CN113426845A - 一种形状记忆合金材料的挤压方法及等通道转角挤压模具 - Google Patents

一种形状记忆合金材料的挤压方法及等通道转角挤压模具 Download PDF

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张艳红
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Abstract

本发明提供一种形状记忆合金材料的挤压方法及等通道转角挤压模具，方法包括：提供所需尺寸的形状记忆合金坯料以及低碳钢包套；对所述形状记忆合金坯料和所述低碳钢包套进行配合组装成挤压坯料；在预设温度下，通过所述等通道转角挤压模具对所述挤压坯料进行加热和挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。本发明的方案可以实现难变形材料在动态再结晶温度以下的等通道转角挤压大变形。

Description

一种形状记忆合金材料的挤压方法及等通道转角挤压模具
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，特别是指一种形状记忆合金材料的挤压方法及等通道转角挤压模具。
背景技术
TiNi形状记忆合金具有优异的功能力学性能，是一种重要的智能材料。NiTi合金的应用已经扩展到航空航天和生物医学领域。第三种合金元素的加入可以改变NiTi基形状记忆合金的形状记忆性能，其主要表现为相变应变、回复应力、热机械循环稳定性、相变温度和滞后。NiTiNb三元形状记忆合金是宽滞后NiTi基形状记忆合金，其最高滞后温度在150℃以上。宽滞后的特点是预变形后需要提高到一定温度才能恢复原来的形状，解决了NiTi合金由于相变滞后窄而必须在低温下储存和运输的问题。NiTiNb在管接头和紧固件中有着广阔的应用前景。对高性能元器件的迫切要求，需要更好的开关电源。在一定的化学成分下，通过热机械处理来调整形状记忆合金的微观结构是改善其形状记忆合金性能的有效途径。通过热加载细化NiTi基合金的晶粒可以有效地提高NiTiNb的形状记忆性能。
等通道转角挤压(等通道转角挤压)工艺可以获得几乎相等截面的大块超细晶样品。由于NiTiX三元合金的高强度，再结晶温度以下的等通道转角挤压工艺是一个很大的挑战。
发明内容
本发明提供一种形状记忆合金材料的挤压方法及等通道转角挤压模具。解决硬质合金难以在动态再结晶温度以下等通道转角挤压变形和晶粒细化的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种形状记忆合金材料的挤压方法，包括：
提供所需尺寸的形状记忆合金坯料以及低碳钢包套；
对所述形状记忆合金坯料和所述低碳钢包套进行配合组装成挤压坯料；
在预设温度下，通过所述等通道转角挤压模具对所述挤压坯料进行加热和挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
可选的，在预设温度下，通过所述等通道转角挤压模具对所述挤压坯料进行加热和挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料，包括：
在环境箱内组装所述等通道转角挤压模具；
将所述挤压坯料放置入所述等通道转角挤压模具的通道内，对所述挤压坯料进行所述预设温度的加热，并保持一预设时间段；
通过液压机对所述通道内的所述挤压坯料进行挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
可选的，将所述挤压坯料放置入所述等通道转角挤压模具的通道内，包括：
在所述挤压坯料表面涂覆石墨润滑剂后，将所述挤压坯料放置入所述等通道转角挤压模具的通道内。
可选的，通过液压机对所述通道内的所述挤压坯料进行挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料，包括：
将所述等通道转角挤压模具的挤压杆，放置在所述通道的位置；
启动液压机，按照预设的挤压速度，推动所述挤压杆挤压所述挤压坯料，使所述挤压坯料在所述通道的转角处发生变形，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
