CN106269944B - 一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,其通过采用特定工序、利用多种模具对材料进行挤压处理,使材料内部原始珠光体组织出现大的塑性变形,珠光体内部渗碳体组织被破坏,渗碳体均匀溶解于超细晶铁素体基体组织中,最后形成等轴超细晶组织,材料组织得到改善、性能得到提高,更加适用于农业机械耕整地机具。
Description
技术领域
本发明涉及农机具用材料处理技术领域,尤其是一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法。
背景技术
65Mn钢材料具有硬度较高、淬透性好、脱碳倾向少、价格低廉、切削性好等优点,用途较为广泛,农业机械耕整地机具也大多采用耐磨性能较好的65Mn钢制造,用于土壤的耕作,为农作物生产提供良好的土壤环境。但因直接作用于土壤,工作环境条件比较差,磨损严重,每年仍然需要更换大量的磨损件,制造成本高。
65Mn钢基体材料的强韧性、硬度等不仅影响材料力学性能的好坏,也是提高其摩擦磨损性能的决定性因素。国内外很多研究者开展了提高65Mn钢的摩擦磨损性能的多种处理工艺方法,如化学镀膜、表面激光强化、表面渗铬、表面熔敷硬质合金及常规热处理等。上述方法在一定程度上提高了表面材料的强度和硬度,改善了其表面耐磨性能,但这些表面处理方法存在处理效果不稳定、表面层与基体材料组织结构不一致,表面材料韧性较差等缺点,均达不到理想的效果。同时,由于上述方法都是在材料的表面进行处理,当表面层的耐磨性能降低或表面层被磨穿后,其摩擦磨损性能会急剧降低。
等通道转角挤压(Equal Channel Angular Extrusion),简称ECAE,是为获得纯剪切应变而开发的,用于不改变材料的三维尺寸,进行多次加工而获得特殊的变形织构。现有技术中,ECAE可以有效地细化铝、铜、镁、钛、镍、铁等材料晶粒。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,利用ECAE热挤压工艺制备65Mn钢,并采用特定的工艺步骤,可有效地细化该材料的微观组织,进而提高65Mn钢的力学性能和耐磨性能。
为达到前述发明目的,本发明所运用的技术方案包括:一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,工艺步骤包括:
用等离子切割机将65Mn钢材料切割成长方体,对切割后得到的长方体进行倒角处理,倒角处理后利用磨床进行磨削抛光,并用丙酮擦洗表面,擦洗后用玻璃润滑剂进行涂覆,制得坯料;
将制得的坯料在800~900℃下保温20min;
在第一模具内表面涂覆润滑剂,将第一模具置于600℃下保温1h进行预热,其中,第一模具具有竖直的进入通道及水平的挤出通道,进入通道主体与挤出通道所夹的内转角Φ为90°,第一模具通道外转角ψ为15°,进入通道在靠近第一模具内转角的一侧设置有偏向挤出通道并与进入通道成2.5°夹角的斜面,斜面在竖直方向的长度为20mm;
将坯料和第一模具取出,并将坯料放入第一模具的进入通道中,对坯料施加压力,进行ECAE热挤压处理,坯料经挤出通道被挤出;
将经上一挤压工序处理后的坯料绕坯料长度方向的轴旋转180°,再次放入第一模具中进行ECAE热挤压处理;
在第二模具内表面涂覆润滑剂,将第二模具置于500℃下保温0.5h进行预热,其中,第二模具具有三通道,包括进入通道、水平的挤出通道以及与挤出通道贯通的超声振动通道,进入通道与挤出通道所夹的内转角Φ为115°,所夹外转角ψ为10°;
将经第一模具处理过的坯料首尾倒置,并置入第二模具的进入通道中,对坯料施加压力,进行ECAE热挤压处理,利用超声波发生器在超声振动通道内对坯料施加支承力,同时在水平的挤出通道处施加背压力,坯料经挤出通道被挤出;
将经上一挤压工序处理的坯料绕坯料长度方向的轴顺时针旋转90°,再次放入第二模具中进行ECAE热挤压处理;
