CN106064181B - 一种板材剧烈塑性变形的累积挤压装置及其使用方法 - Google Patents

一种板材剧烈塑性变形的累积挤压装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种板材剧烈塑性变形的累积挤压装置，包括套筒、挤压筒、与挤压筒配套的挤压杆以及挤压模具，所述套筒外套于挤压筒上，所述挤压模具固定连接在套筒的底部，所述挤压筒的内壁截面为方形。本发明将挤压筒截面设置为方形，不仅便于多块薄板的叠加，还可以实现剧烈塑性变形，从而细化晶粒，本发明装置还可以实现块体材料和薄板的复合挤压、不同厚度板材的复合挤压、不同金属材料的复合挤压，也可以制备具有晶粒尺寸梯度的板材。

Description

一种板材剧烈塑性变形的累积挤压装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及材料加工领域，具体涉及一种板材剧烈塑性变形的累积挤压装置及其使用方法。
背景技术
晶粒尺寸对多晶体材料的塑性和强度有很大的影响，通过晶粒细化不仅可以使材料的强度大幅提高，而且还可以显著改善材料的塑性和韧性。一方面，晶粒越细小，单位体积内晶粒数目越多，可使一定量的变形分散在更多晶粒内。另一方面，通过晶粒细化，可以使位错滑移程与位错塞积群长度缩短，减小晶界附近的应力集中，从而使合金的塑性得到提高。此外，细晶粒金属中由于应力集中小，裂纹不易萌生，晶界曲折多，导致萌生的裂纹不易传播，因而能在断裂过程中吸收更多的能量，表现出较高的韧性。
在目前制备超细化晶粒材料(晶粒尺寸在1μm以下)的工艺方法中，剧烈塑性变形技术表现出极具吸引力的优势。剧烈塑性变形可以在变形过程中引入大的应变量(传统的塑性变形很难实现应变量大于1的真应变)，从而有效细化(亚微米或纳米量级)金属，且获得完整大尺寸块体试样。目前制备超细晶材料的剧烈塑性变形方法主要有以下几种:高压扭转法，等通道角挤压，累积叠轧，和反复折皱-压直等方法，而现有的关于板材剧烈塑性变形的方法主要为累积叠轧和反复折皱-压直。在累积叠轧过程中变形量有限，容易开裂，并且变形的温度要求高，容易造成晶粒的长大与材料的氧化；反复折皱-压直过程中单道次真应变有限，累积变形后的总的变形量也有限，并且过程复杂制备的材料较小。等通道角挤压方法是一种很好的剧烈塑性变形方法，对细化晶粒有很好的效果，但是等通道角挤压一般使用的材料是棒材或者是块体，无法实现薄板的剧烈塑性变形。并且通过普通挤压方式挤压板材的工艺为一次成形工艺，挤压后的板材不能实现二次挤压。
发明内容
本发明的目的主要是针对现有板材的剧烈塑性变形方法存在晶粒细化效果不好、无法实现薄板的剧烈塑性变形等问题，提供一种板材剧烈塑性变形的累积挤压装置，该装置不仅可以有效细化晶粒，还可以实现不同厚度板材的复合挤压。本发明还提供了该装置对板材进行累积挤压的方法。
本发明的具体技术方案为：一种板材剧烈塑性变形的累积挤压装置，包括套筒、挤压筒、与挤压筒配套的挤压杆以及挤压模具，所述套筒外套于挤压筒上，所述挤压模具固定连接在套筒的底部，所述挤压筒内壁截面为方形。
本发明将挤压筒截面设置为方形，不仅便于多块薄板的叠加，还可以实现剧烈塑性变形，从而细化晶粒。
作为优选，所述挤压筒多个径向分割的挤压筒模块合围构成筒体结构。这种设计可以避免由于应力集中导致挤压筒开裂，在设计中也可以根据情况设置4个、6个、8个等不同个数的小的挤压筒模块组成挤压筒。
作为优选，所述挤压筒与套筒过盈配合。
作为优选，所述挤压模具的定径带与挤压筒的一个内壁面平行。
如上所述的累积挤压装置的使用方法，包括如下步骤：
(1)在挤压筒内壁均匀涂抹润滑剂后，在套筒外周套上加热圈，加热至设定温度后保温45～75min；
(2)将表面经打磨并清洗的金属薄板垂直排列于挤压筒内，保温15～30min后进行第一道次挤压；
(3)挤压后的金属薄板剪成挤压前的尺寸，重复步骤(1)和(2)进行下一道次挤压，同一金属薄板经1～8道次挤压后，挤压过程完成。
作为优选，步骤(2)中金属薄板平行或垂直于定径带放置。
作为优选，每道次的设定温度在金属薄板的再结晶温度以下。
作为优选，每道次的挤压速度为5～50mm/s。每道次的挤压速度以及设定温度可以相同，也可以不同，根据需要调整。
本方法中使用的润滑剂可为石墨粉与水的混合液，或者其他常用润滑剂，如高温油脂、高温油与二硫化钼的混合液，在挤压道次之间可以选择按照同一方向挤压或者每道次转换90°交叉挤压，同时也可以更换不同尺寸的挤压模具，实现不同真实应变的累积挤压过程，本发明装置单道次的真实应变可达1.35～3.65，8道次的累积应变可达10.8～29.2。
对于不同材料的复合挤压，如金属A与金属B的复合挤压，叠加方式可以采取外侧是金属A，内侧是金属B，或者内侧是金属A，外侧是金属B，或者一层金属A一层金属B，或者根据需要任意叠加；对于不同晶粒尺寸的板材组合挤压，叠加时板材的晶粒尺寸可由中间至两边逐渐增大或逐渐减小，或大小交替，即一层大晶粒一层小晶粒，或者其他随意的叠加方式；对于不同厚度的板材，可根据需要任意叠加。
本发明的有益效果是：(1)可以实现板材的剧烈塑性变形，很好地细化金属晶粒，单道次真实应变可达到1.35～3.65，8道次真实应变可达到10.8～29.2；(2)可以实现块体材料和薄板的复合挤压；(3)可以实现不同厚度板材的复合挤压；(4)可以实现不同金属材料的复合挤压；(5)可以制备具有晶粒尺寸梯度的板材。
附图说明
图1为使用本发明累积挤压装置挤压金属薄板的一种状态示意图；
图2为本发明累积挤压装置挤压筒的一种结构的俯视图；
图3为本发明累积挤压装置挤压筒的另一种结构的俯视图；
