CN103203588A - 一种不规则钢部件的成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种不规则钢部件的成形方法，属于机械加工技术领域。本发明方法首先对预制坯进行热机械加工，获得金属带材，然后通过搅拌加工连接和实现组合的方法逐层制备出一定形状的钢结构件预制坯，再通过机械加工、表面处理后，制备出钢部件。对带材的热机械加工方法可以是锻造、挤压、拉拔、轧制等，也可以是这些热机械加工方法的一种组合。本发明方法降低了对设备的要求，即使是制备大尺寸零件，也不需要大型热机械加工设备；使制备的不规则钢部件具有更好的力学性能；而且材料利用率高，提高了工作效率；可以用来制备颗粒增强的金属基复合材料，甚至是碳纳米管增强的金属基复合材料，因此具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种不规则钢部件的成形方法，属于机械加工技术领域。
背景技术
在制备金属结构件时，例如高强钢结构，为了制备出高性能的零件，往往需要对铸造后的结构件进行热机械加工，例如挤压、锻造、轧制等热机械加工，从而可以打碎粗大的原始铸态晶粒，使组织得到细化，从而得到高性能结构件。但是，传统的制备工艺对铸造后的预制坯进行热机械加工，一般需要大型的热机械加工设备，例如，挤压设备、锻造设备等，对于大尺寸的零件热机械加工还存在变形不均匀，造成组织、性能不均匀的问题。
电子束、激光成形等增量成形技术也可以用来制备金属结构件，一般是采用熔丝、熔粉、铺粉后熔覆来实现零件的成形，但是通过电子束、激光成形的零件一般是铸态组织，通过后续的热处理调控的难度较大，其中的一些缺陷很难通过后续热处理弥合。
发明内容
本发明的目的是提出一种不规则钢部件的成形方法，针对现有制造高强钢部件时存在的一些不足，采用热机械加工和搅拌加工连接相结合的方法，成形高性能钢部件，以提高原材料的利用率，并提高工作效率。
本发明提出的不规则钢部件的成形方法，包括以下步骤：
（1）采用热机械加工方法，将钢材加工成带材，带材的宽为5～10毫米，厚为1～3毫米，将带材缠绕在一个金属辊上；
（2）将金属辊上的带材加热到900℃～1000℃；
（3）将加热后的带材根据不规则钢部件的形状，按照由下至上的顺序逐层铺覆到一个基板上，边铺覆边对铺覆的带材进行搅拌加工，搅拌头转动速度为：500转/分～2000转/分，搅拌头与基板的相对运动速度为0.5～2.0毫米/秒，直到铺覆和搅拌加工出一个不规则钢部件的预制坯；
（4）对上述不规则钢部件预制坯进行机械加工，得到钢部件。
本发明提出的不规则钢部件的成形方法，与传统的制备钢结构的方法相比较，本发明成形方法采用热机械加工和搅拌加工相组合的方法，来制备不规则钢部件，具有以下优点：
1、本发明提出的钢部件成形方法，可以采用小型拉拔、轧制、锻压设备，也可以是小型热机械加工设备来实现等通道挤压、高压扭转、累计疊轧、往复挤压、折皱-压直、涡流挤压等剧烈塑性变形，降低了对设备的要求，即使是制备大尺寸零件，也不需要大型热机械加工设备。
2、本发明提出的钢部件成形方法，对铸造后的钢材首先进行热机械加工，然后进行搅拌加工和连接，在此过程中可以通过优化工艺参数，获得所需要的组织状态，甚至可以通过剧烈塑性变形得到细晶或超细晶组织，使制备的不规则钢部件具有更好的力学性能。
3、本发明提出的钢部件的成形方法，根据钢部件的外形，将经过热机械加工的带材铺覆后进行搅拌加工和连接，可以逐层近净成形出钢部件，因此材料利用率高，而且提高工作效率。
