CN111167873B - 一种用于晶粒取向三维调控的挤压模具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于晶粒取向三维调控的挤压模具，包括凹模，所述凹模的中心为凹模型腔，所述凹模型腔包括包括径缩区、挤压通道及定径通道，沿径缩区的内壁呈螺旋状布设有数个凸台，所有凸台以挤压通道的轴线为中心在径缩区的内壁上形成旋转对称图形，当坯料受挤压经过径缩区时呈螺旋状流动，晶粒沿流动方向转动。所述凸台的两个侧面为平面，两个侧面朝同一旋转方向倾斜。或者所述凸台的两个侧面为弧面，两个弧面朝同一旋转方向弯曲。本发明能够显著提升传统挤压工艺对材料组织的细化能力；同时能实现对材料晶粒取向的三维调控，并可根据实际使用需求来调整晶粒在三维空间中的取向，进而优化和提升材料的综合力学性能，满足实际的使用要求。

Description

一种用于晶粒取向三维调控的挤压模具
技术领域
本发明涉及晶粒取向三维调控技术领域，具体是指，一种用于晶粒取向三维调控的挤压模具。
背景技术
挤压作为一种重要的少无切削加工工艺，其材料利用率高，材料的组织和机械性能得到改善，操作简单且生产率高。但是金属在塑性变形过程中，晶体往往沿着金属的流动方向发生转动。因而在实际生产中，挤压等加工方式将会引起明显的织构特征。织构是指材料中晶粒的晶向和晶面平行于某一方向或平面，进而导致材料的各向异性以及性能的降低。其中，传统的挤压变形会使晶粒的某一取向平行于挤压方向。李娜丽等对挤压后AZ31镁合金进行组织及性能表征，发现此沿平行于挤压方向进行拉伸时，晶粒处于硬取向，基面滑移和孪生都难以启动[李娜丽,黄光杰,刘庆.EBSD技术在研究AZ31镁合金挤压织构中的应用[J].电子显微学报,2011,30(Z1):309-312.]。但沿TD方向拉伸时,部分晶粒可发生基面滑移,因而屈服强度降低。Ding S X等人发现等径角挤压后镁合金的强度明显提升，但由于织构的强化限制了塑性[Ding S X,Lee W T,Chang C P,et al.Improvement of strengthof magnesium alloy processed by equal channel angular extrusion[J].ScriptaMaterialia,2008,59(9):1006-1009.]。为了消弱变形过程中产生的织构特征，常用的方法包括二次变形，变形后热处理等。Park S H等人发现，在挤压前先对材料进行冷锻，挤压后材料的织构特征会减弱，进而实现综合性能的提升[Park S H,Kim H S,Bae J H,etal.Improving the mechanical properties of extruded Mg–3Al–1Zn alloy by coldpre-forging[J].Scripta Materialia,2013,69(3):250-253.]。Kotiba Hamad等人通过两次不同路径的差速轧制实现镁合金织构特征的减弱，进而实现强度及塑性的同时提升[Hamad K,Ko Y G.A cross-shear deformation for optimizing the strength andductility of AZ31 magnesium alloys[J].Scientific Reports,2016,6(1):29954.]。
综上可知，丝织构及板织构的存在限制了材料的发展及应用，当前对织构的调控技术主要集中在通过相对复杂的工艺来实现织构的弱化，并存在成本较高或坯料尺寸较小等限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的不足，通过控制金属在挤压过程中的流动方向，实现变形后金属的取向调控，并能加强材料在变形过程中的组织细化能力，提供一种用于晶粒取向三维调控的挤压模具，能够加强材料组织细化能力并能实现晶粒取向的三维调控。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种用于晶粒取向三维调控的挤压模具，包括凹模，所述凹模的中心为凹模型腔，所述凹模型腔包括包括径缩区、挤压通道及定径通道，沿径缩区的内壁呈螺旋状布设有数个凸台，所有凸台以挤压通道的轴线为中心在径缩区的内壁上形成旋转对称图形，当坯料受挤压经过径缩区时呈螺旋状流动，晶粒沿流动方向转动。
进一步，所述凸台的两个侧面为平面，两个侧面朝同一旋转方向倾斜，两个侧面与轴截面之间的夹角分别为θ1和θ2，所述θ1和θ2的取值范围在0至90°之间。
进一步，所述凸台的两个侧面为弧面，两个弧面朝同一旋转方向弯曲。
进一步，所述凸台的两个弧面内侧起点处的切线与轴截面之间的夹角大小在0至90°之间。
进一步，作为优选，所述凸台的数量为3个或3个以上。
本发明的原理是，在挤压模具的径缩区内壁分布固设数个凸台，使得坯料流经带有螺旋分布凸台的径缩区时，产生显著塑性变形，并使金属在径缩区的流动方向呈现螺旋特征，进而使变形后坯料的晶粒取向在空间上实现三维分布的特征，即晶粒的择优取向倾向于沿着螺旋线分布。相对于某一绝对坐标系，整体晶粒的取向不同(比如，两个在同一螺旋线上的晶粒，其<111>晶向均沿着该螺旋线，但互不平行)，即不平行于某一固定方向或平面，进而抑制或消除各向异性。另一方面，通过改变凸台的结构和螺旋角度，使晶粒的取向可以根据实际情况加以调整，进而优化材料的性能，满足实际的使用要求。比如零件在扭转和拉伸过程中的受力状况不同，可根据零件的实际使用条件，调整凹模内凸台的结构，进而调整晶粒的取向，使零件更加匹配具体的使用工况。
