專利名稱：一種利用剪切變形提高鑄錠加工成型性能的開坯工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種材料加工領域的新型技術方法，具體地說是通過將金屬或合金鑄錠坯料均勻化熱處理后，利用剪切變形開坯模具進行剪切變形，改善鑄錠組織，提高鑄錠坯料在后續(xù)鍛造、擠壓、軋制和拉拔等深加工成型處理過程中的成型性能的一種新型鑄錠開坯工藝。
背景技術：
金屬及其合金材料在國民經濟各個領域都有廣闊的應用，特別是鑄件。但是，鑄件組織一般比較粗大，使得材料的脆性增加，強度和塑性較低。且鑄件容易存在氣孔、疏松、氣泡和微裂紋等空洞性缺陷，以及偏析、夾雜等固態(tài)缺陷。隨著鑄件界面尺寸增大，這些缺陷會更加嚴重，如果沒有通過有效途徑消除這些缺陷，將造成工件報廢；如果在實際使用服役中，甚至會造成工程事故。
變形材料比鑄造材料一般具有更高的強度和延展性，適合用于制造承受大載荷的零件；而且通過對變形加工工藝的控制，可得到更多樣化的產品形式和力學性能。但是，一些金屬和合金的塑性較差，變形困難。例如，在密排六方的鎂基輕質材料中，由于鎂合金的晶體結構大部分為密排六方體系，在室溫下只有基面滑移系可以開動，塑性較差使得加工變形比較困難。較高溫度下可以提高加工成型性能，但是由于經濟和安全考慮，熱加工的溫度也不能過高。中等溫度下，密排六方的結構能夠啟動的滑移系仍然有限，從而塑性加工性能不足。如何提高金屬鑄錠的加工變形能力，并且在變形過程中控制其綜合力學性能，一直是發(fā)展金屬材料的熱加工變形技術的重點和難點之一。
金屬鑄錠通過塑性變形開坯可以減少或消除鑄造缺陷，細化晶粒，改善鑄錠的組織，從而提高鑄錠的深加工如鍛造、擠壓、軋制、拉拔等塑性加工成型性能?，F有的金屬和合金的開坯技術，大多采用擠壓、鍛造和軋制等傳統(tǒng)的熱加工技術。這些傳統(tǒng)的鑄錠開坯技術，通過熱鍛和熱軋可以在一定程度上減小鑄錠的晶粒尺寸，但其加工效率低且對于塑性的改善程度有限。另外，傳統(tǒng)開坯技術如擠壓、鍛造等采用正壓力加載，變形量受到設備噸位和壓頭行程等各方面限制、其塑性加工零件的尺寸有限，且受到材料本身塑性加工性能極限的限制，生產大型塑性加工零件比較困難。特別是在密排六方結構金屬和合金中，如鎂合金。因為在鎂合金變形過程中，基面滑移最容易被激活，而其它非基面滑移則難以啟動；孿生一定程度上發(fā)生，但具有一定的方向性，且產生的輔助變形量非常有限。由于鎂的這些晶體塑性變形特征，在熱鍛和熱軋等正壓力熱加工過程中，一方面造成坯料容易開裂，限制了每一道次的變形量，加工效率較低，組織細化效果較差；另一方面由于可以開動的非基面滑移較少，基面滑移和孿生成為主要的變形模式，容易使坯料形成強烈的基面織構。這種在熱鍛和熱軋中易產生的強烈基面織構，造成了材料的各向異性特別嚴重，對坯料的深加工成型非常不利。從而，經傳統(tǒng)熱鍛和熱軋開坯后的鑄錠在后續(xù)深加工過程中變形更加困難，往往失去了開坯本來的意義。
因此，現有的開坯技術急切需要改進，同時更需要發(fā)展一些區(qū)別于傳統(tǒng)開坯工藝的新型的開坯技術。目前面臨的問題是，如何在開坯的過程中減小開裂現象，且通過足夠的變形量來改善坯料的組織性能，特別是如何控制開坯過程中形成的織構的類型和強度，減少不利于后續(xù)加工的織構形成，以利于后續(xù)的鍛造、擠壓、軋制、拉拔等工件深加工成型處理。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現有鑄錠開坯技術的不足，提供一種利用剪切變形使鑄錠獲得高的深加工成型性能的開坯工藝，解決現有開坯技術存在的變形困難、開裂現象及成型性能較差等問題。它是通過應用剪切力引起的塑性變形來細化鑄錠粗大的晶粒組織，控制鑄錠中的組織織構，使鑄錠坯料在后續(xù)的鍛造、擠壓、軋制和拉拔等深加工成型過程中，具有較好的加工成型性能。