可选的，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料，包括：
若经过N次挤压变形后的所述挤压坯料的界面尺寸符合目标晶粒尺寸，将所述挤压变形后的所述挤压坯料直接作为所述目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料；
若经过N次挤压变形后的所述挤压坯料的界面尺寸小于目标晶粒尺寸，将所述挤压变形后的所述挤压坯料打磨至初始截面尺寸；其中，所述N大于或者等于1；将打磨后的所述挤压坯料的再次放入到所述等通道转角挤压模具的通道内进行重复挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
可选的，所述形状记忆合金坯料通过机械加工从热锻棒材上切取获得。
可选的，所述低碳钢包套的长度与所述形状记忆合金坯料的长度相等，所述形状记忆合金坯料和所述低碳钢包套的配合公差为0～0.2mm。
可选的，所述等通道转角挤压模具的通道的转角在90°～150°之间。
可选的，所述等通道转角挤压模具的凹模通道处设置有脱模顶出孔。
本发明的实施例还提供一种等通道转角挤压模具，包括：
底板；
设置于所述底板上，并与所述底板固定连接的外模套；
设置于所述外模套内部的凹模；所述凹模具有供所述形状记忆合金坯料进入的通道；
固定所述凹模的凹模配合板；
插入所述凹模的通道的压杆；
所述通道上设置有至少一个顶出孔。
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
本发明的上述方案，通过提供所需尺寸的形状记忆合金坯料以及低碳钢包套；对所述形状记忆合金坯料和所述低碳钢包套进行配合组装成挤压坯料；在预设温度下，通过所述等通道转角挤压模具对所述挤压坯料进行加热和挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。实现难变形材料在动态再结晶温度以下的等通道转角挤压大变形；另外，由于低碳钢好的塑性和低的变形抗力，低碳钢包覆层一方面可以避免等通道转角挤压实验中形状记忆合金坯料试样拐角处的应力集中，改善被挤压合金的表面质量；另一方面可以提高形状记忆合金坯料和模具流道的相对流动性。并且有利于每道次之间挤压坯料的打磨。该方法可以推广到其他难变形合金材料的等通道转角挤压实验。
附图说明
图1是本发明的形状记忆合金材料的挤压方法的流程图；
图2是本发明的形状记忆合金包套的结构示意图；
图3是本发明的包套记忆合金坯料和在挤压通道中形态示意图；
图4是本发明的等通道转角挤压模具装配图；
图5是本发明的中等通道转角挤压模具的凹模通道处孔的位置示意图
图6是本发明的等通道转角挤压模具的凹模配合板的示意图；
图7是本发明的包套记忆合金坯料挤压过程和拉伸试样制备示意图；
图8是本发明的等通道转角挤压-4Bc的等通道转角挤压-NiTiNb微观取向图；
图9是本发明的等通道转角挤压-8Bc的等通道转角挤压-NiTiNb微观取向图；
图10是本发明的等通道转角挤压-16Bc的等通道转角挤压-NiTiNb微观取向图；
图11是本发明的热锻和等通道转角挤压NiTiNb合金的DSC曲线；
图12是本发明的不同道次的等通道转角挤压-NiTiNb试样的Ms+15℃拉伸回弹测试曲线示意图；
图13是本发明的不同道次的等通道转角挤压-NiTiNb试样的Ms+15℃自由回复实验测试曲线示意图。
附图标记说明：
1、低碳钢包套；2、形状记忆合金；3、凹模；4、压杆；5、挤压坯料；6、外模套；7、底板；8、顶出孔；9、凹模配合板。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，本发明的实施例提出一种形状记忆合金材料的挤压方法，包括：
