CN109913780A - 一种提高微纳米纯铜疲劳性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高微纳米纯铜疲劳性能的方法，属于塑性成型领域。首先，将退火态纯铜棒材经过等径角变形获得超细晶纯铜，然后，对获得的超细晶纯铜进行轧制，获得微纳米的片层状晶粒，最后，对表面进行激光热处理，得到表面等轴状晶粒。本发明得到的晶粒结构有利于提高疲劳寿命，微纳米中心片层的晶粒结构有利于抑制疲劳裂纹扩展，表面等轴晶粒结构有利于抑制疲劳裂纹萌生，可以同时提高静态力学性能和疲劳性能，并且制备方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及成型技术领域，涉及一种微纳米纯铜材料的制备方法，具体是一种提高微纳米纯铜疲劳性能的方法。
背景技术
铜具有优异的导电性、导热性和延展性，被广泛地应用于电子工业、机械制造、建筑工业和国防工业等领域。但是，铜的强度不高且硬度较低，一定程度上限制了铜的使用范围。因此，提高铜材料的力学性能，对其工程应用价值的提高具有重要的意义。
在工程应用中，晶粒尺寸的大小是金属材料一个重要的指标。由著名的Hall-Petch公式（σ = σ 0 + k d -1/2）可知，随着晶粒尺寸的减少，材料的强度得到了提高。因此，通过细晶强化是提高纯铜强度的有效手段之一。
尽管通过细晶强化可以显著提升铜材料的静态力学性能，但是对于疲劳性能的提升却并不显著。Han（参见Han S Z, Goto M, Lim C, et al. Fatigue behavior of nano-grained copper prepared by ECAP[J]. Journal of alloys and compounds, 2007,434: 304-306.）研究了通过等径角变形纯铜材料的疲劳性能，结果表明，虽然静态拉伸强度是传统材料的1.8倍，但是疲劳极限并未增加。Kim（参见Kim H K, Lee Y I, Chung C S.Fatigue properties of a fine-grained magnesium alloy produced by equalchannel angular pressing[J]. Scripta Materialia, 2005, 52(6): 473-477.）对等径角变形后的AZ31镁合金进行疲劳性能研究，得出的疲劳极限比未经等径角变形的AZ31镁合金低，主要是疲劳裂纹形核阻力降低引起的。Fintová（参见Fintová S, Kunz L. Fatigueproperties of magnesium alloy AZ91 processed by severe plastic deformation.[J]. J Mech Behav Biomed Mater, 2015, 42:219-228.）对比了等径角变形和铸造AZ91镁合金的疲劳性能，在107周次下，等径角变形AZ91镁合金的疲劳极限为85 MPa，铸造AZ91镁合金的疲劳极限为80 MPa，并没有表现出显著的提升。因此，提出新的制备方法可以同时提高静态力学性能和疲劳性能具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高微纳米纯铜疲劳性能的制备方法，使得到的纯铜整体晶粒细化，并且中心为片层状晶粒、表面为等轴晶，在提高纯铜的静态力学性能的同时提高疲劳性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
所述的方法包括如下步骤：
第一步：采用机械加工方法将纯铜棒材加工至满足要求的尺寸；
第二步：采用挤压模具对纯铜棒材进行等径角变形；
第三步：采用二辊轧机对纯铜进行轧制；
第四步：采用激光器对纯铜表面进行热处理。
进一步的，第一步中，纯铜棒材的截面尺寸为30 mm×30 mm，长度为160 mm。
进一步的，第二步中，挤压模具的通道截面为30 mm×30 mm，挤压转角位90°。
进一步的，第二步中，变形温度设定为室温，变形道次为4道次-8道次，采用变形路径为BC方式（ 即每两次变形之间样品相对模具出口方向顺时针旋转90°）。
进一步的，第三步中，轧制温度设定为室温，轧制下压量为棒材厚度的60%-80%。
进一步的，第四步中，采用的是光纤激光器，波长为1070 nm。
进一步的，第四步中，激光器功率为200 W，离焦量为20 mm，保护气为纯Ar，气流量为10 L/min。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
（1）具有优良的疲劳性能。本发明通过将通过等径角变形的纯铜棒材进行轧制，很好地解决了通过等径角变形后材料再结晶和晶粒长大的问题，得到了板条晶。在表面使用激光进行热处理，只改变了表层的晶粒结构，避免内部板条晶的改变。疲劳裂纹一般萌生于表面，表面等轴晶有利于抑制疲劳裂纹的萌生，中心为片层状的板条晶有利于抑制疲劳裂纹的扩展。对于疲劳裂纹的萌生与扩展的抑制显著地提高了疲劳性能，同时细化的晶粒保证了较好的静态力学性能。
