CN109967544A - 用于等通道转角挤压的坯体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于等通道转角挤压的坯体。所述坯体的横截面为矩形，所述坯体的横截面与L通道的横截面相匹配，所述坯体包括样品层和与所述样品层侧面连接的改性层，所述改性层的硬度小于所述样品层的硬度。首先，将硬度低于样品层的改性层与硬度较高的样品层(金属材料)相结合，使得坯体在承受剧烈的塑性变形时，在改性层的缓冲作用下，降低凸模碎裂、弯曲以及凹模变成的概率。其次，但是由于存在改性层的限制，因此改性层可以在一定程度上抑制样品层的膨胀。再者，通过调整改性层的尺寸，可以将不同尺寸的样品层制成相同尺寸的坯体，因此可以在原有模具不变的条件下配合作业。
Description
技术领域
本发明涉及等通道转角挤压的技术领域，具体而言，涉及用于等通道转角挤压的坯体。
背景技术
大塑性剪切变形技术，作为金属变形的一种重要的晶粒细化方法，可以有效的改善材料的晶粒尺寸，调控金属材料的微结构(取向，晶界取向差等)，提升金属材料的硬度，提高金属材料的破坏强度。金属材料在大塑性变形过程中，材料产生较高密度的位错，并造成位错塞积、缠结、重排等。在材料内部形成大量的位错缠结、位错胞以及高密度位错墙，导致材料在变形过程中形成亚晶粒，最终转化为大角度晶粒，从而有效的实现材料晶粒细化。
上世纪80年代，俄罗斯科学家Segal等率先提出等通道转角挤压(ECAP)技术，其特点是：在几乎不改变材料几何尺寸的条件下，使材料在L通道内从进料带经过转角处发生剧烈的剪切变形后移动至成型带，从而细化晶粒、改造材料的微结构。
模具正常作业的基本要求为：模具材料应具备极好的耐压能力，模具型腔的形状和尺寸保持不变。但是，由于室温环境下，挤压作业中，模具内挤压通道受力较为复杂，受力分布不均，通道拐角处应力集中，特别是对于硬度较大的挤压坯料，ECAP凹模常常因承受的挤压力过大而导致模具膨胀或者破裂；同时，在挤压高强度材料时，ECAP凸模承载很高的轴向压力，使得ECAP凸模经常因自身强度不足或韧性有限而出现墩粗、弯曲、破碎，甚至破碎飞溅而误伤作业人员。
现有的等通道转角挤压方式有以下几种：
(1)整个挤压过程是连续的，即坯料持续地被供给给凹模，但是这仅适用于不间歇作业的工业化生产，不适合试验研究使用。
(2)将模具的凹模设计为易拆装的结构，当挤压完成后，拆开凹模，即可取出挤压后的坯料。但这种方法的成本比普通模具的成本高很多。
(3)一般在实验操作中均采用背压，即用第n+1根坯料继续挤压以使第n根试样从成型带顶出。主要存在以下缺点：首先，挤压后的坯料外形为平行四边形或者菱形，并且头部尾部晶粒分布也不均匀，挤压完成后只能把头部、尾部切割舍去，造成材料浪费；同时，平行四边形或者菱形的坯料如果想被重复利用，需要时间重新打磨成与L通道匹配的尺寸，费时费力；其次，坯料停留在通道中就不可避免的增加加载压力，压力一旦加大，凸模容易失效(破损、镦粗、飞溅伤人)。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供用于等通道转角挤压的坯体，以解决现有技术中模具易损坏的技术问题。本发明的第二个目的在于提供等通道转角挤压方法，易解决现有技术中因背压而导致的产品形状不规则的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于等通道转角挤压的坯体。所述坯体的横截面为矩形，所述坯体的横截面与L通道的横截面相匹配，所述坯体包括样品层和与所述样品层侧面连接的改性层，所述改性层的硬度小于所述样品层的硬度。
