CN105499292B - 磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法，包括模具和挤压杆，所述装置还包括加磁装置，所述模具内设置有圆柱体模腔和圆台体模腔；圆柱体模腔和圆台体模腔相连通，二者连接位置形成转角。本发明的装置将圆柱体模腔和圆台体模腔相结合，即将挤压工件的纯剪切变形和挤压工件的墩粗变形相结合，不仅使得挤压工件的晶粒细化的效率和均匀性得到提高，并且使得在变形过程中诸如容易开裂、易出现鼓型及表层缺陷等纯剪切变形和墩粗变形的缺陷消失。设置加磁装置，对挤压工件施加磁场，产生磁致塑性效应，增加金属的成型性；磁场作用会产生涡流热，热量同样会使得金属的塑性得到提高，并且可以使得热变形工件所需要加热的时间减少。

Description

磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法

技术领域

本发明属于金属塑性加工领域，涉及磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法。

背景技术

大塑性变形技术(SPD)作为一种能够有效细化晶粒，提高材料力学性能的深度塑性变形方法，在制备细晶材料方面具有明显的优势，目前，受到科学界青睐的大塑性变形技术有等通道转角挤压技术

(ECAP)、往复挤压技术(CEC)、高压扭转变形技术(HPT)等，这些制备细晶材料的方法得到了广泛应用。上述大塑性变形方法还存在着诸多问题，需要加以克服。ECAP在制备的细晶材料存在着织构倾向，试样在变形过程中，变形区较小，挤压道次较多等问题。CEC、HPT制备细晶材料时，因为模具需要承受的压力过大，因为制备的材料尺寸较小。往复挤压过程中，由于工件受到约束，因而易开裂。近年新出连续变断面循环挤压技术(CVCE)，连续变断面循环挤压过程中，工件变形量较小，易造成晶粒大小分布不均匀。

国内外研究表明，当具有顺磁特征的位错靠近障碍时会激发电子并在位错和障碍间形成自由基对，使得位错移动所需要的能量减少，位错退钉扎的能力增强，因而使得材料塑性变形的能力提高，而这种现象不是通过磁场力实现的，而是基于量子尺度的磁致塑性效应，此效应即磁致塑形效应。在磁致塑性变断面转角挤压过程中，添加变化的磁场可以使得变形过程中金属均匀流动性提高，金属塑性提高，成型更好。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题或缺陷，本发明的目的在于，提供一种磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置及其方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置，包括模具和挤压杆，所述装置还包括加磁装置，所述模具内设置有圆柱体模腔和圆台体模腔；圆柱体模腔和圆台体模腔相连通，二者连接位置形成转角；挤压工件在挤压杆的作用下，在圆柱体模腔和圆台体模腔内往复运动；加磁装置用于对挤压工件施加磁场；

所述转角的外角Ψ的大小为0°-18°。

所述转角的内角Φ的半径大小为0-9mm。

具体地，所述加磁装置包括交流电源和两个线圈，交流电源的两端分别通过一个线圈均与所述挤压工件连接。

具体地，挤压杆包括第一挤压杆和第二挤压杆，第一挤压杆与所述圆柱体模腔配合使用，第二挤压杆与所述圆台体模腔配合使用，第一挤压杆和第二挤压杆的端部分别套装所述的线圈。

