连续变断面循环挤压制备细晶材料的方法及装置

摘要

本发明公开了一种连续变断面往复挤压制备细晶材料的方法，该方法通过对置于圆柱体模腔中的材料挤压，进入另一个圆台体模腔成为圆台体；然后将圆柱体模和圆台体模组合的模翻转180℃，继续挤压；重复上述步骤直至制备出符合要求的细晶材料。使用该方法能制备出工程应用的大体积细晶材料，该方法制备效率高，且质量好。本发明还公开了实现该方法的装置，它包括组合在一起的上下两个模具(1、2)，上模(1)模腔为直径一致的通孔，下模(2)模腔为圆台状通孔，工作时挤压杆(4)、顶出杆(6)置于上模(1)、下模(2)模腔内。

说明书

技术领域

本发明涉及金属塑性加工领域的一种大变形制备细晶材料方法，特别涉及通过连续变断面循环挤压制备细晶材料的方法；本发明还涉及实现该方法的装置。

背景技术

大塑性变形技术具有强烈的晶粒细化能力，可以直接将材料内部组织细化到亚微米乃至纳米级，已被材料科学界公认为是制备块体纳米和超细晶材料的最有前途的方法。

目前受到材料科学界广泛关注的大变形方法主要有国外学者研究提出的等通道转角挤压(ECAE)、高压扭转(HPT)、循环挤压(CEC)、大比率挤压(挤压比100以上)等，已在实验室研究制备细晶材料中广泛采用。在工业生产中采用锻造的方法，使材料反复镦粗一拔长也能起到细化晶粒的作用。

上述大变形方法仍存在不同的问题，需要加以研究克服。如发展最迅猛的等通道转角挤压，制备的材料存在着织构倾向，试样尺寸还很小等。大挤压比方法需要的设备能力大，且使挤压前后的材料形状显著发生改变，使工业应用受到限制。

工业上应用的反复镦粗一拔长法，由于采用锻造，工艺上较复杂，大变形效率低，反复锻造使材料表层质量受到影响，锻坯需车削加工表层，工序多，几何损失大。循环挤压被认为有商业前途，在一次挤压变形后需在模腔墩粗，再进行二次挤压，依次往复循环。这种方法若挤压比小，材料内外层组织不均匀(合理的挤压比应大于10)。挤压比增大，已变形材料表面之间需要通过镦粗焊合，也难以适应各类材料。事实上，对循环挤压研究较为深入的J·Rictlet等，在实验中也是采用纯度分别为99.5％、99.992％，及99.999％的铝进行的。铝由于在外力作用下焊合能力强，目前在工业上广泛用分流组合模，通过密闭的模具焊合腔实现，但也主要选择纯铝和软铝合金。

另外，循环挤压后在模腔中墩粗时，内部有可能形成含有空气的密闭空间，会在挤压制品中出现“气泡”或“起皮”缺陷。挤压比越大，循环次数越多，这些缺陷产生的可能性愈大，恶化材质的可能性也越大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种连续变断面循环挤压制备细晶材料的方法，使用该方法能制备出工程应用的大体积细晶材料，该方法制备效率高，且质量好。

为解决上述技术问题，本发明包括以下步骤：

①、将挤压杆(4)下行加压对预先置于上模(1)模腔中的圆柱体材料(3)挤压，在压力作用下，材料(3)进入下模(2)成型为圆台体；

②、将模(1)与模(2)组合的模翻转180℃，用顶杆(6)将圆台体材料(3)从下模(2)顶入上模(1)模腔中，再移走下模(2)；

③、将上模(1)置于工作台(5)上，由挤压杆(4)对圆台体材料(3)压缩变形，直至成圆柱体，

④、将下模(2)与上模(1)组合，以上动作反复循环。

实现本发明方法的装置是：它包括上下两个模具(1、2)，上模(1)模腔为直径一致的通孔，下模(2)模腔为圆台状通孔，挤压杆(4)、置于上模(1)模腔内，顶出杆(6)置于下模(2)模腔内。

本发明连续变断面循环挤压制备细晶材料的方法其原理是：用组合在一起的上下两个模具，上模模腔内径一致，下模模腔为一圆台状，小直径一端置于工作台面上，将圆柱体材料经过上模模腔，用挤压杆加力挤压进入下模模腔，材料变形后成一个圆台体，材料从前端向后端变形量逐渐减小，然后翻转180℃，用顶杆从下模端头将圆台体材料压入上模，移去下模。挤压杆加力从圆台体材料小直径端开始镦粗。由于圆台体直径由上至下逐渐增大，各断面单位压力不同，小直径端单位压力大先变形，材料沿高向依次被压缩变形。挤压杆与材料接触面的增大，由材料顶点依次连续沿径向滑动和侧面质点翻平构成。圆台体仍然从上底至下底变形量逐渐减小，墩粗成圆柱体后再与下模组合，重复下一次动作，由于第二次挤压时转换了方向，也就使材料整体上变形量趋于一致。圆台体的挤压和墩粗，横断面变化和高向变形是连续且依次进行的，故称为连续变断面挤压。原则上讲，这一过程可以无限次进行下去，从而可以获得无限大的应变和细小均匀的等轴晶粒。