首先，将硬度低于样品层的改性层与硬度较高的样品层(金属材料)相结合，使得坯体在承受剧烈的塑性变形时，在改性层的缓冲作用下，降低凸模碎裂、弯曲以及凹模损坏的概率。其次，在挤压过程中样品层会发生一定的膨胀，但是由于存在改性层的限制，因此改性层可以在一定程度上抑制样品层的膨胀，便于下一道次挤压，以免打磨加工量大、浪费样品。再者，通过调整改性层的尺寸，可以将不同尺寸的样品层制成相同尺寸的坯体，因此可以在原有模具不变的条件下配合作业，节约了时间成本与新模具的加工经费。同时，改性层的硬度更低，有助于克服现有加载设备吨位不足、子弹动量不够的缺陷。
进一步地，所述改性层包括分别设于所述样品层的一组相对侧面上的第一改性层和第二改性层。如果在样品层的一个侧面或三个侧面设置改性层，会使得凸模受力不均匀，造成凸模边角处容易损坏。如果在样品的四个侧面均设置改性层，在四个改性层的完全包覆中，由于剪切具有方向性，在靠近剪切的内角和外角处需要承受较大的变形阻力，从而使样品层难以被有效剪切。当在样品层的一组相对侧面上设置第一改性层和第二改性层时，不仅凸模的受力均匀，而且样品层能够被有效剪切。
进一步地，所述第一改性层和第二改性层的横截面尺寸相同。由此，样品层在被挤压过程中受力均匀，可以减少挤压的道次。
进一步地，所述样品层、第一改性层和第二改性层的横截面均为矩形。由此，更容易获得所需尺寸的坯体。
进一步地，所述样品层为铁板或钽板。铁板和钽板的硬度较高，采用常规挤压方法，很容易造成模具的损坏。当将铁板或钽板制备成本发明的坯体时，不仅可以提升模具的使用寿命，而且可以显著减小挤压力。
进一步地，所述改性层为高分子薄板。由于高分子材质的改性层与凹模的摩擦力小于样品层与凹槽的摩擦力，因此具有改性层的坯体可以减小挤压过程中的滑动摩擦力，不仅能够降低挤压力，节约能耗，还可以克服凸模承压能力较低的缺陷。
进一步地，所述高分子薄板为HDPE(高密度聚乙烯)薄板、PP(聚丙烯)薄板或PE(聚乙烯)薄板。由此，易获取，价格便宜，且硬度小。
进一步地，所述坯体的表面设有润滑层。由此，进一步减小挤压过程中的滑动摩擦力，从而降低挤压力，节约能耗。
进一步地，所述样品层与所述改性层粘接为一体。由此，加工方便，坯体易获取。
进一步地，所述改性层的抗拉强度小于所述样品层的抗拉强度；所述改性层的屈服强度小于所述样品层的屈服强度。由此，进一步提升改性层的改性作用。
为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，还提供了一种等通道转角挤压方法。该等通道转角挤压方法包括步骤：
(1)挤压坯体：将坯体放入L通道的进料带中并被挤压至成型带；
(2)推出坯体：将颗粒材料放入进料带中进行挤压，以使坯体被推出成型带的出料口；
(3)掏出颗粒材料。
首先，挤压后的颗粒可以用条状物伸入成型带进行掏空，而不用形成背压，即坯体每次被挤压时，L通道内均无上次挤压的残留物，使得坯体始终第一个被挤出，所得坯体的形状不是平行四边形或菱形，而是保留规则的长方体形状，不会造成材料的浪费，且进行多道次挤压时可以减少打磨的时间。其次，采用颗粒材料挤压所需的加载力明显小于采用背压方式的挤压力，可以显著节约能耗。
进一步地，步骤(1)～(3)重复进行2N次，所述N≥2。由此，提升挤压效果。
进一步地，相邻两次挤压坯体中，坯体的放置发生沿其中心轴水平旋转180°或90°的变化；相邻两次挤压坯体中，坯体的放置发生首尾掉头变化。由此，提升挤压的均匀性。
进一步地，所述颗粒材料为高分子颗粒。高分子颗粒的硬度低、强度低，与L通道内壁的摩擦力小，作为推料使用时可以减少挤压力，而且不易损坏L通道的内壁。
进一步地，所述高分子颗粒为HDPE颗粒、PP颗粒或PE颗粒。由此，易获取且价格便宜。
进一步地，所述坯体包括样品层和与所述样品层侧面连接的改性层，所述改性层的硬度小于所述样品层的硬度。首先，将硬度低于样品层的改性层与硬度较高的样品层(金属材料)相结合，使得坯体在承受剧烈的塑性变形时，在改性层的缓冲作用下，降低凸模碎裂、弯曲以及凹模变形的概率。其次，在挤压过程中样品层会发生一定的膨胀，但是由于存在改性层的限制，因此，改性层可以在一定程度上抑制样品层的膨胀，便于下一道次挤压，以免打磨加工量大、浪费样品。再者，通过调整改性层的尺寸，可以将不同尺寸的样品层制成相同尺寸的坯体，因此，可以在原有模具不变的条件下配合作业，节约了时间成本与新模具的加工经费。
