一種高強度納米晶銅管材的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高強度納米晶銅管材的制備方法，本發(fā)明的特點是可以低成本制備高強度薄壁管材代替厚壁管材使用，同時通過采用半圓形模具通道拉拔銅管材后再進行第二道次拉拔，可實現(xiàn)銅管材的反復(fù)塑性變形，最終累積大變形，獲得高強度納米晶銅管材。本發(fā)明設(shè)計的半圓形通道拉拔模具采用雙層預(yù)應(yīng)力套圈結(jié)構(gòu)能夠大幅度提高半圓形通道模具強度，提高模具的使用壽命。采用的錫熔體充實銅管避免了管材在半圓形模具通道拉拔過程的橫截面畸變，同時管材在兩向應(yīng)力下材料得到較好細化，使銅管材的力學(xué)性能得到進一步提高，保證高密度的前提下兼有高的強度和良好的韌性。
【專利說明】一種高強度納米晶銅管材的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬管材的成形領(lǐng)域，尤其是涉及一種制備高強度納米晶銅管的方法及模具。
【背景技術(shù)】
[0002]銅金屬管材具備堅固、耐腐蝕的特性、容易加工和連接、加工塑性好，因此在國民經(jīng)濟中得到了廣泛的應(yīng)用。銅管消費的主要領(lǐng)域為空調(diào)器、冰箱、熱水器、汽車、空壓機、發(fā)電設(shè)備以及電子電氣元器件等方面。采用擠壓技術(shù)可制備大口徑厚壁管材，該方法采用棒料鑄造-棒料加熱及熱擠壓-軋制及拉伸成形，工序復(fù)雜，而且能耗高。采用連續(xù)擠壓的方法也可以制備小口徑銅管材，該方法高效節(jié)能，減少工序，但是連續(xù)擠壓對擠壓口模的要求極高，目前在世界上僅有幾條工業(yè)化生產(chǎn)線，模具壽命低直接影響了該方法的廣泛應(yīng)用。
[0003]目前生產(chǎn)銅管采用鑄軋生產(chǎn)技術(shù)，直接由水平連鑄機組生產(chǎn)空心管坯，再由三輥行星軋管機軋制成一定規(guī)格的拉伸管坯，同時卷取入盤。由于直接制備銅管坯，其次三輥行星軋制一道次變形量高達96%以上，其生產(chǎn)效率也非常高，且該工藝為冷軋成形，不需要加熱。軋制后管料可以直接進行拉伸成形，不需要中間退火，顯著簡化了加工工藝，與傳統(tǒng)擠壓工藝相比，鑄軋工藝連續(xù)性強，更適合于自動化連續(xù)加工生產(chǎn)線。但是上述工藝對于制備薄壁管材加工成本會大幅上升，同時由于銅的價格較為昂貴，厚壁管材的成本也十分高昂。
[0004]申請?zhí)枮?0110347299.4和201110374700.3的發(fā)明提出了一種用于管材的等通道變截面擠壓和拉拔的方法，通過由圓-橢圓-圓及橢圓扭轉(zhuǎn)變化，可使材料累積變形，可提高材料的強度，改善管材性能，但是采用該方法改變了模具通道的橫截面，獲得的管件不能較好的保持管道的原有截面幾何形狀。本發(fā)明提出了一種半圓形通道模具拉拔方法，采用該方法理論上可獲得無限長尺寸的高強度納米晶銅管材，同時由于是一種等橫截面通道變形可保持管道的原有截面幾何形狀，既能滿足制備薄壁管的低加工成本，又能獲得高強度管材，部分替代厚壁管的使用。因此，本發(fā)明提出了一種改善銅管材力學(xué)性能的半圓形通道模具拉拔法獲得納米晶銅管材。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:為克服薄壁銅管材的強度問題、低成本獲得較長尺寸銅管材，提供一種通過半圓形通道模具拉拔法，制備高強度納米晶銅管材。
[0006]本發(fā)明提出的一種半圓形通道模具拉拔法制備長尺寸銅管材納米晶銅管材的方法包括以下步驟:
步驟一，管坯準(zhǔn)備:將即將拉拔的管坯分為二部分，第一部分是管材拉拔端部分:該部分通過焊合密封，同時在端口部設(shè)置鋼繩卡頭；第二部分是管材主要拉拔部分:該部分將獲得大應(yīng)變，組織達到納米化，最終獲得優(yōu)良的力學(xué)性能；向一端密封的銅管注入錫熔體進行冷卻，通過該方法可以獲得實心的銅管，避免在步驟二的變形中產(chǎn)生管材的橫截面畸變。
[0007]步驟二，拉拔準(zhǔn)備:將管坯進行磷化皂化后、在管坯外表面涂覆二硫化鑰與石蠟混合物，把準(zhǔn)備好的管坯的第一部分的鋼繩卡頭與拉拔裝置的鋼絲拉繩連接，然后在鋼絲繩牽引下把管坯放入半圓形通道模具。
[0008]步驟三,拉拔變形:拉拔裝置以5mm/s-20mm/s的牽引速度將管還通過半圓形通道模具拉拔，拉拔后重復(fù)上一次的拉拔變形一次，通過兩次拉拔可以累積足夠的應(yīng)變，從而獲得高強度納米晶銅管材。
[0009]步驟四，獲得管材:將獲得高強度納米晶銅管材拉拔端部分向上垂直放置在加熱槽中焙燒至230° —小時，錫金屬填充材料受熱全部熔化流出，流出的錫料可以反復(fù)使用，同時銅管進行了去應(yīng)力退火，獲得力學(xué)性能優(yōu)良的高強度納米晶銅管材。