在第三模具内表面涂覆润滑剂,将第三模具置于400℃下保温25min进行预热,其中,第三模具具有三通道,包括进入通道、水平的挤出通道以及与进入通道贯通的超声振动通道,进入通道与挤出通道所夹的内转角Φ为100°,所夹外转角ψ为10°;
将经第二模具处理过的坯料旋转180°,并置入第三模具的进入通道中,对坯料施加压力,进行ECAE热挤压处理,利用超声波发生器在超声振动通道内对坯料施加支承力,同时在水平的挤出通道处施加背压力,坯料经挤出通道被挤出;
将经上一挤压工序处理的坯料绕坯料长度方向的轴顺时针旋转90°,再次放入第三模具中进行ECAE热挤压处理;
对挤压后的坯料进行退火处理。
优选地,用等离子切割机将65Mn钢材料切割成尺寸为100mm×9.9mm×9.9mm规格的长方体。
优选地,以上各通道截面均为10×10mm。
优选地,利用四柱式液压机在进入通道对坯料施加压力,挤压速度为0.4mm/s。
优选地,在第二模具和第三模具中可同时利用超声波发生器和液压机同方向分别施加振动和压力,作用于进入通道内的坯料。
优选地,其中超声波频率为15Khz,振幅为0.5微米。
优选地,在第二模具中挤压时施加的背压力为500MPa。
优选地,在第三模具中挤压时施加的背压力为250MPa。
优选地,在第一、二、三模具涂覆中的润滑剂为石墨或二硫化钼。
优选地,对挤压后的坯料在400℃-600℃下退火1-3h。
与现有技术相比,本发明的优点是:
(1)针对农业机械耕整地机具使用中磨损严重、寿命低的现状,创造性地利用ECAE热挤压工艺制备农机具用的65Mn钢材料,使材料的显微硬度明显提高,材料组织也得到改善、性能得到提高。
(2)通过试验及计算机仿真,设计出多种不同的模具,结合处理过程中不同的施压方式对65Mn钢材料进行处理。
(3)依特定工序对坯料进行处理后,材料内部原始珠光体组织出现大的塑性变形,珠光体内部渗碳体组织被破坏,渗碳体均匀溶解于超细晶铁素体基体组织中,最后形成等轴超细晶组织。
附图说明
图1为本发明第一模具的截面示意图。
图2为本发明第二模具挤压坯料过程中的截面示意图。
图3为本发明第三模具挤压坯料过程中的截面示意图。
图4a为坯料处理前的微观组织图。
图4b为经处理后的坯料横截面金相图。
图4c为经处理后的坯料纵截面金相图。
具体实施方式
为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂,下文以本发明的较佳实施例为例,并参照附图,做详细说明如下。
优选实施例的处理工艺步骤包括:
用等离子切割机将65Mn钢材料切割成尺寸为100mm×9.9mm×9.9mm规格的长方体,对切割后得到的长方体进行倒角处理,倒角处理后利用磨床进行磨削抛光,并用丙酮擦洗表面,擦洗后用玻璃润滑剂进行涂覆,制得坯料;
将制得的坯料在850℃下保温20min;
在第一模具内表面涂覆二硫化钼润滑剂,将第一模具置于600℃下保温1h进行预热,其中,如图1所示,第一模具1具有竖直的进入通道11及水平的挤出通道12,各通道截面均为10×10mm,进入通道11的主体与挤出通道12所夹的内转角为Φ=90°,第一模具通道外转角ψ为15°,进入通道11在靠近第一模具内转角的一侧设置有偏向挤出通道12并与进入通道11成λ=2.5°夹角的斜面111,斜面111在竖直方向的长度为L=20mm;
将坯料和第一模具1同时取出,并将坯料放入第一模具1的进入通道11中,利用四柱式液压机在进入通道11对坯料施加压力,挤压速度为0.4mm/s,坯料经挤出通道12被挤出;
将坯料绕坯料长度方向的轴顺时针旋转180°,再次放入第一模具1中进行ECAE热挤压处理;
在第二模具内表面涂覆二硫化钼润滑剂,将第二模具置于500℃下保温0.5h进行预热,其中,如图2所示,第二模具2具有三通道,包括进入通道21、水平的挤出通道221以及与挤出通道贯通的超声振动通道222,各通道截面均为10×10mm,进入通道21与挤出通道221所夹的内转角Φ为115°,进入通道21与挤出通道221所夹的外转角ψ为10°;
