CN104002101A - 一种长纤维织构组织金属材料的制造方法 - Google Patents

一种长纤维织构组织金属材料的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种长纤维织构组织金属材料的制造方法，首先，将金属长纤维丝材进行紧密编织，形成编织体；然后通过塑性加工消除编织体内的空隙，并使丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得所需的具有长纤维织构组织的致密金属材料，即无孔隙金属材料。本发明方法制造的具有长纤维织构组织金属材料，纤维织构是连续的，具有丝材高的抗拉强度和高的疲劳强度性能，同时具有常规体积材料的刚度，可以像普通金属材料一样加工成机械零件使用。

Description

一种长纤维织构组织金属材料的制造方法
技术领域
本发明涉及金属材料制造的技术领域，尤其是指一种长纤维织构组织金属材料的制造方法。
背景技术
目前，金属材料是主要通过将原材料冶炼成金属液体，再将液体金属铸造凝固，然后通过轧制、锻压、挤压、拉拔等塑性加工方法制造成金属板材、棒材、块体材料、管材、型材、线材等。通过铸造方法制造的材料难免存在铸造工艺常有的缺陷，如偏析、缩松、缩孔等，虽然经过塑性加工这些缺陷被减少，但当制造的材料尺寸较大，材料的心部和端部由于塑性变形不充分，而无法完全消除而以微缺陷的形式存在，从而影响材料的使用性能。
另一种方法是将原材料冶炼制备获得金属粉末，再将不同的粉末配制到一起，压制烧结成粉末冶金零件和材料。在制备金属粉末时，粉末的表面一般会形成一层氧化膜或其它钝化膜，在储存和输送过程中容易混入杂质，很难保证粉末界面的洁净，从而影响粉末之间的冶金结合。粉末冶金材料具有一定的脆性，其抗冲击性能和疲劳力学性能相对较低。
金属丝材的生产方法有单丝拉拔法、集束拉拔法、切削法、熔抽法等，纤维直径可达1～2μm，强度高达1200～1800MPa,，因而具有较高的抗拉强度和高的疲劳强度，用来制造钢丝绳和桥梁拉索及琴弦等。但丝材直径较小容易弯曲变形，编成绳后也不具有刚度，仍容易弯曲变形，无法制造成结构零件。有的将金属纤维编织作为复合材料的增强体，有的将金属纤维切断加入到粉末材料和复合材料中提高材料的强度和抗冲击性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种具有高抗拉强度和高疲劳强度性能的长纤维织构组织金属材料的制造方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种长纤维织构组织金属材料的制造方法，首先，将金属长纤维丝材进行紧密编织，形成编织体；然后通过塑性加工消除编织体内的空隙，并使丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得所需的具有长纤维织构组织的致密金属材料，即无孔隙金属材料。
所述塑性加工对于室温条件下易于塑性变形的金属进行冷塑性加工；而对于室温条件下难于塑性变形的金属，则需在金属的热塑性加工温度范围内进行，即先对金属长纤维丝材编织而成的编织体进行加热，达到金属的热塑性加工温度后，再对编织体进行塑性加工。
所述冶金结合可通过对塑性加工后的编织体进行加热烧结实现。
将金属长纤维丝材进行紧密编织之前，可先对其进行表面处理，使丝材表面生成表面膜。
所述编织体为绳索、管、型材、板状或块状。
所述塑性加工有锻压、挤压、拉拔或轧制。
所述致密金属材料为线材、棒材、管材、型材、板材或块体材料。
所述表面处理有渗氮、渗碳、镀铬、镀镍或镀锌。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、由于材料是纤维编织获得，纤维相互约束，互相制约；
2、本发明方法制造的具有长纤维织构组织金属材料，纤维织构是连续的，具有丝材高的抗拉强度和高的疲劳强度性能，同时具有常规体积材料的刚度，可以像普通金属材料一样加工成机械零件使用；
3、采用的丝材直径相同，紧密编织烧结后形成的材料显微组织均匀；
4、通过表面处理附着在丝材表面的物质随着丝材均匀地分布到制备的材料中；
5、对丝材进行表面处理后，表面膜完整地包覆在丝材的表面，编织烧结之后丝材的表面膜随丝材均匀地分布到了制备的新材料之中，制备出的长纤维织构组织金属体积材料的每一根纤维都受到表面膜的保护，金属体积材料抗腐蚀性能得到大幅提高。
具体实施方式
