CN107893201A - 制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法，基于多工位成形液压机，模具采用上下分模的组合式凹模，由多工位成形液压机中上滑块提供组合式凹模所需的合模力；组合式凹模的模具内腔是由左侧挤压通道、扭转通道、右侧挤压通道和等径角挤压通道依序连接构成，由处在左侧挤压通道入口端的左侧液压缸和处在等径角挤压通道入口端的右侧液压缸轮流提供挤压力和背压力，右侧液压缸置于圆弧滑轨上，调节右侧液压缸在圆弧滑轨中的位置获得等径角挤压通道的设定角度。本发明能有效将材料晶粒组织细化至超细晶级别，显著提升材料强度和塑性，适用范围广，操作简便，易于实现工业化应用。

Description

制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法

技术领域

本发明涉及材料加工方法技术领域，尤其涉及的是一种制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法。

背景技术

材料作为21世纪三大支柱产业之一，在国家建设的各个领域发挥着重要的作用。近年来，随着医疗、交通、电力、航空等各领域的快速发展，对高性能材料的需求也越来越强烈。大塑性变形作为一种新兴的塑性变形方法，可在变形过程中引入极大的应变量，具有强烈的晶粒细化能力，能获得亚微米甚至纳米尺寸的晶粒，通过对塑性变形中微观组织的控制，可以获得高强度与大塑性的细晶材料。近年来，利用大塑性变形技术制备超细晶高性能材料的方法得到了广泛的关注。对现有大塑性变形技术的文献检索发现，谢焕等人在《轻合金加工技术》(2017,45(2)：29-32)上发表“往复挤压工艺对汽车用5052铝合金性能的影响”指出5052铝合金在470℃下经5道次往复挤压变形后，晶粒得到显著细化，合金抗拉强度和屈服强度分别增大39％、84％；朱庆丰等人在《东北大学学报》(2015,36(11)：1572-1580)上发表“多向锻造道次对5182铝合金变形组织的影响”，研究结果表明5182铝合金晶粒细化效果显著，心部再结晶晶粒尺寸随挤压道次的累积会达到一个细化极限；张会等人在《热加工工艺》(2017,46(3)：129-131)上发表的“ECAP工艺对不同硅含量的镁合金组织和性能的影响”中指出，经过ECAP挤压后，1.5％Si含量的铝硅合金中Mg2Si相细化至8um,硬度提升17％；马俊林等人在《塑性工程学报》(2016,23(4)：107-111)上发表的“高压扭转变形对一种新型Al-Zn-Mg-Cu合金组织和性能的影响”，研究指出高压扭转变形能有效细化晶粒，扭转8圈后材料极限拉伸强度提高20.2％，同时变形能促进第二相的析出强化。但是，现有大塑性变形工艺中，往复挤压工艺存在变形过程中材料应变不均匀的问题；多向锻造工艺晶粒细化作用相对较弱，细化效果有限；等径角挤压工艺存在偏载问题，对于低塑、高强金属材料操作可重复性差；高压扭转工艺加工坯料尺寸较小，工业应用受限较大。现有大塑性变形工艺难以满足现代国防、工业、民生及医疗领域对制备高性能细晶材料的要求。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种操作简单、晶粒细化效果显著、工业化应用前景可观的制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法的特点是，所述成形方法基于多工位成形液压机，模具采用上下分模的组合式凹模，由所述多工位成形液压机中上滑块提供所述组合式凹模所需的合模力；所述组合式凹模的模具内腔是由左侧挤压通道、扭转通道、右侧挤压通道和等径角挤压通道依序连接构成，由处在左侧挤压通道入口端的左侧液压缸和处在等径角挤压通道入口端的右侧液压缸轮流提供挤压力和背压力，所述右侧液压缸置于圆弧滑轨上，调节所述右侧液压缸在圆弧滑轨中的位置获得所述等径角挤压通道的设定角度。

本发明制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法的特点也在于，所述左侧挤压通道、右侧挤压通道与等径角挤压通道具有相同的截面形状和截面尺寸；左侧挤压通道和右侧挤压通道的挤压方向相反，中心轴线重合；等径角挤压通道的中心轴线与右侧挤压通道的中心轴线所夹角度为90°～180°可调。

本发明制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法的特点也在于，所述扭转通道的截面积小于左侧挤压通道的截面积，所述扭转通道的截面形状为对边等长圆弧和对边等长直线段构成的四边形，且扭转通道内截面各处形状相同、尺寸相等，所述扭转通道的中心轴线为空间螺旋曲线。