步骤11，提供所需尺寸的形状记忆合金坯料以及低碳钢包套；所述形状记忆合金为三元NiTi基形状记忆合金；可选的，所述形状记忆合金坯料通过机械加工从热锻棒材上切取获得；可选的，所述低碳钢包套的长度与所述形状记忆合金坯料的长度相等，所述形状记忆合金坯料和所述低碳钢包套的配合公差为0～0.2mm。进一步的，选用塑性好于一预设塑性值、强度低于一预设强度值的低碳钢套包裹形状记忆合金坯料，包覆层厚度为1.5～3mm。包覆层一方面可以避免等通道转角挤压实验中挤压坯料拐角处的应力集中；另一方面可以提高坯料和模具流道的相对流动性，实现难变形材料在动态再结晶温度以下的等通道转角挤压大变形；所述低碳钢包套材料为45钢或Q235合金，低碳钢强度低塑性好，在一定温度下容易变形和流动；低碳钢包套1的厚度一般根据硬质形状记忆合金坯料尺寸而确定，不易过厚或过薄；
步骤12，对所述形状记忆合金坯料和所述低碳钢包套进行配合组装成挤压坯料；
步骤13，在预设温度下，通过所述等通道转角挤压模具对所述挤压坯料进行加热和挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
该实施例中，所述等通道转角挤压模具包括压杆3、外模套6、内模和底板7。内模分为凹模3和凹模配合板模9。等通道转角挤压模具零部件凹模3、压杆4、外模套6、底板7和凹模配合板9材料采用高温合金，保证模具在高温下的力学性能，凹模通道顶出孔8方便对挤压后的压杆和挤压坯料进行脱模。所述凹模通道处设置有脱模顶出孔。所述等通道转角挤压模具材料为高温合金GH4169。可选的，所述等通道转角挤压模具的通道的转角在90°～150°之间。
该实施例通过提供所需尺寸的形状记忆合金坯料以及低碳钢包套；对所述形状记忆合金坯料和所述低碳钢包套进行配合组装成挤压坯料；在预设温度下，通过所述等通道转角挤压模具对所述挤压坯料进行加热和挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。实现难变形材料在动态再结晶温度以下的等通道转角挤压大变形；另外，由于低碳钢好的塑性和低的变形抗力，低碳钢包覆层一方面可以避免等通道转角挤压实验中形状记忆合金坯料试样拐角处的应力集中，改善被挤压合金的表面质量；另一方面可以提高形状记忆合金坯料和模具流道的相对流动性。并且有利于每道次之间挤压坯料的打磨。该方法可以推广到其他难变形合金材料的等通道转角挤压实验。本发明的实施例适用于多种金属材料的等通道转角挤压大塑性变形。尤其适用于需在一定温度条件的强度高的难变形合金的大塑性变形。
本发明的一可选的实施例中，步骤13可以包括：
步骤131，在环境箱内组装所述等通道转角挤压模具；环境箱内的温度优选可以为650℃；
步骤132，将所述挤压坯料放置入所述等通道转角挤压模具的通道内，对所述挤压坯料进行所述预设温度的加热，并保持一预设时间段；这里，预设温度如可以是为650℃；具体实现时，关闭高温环境下箱箱门，设定环境箱温度为650℃对模具和试样进行加热，加热到目标温度后保温50min；
步骤133，通过液压机对所述通道内的所述挤压坯料进行挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
该实施例中，通过在环境箱内组装所述等通道转角挤压模具，将所述挤压坯料放置入所述等通道转角挤压模具的通道内，对所述挤压坯料进行所述预设温度的加热，并保持一预设时间段；通过液压机对所述通道内的所述挤压坯料进行挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料；实现难变形材料在动态再结晶温度以下的等通道转角挤压大变形。
本发明的一可选的实施例中，步骤132可以包括：
步骤1321，在所述挤压坯料表面涂覆石墨润滑剂后，将所述挤压坯料放置入所述等通道转角挤压模具的通道内。
这里，挤压坯料5在放入通道前需在表面涂一层石墨润滑层，减小坯料在挤压过程中与通道的摩擦阻力。挤压坯料5与通道之间的配合方式为间隙配合，间隙量控制在0.2～0.5mm，方便坯料放入等通道转角挤压模具的通道。
本发明的一可选的实施例中，步骤133可以包括：
步骤1331，将所述等通道转角挤压模具的挤压杆，放置在所述通道的位置；
步骤1332，启动液压机，按照预设的挤压速度，推动所述挤压杆挤压所述挤压坯料，使所述挤压坯料在所述通道的转角处发生变形，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
