專利名稱：一種利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超細(xì)晶材制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用鐓擠大變形制備超細(xì)晶 粒的方法。
背景技術(shù)：
超細(xì)晶材料因具有良好的塑性、韌性和較高的強(qiáng)度，擁有好的綜合力學(xué)性能。 對(duì)于超細(xì)晶坯料而言，獲得超細(xì)晶的加工方法是最關(guān)鍵的問題之一，是保證獲得具有均勻的超 細(xì)晶粒微觀組織結(jié)構(gòu)是主要的技術(shù)問題。
利用大塑性變形制備塊體超細(xì)晶材料成為制備塊體超細(xì)晶材料的有效途徑之一。它是利用 材料在塑性變形中交織的剪切變形，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。在低于再結(jié)晶溫度下，交織的剪切變形使 塊體材料的粗晶內(nèi)部形成大角度晶界，導(dǎo)致晶粒細(xì)化，從而直接將材料的內(nèi)部組織細(xì)化。因此， 實(shí)現(xiàn)多方向的、大的塑性變形，是利用大塑性變形制備超細(xì)晶材料的關(guān)鍵。
目前利用大塑性變形制備塊體超細(xì)晶材料的主要方法有徑角擠壓法，高壓扭轉(zhuǎn)法，疊軋 合法，反復(fù)折皺壓直法，循環(huán)擠壓法等，利用這些方法，可以使晶粒細(xì)化到亞微米。
自由鍛造過程簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，據(jù)報(bào)道采用多向自由鍛造，在0.1 0.5Tg的溫度范圍內(nèi)， 對(duì)純Ti及Ti合金、鎂合金進(jìn)行變形處理，可以獲得晶粒尺寸為50 500nm的超細(xì)塊體材料； 鑄態(tài)AZ80鎂合金在300。C左右進(jìn)行多向自由鍛造，經(jīng)過7道次鍛造的變形，獲得1一2微米的 細(xì)晶組織。但是，在自由鍛造時(shí)，由于變形的不均勻性，在坯料內(nèi)部容易產(chǎn)生拉應(yīng)力作用，從 而導(dǎo)致裂紋，使變形無法進(jìn)一步進(jìn)行，因而無法進(jìn)一步細(xì)化晶粒。因此，利用自由鍛造過程， 僅能進(jìn)行幾道次的變形，無法實(shí)現(xiàn)坯料的大變形
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于多種材料、利用兩套模具進(jìn)行反復(fù)鐓擠實(shí)現(xiàn)材 料大變形制備超細(xì)晶粒的方法，能夠克服由于變形的不均勻性，在坯料內(nèi)部容易產(chǎn)生拉應(yīng)力作 用，從而導(dǎo)致裂紋的缺陷。
本發(fā)明使坯料的內(nèi)部微觀組織變成超細(xì)晶粒的原理是鐓擠變形時(shí)，坯料內(nèi)部在與受力方向呈 45度角的方向上產(chǎn)生平行的滑移帶，將變形后的坯料沿周向水平旋轉(zhuǎn)或垂直旋轉(zhuǎn)90度，在下
3一次鐓擠變形時(shí)，產(chǎn)生的新的滑移帶與上一次變形產(chǎn)生的滑移帶呈90度，兩次變形產(chǎn)生的滑移 帶相互交織，形成網(wǎng)狀分布，實(shí)現(xiàn)坯料內(nèi)部組織的細(xì)化過程。通過多次的鐓擠變形過程，利用 反復(fù)的、不同方向的變形，獲得具有超細(xì)晶粒內(nèi)部組織的坯料。
在鐓擠變形時(shí)，坯料在與受力方向呈90度的方向產(chǎn)生水平滑動(dòng)，并且由于摩擦力的作用 使變形不均勻，形成凸肚現(xiàn)象，產(chǎn)生拉應(yīng)力作用，使坯料在變形過程中容易產(chǎn)生裂紋，使變形 無法繼續(xù)進(jìn)行。本發(fā)明是利用模具的型腔，限制凸肚的產(chǎn)生，同時(shí)通過控制變形量，使坯料的
變形均勻，減小坯料在墩粗變形時(shí)的拉應(yīng)力作用，推遲或消除由于拉應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋，實(shí)現(xiàn)在 兩套模具中的反復(fù)鐓擠變形過程。
