CN110479785A - 脉冲电流辅助的等径角挤压设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲电流辅助的等径角挤压设备及方法，属于金属材料加工领域。内转角模块绝缘衬套使内转角导电模块与模具其余部分绝缘；凸模绝缘套筒和纵通道绝缘衬套的设置，确保金属坯料与凸模压杆和凹模纵通道绝缘；内转角导电模块和组合式凹模套分别连接脉冲电源的两极；金属坯料变形过程中与内、外转角接触而接入回路，且由转角处坯料参与导电；脉冲电源应具有良好的调节性能，挤压加工中通过调节脉冲电流参数控制变形区坯料的温度。利用脉冲电流取代传统的模具加热，辅助转角处金属坯料的塑性变形，防止出现褶皱和开裂，提高成品率，节省能源消耗，实现连续高效加工；有效地抑制晶粒过热长大，获得均匀细小的晶粒，极大地提高强度和塑性。

Description

脉冲电流辅助的等径角挤压设备及方法

技术领域

本发明涉及金属材料加工技术领域，特别涉及通过塑性变形改善金属材料力学性能的领域，尤指一种脉冲电流辅助的等径角挤压设备及方法。

背景技术

大塑性变形技术（SPD）通过累积塑性应变，有效地细化金属材料晶粒，获得高强度和高塑性的有效结合。等径角挤压技术（ECAP），由于设备简单、细化效果显著、易实现多道次变形、能制备大尺寸块体材料等优势，被认为是最具有工业应用前景的一种SPD方法。

经过检索目前的文献报道发现，许多学者已经采取等径角挤压方法成功制备了具有超细晶结构的铜合金、铝合金。然而由于塑性变形量太大、分布不均匀，导致制备的样品质量不稳定，容易出现褶皱、开裂，成品率较低，严重制约了该技术的工业化应用。另外，一些难变形金属（例如镁合金)的等径角挤压变形对温度极为敏感，通常需要在250℃以上进行。细化机理可描述为：加热条件下，随着塑性应变的累积，材料内部发生动态再结晶，转变为更细小的等轴状晶粒。传统的等径角挤压借助气氛加热炉或电阻加热管，须将整个模具加热至坯料的变形温度，坯料在一道次加工中经历“模内预热—挤压变形—留模保温”的过程，能源浪费严重，生产效率低下。并且由于坯料经历的热过程时间较长，变形后不能立即冷却，诱发再结晶组织的受热长大，力学性能提升的效果不理想。

进一步检索发现，专利号CN107812796A、CN106077118A、CN105170681A、CN107442592A等通过集成多道次连续变形、缩短卸料工序、引入超声辅助细化晶粒等方法，对传统的等径角挤压设备和工艺提出改进。然而，这些方案依然不能完全解决等径角挤压工艺的一系列问题。

电流能够快速、精准地调控金属的塑性变形，包括降低流变应力，提高塑性变形极限等。Moon-Jo Kim等人在《Scripta Materialia》2014，75：58-61发表的“Electriccurrent-induced annealing during uniaxial tension of aluminum alloy”一文中，证实了脉冲电流还具有降低金属动态再结晶的临界温度的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲电流辅助的等径角挤压设备及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明基于脉冲电流的独特优势，旨在利用脉冲电流改善等径角挤压样品的成形质量，减少能量消耗，提高生产效率，促进难变形金属在较低温度形成再结晶晶粒，更有效地提高金属坯料的力学性能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

脉冲电流辅助的等径角挤压设备，包括脉冲电源1、导电装置2、凸模压杆3、凸模绝缘套筒4、组合式凹模套5、纵通道绝缘衬套6、凹模纵通道模块7、纵通道模块调整螺栓8、内转角模块绝缘衬套9、内转角导电模块10及凹模紧固螺栓11，所述内转角模块绝缘衬套9使内转角导电模块10与模具其余部分绝缘；凸模绝缘套筒4和纵通道绝缘衬套6的设置，确保金属坯料与凸模压杆3、凹模纵通道模块7绝缘；所述内转角导电模块10和组合式凹模套5分别连接脉冲电源1的两极；金属材料变形过程中与内、外转角接触而接入回路，且由转角处金属参与导电。

所述的凹模纵通道模块7和组合式凹模套5对应位置设置凸起和凹槽，并设置纵通道模块调整螺栓8微调纵通道模块竖直位置，保证纵通道绝缘衬套6与内转角模块绝缘衬套9接触紧密，挤压通道精确连接。

所述的凸模绝缘套筒4、纵通道绝缘衬套6、内转角模块绝缘衬套9，材质采用耐热塑料层压板、云母板、碳化硅陶瓷或MACOR玻璃陶瓷。

所述的脉冲电源1的输出电压范围6～3000V，输出电流范围1～30000A，频率范围1Hz～100kHz，脉冲宽度1μs～999ms，调节方式为幅值-脉宽调节或占空比调节。