4、本发明提出的钢部件成形方法，除了可以用于成形不规则钢部件，也可以用于成形其它合金的各种形状的高性能结构件，例如钛合金、钛铝金属间化合物，也可以方便地制造双材料或多材料，双性能或多性能部件，也可以用来制备颗粒增强的金属基复合材料，甚至是碳纳米管增强的金属基复合材料，因此具有广泛的应用前景。
具体实施方式
本发明提出的不规则钢部件的成形方法，包括以下步骤：
（1）采用热机械加工方法，将钢材加工成带材，带材的宽为5-10毫米，厚为1-3毫米，将带材缠绕在一个金属辊上；
（2）将金属辊上的带材加热到900℃～1000℃；
（3）将加热后的带材根据不规则钢部件的形状，按照由下至上的顺序逐层铺覆到一个基板上，边铺覆边对铺覆的带材进行搅拌加工，搅拌头转动速度为：500转/分～2000转/分，搅拌头与基板的相对运动速度为0.5～2.0毫米/秒，直到铺覆和搅拌加工出一个不规则钢部件的预制坯；
（4）对上述不规则钢部件预制坯进行机械加工和表面处理，得到钢部件。
上述成形方法中，步骤（1）所述的其中所述的热机械加工方法为轧制、拉拔或等通道挤压等剧烈塑性变形方法，也可以是这些热机械加工方法的组合。
上述成形方法中步骤（2）所述的加热方法为感应加热、射频加热、电子束加热或激光加热等。
本发明的成形方法，在制备易氧化材料的钢部件时，可以在真空条件或氩气保护下对坯料进行热机械加工，以防止氧化。本方法可以用于成形以钢为基体材料的钢部件，也可以成形其它金属为基体材料的颗粒增强、纤维增强金属基复合材料的不规则部件。
本发明成形方法中，可以采用搅拌加工和连接的方法，也可以采用扩散连接的方法。
以下介绍本发明方法的实施例：
实施例1：
（1）采用轧制加工的方法，将钢材加工成带材，带材的宽为5毫米，厚为2毫米，将带材缠绕在一个金属辊上；
（2）将金属辊上的带材加热到900℃，加热方式是感应加热；
（3）将加热后的带材根据不规则钢部件的形状，按照由下至上的顺序逐层铺覆到一个基板上，边铺覆边对铺覆的带材使用一个搅拌头进行搅拌加工，搅拌头的转动速度为：500转/分，搅拌头与基板的相对运动速度为0.4毫米/秒，直到铺覆和搅拌加工出一个不规则钢部件的预制坯。其中搅拌头的尺寸为：轴肩直径为8mm，搅拌针直径为3mm，搅拌针长度为2.5mm；
（4）对上述不规则钢部件预制坯进行铣削加工，得到不规则钢部件。
实施例2：
（1）采用轧制加工的方法，将钢材和铌材加工成带材，带材的宽为5毫米，厚为1毫米，将两种带材叠层后缠绕在一个金属辊上；
（2）将金属辊上的带材加热到920℃，加热方式是电子束加热；
（3）将加热后的带材根据不规则钢部件的形状，按照由下至上的顺序逐层铺覆到一个基板上，边铺覆边对铺覆的带材进行搅拌加工，搅拌头转动速度为：700转/分，搅拌头与基板的相对运动速度为0.3毫米/秒，直到铺覆和搅拌加工出一个不规则钢部件的预制坯。其中搅拌头的尺寸为：；
（4）对上述不规则钢部件预制坯进行铣削加工，加工出钢部件。
实施例3：
（1）采用拉拔加工的方法，将钢材和铌材加工成丝材，丝材直径为Φ0.2mm，将钢丝材和铌丝材混合编织成带材，带材的宽为5毫米，厚为2毫米，将带材缠绕在一个金属辊上；
（2）将金属辊上的带材加热到940℃，加热方式是射频加热；
（3）将加热后的带材根据不规则部件的形状，按照由下至上的顺序逐层铺覆到一个基板上，边铺覆边对铺覆的带材使用一个搅拌头进行搅拌加工，搅拌头的转动速度为：600转/分，搅拌头与基板的相对运动速度为0.5毫米/秒，直到铺覆和搅拌加工出一个不规则的含钢和铌部件的预制坯。其中搅拌头的尺寸为：轴肩直径为10mm，搅拌针直径为3mm，搅拌针长度为2.5mm；