本發(fā)明的技術方案是本發(fā)明通過利用剪切變形對鑄錠變形，并結合相應的熱處理制度，來提高鑄錠坯料的加工成型性能，包括優(yōu)化的剪切變形開坯模具裝置及其剪切變形開坯工藝流程。具體的技術步驟如下(1)所有鑄錠經過規(guī)整加工成外形和尺寸統(tǒng)一的規(guī)則的坯料。其鑄錠適用于各種金屬及合金材料；規(guī)整后的坯料為具有一定橫截面形狀的長棒，橫截面可以為圓形、橢圓形、矩形、三角形、梯形或者其它易于加工的形狀，優(yōu)選圓形和矩形。圓形橫截面的直徑，矩形、三角形或梯形橫截面的各邊長度和其它易于加工的形狀的幾何特征尺寸是該橫截面的特征尺寸；其特征尺寸D應在0～5000mm范圍內選取，優(yōu)選范圍在0.5～1000mm內；棒長L0一般為0.5～10000mm，優(yōu)選范圍0.5～5000mm。
(2)根據規(guī)整后的坯料外形尺寸，按照圖2中的示意圖設計制造剪切變形開坯模具裝置，并安裝到擠壓動力設備上，調試待用。設計的剪切變形開坯模具的擠壓入口通道的橫截面形狀為規(guī)整后得到的鑄錠坯料的橫截面形狀，一般為圓形、橢圓形、矩形、三角形、梯形或其它易于加工的形狀；模具入口通道橫截面的尺寸稍大于坯料橫截面的尺寸，間隙尺寸為0.1～10mm，以0.5～1mm為佳；入口通道的長度稍微長于坯料和擠壓頭的總長度，總長度L一般在0.5～20000mm范圍內優(yōu)選；模具有加熱和控溫裝置。模具的出口通道的橫截面形狀和尺寸可以跟入口通道的相同或者不同，優(yōu)選形狀和尺寸相同的情況；當出口通道橫截面積大于入口通道的面積時，必須在出口通道增加反擠壓部分。模具兩個通道的內接轉角弧度Φ和外接轉角弧度Ψ分別在0～170°之間選取，優(yōu)選范圍分別為90～150°和0～90°。
(3)規(guī)整后的合金鑄錠坯料放入加熱爐在室溫至1500℃進行均勻化處理0～240h；溫度優(yōu)選范圍為200～600℃，處理時間優(yōu)選范圍為0～24h。處理直接在大氣中進行，或者采用氣氛保護，氣氛優(yōu)選二氧化碳或氬氣。
(4)處理后的合金坯料放入剪切變形開坯模具入口通道，在溫度為室溫至1500℃下預熱0～10h后，以一定擠壓速度為0.5～2000mm/min從模具中剪切變形開坯。開坯擠壓前的預熱可在加熱爐中或者直接在模具入口通道中進行，預熱溫度優(yōu)選范圍為100～600℃，預熱處理時間優(yōu)選范圍為0～2h，擠壓速度優(yōu)選范圍為50～100mm/min。
(5)坯料放入加熱爐中在室溫至1500℃進行再結晶退火處理0～24h，退火溫度優(yōu)選范圍為200～600℃，退火時間優(yōu)選范圍為0～2h；如果坯料材質在擠壓過程中充分動態(tài)再結晶，也可以不進行再結晶退火處理；處理直接在大氣中進行，或者采用保護性氣氛保護，氣氛優(yōu)選二氧化碳或氬氣。
(6)評價合金組織，如果上述加工道次的組織不足以滿足后續(xù)深加工的要求，即為不合格開坯組織，則重復上述步驟(4)～(6)；如果組織滿足后續(xù)加工要求，即為合格開坯組織，則進入步驟(7)。組織滿足后續(xù)加工要求是指，其成型性能能夠滿足擠壓、鍛造、軋制和拉拔等深加工成型處理所需要的平均晶粒尺寸要求，其尺寸范圍為0.1～50μm。進行多道次擠壓開坯時，坯料在重新放入模具入口通道時，可以繞坯料的長軸向旋轉一定角度再放入，旋轉角度為90～360°，也可以不旋轉直接放入。
(7)修整坯料，進行擠壓、鍛造、軋制和拉拔后續(xù)深加工成型處理。所進行的深加工成型處理，為擠壓、鍛造、軋制和拉拔等深加工成型處理過程中的一種，或者是它們中的幾種組合而成的深加工成型處理過程。
