CN114011898B - 一种剪切扭挤变形制备超细晶管材的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种剪切扭挤变形制备超细晶管材的方法，包括步骤：将首件预变形管材、次件预变形管材和模具涂抹挤压润滑剂并加热；芯轴置入内型腔后将首件预变形管材穿过芯轴并放置于内型腔的导入段中，中空凸模挤压首件预变形管材，首件预变形管材的下端进入剪切变形段、扭挤变形段和导出段，停止中空凸模的挤压运行；然后中空凸模提升，当中空凸模完全从内型腔上方出来时，将次件预变形管材放置于内型腔的导入段中，中空凸模挤压次件预变形管材，使次件预变形管材不断推动首次预变形管材向导出段挤出，停止中空凸模的挤压运行；最后将首件预变形管材继续放入模具进行循环挤压变形。本发明进行连续多段挤压变形，获得随机织构，力学性能大幅度提高。

Description

一种剪切扭挤变形制备超细晶管材的方法

技术领域

本发明涉及超细晶粒金属材料制备技术领域，尤其是指一种剪切扭挤变形制备超细晶管材的方法。

背景技术

随着航空航天、汽车工业和国防军工领域快速发展以及地球石油资源的急剧消耗，对于高强韧轻质的金属构件的需求越来越大。管材作为金属构件在制坯阶段重要的原材料，其本身具有的性能对于后续金属构件的加工具有重要意义。铝/镁合金具有质量轻、比刚度高、耐磨损以及易于加工回收等特点，受到了越来越多研究人员的关注。但是由于铸态铝/镁合金管材力学性能低下，塑性成形可大幅提高铝/镁合金管材的力学性能，已成为国内外研究热点。细晶强化是提高管材强韧化效果的主要方法。国内外发展了多种强塑变技术以获得微米乃至纳米级别的超细晶组织，但制备难度和生产成本都较高，且制备效果一般，故本发明提出一种结合“剪切”和“扭挤”变形的超细晶管材制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种剪切扭挤变形制备超细晶管材的方法，使金属材料实现连续多段剧塑性挤压变形，获得随机织构，力学性能大幅度提高。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种剪切扭挤变形制备超细晶管材的方法，涉及一种剪切扭挤变形制备超细晶管材模具，该模具包括中空凸模、凹模和芯轴，所述凹模开设内型腔，内型腔沿凹模挤压方向依次设置导入段、剪切变形段、回形段、扭挤变形段和导出段；所述导入段、回形段和导出段为截面呈方形的方形腔，导入段连接所述剪切变形段的上部，所述剪切变形段为截面呈菱形的菱形腔，菱形腔具有四个夹角，其中两个对称的夹角在截面上为锐角，且该两个锐角在挤压方向的中部向外膨胀后收缩连接所述回形段的上部，另外两个对称的夹角在截面上为钝角，且该两个钝角在挤压方向的中部向内收缩后膨胀连接所述回形段的上部，所述回形段的下部连接所述扭挤变形段的上端面，所述扭挤变形段为上端面至下端面绕挤压方向旋转的扭转腔，所述扭挤变形段的下端面连接所述导出段；所述芯轴置于内型腔中，所述芯轴高度与内型腔一致，芯轴的形状与内型腔相同，芯轴分别与导入段、剪切变形段、回形段、扭挤变形段和导出段之间留有供管材进入的壁厚间隙；所述中空凸模为中空方框体结构，中空凸模内部供所述芯轴穿置，中空凸模配合置入芯轴与导入段之间的壁厚间隙；

该方法包括以下步骤：

步骤一，挤压前润滑：清洁凹模的内型腔，需变形的管材包括一模一样的首件预变形管材和次件预变形管材，在首件预变形管材内外表面、次件预变形管材内外表面、中空凸模、芯轴和凹模内型腔上涂抹挤压润滑剂；

步骤二，加热：根据金属材料成形性能要求，可以将坯料加热到材料适合变形温度，模具预热至对应预热温度，进行温、热挤压，若为冷挤压，则不需要加热；

步骤三，装料：先将芯轴置入内型腔中，然后将首件预变形管材穿过芯轴并放置于内型腔的导入段中，首件预变形管材的下端面与剪切变形段的上端面相接触，首件预变形管材的上端面为挤压面；

步骤四，挤压成形：中空凸模挤压首件预变形管材，首件预变形管材的下端进入剪切变形段，先膨胀后收缩，发生两次变形，收缩至回形腔的上端口处发生再次变形，接着，首件预变形管材进入扭挤变形段，在中空凸模的压力下，首件预变形管材绕中心轴线扭转变形，当中空凸模的挤压工作端的端面与导入段的下端面重合时，首件预变形管材的下端进入导出段，并在扭挤变形段和导出段的连接处发生最后塑性变形，停止中空凸模的挤压运行；

