專利名稱：一種細(xì)晶棒料的制備裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料工程領(lǐng)域，尤其涉及一種細(xì)晶棒料的制備裝置及方法。
背景技術(shù)：
金屬材料內(nèi)部由許多晶粒組成，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，晶粒越細(xì)，而細(xì)晶粒金屬比粗晶金屬有更高的強度、硬度、塑性和韌性，在電工電子、儀表、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。當(dāng)前制備細(xì)晶材料的方法有變質(zhì)處理、快速凝固、振動與攪拌、大塑性變形技術(shù)，前三種技術(shù)是在熔煉或熱處理過程中進行細(xì)晶處理，而大塑性變形技術(shù)是通過剪切及塑性變形使晶粒細(xì)化，該技術(shù)包括高壓扭轉(zhuǎn)法、等通道轉(zhuǎn)角擠壓法、循環(huán)擠壓法等；如專利(CN1446935)采用摩擦壓扭變性去橫向轉(zhuǎn)移法，對材料表面進行細(xì)晶處理，同時又采 用感應(yīng)加熱和扭轉(zhuǎn)剪切的方式來細(xì)化棒狀金屬材料晶粒，該發(fā)明可對金屬表面和已有棒料進行細(xì)晶處理，但工藝復(fù)雜；專利(CN101294238)采用等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形晶粒細(xì)化法，可保持材料在變形前后形狀和尺寸不變，但仍需多道鐓擠變形，對模具要求較高；專利(CN102051564A)提出退火+冷軋的方法制備超細(xì)晶銅合金板料，而但需進行多次反復(fù)進行冷軋，且設(shè)備噸位高。以上述專利為代表的方法各具優(yōu)缺點能夠?qū)Π辶媳砻婊蚧蛞延邪袅线M行細(xì)晶處理，但工藝較為復(fù)雜，往往需要反復(fù)擠壓，對設(shè)備噸位和體積要求較高，且沒有提出一次成型的細(xì)晶棒料制備方法，難以滿足對直徑較小細(xì)晶棒料的需求，盡管可以由直徑較大的細(xì)晶棒料加工制成，但顯然費工費料，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種細(xì)晶棒料的制備裝置及方法，其無需金屬熔化和過多的熱處理工序，利用高溫摩擦擠壓產(chǎn)生塑性變形，來實現(xiàn)細(xì)晶棒料的一次性成型，從而滿足小直徑細(xì)晶棒料的需求。技術(shù)方案本發(fā)明所述的一種細(xì)晶棒料的制備裝置，包括摩擦頭及其驅(qū)動裝置，摩擦頭頂端開有圓柱形空腔，底端開有喇叭形空腔，所述圓柱形空腔與喇叭形空腔相互貫通，摩擦頭的底面開有螺紋槽，用于將塑性金屬卷入軸心并使其在喇叭形空腔積聚。進一步完善上述技術(shù)方案，所述驅(qū)動裝置，包括機頭、支架、空心主軸和主軸套，所述摩擦頭的頂端固定在空心主軸的底端,所述機頭的動力輸出軸通過傳動機構(gòu)帶動空心主軸旋轉(zhuǎn)，所述主軸套固定在空心主軸上，所述主軸套通過軸承固定在支架上，使其可以在支架上旋轉(zhuǎn)。進一步，所述空心主軸內(nèi)設(shè)置有輔助冷卻細(xì)晶棒料的引導(dǎo)套，其截面為圓環(huán)形，內(nèi)部設(shè)置有冷卻液，用于輔助冷卻，避免晶粒在高溫下過度長大。進一步，所述動力輸出軸上設(shè)置有齒輪，所述空心主軸上設(shè)置有從動齒輪，所述齒輪與從動齒輪之間通過中間齒輪傳遞動力。
采用上述裝置制備細(xì)晶棒料的方法為通過驅(qū)動裝置帶動摩擦頭相對于板料旋轉(zhuǎn)，同時摩擦頭對板料施加軸向壓力；隨著摩擦產(chǎn)熱的增多，摩擦頭與板料接觸面附近的金屬被塑化、晶粒被打碎，逐漸形成塑性金屬流，這些塑性金屬被摩擦頭端部的螺紋槽卷入軸心，在摩擦頭內(nèi)的喇叭形空腔內(nèi)積聚，并逐漸被擠入摩擦頭上部的圓柱形空腔中；在后續(xù)進入喇叭形空腔中的塑性金屬不斷擠壓下，原先圓柱形空腔中的金屬被擠壓出來，形成一定長度的圓柱形細(xì)晶棒料。進一步，上述方法還包括將擠壓成型后的圓柱形細(xì)晶棒料在退火工藝條件下進行退火處理，以獲得均勻穩(wěn)定的細(xì)晶組織。進一步，所述退火工藝條件為在120— 250°C的溫度條件下，退火處理O. 5— I小時。 