一种室温高效连续制备超细晶纯钛的等通道转角拉拔方法

摘要

本发明提供一种室温高效连续制备超细晶纯钛的等通道转角拉拔方法，该方法是通过由A、B、C、D4个模块组成的等通道转角拉拔模具实现，步骤包括：以纯钛棒材或板材为起始原料，退火后根据起始原料的截面形状和尺寸制作等通道转角拉拔模具；将坯料打磨，并在其表面和4个模具预形成等通道转角通道的表面涂覆润滑剂；将坯料置于4个模具形成的夹角为90°或110°的等通道转角通道内，再放置在拉拔机上，控制拉拔速度在2～100mm/s使坯料匀速穿过等通道转角通道，每道次拉拔完成后去掉拉拔件的头部和尾部，将拉拔件沿顺时针或逆时针方向旋转角度θ，然后重新安放在等通道转角通道继续拉拔，共经过2～12道次拉拔后得到超细晶纯钛材。

说明书

技术领域

本发明属于超细晶材料加工技术领域，具体涉及一种室温高效连续制备超细晶纯钛的等通道转角拉拔方法。

背景技术

纯钛(Ti)及其合金具有耐蚀性能好、比强度高、生物相容性好、无毒、无磁性、弹性模量低、抗疲劳、导电导热性差等特性，在外科植入物材料如人工关节、骨板螺钉及牙种植体等领域应用广泛，成为未来医用金属材料的主要发展方向。目前临床上广泛应用的钛材是Ti-6A1-4V合金，研究表明其在人体内部长期腐蚀释放的Al和V金属离子对人体神经系统、呼吸系统等有害，并且，其弹性模量比人体骨骼的偏高，容易引起“应力屏蔽”效应，造成植入失效。因此，许多学者开始研究毒副作用小和弹性模量低的新型钛合金，但所加元素一般是贵金属元素，对生物相容性、成本等造成影响，故纯钛仍是钛材植入器件的首选。但是纯钛耐磨性能差，力学强度不高，无法满足植入物的要求。根据Hall-Petch函数关系，金属材料的晶粒越细小，其室温强度越高，韧性指数也同时提高。特别是当材料晶粒细化至亚微米、纳米晶尺度时，其机械性能和物理化学特性均会发生重大变化。因此，现在的研究重点集中于开发超细晶纯钛，从而提高其力学性能和抗疲劳性能来满足医用材料的要求。近年来快速发展的大塑性变形加工方法，通过多道次变形使材料获得累积大应变量达到组织细化的目的，具有将粗晶细化到纳米量级的巨大潜力，并可显著提高材料的力学性能，受到企业及研究机构越来越多的关注。

金属纯Ti属于密排六方结构，室温滑移系少，塑性差，存在低温剧烈塑性变形困难和变形开裂等问题。现有研究较多的纯Ti大塑形变形方法有等径角挤压(如专利CN101580924A、CN101624690A、CN103343303A、CN103981472A、CN104690496A、CN103252377A、CN105821360A)、高压扭转(如专利CN102234752A、CN102373320A)及多向锻造(如专利CN103320734A)等，大都存在着一些问题，其中最主要的问题是所制备的材料尺寸有限、生产效率低，此外，还存在模具要求高、成本高、组织不均匀、材料利用率低等缺点，特别是对于密排六方结构的难变形材料，成形温度较高(＞200℃)、变形速度较慢(0.025-2.5mm/s)，一直是大塑性变形法需要突破的难点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种室温高效连续制备超细晶纯钛的等通道转角拉拔方法，目的是通过室温连续拉拔制备不限长度、表面质量良好的纯钛制品，提高生产效率，从而促进纯钛的产业化应用。本发明的技术方案为：

一种室温高效连续制备超细晶纯钛的等通道转角拉拔方法，是通过等通道转角拉拔模具实现，所述等通道转角拉拔模具由A、B、C、D4个模块组成，其中所述A模块为一角为圆弧角的方形结构，用于提供等通道拉拔内角d及内转角半径r；所述C模块为一角呈内凹圆弧形的方形结构，用于提供等通道拉拔外角ψ及外转角半径R；所述B模块和所述D模块为压紧块，分别置于所述C模块呈内凹圆弧形的两条边上；所述A模块与所述B模块、所述C模块、所述D模块通过夹具调整固定，形成夹角为90°或110°的等通道转角通道；所述拉拔方法包括以下步骤：

