CN113231469B - 一种锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法。本发明包括以下步骤：(1)用铝合金材料制作包套模具；(2)用纯锌或锌基复合材料制作轧制坯料；(3)将轧制坯料装入包套模具中，再进行加热保温，得A料；(4)将A料在轧机上轧制，得B料；(5)去除B料上的铝合金外包套材料，置于真空炉中静置矫平，得成品。本发明能够通过包套热轧的方式有效解决锌基复合材料轧制时开裂的问题。有效提高材料的高温可变形性、材料致密度以及力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及锌基复合材料的轧制技术领域，特别是一种锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法。
背景技术
目前金属类植入器械主要有钛合金、不锈钢以及钴基合金。上述植入器械都具有良好的耐蚀性，能够在体内长期保持结构和性能的稳定性，当器械服役完成后需要进行二次手术取出，增加医疗费用的同时会对人体造成二次伤害。但作为短期的植入材料，需要植入器械能够在治疗期间腐蚀降解的同时，仍然保持特定的功能，且要求材料本身以及降解产物能够被人体吸收或者代谢排出体外，达到既能够满足治疗要求，又避免二次手术带来的痛苦和费用增加。
生物可降解锌基材料是新一代骨科植入物的候选材料。与镁相比，不会产生由于腐蚀过快而引起的氢穴腐蚀。与铁、钛等不可降解的金属相比，锌在体内表现出更好的降解速率。
然而加工锌基材料的纯锌的室温力学性能较差不满足医用植入材料的要求，导致熔炼后的锌基制品存在氧化严重、晶粒粗大、致密度较低等问题，也达不到作为生物骨内固定材料的要求。为了解决此问题，有必要提出一种能够有效的解决锌基材料轧制开裂，晶粒粗大，力学性能较低等问题的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法。本发明能够通过包套热轧的方式有效解决锌基复合材料轧制时开裂的问题。有效提高材料的高温可变形性、材料致密度以及力学性能。
本发明的技术方案：一种锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法，该方法包括以下步骤：
(1)用铝合金材料制作包套模具；
(2)用纯锌或锌基复合材料制作轧制坯料；
(3)将轧制坯料装入包套模具中，再进行加热保温，得A料；
(4)将A料在轧机上轧制，得B料；
(5)去除B料上的铝合金外包套材料，置于真空炉中静置矫平，得成品。
前述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法中，所述包套模具的外形为长方体形，包套模具的中心设有前后贯通的长方体形的轧制坯料放置空腔；所述轧制坯料的外形和尺寸与轧制坯料放置空腔匹配。
前述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法中，所述坯料放置空腔的前后长度与包套模具的前后长度相等；所述坯料放置空腔的上下高度是包套模具的上下高度的50-90％；所述坯料放置空腔的左右宽度是包套模具的左右高度的50-90％。
前述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法中，所述坯料放置空腔的前后长度与包套模具的前后长度相等；所述坯料放置空腔的上下高度是包套模具的上下高度的60％；所述坯料放置空腔的左右宽度是包套模具的左右高度的60％。
前述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法中，所述铝合金材料的是606X系铝合金；所述锌基复合材料是Zn＞50wt％的锌基复合材料。
前述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法中，所述铝合金材料的是6061铝合金；锌基复合材料是0.5wt％GNS/Zn基复合材料。
前述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法中，所述加热保温在热处理炉中进行，温度为350-380℃，保温时间为45-60min。
前述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法中，所述加热保温在热处理炉中进行，温度为380℃，保温时间为45min。
前述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法中，所述轧制是进行多道次轧制处理，多道次轧制处理工艺为：轧制温度为350-380℃，轧制速率为100-200r/min，每道次轧制变形量为5-10％，每道次变形完成后将带包套的坯料放入350-380℃的热处理炉中保温3-5min，然后进行下一道次轧制，共计进行8-12道次轧制。
前述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法中，所述轧制是进行多道次轧制处理，多道次轧制处理工艺为：轧制温度为380℃，轧制速率为150r/min，每道次轧制变形量为10％，每道次变形完成后将带包套的坯料放入380℃的热处理炉中保温5min，然后进行下一道次轧制，共计进行8-12道次轧制。
前述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法中，所述静置的温度为200-220℃，时间为30-45min。
