CN104894355A - 一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法 - Google Patents
一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，步骤为：对金属管材进行装卡，在其上选取一处局部位置作为晶粒细化段，且在晶粒细化段两侧分别套装有弯管轴承，对晶粒细化段进行环向加热，同时对弯管轴承进行冷却；当晶粒细化段温度达到设定值后，开始驱动金属管材绕其轴向中心线旋转，同时对弯管轴承施加径向力，使金属管材在旋转状态下实现弯曲；当金属管材的弯曲角度达到设定值后，开始对弯曲时间进行计时；当金属管材的弯曲时间达到设定值后，开始对弯管轴承施加反向径向力，使金属管材在旋转状态下恢复平直；当金属管材恢复平直后，首先停止金属管材的环向加热及旋转动作，然后马上对金属管材进行快速冷却，最终实现金属管材晶粒的细化。
Description
技术领域
本发明属于金属管材力学性能优化技术领域，特别是涉及一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法。
背景技术
近年来，随着环境污染、能源短缺和全球变暖问题的日趋严重，节能减排已成为全球工业发展中备受关注的热点。运输机械作为现代工业的重要组成部分，其在节能减排中有着举足轻重的作用，为了更加有效的利用现有能源，以及合理控制运输机械向环境中的排放，轻量化技术逐渐被应用到运输机械的制造过程中。而轻量化技术就是在保证安全的情况下，尽可能的减轻运输机械自身的重量。利用中空零件代替实心零件可以显著降低运输机械的重量，而其中就包括由金属管材加工制造的中空零件。为了满足运输机械对安全和零件成形过程的要求，中空零件应具有更好的强度和塑性，因此，用来生产中空零件的金属管材应该具有强度高、成形性能好的特点。
金属管材可以分为无缝管和焊接管，无缝管一般采用热扎、热挤压、冷拔与冷轧等方法生产，而焊接管一般采用各种焊接方法生产。利用这些传统方法生产的金属管材，其晶粒往往被拉长、粗化，其中焊接管的焊缝和热影响区往往会导致其微观组织和力学性能沿周向分布不均，这严重限制了金属管材在工业领域的应用范围，从某种意义上说也是对材料的一种浪费。
为了消除传统工艺方法生产的金属管材存在的微观组织和力学性能的缺陷，一般可通过热处理的方式以及采用控制轧制和控制冷却等工艺来克服缺陷。对于热处理方法而言，对消除金属管材残余应力，以及使金属管材微观组织均匀化确实有一定的作用，但是，该方法往往会导致金属管材晶粒粗化，并出现力学性能下降等不利后果。对于控制轧制和控制冷却的方法而言，由于其仅适用于热轧金属管材，导致适用范围有限。针对其他传统工艺生产的金属管材，还未见到有细化晶粒、提高力学性能的有效方法。
因此，亟需一种全新的方法，能够满足金属管材力学性能的优化，有效弥补因采用传统工艺方法生产的金属管材而存在的微观组织和力学性能的缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，能够实现对金属管材力学性能的优化，有效弥补因采用传统工艺方法生产的金属管材而存在的微观组织和力学性能的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，包括如下步骤：
步骤一：选取待加工的金属管材，并对金属管材进行装卡固定；
步骤二：在金属管材上选取一处局部位置作为晶粒细化段，且在晶粒细化段两侧的金属管材上分别套装有弯管轴承；
步骤三：对金属管材的晶粒细化段进行环向加热，同时对晶粒细化段两侧的弯管轴承进行冷却；
步骤四：当金属管材的晶粒细化段温度达到设定值后，开始驱动金属管材绕其轴向中心线旋转，同时对弯管轴承施加径向力，使金属管材在旋转状态下实现弯曲；