图中：1-套筒，2-挤压筒，3-挤压杆，4-挤压模具，5-内六角螺丝，6-加热圈，7-挤压垫，8-定径带，9-金属薄板，10-挤压筒模块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
图1为使用本发明累积挤压装置挤压金属薄板的一种状态示意图，如图所示，该累积挤压装置包括套筒1，挤压筒2，与挤压筒2配套的挤压杆3以及挤压模具4，套筒1外套于挤压筒2上，套筒1与挤压筒2之间为过盈配合，挤压模具4通过内六角螺丝5固定连接在套筒1的底部，挤压模具4的定径带8与挤压筒2的一个内壁面平行，加热圈6外套于套筒1上，金属薄板9垂直排列于挤压筒2内，并与定径带8平行，挤压垫7置于金属薄板9上，挤压杆3通过挤压垫7挤压金属薄板9。
图2为本发明装置一种结构的俯视图，如图所示，挤压筒2的内壁截面为正方形，图3为本发明装置另一种结构的俯视图，如图所示，挤压筒2由4个径向分割的挤压筒模块10合围构成筒体结构，挤压筒2的内壁截面为正方形。
采用本发明装置挤压金属薄板时，先在挤压筒2内壁涂抹润滑剂，再将加热圈6套在套筒1的外周，启动加热至达到设定温度并保温一定时间后，将经打磨及清洗的金属薄板9置于挤压筒2内，再将挤压垫7置于金属薄板9上，经保温一定时间后，即可进行挤压。
实施例1
在挤压筒2内壁均匀涂抹石墨粉与水的悬浊液，再将加热圈6套在套筒1的外周，设定温度200℃，开始加热，达到设定温度后保温60min，其中挤压筒2内壁截面的尺寸为17mm*17mm，预挤压的镁合金薄板9的尺寸为40mm*15mm*1.5mm，定径带截面尺寸为15mm*1.5mm。
将镁合金薄板9表面打磨，并使用酒精清洗后，选择10片垂直排列于挤压筒2内，其中镁合金薄板9平行于定径带8放置，在镁合金薄板9上面放上挤压垫7，保温15min后，通过挤压杆3以10mm/s的速度挤压，镁合金薄板经一道次挤压的真实应变为2.49。
实施例2
在挤压筒2内壁均匀涂抹石墨粉与水的悬浊液，再将加热圈6套在套筒1的外周，设定温度250℃，开始加热，达到设定温度后保温60min，其中挤压筒2内壁截面的尺寸为17mm*17mm，预挤压的镁合金薄板9的尺寸为40mm*15mm*1.5mm，定径带截面尺寸为15mm*1.5mm。
将镁合金薄板9表面打磨，并使用酒精清洗后，选择10片垂直排列于挤压筒2内，其中镁合金薄板9垂直于定径带8放置，在镁合金薄板9上面放上挤压垫7，保温15min后，通过挤压杆3以10mm/s的速度挤压，单道次的真实应变为2.49。
将挤压后的板材剪成挤压前的尺寸，打磨清洗后，再重复上述操作，进行下一道次挤压，镁合金薄板9经2道次挤压后，累积真实应变为4.98。
实施例3
在挤压筒2内壁均匀涂抹石墨粉与水的悬浊液，再将加热圈6套在套筒1的外周，设定温度100℃，开始加热，达到设定温度后保温50min，其中挤压筒2内壁截面的尺寸为17mm*17mm，预挤压的1060纯铝薄板9的尺寸为40mm*15mm*1.5mm，定径带截面尺寸为15mm*1.5mm。
将1060纯铝薄板9表面打磨，并使用酒精清洗后，选择10片垂直排列于挤压筒2内，其中1060纯铝薄板9平行于定径带8放置，在1060纯铝薄板9上面放上挤压垫7，保温30min后，通过挤压杆3以20mm/s的速度挤压，挤压真实应变为2.49。
将挤压后的板材剪成挤压前的尺寸，打磨清洗后，再重复上述操作，进行下一道次挤压，1060纯铝薄板9经4道次挤压后，累积真实应变为9.96。
实施例4
在挤压筒2内壁均匀涂抹石墨粉与水的悬浊液，再将加热圈6套在套筒1的外周，设定温度100℃，开始加热，达到设定温度后保温70min，其中挤压筒2内壁截面的尺寸为17mm*17mm，预挤压的1060纯铝薄板9的尺寸为40mm*15mm*3mm，定径带截面尺寸为15mm*3mm。
将1060纯铝薄板9表面打磨，并使用酒精清洗后，选择5片垂直排列于挤压筒2内，其中1060纯铝薄板9平行于定径带8放置，在1060纯铝薄板9上面放上挤压垫7，保温15min后，通过挤压杆3以20mm/s的速度挤压，挤压真实应变为1.86。
将挤压后的板材剪成挤压前的尺寸，打磨清洗后，再重复上述操作，进行下一道次挤压，1060纯铝薄板9经6道次挤压后，累积真实应变为11.16。
实施例5
在挤压筒2内壁均匀涂抹石墨粉与水的悬浊液，再将加热圈6套在套筒1的外周，设定温度200℃，开始加热，达到设定温度后保温60min，其中挤压筒2内壁截面的尺寸为53mm*53mm，预挤压的1060纯铝薄板9的尺寸为100mm*51mm*3mm，定径带截面尺寸为51mm*3mm。
将1060纯铝薄板9表面打磨，并使用酒精清洗后，选择17片垂直排列于挤压筒2内，其中1060纯铝薄板9平行于定径带8放置，在1060纯铝薄板9上面放上挤压垫7，保温15min后，通过挤压杆3以30mm/s的速度挤压，挤压真实应变为2.91。
将挤压后的板材剪成挤压前的尺寸，打磨清洗后，再重复上述操作，进行下一道次挤压，1060纯铝薄板9经8道次挤压后，累积真实应变为23.28。
实施例6
在挤压筒2内壁均匀涂抹石墨粉与水的悬浊液，再将加热圈6套在套筒1的外周，设定温度为室温至100℃，开始加热，达到设定温度后保温50min，其中挤压筒2内壁截面的尺寸为17mm*17mm，预挤压的1060纯铜薄板9的尺寸为40mm*15mm*1.5mm，定径带截面尺寸为15mm*1.5mm。
将1060纯铜薄板9表面打磨，并使用酒精清洗后，选择10片垂直排列于挤压筒2内，其中1060纯铜薄板9垂直于定径带8放置，在1060纯铜薄板9上面放上挤压垫7，保温30min后，通过挤压杆3以30mm/s的速度挤压，挤压真实应变为2.49。
将挤压后的板材剪成挤压前的尺寸，打磨清洗后，再重复上述操作，进行下一道次挤压，1060纯铝薄板9经8道次挤压后，累积真实应变为19.9。