前述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法中，所述静置的温度为200℃，时间为45min。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、现有技术中，轧制是提高金属材料强度的常用方法，塑性较好的金属材料可以直接采用冷轧或热轧的方式改善力学性能，但针对烧结成型的锌基复合材料直接冷轧或热轧会导致材料出现开裂现象。本发明通过设计一种铝合金包套模具，结合热轧工艺进行包套轧制，能够有效解决锌基复合材料的轧制开裂问题，显著提高材料的高温可变形性、材料致密性和力学性能。
2、本发明方法主要用于有效解决锌基复合材料的轧制开裂问题，本发明方法也可用于纯锌材料的轧制，同样可提高纯锌材料的力学性能。
3、本发明对hcp晶体结构的金属轧制工艺具有一定的指导意义。
4、本发明提出的坯料放置空腔的前后长度与包套模具的前后长度相等；所述坯料放置空腔的上下高度是包套模具的上下高度的60％；坯料放置空腔的左右宽度是包套模具的左右高度的60％。如此，使坯料放置空腔的上下左右距离均相等且对称，可获得很好的包套轧制效果，轧制时应力不会集中，试样也不会开裂。若下左右的距离不对称，则势必在轧制时引起应力在薄弱方向应力集中，从而导致试样开裂。
5、本发明中，选用606X系铝合金，是因为该系铝合金有较好的延展性，在包套轧制过程中一定程度下可辅助轧制变形。而胚体材料只要是以锌为基体的复合材料均可，Zn＞50wt％。
6、本发明中，加热保温在热处理炉中进行，温度最优为380℃，保温时间最优为45min，目的是保证热轧过程中，第一道轧制就能保证轧制胚料受热均匀；之后进行的多道轧制，轧制温度保持为380℃，轧制速率为150r/min，固定轧制速率是为了控制变量，因为不同的轧制速率会影响胚体材料的晶粒大小，每道次轧制变形量为10％，同样是为了控制变量，不同的变形量轧制的材料晶粒有差别；每道次变形完成后将带包套的坯料放入380℃的热处理炉中保温5min，是因为第一道轧制是已经保温45min,因此往后保温5min，即可受热均匀，然后进行下一道次轧制；共计进行8-12道次轧制，多道次轧制有两个原因：一是为了实验安全性，每道次下降量有严格规定，二是采用多道轧制有利于均匀细化晶粒。
7、本发明最后去除铝合金外包套材料，置于真空炉中静置矫平的最优静置的温度为200℃，时间为45min，理由是：静置的目的是去应力矫正，200℃达不到回复再结晶，因此，200℃静置45min有利于后期加工。
附图说明
图1为包套模具的结构示意图；
图2为图2为包套轧制后包套材料与基体的横截面分层实物图；
图3为包套轧制前0.3wt％GNS/Zn复合材料组织图；
图4为包套轧制后0.3wt％GNS/Zn复合材料组织图。
其中，图1所示包套模具中设有轧制坯料放置空腔；
图2所示上下层是包套材料，中间层是轧制坯料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法，
本实施例中采用6061铝合金作为包套材料，具体包括以下步骤：
(1)将6061铝合金按照图1所示图纸进行加工，在中间加工出一个70mm×26mm×6mm的长方体空腔，剩余材料即为包套模具。
(2)将烧结好的纯锌材料(圆柱状)，用线切割获得70mm×26mm×6mm的板。
(3)将加工好的锌基复合材料板放入设计好的包套模具中，置入箱式炉中随炉加热到380℃，保温35min，取出进行轧制，每道次变形量为8％，轧制速度为150r/min，每轧一道次后放入炉中，待温度稳定以后计时5min，重复上述步骤进行多道次轧制，共进行10道次轧制。
(4)经选材的包套材料与坯体经轧制以后具有明显的分层现象，其分层图如图2所示，将轧好锌基复合板置于220℃的真空炉中静置45min。
本实例通过合理设计包套模具和热轧工艺，解决了室温变形能力差、易开裂、易氧化的材料轧制问题。轧制后纯锌的抗拉强度为127MPa，硬度为61HV较轧制前(112MPa，52HV)，分别提高了13.3％，17.3％，有效提高材料力学性能。
实施例2。一种锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法，
与实施例1不同的是，本实例选用的轧制母材选用的0.3wt％GNS/Zn基复合材料。
经轧制后0.3wt％GNS/Zn基复合材料的抗拉强度为168MPa，硬度为63HV较轧制前(148MPa，56HV)，分别提高了13.5％，12.5％。
诸多实例表明：能够通过包套热轧的方式解决脆性金属、材料氧化以及热开裂的问题，提高材料的力学性能。
实施例3。一种锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法，本方法步骤如下：
(1)用铝合金材料制作包套模具；所述铝合金材料的是6061铝合金；
(2)用锌基复合材料制作轧制坯料；所述锌基复合材料是0.3wt％GNS/Zn基复合材料；所述包套模具的外形为长方体形，包套模具的中心设有前后贯通的长方体形的轧制坯料放置空腔；所述轧制坯料的外形和尺寸与轧制坯料放置空腔匹配；所述坯料放置空腔的上下高度是包套模具的上下高度的50％；所述坯料放置空腔的左右宽度是包套模具的左右高度的50％；
(3)将轧制坯料装入包套模具中，再进行加热保温，得A料；所述加热保温在热处理炉中进行，温度为350℃，保温时间为45min；
