CN111235499A - 一种金属棒材表层纳米化的模具及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属棒材表层纳米化的模具及其使用方法，属于金属材料表层纳米化技术领域。本发明解决传统大塑性变形工艺手段存在晶粒尺寸难以抵达细晶强化尺寸极限的问题。本发明提供一种模具，该模具包括安装体和碾磨体，在安装体的内部由上到下镶嵌多组碾磨体，每组碾磨体包括三个碾磨球，相邻每组碾磨体的三个碾磨球的球心连线构成的等边三角形的边长依次等值减小。本发明的模具在深冷介质中进行深冷旋转摩擦挤压棒材加工过程中，兼顾棒材成型和表面纳米晶梯度改性的作用，减少了工序，具有工艺简单，成本低廉、加工效率高且可重复性好，可对合金棒材进行深度改性，实现表层纳米晶梯度结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属棒材表层纳米化的模具及其使用方法，属于金属材料表层纳米化技术领域。
背景技术
材料合金化被广泛应用于工程结构材料的制造，但材料合金化现面临着两大主要问题：制造成本越来越高，合金元素回收利用难度越来越大。而细晶强化作为一种强化机制，不需要添加任何元素，只需将晶粒尺寸限制在一定范围内，就可以得到期望的力学性能，很好的解决了合金化面临的难题。1999年中国科学院金属研究所的卢柯等人提出了梯度结构的新概念，即晶粒尺寸从表面向基体呈现梯度变化，表面纳米晶(≤100nm)与基体细晶协同作用，既可以获得很高的硬度和强度，还可以保证很好的抗疲劳、耐磨损性能等。
现有细化金属材料晶粒尺寸的主要方法分为两类：一类是沉积法，包含物理沉积、化学气相沉积和电解沉积等方法，这类方案通过控制温度、电压、电流等条件即可获取纳米量级的金属材料，然而这些方法通常存在制备效率极低，难以获取较大块体材料的技术局限性，难以推广至工业生产应用中；另一类是大塑性变形法，包含高压扭转、等通道转角挤压、搅拌摩擦处理、累积叠轧等方法，这些技术可以制备出致密且均匀的块体超细晶结构材料，但由于塑性变形引入的位错增殖导致的大量小角晶界、大角晶界和孪晶界的产生与动态回复和再结晶导致的位错湮灭间达到了动态平衡，微观结构趋于稳态且达到极限晶粒尺寸，很难再进一步增加累积塑性应变获得进一步细化晶粒。因此，提供一种在保证高应变速率和高累积塑性应变的同时，有效抑制动态回复和再结晶，进一步提高位错密度，细化晶粒，实现纳米晶结构的方法是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决传统大塑性变形工艺手段存在晶粒尺寸难以抵达细晶强化尺寸极限的问题，特别是对于铝合金和镁合金等高温或室温塑性变形手段难以获取纳米晶结构的金属材料的问题，提供一种棒材旋转摩擦挤压成型过程中实现金属棒材表层纳米晶梯度结构的深冷态处理方法，显著提高材料表层硬度和整体力学性能，改善材料服役性能。
本发明的技术方案：
一种金属棒材表层纳米化的模具，该模具包括安装体1和碾磨体，安装体1为管状结构，在安装体1的内部由上到下镶嵌多组碾磨体，每组碾磨体由三个碾磨球2组成，每组的三个碾磨球2球心连线构成等边三角形，该等边三角形的中心位于安装体1的中心轴线上，且该等边三角形所在平面与安装体1的中心轴线垂直；相邻组的碾磨体之间的距离相同，且安装体1的内部由上到下的每组碾磨体的三个碾磨球2球心连线构成的等边三角形的边长依次等值减小。
进一步限定，碾磨体的组数为3～20，相邻组碾磨体之间的距离L为10mm～25mm，且L不小于碾磨球2的直径D1。