本發(fā)明利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法的技術(shù)解決方案是:將兩套型腔尺寸不同 的模具組合在一起，將坯料(5)放入第一套模具的鐓擠凹模(2)內(nèi)，鐓擠沖頭(1)向下鐓擠坯料(5)， 使坯料(5)充滿鐓擠凹模(2)的型腔，然后，取出變形后的坯料(5)，改變坯料(5)的方向，放入第 二套模具的鐓擠凹模(2)內(nèi)，鐓擠沖頭(1)向下鐓擠坯料(5)，使坯料(5)充滿鐓擠凹模(2)的型腔， 然后，取出變形后的坯料(5)，改變坯料(5)的,向，重新放入第一套模具的鐓擠凹模(2)內(nèi)，再使 坯料(5)發(fā)生變形，通過坯料(5)在第一套模具和第二套模具中的反復(fù)的墩粗變形，實(shí)現(xiàn)坯料(5) 的大變形，使坯料(5)的內(nèi)部微觀組織變成超細(xì)晶粒。
第一套模具的鐓擠凹模(2)橫截面尺寸長(zhǎng)al、寬bl與第二套模具的鐓擠凹模(2)橫截面尺寸 長(zhǎng)a2、寬b2，滿足al〉a2; bl=b2的關(guān)系。
坯料(5)經(jīng)過第一套模具變形后的高度hKb2或hKa2;經(jīng)過第二套模具變形后的高度h2〈bl 或h2<al o
坯料(5)發(fā)生變形時(shí)，每次變形的方法是將坯料(5)沿周向旋轉(zhuǎn)角度，即對(duì)于變形一次的坯料，
在下一次變形時(shí)與沿周向水平旋轉(zhuǎn)或垂直旋轉(zhuǎn)90度。
在進(jìn)行變形時(shí)，鐓擠沖頭(l)向下的速度在lmm/min到10m/s之間變化。 變形過程在室溫下進(jìn)行，也可以在高溫下進(jìn)行，加熱溫度T低于坯料(5)材料的再結(jié)晶Ts，
艮卩T〈T在。利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的設(shè)備，包括鐓擠沖頭(l)、鐓擠凹模(2)。鐓擠沖頭(l) 和鐓擠凹模(2)連接在一起，放置在支撐墊板(3)，必要時(shí)，將連接在一起的鐓擠沖頭(l)、鐓擠凹 模(2)和支撐墊板(3)放置在加熱套(4)內(nèi)。
在利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法中，第一套模具的鐓擠凹模(2)橫截面尺寸長(zhǎng) ai、寬In與第二套模具的鐓擠凹模(2)橫截面尺寸長(zhǎng)a2、寬b2滿足a^a2; b產(chǎn)b2關(guān)系。坯料(5) 在第一套模具變形后的高度ln，滿足h^b2或h-a2的關(guān)系；在第二套模具變形后的高度度h2， 滿足hfbi或h-ai的關(guān)系。
在利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法中，變形可以在液壓機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)、鍛錘和 擠壓設(shè)備中進(jìn)行，在進(jìn)行變形時(shí)，鐓擠沖頭(l)向下的速度在lmm/min到10m/s之間變化。
在利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法中，對(duì)于塑性較好的材料，變形過程在室溫下 進(jìn)行。對(duì)于塑性較差或難變形的材料，也以可通過加熱套(4)加熱，在高溫下進(jìn)行。加熱溫度T 低于坯料(5)材料的再結(jié)晶T ft，既T《s。本發(fā)明利用了模具型腔的限制作用，使坯料在墩粗 變形過程中產(chǎn)生壓應(yīng)力作用，減小坯料在墩粗變形時(shí)的拉應(yīng)力作用，推遲或消除由于拉應(yīng)力導(dǎo) 致的裂紋，同時(shí)使坯料的變形均勻。通過在兩套模具中的反復(fù)鐓擠變形，實(shí)現(xiàn)坯料的大變形， 最終使坯料的內(nèi)部微觀組織變成超細(xì)晶粒。本發(fā)明具有以下的有益效果:.