步骤五：当金属管材的弯曲角度达到设定值后，开始对金属管材的弯曲时间进行计时；
步骤六：当金属管材的弯曲时间达到设定值后，开始对弯管轴承施加反向径向力，使金属管材在旋转状态下恢复平直；
步骤七：当金属管材恢复平直后，首先停止金属管材的环向加热及旋转动作，然后马上对金属管材进行快速冷却，最终实现金属管材晶粒的细化。
通过调整弯管轴承的位置来控制金属管材的弯曲角度。
通过调整金属管材的加热温度、旋转速度、弯曲角度及弯曲时间来控制金属管材晶粒的细化程度。
所述金属管材通过高频加热线圈进行环向加热。
所述高频加热线圈的加热速度为0～100℃/s。
所述金属管材的旋转速度范围为0～100rpm。
弯管轴承采用的冷却方式为水冷却。
当金属管材恢复平直后，金属管材采用的快速冷却方式为快速水冷。
所述金属管材的实时温度通过非接触式的红外测温仪进行监测。
本发明的有益效果：
本发明首次采用“旋转+弯曲”的方式实现金属管材晶粒的细化，当金属管材处在“旋转+弯曲”状态时，在金属管材的弯曲中性面内侧始终承受着压应力作用，而在金属管材的弯曲中性面外侧始终承受着拉应力作用，当金属管材旋转一周后，在金属管材的弯曲段便会经历一次剧烈的拉伸和压缩变形过程，而这种拉伸和压缩变形恰好属于大塑性变形范畴，从而通过这种大塑性变形实现了金属管材晶粒的细化，进而改善了金属管材的力学性能。
附图说明
图1为金属管材晶粒细化前的初始状态图；
图2为金属管材通过“旋转+弯曲”方式进行晶粒细化时的状态图；
图3(a)实施例一中对照组管材(镁合金管)的微观组织图；
图3(b)实施例一中标准组管材(镁合金管)的微观组织图；
图4实施例一中原始管材、对照组管材及标准组管材的力学性能对比图；
图5(a)实施例二中对照组管材(镁合金管)的微观组织图；
图5(b)实施例二中标准组管材(镁合金管)的微观组织图；
图6实施例二中原始管材、对照组管材及标准组管材的力学性能对比图；
图7(a)实施例三中对照组管材(黄铜管)的微观组织图；
图7(b)实施例三中标准组管材(黄铜管)的微观组织图；
图8实施例三中原始管材、对照组管材及标准组管材的力学性能对比图；
图9(a)实施例四中对照组管材(黄铜管)的微观组织图；
图9(b)实施例四中标准组管材(黄铜管)的微观组织图；
图10实施例四中原始管材、对照组管材及标准组管材的力学性能对比图；
图11(a)实施例五中对照组管材(钢管)的微观组织图；
图11(b)实施例五中标准组管材(钢管)的微观组织图；
图12实施例五中原始管材、对照组管材及标准组管材的力学性能对比图；
图中，1—金属管材，2—弯管轴承，3—高频加热线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，包括如下步骤：
步骤一：选取待加工的金属管材，并对金属管材进行装卡固定；
步骤二：在金属管材上选取一处局部位置作为晶粒细化段，且在晶粒细化段两侧的金属管材上分别套装有弯管轴承，如图1所示；
步骤三：对金属管材的晶粒细化段进行环向加热，同时对晶粒细化段两侧的弯管轴承进行冷却；
步骤四：当金属管材的晶粒细化段温度达到设定值后，开始驱动金属管材绕其轴向中心线旋转，同时对弯管轴承施加径向力，使金属管材在旋转状态下实现弯曲，如图2所示；
步骤五：当金属管材的弯曲角度达到设定值后，开始对金属管材的弯曲时间进行计时；
步骤六：当金属管材的弯曲时间达到设定值后，开始对弯管轴承施加反向径向力，使金属管材在旋转状态下恢复平直；
步骤七：当金属管材恢复平直后，首先停止金属管材的环向加热及旋转动作，然后马上对金属管材进行快速冷却，最终实现金属管材晶粒的细化。
通过调整弯管轴承的位置来控制金属管材的弯曲角度。
通过调整金属管材的加热温度、旋转速度、弯曲角度及弯曲时间来控制金属管材晶粒的细化程度。
所述金属管材通过高频加热线圈进行环向加热。
