CN104947011B - 一种多级式细化及控制金属管材晶粒的方法 - Google Patents

Abstract

一种多级式细化及控制金属管材晶粒的方法，步骤为：选取待加工的金属管材，通过金属管材喂料器对金属管材施加旋转及喂料动作，其中旋转速度为设定值，当上料过程结束时停止喂料动作，只保留金属管材的旋转动作；然后对金属管材晶粒细化段进行环向加热，同时对弯管轴承及限位轴承进行冷却；当晶粒细化段温度达到设定值后，开始对金属管材进行弯曲，直至弯曲角度达到设定值，在此过程中，通过金属管材辅助旋转器使金属管材处于无扭转变形旋转状态；当弯曲时间达到设定值后，恢复金属管材的喂料动作，并保持设定的喂料速度，同时启动矫直机；金属管材以旋转状态喂入矫直机，通过矫直机对金属管材进行矫直，最终实现金属管材晶粒的细化。

Description

一种多级式细化及控制金属管材晶粒的方法

技术领域

本发明属于金属管材力学性能优化技术领域，特别是涉及一种多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，本发明提供一种多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：一种多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，同时准备一套金属管材喂料器、一套矫直机及若干轴承，其中金属管材喂料器用于给金属管材提供旋转及喂料动作，且金属管材喂料器出料口与矫直机进料口正对设置；若干轴承中每四个为一组构成弯管轴承组，在弯管轴承组中，位于两侧的两个轴承为限位轴承，位于中间的两个轴承为弯管轴承；弯管轴承组数量若干，且若干弯管轴承组均匀分布在金属管材喂料器与矫直机之间，且弯管轴承组、金属管材喂料器出料口及矫直机进料口位于同一条直线上；

步骤二：启动金属管材喂料器，通过金属管材喂料器对金属管材施加旋转及喂料动作，在金属管材旋转及喂料过程中，金属管材依次穿过若干弯管轴承组，直至金属管材一端进入矫直机进料口，此时停止金属管材的喂料动作，只保留金属管材的旋转动作；

步骤三：在多组弯管轴承组所对应的金属管材上各选取一处晶粒细化段，且晶粒细化段位于各弯管轴承组的两个弯管轴承中间，并对晶粒细化段进行环向加热，同时对弯管轴承及限位轴承进行冷却；

步骤四：当金属管材的晶粒细化段温度达到设定值后，开始对弯管轴承施加径向力，同时恢复金属管材的喂料动作，且喂料速度为设定值，使金属管材在旋转状态下逐渐实现弯曲；

步骤五：当金属管材的弯曲角度达到设定值后，再次停止金属管材的喂料动作，只保留金属管材的旋转动作，同时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，恢复金属管材的喂料动作，并保持设定的喂料速度，同时启动矫直机；

步骤七：金属管材以旋转状态喂入矫直机，通过矫直机对金属管材进行矫直，并最终实现金属管材晶粒的细化。

在相邻的弯管轴承组之间加装有金属管材辅助旋转器，通过金属管材辅助旋转器为金属管材提供平衡扭矩，使金属管材处于无扭转变形旋转状态。

通过调整弯管轴承及限位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、喂料速度、弯曲角度及弯曲时间来控制金属管材晶粒的细化程度。

所述金属管材喂料器的喂料速度范围为0～60mm/s。

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。

弯管轴承及限位轴承采用的冷却方式为水冷却。

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。

随着金属管材长度及弯曲段数量的增加，越靠近矫直机一端的金属管材所受到的旋转阻力就会越大，在旋转阻力作用下，会导致金属管材被动加载较大的扭矩，当扭矩过大时，很有可能发生金属管材在旋转过程中扭曲变形或是被扭断的情况，本发明通过在相邻的弯管轴承组之间加装金属管材辅助旋转器，从而使金属管材处于无扭转变形旋转状态，可有效避免金属管材出现扭曲变形或是被扭断的情况发生，从而提高了金属管材的长度适用范围。

附图说明

图1为金属管材在晶粒细化前仅处于旋转动作下的状态图；

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(铝合金管)的微观组织图；

图7(b)实施例三中标准组管材(铝合金管)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)实施例四中高速组管材(黄铜管)的微观组织图；

图9(b)实施例四中中速组管材(黄铜管)的微观组织图；

图9(c)实施例四中低速组管材(黄铜管)的微观组织图；

图10实施例四中原始管材、低速组管材、中速组管材及高速组管材的力学性能对比图；

图中，1—金属管材，2—弯管轴承，3—限位轴承，4—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。

一种多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，同时准备一套金属管材喂料器、一套矫直机及若干轴承，其中金属管材喂料器用于给金属管材提供旋转及喂料动作，且金属管材喂料器出料口与矫直机进料口正对设置；若干轴承中每四个为一组构成弯管轴承组，在弯管轴承组中，位于两侧的两个轴承为限位轴承，位于中间的两个轴承为弯管轴承；弯管轴承组数量若干，且若干弯管轴承组均匀分布在金属管材喂料器与矫直机之间，且弯管轴承组、金属管材喂料器出料口及矫直机进料口位于同一条直线上；