进一步限定，碾磨球2直径D1的取值范围为5mm～20mm，制成碾磨球2的材质为钇稳定二氧化锆、氮化硅或聚晶立方氮化硼。
进一步限定，将安装体1内部镶嵌的碾磨体由到下依次命名为第1组、第2组、第3组……、第n组，每组碾磨球2的球心与安装体1中心轴线的距离使用Rn表示，相邻每组碾磨球2的球心与安装体1中心轴线的距离减小量为ΔR，即ΔR＝Rn-Rn+1，ΔR的取值范围为10μm～500μm。
进一步限定，每组碾磨球2的球心与安装体1中心轴线的距离Rn、相邻每组碾磨球2的球心与安装体1中心轴线的距离减小量ΔR与待加工金属棒材3直径D满足下述关系：
D/2＝Rn+nΔR n＝1，2，3…，3≤n≤20。
进一步限定，待加工金属棒材3直径D的取值范围为5mm～100mm，待加工金属棒材3的长度为大于等于50mm。
更进一步限定，待加工金属棒材3为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金材质。
上述模具在金属棒材表面制备表层纳米晶梯度结构的方法，该方法的具体操作过程为：将待加工金属棒材3以20rpm～3000rpm的旋转速度进行旋转，并以0.5mm/min～10mm/min的挤压速度同轴心的由安装体1的上端挤入置于浸泡在深冷介质中的模具中。
进一步限定，深冷介质为液态介质。
更进一步限定，深冷介质温度低于153K，具体为液氮或液氩。
本发明具有以下有益效果：本发明的模具在深冷旋转摩擦挤压棒材过程中，兼顾棒材成型和表面纳米晶梯度改性，减少了工序，具有工艺简单，成本低廉、加工效率高且可重复性好，仅需常规铣床或钻床添加深冷介质槽，即可对合金棒材进行深度改性，实现表层纳米晶梯度结构，具有良好的推广前景。并且本发明的棒材在深冷旋转摩擦挤压过程中，利用深冷介质避免了伴随塑性形变致位错增殖过程中的动态再结晶过程，并抑制了动态回复过程，解决了高温及室温大塑性变形工艺中晶粒尺寸难以抵达细晶强化尺寸极限的问题，可通过表层纳米晶梯度结构显著提高材料的硬度和强度。此外，本发明可应用于绝大多数合金材料的表层纳米晶梯度结构制备，特别是铝合金和镁合金等高温或室温大塑性变形手段难以获取纳米晶结构的材料，具有应用范围广的特点。
附图说明
图1为模具的结构示意图；
图2为图1中A-A处剖面图；
图3为模具在深冷介质中制备表层纳米晶梯度金属棒材示意图；
图4为图3中B处金属棒材表层纳米晶梯度示意图；
图中1-安装体，2-碾磨球，3-待加工金属棒材。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
具体实施方式1：如图1和图2所示，本发明的模具包括安装体1和碾磨体，安装体1为管状结构，在安装体1的内部由上到下镶嵌多组碾磨体，每组碾磨体由三个碾磨球2组成，每组的三个碾磨球2球心连线构成等边三角形，该等边三角形的中心位于安装体1的中心轴线上，且该等边三角形所在平面与安装体1的中心轴线垂直；相邻组的碾磨体之间的距离相同，且安装体1的内部由上到下的每组碾磨体的三个碾磨球2球心连线构成的等边三角形的边长依次等值减小。如此设置，以实现每组碾磨球2对金属棒材的压入深度相等；碾磨球2持续对金属棒材表面施加大塑性变形，引入高速高密度的位错增殖，从而产生高密度的晶界，同时在加工过程中金属棒材、碾磨球2和模具均浸泡在深冷介质中，从而避免了动态再结晶且有效地抑制了动态回复的发生，使得材料在累积塑性应变的作用下产生表层纳米晶结构，提高材料的力学性能。