本发明制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法的特点也在于，所述成形方法按如下步骤进行：

步骤1、放料合模：在完成模具和待加工棒状坯料的预热后，将棒状坯料放入左侧挤压通道内，组合式凹模合模形成“L”型通道，所述“L”型通道与左侧液压冲头及右侧液压冲头组合构成闭塞式型腔；所述棒状坯料是以前段坯料A、中段坯料B和后段坯料C从右往左依序连续放置在左侧挤压通道中；

步骤2、以左侧液压冲头为主动冲头，对待加工坯料施加挤压力，使前段坯料A在压力作用下首先流入扭转通道，经扭转通道扭转变形后流入右侧挤压通道，设置右侧液压冲头的位置保持固定在右侧挤压通道的出口处，使前段坯料A在封闭的右侧挤压通道中发生镦粗变形，直至前段坯料A完全充满右侧挤压通道；

步骤3、由右侧液压冲头提供背压力，左侧液压冲头持续推进，使前段坯料A进入等径角挤压通道，同时坯料B流入扭转通道和右侧挤压通道；

步骤4、当左侧液压冲头持续推进至极限位置时，前段坯料A和中段坯料B完全进入等径角挤压通道，后段坯料C流入扭转通道和右侧挤压通道；

步骤5、转而由左侧液压冲头提供背压力，以右侧液压冲头为主动冲头，对坯料施加挤压力，使坯料按照步骤2到步骤4的相反方向流动，直至右侧液压冲头持续运行至极限位置时，后段坯料C和中段坯料B完全进入左侧挤压通道，前段坯料A流入右侧挤压通道和扭转通道，由所述步骤2到步骤5针对中段坯料B完成一道次往复挤压、扭转、镦粗和等径角变形；

步骤6、重复步骤3到步骤5完成中段坯料B的多道次成形，随后卸压开模，得到由中段坯料B经多道次成形的棒料。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明实现了大塑性往复变形工艺，解决往复挤压变形材料应变不均匀的问题、多向锻造变形应变量小的问题、等径挤压工艺存在的偏载问题、高压扭转工艺制备试样尺寸受限等问题；

2、本发明方法在材料变形过程中，顺次通过挤扭镦通道和等径角挤压通道，实现正挤变形、扭转变形、镦粗变形和等径角挤压的复合变形，其优点是每道次变形量大，多道次变形所制备材料组织更加均匀细小；

3、本发明采用双冲头挤压，材料变形过程中处于三向压应力状态，静水压力大，增强材料塑性，有利于愈合材料内部的缺陷和损伤，预防裂纹的产生或扩展，显著提高材料的塑性变形能力；

4、本发明方法在任一道次变形过程中，是以其一的冲头作主动冲头提供挤压力，另一的冲头即作背压体提供背压力，实现了多道次往复成形而不必重复放置试样，能迅速有效累积大的变形量，简化操作流程，节省成本；

5、本发明方法基于组合式凹模，其组合式凹模可随上滑块运动而随时打开，便于变形试样的取出，操作简便；

6、本发明方法中，将右侧液压缸置于圆弧滑轨上，调整右侧液压缸的位置，使左侧液压冲头和右侧液压冲头的中心轴线所夹角度在90°～180°范围可调，实现了90°～180°范围可变的等径角挤压，从而在一定范围内可以调整成形力大小和变形均匀性，并可通过对比试样在不同角度下的往复挤-扭-镦-等径角变形，实现工艺参数的最优化；

7、本发明方法特别适用于制备棒状超细晶材料，晶粒细化效果显著。试验结果表明，本发明方法所制备的超细晶棒材组织均匀、平均晶粒尺寸为100nm～1μm。模具不易损耗，操作简单，实用性好，易于工业化应用。

附图说明

图1为本发明成形装置结构示意图；

图2为本发明成型装置中左侧液压冲头和右侧液压冲头的中心轴线夹角为时的结构示意图，且

图3为本发明中左侧液压冲头和右侧液压冲头的中心轴线夹角为180°结构示意图；

图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f为本发明方法变形过程坯料位置示意图。

图中标号：1左侧液压缸；2左侧液压冲头；3后段坯料C；4左侧挤压通道；5扭转通道；6右侧挤压通道；7中段坯料B；8下模；9等径角挤压通道；10前段坯料A；11右侧液压冲头；12右侧液压缸；13圆弧滑轨。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本实施例中制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法基于多工位成形液压机，模具采用上下分模的组合式凹模，图1示出了下模8，由多工位成形液压机中上滑块提供组合式凹模所需的合模力。

