CN102773297B - 一种非等通道转角挤轧剧塑性变形方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种非等通道转角挤轧剧塑性变形方法及其装置。该发明是集成ECAP技术和ARB技术，具体工艺包括：试样与冲头、模具同时预热至挤轧温度后，再施加挤压力，使试样完全通过非等通道转角挤轧装置的通道转角处，试样在产生剪切变形的同时产生压缩变形，完成第一道次挤轧工艺；将试样沿长度方向切成L1/L2份，置于Ⅰ通道中，重复以上步骤，完成多道次挤轧变形。本装置的模具设有两个相交且非等截面的Ⅰ通道和Ⅱ通道，设计合理、结构简单，制造成本低。本发明的方法集成了ECAP技术和ARB技术的优势，有效地提高了材料的力学性能，该工艺流程短、效率高、成本低，操作简单，可广泛用于纯金属、合金等金属材料加工领域。

Description

一种非等通道转角挤轧剧塑性变形方法及其装置
技术领域
本发明涉及材料的塑性加工技术领域，具体是指一种非等通道转角挤轧剧塑性变形方法及其装置。
背景技术
剧塑性变形技术（Severe Plastic Deformation，简称SPD），具有强烈的晶粒细化能力，可以直接将材料的内部组织细化到亚微米乃至纳米级，已经被国际材料学界公认为是制备块体纳米和超细晶材料的最有前景的方法。近些年，剧塑性变形技术飞速发展，主要有：等通道转角挤压（ECAP）、累积叠轧（ARB）、高压扭转（HPT）、往复挤压（CEC）等技术，其中ECAP技术是利用由两个相交且等截面的通道所组成的模具来使金属获得大的纯剪切变形，试样变形前后的形状和尺寸不发生变化，但该方法存在的问题是：需要进行较多道次来累积应变量制备超细晶材料，且对于某些材料，如镁合金，在多道次的变形后会出现织构弱化现象，导致材料强度下降。而ARB技术是针对板材进行多道次轧制，对材料实施压缩变形，从而提高材料性能，但在该工艺下材料所受的应力状态较差，容易发生边裂，而且随着压向量的增加材料尺寸相应减小，故其总应变量将受限制。集成上述等通道转角挤压技术和累积迭轧技术的优点，针对材料实行既具有剪切变形又具有压缩变形的非等通道转角挤轧的剧塑性变形技术迄今未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，通过集成等通道转角挤压技术和累积迭轧技术，提出一种通过利用一个主要包括设有两个相交且非等截面通道的模具的挤轧装置，使材料在产生剪切变形的同时产生压缩变形的非等通道转角挤轧剧塑性变形方法，该方法（Equal Channel Angular Pressing and Compression，ECAP-C）工艺流程短、效率高、成本低，通过该技术变形获得的材料具有高的强度和塑性。
本发明的另一个目的在于提供一种实现非等通道转角挤轧剧塑性变形方法的装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种非等通道转角挤轧剧塑性变形的方法，其特征在于：它是集成等通道转角挤压技术和累积迭轧技术，具体步骤及其工艺条件包括：
（1）单道次高应变量挤轧变形
首先将所需尺寸的试样与冲头、模具同时预热，预热至挤轧温度后，保温10～30min，再施加挤压力，使试样完全通过非等通道转角挤轧装置的通道转角处，试样在产生剪切变形的同时产生压缩变形，完成第一道次挤轧工艺；
（2）多道次高累积应变量挤轧变形
将上一道次变形后的试样沿长度方向切成L1/L2份，沿厚度方向叠好后置于Ⅰ通道中，重复以上步骤，完成多道次挤轧变形；所述L1/L2为非等通道转角挤轧装置的两个相交且非等截面的通道的厚度之比。
所述的挤轧温度不高于材料的再结晶温度。
所述非等通道是指该装置的模具设有两个相交且非等截面的Ⅰ通道和Ⅱ通道，Ⅰ通道与模具上端面垂直，Ⅱ通道与Ⅰ通道形成夹角；Ⅰ通道与Ⅱ通道的宽度W相同，而Ⅰ通道的厚度L1大于Ⅱ通道的厚度L2，且L1为L2的整数倍；装置与压机之间的连接关系为：模具中的侧板与凹模之间通过螺栓固定，模具通过压板、螺栓、底座与压机下缸固定连接；圆盘中心开有螺纹孔和中心通孔，冲头通过过渡配合嵌入圆盘的中心通孔内，并与压机上缸固定连接。