具体的，打开炉门放置挤压杆4到挤压通道位置，然后关闭炉门；启动液压机，设置挤压速度为20mm/min，通过推动挤压杆4对挤压坯料5在挤压通道转角处发生变形；关闭高温炉加热和液压机装置；等待模具温度降至室温，取出目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
本发明的一可选的实施例中，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料，包括：
步骤1333，若经过N次挤压变形后的所述挤压坯料的界面尺寸符合目标晶粒尺寸，将所述挤压变形后的所述挤压坯料直接作为所述目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料；
步骤1334，若经过N次挤压变形后的所述挤压坯料的界面尺寸小于目标晶粒尺寸，将所述挤压变形后的所述挤压坯料打磨至初始截面尺寸；其中，所述N大于或者等于1；将打磨后的所述挤压坯料的再次放入到所述等通道转角挤压模具的通道内进行重复挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
一种具体的实现方式中，经过1道次挤压变形后的坯料5界面尺寸变大，通过砂轮机将其打磨至初始截面尺寸18×18cm2；
将打磨后的坯料表面涂覆石墨润滑剂，并放入到挤压模具通道内进行多道次重复挤压，循环步骤5～10；分别对坯料进行4、8、16道次等通道转角挤压变形；挤压实验结束后，将整套模具从液压机装置上拆卸。
如图2至图13所示，下面结合具体的实施例对试验过程进行说明：
试验过程所使用的模具包括低碳钢包套1、形状记忆合金2(比如可以是三元记忆合金)、等通道转角挤压凹模3、压杆4、挤压坯料5、等通道转角挤压模具外模套6、底板7以及顶出孔8，凹模配合板9。
试验形状记忆合金坯料为NiTiNb形状记忆合金；所述形状记忆合金坯料从热锻棒材沿锻造方向用线切割成13×13×70cm3；低碳钢Q235包裹NiTiNb坯料，涂层厚度为2.5mm；旋转角度120°的等通道转角挤压模具，用于在装有高温箱的液压机上挤压形状记忆合金坯料。
步骤1：加工所需尺寸的形状记忆合金坯料2和与之配套的低碳钢包套1；
步骤2：对形状记忆合金坯料2和低碳钢包套1进行配合组装成挤压坯料5；
步骤3：在配有高温环境下箱的液压机的环境箱内部组装等通道转角挤压模具；
步骤4：在挤压坯料5表面涂覆石墨润滑剂，并将其放置等通道转角挤压模具的通道内；
步骤5：关闭高温环境下箱箱门，设定环境箱温度为650℃对等通道转角挤压模具和形状记忆合金坯料进行加热，加热到目标温度后保温50min；
步骤6：打开炉门放置挤压杆4到挤压通道位置，然后关闭炉门；
步骤7：启动液压机，设置挤压速度为20mm/min，通过推动挤压杆4对挤压坯料5在挤压通道转角处发生变形；
步骤8：关闭高温炉加热和液压机装置；
步骤9：等待模具温度降至室温，取出挤压坯料5；
步骤10：经过1道次挤压变形后的挤压坯料5界面尺寸变大，通过砂轮机将其打磨至初始截面尺寸18×18cm2；
步骤11：将打磨后的坯料表面涂覆石墨润滑剂，并放入到挤压模具通道内进行多道次重复挤压，循环步骤5～10；分别对坯料进行4、8、16道次等通道转角挤压变形；
步骤12：挤压实验结束后，将整套模具从液压机装置上拆卸。
图7显示了具有不同道次的等通道转角挤压NiTiNb样品的取向图。随着等通道转角挤压道次的增加，晶粒尺寸明显细化。小晶粒优先出现在以前的晶界上，表现为大晶粒和小晶粒共存的双峰结构。小颗粒尺寸为2-5μm、大粒径颗粒分布较宽。4道次试样的大晶粒尺寸为30-80μm、8道次试样为20-50μm、16道次试样的晶粒尺寸分布为10-40μm。
本发明的上述实施例所述的方法不但适用于难变形三元形状记忆合金，对其他金属材料同样适用，工艺流程类似，仅需要工艺参数进行调整。
如图3至图6所示，本发明的实施例还提供一种等通道转角挤压模具，包括：底板7；设置于所述底板7上，并与所述底板7固定连接的外模套6；
设置于所述外模套6内部的凹模；所述凹模3具有供所述形状记忆合金坯料进入的通道；固定所述凹模3的凹模配合板9；插入所述凹模3的通道的压杆4；所述通道上设置有至少一个顶出孔8。
该实施例中，等通道转角挤压模具零部件凹模3、压杆4、外模套6、底板7和凹模配合板9材料采用高温合金，保证模具在高温下的力学性能。凹模通道顶出孔8方便对挤压后的压杆和挤压坯料进行脱模。