步骤五，挤出成形：中空凸模提升，当中空凸模完全从内型腔上方出来时，将次件预变形管材放置于内型腔的导入段中，中空凸模挤压次件预变形管材，使次件预变形管材不断推动首次预变形管材向导出段挤出，当中空凸模的挤压端面与导入段的下端面重合时，停止中空凸模的挤压运行，次件预变形管材已将首件预变形管材从导出段完全挤出模具，从而首件预变形管材依次经过导入段、剪切变形段、扭挤变形段、导出段，完成首件预变形管材的剪切扭挤变形；

步骤六，循环挤压变形：首件预变形管材的挤压成形完成后，可将首件预变形管材继续放入模具的导入段中进行循环挤压变形。

采用上述方案后，本发明的增益效果在于：

本发明所涉及的部件较少，但采用了连续、多段式设计，在简易的零部件结构下使得管材挤压内型腔结构实现剪切-回形-扭挤-回形的多段变形方式，生产成本较低，每段都在晶粒超细化的同时提高变形均匀性，变形效果最大化，可进行多道次累积大塑性变形挤压，最终将获得高性能超细晶粒、变形均匀的金属管材，金属材料综合力学性能显著提高。

附图说明

图1是本发明模具的正面透视示意图；

图2是图1沿A-A线的剖视示意图；

图3是图1沿B-B线的剖视示意图；

图4是图1沿C-C线的剖视示意图；

图5是本发明内型腔各分段的结构简图；

图6是本发明模具的正面剖视示意图；

图7是本发明模具的工作状态示意图；

图8是图7沿D-D线的剖视示意图；

图9是图7沿E-E线的剖视示意图；

图10是图7沿F-F线的剖视示意图；

图11是本发明管材的制备变化状态示意图；

图12是本发明模具的立体透视示意图。

标号说明：中空凸模1、凹模2、芯轴3、内型腔4、导入段41、剪切变形段42、回形段43、扭挤变形段44、导出段45、管材5。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明。

本发明提供一种剪切扭挤变形制备超细晶管材的方法，该方法涉及一种剪切扭挤变形制备超细晶管材模具，如图5所示，该模具包括中空凸模1、凹模2和芯轴3，所述凹模2整体为一圆柱体形，凹模2的总高度为2H，所述凹模2开设内型腔4，内型腔4沿凹模2挤压方向依次设置导入段41、剪切变形段42、回形段43、扭挤变形段44和导出段45；

结合图1、图2、图5和图12，所述导入段41、回形段43和导出段45为截面呈方形的方形腔，导入段41连接所述剪切变形段42的上部，所述管材5的横截面与内型腔4的导入段41形状相同，是边长为L、长度为H的方形体，方形截面为管材5进入剪切变形段42提供较优的剪切和扭矩效果。

结合图1、图3、图5和图12，所述剪切变形段42为截面呈菱形的菱形腔，剪切变形段42优选高度为H/4，菱形腔的上端面是边长为L的正方形，配合连接导入段41的下部，中间部分为边长为L的菱形，菱形腔具有四个夹角，其中两个对称的夹角在截面上为锐角α，优选的，α的度数大于45度，小于90度，且该两个锐角α在挤压方向的中部向外膨胀后收缩连接所述回形段43的上部，另外两个对称的夹角在截面上为钝角γ，且该两个钝角γ在挤压方向的中部向内收缩后膨胀连接所述回形段43的上部，该结构设计使管材5金属材料短期内经历截面上的形状剪切变化以及膨胀和收缩两次挤压方向上的剪切变形，大大提高晶粒细化程度，菱形腔的下端面是边长为L的正方形，配合连接所述回形段43的上部，所述回形段43的下部连接所述扭挤变形段44的上端面。

结合图1、图4、图5和图12，所述扭挤变形段44为上端面至下端面绕挤压方向旋转的扭转腔，旋转角度优选为90度，所述扭挤变形段44上端面是边长为L的正方形，下端面是边长为L的正方形，扭挤变形段44的高度决定管材5塑性变形程度大小，扭挤变形段44的高度降低，则变形程度增大，扭挤变形段44的高度增大，则变形程度减小，本实施例扭挤变形段44优选高度为H/4，所述扭挤变形段44的下端面连接所述导出段45。