具体实施方式2：如图3和图4所示，使用具体实施方式1的模具在金属棒材表面制备表层纳米晶梯度结构的方法，具体操作过程为：将2A12-T4铝合金待加工金属棒材3以200rpm的旋转速度ω进行旋转，并以1.5mm/min的挤压速度v同轴心的由安装体1的上端挤入置于浸泡在深冷介质液氮中的模具中。其中待加工金属棒材3的直径D为12mm，模具的碾磨体的组数为5，相邻组碾磨体之间的距离L为15mm，碾磨球2材质为钇稳定二氧化锆陶瓷，直径D1为8mm，相邻每组碾磨球2的球心与安装体1中心轴线的距离减小量ΔR为100μm，R1为5.9mm，R2为5.8mm，R3为5.7mm，R4为5.6mm，R5为5.5mm。上述条件能够达到的塑性变形温度≤153K、应变速率≥102～104s-1、累积塑性应变≥5。上述过程获得的金属棒材表层纳米晶梯度结构，如图4所示。
Claims (10)
1.一种金属棒材表层纳米化的模具，其特征在于，该模具包括安装体(1)和碾磨体，安装体(1)为管状结构，在安装体(1)的内部由上到下镶嵌多组碾磨体，每组碾磨体由三个碾磨球(2)组成，每组的三个碾磨球(2)球心连线构成等边三角形，该等边三角形的中心位于安装体(1)的中心轴线上，且该等边三角形所在平面与安装体(1)的中心轴线垂直；相邻组的碾磨体之间的距离相同，且安装体(1)的内部由上到下的每组碾磨体的三个碾磨球(2)球心连线构成的等边三角形的边长依次等值减小。
2.根据权利要求1所述的一种金属棒材表层纳米化的模具，其特征在于，碾磨体的组数为3～20，相邻组碾磨体之间的距离L为10mm～25mm，且L不小于碾磨球(2)的直径D1。
3.根据权利要求1或2所述的一种金属棒材表层纳米化的模具，其特征在于，所述的碾磨球(2)直径D1的取值范围为5mm～20mm，制成碾磨球(2)的材质为钇稳定二氧化锆、氮化硅或聚晶立方氮化硼。
4.根据权利要求1所述的一种金属棒材表层纳米化的模具，其特征在于，将安装体(1)内部镶嵌的碾磨体由到下依次命名为第1组、第2组、第3组……、第n组，每组碾磨球(2)的球心与安装体(1)中心轴线的距离使用Rn表示，相邻每组碾磨球(2)的球心与安装体(1)中心轴线的距离减小量为ΔR，即ΔR＝Rn-Rn+1，ΔR的取值范围为10μm～500μm。
5.根据权利要求4所述的一种金属棒材表层纳米化的模具，其特征在于，每组碾磨球(2)的球心与安装体(1)中心轴线的距离Rn、相邻每组碾磨球(2)的球心与安装体(1)中心轴线的距离减小量ΔR与待加工金属棒材(3)直径D满足下述关系：
D/2＝Rn+nΔR n＝1，2，3...，3≤n≤20。
6.根据权利要求5所述的一种金属棒材表层纳米化的模具，其特征在于，所述的待加工金属棒材(3)直径D的取值范围为5mm～100mm，待加工金属棒材(3)的长度为大于等于50mm。
7.根据权利要求5或6所述的一种金属棒材表层纳米化的模具，其特征在于，所述的待加工金属棒材(3)为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金材质。
8.一种权利要求1所述的模具在制备金属棒材表面制备表层纳米晶梯度结构的方法，其特征在于，该方法的具体操作过程为：将待加工金属棒材(3)以20rpm～3000rpm的旋转速度进行旋转，并以0.5mm/min～10mm/min的挤压速度同轴心的由安装体(1)的上端挤入置于浸泡在深冷介质中的模具中。
9.根据权利要求8所述的模具在制备金属棒材表面制备表层纳米晶梯度结构的方法，其特征在于，所述的深冷介质为液态介质。
10.根据权利要求9所述的模具在制备金属棒材表面制备表层纳米晶梯度结构的方法，其特征在于，所述的深冷介质温度低于153K，具体为液氮或液氩。
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