当凸台两侧的表面为平面时，通过改变凸台两侧面相对于轴截面的角度θ1和θ2的大小，改变该区域金属材料的流动方向，进而实现对变形后试样的晶体取向的调控。当凸台的侧面为弧面时，通过调整弧面的参数，可以实现更大范围的金属流动方向控制以及更大的变形量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的挤压模具一方面可以显著提升传统挤压工艺对材料组织的细化能力；另一方面，实现对材料晶粒取向的三维调控，使晶粒的取向不平行于某一方向或平面，大幅消除变形过程中形成的丝织构或板织构，并可根据实际使用需求来调整晶粒在三维空间中的取向，进而优化和提升材料的综合力学性能，满足实际的使用要求。该能力不仅传统挤压不具备，拉拔或轧制或多次变形也无法实现。本发明的挤压模具结构制作成本低，适宜于推广运用。
附图说明
图1为本发明一优选实施例的示意图。
图2为本发明图1的俯视图。
图3为本发明实施例1中凹模型腔的放大示意图。
图4为本发明实施例2中凹模型腔的放大示意图。
图5为本发明实施例3中凹模型腔的放大示意图。
图6为应用本发明进行棒材加工的第一状态示意图。
图7为应用本发明进行棒材加工的第二状态示意图。
图中：1、挤压冲头；2、凹模；20、凹模型腔；201、径缩区；202、挤压通道、203、定径通道；3、坯料A；4、坯料B；5、凸台。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。根据下面的说明，本发明的目的、技术方案和优点将更加清楚。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的优选实施例，而不是全部的实施例。
结合图1和图2所示，一种用于晶粒取向三维调控的挤压模具，包括凹模2，所述凹模2的中心为凹模型腔20，所述凹模型腔20包括径缩区201、挤压通道202及定径通道203，沿径缩区201的内壁呈螺旋状布设有数个凸台5，所有凸台5以挤压通道202的轴线为中心在径缩区201的内壁上形成旋转对称图形，当坯料受挤压经过径缩区201时呈螺旋状流动，晶粒沿流动方向转动。凸台的数量为3个或3个以上，作为优选，所述凸台的数量为4个。
参考图3所示，作为实施例1，所述凸台5的两个侧面为平面，两个侧面朝同一旋转方向倾斜，以实现坯料受挤压经过径缩区201时呈螺旋状流动。在本实施例中，两个侧面与轴截面之间的夹角分别为θ1和θ2，所述θ1和θ2的取值范围在0至90°之间。通过调整θ1和θ2的大小，可改变该区域金属材料的流动方向，进而实现对变形后试样的晶体取向的调控。
参考图4、图5，作为实施例2和实施例3，所述凸台5的两个侧面为弧面，两个弧面朝同一旋转方向弯曲，同样能实现金属材料的旋流。在实施例2中，所述凸台5的两个弧面内侧起点处的切线与轴截面之间的夹角大小在0至90°之间。结合图5，在实施例3中，两个弧面的朝同一方向弯曲，曲率发生两次变化，通过调整弧面的参数，可以实现更大范围的金属流动方向控制以及更大的变形量。
结合图6、图7所示，采用本发明进行棒材加工的方法如下：
(1)放料：将待加工坯料A放入挤压通道202内；
(2)挤压：启动压力机，挤压冲头1对待加工坯料A施加挤压力，使坯料通过带有螺旋分布凸台的径缩区201；
(3)放料B：待冲头下端面接近径缩区时，冲头退回，放入坯料B，如图7所示；挤压冲头对坯料B施加压力，使坯料B通过径缩区201。待冲头下端面再次接近径缩区201时，坯料A完全通过定径通道203，此时坯料B代替图7中坯料A的位置。再向挤压通道202内放入新的坯料，占据原来坯料B的位置，并重复上述步骤(3)，可持续获取成型后棒材。
以上所述，仅是本发明优选实施例的描述说明，并非对本发明保护范围的限定，显然，任何熟悉本领域的技术人员基于上述实施例，可轻易想到替换或变化以获得其它实施例，这些均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于晶粒取向三维调控的挤压模具，包括凹模，所述凹模的中心为凹模型腔，所述凹模型腔包括径缩区、挤压通道及定径通道，其特征在于：
沿径缩区的内壁呈螺旋状布设有数个凸台，所有凸台以挤压通道的轴线为中心在径缩区的内壁上形成旋转对称图形，当坯料受挤压经过径缩区时呈螺旋状流动，晶粒沿流动方向转动,
所述凸台的两个侧面为平面，两个侧面朝同一旋转方向倾斜，两个侧面与轴截面之间的夹角分别为θ1和θ2，所述θ1和θ2的取值范围在0至90°之间。
2.根据权利要求1所述的用于晶粒取向三维调控的挤压模具，其特征在于：
所述凸台的两个侧面由平面替换为弧面，两个弧面朝同一旋转方向弯曲。
3.根据权利要求2所述的用于晶粒取向三维调控的挤压模具，其特征在于：
所述凸台的两个弧面内侧起点处的切线与轴截面之间的夹角大小在0至90°之间。
4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的用于晶粒取向三维调控的挤
压模具，其特征在于：
所述凸台的数量为3个以上。
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