制備三維大尺寸全致密納米晶鐵塊體材料的模具和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米晶塊體材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種制備三維大尺寸全致密納米晶鐵塊體材料的模具和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]塊體納米金屬材料，作為一種重要的納米材料，有著誘人的應(yīng)用前景，是納米材料研宄的熱點(diǎn)之一，研宄的重點(diǎn)是塊體納米金屬材料的制備、微結(jié)構(gòu)和本征性能。無(wú)制備微缺陷的全致密塊體納米金屬材料，特別是三維大尺寸的無(wú)制備微缺陷的全致密塊體納米金屬材料的制備，是研宄塊體納米金屬材料本征性能的基礎(chǔ)，也是其得以工程化應(yīng)用的關(guān)鍵之
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[0003]塊體納米金屬材料的制備方法通?？煞譃閮深?，一類是兩步法，先制備出納米顆粒，然后通過(guò)原位加壓、熱等靜壓、熱擠壓、熱噴涂等方法制備成塊體納米材料；另一類是一步法，直接將普通材料制備成塊體納米材料，如非晶晶化法、電沉積法、熔體凝固法(包括高溫高壓淬火法、直接晶化法和深過(guò)冷晶化法等)、強(qiáng)烈塑性變形法等。另外，乳化法、溶渣技術(shù)、落管技術(shù)、爆炸法以及動(dòng)態(tài)深度塑性變形法，也可以用于制備塊體納米金屬材料。不同的制備方法各有其優(yōu)點(diǎn)與局限性，高能球磨法工藝簡(jiǎn)單，效率較高，但球磨過(guò)程中易產(chǎn)生雜質(zhì)和污染，很難得到潔凈的納米晶體表面，對(duì)納米粉體進(jìn)行壓制等后續(xù)處理時(shí)存在著納米粉體的穩(wěn)定保存和壓制過(guò)程中納米粉體團(tuán)簇長(zhǎng)大的問(wèn)題，塊體材料內(nèi)部不可避免存在微孔隙、弱連接等缺陷；電沉積法制備的塊體材料密度較高、孔隙率較低，但沉積層質(zhì)量穩(wěn)定性較差，制備效率低，難以制備大厚度的塊體材料；兩步法中的惰性氣體凝聚-原位加壓法的特點(diǎn)是納米微粒具有清潔的表面，很少團(tuán)聚，塊體的純度和致密度都較高，但設(shè)備復(fù)雜，制備難度大，且難以完全避免塊體材料內(nèi)部的微孔隙、弱連接等缺陷。近年來(lái)該種方法不斷得到改進(jìn)，通過(guò)加強(qiáng)惰性氣體對(duì)流、改進(jìn)熱源，采用原位真空熱壓或放電等離子燒結(jié)，減少塊體中的微孔隙等缺陷的數(shù)量和尺寸，但還是難以得到全致密的塊體納米材料；強(qiáng)烈塑性變形法包括高壓扭轉(zhuǎn)、等徑角擠壓、多向鍛造、反復(fù)折皺-壓直、疊層軋合、板材連續(xù)剪切變形等，能夠有效的細(xì)化晶粒，制備較大尺寸的塊體亞微米/納米材料。這種方法所制備的超細(xì)晶塊體材料不存在微孔隙、氧化污染等問(wèn)題，但制備設(shè)備要求高，晶粒細(xì)化能力有限，生產(chǎn)效率低。
[0004]迄今為止，國(guó)內(nèi)外很多研宄機(jī)構(gòu)和高校都開展了塊體納米金屬材料的制備和性能研宄工作，研宄有了長(zhǎng)足進(jìn)展，但在三維大尺寸全致密塊體納米金屬材料制備方面遇到很大困難，還難以制備出可以按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取樣、加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸等試驗(yàn)的三維大尺寸塊體納米金屬材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備三維大尺寸全致密納米晶鐵塊體材料的模具和方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種制備三維大尺寸全致密納米晶鐵塊體材料的模具，該模具由一塊上板、一塊底板、一塊前板、一塊后板、一塊左側(cè)板、一塊右側(cè)板、一個(gè)正壓頭、一個(gè)側(cè)壓頭、四根前后螺栓和八根上下螺栓組成，前板和后板、左側(cè)板和右側(cè)板規(guī)格完全一致；
