CN112453090A - 一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置及方法，包括加热体、绝缘套筒、挤压凹模、凹模套筒、凹模固定座和挤压杆；挤压凹模整体为锥形，其安装在凹模套筒内，凹模套筒与凹模固定座固定连接，在挤压凹模内设有挤压通道，挤压杆与挤压通道配合，所述的挤压通道由挤入通道、挤出通道和挤压转角组成，其中，挤出通道的横截面尺寸小于挤入通道横截面尺寸；挤入通道、挤出通道连接位置形成挤压转角，挤压转角的角度为90～150°；在挤压通道的周围设置孔道，在该孔道内放置绝缘套筒，加热体放置在绝缘套筒内。

Description

一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置及方法

技术领域

本项发明涉及金属塑性变形领域，特别涉及一种在线加热的恒温等通道转角挤压装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

等通道转角挤压技术是一种利用剧烈塑性变形细化材料晶粒组织的专用方法。该技术是前苏联科学家Segal在1977年提出的，其最初的目的就是制备块体超细晶金属材料。其基本原理是材料在通道转角处发生近乎纯剪切塑性变形, 使晶粒得到细化,机械和物理性能得以提升，并且能够保持变形前后试样横截面形状和尺寸不变，因此可以进行多道次重复挤压变形，使材料累积足够大的变形量。通过等通道转角挤压技术，可以将材料的晶粒尺寸细化至数十到数百纳米，使其综合力学性能得以显著提升。

在金属材料等通道转角挤压变形过程中，除铝、铜等高塑性、低变形抗力材料外，通常需要将材料加热至一定温度进行挤压变形。将材料加热至指定温度后放入模具中进行挤压变形称为非等温等通道转角挤压；将材料与模具同时加热至指定温度进行挤压变形称为恒温等通道转角挤压。非等温转角挤压的优点是模具结构简单、操作流程灵活，不足之处在于材料在转移和挤压过程中，由于与环境温度和模具温度不一致，导致其温度降低和温度分布不均匀，挤压材料温度不可控，容易造成试样材料表面裂纹，无法进行多道次重复挤压变形。恒温等通道转角挤压的工艺流程可控，挤压变形后材料表面质量好，利于多道次重复挤压变形积累大塑性变形量，但是该方法的模具结构复杂，尤其对钛合金等高强度金属材料进行等通道转角挤压，需要的挤压温度高，对模具耐高温性能要求高，模具易磨损，并且能耗高，超细晶材料制备成本高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置及方法，基于该装置及方法，可以提高等通道转角挤压制备超细晶金属材料的效率，降低能耗和成本。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置，包括加热体、绝缘套筒、挤压凹模、凹模套筒、凹模固定座和挤压杆；

所述的挤压凹模整体为锥形，其安装在凹模套筒内，凹模套筒与凹模固定座固定连接，在挤压凹模内设有挤压通道，挤压杆与挤压通道配合，所述的挤压通道由挤入通道、挤出通道和挤压转角组成，其中，挤出通道的横截面尺寸小于挤入通道横截面尺寸；挤入通道、挤出通道连接位置形成挤压转角，挤压转角的角度为90～150°；在挤压通道的周围设置孔道，在该孔道内放置绝缘套筒，加热体放置在绝缘套筒内。