组合式凹模的模具内腔是由左侧挤压通道4、扭转通道5、右侧挤压通道6和等径角挤压通道9依序连接构成，由处在左侧挤压通道入口端的左侧液压缸1和处在等径角挤压通道入口端的右侧液压缸12轮流提供挤压力和背压力，右侧液压缸12置于圆弧滑轨13上，调节右侧液压缸12在圆弧滑轨13中的位置获得等径角挤压通道的设定角度，设置圆弧滑轨13为四分之一圆弧滑轨。

具体实施中，左侧挤压通道4、右侧挤压通道6与等径角挤压通道9具有相同的截面形状和截面尺寸；左侧挤压通道4和右侧挤压通道6的挤压方向相反，中心轴线重合；等径角挤压通道9的中心轴线与右侧挤压通道6的中心轴线所夹角度为90°～180°可调。

扭转通道5的截面积小于左侧挤压通道4的截面积，扭转通道5的截面形状为对边等长圆弧和对边等长直线段构成的四边形，且扭转通道内截面各处形状相同、尺寸相等，扭转通道的中心轴线为空间螺旋曲线。

本实施例中制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法是按如下步骤进行：

步骤1、放料合模：在完成模具和待加工棒状坯料的预热后，将棒状坯料放入左侧挤压通道4内，组合式凹模合模形成“L”型通道，“L”型通道与左侧液压冲头2及右侧液压冲头11组合构成闭塞式型腔；棒状坯料是以前段坯料A10、中段坯料B7和后段坯料C3从右往左依序连续放置在左侧挤压通道4中，如图4a所示。

步骤2、以左侧液压冲头2为主动冲头，对待加工坯料施加挤压力，使前段坯料A在压力作用下首先流入扭转通道5，经扭转通道5扭转变形后流入右侧挤压通道6，设置右侧液压冲头11的位置保持固定在右侧挤压通道的出口处，使前段坯料A在封闭的右侧挤压通道中发生镦粗变形，直至前段坯料A完全充满右侧挤压通道6，如图4b所示。

步骤3、由右侧液压冲头11提供背压力，左侧液压冲头2持续推进，使前段坯料A进入等径角挤压通道，同时中段坯料B流入扭转通道5和右侧挤压通道6，如图4c所示。

步骤4、当左侧液压冲头2持续推进至极限位置时，前段坯料A和中段坯料B完全进入等径角挤压通道，后段坯料C流入扭转通道和右侧挤压通道6，如图4d所示。

步骤5、转而由左侧液压冲头2提供背压力，以右侧液压冲头11为主动冲头，对坯料施加挤压力，使坯料按照步骤2到步骤4的相反方向流动，如图4e所示，直至右侧液压冲头11持续运行至极限位置时，后段坯料C和中段坯料B完全进入左侧挤压通道4，前段坯料A流入右侧挤压通道6和扭转通道5，如图4f所示；由步骤2到步骤5针对中段坯料B完成一道次往复挤压、扭转、镦粗和等径角变形。

步骤6、重复步骤3到步骤5完成中段坯料B的多道次成形，随后卸压开模，得到由中段坯料B经多道次成形的棒料。

采用本实施例中成形方法以高强铝合金作为待加工坯料进行实验，实验过程如下：

以三段高强铝合金棒料为待加工坯料，三段待加工坯料分别前段坯料A、中段坯料B和后段坯料C，棒料截面直径为Φ30，长度为50mm，左侧挤压通道4和右侧挤压通道6的截面是内径为30mm的圆，挤压比为3，扭转通道5的截面为对边等长圆弧和对边等长直线段构成的四边形，扭转角度为90°，依靠压力机上滑块提供合模力；

首先，加热模具、左侧液压冲头2、右侧液压冲头11以及各段待加工坯料至350℃，将各段待加工坯料按序置于左侧挤压通道4中，上滑块下行，闭合模具，施加300t合模力。