(4)将A料在轧机上轧制，得B料；所述轧制是进行多道次轧制处理，多道次轧制处理工艺为：轧制温度为350℃，轧制速率为100r/min，每道次轧制变形量为5％，每道次变形完成后将带包套的坯料放入350℃的热处理炉中保温3min，然后进行下一道次轧制，共计进行8道次轧制；
(5)去除B料上的铝合金外包套材料，置于真空炉中静置矫平，得成品；所述静置的温度为200℃，时间为30min。
实施例4。一种锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法，本方法步骤如下：
(1)用铝合金材料制作包套模具；所述铝合金材料的是6061铝合金；
(2)用锌基复合材料制作轧制坯料；所述锌基复合材料是0.3wt％GNS/Zn基复合材料；所述包套模具的外形为长方体形，包套模具的中心设有前后贯通的长方体形的轧制坯料放置空腔；所述轧制坯料的外形和尺寸与轧制坯料放置空腔匹配；所述坯料放置空腔的上下高度是包套模具的上下高度的90％；所述坯料放置空腔的左右宽度是包套模具的左右高度的90％；
(3)将轧制坯料装入包套模具中，再进行加热保温，得A料；所述加热保温在热处理炉中进行，温度为380℃，保温时间为60min；
(4)将A料在轧机上轧制，得B料；所述轧制是进行多道次轧制处理，多道次轧制处理工艺为：轧制温度为380℃，轧制速率为200r/min，每道次轧制变形量为10％，每道次变形完成后将带包套的坯料放入380℃的热处理炉中保温5min，然后进行下一道次轧制，共计进行12道次轧制；
(5)去除B料上的铝合金外包套材料，置于真空炉中静置矫平，得成品；所述静置的温度为220℃，时间为45min。
实施例5。一种锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法，本方法步骤如下：
(1)用铝合金材料制作包套模具；所述铝合金材料的是6061铝合金；
(2)用锌基复合材料制作轧制坯料；所述锌基复合材料是0.3wt％GNS/Zn基复合材料；所述包套模具的外形为长方体形，包套模具的中心设有前后贯通的长方体形的轧制坯料放置空腔；所述轧制坯料的外形和尺寸与轧制坯料放置空腔匹配；所述坯料放置空腔的上下高度是包套模具的上下高度的70％；所述坯料放置空腔的左右宽度是包套模具的左右高度的70％；
(3)将轧制坯料装入包套模具中，再进行加热保温，得A料；所述加热保温在热处理炉中进行，温度为365℃，保温时间为52min；
(4)将A料在轧机上轧制，得B料；所述轧制是进行多道次轧制处理，多道次轧制处理工艺为：轧制温度为365℃，轧制速率为150r/min，每道次轧制变形量为7.5％，每道次变形完成后将带包套的坯料放入370℃的热处理炉中保温4min，然后进行下一道次轧制，共计进行10道次轧制；
(5)去除B料上的铝合金外包套材料，置于真空炉中静置矫平，得成品；所述静置的温度为210℃，时间为37min。
Claims (5)
1.一种锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）用铝合金材料制作包套模具；
（2）用锌基复合材料制作轧制坯料；
（3）将轧制坯料装入包套模具中，再进行加热保温，得A料；
（4）将A料在轧机上轧制，得B料；
（5）去除B料上的铝合金外包套材料，置于真空炉中静置矫平，得成品；
所述包套模具的外形为长方体形，包套模具的中心设有前后贯通的长方体形的轧制坯料放置空腔；所述轧制坯料的外形和尺寸与轧制坯料放置空腔匹配；
所述坯料放置空腔的前后长度与包套模具的前后长度相等；所述坯料放置空腔的上下高度是包套模具的上下高度的50-90%；所述坯料放置空腔的左右宽度是包套模具的左右高度的50-90%；
所述加热保温在热处理炉中进行，温度为350-380℃，保温时间为45-60min；
所述轧制是进行多道次轧制处理，多道次轧制处理工艺为：轧制温度为350-380℃，轧制速率为100-200r/min，每道次轧制变形量为5-10%，每道次变形完成后将带包套的坯料放入350-380℃的热处理炉中保温3-5min，然后进行下一道次轧制，共计进行8-12道次轧制；
所述静置的温度为200-220℃，时间为30-45min。
2.根据权利要求1所述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法，其特征在于：所述坯料放置空腔的前后长度与包套模具的前后长度相等；所述坯料放置空腔的上下高度是包套模具的上下高度的60%；所述坯料放置空腔的左右宽度是包套模具的左右高度的60%。
3.根据权利要求1所述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法，其特征在于：所述铝合金材料的是606X系铝合金；所述锌基复合材料是Zn>50wt%的锌基复合材料。
4.根据权利要求1所述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法，其特征在于：所述加热保温在热处理炉中进行，温度为380℃，保温时间为45min。
5.根据权利要求1所述的锌基复合材料用铝合金材料包套热轧的方法，其特征在于：所述轧制是进行多道次轧制处理，多道次轧制处理工艺为轧制温度为380℃，轧制速率为150r/min，每道次轧制变形量为10%，每道次变形完成后将带包套的坯料放入380℃的热处理炉中保温5min，然后进行下一道次轧制，共计进行8-12道次轧制。
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