所述Ⅰ通道和Ⅱ通道形成的夹角，其内角Φ为90°～160°，外角Ψ为0°～45°，其Ⅰ通道上端口开有45°～75°的倒角。
所述Ⅰ通道横截面与冲头横截面尺寸一致且中心轴重叠。
与现有技术相比，本发明具有以下突出的优点：
1、本发明集成ECAP技术和ARB技术在实际应用中优势，实现了每道次对材料同时进行剪切变形和压缩变形，改善了材料变形时所受的应力状态，防止材料出现边裂，提高了单道次应变量，实现少道次高累积应变量，提高了晶粒细化能力，缩短工艺流程，实现多道次的挤轧后，材料仍能够保持高的强度和高的塑性，从而获得超细晶高性能的材料。
2、本发明材料所受应力状态好，可以在较低的温度下对材料进行变形而不致材料发生边裂或断裂，避免过高温度下晶粒长大对剧塑性变形细化晶粒能力的遏制，从而更有效地细化晶粒，提高细化晶粒能力的极限。
3、实现非等通道转角挤轧剧塑性变形方法的装置设计合理、结构简单，制造成本低。冲头通过过渡配合嵌入于圆盘的中心通孔内，通过螺栓固定连接与压机上缸成一整体，确保了冲头与Ⅰ通道中心轴重叠，且在Ⅰ通道上端口开一个45°～75°的倒角，使冲头对试样施力的情况下，在Ⅰ通道内运动时通过倒角过渡，保证冲头在模具内的顺利运行，避免了冲头与Ⅰ通道口发生偏差，延长模具和冲头的寿命。
4、本发明工艺流程短、效率高、成本低，操作简单。该工艺可广泛用于纯金属、合金等金属材料加工领域。
附图说明
图1为一种非等通道转角挤轧剧塑性变形装置的结构示意图立体图；
图2为图1所示装置的模具部分的结构示意图主视图；
图3为图2的俯视图；
图4为一种非等通道转角挤轧剧塑性变形装置的冲头与圆盘安装示意图主视图；
图5为图4的俯视图。
具体实施方式
通过如下实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本发明非等通道转角挤轧剧塑性变形方法是集成等通道转角挤压技术和累积迭轧技术，并专门为实现非等通道转角挤轧剧塑性变形方法设计了一种非等通道转角挤轧剧塑性变形装置，如图1所示。该装置的模具部分如图2、3所示，所述非等通道是指该装置的模具设有两个相交且非等截面的Ⅰ通道6和Ⅱ通道9，Ⅰ通道6与模具上端面垂直，Ⅱ通道9与Ⅰ通道6形成夹角，其通道内角Φ=90°，外角Ψ=0°。Ⅰ通道6与Ⅱ通道9的宽度W相同，W为50mm，而Ⅰ通道6的厚度L1大于Ⅱ通道9的厚度L2，且L1为L2的整数倍L1/L2=2，L1=20mm；所述Ⅰ通道6横截面与冲头5横截面尺寸一致且中心轴重叠，其Ⅰ通道6上端口开有45°～75°的倒角。装置与压机之间的连接关系为：模具中的侧板2与凹模3之间通过螺栓1固定，模具通过压板7、螺栓8、底座10与压机下缸固定连接。图4为一种非等通道转角挤轧剧塑性变形装置的冲头与圆盘安装示意图主视图，如图4和图5所示，圆盘4中心开有螺纹孔11和中心通孔12，冲头5通过过渡配合嵌入圆盘4的中心通孔12内，并与压机上缸固定连接。
选用金属材料为铸态Mg-Li-Al合金，其晶粒较粗大，且分布不均，晶粒尺寸为200～600μm。该铸态合金的室温力学性能：伸长率为42%，抗拉强度为137.5MPa，显微硬度为59.2HV。
以长度50mm、宽度W＝50mm、厚度L1=20mm的Mg-Li-Al合金板材作为试样，其非等通道转角挤轧剧塑性变形方法的具体步骤及其工艺条件如下：
（1）单道次高应变量挤轧变形
将待挤轧试样在模具进口处由冲头5推入Ⅰ通道6中，将试样与冲头5和模具一起进行预热，预热至挤轧温度T=150℃，即为该材料的再结晶温度。保温20min，在通道内部涂抹润滑油，再施加挤压力，在挤压力的作用下，试样从Ⅰ通道6进入Ⅱ通道9，通过非等通道转角挤轧装置的通道转角处时，产生剪切变形与压缩变形，直到试样全部被压入Ⅱ通道9中，完成第一道次挤轧工艺。