Claims (5)

1.一种板材剧烈塑性变形的累积挤压装置，包括套筒、挤压筒、与挤压筒配套的挤压杆以及挤压模具，所述套筒外套于挤压筒上，所述挤压模具固定连接在套筒的底部，其特征在于，所述挤压筒的内壁截面为方形，所述挤压筒由多个径向分割的挤压筒模块合围构成筒体结构。
2.根据权利要求1所述的累积挤压装置，其特征在于，所述挤压筒与套筒过盈配合。
3.根据权利要求2所述的累积挤压装置，其特征在于，所述挤压模具的定径带与挤压筒的一个内壁面平行。
4.如权利要求1至3任一项所述的累积挤压装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在挤压筒内壁均匀涂抹润滑剂后，在套筒外周套上加热圈，加热至设定温度后保温45～75min；
(2)将表面经打磨并清洗的金属薄板垂直排列于挤压筒内，金属薄板平行或垂直于定径带放置，保温15～30min后进行第一道次挤压；
(3)挤压后的金属薄板剪成挤压前的尺寸，重复步骤(1)和(2)进行下一道次挤压，同一金属薄板经1～8道次挤压后，挤压过程完成，每道次的设定温度在金属薄板的再结晶温度以下。
5.根据权利要求4所述的累积挤压装置的使用方法，其特征在于，每道次的挤压速度为5～50mm/s。
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