CN108372210A - 一种等通道挤压装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等通道挤压装置及方法。它包括立式压力机、等通道挤压模具及脉冲电源，用于将脉冲电流能施加在挤压材料上。本发明提出了一种高能脉冲电流辅助等通道转角挤压细化晶粒新方法，利用高能脉冲电流的电致塑性效应和焦耳热效应，可以显著降低挤压变形抗力，确保挤压过程顺利进行。

Description

一种等通道挤压装置及方法
技术领域
本发明涉及材料挤压成型领域，具体的说，是一种等通道挤压装置及方法。
背景技术
等通道挤压是一种用于制备超细晶金属材料的大塑性变形方法，其基本原理是金属挤压材料在通道内转角处发生近似理想的均匀纯剪切变形，变形后在材料内部得到较高的应变量，从而达到细化晶粒的目的。其特点是试样变形前后的截面形状和尺寸基本不变，因此，可以多次重复挤压，使材料述续不断地产生大剪切变形，各次变形的应变量累计叠加，使材料达到相当大的总变形量，通过等通道挤压可获得晶粒尺寸为亚微米级甚至纳米级块体材料，从而提高材料的综合性能。
在金属材料塑性加工过程中施加脉冲电流，可以大大降低材料的变形抗力，同时提高材料的塑性，被称为电致塑性效应（Electroplastic Effect, EPE），其原理是利用脉冲电流的瞬时高能促进原子扩散和位错运动，同时由于脉冲电流的焦耳热效应可以对变形试样进行快速、高效加热，从而进一步降低材料的变形抗力，提高成形性能。此外，脉冲电流可以促进位错运动和再结晶，对晶粒细化起到有效的促进作用。脉冲电流辅助金属材料塑性加工技术已经被广泛应用于轧制、拉拔、弯曲、旋压等金属变形及加工工艺中，该技术尤其适用于高强度、难变形金属材料的变形和加工。
利用等通道挤压制备超细晶金属材料已成功应用于铝合金、铜合金等，但对于镁合金、钛合金等难变形材料等通道挤压工艺仍然存在挤压力大、挤压温度高、挤压模具磨损严重等问题，难以得到推广应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种等通道挤压工艺，用来制备综合性能优异的细晶及超细晶钛合金、镁合金等块体金属材料。
为解决上述技术问题，本发明一种等通道挤压装置，包括立式压力机，还包括：
等通道挤压模具，包括固定装置、挤压装置和通电及绝缘装置，其中，固定装置包括挤压杆固定板和凹模套筒；挤压杆固定板和凹模套筒分别固定于压力机的上下模板，挤压装置包括挤压杆、绝缘凹模、挤压材料和橡胶垫；所述绝缘凹模置于凹模套筒中，所述绝缘凹模内部设有成一定角度的挤压通道；挤压杆顶端固定于挤压杆固定板上，挤压杆顶端与挤压杆固定板之间设有绝缘套和绝缘垫片，用于防止脉冲电流通过挤压杆固定板；所述挤压杆可在挤压杆固定板带动下向下运动，并进入绝缘凹模组成的挤压通道内；
脉冲电源，用于将脉冲电流能施加在挤压材料上。
优选地，所述绝缘凹模为分瓣式镜像对称结构。
优选地，所述绝缘凹模整体式镶块拼接结构。
优选地，所述脉冲电源的第一电极采用滑动电极，在挤压过程中，脉冲电流能够通过挤压杆施加在挤压材料上；第二电极采用柔性电极，直接与挤压材料接触。
优选地，所述绝缘凹模底部设有橡胶垫，用于在挤压过程中起到弹性缓冲作用。
优选地，所述绝缘凹模为陶瓷材料。
优选地，所述挤压杆固定板和凹模套筒分别通过螺栓固定于压力机的上下模板。
本发明还涉及一种等通道挤压方法，该方法基于上面所述等通道挤压装置实现挤压过程，包括以下步骤：
步骤一：准备试验材料；
步骤二：在挤压材料表面涂石墨粉，并组装等通道挤压模具；
步骤三：将整套等通道转角挤压装置通过螺栓固定在压力机上，并与脉冲电源相连接；
步骤四：打开压力机，压力机上模板向下运动，推动挤压杆进入通道内，并使挤压杆与挤压材料之间有接触压力；
步骤五：设置脉冲电源参数，打开脉冲电源开关，对挤压材料施加脉冲电流；
步骤六：施加脉冲电流30s后，挤压材料的温度基本稳定，设置挤压速度，在施加脉冲电流的同时完成第一道次等通道挤压变形，关闭脉冲电源；
步骤七：压力机上模板向上运动，挤压杆离开通道，装入另一件表面涂有石墨粉的挤压材料；
步骤八：重复步骤三至步骤五，将第一件挤压材料挤出模具通道的同时完成第二件挤压材料的第一道次等通道挤压变形；