步骤二：启动金属管材喂料器，通过金属管材喂料器对金属管材施加旋转及喂料动作，在金属管材旋转及喂料过程中，金属管材依次穿过若干弯管轴承组，直至金属管材一端进入矫直机进料口，此时停止金属管材的喂料动作，只保留金属管材的旋转动作，如图1所示；

步骤三：在多组弯管轴承组所对应的金属管材上各选取一处晶粒细化段，且晶粒细化段位于各弯管轴承组的两个弯管轴承中间，并对晶粒细化段进行环向加热，同时对弯管轴承及限位轴承进行冷却；

步骤四：当金属管材的晶粒细化段温度达到设定值后，开始对弯管轴承施加径向力，同时恢复金属管材的喂料动作，且喂料速度为设定值，使金属管材在旋转状态下逐渐实现弯曲，如图2所示；

步骤五：当金属管材的弯曲角度达到设定值后，再次停止金属管材的喂料动作，只保留金属管材的旋转动作，同时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，恢复金属管材的喂料动作，并保持设定的喂料速度，同时启动矫直机；

步骤七：金属管材以旋转状态喂入矫直机，通过矫直机对金属管材进行矫直，并最终实现金属管材晶粒的细化。

在相邻的弯管轴承组之间加装有金属管材辅助旋转器，通过金属管材辅助旋转器为金属管材提供平衡扭矩，使金属管材处于无扭转变形旋转状态。

通过调整弯管轴承及限位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。

所述金属管材喂料器的喂料速度范围为0～60mm/s。

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。

弯管轴承及限位轴承采用的冷却方式为水冷却。

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5mm～500mm、壁厚范围在0.5mm～20mm、抗拉强度≤1000MPa的金属管材。

本发明的金属管材喂料器具体可采用三辊斜轧机，金属管材辅助旋转器具体可采用三辊直轧机。

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13.8mm×1mm×5000mm，即镁合金管的外径为13.8mm，壁厚为1mm，管长为5000mm，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。

金属管材喂料器对镁合金管施加旋转及喂料动作，旋转速度为20rpm，镁合金管的加热温度设定值为200℃，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弯曲，同时恢复镁合金管的喂料动作，弯曲角度为167°，弯曲时间设定值为6min，喂料速度为0.5mm/s，在此过程中，通过金属管材辅助旋转器使镁合金管处于无扭转变形旋转状态；当镁合金管的弯曲时间达到设定值后，恢复镁合金管的喂料动作以及启动矫直机，镁合金管以旋转状态喂入矫直机，通过矫直机对镁合金管进行矫直。

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400#、600#、800#、1000#、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12μm，而对照组管材的平均晶粒尺寸约为18μm，标准组管材相比于对照组管材的平均晶粒尺寸减小约33.3％，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和塑性，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150℃，喂料速度调整为1mm/s，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10μm，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28.6％，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，而塑性与对照组管材、原始管材相比略微减小，说明在低温条件下对提高镁合金管的抗拉强度是有明显效果的。

实施例三

本实施例中，金属管材为6061的铝合金管，铝合金管的尺寸为10mm×1.5mm×5000mm，即黄铜管的外径为10mm，壁厚为1.5mm，管长为5000mm。

金属管材喂料器对铝合金管施加旋转及喂料动作，旋转速度为40rpm，镁合金管的加热温度设定值为100℃，当铝合金管的加热温度达到设定值后，开始对铝合金管进行弯曲，同时恢复铝合金管的喂料动作，弯曲角度为158°，弯曲时间设定值为5min，喂料速度为0.5mm/s，在此过程中，通过金属管材辅助旋转器使铝合金管处于无扭转变形旋转状态；当铝合金管的弯曲时间达到设定值后，恢复铝合金管的喂料动作以及启动矫直机，铝合金管以旋转状态喂入矫直机，通过矫直机对铝合金管进行矫直。

为了证明通过“旋转+弯曲”方式对铝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”方式获得的铝合金管设为标准组管材，将只通过旋转方式获得的铝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400#、600#、800#、1000#、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2ml的HF、3ml的HCl、5ml的HNO₃及95ml的H₂O混合制成)进行腐蚀，腐蚀时间为450s，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，铝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25μm，而对照组管材的平均晶粒尺寸约为35μm，标准组管材相比于对照组管材的平均晶粒尺寸减小约28.6％，从而证明本发明的晶粒细化效果是明显的。