（2）多道次高累积应变量挤轧变形
将上一道次变形后的试样沿长度方向切成L1/L2=2份，沿厚度方向叠好后置于Ⅰ通道6中，重复以上步骤，完成多道次挤轧变形。
本实施例所得材料的力学性能如表1所示。
表1
实施例2：
本实施例所用材料同实施例1，选取非等通道转角挤轧装置模具部分的结构参数如下：L1/L2=2，L1=20mm，通道内角Φ=120°，外角Ψ=30°，除上述模具部分的结构参数之外的非等通道转角挤轧剧塑性变形装置同实施例1。Mg-Li-Al合金板材非等通道转角挤轧剧塑性变形方法的具体步骤及其工艺条件同实施例1，完成多道次挤轧变形后本实施例所得材料的力学性能如表2所示。
表2
实施例3：
本实施例所用材料同实施例1，选取非等通道转角挤轧装置模具部分的结构参数如下：L1/L2=4，L1=20mm，通道内角Φ=160°，外角Ψ=45°，除上述模具部分的结构参数之外的非等通道转角挤轧剧塑性变形装置同实施例1。
除下列参数之外，Mg-Li-Al合金板材非等通道转角挤轧剧塑性变形方法的具体步骤及其工艺条件同实施例1：
Mg-Li-Al合金板材经过一道次变形后，沿长度方向切成L1/L2=4份沿厚度方向叠好后置于Ⅰ通道6中，重复以上步骤，完成多道次挤轧变形后本实施例所得材料的力学性能如表3所示。
表3
实施例4：
本实施例所用材料同实施例1，选取非等通道转角挤轧装置如实施例2。
除下列参数之外，Mg-Li-Al合金板材非等通道转角挤轧剧塑性变形方法的具体步骤及其工艺条件同实施例1：
Mg-Li-Al合金板材与冲头5和模具一起进行预热，预热至挤轧温度T=100℃，低于该材料的再结晶温度。保温30min；完成多道次挤轧变形后本实施例所得到材料的力学性能如表4所示。
表4
对不同成分的材料，只要采用本发明所述的方法并针对具体材料合理选择工艺参数，均可达到本发明的目的。

Claims (4)

1.一种非等通道转角挤轧剧塑性变形的方法，其特征在于：该方法是等通道转角挤压技术和累积叠轧技术的集成，该方法是通过下列装置实现的：非等通道转角挤轧剧塑性变形的装置，非等通道是指该装置的模具设有两个相交且非等截面的Ⅰ通道(6)和Ⅱ通道(9)，Ⅰ通道(6)与模具上端面垂直，Ⅱ通道(9)与Ⅰ通道(6)形成夹角；Ⅰ通道(6)与Ⅱ通道(9)的宽度W相同，而Ⅰ通道(6)的厚度L1大于Ⅱ通道(9)的厚度L2，且L1为L2的整数倍；装置与压机之间的连接关系为：模具中的侧板(2)与凹模(3)之间通过螺栓(1)固定，模具通过压板(7)、螺栓(8)、底座(10)与压机下缸固定连接；圆盘(4)中心开有螺纹孔(11)和中心通孔(12)，冲头(5)通过过渡配合嵌入圆盘(4)的中心通孔(12)内，并与压机上缸固定连接；
实现该方法的具体步骤及其工艺条件包括：
(1)单道次高应变量挤轧变形
首先将所需尺寸的试样与冲头、模具同时预热，预热至挤轧温度后，保温10～30min，再施加挤压力，使试样完全通过非等通道转角挤轧装置的通道转角处，试样在产生剪切变形的同时产生压缩变形，完成第一道次挤轧工艺；
(2)多道次高累积应变量挤轧变形
将上一道次变形后的试样沿长度方向切成L1/L2份，沿厚度方向叠好后置于Ⅰ通道中，重复以上步骤，完成多道次挤轧变形；所述L1/L2为非等通道转角挤轧装置的两个相交且非等截面的通道的厚度之比。
2.根据权利要求1所述的一种非等通道转角挤轧剧塑性变形的方法，其特征在于：所述的挤轧温度不高于材料的再结晶温度。
3.根据权利要求1所述的一种非等通道转角挤轧剧塑性变形的方法，其特征在于：所述Ⅰ通道(6)和Ⅱ通道(9)形成的夹角，其内角Φ为90°～160°，外角Ψ为0°～45°，其Ⅰ通道(6)上端口开有45°～75°的倒角。
4.根据权利要求3所述的一种非等通道转角挤轧剧塑性变形的方法，其特征在于：所述Ⅰ通道(6)横截面与冲头(5)横截面尺寸一致且中心轴重叠。
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