本发明的另一目的在于提供一种脉冲电流辅助的等径角挤压方法，包括如下步骤：

步骤一、依次将内转角模块绝缘衬套、内转角导电模块、凹模纵通道模块、纵通道绝缘衬套安装到组合式凹模套的指定位置，保证挤压通道孔位对齐后，拧紧凹模套紧固螺栓；微调纵通道模块调整螺栓，保证纵通道绝缘衬套与内转角模块绝缘衬套紧密接触；凹模组装完毕，安置于压力机水平砧座；

步骤二、将经过预处理的金属坯料打磨，表面涂抹润滑剂，置入凹模纵通道；组装凸模压杆和凸模绝缘套筒，并在凸模绝缘套筒外表面涂抹润滑剂，压入凹模，使金属坯料与内转角导电模块和组合式凹模套充分接触；

步骤三、内转角导电模块和组合式凹模套分别经由接线柱和导电装置连接脉冲电源两极，设置适当的输出参数后开启脉冲电源，保持一定时间后坯料温度和回路电流达到稳定；

步骤四、保持电源开启，对凸模压杆施加压力，使其按一定的挤压速率沿纵通道向下运动；金属坯料全部进入横通道后，停止施压，关闭脉冲电源，凸模压杆上行移出；

步骤五、准备下一块金属坯料，重复步骤二至步骤四，将前一块坯料顶出，完成一道次转角挤压变形。

结合实际的力学性能要求，对完成单道次挤压变形的坯料，可以旋转一定角度再次置入挤压模具，重复步骤二至步骤五，实现多道次挤压变形。

所述的凸模压杆下行速度为0.01～10mm/s，作用在压杆上的最大压力为1000kN。

所述的润滑剂，在不同的挤压温度下可以选择含有石墨、二硫化钼、氮化硼的合成润滑脂。

所述的金属坯料的材质为纯金属、合金、金属间化合物和金属基复合材料。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用脉冲电流辅助转角处金属的挤压变形，有效地改善金属的塑性变形能力，防止出现褶皱和开裂，提高成品率。

2、本发明用脉冲电流取代传统的模具加热，加热快速、温度精准，省去了传统等径角挤压的模具预热工步，有利于实现连续高效加工。

3、本发明提供的等径角挤压方法，坯料中脉冲电流的作用区域集中在发生剪切变形的位置，电流方向与最大剪切应变平面平行，电流的利用效率很高，节省能源消耗。

4、本发明基于脉冲电流促进金属在较低温度发生动态再结晶的独特优势，在等径角挤压加工中降低热量输入，抑制晶粒过热长大，获得均匀细小的晶粒，极大地提高强度和塑性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的脉冲电流辅助的等径角挤压设备的安装示意图；

图2为本发明的脉冲电流辅助的等径角挤压设备的模具零件爆炸图；

图3为本发明的脉冲电流辅助的等径角挤压方法的原理图；

图4为本发明实施例中经4道次脉冲电流辅助的等径角挤压后的AZ61镁合金与原始材料的拉伸性能曲线对比图；

图5为本发明实施例中经4道次脉冲电流辅助的等径角挤压后的AZ61镁合金微观组织的电子背散射衍射（EBSD）成像照片。

图中：1、脉冲电源；2、导电装置；3、凸模压杆；4、凸模绝缘套筒；5、组合式凹模套；6、纵通道绝缘衬套；7、凹模纵通道模块；8、纵通道模块调整螺栓；9、内转角模块绝缘衬套；10、内转角导电模块；11、凹模紧固螺栓。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图5所示，本发明的脉冲电流辅助的等径角挤压设备及方法，利用脉冲电流取代传统的模具加热，辅助转角处金属坯料的塑性变形，防止出现褶皱和开裂，提高成品率，节省能源消耗，实现连续高效加工；脉冲电流的独特优势，使金属材料在较低的温度下即可发生动态再结晶，挤压加工后坯料冷却迅速，有效地抑制晶粒过热长大，获得均匀细小的晶粒，极大地提高强度和塑性。

参见图1至图5所示，本发明的脉冲电流辅助的等径角挤压设备，包括脉冲电源1、导电装置2、凸模压杆3、凸模绝缘套筒4、组合式凹模套5、纵通道绝缘衬套6、凹模纵通道模块7、纵通道模块调整螺栓8、内转角模块绝缘衬套9、内转角导电模块10及凹模紧固螺栓11，所述内转角模块绝缘衬套9使内转角导电模块10与模具其余部分绝缘；凸模绝缘套筒4和纵通道绝缘衬套6的设置，确保金属坯料与凸模压杆3、凹模纵通道模块7绝缘；