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4中可以看出，标准组管材、对照组管材与原始管材相比，抗拉强度均呈现增大趋势，标准组管材与对照组管材相比，虽然抗拉强度相差不大，但塑性得到明显改善。

实施例四

本实施例中，金属管材为H65的黄铜管，黄铜管的尺寸为10mm×1mm×5000mm，即黄铜管的外径为10mm，壁厚为1mm，管长为5000mm。

本实施例中共进行三组对照试验，三组对照试验中唯一不同的是喂料速度，且根据不同的喂料速度依次设为低速组管材、中速组管材和高速组管材，进行三组对照试验的目的，是为了证明本发明在“旋转+弯曲”方式下，仅通过改变喂料速度也可影响黄铜管的微观组织及力学性能。

金属管材喂料器对黄铜管施加旋转及喂料动作，旋转速度为20rpm，黄铜管采用无加热条件(室温RT)，黄铜管的弯曲角度为167°，弯曲时间设定值为7min，喂料速度：低速组管材为0.25mm/s、中速组管材为0.5mm/s、高速组管材为1mm/s，且通过金属管材辅助旋转器使黄铜管处于无扭转变形旋转状态；当黄铜管的弯曲时间达到设定值后，恢复黄铜管的喂料动作以及启动矫直机，黄铜管以旋转状态喂入矫直机，通过矫直机对黄铜管进行矫直。

分别在低速组管材、中速组管材和高速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#、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9(a)、9(b)、9(c)所示，经过“旋转+弯曲”的低速组管材、中速组管材和高速组管材，其平均晶粒尺寸随着喂料速度的降低而减小，其中高速组管材的平均晶粒尺寸约为45μm，中速组管材的平均晶粒尺寸约为35μm，低速组管材的平均晶粒尺寸约为20μm，从而说明在室温下可以通过降低喂料速度来细化黄铜管的晶粒。

如图10所示，为原始管材、低速组管材、中速组管材及高速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10中可以看出，随着喂料速度的减小，抗拉强度呈略微减小的趋势，但塑性呈较明显的增大趋势，说明室温下可以通过降低喂料速度来改善黄铜管的力学性能。

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)

1.一种多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，同时准备一套金属管材喂料器、一套矫直机及若干轴承，其中金属管材喂料器用于给金属管材提供旋转及喂料动作，且金属管材喂料器出料口与矫直机进料口正对设置；若干轴承中每四个为一组构成弯管轴承组，在弯管轴承组中，位于两侧的两个轴承为限位轴承，位于中间的两个轴承为弯管轴承；弯管轴承组数量若干，且若干弯管轴承组均匀分布在金属管材喂料器与矫直机之间，且弯管轴承组、金属管材喂料器出料口及矫直机进料口位于同一条直线上；

步骤二：启动金属管材喂料器，通过金属管材喂料器对金属管材施加旋转及喂料动作，在金属管材旋转及喂料过程中，金属管材依次穿过若干弯管轴承组，直至金属管材一端进入矫直机进料口，此时停止金属管材的喂料动作，只保留金属管材的旋转动作；

步骤三：在多组弯管轴承组所对应的金属管材上各选取一处晶粒细化段，且晶粒细化段位于各弯管轴承组的两个弯管轴承中间，并对晶粒细化段进行环向加热，同时对弯管轴承及限位轴承进行冷却，弯管轴承及限位轴承采用的冷却方式为水冷却；

步骤四：当金属管材的晶粒细化段温度达到设定值后，开始对弯管轴承施加径向力，同时恢复金属管材的喂料动作，且喂料速度为设定值，使金属管材在旋转状态下逐渐实现弯曲；

步骤五：当金属管材的弯曲角度达到设定值后，再次停止金属管材的喂料动作，只保留金属管材的旋转动作，同时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，恢复金属管材的喂料动作，并保持设定的喂料速度，同时启动矫直机；

步骤七：金属管材以旋转状态喂入矫直机，通过矫直机对金属管材进行矫直，并最终实现金属管材晶粒的细化。

2.根据权利要求1所述的一种多级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于：在相邻的弯管轴承组之间加装有金属管材辅助旋转器，通过金属管材辅助旋转器为金属管材提供平衡扭矩，使金属管材处于无扭转变形旋转状态。

3.根据权利要求1所述的一种多级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于：通过调整弯管轴承及限位轴承的位置来控制金属管材的弯曲角度。

4.根据权利要求1所述的一种多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、喂料速度、弯曲角度及弯曲时间来控制金属管材晶粒的细化程度。

5.根据权利要求1所述的一种多级式细化及控制金属管材晶粒的方法，其特征在于：所述金属管材喂料器的喂料速度范围为0～60mm/s。

6.根据权利要求1所述的一种多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。

7.根据权利要求6所述的一种多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。

8.根据权利要求1所述的一种多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。

9.根据权利要求1所述的一种多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。