所述导入段41、导出段45的横截面与扭挤变形段44的下端面在挤压方向上重合，高度优选为H/4，从而剪切变形段42、回形段43、扭挤变形段44和导出段45的高度总和为H，加上导入段41的高度H，则内型腔4的高度与凹模2的总高度2H一致。

如图6所示，所述芯轴3置于内型腔4中，所述芯轴3高度与内型腔4一致，芯轴3的形状与内型腔4相同，芯轴3与内型腔4之间留有供管材5进入的壁厚间隙，芯轴3对应导入段41的横截面为边长为W的正方形，W<L,其差值δ＝(L-W)/2,δ即为挤压管材5的壁厚值。

如图6所示，本发明所述中空凸模1为中空方框体结构，横截面为环形正方形，外边长为L，内边长为W，高度为H，中空凸模1内部供所述芯轴3穿置，具体是供所述芯轴3对应导入段41的位置穿置配合，中空凸模1配合置入芯轴3与导入段41之间的壁厚间隙δ，即中空凸模1的壁厚δ等于芯轴3与导入段41之间的壁厚间隙。这样一来，管材5进入导入段41的壁厚间隙以后，中空凸模1可挤压管材5向下进入剪切变形段42、回形段43、扭挤变形段44和导出段45的壁厚间隙。

一种剪切扭挤变形制备超细晶管材5的方法，请重点参阅图7，包括以下步骤：

步骤一，挤压前润滑：清洁凹模2的内型腔4，需变形的管材包括一模一样的首件预变形管材和5次件预变形管材(图中未示出)，高度各为H，在首件预变形管材5内外表面、次件预变形管材内外表面、中空凸模1、芯轴3和凹模2内型腔4上涂抹挤压润滑剂；

步骤二，加热：根据金属材料成形性能要求，可以将坯料加热到材料适合变形温度，模具预热至对应预热温度，进行温、热挤压，若为冷挤压，则不需要加热；

步骤三，装料：先将芯轴3置入内型腔4中，然后将首件预变形管材5穿过芯轴3并放置于内型腔4的导入段41中，首件预变形管材5的下端面与剪切变形段42的上端面相接触，首件预变形管材5的上端面为挤压面，中空凸模1的上端连接到挤压装置(图中未示出)的装夹固定端，中空凸模1的下端为挤压工作端，与首件预变形管材5的挤压面相接触；

步骤四，挤压成形：开启挤压装置，图8为管材5在导入段41的变形截面图，中空凸模1以2～10mm/s的挤压速度挤压首件预变形管材5，首件预变形管材5的下端进入剪切变形段42，图9为管材5在导入段41的变形截面图，先膨胀后收缩，发生两次变形，收缩至回形腔的上端口处发生再次变形，首件预变形管材5虽然形状与导入时一致，但晶粒已发生巨大变形，接着，首件预变形管材5进入扭挤变形段44，图10为管材5在导入段41的变形截面图，在中空凸模1的压力下，首件预变形管材5绕中心轴线扭转变形，又再产生塑性变形，当中空凸模1的挤压工作端的端面与导入段41的下端面重合时，首件预变形管材5的下端进入导出段45，并在扭挤变形段44和导出段45的连接处发生最后塑性变形，关闭挤压装置，停止中空凸模1的挤压运行；

步骤五，挤出成形：再开启挤压装置，中空凸模1以10～20mm/s的速度向上提升，当中空凸模1完全从内型腔4出来时，将次件预变形管材放置于内型腔4的导入段41中，开启挤压装置，中空凸模以1～10mm/s的挤压速度向下挤压次件预变形管材，使次件预变形管材不断推动首次预变形管材5向导出段45挤出，当中空凸模1的挤压端面与导入段41的下端面重合时，关闭挤压装置，停止中空凸模的挤压运行，次件预变形管材已将首件预变形管材5从导出段45完全挤出模具，从而首件预变形管材5依次经过导入段41、剪切变形段42、扭挤变形段44、导出段45，完成首件预变形管材5的剪切扭挤变形，如图11所示的是管材5由最开始的方形管材5经过内型腔4的多段变形后最终导出和最开始形状一致的示意图；

步骤六，循环挤压变形：首件预变形管材5的挤压成形完成后，可将首件预变形管材5继续放入模具的导入段41中进行循环挤压变形，针对某些合金如镁合金，可累积大塑性变形，进一步细化晶粒，提高材料力学性能及变形均匀性。

本发明通过改变管材5挤压内型腔4结构实现剪切-回形-扭挤-回形的多段变形方式，使得晶粒超细化的同时提高变形均匀性，变形过程中管材5坯料的截面尺寸不变，可进行多道次累积大塑性变形挤压，最终将获得高性能超细晶粒的金属管材5。