（4）将含钢和铌两种材料的部件预制坯放入到热等静压炉中进行烧结，工艺参数为：1200℃/200MPa/3h；
（5）对上述不规则含钢和铌的部件预制坯进行铣削加工，得到不规则钢部件。
实施例4：
（1）在真空度为1.0×10-3Pa的条件下，将块状的钢原料放入到到真空感应熔炼炉中，熔炼温度为1400℃，将钢原料熔炼为液体；
（2）在真空感应熔炼炉的下方有一个孔，熔炼后的金属液漏下，对漏下的金属液进行轧制，轧制成横截面尺寸为5mm×2mm的窄带。根据不规则钢部件的形状，边轧制边按照由下至上的顺序，将轧制后的带材逐层铺覆到一个基板上。边铺覆边对铺覆的带材使用一个搅拌头进行搅拌加工，搅拌头的转动速度为：300转/分，搅拌头与基板的相对运动速度为0.6毫米/秒，直到铺覆和搅拌加工出一个不规则钢部件的预制坯。其中搅拌头的尺寸为：轴肩直径为9mm，搅拌针直径为4mm，搅拌针长度为2.5mm；
（3）对上述不规则钢部件预制坯进行铣削加工，得到不规则钢部件。
实施例5：
（1）采用轧制加工的方法，将钢材加工成带材，带材的宽为5毫米，厚为2毫米，将带材缠绕在一个金属辊上；
（2）将金属辊上的带材加热到960℃，加热方式是激光加热；
（3）将加热后的带材根据不规则钢部件的形状，按照由下至上的顺序逐层铺覆到一个基板上，边铺覆边对铺覆的带材使用一个搅拌头进行搅拌加工，在搅拌加工的同时加入TiC颗粒。搅拌头的转动速度为：800转/分，搅拌头与基板的相对运动速度为0.3毫米/秒，直到铺覆和搅拌加工出一个不规则钢部件的预制坯。其中搅拌头的尺寸为：轴肩直径为9mm，搅拌针直径为4mm，搅拌针长度为2.5mm；
（4）对上述不规则钢部件预制坯进行铣削加工，得到TiC颗粒增强的不规则钢部件。
实施例6：
（1）采用铣削加工的方法，将钢材加工成长方体状原始坯料，原始坯料的尺寸为10mm×10mm×80mm；
（2）对长方体状坯料进行等通道挤压成形，通道横截面为正方形，边长为10mm，两通道的夹角为90°，等通道挤压的工艺参数为：变形温度900℃，挤压速度为25mm/s，单道次的剪切应变为1.25，等效应变为0.25，挤压道次为5次；
（3）采用轧制加工的方法，将等通道挤压成形后的钢材加工成带材，带材的宽为5毫米，厚为2毫米，将带材缠绕在一个金属辊上；
（4）将金属辊上的带材加热到920℃，加热方式是感应加热；
（5）将加热后的带材根据不规则钢部件的形状，按照由下至上的顺序逐层铺覆到一个基板上，边铺覆边对铺覆的带材使用一个搅拌头进行搅拌加工，搅拌头的转动速度为：600转/分，搅拌头与基板的相对运动速度为0.4毫米/秒，直到铺覆和搅拌加工出一个不规则钢部件的预制坯。其中搅拌头的尺寸为：轴肩直径为8mm，搅拌针直径为3mm，搅拌针长度为2.5mm；
（6）对上述不规则钢部件预制坯进行是数控铣削加工，得到不规则钢部件。
实施例7：
（1）采用钢金属粉末，将其装入一个铣削加工成的Q235包套中，经过真空除气、真空封装、热等静压，热等静压工艺参数为：1050℃/200MPa/2h，然后采用铣削加工的方法去除表面的Q235包套后加工出预制坯，预制坯的尺寸为：10mm×10mm×80mm；
（2）对长方体状坯料进行等通道挤压成形，通道横截面为正方形，边长为10mm，两通道的夹角为90°，等通道挤压的工艺参数为：变形温度900℃，挤压速度为25mm/s，单道次的剪切应变为1.25，等效应变为0.25，挤压道次为8次；
（3）采用轧制加工的方法，将等通道挤压成形后的钢材加工成带材，带材的宽为5毫米，厚为2毫米，将带材缠绕在一个金属辊上；