(1)以纯钛棒材或板材为起始原料，先进行退火，并根据起始原料的截面形状和尺寸制作等通道转角拉拔模具；

(2)将退火后的坯料打磨，并在其表面和4个模具预形成等通道转角通道的表面涂覆润滑剂；

(3)将涂覆完润滑剂的坯料与4个模具调整好摆放位置，使坯料位于4个模具形成的转角通道内，并利用夹具调整固定好4个模具使该转角通道形成夹角为90°或110°的等通道转角通道，再将等通道转角拉拔模具放置在拉拔机上，在等通道转角通道出口端对坯料施加拉力，控制拉拔速度在2～100mm/s，并保持速度恒定使坯料穿过等通道转角通道拉拔，每道次拉拔完成后去掉拉拔件的头部和尾部，将拉拔件沿顺时针或逆时针方向旋转角度θ，0°＜θ＜180°，然后重新安放在等通道转角通道继续拉拔，共经过2～12道次拉拔变形后得到超细晶纯钛材。

进一步地，所述C模块和所述D模块上还可设置调整螺栓，用于微调和固定拉拔模具，以保证拉拔过程的连续性。

进一步地，所述步骤(1)的退火条件为：温度为500～700℃，保温时间为0.5～5h。

进一步地，所述润滑剂采用石墨乳或T-RS-2A型调制润滑油。

进一步地，所述超细晶纯钛材的晶粒平均尺寸在100～1000nm之间，拉伸屈服强度为520～900MPa，抗拉强度为650～1000MPa，延伸率为8～20％。

现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用等通道转角拉拔模具，可在拉拔机上进行长度无限制的棒材或板材的加工，改善了现有的大塑形变形技术所制备的材料尺寸受限的缺点，可实现连续高效生产；

(2)本发明的等通道转角拉拔模具结构简单，便于加工制造，可降低模具设计制造成本，且改善了现有的大塑形变形技术对模具要求高的缺点；

(3)本发明在拉拔前将润滑剂均匀地涂抹于模具型腔和拉拔件表面，大大降低摩擦系数，减小拉拔力和模具损伤，延长模具使用寿命，顺利获得表面光滑的高强度纯钛；

(4)本发明可直接生产医用小截面钛材植入物，扩大了等通道转角拉拔变形的材料范围，进一步提高了工作效率；

(5)本发明在室温下即可进行等通道转角拉拔变形，而且变形过程中不采用中间退火，简化了工艺流程，提高了效率，节约了能源，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的等通道转角拉拔模具的结构示意图；

图2为本发明实施例1中经2道次拉拔变形后的纯钛材(TA1)的透射组织照片；

图3为本发明实施例1中经6道次拉拔变形后的纯钛材(TA1)的透射组织照片；

图4为本发明实施例5中原始退火态和经4道次拉拔变形后的纯钛材(TA1)的拉伸应力应变曲线。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例中观测微观组织采用FEI公司生产的G²20型透射电子显微镜。

本发明实施例中宏观力学性能实验设备是岛津AG-X100kN电子万能拉伸试验机。

本发明提供了一种室温高效连续制备超细晶纯钛的等通道转角拉拔方法，是通过等通道转角拉拔模具实现，其结构如图1所示，该等通道转角拉拔模具由A、B、C、D4个模块组成，其中A模块为一角为圆弧角的方形结构，用于提供等通道拉拔内角d及内转角半径r；C模块为一角呈内凹圆弧形的方形结构，用于提供等通道拉拔外角ψ及外转角半径R；B模块和D模块为压紧块，分别置于C模块呈内凹圆弧形的两条边上；C模块和D模块上还设置有调整螺栓，用于微调和固定拉拔模具，以保证拉拔过程的连续性；A模块与B模块、C模块、D模块通过夹具和螺栓调整固定，形成夹角为90°或110°的等通道转角通道；所述拉拔方法包括以下步骤：