进一步地，所述步骤(2)如下：推出坯体：首先将辅助坯料放入进料带中进行挤压，以使坯体被推出成型带的出料口，其次将颗粒材料放入进料带中进行挤压，以使辅助坯料被推出成型带的出料口。由于坯体具有层状结构且改性层和样品层与L通道内壁的摩擦力不同，如果直接采用颗粒材料进行推动，可能导致坯体的改性层和样品层剥离，致使改性层被推出而样品层仍残留在成型带中，又或样品层被推出而改性层仍残留在成型带中。通过借助辅助坯料先行将坯料推出，可以避免改性层和样品层剥离的情况出现。坯体的改性层表面与L通道中心轴平行，由此，确保坯体每次都得到有效的挤压。
进一步地，所述辅助坯料为铝或铝合金；所述样品层为铁板或钽板；所述改性层为高分子薄板。辅助坯料可以采用废弃的铝或铝合金，并且铝或铝合金易打磨，重复使用时可以省时省力。铁板和钽板的硬度非常高，采用常规挤压方法，很容易造成模具的损坏，当将铁板或钽板制备成具有改性层的坯体时，不仅可以提升模具的使用寿命，而且可以显著减小挤压力。由于高分子材质的改性层与凹模的摩擦力小于样品层与凹槽的摩擦力，因此具有改性层的坯体可以减小挤压过程中的滑动摩擦力，从而降低挤压力，节约能耗。
进一步地，所述颗粒材料的粒度为3～6mm；填充高度为30～50mm。颗粒的粒度太小，一来成本高且难以获取，二来致密度提高，使用量增大；颗粒粒度过大，则难以快速掏出。颗粒的填充高度过低，可能导致难以一次性推出辅助坯料；颗粒的填充高度过高，则凸模和凹模的配合长度过短，容易造成凸模断裂。
进一步地，还包括在所述颗粒材料中加入润滑剂。润滑剂可以进一步降低颗粒材料与L通道内壁的摩擦力，一来可以降低挤压力，二来便于掏出。
可见，本发明的用于等通道转角挤压的坯体具有以下优点：(1)在改性层的缓冲作用下，降低凸模碎裂、弯曲以及凹模变形的概率。(2)改性层可以在一定程度上抑制样品层的膨胀，便于下一道次挤压，以免打磨加工量大、浪费样品。(3)通过调整改性层的尺寸，可以将不同尺寸的样品层制成相同尺寸的坯体，因此可以在原有模具不变的条件下配合作业，节约了时间成本与新模具的加工经费。(4)改性层的硬度更低，有助于克服现有加载设备吨位不足、子弹动量不够的缺陷。本发明的等通道转角挤压方法具有以下优点：(1)不用形成背压，所得坯体保留规则的长方体形状，不会造成材料的浪费，且进行多道次挤压时可以减少打磨的时间。(2)采用颗粒材料挤压所需的加载力明显小于采用背压方式的挤压力，可以显著节约能耗。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的用于等通道转角挤压的坯体的结构示意图。
图2为本发明对照例1的用于等通道转角挤压的坯体的俯视图。
图3为本发明对照例2的用于等通道转角挤压的坯体的俯视图。
图4为本发明对照例3的用于等通道转角挤压的坯体的俯视图。
图5为本发明对照例4的用于等通道转角挤压的坯体的俯视图。
图6为本发明实施例4的等通道转角挤压方法中纯铝在挤压前的原始EBSD表征结果。
图7为本发明实施例4的等通道转角挤压方法中纯铝在被挤压8道次后的EBSD表征结果。
图8为本发明实施例5的等通道转角挤压方法中坯体的挤压状态图。
图9为本发明实施例5的等通道转角挤压方法中样品层(纯铁)在挤压前的原始EBSD表征结果。
图10为本发明实施例5的等通道转角挤压方法中样品层(纯铁)在被挤压6道次后的EBSD表征结果。
图11为本发明实施例6的等通道转角挤压方法中样品层(纯钽)在挤压前的原始EBSD表征结果。
图12为本发明实施例6的等通道转角挤压方法中样品层(纯钽)在被挤压6道次后的EBSD表征结果。