（4）将金属辊上的带材加热到920℃，加热方式是感应加热；
（5）将加热后的带材根据不规则钢部件的形状，按照由下至上的顺序逐层铺覆到一个基板上，边铺覆边对铺覆的带材使用一个搅拌头进行搅拌加工，搅拌头的转动速度为：700转/分，搅拌头与基板的相对运动速度为0.5毫米/秒，直到铺覆和搅拌加工出一个不规则钢部件的预制坯。其中搅拌头的尺寸为：轴肩直径为6mm，搅拌针直径为3mm，搅拌针长度为2.5mm；
（6）对上述不规则钢部件预制坯进行铣削加工，得到不规则钢部件。
实施例8：
（1）采用拉拔的方法加工出金属铌丝，丝材的直径为：Φ0.5mm；
（2）采用真空电弧的方法将钢沉积到铌丝的表面，具体方法如下：将钢管和铌丝放入到真空系统中，真空度为1.0×10-3Pa，钢管的外径为10mm，壁厚为2mm，长度为100mm，将铌丝沿中轴线穿过钢管，铌丝穿过钢管的速度为10毫米/分钟。在钢管的上出口的上方0.2mm处，放置两个钨材料起弧电极，两个起弧电极沿钢管的中轴线对称，起弧电极尺寸为：5mm×5mm×2mm，其中起弧电极靠近钢管中轴线的一个5mm×2mm的表面与钢管的内表面平齐，并垂直于钢管的上管口所在的平面。在钢管与起弧电极之间施加800伏的电压，并向钢管中通入氩气，使真空度达到10Pa，通入氩气的流量为25sccm。在铌丝上施加-300伏的电压。通过不断地移动铌丝，使其穿过钢管，同时转动钢管，钢管的转动速度为2转/分钟。钢管材料在真空条件下起弧后，在电压的作用下，使得钢管材料不断沉积到铌丝的表面，铌丝表面的钢材料的沉积厚度达到0.3mm；
（3）将沉积了钢材料的铌丝缠绕到一个带凹槽的Q235钢内环上，然后在外部套上一个Q235钢的外环，将内外环经过封边焊、真空除气、真空封装后进行热等静压，热等静压工艺参数为：960℃/120MPa/2h；
（4）采用车削加工的方法，将经过热等静压后预制坯表面的Q235钢去除，获得铌丝增强的钢部件。
实施例9：
（1）采用拉拔的方法加工出金属铌丝，丝材的横截面尺寸为：Φ0.5mm；
（2）采用轧制的方法加工出金属钢丝，丝材的横截面尺寸为：1mm×1mm，在丝材横截面上有一个半圆的凹槽，半圆形的对称轴线与丝材横截面对称轴线重合，半圆形凹槽的半径为0.5mm；
（3）将铌丝放入到钢金属丝的凹槽中，并共同缠绕到一个带凹槽的Q235钢内环上，然后在外部套上一个Q235钢的外环，经过封焊、真空除气、真空封装后进行热等静压，热等静压工艺参数为：1000℃/200MPa/2h；
（4）采用车削加工的方法，将经过热等静压后的预制坯表面的Q235钢去除，获得铌丝增强的钢部件。
实施例10：
（1）采用铣削加工的方法，将钢材加工成长方体状原始坯料，原始坯料的尺寸为10mm×10mm×80mm；
（2）对长方体状坯料进行等通道挤压成形，通道横截面为正方形，边长为10mm，两通道的夹角为90°，等通道挤压的工艺参数为：变形温度930℃，挤压速度为20mm/s，单道次的剪切应变为1.25，等效应变为0.25，挤压道次为5次；
（3）采用车削加工的方法，将经过等通道挤压成形后的预制坯加工成尺寸为Φ4mm×5mm棒状坯料，采用旋转摩擦的方法将棒状坯料按照由下至上的顺序逐层铺覆到一个基板上，其中旋转摩擦的旋转速度为3000转/分，顶锻力为500kg。采用感应加热的方法将刚刚铺覆的棒状坯料加热到930℃，边铺覆边加热，边对经过铺覆和加热后的棒状坯料使用一个搅拌头进行搅拌加工，搅拌头的转动速度为：700转/分，搅拌头与基板的相对运动速度为0.5毫米/秒，直到铺覆和搅拌加工出一个不规则钢部件的预制坯。其中搅拌头的尺寸为：轴肩直径为8mm，搅拌针直径为4mm，搅拌针长度为2.5mm；