作为进一步的技术方案，所述的挤压凹模包括两个分瓣凹模，两个分瓣凹模镜像组合在一起组成挤压凹模。

作为进一步的技术方案，所述的挤压凹模的外侧面设有脱膜润滑槽。

作为进一步的技术方案，在所述挤压凹模的底部设有脱膜顶出孔。

作为进一步的技术方案，所述凹模套筒的外侧面设有脱膜润滑槽。

作为进一步的技术方案，在所述凹模套筒的底部设有脱膜顶出孔。

作为进一步的技术方案，所述的脱膜顶出孔与模具顶出杆配合。

第二方面，本发明还提供了一种利用所述的实时在线加热恒温等通道转角挤压装置对超细晶材料进行制备的方法，包括以下步骤：

步骤1：组装等通道转角挤压模具；

步骤2：接通加热体电路，使挤压凹模整体温度达到设定温度；

步骤3：在1号挤压坯料表面涂润滑剂，并将其放入挤压通道内；

步骤4：1号挤压坯料在挤压通道内被加热设定时间，启动压力装置，推动挤压杆使1号挤压坯料在挤压通道转角处发生变形；

步骤5：挤压杆返回，拉出挤压通道；

步骤6：将2号挤压坯料表面涂润滑剂，并将其放入挤压通道内；

步骤7：2号挤压坯料在挤压通道内被加热设定时间，启动压力装置，推动挤压杆使2号挤压坯料在挤压通道转角处发生变形，并将1号挤压坯料挤出通道，使用工具取出；

步骤8：挤压杆返回，拉出挤压通道；

步骤9：将经过一道次挤压变形的1号挤压坯料表面涂润滑剂，并将其放入挤压通道内；

步骤10：1号挤压坯料在挤压通道内被加热设定时间，启动压力装置，推动挤压杆使1号挤压坯料在挤压通道转角处发生变形，并将2号挤压坯料挤出通道，使用工具取出；

以此类推，在模具温度保持不变条件下，对材料进行多道次等通道转角挤压变形，从而累计大塑性变形量，最终得到超细晶材料；

挤压结束后，将整套模具从压力装置上拆卸。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1.本发明通过在模具内部加装加热体，对模具直接加热并能够通过功率调节实时控制温度，在确保金属材料顺利发生等通道转角挤压大塑性变形的前提下，提高了超细晶材料的制备效率和能量利用率，对解决钛合金等高强度金属材料的等通道转角挤压变形困难的技术难题提供了一种新思路。

2、本发明提出将加热体装配在模具内部对模具进行在线实时加热的方法，提高能量利用率和挤压效率。

3、本发明中的挤出通道尺寸小于挤入通道，避免多道次挤压变形道次之间对试样进行机加工，提高多道次挤压效率。

4、在挤压凹模和凹模套筒外表面增加润滑槽，可以降低挤压结束后模具之间的脱膜难度，以TC4钛合金挤压为例，增加润滑槽后，模具顶出载荷降低约 40％。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施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是本发明模具结构俯视图；

图2是本发明镜像分瓣式凹模的示意图；

图3是图1的剖视图A-A；

图4是图1的剖视图B-B；

图5是等通道转角挤压工艺流程；

图6是模具拆卸过程示意图；

图7TC4合金等通道转角挤压样品图；

图8(a)是TC4合金等通道转角挤压前显微组织图；图8(b)是TC4合金等通道转角挤压后显微组织图；

图9是拉伸力学性能对比图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。1-加热体，2-陶瓷套筒，3-挤压凹模，4-凹模套筒，5-凹模固定座，6-挤压杆，7-挤压坯料，以及特征结构8-挤压通道，9-脱膜润滑槽，10-脱膜顶出孔， 11-凹模座固定孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种能够在线加热的高效等通道转角挤压模具装置及方法。

本发明专利适用于多种金属材料的等通道转角挤压大塑性变形，但是，对于纯铝、纯铜等塑性好、变形抗力低的材料，因其无需加热就能够实现等通道转角挤压大塑性变形，且所需挤压力小，模具脱膜也非常容易，因此，本发明专利对这些金属材料的等通道转角挤压变形意义不大。但是，对镁合金、钛合金等需要加热至较高温度进行等通道转角挤压变形的材料，使用本发明专利的装置和方法，将具有显著效果，本实施例将以钛合金等通道转角挤压大塑性变形为例进行说明。