進一步，摩擦壓力不僅影響摩擦產(chǎn)熱，也影響塑性金屬擠壓成型的過程，因此在制備過程中，需要保持摩擦壓力為恒定的值，施加在摩擦頭與料板之間的軸向壓力為14000N左右。旋轉(zhuǎn)速度與摩擦壓力一樣，也會影響摩擦產(chǎn)熱的大小，旋轉(zhuǎn)速度過快產(chǎn)熱過大，塑性金屬溫度較高，有使棒料晶粒長大的危險，旋轉(zhuǎn)速度過小，塑性金屬量不夠，擠壓成型難以實現(xiàn)，因此所述摩擦頭的旋轉(zhuǎn)速度為600-1000rpm。最后，摩擦頭在制備過程中需相對板料水平移動，移動速度與摩擦壓力和旋轉(zhuǎn)速度相匹配，與摩擦壓力與旋轉(zhuǎn)速度的乘積成正比，其范圍為200— 300mm/min。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是本發(fā)明(I)通過摩擦頭與板料之間的高溫摩擦和擠壓塑性變形，方便地制備細(xì)晶棒料；(2)摩擦頭結(jié)構(gòu)簡潔、操作簡單，塑性金屬進入摩擦頭內(nèi)部空腔后，經(jīng)過強烈的塑性變形和擠壓后，能夠一次成型，提高了細(xì)晶棒料的生產(chǎn)效率；(3)結(jié)構(gòu)簡單實用，不僅能夠快速生產(chǎn)細(xì)晶棒料，對板料表面磨削、細(xì)晶處理也都有參考意義。


圖I為采用摩擦頭制備細(xì)晶棒料的示意圖。圖2為摩擦頭端面螺旋槽仰視示意圖。圖3為實施例中細(xì)晶棒料的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為實施例中制備細(xì)晶棒料的操作流程圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施例。如圖3所示，一種鋁合金細(xì)晶棒料的制備裝置，包括用高溫合金鋼制造的圓柱形摩擦頭I和帶動其旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動裝置，摩擦頭I頂端開有圓柱形空腔，底端開有喇叭形空腔，所述圓柱形空腔與喇叭形空腔相互貫通，摩擦頭的底面開有螺紋槽，用于將塑性金屬卷入軸心并使其在喇叭形空腔積聚。如圖2所示，圖2 Ca)為四股螺紋槽，圖2 (b)為兩股螺紋槽，圖2 (c)為單股螺紋槽，三種螺紋槽中的任意一個，都能夠滿足本發(fā)明要求。本發(fā)明中旋轉(zhuǎn)方向為順時針(仰視)；當(dāng)螺旋槽的旋向改變，也需要改變旋轉(zhuǎn)方向，否則，會引起塑性金屬沿螺紋槽飛出摩擦面，不能在軸心積聚，從而不能形成細(xì)晶棒料。所述驅(qū)動裝置，包括機頭9、支架8、空心主軸4和主軸套5，所述摩擦頭I的頂端通過螺釘固定在空心主軸4的底端，動力輸出軸上設(shè)置有齒輪10，從動齒輪3與空心主軸4通過動齒輪固定螺母12緊密配合，所述齒輪10與從動齒輪3之間通過中間齒輪14嚙合；空心主軸4穿過主軸套5并通過空心軸固定螺母6將兩者連接在一起，同時通過鍵和鍵槽防止相對轉(zhuǎn)動；主軸套5則通過一對軸承13與支架8連接固定，其可以在支架8上旋轉(zhuǎn)；支架8通過燕尾滑槽與機頭9連接，從而使摩擦頭I、從動齒輪3、空心主軸4均被安裝于機頭9上。
裝置工作時，機頭輸出軸及齒輪10、從動齒輪3、摩擦頭I、空心主軸4、主軸套5均高速旋轉(zhuǎn)，支架8可以通過滑槽上下移動。如圖I所示，上述裝置的制備方法為在摩擦頭I與板料2之間施加較大的軸向壓力，且摩擦頭I相對于板料2按方向11高速旋轉(zhuǎn)；隨著摩擦產(chǎn)熱的增多，摩擦頭I與板料2接觸面附近的金屬迅速被塑化、晶粒被打碎，形成塑性金屬流，這些塑性金屬流被摩擦頭I端部的螺旋槽卷入摩擦面中心，在摩擦頭I內(nèi)的喇叭形空腔內(nèi)越聚越多，并逐漸被擠入摩擦頭I上部的小圓柱形空腔中；當(dāng)后續(xù)塑性金屬不斷進入喇叭形空腔中后，原先小圓柱形空腔中的金屬被擠壓出來，形成一定長度的圓柱形細(xì)晶棒料。在裝置工作時，細(xì)晶棒料被擠出摩擦頭I上部的圓柱形空腔后，為了避免晶粒在高溫下過度長大，需盡快冷卻，因此在空心主軸4內(nèi)設(shè)置引導(dǎo)套7，其截面為圓環(huán)形，內(nèi)部設(shè)置有冷卻液，細(xì)晶棒料進入導(dǎo)引套7，用于輔助冷卻。如圖4所示，采用上述裝置制備鋁合金細(xì)晶棒料的流程為
(1)在開機之前，需進行預(yù)處理，預(yù)處理內(nèi)容包括固定鋁合金板料2、安裝摩擦頭I;