(1)以纯钛棒材或板材为起始原料，先在温度为500～700℃、保温时间为0.5～5h的条件下进行退火，并根据起始原料的截面形状和尺寸制作等通道转角拉拔模具；

(2)将退火后的坯料打磨，并在其表面和4个模具预形成等通道转角通道的表面涂覆润滑剂，润滑剂采用石墨乳或T-RS-2A型调制润滑油；

(3)将涂覆完润滑剂的坯料放入与4个模具调整好摆放位置，使坯料位于4个模具形成的转角通道内，并利用夹具和螺栓调整固定好4个模具使该转角通道形成夹角为90°或110°的等通道转角通道，再将等通道转角拉拔模具放置在拉拔机上，在等通道转角通道出口端对坯料施加拉力，控制拉拔速度在2～100mm/s，并保持速度恒定使坯料穿过等通道转角通道拉拔，每道次拉拔完成后去掉拉拔件的头部和尾部，将拉拔件沿顺时针或逆时针方向旋转角度θ，0°＜θ＜180°，然后重新安放在等通道转角通道继续拉拔，共经过2～12道次拉拔变形后得到超细晶纯钛材。

实施例1

本实施例提供了一种室温高效连续制备超细晶纯钛的等通道转角拉拔方法，包括以下步骤：

(1)以纯钛(TA1)热轧板材为起始原料，先在温度为500～700℃、保温时间为0.5～3h的条件下进行退火，随后用线切割得到15mm×15mm截面尺寸的坯料作为待加工工件，并根据起始原料的截面形状和尺寸制作等通道转角拉拔模具，其中等通道转角拉拔模具形成的等通道转角通道截面为方形，该方形的长宽为15mm；

(2)将退火后的坯料表面用砂纸打磨，去掉表面氧化皮，并在其表面和4个模具预形成等通道转角通道的表面涂覆润滑剂石墨乳，所述石墨乳为工业拉丝用石墨乳，其主要成分包括20～25％左右含量的粒度在1～3μm之间的石墨；

(3)将涂覆完润滑剂的坯料与4个模具调整好摆放位置，使坯料位于4个模具形成的转角通道内，并利用夹具调整固定好4个模具使该转角通道形成夹角为90°的等通道转角通道，同时通过调整C模块和D模块上的调整螺栓，将坯料控制于模具通道内，再将等通道转角拉拔模具放置在拉拔机上，在等通道转角通道出口端对坯料施加拉力，控制拉拔速度在2mm/s，并保持速度恒定使坯料穿过等通道转角通道拉拔，每道次拉拔完成后去掉拉拔件的头部和尾部，将拉拔件沿顺时针方向旋转角度90°，然后重新安放在等通道转角通道继续拉拔，拉拔过程中随时涂覆石墨乳润滑剂，共经过6道次拉拔变形后得到表面光滑的超细晶纯钛材。

本实施例对拉拔过程中2道次和6道次的纯钛材进行了微观组织检测，如图2、图3所示，从图2可以看出，本实例拉拔过程中2道次主要以滑移为主，形成了拉长的条状剪切带，同时含有少量针状孪晶，6道次时，如图3所示，已由初始的30μm形成平均晶粒尺寸为100nm的细晶组织，晶内位错密度由于动态回复和动态再结晶的发生而减少。其拉伸屈服强度达到900MPa，抗拉强度达到1000MPa，延伸率达到8％。

实施例2

本实施例提供了一种室温高效连续制备超细晶纯钛的等通道转角拉拔方法，包括以下步骤：

(1)以纯钛(TA1)热轧板材为起始原料，先在温度为500～700℃、保温时间为0.5～2h的条件下进行退火，随后用线切割得到10mm×10mm截面尺寸的坯料作为待加工工件，并根据起始原料的截面形状和尺寸制作等通道转角拉拔模具，其中等通道转角拉拔模具形成的等通道转角通道截面为方形，该方形的长宽为15mm；