首先，本实施例对本发明的装置进行说明，本实施例提出的一种能够在线加热的高效等通道转角挤压模具装置，如图1、图2、图3、图4所示，主要包括加热体1、陶瓷套筒2、挤压凹模3、凹模套筒4、凹模固定座5、挤压杆6、挤压坯料7以及特征结构挤压通道8，脱膜润滑槽9，脱膜顶出孔10，凹模座固定孔11。

上述加热体1，使用金属或者非金属加热棒或加热丝，通电后加热，内部装有热电偶，可以实时监测温度，并通过程序反馈调节电流参数，达到控制加热温度的目的。

陶瓷套筒2，材质为刚玉(三氧化二铝)或者氧化锆等陶瓷材料，并起到保护加热体和绝缘的作用，确保挤压过程的安全性。加热体1放置在陶瓷套筒2 内；陶瓷套筒2斜插在挤压凹模3内；在本实施例中，加热体1和陶瓷套筒2 各自包括6个，在挤压凹模3中心的一侧设置三个，另外一侧设置三个，6个加热体相对于挤压凹模3中心线对称设置。需要说明的是，加热体1和陶瓷套筒2 的设置数量根据实际需要进行设置。

挤压凹模3，材质通常选用高强模具钢，采用镜像分瓣式结构，如图2所示，分瓣凹模3-1和分瓣凹模3-2镜像组合在一起组成锥形的挤压凹模，在挤压凹模内形成挤压通道8，其挤压通道8由挤入通道8-1、挤出通道8-2和挤压转角 8-3组成，其中，挤出通道8-2的横截面尺寸b小于挤入通道横截面尺寸a，例如，通道截面为圆形，那么a、b分别表示挤入通道和挤出通道直径，且a＞b；通道截面为正方形，那么a、b分别表示挤入通道和挤出通道边长，且a＞b；其目的是材料被挤出后，不需经过再加工就能够顺利放入挤入通道，简化多道次挤压流程，提高速度和效率；挤压转角8-3的角度通常为90～150°，角度的具体大小根据挤压材料种类和工艺要求而定。

沿着圆周方向，在锥形的挤压凹模的外侧面设有多个脱膜润滑槽9，每个脱膜润滑槽9沿着挤压凹模的侧面的母线方向设置，其中槽的深度0.5～2mm，内部注入耐高温润滑剂，其目的是挤压结束后便于模具脱膜；

挤压凹模底部有脱膜顶出孔10，其直径为c，作用是挤压结束后顶出挤压凹模3。

凹模套筒4：材质通常选用高强模具钢，作用是固定挤压凹模3，其内表面与挤压凹模外表面紧密配合，都为锥形面；其外表面也有多个脱膜润滑槽9，槽深度0.5～2mm，脱膜润滑槽9沿凹模套筒4的圆周方向设置4～24个，内部注入耐高温润滑剂，其目的是挤压结束后便于模具脱膜；

凹模套筒4底部也设有脱膜顶出孔10，其直径为d，d＞c，作用是挤压结束后顶出凹模套筒4。

在凹模套筒4的侧面设有与挤出通道8-2相连通的出料通道，该出料通道的横截面尺寸大于挤出通道的横截面尺寸；

凹模固定座5：材质通常选用高强模具钢或普通钢材，作用是固定凹模套筒4以及防止凹模套筒4受径向挤压力被挤裂，避免危险发生，另一方面，通过凹模座固定孔11使整套模具结构与压力装置固定和连接。

凹模固定座5的侧面设有与凹模套筒4的出料通道相连通的出料通道，两个出料通道的横截面尺寸相等，两个出料通道与挤出通道同轴设置。

挤压杆6：材质通常选用高强模具钢或其他耐高温高强材料，作用是在压力装置作用下推动挤压坯料7在挤压通道8内运动，并在挤压转角8-3处发生大塑性变形。

挤压坯料7：可以为铝和铝合金、镁和镁合金、铜和铜合金、钛和钛合金等多种金属合金材料，通过等通道转角挤压工艺是材料晶粒得到细化，性能得到显著提升。

模具顶出杆10，材质使用高强钢，采用阶梯式设计，上端直径c与凹模套筒底部顶出孔配合，高度h2大于凹模套筒底部高度h1；下端直径d与凹模固定座配合，高度H2大于凹模固定座底部高度H1，其作用是挤压结束后，将挤压凹模和凹模套筒顶出，便于拆卸模具；