然后，将右侧液压冲头11伸入等径角挤压通道并运行至极限位置，左侧液压冲头2以2mm/s的速度进入左侧挤压通道，在经过15mm导向长度后，左侧液压冲头继续运动，前段坯料A在挤压力作用下进入扭转通道5，经过扭转变形后金属流入右侧挤压通道，此时，设置右侧液压冲头11的位置保持固定在右侧挤压通道的出口处，使前段坯料A在封闭的右侧挤压通道内发生镦粗变形，直至前段坯料A完全充满右侧挤压通道后；随后，改设右侧液压冲头11提供背压力为8t，前段坯料A推动右侧液压冲头11一同进入等径角挤压通道，同时中段坯料B开始由左侧挤压通道流入扭转通道，当左侧液压冲头持续运行至极限位置时，前段坯料A和中段坯料B完全进入等径角挤压通道，后段坯料C流入扭转通道和右侧挤压通道；随后，设置左侧液压冲头提供背压力为8t，右侧液压冲头作主动冲头对坯料施加挤压力，当右侧液压冲头持续运行至极限位置时，中段坯料B和后段坯料C完全进入左侧挤压通道，使中段坯料B完成一道次往复挤-扭-镦-等径角变形；重复以上过程，经过三道次往复变形后，使中段坯料B成形为组织均匀、平均晶粒尺寸约为250nm的高强铝合金超细晶棒材。

Claims (4)

1.制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法，其特征在于，所述成形方法基于多工位成形液压机，模具采用上下分模的组合式凹模，由所述多工位成形液压机中上滑块提供所述组合式凹模所需的合模力；所述组合式凹模的模具内腔是由左侧挤压通道、扭转通道、右侧挤压通道和等径角挤压通道依序连接构成，由处在左侧挤压通道入口端的左侧液压缸和处在等径角挤压通道入口端的右侧液压缸轮流提供挤压力和背压力，所述右侧液压缸置于圆弧滑轨上，调节所述右侧液压缸在圆弧滑轨中的位置获得所述等径角挤压通道的设定角度。

2.根据权利要求1所述制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法，其特征在于，所述左侧挤压通道、右侧挤压通道与等径角挤压通道具有相同的截面形状和截面尺寸；左侧挤压通道和右侧挤压通道的挤压方向相反，中心轴线重合；等径角挤压通道的中心轴线与右侧挤压通道的中心轴线所夹角度为90°～180°可调。

3.根据权利要求2所述制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法，其特征在于，所述扭转通道的截面积小于左侧挤压通道的截面积，所述扭转通道的截面形状为对边等长圆弧和对边等长直线段构成的四边形，且扭转通道内截面各处形状相同、尺寸相等，所述扭转通道的中心轴线为空间螺旋曲线。

4.根据权利要求1、2或3所述的制备超细晶材料的往复挤扭镦等径角成形方法，其特征在于，所述成形方法按如下步骤进行：

步骤1、放料合模：在完成模具和待加工棒状坯料的预热后，将棒状坯料放入左侧挤压通道内，组合式凹模合模形成“L”型通道，所述“L”型通道与左侧液压冲头及右侧液压冲头组合构成闭塞式型腔；所述棒状坯料是以前段坯料A、中段坯料B和后段坯料C从右往左依序连续放置在左侧挤压通道中；

步骤2、以左侧液压冲头为主动冲头，对待加工坯料施加挤压力，使前段坯料A在压力作用下首先流入扭转通道，经扭转通道扭转变形后流入右侧挤压通道，设置右侧液压冲头的位置保持固定在右侧挤压通道的出口处，使前段坯料A在封闭的右侧挤压通道中发生镦粗变形，直至前段坯料A完全充满右侧挤压通道；

步骤3、由右侧液压冲头提供背压力，左侧液压冲头持续推进，使前段坯料A进入等径角挤压通道，同时坯料B流入扭转通道和右侧挤压通道；

步骤4、当左侧液压冲头持续推进至极限位置时，前段坯料A和中段坯料B完全进入等径角挤压通道，后段坯料C流入扭转通道和右侧挤压通道；

步骤5、转而由左侧液压冲头提供背压力，以右侧液压冲头为主动冲头，对坯料施加挤压力，使坯料按照步骤2到步骤4的相反方向流动，直至右侧液压冲头持续运行至极限位置时，后段坯料C和中段坯料B完全进入左侧挤压通道，前段坯料A流入右侧挤压通道和扭转通道，由所述步骤2到步骤5针对中段坯料B完成一道次往复挤压、扭转、镦粗和等径角变形；

步骤6、重复步骤3到步骤5完成中段坯料B的多道次成形，随后卸压开模，得到由中段坯料B经多道次成形的棒料。