本發(fā)明通過總結鑄錠在剪切變形過程中組織流動特點，以及變形溫度對鑄錠組織晶粒大小和力學性能的影響得到。剪切變形開坯技術有別于傳統(tǒng)的擠壓、鍛造和軋制等開坯工藝使用的正應力，它是利用在剪切變形模具的轉角處產生的剪切應力來實現剪切變形開坯。材料在通道轉角處受到強烈的剪切變形后，原始粗大晶粒被破碎，通過再結晶得到均勻組織。如果兩個通道的橫截面形狀和面積基本不變，可以無限次重復剪切變形過程，利用通道連接處強烈剪切應變的累積效應，在保持大塊體坯料的狀態(tài)下經反復多次剪切變形的累積迭加而得到相當大的總應變量，從而使晶粒尺寸顯著細化，產生微米甚至亞微米級晶粒。在坯料不發(fā)生開裂的前提下，剪切變形溫度越低，開坯細化的效果更加明顯，變形后坯料的組織越細小。再加上適當的再結晶退火工藝，使得開坯后的組織更加均勻。這種均勻細小的組織，在后續(xù)的深加工中，具有更好的變形性能，提高了產品的成品率，從而擴大了金屬及合金的變形產品數量和質量，為變形金屬和合金的更廣泛應用提供了推動力。
與現有的開坯技術相比，本發(fā)明在研究剪切力作用下塑性變形量、坯料旋轉方式和變形溫度對鑄錠坯料的微觀組織及其力學性能的影響的基礎上，利用剪切變形開坯技術在實現深度塑性變形、有效細化鑄錠的晶粒的同時，優(yōu)化了它們的組織織構類型；特別是，在一些密排六方的金屬和合金中，這種剪切變形開坯能形成與材料的徑向呈一定傾斜角度的基面織構，并且可以通過各道次之間的轉動來控制不同的織構類型的形成。因此，它克服了在傳統(tǒng)開坯技術中易形成強烈的基面垂直主應力的織構而引起明顯的力學性能各向異性這一缺點。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.本發(fā)明工藝流程和設備簡單易行，且由于利用剪切力，使得較傳統(tǒng)的擠壓、鍛造、軋制等開坯方法對動力裝置的要求大大降低，節(jié)省能源和資金，經濟效益提高。
2.本發(fā)明成功地改善了一些塑性差的金屬和合金塑性加工成形性能不足的問題，并克服了易形成不利于深加工的織構的缺點，能初步實現組織織構控制，制備的坯料加工成型性能增長明顯，開坯效果較傳統(tǒng)的擠壓、鍛造、軋制工藝更好。
3.本發(fā)明制備的坯料可以滿足對組織和形狀的多種需要?？梢圆桓淖冊瓉砼髁系耐庥^尺寸，從而可以直接或稍經處理就重復開坯，節(jié)省工藝；通過控制重復開坯次數，可以簡單地實現不同程度的成型性能提高，滿足不同深加工需求。同時也可以根據需要通過調整模具來獲得尺寸和形狀發(fā)生改變的坯料，滿足各種深加工對坯料不同形狀的需要。
4.本發(fā)明廣泛地適用于各種金屬及其合金材料，如鐵、鎂、鈦、鋁、銅、鋅、鎳和金屬間化合物等，可以根據實際需要進行開坯處理；也可以推廣應用于其它類似的非金屬材料開坯處理。


圖1是利用剪切變形提高鑄錠成型性能的新型開坯工藝流程圖。
圖2是利用剪切變形提高鑄錠加工成型性能的新型開坯工藝的剪切變形開坯模具裝置示意圖；其中各部分分別為1、擠壓入口通道；2、擠壓模體；3、加熱層；4、擠壓出口通道；5、反擠壓部分；6、支撐底座；7、熱電偶；8、坯料；9、擠壓頭；10、外加壓力；11、反擠壓力。
圖3(a)-(b)是鑄態(tài)和一道次開坯處理后的WE54鎂合金的組織形貌圖(a)鑄態(tài)；(b)一道次開坯處理后。
圖4(a)-(b)是鑄態(tài)和四道次開坯處理后的WE54鎂合金試樣在400℃下以0.01s-1壓縮50％應變量后的實物圖(a)鑄態(tài)；(b)一道次開坯處理后。
圖5(a)-(b)是鑄態(tài)和四道次開坯處理后的ZW61鎂合金的組織形貌圖(a)鑄態(tài)；(b)四道次開坯處理后。
圖6(a)-(b)是鑄態(tài)和四道次開坯處理后的ZW61鎂合金試樣在300℃下以0.01s-1壓縮50％應變量后的實物圖(a)鑄態(tài)和(b)四道次開坯處理后。
具體實施例方式
利用本發(fā)明的剪切變形提高鎂合金加工成型性能的鑄錠開坯新型工藝技術流程如圖1所示，具體的技術步驟如下(1)所有金屬或合金鑄錠經過規(guī)整加工成統(tǒng)一規(guī)則的外形坯料。