所述底板由厚度50mm的W6Mo5Cr4V2鋼板制成，尺寸為320X 160mm2;底板兩側(cè)對(duì)稱開槽，槽中心線到底板邊的距離為25 mm，槽寬26mm，槽深13mm，槽長(zhǎng)320mm，槽內(nèi)對(duì)稱開有4個(gè)直徑15mm的第一圓孔，同一個(gè)槽內(nèi)相鄰兩個(gè)第一圓孔中心線間距為65mm ；
所述前板由厚度50mm的W6Mo5Cr4V2鋼板制成，尺寸為320X 110mm2，前板的320 X I1mm2面上開有四個(gè)直徑15mm的第二圓孔，左右兩個(gè)第二圓孔中心線間距270mm，上下兩個(gè)第二圓孔中心線間距50mm ;前板上開有四個(gè)貫穿兩個(gè)尺寸為320X50mm2的面的第一通孔，第一通孔孔徑為15mm，相鄰兩個(gè)第一通孔中心線間距為65mm ;
所述右側(cè)板用厚度50mm的W6Mo5Cr4V2鋼板制成，尺寸為110 X 60mm2，右側(cè)板上開有兩個(gè)貫穿兩個(gè)尺寸為110X50mm2的面的第二通孔，第二通孔的孔徑為15mm，第二通孔中心線間距50mm ；
所述上板由厚度為50mm的大板和厚度為50mm的小板組成，所述大板和小板均由W6Mo5Cr4V2鋼板制成，大板尺寸為320 X 160mm2，大板上開有與底板上8個(gè)第一圓孔相對(duì)應(yīng)的八個(gè)第三圓孔；小板尺寸為219X59mm2，通過(guò)四個(gè)沉頭螺釘將小板居中固定在大板上；
所述正壓頭由W6Mo5Cr4V2鋼板制成，尺寸為220 X 60 X 100mm3；所述側(cè)壓頭由W6Mo5Cr4V2 鋼板制成，尺寸為 100 X 60 X 60mm3。
[0007]一種制備三維大尺寸全致密納米晶鐵塊體材料的方法，該方法包括以下步驟:
(1)將工業(yè)純鐵加工成219X59X59mm3的長(zhǎng)方體；
(2)組裝模具，留出上板不裝配，在底板、前板、后板、左側(cè)板、右側(cè)板的內(nèi)側(cè)面墊上單層的506云母紙后水平放置在打擊工作臺(tái)上，開口朝上；模具的組裝方法如下:
(2.1)將底板置于水平面上，開槽的面朝下；
(2.1)將左側(cè)板和右側(cè)板分別置于底板上，將前板和后板分別置于底板上，前后板上的第一通孔與底板上的第一圓孔相對(duì)，八個(gè)上下螺栓分別依次穿過(guò)第一圓孔和第一通孔，末端通過(guò)螺帽固定；左右側(cè)板上的第二通孔與前后板上的第二圓孔相對(duì)，四個(gè)前后螺栓分別依次穿過(guò)前板上的第二圓孔、第二通孔、后板上的第二圓孔，末端通過(guò)螺帽固定；
(3)將長(zhǎng)方體工業(yè)純鐵完全浸入液氮并保持40min；
(4)將液氮中的工業(yè)純鐵取出并放入工作臺(tái)上的模具中，在工業(yè)純鐵的第一受打擊面上墊上單層的506云母紙，再將正壓頭放置在云母紙上，啟動(dòng)100kg空氣錘對(duì)其進(jìn)行高速打擊，連續(xù)打擊2次，打擊速度為2.49m/s ;所述第一受打擊面為任一個(gè)尺寸為219 X 59mm2的面；
(5)將模具中的工業(yè)純鐵取出，放入熱處理爐中進(jìn)行再結(jié)晶退火處理，退火溫度380~390°C，保溫時(shí)間I h，隨爐冷卻到室溫；
(6)在底板、前板、后板、左側(cè)板、右側(cè)板的內(nèi)側(cè)面重新墊上單層的506云母紙后水平放置在打擊工作臺(tái)上，開口朝上；
(7)將爐中的工業(yè)純鐵取出，完全浸入液氮并保持40min；
(8 )快速將液氮中的工業(yè)純鐵取出并放入工作臺(tái)上的模具中，在工業(yè)純鐵的第二受打擊面墊上單層的506云母紙，再將正壓頭放置在云母紙上，啟動(dòng)1000 kg空氣錘對(duì)其進(jìn)行高速打擊，連續(xù)打擊2次，打擊速度為2.49m/s，所述第二受打擊面尺寸為219 X 59mm2，且與第一受打擊面相鄰；
(9)同第5步;
(10)重新組裝模具，在組裝好的模具的各個(gè)內(nèi)側(cè)面(底板、左側(cè)板、前板、后板、上板的內(nèi)側(cè)面)墊上單層的506云母紙后，開口朝上水平放置在打擊工作臺(tái)上；模具的組裝方法如下:
(10.1)在步驟2組裝好的模具的基礎(chǔ)上，將固定右側(cè)板的兩個(gè)前后螺栓取下，然后卸下右側(cè)板；
(10.2)將八個(gè)上下螺栓的螺帽取下，然后將上板安裝在前板、后板、左側(cè)板上方，上板的大板在上，小板在下；上板上的第三圓孔穿過(guò)八個(gè)上下螺栓，末端通過(guò)螺帽固定；
