难变形金属块材室温等径弯曲通道变形制备方法

摘要

本发明公开了一种难变形金属块材室温等径弯曲通道变形制备方法，该方法选用不同牌号工业纯钛热轧板材作为原料，退火后，将工业纯钛热轧板材切割成坯料，然后对坯料进行表面光洁处理，再给坯料和通道夹角为Φ＝90°～110°，外圆角为Ψ＝10°～45°的模具型腔内表面涂敷二硫化钼与石墨组成的复合润滑剂，最后在室温下进行ECAP变形。本发明可提高纯钛的室温强度及其综合的力学性能；在制备过程中，可利用较少的变形道次产生显著细化效果，从而利用较少的道次就可得到高强度的工业纯钛，降低纯钛的处理成本，提高其成材率。

说明书

技术领域

本发明涉及用等径弯曲通道变形(Equal Channel Angular Pressing，简称ECAP)在室温制备高强度难变形金属块材的方法。

背景技术

组织细化是提高金属强度及综合力学性能的最有效途径。当材料晶粒细化到纳米晶尺度时，不但综合机械性能会得到改善，而且物理化学特性也会发生重大变化。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纳米和高强度材料的最有前途的方法。等径弯曲通道变形是一种可直接获得块状亚微米晶或纳米晶材料的剧烈塑性变形方法。目前，许多具备良好室温加工性的立方结构纯金属及其合金(如Al、Cu、Ni、碳钢等)，在室温已成功实现多道次ECAP变形，获得高强度组织。而具有较少滑移系的难变形金属(如：密排六方结构金属)在室温ECAP变形时，试样往往断裂而不能成功实现ECAP变形。

经过对现有技术文献检索发现，S.L.Semiatin，V.M.Segal，R.E.Goforth等曾在《Metallurgicals and Materials Transactions》(30A(1999)1425-1435)上发表了一篇题为“Workability of Commerical-Purity Titanium and 4340 Steelduring Equal Channel Angular Extrusion at Cold-Working Temperatures”的论文，该文对具有密排六方结构的纯钛和4340钢等难变形金属进行了ECAP变形。在文献中所采用的模具通道夹角Ф＝90°，润滑剂是石墨基润滑剂，分别在25℃～325℃的温度下、采用0.0025^-1～2S^-1的应变速率对纯钛进行了ECAP变形，结果在室温(25℃)采用0.002S^-1～2S^-1间的任意一种应变速率进行ECAP变形都未能成功获得表面光滑的工业纯钛试样，所有变形试样在变形过程后皆被剪切为碎块；而该文作者在其它温度(125℃～325℃)尝试对纯钛进行ECAP变形，由于挤压温度、应变速率、润滑条件不适当等因素的影响，经ECAP变形后的纯钛也出现了不同程度的断裂，因而未能得到表面光滑的工业纯钛细晶材料。

在此之后，俄罗斯的Vladimir V.Stolyarov、美国的Yuntian T.Zhu等人在200℃～500℃对工业纯钛实施了ECAP变形，最终获得了表面光滑的块状细晶材料。由上海交通大学提出的中国专利申请(申请号为：200510029663.7，申请日：2005年9月15日，公开日：2006年3月15日)，发明名称为：微/纳米晶工业纯钛块材等径弯角挤压制备方法，该发明用等径弯角挤压制备工业纯钛块材，但其是在400℃～500℃对工业纯钛实施了ECAP变形的。用高温进行等径弯角挤压制备工业纯钛块材，尽管最终获得了表面光滑的块状细晶材料，但是由于采用高温ECAP变形时，将会产生回复和再结晶现象，影响晶粒细化效果，要达到所需强度，则必须进行更多道次的变形；且高温ECAP变形，所需制备设备相对比较复杂，操作亦相对比较复杂。