[0010]本發(fā)明實現(xiàn)銅管材拉拔變形的半圓形通道模具，包括半圓形通道凹模、第一次預(yù)應(yīng)力壓套、第二次預(yù)應(yīng)力壓套，及相應(yīng)的附屬部件鋼繩卡頭和鋼繩。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:采用此種方案，通過半圓形通道模具拉拔兩次變形方法拉拔銅管材，同時內(nèi)部填充錫金屬材料,對銅管材內(nèi)壁施加壓應(yīng)力能保證銅管材在拉拔過程中橫截面的形狀及尺寸不改變，該方法可以實現(xiàn)銅管材的微觀組織納米化，從而獲得性能優(yōu)良的高強度納米晶銅管材。在半圓形通道模具基礎(chǔ)上實現(xiàn)了銅管材的連續(xù)拉拔變形，既實現(xiàn)了管壁金屬的納米化，又減輕了操縱工人的勞動強度，拓寬了薄壁銅管材的應(yīng)用范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]下面是結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的具體實施方案進行詳細地說明。
[0013]圖1為本發(fā)明加工工藝簡略示意圖；
圖2為本發(fā)明半圓形通道模具拉拔工藝裝置圖；
圖3獲得的擠壓試樣透射電鏡微觀照片；
圖4為拉拔管材試樣的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0014]上述圖中的標(biāo)記為:
圖1為本發(fā)明加工工藝簡略示意圖的1.半圓形通道凹模，2.擠壓件管坯；
圖2為本發(fā)明半圓形通道模具拉拔工藝裝置圖的1.半圓形通道凹模，2.擠壓件管坯，
3.第一層凹模預(yù)應(yīng)力套圈，4.第二層凹模預(yù)應(yīng)力套圈，5.卡頭，6.鋼絲繩，7.預(yù)應(yīng)力模具底座。
【具體實施方式】
[0015]實施例1、一種高強度納米晶銅管材的制備方法:
將即將拉拔的管坯拔端部分焊合密封，同時在端口部設(shè)置鋼繩卡頭；向一端密封的銅管注入錫熔體進行冷卻，通過該方法可以獲得實心的銅管。將管坯進行磷化皂化后、在管坯外表面涂覆二硫化鑰與石蠟混合物，把準(zhǔn)備好的管坯的第一部分的鋼繩卡頭與拉拔裝置的鋼絲拉繩連接，然后在鋼絲繩牽引下把管坯放入半圓形通道模具。拉拔裝置以lOmm/s的牽引速度將管坯通過半圓形通道模具拉拔，拉拔后再重復(fù)上一次的拉拔變形一次，然后將獲得高強度納米晶銅管材拉拔端部分向上垂直放置在加熱槽中焙燒至230°后保溫一小時，錫金屬填充材料受熱全部熔化流出，同時也相應(yīng)對銅管進行了去應(yīng)力退火工藝，獲得力學(xué)性能優(yōu)良的高強度納米晶銅管材。
[0016]從圖3所示的納米晶銅拉拔管材試樣透射電鏡微觀照片可以看出銅管材的平均晶粒組織是小于500nm的納米材料。從圖4所示的納米晶銅拉拔管材試樣拉伸真應(yīng)力_應(yīng)變曲線，可以看出，強度較傳統(tǒng)試樣提高28%，根據(jù)Hall-Pech公式可知，材料的晶粒尺寸越小，其外在宏觀力學(xué)性能越高。
[0017]本發(fā)明提供的一種高強度納米晶銅管材可采用簡單的線材拉拔加工設(shè)備，獲得的材料有高的硬度和強度，同時保持較好的韌性。因此，本發(fā)明材料具有潛在的應(yīng)用價值，特別在航空、航天和核電領(lǐng)域方面具有很好的優(yōu)勢。
[0018]本發(fā)明所采用的凹模半圓形通道結(jié)構(gòu)，均可采用現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明并不局限于上述所列舉的具體實施形式，凡本領(lǐng)域技術(shù)人員不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動所能得到的改進，均屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高強度納米晶銅管材的制備方法，可以低成本制備高強度薄壁管材代替厚壁管材使用，其特征是: (a)通過采用半圓形模具通道拉拔銅管材后再進行第二道次拉拔，可實現(xiàn)銅管材的反復(fù)塑性變形，最終累積大變形，獲得高強度納米晶銅管材； (b)該模具采用雙層預(yù)應(yīng)力套圈結(jié)構(gòu)能夠大幅度提高半圓形通道模具強度，提高模具的使用壽命。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強度納米晶銅管材的制備方法，其特征是:通過向一端密封的銅管注入錫熔體并進行冷卻的方法可以獲得實心的銅管，即可避免在拉拔過程中因通過半圓形通道的劇烈塑性變形產(chǎn)生管材的橫截面畸變，也可保證管材在兩向應(yīng)力下材料得到較好細化，使銅管材的力學(xué)性能得到進一步提高，保證高密度的前提下兼有高的強度和良好的韌性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強度納米晶銅管材的制備方法，其特征是:高強度納米晶銅管材內(nèi)部的錫金屬填充材料經(jīng)垂直放置在加熱槽中焙燒至230°受熱全部熔化流出，可反復(fù)使用，同時加熱也相應(yīng)對銅管進行了去應(yīng)力退火工藝，獲得力學(xué)性能優(yōu)良的高強度納米晶銅管材。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高強度納米晶銅管材的制備方法，其特征是:所獲得的的管材內(nèi)部平均晶粒組織是小于500nm的納米材料，同時該材料的強度較傳統(tǒng)試樣提高28%，獲得的材料有高的硬度和強度，同時保持較好的韌性。
【文檔編號】B21C1/22GK103639215SQ201310649918
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】徐淑波, 霍玉雙, 劉燕, 王桂青, 鄭偉, 黃麗麗 申請人:山東建筑大學(xué)