以稀土镁合金管材(Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr)为例，经过剪切扭挤大塑性变形，晶粒得到有效细化，平均晶粒尺寸达到3.6-4.5μm，变形后的材料获得了更加随机的织构，力学性能较原始坯料组织有了较大幅度提高，如下表1所示。

表1方管剪切扭挤变形力学性能(Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr)

针对铸态AZ31B合金，进行剪切扭挤塑性变形试验，其结果如下：初始组织平均晶粒尺寸超过400μm，初始拉伸屈服强和初始极限抗拉强度分别为65±4MPa和148±5MPa，延伸率为15.7±0.8％。在经过350℃三道次变形后，粗大晶粒完全消失，组织均匀性得到明显改善，平均晶粒尺寸达到9.7±0.3μm，细化效果明显。在350℃三道次变形后，合金拉伸屈服强度、极限抗拉强度和延伸率相分别为115±4MPa，209±2MPa，延伸率为30.0±1.3％，比铸态提升了77％，41％和91％，合金力学性能随着变形道次的增加而得到明显提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (1)

1.一种剪切扭挤变形制备超细晶管材的方法，其特征在于，涉及一种剪切扭挤变形制备超细晶管材模具，该模具包括中空凸模、凹模和芯轴，所述凹模开设内型腔，内型腔沿凹模挤压方向依次设置导入段、剪切变形段、回形段、扭挤变形段和导出段；所述导入段、回形段和导出段为截面呈方形的方形腔，导入段连接所述剪切变形段的上部，所述剪切变形段为截面呈菱形的菱形腔，菱形腔具有四个夹角，其中两个对称的夹角在截面上为锐角，且该两个锐角在挤压方向的中部向外膨胀后收缩连接所述回形段的上部，另外两个对称的夹角在截面上为钝角，且该两个钝角在挤压方向的中部向内收缩后膨胀连接所述回形段的上部，所述回形段的下部连接所述扭挤变形段的上端面，所述扭挤变形段为上端面至下端面绕挤压方向旋转的扭转腔，所述扭挤变形段的下端面连接所述导出段；所述芯轴置于内型腔中，所述芯轴高度与内型腔一致，芯轴的形状与内型腔相同，芯轴分别与导入段、剪切变形段、回形段、扭挤变形段和导出段之间留有供管材进入的壁厚间隙；所述中空凸模为中空方框体结构，中空凸模内部供所述芯轴穿置，中空凸模配合置入芯轴与导入段之间的壁厚间隙；

该方法包括以下步骤：

步骤一，挤压前润滑：清洁凹模的内型腔，需变形的管材包括一模一样的首件预变形管材和次件预变形管材，在首件预变形管材内外表面、次件预变形管材内外表面、中空凸模、芯轴和凹模内型腔上涂抹挤压润滑剂；

步骤二，加热：根据金属材料成形性能要求，将坯料加热到材料适合变形温度，模具预热至对应预热温度，进行温、热挤压，若为冷挤压，则不需要加热；

步骤三，装料：先将芯轴置入内型腔中，然后将首件预变形管材穿过芯轴并放置于内型腔的导入段中，首件预变形管材的下端面与剪切变形段的上端面相接触，首件预变形管材的上端面为挤压面；

步骤四，挤压成形：中空凸模挤压首件预变形管材，首件预变形管材的下端进入剪切变形段，先膨胀后收缩，发生两次变形，收缩至回形腔的上端口处发生再次变形，接着，首件预变形管材进入扭挤变形段，在中空凸模的压力下，首件预变形管材绕中心轴线扭转变形，当中空凸模的挤压工作端的端面与导入段的下端面重合时，首件预变形管材的下端进入导出段，并在扭挤变形段和导出段的连接处发生最后塑性变形，停止中空凸模的挤压运行；

步骤五，挤出成形：中空凸模提升，当中空凸模完全从内型腔上方出来时，将次件预变形管材放置于内型腔的导入段中，中空凸模挤压次件预变形管材，使次件预变形管材不断推动首次预变形管材向导出段挤出，当中空凸模的挤压端面与导入段的下端面重合时，停止中空凸模的挤压运行，次件预变形管材已将首件预变形管材从导出段完全挤出模具，从而首件预变形管材依次经过导入段、剪切变形段、扭挤变形段、导出段，完成首件预变形管材的剪切扭挤变形；

步骤六，循环挤压变形：首件预变形管材的挤压成形完成后，可将首件预变形管材继续放入模具的导入段中进行循环挤压变形。