專利名稱：連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓制備細(xì)晶材料的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬塑性加工領(lǐng)域的一種大變形制備細(xì)晶材料方法，特別涉及通過連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓制備細(xì)晶材料的方法；本發(fā)明還涉及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
背景技術(shù)：
大塑性變形技術(shù)具有強(qiáng)烈的晶粒細(xì)化能力，可以直接將材料內(nèi)部組織細(xì)化到亞微米乃至納米級(jí)，已被材料科學(xué)界公認(rèn)為是制備塊體納米和超細(xì)晶材料的最有前途的方法。
目前受到材料科學(xué)界廣泛關(guān)注的大變形方法主要有國(guó)外學(xué)者研究提出的等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAE)、高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、循環(huán)擠壓(CEC)、大比率擠壓(擠壓比100以上)等，已在實(shí)驗(yàn)室研究制備細(xì)晶材料中廣泛采用。在工業(yè)生產(chǎn)中采用鍛造的方法，使材料反復(fù)鐓粗一拔長(zhǎng)也能起到細(xì)化晶粒的作用。
上述大變形方法仍存在不同的問題，需要加以研究克服。如發(fā)展最迅猛的等通道轉(zhuǎn)角擠壓，制備的材料存在著織構(gòu)傾向，試樣尺寸還很小等。大擠壓比方法需要的設(shè)備能力大，且使擠壓前后的材料形狀顯著發(fā)生改變，使工業(yè)應(yīng)用受到限制。
工業(yè)上應(yīng)用的反復(fù)鐓粗一拔長(zhǎng)法，由于采用鍛造，工藝上較復(fù)雜，大變形效率低，反復(fù)鍛造使材料表層質(zhì)量受到影響，鍛坯需車削加工表層，工序多，幾何損失大。循環(huán)擠壓被認(rèn)為有商業(yè)前途，在一次擠壓變形后需在模腔墩粗，再進(jìn)行二次擠壓，依次往復(fù)循環(huán)。這種方法若擠壓比小，材料內(nèi)外層組織不均勻(合理的擠壓比應(yīng)大于10)。擠壓比增大，已變形材料表面之間需要通過鐓粗焊合，也難以適應(yīng)各類材料。事實(shí)上，對(duì)循環(huán)擠壓研究較為深入的J·Rictlet等，在實(shí)驗(yàn)中也是采用純度分別為99.5％、99.992％，及99.999％的鋁進(jìn)行的。鋁由于在外力作用下焊合能力強(qiáng)，目前在工業(yè)上廣泛用分流組合模，通過密閉的模具焊合腔實(shí)現(xiàn)，但也主要選擇純鋁和軟鋁合金。
另外，循環(huán)擠壓后在模腔中墩粗時(shí)，內(nèi)部有可能形成含有空氣的密閉空間，會(huì)在擠壓制品中出現(xiàn)“氣泡”或“起皮”缺陷。擠壓比越大，循環(huán)次數(shù)越多，這些缺陷產(chǎn)生的可能性愈大，惡化材質(zhì)的可能性也越大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓制備細(xì)晶材料的方法，使用該方法能制備出工程應(yīng)用的大體積細(xì)晶材料，該方法制備效率高，且質(zhì)量好。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明包括以下步驟①、將擠壓桿(4)下行加壓對(duì)預(yù)先置于上模(1)模腔中的圓柱體材料(3)擠壓，在壓力作用下，材料(3)進(jìn)入下模(2)成型為圓臺(tái)體；②、將模(1)與模(2)組合的模翻轉(zhuǎn)180℃，用頂桿(6)將圓臺(tái)體材料(3)從下模(2)頂入上模(1)模腔中，再移走下模(2)；③、將上模(1)置于工作臺(tái)(5)上，由擠壓桿(4)對(duì)圓臺(tái)體材料(3)壓縮變形，直至成圓柱體，④、將下模(2)與上模(1)組合，以上動(dòng)作反復(fù)循環(huán)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置是它包括上下兩個(gè)模具(1、2)，上模(1)模腔為直徑一致的通孔，下模(2)模腔為圓臺(tái)狀通孔，擠壓桿(4)、置于上模(1)模腔內(nèi)，頂出桿(6)置于下模(2)模腔內(nèi)。