可选的，所述等通道转角挤压模具材料为高温合金GH4169；所述等通道转角挤压模具挤通道转角在90°～150°之间。适用于高强度NiTiX三元合金在再结晶温度以下的等通道转角挤压工艺，并实现较大的变形量。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种形状记忆合金材料的挤压方法，其特征在于，包括：
提供所需尺寸的形状记忆合金坯料以及低碳钢包套；
对所述形状记忆合金坯料和所述低碳钢包套进行配合组装成挤压坯料；
在预设温度下，通过所述等通道转角挤压模具对所述挤压坯料进行加热和挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金材料的挤压方法，其特征在于，在预设温度下，通过所述等通道转角挤压模具对所述挤压坯料进行加热和挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料，包括：
在环境箱内组装所述等通道转角挤压模具；
将所述挤压坯料放置入所述等通道转角挤压模具的通道内，对所述挤压坯料进行所述预设温度的加热，并保持一预设时间段；
通过液压机对所述通道内的所述挤压坯料进行挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
3.根据权利要求1所述的形状记忆合金材料的挤压方法，其特征在于，将所述挤压坯料放置入所述等通道转角挤压模具的通道内，包括：
在所述挤压坯料表面涂覆石墨润滑剂后，将所述挤压坯料放置入所述等通道转角挤压模具的通道内。
4.根据权利要求2所述的形状记忆合金材料的挤压方法，其特征在于，通过液压机对所述通道内的所述挤压坯料进行挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料，包括：
将所述等通道转角挤压模具的挤压杆，放置在所述通道的位置；
启动液压机，按照预设的挤压速度，推动所述挤压杆挤压所述挤压坯料，使所述挤压坯料在所述通道的转角处发生变形，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
5.根据权利要求4所述的形状记忆合金材料的挤压方法，其特征在于，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料，包括：
若经过N次挤压变形后的所述挤压坯料的界面尺寸符合目标晶粒尺寸，将所述挤压变形后的所述挤压坯料直接作为所述目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料；
若经过N次挤压变形后的所述挤压坯料的界面尺寸小于目标晶粒尺寸，将所述挤压变形后的所述挤压坯料打磨至初始截面尺寸；其中，所述N大于或者等于1；将打磨后的所述挤压坯料的再次放入到所述等通道转角挤压模具的通道内进行重复挤压，得到目标晶粒尺寸的形状记忆合金材料。
6.根据权利要求1所述的形状记忆合金材料的挤压方法，其特征在于，所述形状记忆合金坯料通过机械加工从热锻棒材上切取获得。
7.根据权利要求1所述的形状记忆合金材料的挤压方法，其特征在于，
所述低碳钢包套的长度与所述形状记忆合金坯料的长度相等，所述形状记忆合金坯料和所述低碳钢包套的配合公差为0～0.2mm。
8.根据权利要求1所述的形状记忆合金材料的挤压方法，其特征在于，
所述等通道转角挤压模具的通道的转角在90°～150°之间。
9.根据权利要求1所述的形状记忆合金材料的挤压方法，其特征在于，
所述等通道转角挤压模具的凹模通道处设置有脱模顶出孔。
10.一种等通道转角挤压模具，其特征在于，包括：
底板(7)；
设置于所述底板(7)上，并与所述底板(7)固定连接的外模套(6)；
设置于所述外模套(6)内部的凹模(3)；所述凹模(3)具有供所述形状记忆合金坯料进入的通道；
固定所述凹模(3)的凹模配合板(9)；
插入所述凹模(3)的通道的压杆(4)；
所述通道上设置有至少一个顶出孔(8)。
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