进一步地，所述圆台体模腔的锥度α的大小为5°-7°。

进一步地，所述内角Φ的大小为94°-97°。

进一步地，所述加磁装置产生的此感应强度为10⁶bA，其中b为挤压工件的高度。

应用所述的磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置进行挤压的方法，具体包括以下步骤：

步骤1，开启加磁装置，对挤压工件施加磁场；

步骤2，将挤压工件放置在圆柱体模腔内，利用挤压杆对挤压工件进行挤压，挤压工件在压力作用下经过转角进行转角变形后，到达圆台体模腔，在圆台体模腔内形成圆台体；

步骤3，将装置逆时针旋转90°，利用挤压杆对圆台体模腔内的挤压工件进行挤压，挤压工件经过转角进行转角变形，进入圆柱体模腔中，成型为圆柱体；

步骤4，将挤压工件取出，并首尾颠倒，重复步骤1～3，则挤压过程结束。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明的装置将圆柱体模腔和圆台体模腔相结合，即将挤压工件的纯剪切变形和挤压工件的墩粗变形相结合，不仅使得挤压工件的晶粒细化的效率和均匀性得到提高，并且使得在变形过程中诸如容易开裂、易出现鼓型及表层缺陷等纯剪切变形和墩粗变形的缺陷消失。

2、本发明的装置在一次挤压过程中，挤压工件始终处于模具当中，可以减少挤压工件的热能损失，同时可以确保变形过程中没有其他的赃物被压入挤压工件中。

3、本发明的装置设置转角，目的在于使得挤压工件在转角完成后晶粒得到一定程度的细化，随之进行变断面变形，挤压工件在圆柱体模腔内完成第一次变形之后，在转角处受到连续的整体性压力，使得在剪切应力下的挤压工件受到的挤压变形力更加均匀，使得晶粒细化程度提高并且更加均匀。

4、本发明的挤压方法为一种新的细化晶粒方法，克服了现有转角挤压和循环变断面的技术问题，变断面挤压可以使得在转角挤压工件内外角的死区减少，转角变形使得循环变断面挤压过程中工件中部变形不均匀甚至不变形的情况消失；可以使得材料细化速率提高，并且使得材料细化程度提高，效率提高，大大节约时间成本和能耗成本。

5、本发明的变断面转角挤压装置和方法可以通过其原理可以实现材料的冷挤压，同时也可以满足热挤压的要求，设备较为简单，同时操作较为方便。

附图说明

图1为本发明的装置整体结构示意图；

图2为变断面转角挤压工件变形机理分析示意图；

图3为挤压工件为圆台体和圆柱体的示意图；其中，(a)为圆台体，(b)为圆柱体；

图4为挤压工件变形死角示意图；

图5为磁致塑性变断面转角挤压7道次之后的工件表面；

图6为变断面循环挤压2道次后工件外形；

图中标号代表：1—模具，2—挤压杆，2-1—第一挤压杆，2-2—第二挤压杆，3—加磁装置，3-1—交流电源，3-2—线圈，4—圆柱体模腔，5—圆台体模腔，6—转角，7—挤压工件，8—第一变形死区，9第二变形死区。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案做进一步详细地解释和说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，参见图1，本发明的磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置，包括模具1和挤压杆2，所述装置还包括加磁装置(3)，所述模具(1)内设置有圆柱体模腔(4)和圆台体模腔(5)；圆柱体模腔(4)和圆台体模腔(5)相连通，二者连接位置形成转角(6)；挤压工件(7)在挤压杆(2)的作用下，在圆柱体模腔(4)和圆台体模腔(5)内往复运动；加磁装置(3)用于对挤压工件(7)施加磁场。

本发明的装置的工作原理为：将挤压工件7放置在圆柱体模腔4内，挤压工件7为圆柱体，利用加磁装置3对挤压工件7施加磁场，利用挤压杆2对挤压工件7进行挤压，挤压工件7在压力作用下经过转角6进行转角变形后到达圆台体模腔5，在圆台体模腔5内形成圆台体；将装置逆时针旋转90°，利用挤压杆2对圆台体模腔5内的挤压工件7进行挤压，挤压工件7经过转角6进行转角变形，进入圆柱体模腔4中，成型为圆柱体；上述过程完成后，由于转角6的存在，导致挤压工件7存在一定的变形死区，因而需对挤压工件7进行二次挤压，即将挤压工件7取出，并首尾颠倒，重复以上步骤，则挤压过程结束，上述挤压过程为一个循环过程。