步骤九：压力机上模板向上运动，挤压杆离开通道，在已经完成一道次等通道挤压变形的挤压材料表面涂石墨粉，并将其装入通道内；
步骤十：重复步骤五至步骤七，经过多道次等通道挤压变形后，得到大块细晶金属材料。
采用上述技术方案后，本发明提出了一种高能脉冲电流辅助等通道转角挤压细化晶粒新方法，利用高能脉冲电流的电致塑性效应和焦耳热效应，可以显著降低挤压变形抗力，确保挤压过程顺利进行。本发明的主要优点如下：
1.将脉冲电流引入到难变形材料等通道挤压工艺中，利用脉冲电流的电致塑性效应和焦耳热效应，降低挤压力和挤压温度，通过等通道挤压大塑性变形和脉冲电流促进再结晶双重作用提高晶粒细化效果；
2.采用高强耐磨的陶瓷凹模，既起到将等通道挤压变形试样和金属成形模具绝缘的效果，又对等通道变形试样起到很好的保温作用，从而提高脉冲电流的能量利用率。
附图说明
图1是本发明一个实施例中等通道挤压装置结构示意图。
图2是一个实施例中绝缘凹模6结构示意图。
图3是另一个实施例中绝缘凹模6结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。以下描述仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2、图3所示，本发明一种等通道挤压装置，可以采用立式压力机，还包括：
等通道挤压模具，包括固定装置、挤压装置和通电及绝缘装置，其中，固定装置包括挤压杆固定板3和凹模套筒10；挤压杆固定板3和凹模套筒10分别固定于压力机的上下模板，挤压装置包括挤压杆4、绝缘凹模6、挤压材料7和橡胶垫9；所述绝缘凹模6置于凹模套筒10中，所述绝缘凹模6内部设有成一定角度的挤压通道11；挤压杆4顶端固定于挤压杆固定板3上，挤压杆4顶端与挤压杆固定板3之间设有绝缘套2和绝缘垫片1，用于防止脉冲电流通过挤压杆固定板3；所述挤压杆4可在挤压杆固定板3带动下向下运动，并进入绝缘凹模6组成的挤压通道内；
绝缘凹模6可以根据实际需要确定具体结构，例如，为图2所示分瓣式镜像对称结构，也可以是图3所述整体式镶块拼接结构。
脉冲电源，用于将脉冲电流能施加在挤压材料8上。脉冲电源的第一电极5采用滑动电极，在挤压过程中，脉冲电流能够通过挤压杆4施加在挤压材料8上；第二电极9采用柔性电极，直接与挤压材料接触。
绝缘凹模6底部设有橡胶垫9，用于在挤压过程中起到弹性缓冲作用。
绝缘凹模6需要绝缘和保温的作用，可以为陶瓷材料。
挤压杆固定板3和凹模套筒10可以分别通过螺栓固定于压力机的上下模板。
以下将结合两个实施例对本发明涉及的等通道挤压方法作进一步地详述：
实施例1：
步骤一：试验材料为TC4钛合金，毛坯尺寸为φ20×180mm；
步骤二：在挤压材料表面涂石墨粉，并按如图1所示组装等通道挤压模具，陶瓷凹模采用如图2所示的镜像对称结构，包括对称的第一分瓣模12和第二分瓣模13，内部有挤压通道11；挤压转角位110°；
步骤三：将整套等通道转角挤压装置通过螺栓固定在压力机上，并与脉冲电源相连接；
步骤四：打开压力机，压力机上模板向下运动，推动挤压杆4进入通道内，并使挤压杆4与挤压材料之间有接触压力；
步骤五：设置脉冲电源参数，峰值电流5000A，频率250HZ，打开脉冲电源开关，对挤压材料施加脉冲电流；
步骤六：施加脉冲电流30s后，挤压材料的温度基本稳定，设置挤压速度为2mm/s，在施加脉冲电流的同时完成第一道次等通道挤压变形，关闭脉冲电源；
步骤七：压力机上模板向上运动，挤压杆4离开通道，装入另一件表面涂有石墨粉的挤压材料；
步骤八：重复步骤三至步骤五，将第一件挤压材料挤出模具通道的同时完成第二件挤压材料的第一道次等通道挤压变形；
步骤九：压力机上模板向上运动，挤压杆4离开通道，在已经完成一道次等通道挤压变形的挤压材料表面涂石墨粉，并将其装入通道内；
步骤十：重复步骤五至步骤七，经过4道次等通道挤压变形后，得到φ20×180mm的大块细晶TC4钛合金；
步骤十一：挤压结束后，关闭脉冲电源和压力机。
实施例2：
步骤一：试验材料为AZ31镁合金，毛坯尺寸为φ25×200mm；
