一种制备超细晶块体材料的等通道挤压模具及方法

摘要

本发明公开了一种制备超细晶块体材料的等通道挤压模具及方法，模具包括挤压凹模和基座，挤压凹模设有自外表面向内部延伸的六个挤压通道，六个挤压通道相交形成一正六面体型腔，各挤压通道内滑设有一个冲头，基座设有用于对挤压凹模定位并能使任意一对分设于正六面体型腔相对两侧的挤压通道按照设定形式布置的多位置定位机构，设定形式布置是：该对挤压通道中有一个挤压通道内的冲头被多位置定位机构阻止向外滑动，该对挤压通道中另一个挤压通道处于能被外部挤压件伸入对冲头进行挤压的角度。方法是通过改变挤压凹模定位在基座上的角度，采用挤压设备逐个挤压挤压通道内的冲头。本发明具有人工劳动强度低、成本低、制备效率高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工装备技术领域，具体涉及一种制备超细晶块体材料的等通道挤压模具及方法。

背景技术

在材料加工技术领域，传统的塑性加工方法实现大变形的过程通常是变截面的过程，材料组织细化的同时，也有很强的方向性，晶粒组织往往被拉细拉长，形成流线。为了得到更加细小而且等轴的显微组织，人们又研究出专门细化晶粒的加工方法：大塑性变形法，如等通道角挤压(ECAP)、高压扭转变形、叠轧、反复折皱-压直、往复挤压等。

大塑性变形技术，主要是指在较低温度、较高压力条件下，将材料通过一次或者多次累计反复的塑性变形，使其获得相当大的累积真应变；目的在于使常规块体粗晶材直接细化为具有大角度晶界的超细晶结构材料。也就是说，要获得超细晶/纳米结构材料，需要以下条件：1、变形温度要低。温度越低，获得的晶粒越细小，而且随着变形道次的增加，变形温度要降低，因为细化的晶粒具有更好的塑性；2、应变量要大。应变量是大塑性变形的本质所在，一般应大于10以上；3、变形前后材料的形状不改变。大塑性变形对模具强度有很高的要求，一次获得大真应变比较困难，所以，实现反复的塑性变形是大塑性变形新技术开发和发展的重要参考准则之一；4、每道次应变量要足够大。不单是强调总的累积应变量要大，每道次的应变量也要达到某一临界应变量，才能获得足够多的位错，得到位错的临界密度发生转变，形成亚晶粒、位错单元等，最终获得大角度晶界的超细晶/纳米结构材料。这也就是一个多世纪以来，工业生产中一直采用锻造、轧制等压力加工方法却得不到超细晶粒的原因。

大塑性变形方法不但可以制备不同形状尺寸的金属、合金等大体积的试样，而且可以克服其他方法，如粉末冶金法、球磨法等带来的残余空隙、杂质、界面氧化等缺点。大塑性变形材料一般具有以下特征：1、无污染；2、制备的超细晶/纳米结构材料内部无残留孔；3、整个材料结构均匀；4、无机械损伤和裂纹。

目前在材料加工技术领域研究中使用的等角径模具主要是L形模腔，即两通道相交呈L形，挤压时胚料放入入口通道，从出口通道挤出，然后重新将胚料装入入口通道进行反复挤压，由于被挤出材料的弹性恢复以及形状扭曲，在重复装料时需要对挤出材料进行校正或者打磨；另外，由于目前使用的等角径挤压模具每道次挤压产生的变形量主要取决于两通道之间的夹角，想要获得均匀、细小的超细晶往往需要多次挤压，这些都严重降低了该方法的加工效率，限制了该方法的工业化应用。虽然提出了一些改进的措施，如采用S形、C形、U形等挤压模具，但也存在一些缺陷，如变形路线单一等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种人工劳动强度低、成本低、制备效率高的制备超细晶块体材料的等通道挤压模具。还相应提供一种采用该等通道挤压模具制备超细晶块体材料的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种制备超细晶块体材料的等通道挤压模具，包括挤压凹模和基座，所述挤压凹模设有自外表面向内部延伸的六个挤压通道，六个挤压通道相交形成一正六面体型腔，各挤压通道内滑设有一个冲头，所述基座设有用于对挤压凹模定位并能使任意一对分设于正六面体型腔相对两侧的挤压通道按照设定形式布置的多位置定位机构，所述设定形式布置是：该对挤压通道中有一个挤压通道内的冲头被多位置定位机构阻止向外滑动，该对挤压通道中另一个挤压通道处于能被外部挤压件伸入对冲头进行挤压的角度。