本发明的装置将圆柱体模腔4和圆台体模腔5相结合，即将挤压工件7的纯剪切变形和挤压工件7的墩粗变形相结合，不仅使得挤压工件7的晶粒细化的效率和均匀性得到提高，并且使得在变形过程中诸如容易开裂、易出现鼓型及表层缺陷等纯剪切变形和墩粗变形的缺陷消失。

本发明的装置在一次挤压过程中，挤压工件7始终处于模具1当中，可以减少挤压工件7的热能损失，同时可以确保变形过程中没有其他的赃物被压入挤压工件7中。

本发明的装置设置转角6，目的在于保证挤压工件7在转角6变形后晶粒得到一定程度的细化，随之进行变断面变形，挤压工件7在圆柱体模腔4内完成第一次变形之后，在转角6处受到连续的整体性压力，使得在剪切应力下的挤压工件7受到的挤压变形力更加均匀，使得晶粒细化程度提高并且更加均匀。

本发明设置加磁装置，对挤压工件7施加磁场，产生磁致塑性效应，增加金属的成型性；磁场作用会产生涡流热，热量同样会使得金属的塑性得到提高，并且可以使得热变形工件所需要加热的时间减少。加磁装置3括交流电源3-1和两个线圈3-2，交流电源3-1的两端分别通过一个线圈3-2均与所述挤压工件7连接。

为了简化加磁装置3与挤压工件7的连接，挤压杆2包括第一挤压杆2-1和第二挤压杆2-2，第一挤压杆2-1与所述圆柱体模腔4配合使用，第二挤压杆2-2与所述圆台体模腔5配合使用，第一挤压杆2-1和第二挤压杆2-2的端部分别套装所述的线圈3-2。所述第一挤压杆2-1用于将挤压工件7由圆柱体挤压成圆台体；所述第二挤压杆2-2用于墩粗变形过程对挤压工件7进行挤压，将挤压工件7由圆台体变为圆柱体，同时，第一挤压杆2-1和第二挤压杆2-2起到连接加磁装置3和挤压工件7的作用。

假设本发明的装置的转角6的内角为Φ，内角Φ的中心点为o,外角为Ψ，本发明的装置的应变量分别两部分，第一部分为剪切变形后的剪切应变量，第二部分为在进行变断面挤压后的真应变量。在进行剪切应变量的计算时，假设在挤压过程中，材料的流动均匀且连续，忽略挤压工件7与模具1之间的摩擦力，那么在挤压过程中，材料的流动速度一致，即V_竖直＝V_水平，在同样时间内，水平方向移动材料的位移和竖直方向材料的路径相等，因而可以选择任意一个变形单元，通过几何分析的方法获取变形的机理。

参见图2，选取变形单元abcd，经过变断面转角挤压之后变为等边梯形a’b’c’d’,过c’点坐c’f⊥ef，且有c’e||na’，a’b’||c’d’其中,n为oa’与转角的交点，ef为水平线，d’r与水平线的夹角为α，d’r为圆台体模腔5的底壁，由于变形过程中有v_竖直＝v_水平，则：