(2)将退火后的坯料表面用砂纸打磨，去掉表面氧化皮，并在其表面和4个模具预形成等通道转角通道的表面涂覆润滑剂石墨乳，所述石墨乳为工业拉丝用石墨乳，其主要成分包括20～25％左右含量的粒度在1～3μm之间的石墨；

(3)将涂覆完润滑剂的坯料与4个模具调整好摆放位置，使坯料位于4个模具形成的转角通道内，并利用夹具调整固定好4个模具使该转角通道形成夹角为110°的等通道转角通道，同时通过调整C模块和D模块上的调整螺栓，将坯料控制于模具通道内，再将等通道转角拉拔模具放置在拉拔机上，在等通道转角通道出口端对坯料施加拉力，控制拉拔速度在37mm/s，并保持速度恒定使坯料穿过等通道转角通道拉拔，每道次拉拔完成后去掉拉拔件的头部和尾部，将拉拔件沿顺时针方向旋转角度90°，然后重新安放在等通道转角通道继续拉拔，拉拔过程中随时涂覆石墨乳润滑剂，共经过8道次拉拔变形后得到表面光滑的超细晶纯钛材。

本实施例的超细晶纯钛材的平均晶粒尺寸由初始的20μm细化为500nm，拉伸屈服强度达到750MPa，抗拉强度达到800MPa，延伸率达到20％。

实施例3

本实施例提供了一种室温高效连续制备超细晶纯钛的等通道转角拉拔方法，包括以下步骤：

(1)以直径为6mm的纯钛(TA1)挤压棒材为起始原料，先在温度为500～700℃、保温时间为0.5～5h的条件下进行退火，并根据起始原料的截面形状和尺寸制作等通道转角拉拔模具，其中等通道转角拉拔模具形成的等通道转角通道截面为圆形，该圆形的直径为6mm；

(2)将退火后的坯料表面用砂纸打磨，去掉表面氧化皮，并在其表面和4个模具预形成等通道转角通道的表面涂覆润滑剂石墨乳，所述石墨乳为工业拉丝用石墨乳，其主要成分包括20～25％左右含量的粒度在1～3μm之间的石墨；

(3)将涂覆完润滑剂的坯料与4个模具调整好摆放位置，使坯料位于4个模具形成的转角通道内，并利用夹具调整固定好4个模具使该转角通道形成夹角为90°的等通道转角通道，同时通过调整C模块和D模块上的调整螺栓，将坯料控制于模具通道内，再将等通道转角拉拔模具放置在拉拔机上，在等通道转角通道出口端对坯料施加拉力，控制拉拔速度在20mm/s，并保持速度恒定使坯料穿过等通道转角通道拉拔，每道次拉拔完成后去掉拉拔件的头部和尾部，将拉拔件沿顺时针方向旋转角度45°，然后重新安放在等通道转角通道继续拉拔，拉拔过程中随时涂覆石墨乳润滑剂，共经过12道次拉拔变形后得到表面光滑的超细晶纯钛材。

本实施例的超细晶纯钛材的平均晶粒尺寸由初始的45μm细化为900nm，拉伸屈服强度达到600MPa，抗拉强度达到750MPa，延伸率达到19％。

实施例4

本实施例提供了一种室温高效连续制备超细晶纯钛的等通道转角拉拔方法，包括以下步骤：

(1)以直径为2mm的纯钛(TA1)挤压棒材为起始原料，先在温度为500～700℃、保温时间为0.5～1h的条件下进行退火，并根据起始原料的截面形状和尺寸制作等通道转角拉拔模具，其中等通道转角拉拔模具形成的等通道转角通道截面为圆形，该圆形的直径为2mm；

(2)将退火后的坯料表面用砂纸打磨，去掉表面氧化皮，并在其表面和4个模具预形成等通道转角通道的表面涂覆润滑剂石墨乳，所述石墨乳为工业拉丝用石墨乳，其主要成分包括20～25％左右含量的粒度在1～3μm之间的石墨；