所述内转角导电模块10和组合式凹模套5分别连接脉冲电源1的两极；金属材料变形过程中与内、外转角接触而接入回路，且由转角处金属参与导电。

所述脉冲电源1应具有良好的调节性能，挤压加工中调节脉冲电流参数，快速、精准地控制变形区金属的温度。

所述的凹模纵通道模块7和组合式凹模套5对应位置设置凸起和凹槽，并设置纵通道模块调整螺栓8微调纵通道模块竖直位置，保证纵通道绝缘衬套6与内转角模块绝缘衬套9接触紧密，挤压通道精确连接。

所述的凸模绝缘套筒4、纵通道绝缘衬套6、内转角模块绝缘衬套9，材质采用耐热塑料层压板、云母板、碳化硅陶瓷或MACOR玻璃陶瓷。

所述的脉冲电源1的输出电压范围6～3000V，输出电流范围1～30000A，频率范围1Hz～100kHz，脉冲宽度1μs～999ms，调节方式为幅值-脉宽调节或占空比调节。

本发明的脉冲电流辅助的等径角挤压方法，包括如下步骤：

步骤一、依次将内转角模块绝缘衬套9、内转角导电模块10、凹模纵通道模块7、纵通道绝缘衬套6安装到组合式凹模套5的指定位置，保证挤压通道孔位对齐后，拧紧凹模紧固螺栓11；微调纵通道模块调整螺栓8，保证纵通道绝缘衬套6与内转角模块绝缘衬套9紧密接触；凹模组装完毕，安置于压力机水平砧座；

步骤二、将经过预处理的金属坯料打磨，表面涂抹润滑剂，置入凹模纵通道；组装凸模压杆3和凸模绝缘套筒4，并在凸模绝缘套筒4外表面涂抹润滑剂，压入凹模，使金属坯料与内转角导电模块10和组合式凹模套5充分接触；

步骤三、内转角导电模块10和组合式凹模套5分别经由导电装置2连接脉冲电源1的两极，设置适当的输出参数后开启脉冲电源1，保持一定时间后坯料温度和回路电流达到稳定；

步骤四、保持电源开启，对凸模压杆3施加压力F，使其按一定的挤压速率沿纵通道向下运动，金属坯料全部进入横通道，停止施压，关闭脉冲电源1，凸模压杆3上行移出；

步骤五、准备下一块金属坯料，重复步骤二至步骤四，将前一块坯料顶出，完成一道次转角挤压变形。

结合实际的力学性能要求，对完成单道次挤压变形的坯料，可以旋转一定角度再次置入挤压模具，重复步骤二至步骤五，实现多道次挤压变形。

凸模压杆下行速度为0.01～10mm/s，作用在压杆上的最大压力为1000kN。

所述的润滑剂，在不同的挤压温度下可以选择含有石墨、二硫化钼、氮化硼的合成润滑脂。

所述的金属坯料的材质为纯金属、合金、金属间化合物和金属基复合材料。

实施例：

以AZ61镁合金坯料的脉冲电流辅助的等径角挤压加工为例，详细说明专利的实施方式。

1、按照上述的具体实施方式的描述组装等径角挤压设备模具凹模和凸模，并将凹模安置于压力机水平砧座。

2、在经过固溶热处理的AZ61镁合金铸锭上切割出若干个尺寸为16mm×16mm×70mm的四棱柱形坯料，用砂纸将表面充分打磨至表面光滑。在坯料的表面涂抹含有二硫化钼的润滑脂后，将坯料置入凹模纵通道。

3、在凸模绝缘套筒外表面涂抹一层含有二硫化钼的合成润滑脂，将组装好的凸模压入凹模，使AZ61镁合金坯料与内转角导电模块和组合式凹模套充分接触。

4、按照上述的电路连接方式将模具与脉冲电源连接，设置脉冲电源的输出参数为电压20V，输出电流幅值1500A，频率1000Hz，保持2分钟后坯料温度达到稳定约210℃。

5、启动压力机，对凸模施加压力，使凸模压杆按0.3mm/s的挤压速率沿纵通道匀速向下运动。至AZ61镁合金坯料全部进入横通道，压力机压头回退，关闭脉冲电源，取出凸模压杆和凸模绝缘套筒。

6、准备第二块AZ61镁合金坯料，重复上述加工步骤，将第一块坯料从横通道顶出，则第一块坯料完成一道次转角挤压变形。坯料每完成1道次的脉冲电流辅助的等径角挤压变形后，再沿着原挤压方向置入模具中，重复进行加工过程。直至每块坯料完成4道次的挤压加工后，关闭脉冲电源和压力机，实验停止，待设备冷却后拆卸和清洗。