b′ c′ cosα＝bc＝ad＝a′ d′ cosα

由于材料在流动过程中各质点的材料流动速度一致，则在相同时间内，材料流经过的路径一致，则有：

dm+ma′+a′ d′＝cn+nb′+b′ c′

其中，

ma′＝om×Ψ，cn＝oc×Ψ

则

nb′＝dm+(om-oc)×Ψ

且由几何关系可以得到：

d′e＝nb′

且有：

d′f＝d′e+ef＝2dm+cm×Ψ

其中，m为oc的延长线与转角处的交点。

则：

c′f＝ab

则经过一个循环剪切变形后有的剪切应变量：

参见图3，为变断面挤压过程中挤压工件从圆柱体变为圆台体之后的示意图，由于变形过程为相互转化过程，因而每道工序的变形量相等，因为在挤压过程中体积不变，则有：

S₀H＝S_nh

其中，S₀为变形前圆柱体的横截面积；S_n为变形后圆台体的试样的横截面积，H为变形前圆柱体的高度，h为变形后圆台体的高度。

对上式取对数，则有

且在圆柱体变为圆台体的时候受的力只有轴向力，则反映的为试样在轴向力上的真应变，即为一个循环工序的真应变。

由塑性力学关系，变断面转角挤压的等效应变

在纯剪切应变时：

γ_xy＝γ_yz＝ε_x＝ε_y＝ε_z＝0

在挤压变形过程中：

ε_y＝ε_z＝γ_xy＝γ_yz＝γ_zx＝0

因此等效应变可以简化为

则挤压一个循环后的等效应变为：

则挤压N循环后之后的等效应变为：

由上述等效应变公式可知，在工具调节允许的情况下，通过调整模具1的转角6的角度，原则上可以认为真应变量可以达到极高的值，因而可以保证，塑性变形量的大小，这在大塑性变形过程中较少。

参见图4，图中黑色区域为挤压工件在转角挤压过程中的变形死区，分别为内角形成的第一变形死区8和外角形成的第二变形死区9，外角Ψ的大小会对变形死区的大小产生影响，外角Ψ越大，第二变形死区9的范围越大，同时使得挤压工件7的表面形成未变形层，并且外角越大，其等效应变的数值越小，因而将外角Ψ的大小选择为0°～18°，在保证所需要的应变量的情况下，保证挤压工件7底部不会出现未变形区。

经研究表明，随着内角Φ的半径的增大，模具1上部的金属的充满度增高，但是模具1上部对金属的作用区域平缓，并且内角Φ的半径的增加会使得外角Ψ的角度增大，因而在选择内角Φ时，根据外角Ψ的选择范围和模腔的大小确定内角Φ的半径，本发明给出的内角Φ的半径大小为0-9mm。

在将模具1逆时针旋转90°对挤压工件7进行挤压，即将圆台体挤压成圆柱体时，由于此过程属于墩粗变形，因圆台体与圆台体模腔5侧壁紧贴，因而不存在失稳的现象，并且不会产生鼓型，因而可以使得圆台体的高度和圆台体的小端直径比，即形状因子大于2，这样可以使得镦粗过程中镦粗变形死区范围较小。在锥度α为5°-7°时，若挤压工件的原始形状因子为1.5时，可以使得圆台体镦粗过程中的形状因子的比值达到2.1-2.3，因而选择的锥度α为5°-7°。

当内角为尖角时，容易致使转角6的上腔位形成空腔，并且材料也会因为流动不均匀而产生畸变，并且考虑到圆台体的锥度为5°-7°，以及第一变形死区8的位置，角度越大可以使得变形死区的面积减少，并且为了避免形成尖角，因而内角的范围为94°-97°。

第一挤压杆2-1和第二挤压杆2-2的直径差异为2atanαmm，其中a为工件的高度，α为圆台体模腔的锥度。

磁致塑性的磁感应强度临界值为10⁶A/m，因而在选择磁场强度时，若工件的高度为bm，则磁感应强度为10⁶bA。

本发明的应用磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置进行挤压的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，开启加磁装置3，对挤压工件7施加磁场；

步骤2，将挤压工件7放置在圆柱体模腔4内，利用挤压杆2对挤压工件7进行挤压，挤压工件7在压力作用下经过转角6进行转角变形后，到达圆台体模腔5，在圆台体模腔5内形成圆台体；此过程中的转角变形，使得挤压工件7在转角变形后晶粒得到一定程度的细化，随之进行变断面变形，挤压工件7在圆柱体模腔4内完成第一次变形之后，在转角6处受到连续的整体性压力，使得在剪切应力下的挤压工件7受到的挤压变形力更加均匀，使得晶粒细化程度提高并且更加均匀。

步骤3，将装置逆时针旋转90°，利用挤压杆2对圆台体模腔5内的挤压工件7进行挤压，挤压工件7经过转角6进行转角变形，进入圆柱体模腔4中，成型为圆柱体；此过程为墩粗变形，本发明将挤压工件7的纯剪切变形和挤压工件7的墩粗变形相结合，不仅使得挤压工件7的晶粒细化的效率和均匀性得到提高，并且使得在变形过程中诸如容易开裂、易出现鼓型及表层缺陷等纯剪切变形和墩粗变形的缺陷消失。