上述附图中的有关标记为：
1：样品层；
21：第一改性层；
22：第二改性层；
23：第三改性层；
24：第四改性层；
31：进料带；
32：成型带；
41：凸模；
42：凹模。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
实施例1
本实施例的用于等通道转角挤压的坯体的横截面为方形，包括样品层1和与所述样品层1侧面粘接的改性层，所述改性层的硬度小于所述样品层1的硬度，所述改性层的抗拉强度小于所述样品层1的抗拉强度；所述改性层的屈服强度小于所述样品层1的屈服强度。所述样品层1为铁板。所述改性层为高分子薄板，所述高分子薄板为HDPE薄板。所述坯体的表面设有润滑层，润滑层为二硫化钼润滑剂。
如图1所示，所述改性层包括分别设于所述样品层1的一组相对侧面上的第一改性层21和第二改性层22，所述第一改性层21和第二改性层22的横截面尺寸相同，所述样品层1、第一改性层21和第二改性层22的横截面均为矩形。
所述样品层1、第一改性层21和第二改性层22的长度均为60mm，样品层1的横截面尺寸为16mm×8mm，所述第一改性层21和第二改性层22的横截面尺寸均为16mm×4mm，粘接后所得坯料的横截面尺寸为16mm×16mm。
实施例2
与实施例1相比，本实施例的用于等通道转角挤压的坯体具有的区别是：所述样品层1为铁板。所述改性层为高分子薄板，所述高分子薄板为PP薄板。
实施例3
与实施例1相比，本实施例的用于等通道转角挤压的坯体具有的区别是：所述样品层1为钽板。所述改性层为高分子薄板，所述高分子薄板为PE薄板。
对照例1
与实施例1相比，本对照例具有的区别是：如图2所示，样品层1的横截面尺寸为16mm×8mm，所述第一改性层21的横截面尺寸为16mm×6mm，所述第二改性层22的横截面尺寸为16mm×2mm，即第一改性层21比第二改性层22更厚。经验证，实施例1的坯体内部的塑性变形更加均匀。
对照例2
与实施例1相比，本对照例具有的区别是：如图3所示，所述样品层1的横截面为平行四边形，所述第一改性层21和第二改性层22为直角梯形。经验证，实施例1的坯体内部的塑性变形更加均匀。
对照例3
与实施例1相比，本对照例具有的区别是：如图4所示，所述改性层仅有第一改性层21，样品层1的横截面尺寸为16mm×10mm，所述第一改性层21的横截面尺寸为16mm×6mm。经验证，实施例1的坯体内部的塑性变形更加均匀，凸模41和凹模42的使用寿命更长。
对照例4
与实施例1相比，本对照例具有的区别是：如图5所示，所述改性层包括第一改性层21、第二改性层22、第三改性层23和第四改性层24，所述样品层1的横截面尺寸为8mm×4mm，所述第一改性层21和第二改性层22的横截面尺寸为16mm×4mm，所述第三改性层23和第四改性层24的横截面尺寸为8mm×4mm。经验证，获取相同塑性变形程度的坯体，实施例1的坯体所需挤压的道次更少。
实施例4
等通道转角挤压方法，包括步骤：
(1)挤压坯体：将坯体放入L通道的进料带31中并被挤压至成型带32；所述坯体为纯铝；
(2)推出坯体：将颗粒材料放入进料带31中进行挤压，以使坯体被推出成型带32的出料口；
(3)掏出颗粒材料。
步骤(1)～(3)重复进行2N次，所述N＝4。8道次挤压后，得到形状规整的坯体，L通道内无背压。
相邻两次挤压坯体中，坯体的放置发生沿其中心轴水平旋转90°的变化；相邻两次挤压坯体中，坯体的放置发生首尾掉头变化。
所述颗粒材料为高分子颗粒，所述高分子颗粒为PP颗粒。
所述颗粒材料的粒度为3mm；填充高度为30mm。
EBSD表征结果如下：
图6为纯铝在挤压前的原始EBSD表征结果，图7为纯铝在被挤压8道次后的EBSD表征结果，从图6和图7可以看出，纯铝的粒径经过挤压后得到细化。
实施例5
等通道转角挤压方法，包括步骤：