7、对原始AZ61镁合金坯料和经过加工的坯料进行切割，沿坯料长度方向切取标距长度为10mm，标距截面尺寸为4mm×2mm的拉伸试样，在电子式万能力学试验机上进行拉伸试验，并计算获取试样的工程应力-应变曲线。结果显示：相比于原始AZ61坯料，经4道次脉冲电流辅助的等径角挤压后的试样屈服强度由160MPa提高到278MPa，抗拉强度由286MPa提高到375MPa，极限延伸率由11.8%增加到17.3%，强度和塑性均有显著地提升。

8、对经4道次脉冲电流辅助的等径角挤压后的AZ61镁合金进行微观组织测试。电子背散射衍射成像照片显示：加工后的AZ61镁合金组织分布均匀，晶粒呈现等轴状，尺寸细小，平均晶粒直径约1.4μm。这证明了此种脉冲电流辅助的等径角挤压设备和方法能够有效地细化金属显微组织，从而使金属材料获得高强度和高塑性。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种脉冲电流辅助的等径角挤压设备，其特征在于：包括脉冲电源（1）、导电装置（2）、凸模压杆（3）、凸模绝缘套筒（4）、组合式凹模套（5）、纵通道绝缘衬套（6）、凹模纵通道模块（7）、纵通道模块调整螺栓（8）、内转角模块绝缘衬套（9）、内转角导电模块（10）及凹模紧固螺栓（11），所述内转角模块绝缘衬套（9）使内转角导电模块（10）与模具其余部分绝缘；凸模绝缘套筒（4）和纵通道绝缘衬套（6）的设置，确保金属坯料与凸模压杆（3）、凹模纵通道模块（7）绝缘；所述内转角导电模块（10）和组合式凹模套（5）分别连接脉冲电源（1）的两极；金属材料变形过程中与内、外转角接触而接入回路，且由转角处金属参与导电。

2.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助的等径角挤压设备，其特征在于：所述的凹模纵通道模块（7）和组合式凹模套（5）对应位置设置凸起和凹槽，并设置纵通道模块调整螺栓（8）微调纵通道模块竖直位置，保证纵通道绝缘衬套（6）与内转角模块绝缘衬套（9）接触紧密，挤压通道精确连接。

3.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助的等径角挤压设备，其特征在于：所述的凸模绝缘套筒（4）、纵通道绝缘衬套（6）、内转角模块绝缘衬套（9），材质采用耐热塑料层压板、云母板、碳化硅陶瓷或MACOR玻璃陶瓷。

4.根据权利要求1所述的脉冲电流辅助的等径角挤压设备，其特征在于：所述的脉冲电源（1）的输出电压范围6～3000V，输出电流范围1～30000A，频率范围1Hz～100kHz，脉冲宽度1μs～999ms，调节方式为幅值-脉宽调节或占空比调节。

5.一种脉冲电流辅助的等径角挤压方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、依次将内转角模块绝缘衬套、内转角导电模块、凹模纵通道模块、纵通道绝缘衬套安装到组合式凹模套的指定位置，保证挤压通道孔位对齐后，拧紧凹模套紧固螺栓；微调纵通道模块调整螺栓，保证纵通道绝缘衬套与内转角模块绝缘衬套紧密接触；凹模组装完毕，安置于压力机水平砧座；

步骤二、将经过预处理的金属坯料打磨，表面涂抹润滑剂，置入凹模纵通道；组装凸模压杆和凸模绝缘套筒，并在凸模绝缘套筒外表面涂抹润滑剂，压入凹模，使金属坯料与内转角导电模块和组合式凹模套充分接触；

步骤三、内转角导电模块和组合式凹模套分别经由接线柱和导电装置连接脉冲电源两极，设置适当的输出参数后开启脉冲电源，保持一定时间后坯料温度和回路电流达到稳定；

步骤四、保持电源开启，对凸模压杆施加压力，使其按一定的挤压速率沿纵通道向下运动；金属坯料全部进入横通道后，停止施压，关闭脉冲电源，凸模压杆上行移出；

步骤五、准备下一块金属坯料，重复步骤二至步骤四，将前一块坯料顶出，完成一道次转角挤压变形。

6.根据权利要求5所述的脉冲电流辅助的等径角挤压方法，其特征在于：结合实际的力学性能要求，对完成单道次挤压变形的坯料，可以旋转一定角度再次置入挤压模具，重复步骤二至步骤五，实现多道次挤压变形。

7.根据权利要求5所述的脉冲电流辅助的等径角挤压方法，其特征在于：凸模压杆下行速度为0.01～10mm/s，作用在压杆上的最大压力为1000kN。

8.根据权利要求5所述的脉冲电流辅助的等径角挤压方法，其特征在于：所述的润滑剂，在不同的挤压温度下可以选择含有石墨、二硫化钼、氮化硼的合成润滑脂。

9.根据权利要求5所述的脉冲电流辅助的等径角挤压方法，其特征在于：所述的金属坯料的材质为纯金属、合金、金属间化合物和金属基复合材料。