将坯料首尾倒置,并置入经预热的第二模具的进入通道21中,对坯料B施加压力F1,进行ECAE热挤压处理,利用超声波发生器10在超声振动通道222内对坯料B施加支承力F2,同时在水平的挤出通道221处逆挤出方向对坯料B施加500MPa的背压力F3,坯料B经挤出通道221被挤出;
将坯料绕坯料长度方向的轴顺时针旋转90°,再次放入第二模具中进行ECAE热挤压处理,处理过程同上;
在第三模具内表面涂覆二硫化钼润滑剂,将第三模具置于400℃下保温25min进行预热,其中,如图3所示,第三模具3具有三通道,包括进入通道311、水平的挤出通道32以及与进入通道311贯通的超声振动通道312,各通道截面均为10×10mm,进入通道311与挤出通道32所夹的内转角Φ为100°,进入通道311与挤出通道32所夹的外转角ψ为10°;
将坯料旋转180°,并置入经预热的第三模具3的进入通道311中,对坯料B施加压力F1,进行ECAE热挤压处理,利用超声波发生器在超声振动通道312内对坯料B施加支承力F2,同时在水平的挤出通道32处逆挤出方向对坯料B施加250MPa的背压力F3,坯料经挤出通道32被挤出;
将坯料B绕坯料长度方向的轴顺时针旋转90°,再次放入第三模具中进行ECAE热挤压处理,处理过程同上;对挤压后的坯料在500℃下退火1.5h。
作为另外的实施方式,还可以同时利用超声波发生器和液压机同方向分别施加振动和压力致压头,进而作用于进入通道内的坯料,挤压速度为0.7mm/s。
其中超声波频率为15Khz,振幅为0.5微米。
经以上优选实施例工艺方法处理过的坯料晶粒细化均匀显著,硬度明显提高,材料组织也得到改善、性能得到提高。
参照图4a-4c,65Mn钢进行工艺处理前的微观组织如图4a所示,经过所述工艺处理后,坯料横截面金相图如图4b所示、坯料纵截面金相图如图4c所示。未挤压前坯料金相组织主要是大块片层状珠光体和铁素体,片层间距为0.15μm,经过挤压处理后,内部原始珠光体组织出现大的塑性变形,内部渗碳体组织被破坏,由于等径角挤压渗碳体发生大的塑性变形出现球化状,出现细晶渗碳体,渗碳体平均晶粒尺寸为0.22μm,随着退火工艺处理渗碳体均匀熔解于超细晶铁素体基体组织中。
由图4a-4c可知,当坯料通过所述工艺挤压后时,65Mn钢金相组织挤压前后对比,晶粒结构、晶粒尺寸发生变化,合金内部发生大的塑形变形,晶粒明显细化。经过热挤压处理后,65Mn钢受到剪切力的作用晶粒发生位错,产生晶体缺陷,加速渗碳体球化,先形成板条胞状组织,然后转变为亚晶组织,最后转变为等轴超细晶组织。
65Mn钢经过ECAE热挤压处理后,因发生大的塑性变形,内部组织有应力存在,所以必须进行退火处理。
另外,65Mn钢的显微硬度在ECAE热挤压前后发生了很大的变化。坯料未经过ECAE挤压处理的显微硬度为305HV,坯料在经过所述工艺方法进行挤压处理后其硬度提高到了380HV,相对挤压前硬度提高了25%,这说明了65Mn钢的硬度在经处理后显著提高,挤压后合金具有相对高的硬度。
65Mn钢经过所述工艺处理后显微组织细化引起硬度增加,坯料组织被显著细化,合金晶粒尺寸在挤压后显著减小,晶粒数量增加,促使其坯料细化效果也比较明显。同时,65Mn钢在挤压过程中发生剧烈塑性变形,65Mn钢材料内部位错密度也随之变大,晶格畸变弹性能量增大,所述工艺处理使得65Mn钢材料的硬度和强度均得到提高。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,其特征在于:工艺步骤包括:
S1)用等离子切割机将65Mn钢材料切割成长方体,对切割后得到的长方体进行倒角处理,倒角处理后利用磨床进行磨削抛光,并用丙酮擦洗表面,擦洗后用玻璃润滑剂进行涂覆,制得坯料;
S2)将制得的坯料在800~900℃下保温20min;
S3)在第一模具内表面涂覆润滑剂,将第一模具置于600℃下保温1h进行预热,其中,第一模具具有竖直的进入通道及水平的挤出通道,进入通道主体与挤出通道所夹的内转角Φ为90°,第一模具通道外转角ψ为15°,进入通道在靠近第一模具内转角的一侧设置有偏向挤出通道并与进入通道成2.5°夹角的斜面,斜面在竖直方向的长度为20mm;