作为上述等通道挤压模具的进一步改进：

所述多位置定位机构还具有在使一对挤压通道按照设定形式布置时阻止其余两对挤压通道内的冲头向外滑动的阻挡面。

所述挤压凹模呈正六面体型，六个挤压通道分别对应位于正六面体型挤压凹模的六个侧面上，所述多位置定位机构为设于基座上的定位沉孔，所述定位沉孔的形状和尺寸与所述正六面体型挤压凹模的侧面一致。

六个所述挤压通道分别对应设于正六面体型挤压凹模的六个侧面的中心位置，所述定位沉孔的深度小于正六面体型挤压凹模的一倍边长且大于正六面体型挤压凹模的二分之一倍边长。

所述正六面体型挤压凹模的边长为L1，所述正六面体型腔的边长为L2，所述定位沉孔的深度为(L1+L2)/2。

所述冲头的长度等于正六面体型挤压凹模边长长度减去正六面体型腔边长长度的差值的一半。

所述定位沉孔的侧壁上设有凹槽，所述凹槽与放入定位沉孔的挤压凹模之间形成一个避让空间。

一种采用上述等通道挤压模具制备超细晶块体材料的方法，包括以下步骤，

(A)在挤压凹模的任意五个挤压通道中放入冲头，通过多位置定位机构将挤压凹模定位在基座上，使未放入冲头的挤压通道处于能被外部挤压件伸入以对冲头进行挤压的角度；将试样从未放入冲头的挤压通道放入正六面体型腔内，然后在未放入冲头的挤压通道中放入冲头；将基座安装固定到挤压设备上，使最后放入冲头的挤压通道竖直布置；

(B)采用挤压设备沿由上至下的方向对竖直布置的挤压通道内的冲头进行挤压；

(C)通过多位置定位机构改变挤压凹模的定位角度，使另一个挤压通道竖直布置，采用挤压设备沿由上至下的方向对该竖直布置的挤压通道内的冲头进行挤压；

(D)重复步骤(C)，直至所有挤压通道内的冲头被挤压设备逐个进行挤压。

作为上述方法的进一步改进：

所述步骤(A)中，在冲头放入挤压通道前先采用润滑剂对挤压通道进行润滑，在试样放入正六面体型腔前先采用润滑剂对试样进行润滑。

在所有挤压通道内的冲头被挤压设备逐个进行挤压后，重复步骤(C)使至少一个挤压通道内的冲头被挤压设备挤压两次以上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的制备超细晶块体材料的等通道挤压模具使用时，将基座安装在挤压设备上，通过改变挤压凹模定位在多位置定位机构上的角度，可使任意一对挤压通道布置成适合被挤压设备进行挤压的角度，从而在挤压过程中不需要将被挤压坯料从挤压凹模内取出，只需利用多位置定位机构改变挤压凹模上各挤压通道的角度，即可从多个角度对被挤压坯料进行挤压，可节省因重复装料而导致的对被挤压坯料进行校正和打磨的工作，能够大大降低人工劳动强度、节省成本和提高制备效率，相比于传统需要重复装料的模具，其可节约超过75％的时间。

附图说明

图1为等通道挤压模具的立体结构示意图。

图2为等通道挤压模具的分解结构示意图。

图3为等通道挤压模具的主视结构示意图。

图4为图3中A—A剖视结构示意图。

图5为应用实施例1中试样的初始金相图。

图6为应用实施例1中试样挤压完成后的金相图。

图7为应用实施例2中试样的初始金相图。

图8为应用实施例2中试样挤压完成后的金相图。

图例说明：

1、挤压凹模；11、挤压通道；12、正六面体型腔；2、基座；21、定位沉孔；3、冲头；4、试样。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

如图1至图4所示，本实施例的制备超细晶块体材料的等通道挤压模具，包括挤压凹模1和基座2，挤压凹模1设有自外表面向内部延伸的六个挤压通道11，六个挤压通道11相交形成一正六面体型腔12(图中未示)，也即六个挤压通道11分别对应自正六面体型腔12的六个面延伸至挤压凹模1的外表面，各挤压通道11内滑设有一个冲头3，基座2设有用于对挤压凹模1定位多位置定位机构，该多位置定位机构能使任意一对分设于正六面体型腔12相对两侧的挤压通道11按照设定形式布置，也即能够改变挤压凹模1定位在多位置定位机构上的角度，从而可选择的使任意一对分设于正六面体型腔12相对两侧的挤压通道11按照设定形式布置，该设定形式布置是：该对挤压通道11中有一个挤压通道11内的冲头3被多位置定位机构阻止向外滑动，该对挤压通道11中另一个挤压通道11处于能被外部挤压件伸入对冲头3进行挤压的角度。这样，可采用挤压设备从该对挤压通道11的布置方向对被挤压坯料进行挤压。该等通道挤压模具使用时，将基座2安装在挤压设备上，通过改变挤压凹模1定位在多位置定位机构上的角度，可使任意一对挤压通道11布置成适合被挤压设备进行挤压的角度，从而在挤压过程中不需要将被挤压坯料从挤压凹模1内取出，只需利用多位置定位机构改变挤压凹模1上各挤压通道11的角度，即可从多个角度对被挤压坯料进行挤压，可节省因重复装料而导致的对坯料进行校正和打磨的工作，能够大大降低人工劳动强度、节省成本和提高制备效率，相比于传统需要重复装料的模具，其可节约超过75％的时间。该等通道挤压模具可使被挤压坯料在挤压凹模1中心一直被各个冲头3挤压，使得晶粒细化变得更加均匀，可提高成品质量。