步骤二：在挤压材料表面涂石墨粉，并按如图1所示组装等通道挤压模具，陶瓷凹模采用图3所示的整体镶块拼接结构，包括主体凹模14及嵌入主体凹模14的凹模镶块15，内部有挤压通道11；挤压转角位100°；
步骤三：将整套等通道挤压装置通过螺栓固定在压力机上，并与脉冲电源相连接；
步骤四：打开压力机，压力机上模板向下运动，推动挤压杆4进入通道内，并使挤压杆4与挤压材料之间有接触压力；
步骤五：设置脉冲电源参数，峰值电流4000A，频率200HZ，打开脉冲电源开关，对挤压材料施加脉冲电流；
步骤六：施加脉冲电流30s后，挤压材料的温度基本稳定，设置挤压速度为4mm/s，在施加脉冲电流的同时完成第一道次等通道挤压变形，关闭脉冲电源；
步骤七：压力机上模板向上运动，挤压杆4离开通道，装入另一件表面涂有石墨粉的挤压材料；
步骤八：重复步骤三至步骤五，将第一件挤压材料挤出模具通道的同时完成第二件挤压材料的第一道次等通道挤压变形；
步骤九：压力机上模板向上运动，挤压杆4离开通道，在已经完成一道次等通道挤压变形的挤压材料表面涂石墨粉，并将其装入通道内；
步骤十：重复步骤五至步骤七，经过4道次等通道挤压变形后，得到φ25×200mm的大块细晶AZ31镁合金；
步骤十一：挤压结束后，关闭脉冲电源和压力机。
以上仅为本发明较佳的实施例，并不构成对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则内做出的任何修改、改进及等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种等通道挤压装置，包括立式压力机，其特征在于，还包括：
等通道挤压模具，包括固定装置、挤压装置和通电及绝缘装置，其中，固定装置包括挤压杆固定板和凹模套筒；挤压杆固定板和凹模套筒分别固定于压力机的上下模板，挤压装置包括挤压杆、绝缘凹模、挤压材料和橡胶垫；所述绝缘凹模置于凹模套筒中，所述绝缘凹模内部设有成一定角度的挤压通道；挤压杆顶端固定于挤压杆固定板上，挤压杆顶端与挤压杆固定板之间设有绝缘套和绝缘垫片，用于防止脉冲电流通过挤压杆固定板；所述挤压杆可在挤压杆固定板带动下向下运动，并进入绝缘凹模组成的挤压通道内；
脉冲电源，用于将脉冲电流能施加在挤压材料上。
2.根据权利要求1所述等通道挤压装置，其特征在于，所述绝缘凹模为分瓣式镜像对称结构。
3.根据权利要求1所述等通道挤压装置，其特征在于，所述绝缘凹模整体式镶块拼接结构。
4.根据权利要求1所述等通道挤压装置，其特征在于，所述脉冲电源的第一电极采用滑动电极，在挤压过程中，脉冲电流能够通过挤压杆施加在挤压材料上；第二电极采用柔性电极，直接与挤压材料接触。
5.根据权利要求1所述等通道挤压装置，其特征在于，所述绝缘凹模底部设有橡胶垫，用于在挤压过程中起到弹性缓冲作用。
6.根据权利要求1所述等通道挤压装置，其特征在于，所述绝缘凹模为陶瓷材料。
7.根据权利要求1所述等通道挤压装置，其特征在于，所述挤压杆固定板和凹模套筒分别通过螺栓固定于压力机的上下模板。
8.一种等通道挤压方法，其特征在于，基于权利要求1所述等通道挤压装置实现挤压过程，包括以下步骤：
步骤一：准备试验材料；
步骤二：在挤压材料表面涂石墨粉，并组装等通道挤压模具；
步骤三：将整套等通道转角挤压装置通过螺栓固定在压力机上，并与脉冲电源相连接；
步骤四：打开压力机，压力机上模板向下运动，推动挤压杆4进入通道内，并使挤压杆与挤压材料之间有接触压力；
步骤五：设置脉冲电源参数，打开脉冲电源开关，对挤压材料施加脉冲电流；
步骤六：施加脉冲电流30s后，挤压材料的温度基本稳定，设置挤压速度，在施加脉冲电流的同时完成第一道次等通道挤压变形，关闭脉冲电源；
步骤七：压力机上模板向上运动，挤压杆离开通道，装入另一件表面涂有石墨粉的挤压材料；
步骤八：重复步骤三至步骤五，将第一件挤压材料挤出模具通道的同时完成第二件挤压材料的第一道次等通道挤压变形；
步骤九：压力机上模板向上运动，挤压杆离开通道，在已经完成一道次等通道挤压变形的挤压材料表面涂石墨粉，并将其装入通道内；
步骤十：重复步骤五至步骤七，经过多道次等通道挤压变形后，得到大块细晶金属材料。
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