(2)摩擦頭I開始下壓，當(dāng)接觸板料2時，摩擦頭I繼續(xù)下壓，同時開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向如圖I所示的方向(11);
(3)當(dāng)摩擦頭I在原地旋轉(zhuǎn)時間超過設(shè)定時間后，檢查壓力是否達(dá)到設(shè)定值，如果不是摩擦頭下壓以增加壓力，如果是摩擦頭停止下壓并開始移動；
(4)檢查棒料是否已經(jīng)伸出了導(dǎo)引套7，如果不是回到第三步，如果是則停機、取出棒
料；
(5)取出棒料后，進行退火熱處理；
(6)結(jié)束細(xì)晶鋁合金棒料的制備過程。其中，退火工藝參數(shù)為在120—2501的溫度條件下，退火處理O. 5— I小時。如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)晶棒料的制備裝置，其特征在于，包括摩擦頭及其驅(qū)動裝置，摩擦頭頂端開有圓柱形空腔，底端開有喇叭形空腔，所述圓柱形空腔與喇叭形空腔相互貫通，摩擦頭的底面開有螺紋槽，用于將塑性金屬卷入軸心并使其在喇叭形空腔中積聚。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的細(xì)晶棒料的制備裝置，其特征在于，所述驅(qū)動裝置，包括機頭、支架、空心主軸和主軸套,所述摩擦頭的頂端固定在空心主軸的底端,所述機頭的動力輸出軸通過傳動機構(gòu)帶動空心主軸旋轉(zhuǎn),所述主軸套固定在空心主軸上,所述主軸套通過軸承固定在支架上，使其可以旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的細(xì)晶棒料的制備裝置，其特征在于，所述空心主軸內(nèi)設(shè)置有輔助冷卻細(xì)晶棒料的引導(dǎo)套，其截面為圓環(huán)形，內(nèi)部設(shè)置有冷卻液。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的細(xì)晶棒料的制備裝置，其特征在于，所述動力輸出軸上設(shè)置有齒輪，所述空心主軸上設(shè)置有從動齒輪，所述齒輪與從動齒輪之間通過中間齒輪傳遞動力。
5.一種采用權(quán)利要求I所述裝置制備細(xì)晶棒料的方法，其特征在于，通過驅(qū)動裝置帶動摩擦頭相對于板料旋轉(zhuǎn)，同時在兩者之間施加軸向壓力；隨著摩擦產(chǎn)熱的增多，摩擦頭與板料接觸面附近的金屬被塑化、晶粒被打碎，逐漸形成塑性金屬流，這些塑性金屬被摩擦頭端部的螺紋槽卷入軸心，在摩擦頭內(nèi)的喇叭形空腔內(nèi)積聚，并逐漸被擠入摩擦頭上部的圓柱形空腔中；在后續(xù)進入喇叭形空腔中的塑性金屬不斷擠壓下，原先圓柱形空腔中的金屬被擠壓出來，形成一定長度的圓柱形細(xì)晶棒料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備細(xì)晶棒料的方法，其特征在于，還包括將上述方法擠壓成型后的圓柱形細(xì)晶棒料在退火工藝條件下進行退火處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備細(xì)晶棒料的方法，其特征在于，所述摩擦頭的旋轉(zhuǎn)速度為 600_1000rpm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種細(xì)晶棒料的制備裝置，包括摩擦頭及其驅(qū)動裝置，摩擦頭頂端開有圓柱形空腔，底端開有喇叭形空腔，所述圓柱形空腔與喇叭形空腔相互貫通，摩擦頭的底面開有螺紋槽，用于將塑性金屬卷入軸心并使其在喇叭形空腔中積聚；本發(fā)明(1)通過摩擦頭與板料之間的高溫摩擦和擠壓，方便地制備細(xì)晶棒料；(2)摩擦頭結(jié)構(gòu)簡潔、操作簡單，塑性金屬進入摩擦頭內(nèi)部空腔后，經(jīng)過強烈的塑性變形和擠壓后，能夠一次成型，提高了細(xì)晶棒料的生產(chǎn)效率；(3)結(jié)構(gòu)簡單實用，不僅能夠快速生產(chǎn)細(xì)晶棒料，對板料表面表面磨削、細(xì)晶處理也都有參考意義。
文檔編號C22F1/00GK102839265SQ20121036034
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者陳書錦, 盧阿麗, 張郡郡, 蘆笙 申請人:江蘇科技大學(xué)