（6）对上述不规则钢部件预制坯进行铣削加工，得到不规则钢部件
实施例11：
（1）采用钢金属粉末，将其装入Q235包套中，经过真空除气、真空封装、热等静压，热等静压工艺参数为：1050℃/200MPa/2h，然后采用铣削的方法加工出预制坯，预制坯的尺寸为10mm×10mm×80mm；
（2）对长方体状坯料进行等通道挤压成形，通道横截面为正方形，边长为10mm，两通道的夹角为90°，等通道挤压的工艺参数为：变形温度900℃，挤压速度为25mm/s，单道次的剪切应变为1.25，等效应变为0.25，挤压道次为8次；
（3）采用铣削加工的方法，加工出Q235钢的包套，采用铣削加工的方法，将经过等通道挤压成形后的预制坯加工成尺寸为5mm×5mm×5mm的块状坯料，按照由下至上的顺序将块状坯料逐层排布到Q235钢的包套中，将排布了块状坯料的包套经过封焊、真空除气、真空封装后进行热等静压，热等静压工艺参数为：1050℃/120MPa/2h；
（4）采用铣削加工的方法，将经过热等静压后的预制坯表面的Q235钢去除，获得不规则形状的钢部件。
实施例12：
（1）采用轧制加工的方法，将钢材加工成钢板，钢板的尺寸为：300mm×150mm×0.4mm；
（2）将7层钢板材依次叠层，每叠层一层，采用搅拌摩擦焊接的方法将两层板材连接在一起，连接的位置为圆形焊接点，圆形焊接点成矩阵分布，圆形焊接点的直径为Φ4mm，圆形焊接点相互之间沿两个垂直方向分布的距离均为10mm，第1、3、5、7层与2、4、6、8层的圆形焊接点相互交错排布，即其中偶数层的圆形焊接点位于奇数层中的组成正方形的四个圆形焊接点的中心位置；
（3）将搅拌摩擦焊接叠层后的板材进行封边焊，放入到采用数控铣削加工的成形模具中，成形模具中有一个高度为20mmmm，长度为300mm，宽度为200mm的空腔。采用电加炉将模具和板材加热到900℃，在叠层的两两板材中间同时缓慢通入氩气，氩气压力最大为1.0MPa，使其胀形并与成形模具的内腔贴模，从而制备出尺寸为300mm×200mm×20mm的多孔钢结构；
Claims (3)
1.一种不规则钢部件的成形方法，其特征在于该成形方法包括以下步骤：
（1）采用热机械加工方法，将钢材加工成带材，带材的宽为5-10毫米，厚为1-3毫米，将带材缠绕在一个金属辊上；
（2）将金属辊上的带材加热到900℃～1000℃；
（3）将加热后的带材根据不规则钢部件的形状，按照由下至上的顺序逐层铺覆到一个基板上，边铺覆边对铺覆的带材进行搅拌加工，搅拌头转动速度为：500转/分～2000转/分，搅拌头与基板的相对运动速度为0.5～2.0毫米/秒，直到铺覆和搅拌加工出一个不规则钢部件的预制坯；
（4）对上述不规则钢部件预制坯进行机械加工，得到钢部件。
2.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于步骤（1）所述的热机械加工方法为轧制、拉拔或等通道挤压方法中的任何一种或多种热机械加工方法的组合。
3.如权利要求1所述的成形方法，其特征在于步骤（2）所述的加热方法为感应加热、射频加热、电子束加热或激光加热。
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Granted publication date: 20150527 Termination date: 20160422 |
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