(11)將爐中的工業(yè)純鐵取出，完全浸入液氮并保持40min；
(12)快速將液氮中的工業(yè)純鐵取出并放入工作臺(tái)上的模具中，受打擊面墊上單層的506云母紙后，再將正壓頭放置在云母紙上，啟動(dòng)750kg空氣錘對(duì)其進(jìn)行高速打擊，連續(xù)打擊2次，打擊速度為2.33m/s ；
(13)將模具中的工業(yè)純鐵取出，放入熱處理爐中進(jìn)行再結(jié)晶退火處理，退火溫度380~390°C，保溫時(shí)間I h，隨爐冷卻到室溫；
(14)從爐中取出工業(yè)純鐵，即可獲得三維大尺寸全致密的長(zhǎng)方體的納米晶純鐵塊體材料。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明制成的納米晶純鐵塊體材料為三維大尺寸全致密材料，可按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第I部分:室溫試驗(yàn)方法》取樣、加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)等試驗(yàn)，內(nèi)部無(wú)微孔隙、弱連接等缺陷；2、無(wú)需專用生產(chǎn)設(shè)備，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作便捷和可控性好的優(yōu)點(diǎn)；3、工序相對(duì)簡(jiǎn)單，模具為組合式的可拆卸獨(dú)立元件結(jié)構(gòu)，使用方便，可靠性強(qiáng)，成本低，使用壽命長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性好。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為底板的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為前板的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為右側(cè)板結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為上板結(jié)構(gòu)不意圖；
圖中:槽1、第一圓孔2、第二圓孔3、第一通孔4、第二通孔5、大板6、小板7、第三圓孔8。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0011]本發(fā)明一種制備三維大尺寸全致密納米晶鐵塊體材料的模具，該模具由一塊上板、一塊底板、一塊前板、一塊后板、一塊左側(cè)板、一塊右側(cè)板、一個(gè)正壓頭、一個(gè)側(cè)壓頭、四根前后螺栓和八根上下螺栓組成，前板和后板、左側(cè)板和右側(cè)板規(guī)格完全一致； 所述底板由厚度50mm的W6Mo5Cr4V2鋼板制成，尺寸為320 X 160mm2;如圖1所示，底板兩側(cè)對(duì)稱開槽I，槽I中心線到底板邊的距離為25 mm，槽寬26mm，槽深13mm，槽長(zhǎng)320mm，槽內(nèi)對(duì)稱開有4個(gè)直徑15mm的第一圓孔2，同一個(gè)槽內(nèi)的相鄰兩個(gè)第一圓孔2中心線間距為65mm ；
所述前板由厚度50mm的W6Mo5Cr4V2鋼板制成，尺寸為320X 110mm2，如圖2所示，前板的320X I1mm2面上開有四個(gè)直徑15mm的第二圓孔3，左右兩個(gè)第二圓孔中心線間距270mm，上下兩個(gè)第二圓孔中心線間距50mm ;前板上開有四個(gè)貫穿兩個(gè)尺寸為320X 50mm2的面的第一通孔4，第一通孔4孔徑為15mm，相鄰兩個(gè)第一通孔4中心線間距為65mm ;
所述右側(cè)板用厚度50mm的W6Mo5Cr4V2鋼板制成，尺寸為110X60mm2，如圖3所示，右側(cè)板上開有兩個(gè)貫穿兩個(gè)尺寸為110 X 50mm2的面的第二通孔5，第二通孔5的孔徑為15mm，第二通孔5中心線間距50mm;
所述上板由厚度為50mm的大板6和厚度為50mm的小板7組成，所述大板6和小板7均由W6Mo5Cr4V2鋼板制成，大板6尺寸為320 X 160mm2，大板6上開有與底板上8個(gè)第一圓孔相對(duì)應(yīng)的