本实施例中，多位置定位机构还具有在使一对挤压通道11按照设定形式布置时阻止其余两对挤压通道11内的冲头3向外滑动的阻挡面。利用阻挡面使其余两对挤压通道11内的冲头3无法向外滑动，可保证正六面体型腔12除挤压方向以外的四个面保持位置稳定。

本实施例中，挤压凹模1呈正六面体型，六个挤压通道11分别对应位于正六面体型挤压凹模1的六个侧面上，多位置定位机构为设于基座2上的定位沉孔21，定位沉孔21的形状和尺寸与正六面体型挤压凹模1的侧面一致。正六面体型挤压凹模1能以任意一个侧面为前端面插入定位沉孔21中形成定位，插入定位后该前端面上的挤压通道11以及与该前端面相对的正六面体型挤压凹模1的侧面上的挤压通道11作为一对相对的挤压通道11，且该前端面上的挤压通道11内的冲头3被定位沉孔21的底面阻挡，与该前端面相对的正六面体型挤压凹模1的侧面上的挤压通道11不被基座2的任何部位遮挡。该多位置定位机构采用简单的正六面体型结构和定位沉孔21的形式，具有结构简单、成本低、操作方便、定位稳定可靠性好的优点。

本实施例中，六个挤压通道11分别对应设于正六面体型挤压凹模1的六个侧面的中心位置，定位沉孔21的深度小于正六面体型挤压凹模1的一倍边长且大于正六面体型挤压凹模1的二分之一倍边长。在正六面体型挤压凹模1插入定位沉孔21后，正六面体型挤压凹模1四个侧面上的挤压通道11都至少有部分位于定位沉孔21中，此时定位沉孔21的四个侧壁正好作为阻挡面，分别阻止四个挤压通道11内的冲头3向外滑动。这样设置是的定位沉孔21的侧壁即为多位置定位机构的阻挡面，而不需要另外在单独设置阻挡部件，能够进一步提高结构简单紧凑性和降低成本。

本实施例中，正六面体型挤压凹模1的边长为L1，正六面体型腔12的边长为L2，定位沉孔21的深度为(L1+L2)/2。正六面体型挤压凹模1插入定位沉孔21后，正六面体型挤压凹模1四个侧面上的挤压通道11刚好被定位沉孔21的侧壁完全阻挡，也即被定位沉孔21的侧壁与挤压通道11内的冲头3的整个端面接触并形成阻挡，可提高阻止冲头3向外滑动的稳定可靠性，同时又保证了正六面体型挤压凹模1有更多部位的位于定位沉孔21外部，便于取放正六面体型挤压凹模1。

本实施例中，冲头3的长度等于正六面体型挤压凹模1边长长度减去正六面体型腔12边长长度的差值的一半。也即冲头3的一端与正六面体型腔12的侧面平齐时，另一端与正六面体型挤压凹模1的侧面平齐，在保证冲头3稳定可靠的维持正六面体型腔12的侧面的情况下，只需设置一与正六面体型挤压凹模1侧面平齐的阻挡面就可阻止冲头3向外滑动，可降低阻挡面的复杂程度和设置难度。

本实施例中，定位沉孔21的侧壁上设有凹槽，凹槽与放入定位沉孔21的挤压凹模1之间形成一个避让空间。该避让空间可供人工或者工具伸入，便于轻松取放挤压凹模1。

本实施例中，挤压凹模1和基座2均采用3Cr2W8V模具钢制造。

优选的，本实施例的等通道挤压模具中，正六面体型挤压凹模1的外形尺寸为40mm×40mm×40mm，通过线切割在三个对面中心分别加工出相互垂直并相交的腔模通槽，从而形成六个挤压通道11，挤压通道11的横截面尺寸为10mm×10mm，被挤压胚料的尺寸为10mm×10mm×8mm，冲头3的横截面尺寸为10mm×10mm，长度为15mm，基座2的尺寸为50mm×50mm×30mm，定位沉孔21的尺寸为40mm×40mm×25mm。