(3)将涂覆完润滑剂的坯料与4个模具调整好摆放位置，使坯料位于4个模具形成的转角通道内，并利用夹具调整固定好4个模具使该转角通道形成夹角为90°的等通道转角通道，同时通过调整C模块和D模块上的调整螺栓，将坯料控制于模具通道内，再将等通道转角拉拔模具放置在拉拔机上，在等通道转角通道出口端对坯料施加拉力，控制拉拔速度在100mm/s，并保持速度恒定使坯料穿过等通道转角通道拉拔，每道次拉拔完成后去掉拉拔件的头部和尾部，将拉拔件沿顺时针方向旋转角度120°，然后重新安放在等通道转角通道继续拉拔，拉拔过程中随时涂覆石墨乳润滑剂，共经过6道次拉拔变形后得到表面光滑的超细晶纯钛材。

本实施例的超细晶纯钛材的平均晶粒尺寸由初始的20μm细化为0.5μm以下，拉伸屈服强度达到700MPa，抗拉强度达到800MPa，延伸率达到20％。

实施例5

本实施例提供了一种室温高效连续制备超细晶纯钛的等通道转角拉拔方法，包括以下步骤：

(1)以纯钛(TA1)热轧板材为起始原料，先在温度为500～700℃、保温时间为0.5～2h的条件下进行退火，随后用线切割得到1mm截面尺寸的圆棒坯料作为待加工工件，并根据起始原料的截面形状和尺寸制作等通道转角拉拔模具，其中等通道转角拉拔模具形成的等通道转角通道截面为圆形，该圆形的直径为1mm；

(2)将退火后的坯料表面用砂纸打磨，去掉表面氧化皮，并在其表面和4个模具预形成等通道转角通道的表面涂覆T-RS-2A型调制润滑油；

(3)将涂覆完润滑油的坯料与4个模具调整好摆放位置，使坯料位于4个模具形成的转角通道内，并利用夹具调整固定好4个模具使该转角通道形成夹角为110°的等通道转角通道，同时通过调整C模块和D模块上的调整螺栓，将坯料控制于模具通道内，再将等通道转角拉拔模具放置在拉拔机上，在等通道转角通道出口端对坯料施加拉力，控制拉拔速度在100mm/s，并保持速度恒定使坯料穿过等通道转角通道拉拔，每道次拉拔完成后去掉拉拔件的头部和尾部，将拉拔件沿顺时针方向旋转角度180°，然后重新安放在等通道转角通道继续拉拔，拉拔过程中随时涂覆润滑油，共经过4道次拉拔变形后得到表面光滑的超细晶纯钛材。

本实施例的超细晶纯钛材的平均晶粒尺寸由初始的30μm细化至1μm以下，拉伸屈服强度达到520MPa，抗拉强度达到650MPa，延伸率达到10％，如图4所示。

现有技术相比，上述实施例的有益效果为：采用等通道转角拉拔模具，可在拉拔机上进行长度无限制的棒材或板材的加工，改善了现有的大塑形变形技术所制备的材料尺寸受限的缺点，可实现连续高效生产；并且模具所形成的通道夹角为90°或110°，便于直接生产医用小截面植入物，扩大了等通道转角拉拔变形的材料范围，提高工作效率；在室温下即可进行等通道转角拉拔变形，而且变形过程中不采用中间退火，简化了工艺流程，提高了效率，节约了能源，降低了成本；拉拔前将润滑剂均匀地涂抹于模具型腔和拉拔件表面，大大降低摩擦系数，减小拉拔力和模具损伤，延长模具使用寿命，获得表面光滑的高强度纯钛；设备及模具结构简单，便于加工制造，降低了模具设计制造成本，改变了现有的大塑形变形技术对模具要求高的缺点。模具中C、D模块可调整，便于调整拉拔角度，有利于保证拉拔过程的连续性。

最后说明的是，本发明实施例中室温等径角拉拔不仅局限于TA1纯Ti，其他体系的纯钛(TA2、TA3、TA4)均可通过本发明中的方法获得具有不同晶粒尺寸和力学性能的材料。以上实施例也仅用以说明本发明的技术方案而非限制。本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。