(1)挤压坯体：将坯体放入L通道的进料带31中并被挤压至成型带32；所述坯体为实施例1的用于等通道转角挤压的坯体，如图8所示，坯体的改性层表面与L通道中心轴平行；
(2)推出坯体：首先将辅助坯料放入进料带31中进行挤压，以使坯体被推出成型带32的出料口，其次将含有二硫化钼润滑剂的颗粒材料放入进料带31中进行挤压，以使辅助坯料被推出成型带32的出料口；
(3)掏出颗粒材料。
步骤(1)～(3)重复进行2N次，所述N＝3。6道次挤压后，得到形状规整的坯体，L通道内无背压。
相邻两次挤压坯体中，坯体的放置发生沿其中心轴水平旋转180°的变化；相邻两次挤压坯体中，坯体的放置发生首尾掉头变化。
所述颗粒材料为高分子颗粒，所述高分子颗粒为HDPE颗粒。
所述辅助坯料为铝或铝合金。
所述颗粒材料的粒度为4mm；填充高度为40mm。
EBSD表征结果如下：
图9为样品层1(纯铁)在挤压前的原始EBSD表征结果，从图9可以看出，原始样品层1的平均晶粒尺寸约50μm；图10为样品层1(纯铁)在被挤压6道次后的EBSD表征结果，从图10可以看出，经过挤压后，产生了较多的晶粒尺寸10μm以下的细晶粒。可见，原始样品层1的粒径经过挤压后得到细化，且有效克服了模具损伤。
实施例6
与实施例5相比，本实施例具有的区别是：所述坯体为实施例3的坯体。所述颗粒材料的粒度为6mm；填充高度为50mm。
EBSD表征结果如下：
图11为样品层1(纯钽)在挤压前的原始EBSD表征结果，图12为样品层1(纯钽)在被挤压6道次后的EBSD表征结果，从图11和图12可以看出，原始样品层1的粒径经过挤压后得到细化，且有效克服了凸模41和凹模42损伤。
对照例5
与实施例5相比，本对照例具有的区别是：所述坯体不含有改性层，而是纯铁。经验证：对照例1的挤压中液压机的最大压力为15.6MPa，而实施例5的挤压中液压机的最大压力仅为9.5MPa，同时，实施例5的模具的使用寿命更长。
上述实施例采用的模具中，凸模41的材质为H13模具钢，凹模42的材质为Cr12模具钢。除了液压机之外，推动凸模41的加压设备还可以采用万能试验机和一级轻气炮。
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.用于等通道转角挤压的坯体，所述坯体的横截面为矩形，所述坯体的横截面与L通道的横截面相匹配，其特征在于：所述坯体包括样品层(1)和与所述样品层(1)侧面连接的改性层，所述改性层的硬度小于所述样品层(1)的硬度。
2.如权利要求1所述的用于等通道转角挤压的坯体，其特征在于：所述改性层包括分别设于所述样品层(1)的一组相对侧面上的第一改性层(21)和第二改性层(22)。
3.如权利要求2所述的用于等通道转角挤压的坯体，其特征在于：所述第一改性层(21)和第二改性层(22)的横截面尺寸相同。
4.如权利要求2所述的用于等通道转角挤压的坯体，其特征在于：所述样品层(1)、第一改性层(21)和第二改性层(22)的横截面均为矩形。
5.如权利要求1所述的用于等通道转角挤压的坯体，其特征在于：所述样品层(1)为铁板或钽板。
6.如权利要求1所述的用于等通道转角挤压的坯体，其特征在于：所述改性层为高分子薄板。
7.如权利要求6所述的用于等通道转角挤压的坯体，其特征在于：所述高分子薄板为HDPE薄板、PP薄板或PE薄板。
8.如权利要求1所述的用于等通道转角挤压的坯体，其特征在于：所述坯体的表面设有润滑层。
9.如权利要求1所述的用于等通道转角挤压的坯体，其特征在于：所述样品层(1)与所述改性层粘接为一体。
10.如权利要求1所述的用于等通道转角挤压的坯体，其特征在于：所述改性层的抗拉强度小于所述样品层(1)的抗拉强度；所述改性层的屈服强度小于所述样品层(1)的屈服强度。
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