，镦挤冲头的下压1.1毫米，使坯料充满镦挤凹模型腔，坯料变形后的尺寸为10mm×10mm×10mm，然后将变形后的坯料旋转90度，重新放入第一套模具的镦挤凹模内进行镦挤变形。经过40次反复的镦挤变形后，坯料的晶粒尺寸约为0.5-1微米，如图8所示。
实施例3 在所述坯料的变形温度较高时，采用相应较高的镦挤模具温度。本实施例采用的坯料为Q235，坯料尺寸为10mm×10mm×10mm，变形在液压机上进行。坯料首次变形时的预热温度为600度，加热套加热的温度为400度。
Claims (6)
1.一种利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法，其特征在于，将两套型腔尺寸不同的模具组合在一起，将坯料(5)放入第一套模具的镦挤凹模(2)内，镦挤冲头(1)向下镦挤坯料(5)，使坯料(5)充满镦挤凹模(2)的型腔，然后，取出变形后的坯料(5)，改变坯料(5)的方向，放入第二套模具的镦挤凹模(2)内，镦挤冲头(1)向下镦挤坯料(5)，使坯料(5)充满镦挤凹模(2)的型腔，然后，取出变形后的坯料(5)，改变坯料(5)的方向，重新放入第一套模具的镦挤凹模(2)内，再使坯料(5)发生变形，通过坯料(5)在第一套模具和第二套模具中的反复的墩粗变形，实现坯料(5)的大变形，使坯料(5)的内部微观组织变成超细晶粒。
2.根据权利要求1所述的利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法，其特征在于，第一套模具的镦挤凹模(2)横截面尺寸长a1、宽b1与第二套模具的镦挤凹模(2)横截面尺寸长a2、宽b2，满足a1>a2；b1＝b2的关系。
3.根据权利要求2所述的利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法，其特征在于，坯料(5)经过第一套模具变形后的高度h1<b2或h1<a2；经过第二套模具变形后的高度h2<b1或h2<a1。
4.根据权利要求1所述的利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法，其特征在于，坯料(5)发生变形时，每次变形的方法是将坯料(5)沿周向旋转角度，即对于变形一次的坯料，在下一次变形时与沿周向水平旋转或垂直旋转90度。
5.根据权利要求1所述的利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法，其特征在于，在进行变形时，镦挤冲头(1)向下的速度在1mm/min到10m/s之间变化。
6.根据权利要求1所述的利用反复镦挤大变形制备超细晶粒的方法，其特征在于，变形过程在室温下进行，也可以在高温下进行，加热温度T低于坯料(5)材料的再结晶T在，即T<T在。
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