本發(fā)明連續(xù)變斷面循環(huán)擠壓制備細(xì)晶材料的方法其原理是用組合在一起的上下兩個(gè)模具，上模模腔內(nèi)徑一致，下模模腔為一圓臺(tái)狀，小直徑一端置于工作臺(tái)面上，將圓柱體材料經(jīng)過上模模腔，用擠壓桿加力擠壓進(jìn)入下模模腔，材料變形后成一個(gè)圓臺(tái)體，材料從前端向后端變形量逐漸減小，然后翻轉(zhuǎn)180℃，用頂桿從下模端頭將圓臺(tái)體材料壓入上模，移去下模。擠壓桿加力從圓臺(tái)體材料小直徑端開始鐓粗。由于圓臺(tái)體直徑由上至下逐漸增大，各斷面單位壓力不同，小直徑端單位壓力大先變形，材料沿高向依次被壓縮變形。擠壓桿與材料接觸面的增大，由材料頂點(diǎn)依次連續(xù)沿徑向滑動(dòng)和側(cè)面質(zhì)點(diǎn)翻平構(gòu)成。圓臺(tái)體仍然從上底至下底變形量逐漸減小，墩粗成圓柱體后再與下模組合，重復(fù)下一次動(dòng)作，由于第二次擠壓時(shí)轉(zhuǎn)換了方向，也就使材料整體上變形量趨于一致。圓臺(tái)體的擠壓和墩粗，橫斷面變化和高向變形是連續(xù)且依次進(jìn)行的，故稱為連續(xù)變斷面擠壓。原則上講，這一過程可以無(wú)限次進(jìn)行下去，從而可以獲得無(wú)限大的應(yīng)變和細(xì)小均勻的等軸晶粒。
本發(fā)明技術(shù)方法使用的工具包含組合在一起的上下兩個(gè)模具，上模1模腔為直徑一致的通孔，下模2模腔為圓臺(tái)狀通孔、擠壓桿4，頂出桿6。
本發(fā)明的有益效果是1.通過多次擠壓變形，為制備塊體細(xì)晶材料提出了一種新方法；2.連續(xù)變斷面(圓臺(tái)體)擠壓變形可以實(shí)現(xiàn)材料依次沿高向變形和沿徑向流動(dòng)，使模腔內(nèi)空氣易于排出，也支服了圓柱體鐓粗時(shí)為防止出現(xiàn)雙鼓形，對(duì)錠坯高度的限制，防止了制品表層出現(xiàn)的缺陷。
3.連續(xù)變斷面(圓臺(tái)體)擠壓變形時(shí)，通常表層材料仍在表層，不會(huì)像鍛造存在表面臟物有壓入材料內(nèi)部的危險(xiǎn)。
4.連續(xù)變斷面(圓臺(tái)體)擠壓變形時(shí)，不存在材料表面大面積反復(fù)焊合問題，材料內(nèi)部質(zhì)量不受變形次數(shù)的影響。
5.連續(xù)變斷面(圓臺(tái)體)擠壓變形法原則上可對(duì)多種材料實(shí)施熱、冷變形，而循環(huán)擠壓需要焊合時(shí)只能熱擠。
6.工具制備和技術(shù)操作簡(jiǎn)單易行。


圖1為本發(fā)明將材料從圓柱體擠壓變形成圓臺(tái)體示意圖；圖2為本發(fā)明圓臺(tái)體材料反向頂出示意圖；圖3為本發(fā)明對(duì)圓臺(tái)體高向壓縮變形示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步做詳細(xì)說明，參見圖1，圖2，圖3。其操作過程采用以下步驟。
參見圖1，首先將上模1與下模2組合置于工作臺(tái)5上，擠壓桿4下行加壓對(duì)預(yù)先置于上模1模腔中的圓柱體材料3擠壓，在壓力作用下，材料4進(jìn)入下模2成型為圓臺(tái)體。
第二步(參見圖2)組合模翻轉(zhuǎn)180℃，置于工作臺(tái)5上，用頂桿6將圓臺(tái)體從下模2頂入上模1模腔中，再移走下模2。
第三步(參見圖3)，將上模1置于工作臺(tái)5上，由擠壓桿4對(duì)圓臺(tái)體壓縮變形，直至成圓柱體，再將下模2與上模1組合，重復(fù)圖1所示動(dòng)作。
以上動(dòng)作反復(fù)循環(huán)，就可以使材料獲得大變形，制備出塊體細(xì)晶材料坯料，再經(jīng)過深加工，制成所需要尺寸的產(chǎn)品。
模具尺寸和材料形狀尺寸按以下原則設(shè)計(jì)，首先根據(jù)工藝需要確定變形圓臺(tái)體尺寸，依材料塑性、狀態(tài)確定。材料塑性好，若在熱態(tài)變形，圓臺(tái)體高度、錐度大一些，可獲得較大變形。反之亦然。
圓臺(tái)體材料形狀尺寸確定后，就可以算出其體積V圓臺(tái)。將組合模下模2模腔尺寸加工成與圓臺(tái)體材料尺寸一致。組合模上模1圓孔內(nèi)徑與圓臺(tái)體3下底(直徑較大的一端)直徑一致。這樣就可以由圓臺(tái)體3體積計(jì)算出圓柱體高度。在此基礎(chǔ)上，使上模1模腔高度再增加30mm，以利于擠壓桿3正確導(dǎo)入，加工上模1。擠壓桿3的直徑取比上模1內(nèi)徑小0.5～1mm，頂出桿直徑比圓臺(tái)體上底(直徑較小的一端)直徑小1mm。
實(shí)施例擠壓材料為變形鎂合金AZ31，在300℃時(shí)塑性良好。確定材料圓臺(tái)體尺寸為下底半徑R8mm，上底半徑γ4mm，圓臺(tái)體高度h為32mm，由此也就確定了下模2模腔尺寸。由公式 計(jì)算得到V圓臺(tái)＝3,751mm3由V圓臺(tái)體積計(jì)算圓柱體體積V圓柱，已確定圓柱體直徑與圓臺(tái)體下底直徑相同，即半徑R圓柱也為8mm。這樣，由V圓柱＝πR2圓柱·H圓柱＝3,751mm3，計(jì)算得H圓柱＝18.7mm，上模1高度也就是膜腔高變H圓柱隨之確定。H上模＝18.7mm+30mm=48.7mm按前述步驟擠壓，就能制備出需要的細(xì)晶材料。為降低擠壓力和便于反向頂出圓臺(tái)體材料，在模腔與材料間實(shí)施潤(rùn)滑是有效的。