S4)将坯料和第一模具取出,并将坯料放入第一模具的进入通道中,对坯料施加压力,进行ECAE热挤压处理,坯料经挤出通道被挤出;
S5)将经S4处理的坯料绕坯料长度方向的轴旋转180°,再次放入第一模具中进行ECAE热挤压处理;
S6)在第二模具内表面涂覆润滑剂,将第二模具置于500℃下保温0.5h进行预热,其中,第二模具具有三通道,包括进入通道、水平的挤出通道以及与挤出通道贯通的超声振动通道,进入通道与挤出通道所夹的内转角Φ为115°,所夹外转角ψ为10°;
S7)将经S5处理的坯料首尾倒置,并置入经S6的第二模具的进入通道中,对坯料施加压力,进行ECAE热挤压处理,利用超声波发生器在超声振动通道内对坯料施加支承力,同时在水平的挤出通道处施加背压力,坯料经挤出通道被挤出;
S8)将经S7处理的坯料绕坯料长度方向的轴顺时针旋转90°,再次放入第二模具中进行ECAE热挤压处理;
S9)在第三模具内表面涂覆润滑剂,将第三模具置于400℃下保温25min进行预热,其中,第三模具具有三通道,包括进入通道、水平的挤出通道以及与进入通道贯通的超声振动通道,进入通道与挤出通道所夹的内转角Φ为100°,所夹外转角ψ为10°;
S10)将经S8处理的坯料绕坯料长度方向的轴旋转180°,并置入经S9的第三模具的进入通道中,对坯料施加压力,进行ECAE热挤压处理,利用超声波发生器在超声振动通道内对坯料施加支承力,同时在水平的挤出通道处施加背压力,坯料经挤出通道被挤出;
S11)将经S10处理的坯料绕坯料长度方向的轴顺时针旋转90°,再次放入第三模具中进行ECAE热挤压处理;
S12)对挤压后的坯料进行退火处理。
2.如权利要求1所述的一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,其特征在于:用等离子切割机将65Mn钢材料切割成尺寸为100mm×9.9mm×9.9mm规格的长方体。
3.如权利要求1所述的一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,其特征在于:以上各通道截面均为10×10mm。
4.如权利要求1所述的一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,其特征在于:利用四柱式液压机在进入通道对坯料施加压力,挤压速度为0.4mm/s。
5.如权利要求1所述的一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,其特征在于:在S7和S10中可同时利用超声波发生器和液压机同方向分别施加振动和压力,作用于进入通道内的坯料。
6.如权利要求1-5之任一项所述的一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,其特征在于:其中超声波频率为15Khz,振幅为0.5微米。
7.如权利要求1所述的一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,其特征在于:S7中施加的背压力为500MPa。
8.如权利要求1所述的一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,其特征在于:S10中施加的背压力为250MPa。
9.如权利要求1-5、7、8之任一项所述的一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,其特征在于:S3、S6、S9中的润滑剂为石墨或二硫化钼。
10.如权利要求1-5、7、8之任一项所述的一种ECAE处理65Mn钢材料的工艺方法,其特征在于:S12中在400℃-600℃下退火1-3h。
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