由西安建筑科技大学提出的中国专利申请(申请号：200810017288.8，申请日：2008年1月14日，公开日：2008年7月16日)，发明名称为：高强度工业纯钛块材室温等径弯曲通道变形制备方法，该发明在室温下采用通道夹角为100°～135°的模具，实现了工业纯钛块材的ECAP变形，但其需在两相邻道次进行退火。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种难变形金属块材室温等径弯曲通道变形制备方法，该方法在室温下对难变形(室温ECAP变形塑性差)材料采用90°～110°模具、且不进行中间退火操作的等径弯曲通道变形技术，获得了高强度金属块材。由于在室温下采用较小通道夹角模具进行ECAP变形，故可提高晶粒细化效果；在进行多道次变形时，不需进行中间退火操作，从而简化制备过程。且该方法使用设备简单，操作方便。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术方案：

一种难变形金属块材室温等径弯曲通道变形制备方法，其特征在于，它包括如下步骤：

①选用工业纯钛热轧板材做为原料，热轧板材需进行退火；

②将退火后的工业纯钛热轧板材切割成坯料，并对其表面进行打磨处理；

③在坯料表面涂敷润滑剂；

④在等径弯曲通道变形模具型腔内涂敷润滑剂；

⑤将表面涂敷润滑剂的坯料放入涂敷好润滑剂的等径弯曲通道变形模具通道内，然后在压力机或挤压机上对坯料进行室温等径弯曲通道变形挤压变形；

⑥挤压完成后，重复以上第③～⑤步，经2～8次B_C方式的等径弯曲通道挤压变形后，即可获得表面光滑的高强度工业纯钛。

上述步骤③和步骤④采用的润滑剂是二硫化钼与石墨组成的复合润滑剂，其组成为：MoS₂：10～20％；石墨：80～90％。

步骤①中，工业纯钛块材在650℃～750℃退火，保温1～2小时。

步骤②中，工业纯钛块材切割成方形断面坯料，坯料断面尺寸为15mm×15mm～50mm×50mm，长度尺寸为60mm～300mm，头部切成20°～60°弧状楔角，弧形半径按照模具通道夹角、加工材料难变形系数和坯料尺寸确定；表面进行打磨处理，表面加工粗糙度Ra≤3.2μm。

所述等径弯曲通道变形采用的模具通道夹角为Ф＝90°～110°，外圆角Ψ＝10°～45°；

步骤③和步骤④中坯料表面和模具型腔涂敷二硫化钼与石墨复合润滑剂是将二硫化钼和石墨粉混合均匀后，加入油性溶剂，调成糊状后涂敷的。

步骤③中将润滑剂涂敷到坯料表面的涂层厚度为0.05～0.1mm。

步骤④中在模具型腔内表面涂敷的润滑剂要均匀，涂层厚度为0.05mm～0.1mm。

和现有的技术相比，本发明的难变形金属块材室温等径弯曲通道变形制备方法带来如下的技术效果：

1.在室温下，通过多次ECAP变形，获得表面光滑的高强度工业纯钛块材；

2.在室温下进行ECAP变形，使用的工模具及设备简单，操作简便；

3.在室温下采用通道夹角为90°～110°，可使单道次ECAP变形程度增加，提高细化效率；

4.在室温下进行ECAP变形，晶粒在细化时不产生回复和再结晶软化现象，从而可使晶粒细化效果明显，只需很少道次就可获得高强度工业纯；

5.在室温下进行多次ECAP变形时，不采用中间退火，简化了工艺流程，提高了效率，节约了能源。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，同时将实施测试结果与俄罗斯的Vladimir V.Stolyarov等人的实验结果进行比较。

按照本发明的技术方案，本发明的难变形金属块材室温等径弯曲通道变形制备方法，包括如下步骤：

①选用室温难变形材料——工业纯钛TA1、TA2热轧板材做为原料，热轧板材要进行退火；

②将退火后的工业纯钛TA1、TA2热轧板材切割成坯料，头部切割成一定楔角，并对其表面进行打磨处理；

③在坯料表面涂敷润滑剂；

④在等径弯曲通道变形模具型腔内涂敷润滑剂；

⑤将表面涂敷润滑剂的坯料放入涂敷好润滑剂的等径弯曲通道变形模具通道内，然后在压力机或挤压机上对坯料进行室温等径弯曲通道变形挤压变形，从而在室温实现难变形金属(工业纯钛，密排六方结构)的ECAP变形；

⑥挤压完成后，重复以上第②～⑥步，经2～8次B_C方式的等径弯曲通道挤压变形后，即可获得表面光滑的高强度工业纯钛；

上述步骤③和步骤④采用的润滑剂是二硫化钼与石墨组成的复合润滑剂，其组成为：MoS₂：10～20％；石墨：80～90％。

在步骤①中，工业纯钛块材在650℃～750℃退火，保温1～2小时。

在步骤②中，工业纯钛块材切割成方形断面坯料，坯料断面尺寸为5mm×5mm～60mm×60mm，长度尺寸为60mm～300mm；表面进行打磨处理，表面加工粗糙度Ra≤3.2μm。

上述等径弯曲通道变形采用的模具通道夹角为Ф＝90°～110°，外圆角Ψ＝10°～45°。

在步骤③和步骤④中，坯料表面和模具型腔涂敷二硫化钼与石墨复合润滑剂是将石墨粉加入有机溶剂，调成糊状后涂敷。

在步骤③中，将润滑剂涂敷到坯料表面的涂层厚度为0.05～0.1mm。

在步骤④中在模具型腔内表面涂敷的润滑剂要均匀，涂层厚度为0.05mm～0.1mm。

本发明得以实现的理论解释是：

采用等径弯曲通道变形挤压工艺在室温下制备高强度难变形材料(以工业纯钛为例)，其特点是设备及制备工艺简单。挤压时采用二硫化钼与石墨复合润滑剂对变形试样和变形模具型腔进行处理，可有效控制变形时的摩擦，改善变形试样内的应力分布状况。在进行ECAP变形时，通过改变坯料头部的形状，以控制各部分金属的流动速度均匀性，可有效改善在ECAP变形时因各部分金属流动不均而产生的附加内应力的分布，从而保证变形试样在ECAP变形过程中不被挤裂，并最终获得表面光滑的块状高强度的工业纯钛试样。二硫化钼与石墨复合润滑剂的使用和控制各部分金属流动速度的措施有效地保障了ECAP变形工艺的顺利进行，同时有效地保证强化效率，使得在较少的挤压道次下，获得高强度的表面光滑的工业纯钛试样。

以下是发明人给出的具体实施例，需要说明的是，这些实施例是一些较优的实例，主要用于进一步理解本发明，本发明不限于这些实施例，经申请人的实验证明，选用不同牌号工业纯钛热轧板材作为原料，按照本发明的方法均能够在室温下进行ECAP变形，获得高强度的表面光滑的工业纯钛试样。

实施例1：

本实施例采用工业纯钛(TA2)热轧板材做为原料，将热轧板材在700℃退火，保温1小时，采用电火花线切割机将退火后的工业纯钛TA2热轧板切割成断面尺寸为15mm×15mm，长度为70mm坯料，以半径为23.3mm加工头部楔形，并对其表面进行打磨处理，要求加工粗糙度Ra≤3.2μm。然后在坯料表面和通道夹角Ф＝110°，外圆角Ψ＝20°的ECAP变形模具的模具型腔(变形通道)内表面均匀涂敷二硫化钼与石墨复合润滑剂(10％二硫化钼和90％石墨)，将二硫化钼和石墨粉混合均匀后，加入油性溶剂，调成糊状后涂敷到坯料表面和ECAP变形模具的模具型腔内。涂层厚度以0.05～0.1mm为宜。将表面涂敷润滑剂的坯料放入涂敷好润滑剂的ECAP变形模具通道内。在挤压机上以1mm/s的速度进行室温ECAP挤压变形。获得表面光滑的高强度工业纯钛，晶粒平均尺寸由初始的28μm可细化为0.5μm以下，抗拉强度由初始的475MPa提高到760MPa。