本发明技术方法使用的工具包含组合在一起的上下两个模具，上模1模腔为直径一致的通孔，下模2模腔为圆台状通孔、挤压杆4，顶出杆6。

本发明的有益效果是：

1.通过多次挤压变形，为制备块体细晶材料提出了一种新方法；

2.连续变断面(圆台体)挤压变形可以实现材料依次沿高向变形和沿径向流动，使模腔内空气易于排出，也支服了圆柱体镦粗时为防止出现双鼓形，对锭坯高度的限制，防止了制品表层出现的缺陷。

3.连续变断面(圆台体)挤压变形时，通常表层材料仍在表层，不会像锻造存在表面脏物有压入材料内部的危险。

4.连续变断面(圆台体)挤压变形时，不存在材料表面大面积反复焊合问题，材料内部质量不受变形次数的影响。

5.连续变断面(圆台体)挤压变形法原则上可对多种材料实施热、冷变形，而循环挤压需要焊合时只能热挤。

6.工具制备和技术操作简单易行。

附图说明

图1为本发明将材料从圆柱体挤压变形成圆台体示意图；

图2为本发明圆台体材料反向顶出示意图；

图3为本发明对圆台体高向压缩变形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和对本发明进一步做详细说明，参见图1，图2，图3。其操作过程采用以下步骤。

参见图1，首先将上模1与下模2组合置于工作台5上，挤压杆4下行加压对预先置于上模1模腔中的圆柱体材料3挤压，在压力作用下，材料4进入下模2成型为圆台体。

第二步(参见图2)组合模翻转180℃，置于工作台5上，用顶杆6将圆台体从下模2顶入上模1模腔中，再移走下模2。

第三步(参见图3)，将上模1置于工作台5上，由挤压杆4对圆台体压缩变形，直至成圆柱体，再将下模2与上模1组合，重复图1所示动作。

以上动作反复循环，就可以使材料获得大变形，制备出块体细晶材料坯料，再经过深加工，制成所需要尺寸的产品。

模具尺寸和材料形状尺寸按以下原则设计，首先根据工艺需要确定变形圆台体尺寸，依材料塑性、状态确定。材料塑性好，若在热态变形，圆台体高度、锥度大一些，可获得较大变形。反之亦然。

圆台体材料形状尺寸确定后，就可以算出其体积V_圆台。将组合模下模2模腔尺寸加工成与圆台体材料尺寸一致。组合模上模1圆孔内径与圆台体3下底(直径较大的一端)直径一致。这样就可以由圆台体3体积计算出圆柱体高度。在此基础上，使上模1模腔高度再增加30mm，以利于挤压杆3正确导入，加工上模1。挤压杆3的直径取比上模1内径小0.5～1mm，顶出杆直径比圆台体上底(直径较小的一端)直径小1mm。

实施例：

挤压材料为变形镁合金AZ31，在300℃时塑性良好。确定材料圆台体尺寸为下底半径R8mm，上底半径γ4mm，圆台体高度h为32mm，由此也就确定了下模2模腔尺寸。由公式

计算得到

V_圆台＝3,751mm³

由V_圆台体积计算圆柱体体积V_圆柱，已确定圆柱体直径与圆台体下底直径相同，即半径R_圆柱也为8mm。这样，由V_圆柱＝πR²_圆柱·H_圆柱＝3,751mm³，计算得H_圆柱＝18.7mm，上模1高度也就是膜腔高变H_圆柱随之确定。H_上模＝18.7mm+30mm=48.7mm

按前述步骤挤压，就能制备出需要的细晶材料。为降低挤压力和便于反向顶出圆台体材料，在模腔与材料间实施润滑是有效的。

实例比较分析：

本发明在设定条件下一个循环的平均真应变量为1.0，循环5次，累积应变量可达到5.0。晶粒平均尺寸由20μm细化到5μm，从而使镁合金在常温下的塑性变形能力大大改善。

国外学者M.Richert等挤压AlMg₅合金，每一循环的应变量为0.42，经过36次循环，累积应变量达15.2时，晶粒从0.8mm细化到200nm。

Jien-wei yeh等挤压Al-12％si合金，挤压比10∶1，循环6次，累积应变量为27，每一循环应变量为4.5，晶粒尺寸可以细化到2-7μm。

国内学者李小强等挤压2024铝合金，每一循环应变量为0.892，循环10次，累积应变量8.92，晶粒度由4μm细化到200nm。

挤压时其他实验者均采用铝合金，M·RicRer和李小强实验挤压比小，每次应变量分别为0.892和0.42。

Jien-wei yeh的实验采用大挤压比，应变量大，但存在产生内部缺陷的危险。

等通道转角挤压每通次真应变约为1.0，本发明实施例中挤压一个循环的真应变也为1.0，但前者应变是恒定的，而后者可变化，并能制备工程应用大体积材料。

另外，其它实验者主要考察晶粒细化程度，应变量与晶粒细化程度相关。本发明与工程应用相近，易于向工程实际转化。