凹模固定座安装板12，连接凹模固定做和压力装置；

下面对具体的试验过程进行说明：

以试验材料TC4钛合金；挤压坯料尺寸为：φ20×80mm；挤压温度：650℃；挤压通道转角为120°，挤压道次：4，选用石墨和二硫化钼混合粉体作为挤压润滑剂，混合比例为1:1.

步骤1：按如图1和图4所示结构组装等通道转角挤压模具；

步骤2：接通加热体电路，设定加热温度为650℃，并保温，约20min后， 3-挤压凹模整体温度达到650℃，且温度分布均匀；

步骤3：在1号挤压坯料表面涂润滑剂，并将其放入8-挤压通道内；

步骤4：1号挤压坯料在8-挤压通道内被加热5min，启动压力装置，推动 6-挤压杆使1号挤压坯料在8-3挤压通道转角处发生变形；

步骤5：挤压杆返回，拉出挤压通道；

步骤6：将2号挤压坯料表面涂润滑剂，并将其放入8-挤压通道内；

步骤7：2号挤压坯料在8-挤压通道内被加热5min，启动压力装置，推动 6-挤压杆使2号挤压坯料在8-3挤压通道转角处发生变形，并将1号挤压坯料挤出通道，使用工具取出；

步骤8：挤压杆返回，拉出挤压通道；

步骤9：将经过一道次挤压变形的1号挤压坯料表面涂润滑剂，并将其放入 8-挤压通道内；

步骤10：1号挤压坯料在8-挤压通道内被加热5min，启动压力装置，推动 6-挤压杆使1号挤压坯料在8-3挤压通道转角处发生变形，并将2号挤压坯料挤出通道，使用工具取出；

以此类推，可以在模具温度保持不变条件下，对材料进行多道次等通道转角挤压变形，从而累计大塑性变形量，最终得到超细晶材料。

挤压结束后，将整套模具从压力装置上拆卸，其步骤如图6所示：

步骤11：模具顶出杆10向上运动，首先将分瓣式挤压凹模顶出；

步骤12：因挤压凹模和凹模套筒为锥面配合，挤压凹模顶出后与凹模套筒之间产生间隙，将分瓣式凹模套筒分开，可以将最后一件挤压变形坯料取出，再将挤压凹模取出；

步骤13：模具顶出杆继续向上运动，将凹模套筒顶出；

步骤14：模具顶出杆返回运动，并完成其他模具零部件拆卸。

传统恒温等通道转角挤压工艺中，需要设计与模具相适应的加热炉，将整套模具进行整体加热，一方面，加热效率低，能耗高，另一方面，挤压坯料的上料和取出不方便，挤出的样品再进行下一道次挤压前还需要对其外表面进行机加工，不但效率低下，而且制备成本高。采用本发明专利的装置和工艺方法，在90min内就完成了2个TC4样品的4道次挤压变形，如图7所示。经过显微组织分析和力学性能测试，其晶粒细化效果明显，力学性能得到显著提升，如图8和图9所示。TC4合金的晶粒尺寸由大于20μm降低至小于5μm，其拉伸强度也由1100MPa增大至1410MPa。但是由于变形后TC4合金没有经过热处理，内部位错密度大，因此其拉伸延伸率较低。