所述高频加热线圈的加热速度为0～100℃/s。
所述金属管材的旋转速度范围为0～100rpm。
弯管轴承采用的冷却方式为水冷却。
当金属管材恢复平直后，金属管材采用的快速冷却方式为快速水冷。
所述金属管材的实时温度通过非接触式的红外测温仪进行监测。
本发明所适用的金属管材包括钢管、铝管、铜管、镁合金管等，且适用外径范围在1mm～300mm、壁厚范围在0.2mm～20mm、抗拉强度≤1000MPa的金属管材。
实施例一
本实施例中，金属管材为AZ31的镁合金管，镁合金管的尺寸为12.8mm×1mm×200mm，即镁合金管的外径为12.8mm，壁厚为1mm，管长为200mm，其内各化学成分质量百分比为AL-3.1％、Zn-0.8％、Mn-0.4％，余量为Mg。
镁合金管的加热温度设定值为150℃，当镁合金管的加热温度达到设定值后，开始对镁合金管进行“旋转+弯曲”，其中旋转速度为20rpm，弯曲角度为167°，弯曲时间设定值为6min，当镁合金管的弯曲时间达到设定值后，使镁合金管在旋转状态下恢复平直，然后停止镁合金管的环向加热及旋转，再进行快速水冷，从而完成镁合金管的晶粒细化。
为了证明通过“旋转+弯曲”方式对镁合金管微观组织及力学性能的影响，同时进行一组对照试验，对照试验中取消了弯曲过程，仅在加热状态下进行旋转。
将通过“旋转+弯曲”方式获得的镁合金管设为标准组管材，将只通过旋转方式获得的镁合金管设为对照组管材。
分别在标准组管材和对照组管材上取金相试样，金相试样镶嵌后进行机械研磨，机械研磨具体为：依次使用600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#及4000#的砂纸进行研磨；当机械研磨完成后，再使用颗粒度为3μm的金刚石抛光膏进行抛光，完成抛光后的金相试样通过腐蚀剂(由5.5g的C6H3N3O7、2ml的CH3COOH、90ml的C2H5OH及10ml的H2O混合制成)进行腐蚀，腐蚀时间为30s，最后用蒸馏水冲洗并吹干，再利用光学显微镜对微观组织进行观察。
如图3(a)、3(b)所示，经过“旋转+弯曲”的标准组管材，镁合金管的晶粒尺寸明显减小，其中标准组管材的平均晶粒尺寸约为3.5μm，而对照组管材的平均晶粒尺寸约为5.7μm，标准组管材相比于对照组管材的平均晶粒尺寸减小约38.6％，从而证明本发明的晶粒细化效果是明显的。
如图4所示，为原始管材、对照组管材及标准组管材的力学性能对比图，力学性能检测标准为GB/T 228-2002。从图4中可以看出，标准组管材具有更高的抗拉强度，虽然塑性略微减小，但强塑积(强度与塑性乘积)最高，其强塑积为4620MPa·％，而对照组管材的强塑积为4495MPa·％，原始管材的强塑积只有3875MPa·％，从而说明镁合金管的力学性能得到了有效改善。
实施例二
本实施例中，仅将实施例一中镁合金管的加热温度设定值调整为200℃，其余过程均与实施例一相同。
如图5(a)、5(b)所示，经过“旋转+弯曲”的标准组管材，其平均晶粒尺寸约为3.75μm，而对照组管材的平均晶粒尺寸约为5.9μm，标准组管材相比于对照组管材的平均晶粒尺寸减小约36.4％，晶粒得到明显细化。
如图6所示，为原始管材、对照组管材及标准组管材的力学性能对比图，从图中可以看出，标准组管材与对照组管材、原始管材相比，其具有更好的抗拉强度和塑性，镁合金管的力学性能得到了有效改善。
实施例三
本实施例中，金属管材为H65的黄铜管，黄铜管的尺寸为10mm×1mm×200mm，即黄铜管的外径为10mm，壁厚为1mm，管长为200mm。
黄铜管的加热温度设定值为200℃，当黄铜管的加热温度达到设定值后，开始对黄铜管进行“旋转+弯曲”，其中旋转速度为20rpm，弯曲角度为167°，弯曲时间设定值为7min，当黄铜管的弯曲时间达到设定值后，使黄铜管在旋转状态下恢复平直，然后停止黄铜管的环向加热及旋转，再进行快速水冷，从而完成黄铜管的晶粒细化。