采用本实施例的等通道挤压模具制备超细晶块体材料的方法，包括以下步骤，

(A)在挤压凹模1的任意五个挤压通道11中放入冲头3，通过多位置定位机构将挤压凹模1定位在基座2上，使未放入冲头3的挤压通道11处于能被外部挤压件伸入以对冲头3进行挤压的角度；将试样4(被挤压坯料)从未放入冲头3的挤压通道11放入正六面体型腔12内，然后在未放入冲头3的挤压通道11中放入冲头3；将基座2安装固定到挤压设备上，使最后放入冲头3的挤压通道11竖直布置；试样4呈六面体型，其两个面与冲头3的横截面(也即正六面体型腔12的侧面形状)的形状尺寸相同，其余四个面的尺寸小于冲头3的横截面尺寸；

(B)采用挤压设备沿由上至下的方向对竖直布置的挤压通道11内的冲头3进行挤压；

(C)通过多位置定位机构改变挤压凹模1的定位角度，使另一个挤压通道11竖直布置，采用挤压设备沿由上至下的方向对该竖直布置的挤压通道11内的冲头3进行挤压；

(D)重复步骤(C)，直至所有挤压通道11内的冲头3被挤压设备逐个进行挤压。

本实施例中，步骤(A)中，在冲头3放入挤压通道11前先采用润滑剂对挤压通道11进行润滑，可以降低摩擦阻力，减缓冲头3和正六面体型挤压凹模1的磨损；在试样4放入正六面体型腔12前先采用润滑剂对试样4进行润滑，减缓挤压过程中试样4金属流动的不均匀性，减小裂纹产生的可能性。

该方法具有步骤简单、操作方便、效率高的优点。

本实施例中，在所有挤压通道11内的冲头3被挤压设备逐个进行挤压后，重复步骤(C)使至少一个挤压通道11内的冲头3被挤压设备挤压两次以上。从理论上讲，可以进行无限次挤压，从而获得无限大的应变，直至获得均匀、细小的晶粒，制备出超细晶块体材料。因此，该等通道挤压模具可实现在不打开模具的情况下进行连续化生产。

应用实施例1：

采用实施例1中的等通道挤压模具及方法制备镁合金超细晶块体材料，其中，挤压设备采用J23-63T冲压设备，正六面体型挤压凹模1的外形尺寸为50mm×50mm×50mm，各挤压通道11的横截面尺寸为10mm×10mm。试样4(挤压坯料)为常温下的AM80镁合金，试样4的尺寸为10mm×10mm×8mm。在步骤(A)中，试样4放入正六面体型腔12后，试样4的一个10mm×8mm的面正对最后放入的冲头3。有限元分析确定挤压凹模1最优温度为327℃，挤压速度7mm/s，按照实施例1的方法，对六个挤压通道11内的冲头3每个挤压一次。图5所示为试样4的初始金相图，图6中(a)～(f)图所示为试样4每道次挤压完成后的金相图。可以看出，挤压两道次时，晶粒仍呈等轴状(参见图6中a图和b图)，随着挤压道次的增加，先是产生了部分形变孪晶(参见图6中c图)，接着个别孪晶轻微扭曲(参见图6中d图)，然后大部分孪晶相互交割(参见图6中e图)，最终少量晶粒内出现了许多细小的动态再结晶晶粒，晶粒尺寸约为6μm(参见图6中f图)，此时的镁合金的强度增加，但是塑性提高不明显。

应用实施例2：

采用实施例1中的等通道挤压模具及方法制备镁合金超细晶块体材料，其中，挤压设备采用J23-63T冲压设备，试样4(挤压坯料)为在410℃下保温6h的AM80镁合金，试样4的尺寸为10mm×10mm×8mm。在步骤(A)中，试样4放入正六面体型腔12后，试样4的一个10mm×8mm的面正对最后放入的冲头3。有限元分析确定模具最优温度为428℃，挤压速度9mm/s，按照实施例1的方法，对六个挤压通道11内的冲头3每个挤压一次。图7所示为试样4的初始金相图，图8中(a)～(f)图所示为试样4每道次挤压完成后的金相图。可以看出，挤压一道次后，晶粒呈等轴状(参见图8中a图)，下一道次出现少量孪晶(参见图8中b图)，随着挤压道次的增加，先是产生部分轻微扭曲的形变孪晶(参见图8中c图)，接着大部分孪晶相互交割(参见图8中d图)，然后晶粒内出现了许多细小的动态再结晶晶粒，再结晶体积分数已达60％(参见图8中e图)，最终形变孪晶均已转化成细小的动态再结晶晶粒，再结晶体积分数达100％，晶粒尺寸约为3μm(参见图8中f图)，此时的镁合金的强度和塑性得到了显著提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。