（2）制备方法简单。等径角变形、轧制、激光表面热处理均是常规的加工方式，且每一种加工方法简单、易于实现，易于大规模工业生产。
附图说明
图1为经过等径角变形后的纯铜晶粒形态。
图2为经过激光表面热处理后的纯铜晶粒形态。
具体实施方式
以下结合实施例和附图说明对本发明进一步说明。
实施例1
（1）将纯铜棒材进行机械加工，得到的棒材横截面积为30 mm×30 mm，棒材长度为160mm；
（2）在室温下将纯铜棒材进行等径角变形，变形路径为BC方式，一共进行4道次变形；
（3）将等径角过后的棒材进行轧制，下压量为3.6 mm，轧辊的温度设定为室温，轧制的棒材温度设定为室温，共进行5道次轧制；
（4）对轧制过的棒材进行激光表面热处理，激光器功率为200 W，离焦量为20 mm，保护气为纯Ar，气流量为10 L/min。
实施例2
（1）将纯铜棒材进行机械加工，得到的棒材横截面积为30 mm×30 mm，棒材长度为160mm；
（2）在室温下将纯铜棒材进行等径角变形，变形路径为BC方式，一共进行4道次变形；
（3）将等径角过后的棒材进行轧制，下压量为4.2 mm，轧辊的温度设定为室温，轧制的棒材温度设定为室温，共进行5道次轧制，得到的晶粒如图1所示，表现出明显的片层状；
（4）对轧制过的棒材进行激光表面热处理，激光器功率为200 W，离焦量为20 mm，保护气为纯Ar，气流量为10 L/min，得到的晶粒如图2所示，表现出明显的等轴状。
实施例3
（1）将纯铜棒材进行机械加工，得到的棒材横截面积为30 mm×30 mm，棒材长度为160mm；
（2）在室温下将纯铜棒材进行等径角变形，变形路径为BC方式，一共进行8道次变形；
（3）将等径角过后的棒材进行轧制，下压量为3.6 mm，轧辊的温度设定为室温，轧制的棒材温度设定为室温，共进行5道次轧制；
（4）对轧制过的棒材进行激光表面热处理，激光器功率为200 W，离焦量为20 mm，保护气为纯Ar，气流量为10 L/min。
实施例4
（1）将纯铜棒材进行机械加工，得到的棒材横截面积为30 mm×30 mm，棒材长度为160mm；
（2）在室温下将纯铜棒材进行等径角变形，变形路径为BC方式，一共进行8道次变形；
（3）将等径角过后的棒材进行轧制，下压量为4.8 mm，轧辊的温度设定为室温，轧制的棒材温度设定为室温，共进行5道次轧制；
（4）对轧制过的棒材进行激光表面热处理，激光器功率为200 W，离焦量为20 mm，保护气为纯Ar，气流量为10 L/min。
Claims (7)
1.一种提高微纳米纯铜疲劳性能的方法，其特征是，包含以下步骤：
第一步：机加工纯铜棒材至所需尺寸；
第二步：采用挤压模具对样品进行等径角变形；
第三步：采用二辊轧机对样品进行轧制；
第四步：采用激光器对样品表面进行热处理。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，第一步中，纯铜棒材的截面尺寸为30 mm×30 mm，长度为160 mm。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，第二步中，挤压模具的通道截面为30 mm×30 mm，挤压转角位90°。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，第二步中，变形温度设定为室温，变形道次为4道次-8道次，采用变形路径为BC方式。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，第三步中，轧制温度设定为室温，轧制下压量为棒材厚度的60%-80%。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，第四步中，采用光纤激光器，波长为1070nm。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，第四步中，激光器功率为200 W，离焦量为20mm，保护气为纯Ar，气流量为10 L/min。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110184552A (zh) * | 2019-07-16 | 2019-08-30 | 福州大学 | 一种电解纯铜的深低温成形方法 |
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| EP2705912A1 (de) * | 2012-09-10 | 2014-03-12 | AIT Austrian Institute of Technology GmbH | Werkzeug zum Verformen eines metallischen Gegenstandes unter hohem Druck |
| CN107243587A (zh) * | 2017-06-10 | 2017-10-13 | 黄国新 | 一种冲床冲棒 |
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