为了证明通过“旋转+弯曲”方式对黄铜管微观组织及力学性能的影响，同时进行一组对照试验，对照试验中取消了弯曲过程，仅在加热状态下进行旋转。
将通过“旋转+弯曲”方式获得的黄铜管设为标准组管材，将只通过旋转方式获得的黄铜管设为对照组管材。
分别在标准组管材和对照组管材上取金相试样，金相试样镶嵌后进行机械研磨，机械研磨具体为：依次使用600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#及4000#的砂纸进行研磨；当机械研磨完成后，再使用颗粒度为3μm的金刚石抛光膏进行抛光，完成抛光后的金相试样通过腐蚀剂(由5g的FeCl3、15ml的HCl及100ml的H2O混合制成)进行腐蚀，腐蚀时间为50s，最后用蒸馏水冲洗并吹干，再利用光学显微镜对微观组织进行观察。
如图7(a)、7(b)所示，经过“旋转+弯曲”的标准组管材，标准组管材的平均晶粒尺寸约为20μm，而对照组管材的平均晶粒尺寸约为55μm，标准组管材相比于对照组管材的平均晶粒尺寸减小约63.4％，晶粒得到明显细化。
如图8所示，为原始管材、对照组管材及标准组管材的力学性能对比图，力学性能检测标准为GB/T 228-2002。从图8中可以看出，标准组管材的强塑积(强度与塑性乘积)为16320MPa·％，而对照组管材的强塑积为12180MPa·％，原始管材的强塑积只有2400MPa·％，黄铜管的力学性能得到了较大提高。
实施例四
本实施例中，仅将实施例三中黄铜管的弯曲角度调整为158°，弯曲时间调整为5min，其余过程均与实施例三相同。
如图9(a)、9(b)所示，经过“旋转+弯曲”的标准组管材，其平均晶粒尺寸约为25μm，而对照组管材的平均晶粒尺寸约为48μm，标准组管材相比于对照组管材的平均晶粒尺寸减小约47.9％，晶粒得到明显细化。
如图10所示，为原始管材、对照组管材及标准组管材的力学性能对比图，从图中可以看出，标准组管材与对照组管材、原始管材相比，其具有更好的抗拉强度和塑性，标准组管材的强塑积为14080MPa·％，而对照组管材的强塑积为12180MPa·％，原始管材的强塑积只有2400MPa·％，黄铜管的力学性能得到了较大提高。
实施例五
本实施例中，金属管材为JIS STKM17C的钢管，该钢种为G3445-2006普通结构用碳素钢标准，钢管的尺寸为10mm×2mm×200mm，即钢管的外径为10mm，壁厚为2mm，管长为200mm，其内各化学成分质量百分比为C-(0.45～0.55)％、Si≤0.8％、Mn-(0.4～1)％、P≤0.04％、S≤0.04％。
钢管的加热温度设定值为700℃，当钢管的加热温度达到设定值后，开始对钢管进行“旋转+弯曲”，其中旋转速度为20rpm，弯曲角度为167°，弯曲时间设定值为5min，当钢管的弯曲时间达到设定值后，使钢管在旋转状态下恢复平直，然后停止钢管的环向加热及旋转，再进行快速水冷，从而完成钢管的晶粒细化。
为了证明通过“旋转+弯曲”方式对钢管微观组织及力学性能的影响，同时进行一组对照试验，对照试验中取消了弯曲过程，仅在加热状态下进行旋转。
将通过“旋转+弯曲”方式获得的钢管设为标准组管材，将只通过旋转方式获得的钢管设为对照组管材。
分别在标准组管材和对照组管材上取金相试样，金相试样镶嵌后进行机械研磨，机械研磨具体为：依次使用400#、600#、800#、1000#及1200#的砂纸进行研磨；当机械研磨完成后，再使用颗粒度为3μm的金刚石抛光膏进行抛光，完成抛光后的金相试样通过腐蚀剂(由4ml的HNO3及96ml的C2H5OH混合制成)进行腐蚀，腐蚀时间为24s，最后用蒸馏水冲洗并吹干，再利用光学显微镜对微观组织进行观察。