步骤4，将挤压工件7取出，并首尾颠倒，重复步骤1～3，则挤压过程结束。

本发明的挤压方法为一种新的细化晶粒方法，克服了现有转角挤压和循环变断面的技术问题，变断面挤压可以使得在转角挤压工件内外角的死区减少，转角变形使得循环变断面挤压过程中工件中部变形不均匀甚至不变形的情况消失；可以使得材料细化速率提高，并且使得材料细化程度提高，效率提高，大大节约时间成本和能耗成本。

实施例及对比分析：

对挤压AZ31镁合金进行热挤压，工件高30mm，直径为20mm的圆柱体，圆台体模腔的锥度为6°，则通过的磁场的磁感应强度为10⁶bA，模具外角为0°，内角为95°，工件的加热温度为300℃，采用机油加石墨粉混合进行润滑。参见图5，在采用磁致塑性变断面转角挤压时，在挤压完第7道次之后材料出现微裂纹，对金属晶粒进行观测，对于金属晶粒尺寸较小。参见图6，而在采用传统的变断面循环挤压对相同材料进行挤压时，挤压速度放慢为15mm/min，在挤压进行到第2道次时金属材料发生了断裂。

Claims (7)

1.磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置，包括模具(1)和挤压杆(2)，其特征在于，所述装置还包括加磁装置(3)，所述模具(1)内设置有圆柱体模腔(4)和圆台体模腔(5)；圆柱体模腔(4)和圆台体模腔(5)相连通，二者连接位置形成转角(6)；挤压工件(7)在挤压杆(2)的作用下，在圆柱体模腔(4)和圆台体模腔(5)内往复运动；加磁装置(3)用于对挤压工件(7)施加磁场；

所述转角(6)的外角Ψ的大小为0°-18°；所述转角(6)的内角Φ的半径大小为0-9mm。

2.如权利要求1所述的磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置，其特征在于，所述加磁装置(3)包括交流电源(3-1)和两个线圈(3-2)，交流电源(3-1)的两端分别通过一个线圈(3-2)均与所述挤压工件(7)连接。

3.如权利要求2所述的磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置，其特征在于，挤压杆(2)包括第一挤压杆(2-1)和第二挤压杆(2-2)，第一挤压杆(2-1)与所述圆柱体模腔(4)配合使用，第二挤压杆(2-2)与所述圆台体模腔(5)配合使用，第一挤压杆(2-1)和第二挤压杆(2-2)的端部分别套装所述的线圈(3-2)。

4.如权利要求1所述的磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置，其特征在于，所述圆台体模腔(5)的锥度α的大小为5°-7°。

5.如权利要求1所述的磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置，其特征在于，所述内角Φ的大小为94°-97°。

6.如权利要求1所述的磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置，其特征在于，所述加磁装置产生的磁感应强度为10⁶bA，其中b为挤压工件(7)的高度。

7.应用权利要求1所述的磁致塑性变断面转角挤压制备细晶的装置进行挤压的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，开启加磁装置(3)，对挤压工件(7)施加磁场；

步骤2，将挤压工件(7)放置在圆柱体模腔(4)内，利用挤压杆(2)对挤压工件(7)进行挤压，挤压工件(7)在压力作用下经过转角(6)进行转角变形后，到达圆台体模腔(5)，在圆台体模腔(5)内形成圆台体；

步骤3，将装置逆时针旋转90°，利用挤压杆(2)对圆台体模腔(5)内的挤压工件(7)进行挤压，挤压工件(7)经过转角(6)进行转角变形，进入圆柱体模腔(4)中，成型为圆柱体；

步骤4，将挤压工件(7)取出，并首尾颠倒，重复步骤1～3，则挤压过程结束。