下面结合多个具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述长纤维织构组织金属材料的制造方法，其情况为：首先，将金属长纤维丝材进行紧密编织，形成编织体(可以编织为绳索、管、型材、板状或块状等)；然后通过塑性加工(锻压、挤压、拉拔或轧制等)消除编织体内的空隙，并使丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得所需的具有长纤维织构组织的致密金属材料，即无孔隙金属材料(可以为线材、棒材、管材、型材、板材或块体材料)；其中，所述塑性加工对于室温条件下易于塑性变形的金属，对金属长纤维丝材编织而成的编织体在室温条件下进行冷塑性加工；而对于室温条件下难于塑性变形的金属，则需在金属的热塑性加工温度范围内进行，即先对金属长纤维丝材编织而成的编织体进行加热，达到金属的热塑性加工温度后，再对编织体进行塑性加工。
而在本实施例中，是采用直径35微米的1Cr18Ni9不锈钢丝材，通过编绳机编织成直径1毫米的绳索，再将直径1毫米的绳索编织成直径30毫米绳索，将直径30毫米绳索加热达到1150摄氏度，然后将30毫米绳索从出口直径为20毫米的拉拔模具中拉过，使绳索的外径减小，构成绳索的丝材之间的空隙消除，最后通过对绳索进行加热烧结，实现丝材之间的冶金结合，制造获得直径为20毫米具有长纤维织构组织致密不锈钢线材。
实施例2
与实施例1不同的是本实施例采用经过退火软化处理的直径35微米的1Cr18Ni9不锈钢丝材100根作为一束，通过编绳机将多束丝材编织成直径50毫米绳索，然后将50毫米的绳索从出口直径为30毫米的拉拔模具中拉过，使绳索的外径减小，构成绳索的丝材之间的空隙消除，获得直径30毫米的冷拉拔线材，将冷拉拔获得的直径30毫米线材在真空加热炉中加热达到1150摄氏度保温两小时，使丝材之间实现冶金结合，制造获得直径为30毫米具有长纤维织构组织致密不锈钢线材。
实施例3
与实施例2不同的是本实施例将直径50毫米的1Cr18Ni9不锈钢绳索置于璧厚为5毫米的20钢管中进行包覆冷拉拔。
实施例4
与实施例2不同的是本实施例的金属丝材为纯铜，实现冶金结合时是在真空加热炉中加热达到810摄氏度保温两小时。
实施例5
与实施例2不同的是本实施例的金属丝材为铝青铜，实现冶金结合时是在真空加热炉中加热达到880摄氏度保温两小时。
实施例6
与实施例2不同的是本实施例的金属丝材为纯铝，实现冶金结合时是在真空加热炉中加热达到500摄氏度保温两小时。
实施例7
与实施例2不同的是本实施例的金属丝材为铝合金，实现冶金结合时是在真空加热炉中加热达到550摄氏度保温两小时。
实施例8
与实施例2不同的是本实施例采用直径35微米的1Cr18Ni9不锈钢丝材100根作为一束，通过编绳机将多束丝材编织成直径50毫米绳索，将直径50毫米绳索加热达到1150摄氏度，然后将50毫米绳索从出口直径为30毫米的拉拔模具中拉过，使绳索的外径减小，构成绳索的丝材之间的空隙消除，丝材之间实现冶金结合，制造获得直径为30毫米具有长纤维织构组织致密不锈钢线材。
实施例9
与实施例1不同的是本实施例将实施例1中编织获得的直径30毫米绳索盘成直径200毫米、高度为300毫米的圆柱体，并用钢丝捆好保持圆柱体形状，置于保护气氛加热炉中，加热达到1150摄氏度，再将热的绳索盘成的圆柱体置于挤压筒中，从出口直径为20毫米的挤压模具中挤过，消除丝材之间的空隙，并实现丝材之间冶金结合，制造获得直径为20毫米具有长纤维织构组织致密不锈钢线材。
实施例10
与实施例1不同的是本实施例采用直径35微米的1Cr18Ni9不锈钢丝材100根作为一束，通过编绳机将多束丝材编织成直径200毫米粗绳索，再切割成长度为300毫米的圆柱体，加热达到1150摄氏度，再将热的圆柱体置于挤压筒中，从出口直径为60毫米的挤压模具中挤过，消除丝材之间的空隙，并实现丝材之间冶金结合，制造获得直径为60毫米具有长纤维织构组织致密不锈钢棒材。
实施例11
与实施例10不同的是本实施例将实施例10中制造获得的棒材打扁轧制成厚度为1毫米的致密板材。
实施例12
与实施例10不同的是本实施例将实施例10中编织获得的直径200毫米粗绳索，切割成长度为300毫米的圆柱体，加热达到1150摄氏度，再将热的圆柱体置于挤压筒中，从芯杆直径为50毫米、出口直径为70毫米的管子挤压模具中挤过，制造获得外径为70毫米、孔径为50毫米、璧厚为10毫米的具有长纤维织构组织致密不锈钢管材。
实施例13
与实施例1不同的是本实施例采用直径100微米的20钢丝材，编织成长2000毫米、宽300毫米、厚5毫米的编织板体，再将编织板体加热达到金属丝材的热塑性加工温度1050摄氏度，然后将热的编织板材料置于板材轧制机的轧辊之间进行轧制加工，消除丝材之间的空隙，使丝材之间实现冶金结合，制造获得具有长纤维织构组织致密金属板。
实施例14