如图11(a)、11(b)所示，经过“旋转+弯曲”的标准组管材，其平均晶粒尺寸约为5μm，而对照组管材的平均晶粒尺寸约为14μm，标准组管材相比于对照组管材的平均晶粒尺寸减小约64.2％，晶粒得到明显细化。
如图12所示，为原始管材、对照组管材及标准组管材的力学性能对比图，力学性能检测标准为GB/T 228-2002。从图12中可以看出，标准组管材与对照组管材相比，在抗拉强度基本不减小的情况下，塑性明显提高，延伸率提高约10％；标准组管材的强塑积(强度与塑性乘积)为5577.5MPa·％，对照组管材的强塑积为5145MPa·％，原始管材的强塑积为5100MPa·％，说明钢管的力学性能得到了有效改善。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
Claims (9)
1.一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：选取待加工的金属管材，并对金属管材进行装卡固定；
步骤二：在金属管材上选取一处局部位置作为晶粒细化段，且在晶粒细化段两侧的金属管材上分别套装有弯管轴承；
步骤三：对金属管材的晶粒细化段进行环向加热，同时对晶粒细化段两侧的弯管轴承进行冷却；
步骤四：当金属管材的晶粒细化段温度达到设定值后，开始驱动金属管材绕其轴向中心线旋转，同时对弯管轴承施加径向力，使金属管材在旋转状态下实现弯曲；
步骤五：当金属管材的弯曲角度达到设定值后，开始对金属管材的弯曲时间进行计时；
步骤六：当金属管材的弯曲时间达到设定值后，开始对弯管轴承施加反向径向力，使金属管材在旋转状态下恢复平直；
步骤七：当金属管材恢复平直后，首先停止金属管材的环向加热及旋转动作，然后马上对金属管材进行快速冷却，最终实现金属管材晶粒的细化。
2.根据权利要求1所述的一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于：通过调整弯管轴承的位置来控制金属管材的弯曲角度。
3.根据权利要求1所述的一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于：通过调整金属管材的加热温度、旋转速度、弯曲角度及弯曲时间来控制金属管材晶粒的细化程度。
4.根据权利要求1所述的一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于：所述金属管材通过高频加热线圈进行环向加热。
5.根据权利要求4所述的一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于：所述高频加热线圈的加热速度为0～100℃/s。
6.根据权利要求1所述的一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于：所述金属管材的旋转速度范围为0～100rpm。
7.根据权利要求1所述的一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于：弯管轴承采用的冷却方式为水冷却。
8.根据权利要求1所述的一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于：当金属管材恢复平直后，金属管材采用的快速冷却方式为快速水冷。
9.根据权利要求1所述的一种单级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于：所述金属管材的实时温度通过非接触式的红外测温仪进行监测。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150909 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |