连续变截面直接挤压制备细晶材料的装置及方法

摘要

连续变截面直接挤压制备细晶材料的装置及方法，它涉及一种制备细晶材料的装置及方法。本发明解决了目前细晶材料制备方法中存在的工序繁多、工艺要求高、织构倾向显著，加工制备时易产生褶皱和材料界面叠合缺陷及难于在生产中实施的问题。本发明的制备装置的一级过渡模的型腔、二级过渡模的型腔和芯模的型腔组合形成连续变截面的轴向波纹形挤压模型腔；本发明的制备方法步骤：组装制备装置；将坯料置于凹模内，放入冲头，将芯模挤出端的模口封闭，冲头下行，坯料从一级过渡模的模口以及二级过渡模的模口挤出，冲头继续下行，坯料墩粗变形；移除封闭物，冲头继续下行，坯料挤出成型。本发明所需设备简单、生产工序少，易于在生产中实施和推广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备细晶材料的装置及方法，具体涉及一种连续变截面直接挤压制备细晶材料的装置及方法，属于材料塑性加工技术领域。

背景技术

结构轻量化是构件主要的发展趋势之一。实现结构轻量化的途径主要有两种：一是结构途径，采用“以空代实”的变截面构件，不仅减轻质量又可充分利用材料的自身特性；二是材料途径，采用镁合金、铝合金、钛合金等轻质金属结构材料。对于某些领域中特定的轻体构件而言，不可能完全通过结构途径来实现结构轻量化，而采用高性能的轻质结构材料成为结构轻量化的首要途径。对轻质金属结构材料而言，其综合强度和使用性能难以满足部分承力构件的较高要求，这就在一定程度上限制了轻质金属结构材料的使用。如通过有效方法使轻质结构材料晶粒变得细小，室温强度则会显著提高，韧性也随之增大，所以，细化晶粒是提高轻质金属结构材料整体性能最基本、最有效的方法之一，同时，对提高轻质金属结构材料塑性成形性能及变形均匀性具有重要的现实意义。

随着学者及专家们的不断深入，易于实现晶粒细化的工艺技术不断涌现并得到应用。主要方法有：一是材料制备方法，采用变质处理、快速凝固、粉末冶金、喷射沉积等方法均可制备细晶合金，但均要严格的控制工艺条件及繁琐工序，且多需后续处理步骤来最终实现，因此，效率较低。二是采用塑性加工方法，如等通道转角挤压法(ECAP)制备的材料存在明显的织构倾向，导致其性能在轴向和径向呈现各向异性；往复挤压法(CEC)挤压试样在较大的细长比下镦粗会形成褶皱和材料界面的叠合，对焊合性能不良的材料尤其会导致材质恶化；累积轧制法(ARB)表面处理及轧制工艺要求条件均较高，还会出现焊合不良、夹杂等缺陷。

基于以上所述，公开号为CN1827829A、公开日为2006年9月6日的发明专利申请提出了一种连续变断面循环挤压制备细晶材料的方法及装置，文中所述方法是通过挤压变形和镦粗变形交替多次进行而获得累积应变量使材料组织得到细化的，该方法所需工序不仅繁多，且工艺要求条件较高。

以上材料制备方法虽然均可在一定程度上细化材料内部的组织并提高其力学性能，但由于其工艺自身的特点，目前，多局限于实验室内使用，如何向工业化生产转型则需要对一些共性的基础问题继续深入探究。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续变截面直接挤压制备细晶材料的装置及方法，以解决目前细晶材料制备方法中存在的工序繁多、工艺要求高、织构倾向显著，加工制备时易产生褶皱和材料界面叠合缺陷及难于在生产中实施的问题。

本发明的连续变截面直接挤压制备细晶材料的装置由冲头、凹模、一级过渡模、二级过渡模和芯模组成，所述一级过渡模、二级过渡模和芯模由上至下依次安装在凹模的导向腔内，且一级过渡模、二级过渡模和芯模同轴设置，一级过渡模的型腔、二级过渡模的型腔和芯模的型腔组合形成连续变截面的轴向波纹形挤压模型腔，所述冲头置于一级过渡模的上方，且位于凹模内，冲头与凹模间隙配合。

本发明采用上述制备装置的连续变截面直接挤压制备细晶材料的方法步骤为：一、将芯模固定在工作台上；二、把凹模套装在芯模上并固定在工作台上；三、将二级过渡模和一级过渡模由下至上安装在凹模内，并置于芯模上；四、将需细化的坯料置于凹模内且位于一级过渡模上；五、将冲头下移至凹模内；六、将芯模挤出端的模口采用封闭物封闭；七、对冲头施加压力下行，坯料发生塑性变形并逐次从一级过渡模的模口以及二级过渡模的模口挤出；八、继续对冲头施加压力下行，坯料做受约束的墩粗变形，并完全填充封闭的连续变截面的轴向波纹形挤压模型腔；九、移除芯模挤出端的模口内的封闭物；十、继续对冲头施加压力下行，坯料从芯模挤出端的模口挤出成型，即制得所需细晶材料。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：一、本发明通过连续多次变截面挤压变形，实现了晶粒细化并最终直接成形出制品；二、连续变截面挤压成形时，坯料依次通过一级过渡模和二级过渡模后从芯模的模口直接挤出成形，坯料沿着轴线方向依次经过各变截面并发生不同程度的塑性变形，因此，晶粒细化更均匀，力学性能也更好；三、连续变截面直接挤压法原则上可根据晶粒细化的需要，任意增加二级过渡模的个数，而连续变截面循环挤压和往复挤压则需要反复多道次操作才可实现；四、连续变截面直接挤压法不仅可有效地细化材料晶粒大小，并可将其一次性直接挤压成形为所需制品，且特别适合于异型截面制品的加工成形；五、本发明所需设备简单、易于控制、生产工序少、周期短、成本低，易于在生产中实施、推广和应用。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式一的整体结构主视剖视示意图，图2是图1中的冲头下行，坯料完全填充封闭的连续变截面的轴向波纹形挤压模型腔后的整体结构主视剖视示意图，图3是本发明的具体实施方式二的整体结构主视剖视示意图，图4是图3中的冲头下行，坯料完全填充封闭的连续变截面的轴向波纹形挤压模型腔后的整体结构主视剖视示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的连续变截面直接挤压制备细晶材料的装置由冲头1、凹模2、一级过渡模4、二级过渡模5和芯模6组成，所述一级过渡模4、二级过渡模5和芯模6由上至下依次安装在凹模2的导向腔内，且一级过渡模4、二级过渡模5和芯模6同轴设置，一级过渡模4的型腔、二级过渡模5的型腔和芯模6的型腔组合形成连续变截面的轴向波纹形挤压模型腔，所述冲头1置于一级过渡模4的上方，且位于凹模2内，冲头1与凹模2间隙配合。

本实施方式中，针对具体材料实际需要细化的程度，使用不同个数的二级过渡模5来构建连续变截面的挤压模型腔，可通过一次挤压实现材料晶粒的高效细化，力学性能好，并可直接挤压成形出制品。

具体实施方式二：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于，一级过渡模4的型腔、二级过渡模5的型腔和芯模6的型腔组合形成连续变截面的轴向波纹形挤压模型腔由上至下逐渐向内收敛。

本实施方式中当金属材料的塑性和流动性均较差时，一级过渡模4的型腔、二级过渡模5的型腔和芯模6的型腔组合形成连续变截面的轴向波纹形挤压模型腔由上至下逐渐向内收敛的形式不仅可同样实现材料晶粒细化的目的，且提高了挤压过程中金属变形流动的均匀性，使缺陷产生的几率明显降低、挤压制品的晶粒细化效果及整体性能的提高更为显著，与实施方式一的实施效果相比，更适于低塑性金属材料的晶粒细化及加工成形之用。本实施方式同样适用于可通过塑性变形进行晶粒细化的各种金属材料的加工成形。

具体实施方式三：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式采用上述制备装置的连续变截面直接挤压制备细晶材料的方法步骤为：一、将芯模6固定在工作台7上；二、把凹模2套装在芯模6上并固定在工作台7上；三、将二级过渡模5和一级过渡模4由下至上安装在凹模2内，并置于芯模6上；四、将需细化的坯料3置于凹模2内且位于一级过渡模4上；五、将冲头1下移至凹模2内；六、将芯模6挤出端的模口6-1采用封闭物封闭；七、对冲头1施加压力下行，坯料3发生塑性变形并逐次从一级过渡模4的模口4-1以及二级过渡模5的模口5-1挤出；八、继续对冲头1施加压力下行，坯料3做受约束的墩粗变形，并完全填充封闭的连续变截面的轴向波纹形挤压模型腔；九、移除芯模6挤出端的模口6-1内的封闭物；十、继续对冲头1施加压力下行，坯料3从芯模6挤出端的模口6-1挤出成型，即制得所需细晶材料。

具体实施方式四：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三的不同点在于，本实施方式的步骤四中的坯料3为镁合金、铝合金或钛合金。适用范围更广泛，便于推广应用。