与实施例1不同的是本实施例采用直径100微米的20钢丝材，编织成长300毫米、宽300毫米、高300毫米的编织体，再将编织块体加热达到金属丝材的热塑性加工温度1110摄氏度，然后将热的编织块体材料置于锻造设备的锻模之间进行锻压加工，消除丝材之间的空隙，使丝材之间实现冶金结合，制造获得具有长纤维织构组织致密金属块体。
实施例15
与实施例14不同的是本实施例所述的金属丝材在进行编织前，先经过渗氮表面处理，丝材表面生成氮化表面膜，具有氮化表面膜层的金属丝材紧密编织制造成具有长纤维织构组织的致密金属材料。
实施例16
与实施例15不同的是本实施例所述的金属丝材经过渗碳表面处理，丝材表面生成碳化表面膜。
实施例17
与实施例15不同的是本实施例所述的金属丝材经过碳氮共渗表面处理。
实施例18
与实施例15不同的是本实施例所述的金属丝材经过镀镍表面处理。
实施例19
与实施例15不同的是本实施例所述的金属丝材经过镀镍之后再镀铬。
实施例20
与实施例1不同的是本实施例采用直径100微米的铝青铜丝材20根作为一束，通过编绳机将多束编织成直径为100毫米的绳，再将直径为100毫米的绳加热达到铝青铜丝材的热塑性加工温度850摄氏度，然后将100毫米绳索从出口直径为50毫米的拉拔模具中拉过，使绳索的外径减小，构成绳索的丝材之间的空隙消除，丝材之间实现冶金结合，制造获得直径为50毫米具有长纤维织构组织致密铝青铜线材。
实施例21
与实施例20不同的是本实施例采用直径50微米的工具钢丝材50根作为一束，通过编绳机将多束编织成直径为100毫米的绳，再将直径为100毫米的绳加热达到工具钢丝材的热塑性加工温度1150摄氏度，然后将100毫米绳索从出口直径为50毫米的拉拔模具中拉过，使绳索的外径减小，构成绳索的丝材之间的空隙消除，丝材之间实现冶金结合，制造获得直径为50毫米具有长纤维织构组织致密工具钢棒材。
实施例22
与实施例20不同的是本实施例所述金属丝材为模具钢丝材。
实施例23
与实施例20不同的是本实施例所述金属丝材为轴承钢丝材。
实施例24
与实施例14不同的是本实施例采用的丝材直径为500微米。
实施例25
与实施例2不同的是本实施例将直径50微米的1Cr18Ni9退火软化处理的不锈钢丝材编织成工字型材，再从工字型材拉拔模具中进行冷拉拔，制造获得工字型材。
实施例26
与实施例2不同的是本实施例将直径50微米的1Cr18Ni9退火软化处理的不锈钢丝材编织成管，再从浮动芯模管子拉拔装置中进行冷拉拔，制造获得无缝钢管。
综上所述，本发明方法的原理是：当把多根丝材编织在一起达到一定的尺寸，由于丝材没有被切断，长纤维织构在制备的新材料中是连续的，则由丝材组成的新材料具有长纤维织构组织，因而具有丝材的高抗拉强度和高疲劳强度性能。同时丝材之间实现冶金结合后，就形成了由丝材构成的体积材料，丝材组成的新材料具有常规体积材料的刚度，可以像普通金属材料一样加工成机械零件或模具使用，比普通金属材料的力学性能更高、使用寿命更长，因而零件的安全可靠性得到了提高。
以上所述实施例子只为本发明较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种长纤维织构组织金属材料的制造方法，其特征在于：首先，将金属长纤维丝材进行紧密编织，形成编织体；然后通过塑性加工消除编织体内的空隙，并使丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得所需的具有长纤维织构组织的致密金属材料，即无孔隙金属材料。
2.根据权利要求1所述的一种长纤维织构组织金属材料的制造方法，其特征在于：所述塑性加工对于室温条件下易于塑性变形的金属进行冷塑性加工；而对于室温条件下难于塑性变形的金属，则需在金属的热塑性加工温度范围内进行，即先对金属长纤维丝材编织而成的编织体进行加热，达到金属的热塑性加工温度后，再对编织体进行塑性加工。
3.根据权利要求1所述的一种长纤维织构组织金属材料的制造方法，其特征在于：所述冶金结合可通过对塑性加工后的编织体进行加热烧结实现。
4.根据权利要求1所述的一种长纤维织构组织金属材料的制造方法，其特征在于：将金属长纤维丝材进行紧密编织之前，可先对其进行表面处理，使丝材表面生成表面膜。
5.根据权利要求1所述的一种长纤维织构组织金属材料的制造方法，其特征在于：所述编织体为绳索、管、型材、板状或块状。
6.根据权利要求1所述的一种长纤维织构组织金属材料的制造方法，其特征在于：所述塑性加工有锻压、挤压、拉拔或轧制。
7.根据权利要求1所述的一种长纤维织构组织金属材料的制造方法，其特征在于：所述致密金属材料为线材、棒材、管材、型材、板材或块体材料。
8.根据权利要求4所述的一种长纤维织构组织金属材料的制造方法，其特征在于：所述表面处理有渗氮、渗碳、镀铬、镀镍或镀锌。
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