1. 采用本發(fā)明制備超細(xì)晶粒坯料時(shí)，利用專用模具，通過反復(fù)鐓擠變形過程，實(shí)現(xiàn)了坯料 的微觀組織細(xì)化，直接方便地獲得超細(xì)晶粒的坯料，適用于多種材料的坯料。
2. 采用本發(fā)明，可以控制坯料在每次模具中的變形量。利用每次較小的變形量，通過反復(fù) 的變形，實(shí)現(xiàn)坯料的大變形，可以進(jìn)行較難變形材料制備超細(xì)晶粒的需要。
3. 本發(fā)明特別適用于制備超細(xì)晶粒塊體坯料，實(shí)施簡(jiǎn)單，對(duì)坯料尺寸、材料的局限性小， 易于控'制坯料的晶粒和質(zhì)量。通過增大變形程度，可以獲得特別細(xì)小的微觀組織甚至得到納米 晶粒。


圖1是利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的設(shè)備示意圖。圖2是利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法示意圖。 圖3是純銅坯料退火后的粗晶組織。 圖4坯料變形過程示意圖。
圖5純銅坯料經(jīng)過10次反復(fù)鐓擠變形后的顯微組織。
圖6純銅坯料經(jīng)過30次反復(fù)鐓擠變形后的顯微組織。
圖7是純銅坯料經(jīng)過70次反復(fù)鐓擠變形后的顯微組織。
圖8是純銅坯料經(jīng)過40次反復(fù)鐓擠變形后的顯微組織。
圖中l(wèi)是鐓擠沖頭，2是鐓擠凹模，3是支撐墊板，4是加熱套；5坯料。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)。
實(shí)施例l利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的設(shè)備，包括鐓擠沖頭(l)、鐓擠凹模(2)，鐓 擠沖頭(1)和鐓擠凹模(2)連接在一起，放置在支撐墊板(3)上。將兩套型腔尺寸不同的模具組合在 一起，如圖2所示，兩套模具分別固定在液壓機(jī)上。模具1型腔橫截面尺寸為10mmX 13.3mm， 模具2型腔的橫截面尺寸為10mmX 10mm。
外形尺寸為10mmX 10mmX 10mm的純銅坯料(5)在熱處理爐內(nèi)經(jīng)過退火，獲得晶粒尺寸約 為50—100微米左右具有粗晶組織的純銅坯料，如圖(3)所示。反復(fù)鐓擠過程如圖4所示，將坯 料(5)放入第一套模具的鐓擠凹模(2)內(nèi)，鐓擠沖頭(1)向下鐓擠坯料(5)，使坯料(5)充滿鐓擠凹模 (2)的型腔，鐓擠沖頭(l)的下壓量為2.5毫米，坯料(5)變形后的尺寸為10mmX7.5mmX13.3mm。 然后取出變形后的坯料(5)，沿周向垂直旋轉(zhuǎn)90度，放入第二套模具的鐓擠凹模(2)內(nèi)，鐓擠沖 頭(1)向下鐓擠坯料(5)，使坯料(5)充滿鐓擠凹模(2)的型腔，鐓擠沖頭(l)的下壓量為3.3毫米， 坯料(5)變形后的尺寸為lOmmXlOmmXlOmm。然后，再取出變形后的坯料(5)，沿周向垂直或 水平旋轉(zhuǎn)90度，重新放入第一套模具的鐓擠凹模(2)內(nèi)，再使坯料(5)發(fā)生變形，從而使坯料(5)在 兩套模具中反復(fù)鐓擠變形。
純銅坯料(5)在第一套模具和第二套模具的反復(fù)的墩粗變形，晶粒逐漸細(xì)化，經(jīng)過70次上 述反復(fù)的鐓擠變形后，坯料的晶粒尺寸約為0.5-1微米。圖5、圖6和圖7為坯料(5)經(jīng)過不同次數(shù)的鐓擠變形后的微觀組織形貌。
實(shí)施例2 在所述的反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的設(shè)備，固定在機(jī)械壓力機(jī)上，提高鐓 擠沖頭的下壓速度，目的是提高坯料的變形速率。
模具1型腔橫截面尺寸為lOmmXll.lmm,模具2型腔的橫截面尺寸為lOmmXlOmm。 外形尺寸為lOmmX lOmmX lOmm的純銅坯料經(jīng)過退火后，首先放在第一套模具的鐓擠凹模內(nèi)， 鐓擠沖頭的下壓l毫米，使坯料充滿鐓擠凹模的型腔，坯料變形后的尺寸為10mmXll.lmmX 9mm。取出坯料后旋轉(zhuǎn)90度，放入第二套模具的鐓擠凹模內(nèi)，鐓擠沖頭的下壓1.1毫米，使坯 料充滿鐓擠凹模型腔，坯料變形后的尺寸為lOmmXlOmmXlOmm，然后將變形后的坯料旋轉(zhuǎn) 90度，重新放入第一套模具的鐓擠凹模內(nèi)進(jìn)行鐓擠變形。經(jīng)過40次反復(fù)的鐓擠變形后，坯料 的晶粒尺寸約為0.5-1微米，如圖8所示。