实施例2：

本实施例采用工业纯钛(TA1)热轧板材做为原料，将热轧板材在700℃退火，保温1小时，采用电火花线切割机将退火后的工业纯钛TA1热轧板切割成断面尺寸为15mm×15mm，长度为70mm坯料，以半径为25.5mm加工头部楔形，并对其表面进行打磨处理，要求加工粗糙度Ra≤3.2μm。然后在坯料表面和通道夹角Ф＝110°，外圆角Ψ＝20°的ECAP变形模具的模具型腔(变形通道)内表面均匀涂敷二硫化钼与石墨复合润滑剂(10％二硫化钼和90％石墨)，将二硫化钼和石墨粉混合均匀后，加入油性溶剂，调成糊状后涂敷到坯料表面和ECAP变形模具的模具型腔内。涂层厚度以0.05～0.1mm为宜。将表面涂敷润滑剂的坯料放入涂敷好润滑剂的ECAP变形模具通道内。在挤压机上以2mm/s的速度进行室温ECAP挤压变形。变形完成后，对试样进行表面处理，并涂敷润滑剂，同时将变形试样沿其纵向对称轴逆时针旋转90°，并放入已涂敷好润滑油的ECAP变形模具中，对工业纯钛进行B_C方式的下一道次ECAP变形，通过8道次挤压后，获得表面光滑的高强度工业纯钛，晶粒平均尺寸由初始的23μm可细化为0.25μm以下，抗拉强度由初始的407MPa提高到801MPa。

实施例3：

本实施例采用工业纯钛(TA1)热轧板材做为原料，将热轧板材在700℃退火，保温1小时，采用电火花线切割机将退火后的工业纯钛TA1热轧板切割成断面尺寸为25mm×25mm，长度为100mm坯料，以半径为28.9mm加工头部楔形，并对其表面进行打磨处理，要求加工粗糙度Ra≤3.2μm。然后在坯料表面和通道夹角Ф＝90°，外圆角Ψ＝20°的ECAP变形模具的模具型腔(变形通道)内表面均匀涂敷二硫化钼+石墨复合润滑剂(20％二硫化钼和80％石墨)，将二硫化钼和石墨粉混合均匀后，加入油性溶剂，调成糊状后涂敷到坯料表面和ECAP变形模具的模具型腔内。涂层厚度以0.05～0.1mm为宜。将表面涂敷润滑剂的坯料放入涂敷好润滑剂的ECAP变形模具通道内。在压力机上以26mm/s速度进行室温ECAP挤压变形。挤压完成后，对试样进行表面处理，并涂敷润滑剂，同时将变形试样沿其纵向对称轴逆时针旋转90°，并放入已涂敷好润滑油的ECAP变形模具中，对工业纯钛进行B_C方式的下一道次ECAP变形，在ECAP变形2道次后，获得表面光滑的高强度工业纯钛，晶粒平均尺寸由初始的23μm可细化为0.4μm以下，抗拉强度由初始的407MPa提高到738MPa。

实例比较分析：

本实施例2的ECAP变形一道次的平均真应变量为～0.635，经8道次ECAP变形后，累积变形达到～5.08。获得的高强度工业纯钛晶粒平均尺寸由初始的23μm细化到0.25μm以下。而实施例3的ECAP变形一道次的平均真应变量为～1.05，经2道次ECAP变形后，累积应变达到～2.1。获得的高强度工业纯钛抗拉强度由初始的407MPa提高到738MPa。从而使工业纯钛在常温下的强度及综合性能得到改善。

俄罗斯学者Vladimir V.Stolyarov和美国学者Yuntian T.Zhu在450℃～350℃采用通道夹角Ф＝90°的ECAP变形模具对工业纯钛进行ECAP变形，最终获得了高强度工业纯钛。本发明所得高强度工业纯钛性能与其对比结果如表1所示。

表1：本发明获得与俄罗斯学者实验及结果比较

注：V V Stolyarov，Y T Zhu，I V Alexandrov，et al.Materials Seience and Engineering，2001，A299：59-67。

本发明所采用B_C方式是指：两次挤压道次之间试样绕纵轴沿同一方向转动90°进行下一道次挤压。