實(shí)例比較分析本發(fā)明在設(shè)定條件下一個(gè)循環(huán)的平均真應(yīng)變量為1.0，循環(huán)5次，累積應(yīng)變量可達(dá)到5.0。晶粒平均尺寸由20μm細(xì)化到5μm，從而使鎂合金在常溫下的塑性變形能力大大改善。
國(guó)外學(xué)者M(jìn).Richert等擠壓AlMg5合金，每一循環(huán)的應(yīng)變量為0.42，經(jīng)過36次循環(huán)，累積應(yīng)變量達(dá)15.2時(shí)，晶粒從0.8mm細(xì)化到200nm。
Jien-wei yeh等擠壓Al-12％si合金，擠壓比10∶1，循環(huán)6次，累積應(yīng)變量為27，每一循環(huán)應(yīng)變量為4.5，晶粒尺寸可以細(xì)化到2-7μm。
國(guó)內(nèi)學(xué)者李小強(qiáng)等擠壓2024鋁合金，每一循環(huán)應(yīng)變量為0.892，循環(huán)10次，累積應(yīng)變量8.92，晶粒度由4μm細(xì)化到200nm。
擠壓時(shí)其他實(shí)驗(yàn)者均采用鋁合金，M·RicRer和李小強(qiáng)實(shí)驗(yàn)擠壓比小，每次應(yīng)變量分別為0.892和0.42。
Jien-wei yeh的實(shí)驗(yàn)采用大擠壓比，應(yīng)變量大，但存在產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的危險(xiǎn)。
等通道轉(zhuǎn)角擠壓每通次真應(yīng)變約為1.0，本發(fā)明實(shí)施例中擠壓一個(gè)循環(huán)的真應(yīng)變也為1.0，但前者應(yīng)變是恒定的，而后者可變化，并能制備工程應(yīng)用大體積材料。
另外，其它實(shí)驗(yàn)者主要考察晶粒細(xì)化程度，應(yīng)變量與晶粒細(xì)化程度相關(guān)。本發(fā)明與工程應(yīng)用相近，易于向工程實(shí)際轉(zhuǎn)化。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)變斷面往復(fù)擠壓制備細(xì)晶材料的方法，其特征是它包括以下步驟①、將擠壓桿(4)下行加壓對(duì)預(yù)先置于上模(1)模腔中的圓柱體材料(3)擠壓，在壓力作用下，材料(3)進(jìn)入下模(2)成型為圓臺(tái)體；②、將模(1)與模(2)組合的模翻轉(zhuǎn)180℃，用頂桿(6)將圓臺(tái)體材料(3)從下模(2)頂入上模(1)模腔中，再移走下模(2)；③、將上模(1)置于工作臺(tái)(5)上，由擠壓桿(4)對(duì)圓臺(tái)體材料(3)壓縮變形，直至成圓柱體，④、將下模(2)與上模(1)組合，以上動(dòng)作反復(fù)循環(huán)。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征是包括上下兩個(gè)模具(1、2)，上模(1)模腔為直徑一致的通孔，下模(2)模腔為圓臺(tái)狀通孔，擠壓桿(4)、置于上模(1)模腔內(nèi)，頂出桿(6)置于下模(2)模腔內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種連續(xù)變斷面往復(fù)擠壓制備細(xì)晶材料的方法，該方法通過對(duì)置于圓柱體模腔中的材料擠壓，進(jìn)入另一個(gè)圓臺(tái)體模腔成為圓臺(tái)體；然后將圓柱體模和圓臺(tái)體模組合的模翻轉(zhuǎn)180℃，繼續(xù)擠壓；重復(fù)上述步驟直至制備出符合要求的細(xì)晶材料。使用該方法能制備出工程應(yīng)用的大體積細(xì)晶材料，該方法制備效率高，且質(zhì)量好。本發(fā)明還公開了實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，它包括組合在一起的上下兩個(gè)模具(1、2)，上模(1)模腔為直徑一致的通孔，下模(2)模腔為圓臺(tái)狀通孔，工作時(shí)擠壓桿(4)、頂出桿(6)置于上模(1)、下模(2)模腔內(nèi)。
文檔編號(hào)B21C23/02GK1827829SQ200610041960
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者劉長(zhǎng)瑞, 王快社, 王慶娟 申請(qǐng)人:西安建筑科技大學(xué)