實(shí)施例3在所述坯料的變形溫度較高時(shí)，采用相應(yīng)較高的鐓擠模具溫度。本實(shí)施例采用 的坯料為Q235，坯料尺寸為lOmmXlOmmXlOmm,變形在液壓機(jī)上進(jìn)行。坯料首次變形時(shí)的 預(yù)熱溫度為600度，加熱套加熱的溫度為400度。
權(quán)利要求
1. 一種利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法，其特征在于，將兩套型腔尺寸不同的模具組合在一起，將坯料(5)放入第一套模具的鐓擠凹模(2)內(nèi)，鐓擠沖頭(1)向下鐓擠坯料(5)，使坯料(5)充滿鐓擠凹模(2)的型腔，然后，取出變形后的坯料(5)，改變坯料(5)的方向，放入第二套模具的鐓擠凹模(2)內(nèi)，鐓擠沖頭(1)向下鐓擠坯料(5)，使坯料(5)充滿鐓擠凹模(2)的型腔，然后，取出變形后的坯料(5)，改變坯料(5)的方向，重新放入第一套模具的鐓擠凹模(2)內(nèi)，再使坯料(5)發(fā)生變形，通過坯料(5)在第一套模具和第二套模具中的反復(fù)的墩粗變形，實(shí)現(xiàn)坯料(5)的大變形，使坯料(5)的內(nèi)部微觀組織變成超細(xì)晶粒。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法，其特征在于，第 一套模具的鐓擠凹模(2)橫截面尺寸長(zhǎng)ai、寬bl與第二套模具的鐓擠凹模(2)橫截面尺寸長(zhǎng) a2、寬b2，滿足al〉a2; bl=b2的關(guān)系。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法，其特征在于，坯 料(5)經(jīng)過第一套模具變形后的高度hl<b2或hKa2;經(jīng)過第二套模具變形后的高度h2<bl或 h2<al。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法，其特征在于，坯 料(5)發(fā)生變形時(shí)，每次變形的方法是將坯料(5)沿周向旋轉(zhuǎn)角度，即對(duì)于變形一次的坯料， 在下一次變形時(shí)與沿周向水平旋轉(zhuǎn)或垂直旋轉(zhuǎn)90度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法，其特征在于，在 進(jìn)行變形時(shí)，鐓擠沖頭(l)向下的速度在lmm/min到10m/s之間變化。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法，其特征在于，變 形過程在室溫下進(jìn)行，也可以在高溫下進(jìn)行，加熱溫度T低于坯料(5)材料的再結(jié)晶Ts，即 T〈T在。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用反復(fù)鐓擠大變形制備超細(xì)晶粒的方法，屬于超細(xì)晶材制備技術(shù)領(lǐng)域。它將兩套型腔尺寸不同的模具組合在一起，通過控制模具的型腔尺寸和坯料的變形尺寸，實(shí)現(xiàn)坯料在兩套模具中的反復(fù)鐓擠變形過程，最終使坯料的內(nèi)部微觀組織變成超細(xì)晶粒，以獲得超細(xì)晶粒的塊體材料。這種反復(fù)的、多方向的鐓擠變形不僅極有利于晶粒的細(xì)化，而且可以利用兩套模具的反復(fù)變形，實(shí)現(xiàn)坯料的大變形，具有適用于多種材料、工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。由于生產(chǎn)成本低，性能優(yōu)異，因此具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力和推廣應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C21D7/00GK101509116SQ20081005838
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2008年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月12日
發(fā)明者劉安強(qiáng), 劉建雄, 廖丕博, 玲 張, 詹肇麟 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)