本发明专利不但适用于钛合金，对其他材料同样适用，工艺流程类似，但是选取的工艺参数有所不同。

传统恒温等通道转角挤压工艺中，需要设计与模具相适应的加热炉，将整套模具进行整体加热，一方面，加热效率低，能耗高，另一方面，挤压坯料的上料和取出不方便，挤出的样品再进行下一道次挤压前还需要对其外表面进行机加工，不但效率低下，而且制备成本高。采用本发明专利的装置和工艺方法，在90min内就完成了2个TC4样品的4道次挤压变形，如图7所示。经过显微组织分析和力学性能测试，其晶粒细化效果明显，力学性能得到显著提升，如图8和图9所示。TC4合金的晶粒尺寸由大于20μm降低至小于5μm，其拉伸强度也由1100MPa增大至1410MPa。但是由于变形后TC4合金没有经过热处理，内部位错密度大，因此其拉伸延伸率较低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置，其特征在于，包括加热体、绝缘套筒、挤压凹模、凹模套筒、凹模固定座和挤压杆；

所述的挤压凹模整体为锥形，其安装在凹模套筒内，凹模套筒与凹模固定座固定连接，在挤压凹模内设有挤压通道，挤压杆与挤压通道配合，所述的挤压通道由挤入通道、挤出通道和挤压转角组成，其中，挤出通道的横截面尺寸小于挤入通道横截面尺寸；挤入通道、挤出通道连接位置形成挤压转角，挤压转角的角度为90～150°；在挤入通道的周围设置孔道，在该孔道内放置绝缘套筒，加热体放置在绝缘套筒内；所述的凹模套筒、凹模固定座上设有与挤出通道连通的出料通道。

2.如权利要求1所述的一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置，其特征在于，所述的挤压凹模包括两个分瓣凹模，两个分瓣凹模镜像组合在一起组成挤压凹模以及挤压通道。

3.如权利要求1所述的一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置，其特征在于，所述的加热体包括多个，多个加热体相对于挤压凹模的中心线对称设置。

4.如权利要求1所述的一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置，其特征在于，所述的绝缘套筒和加热体倾斜的插在所述的挤压凹模的孔道内。

5.如权利要求1所述的一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置，其特征在于，所述的挤压凹模的外侧面设有脱膜润滑槽。

6.如权利要求1所述的一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置，其特征在于，在所述挤压凹模的底部设有脱膜顶出孔。

7.如权利要求1所述的一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置，其特征在于，所述凹模套筒的外侧面设有脱膜润滑槽。

8.如权利要求1所述的一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置，其特征在于，在所述凹模套筒的底部设有脱膜顶出孔。

9.如权利要求1所述的一种实时在线加热恒温等通道转角挤压装置，其特征在于，所述的脱膜顶出孔与模具顶出杆配合。

10.利用权利要求1所述的实时在线加热恒温等通道转角挤压装置对超细晶材料进行制备的方法，其特征在于，

步骤1：组装等通道转角挤压模具；

步骤2：接通加热体电路，使挤压凹模整体温度达到设定温度；

步骤3：在1号挤压坯料表面涂润滑剂，并将其放入挤压通道内；

步骤4：1号挤压坯料在挤压通道内被加热设定时间，启动压力装置，推动挤压杆使1号挤压坯料在挤压通道转角处发生变形；

步骤5：挤压杆返回，拉出挤压通道；

步骤6：将2号挤压坯料表面涂润滑剂，并将其放入挤压通道内；

步骤7：2号挤压坯料在挤压通道内被加热设定时间，启动压力装置，推动挤压杆使2号挤压坯料在挤压通道转角处发生变形，并将1号挤压坯料挤出通道，使用工具取出；

步骤8：挤压杆返回，拉出挤压通道；

步骤9：将经过一道次挤压变形的1号挤压坯料表面涂润滑剂，并将其放入挤压通道内；

步骤10：1号挤压坯料在挤压通道内被加热设定时间，启动压力装置，推动挤压杆使1号挤压坯料在挤压通道转角处发生变形，并将2号挤压坯料挤出通道，使用工具取出；

以此类推，在模具温度保持不变条件下，对材料进行多道次等通道转角挤压变形，从而累计大塑性变形量，最终得到超细晶材料；

挤压结束后，将整套模具从压力装置上拆卸。

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