(2)根據規(guī)整后的坯料外形尺寸，按照圖2中的示意圖設計制造剪切變形開坯模具裝置，并安裝到擠壓動力設備上，調試好待用。
(3)規(guī)整后的鑄錠坯料放入加熱爐進行均勻化處理。
(4)處理后的坯料放入剪切變形開坯模具裝置入口通道；坯料在擠壓溫度下于模具裝置中或加熱爐中預熱一段時間后，以一定速度從模具中剪切變形開坯；鑄錠通過擠壓開坯后，從模具中取出。
(5)放入加熱爐中進行再結晶退火處理。
(6)評價坯料組織如果上述加工道次的組織不足以滿足后續(xù)深加工的要求，即為不合格開坯組織，則重復步驟(4)～(6)；如果組織滿足后續(xù)加工要求，即為合格開坯組織，則進入步驟(7)。
(7)修整坯料，進行擠壓、鍛造、軋制和拉拔等后續(xù)深加工成型處理，得到工件。
如圖2所示，本發(fā)明新型開坯工藝的剪切變形開坯模具裝置包括擠壓入口通道1，擠壓模體2，加熱層3，擠壓出口通道4，反擠壓部分5，支撐底座6，熱電偶7，擠壓頭9。其中，擠壓模體2內設置以一定弧度相互連通的擠壓入口通道1和擠壓出口通道4，擠壓模體2外側設置加熱層3，擠壓模體2底部與支撐底座6連接，用于監(jiān)控溫度的熱電偶7的頭部插裝于擠壓模體2中的通道轉角附近，擠壓入口通道1設置擠壓頭9，擠壓出口通道4設置反擠壓部分5。坯料8從擠壓入口通道1放入，反擠壓部分5開始時候置于通道轉角附近。剪切變形開坯時，通過外加壓力10對擠壓頭9施加壓力，將坯料8沿著擠壓入口通道1從擠壓出口通道4擠出。在擠壓出口橫截面積小于擠壓入口通道橫截面積時，為了使得坯料充滿整個擠壓出口通道，需在反擠壓部分5加上反擠壓力11，其力大小為能使坯料充滿整個出口通道即可。
下面結合實施例詳述本發(fā)明實施例1本實施例1的合金為WE54鑄造鎂合金，初始平均晶粒尺寸約為85μm(見圖3a)。原始鑄態(tài)合金在室溫下以0.01s-1壓縮的最大限度壓下量約為8％。為了進一步鍛造成型成工件，要求組織細化到15μm以下。
對該合金運用本發(fā)明進行剪切變形開坯處理規(guī)整后坯料的尺寸為12×12×100mm的鑄態(tài)擠壓棒；根據圖2，設計并制造模具，選取兩相等的模具通道，尺寸為12×12×130mm的長方體，內接轉角弧度Φ為90°，外接轉角弧度Ψ為0°。坯料在箱式電阻爐中于525℃均勻化處理8小時后空冷待用；然后坯料在模具的入口通道內，在420℃保溫20分鐘后以15mm/min的速度進行擠壓開坯處理。擠壓開坯完成后從模具中取出坯料，使用箱式電阻爐在450℃退火處理1.5小時。開坯后合金坯料細化組織的晶粒尺寸約為10μm(圖3b)。對WE54鎂合金的加工性能進行檢測，切取Φ8×10mm試樣，在室溫下以0.01s-1壓縮，開坯后坯料最大壓下量約提高到12％；在400℃下以0.01s-1壓縮50％應變量，原始鑄態(tài)合金已經發(fā)生剪切開裂(圖4a)，而開坯后的合金試樣完好，沒有裂紋存在(圖4b)，開坯后合金坯料的加工性能得到提高。
實施例2與實施例1不同之處在于本實施例2的合金為鑄態(tài)ZW61合金，初始平均晶粒尺寸約為200μm(見圖5a)。鑄態(tài)合金在室溫下以0.01s-1壓縮的最大限度壓下量為10％。如為了進一步拉拔深加工，要求組織細化到8μm以下。
對該合金運用本發(fā)明進行剪切變形開坯處理第(1)步，對該合金鑄錠進行規(guī)整處理，規(guī)整后坯料的尺寸為12×12×100mm的鑄態(tài)擠壓棒；第(2)步根據圖2，設計并制造模具，選取兩相同的模具通道，尺寸為12×12×130mm的長方體，內接轉角弧度Φ為90°，外接轉角弧度Ψ為90°；第(3)步將坯料在箱式電阻爐中在450℃均勻化處理10小時后空冷待用；然后進行第(4)步，將坯料放入模具的入口通道中，在350℃保溫15分鐘后以10mm/min的速度進行剪切變形開坯處理，擠壓開坯完成后從模具中取出坯料；第(5)步，對處理完后的合金再重復第(4)～(6)步，每兩道次之間坯料繞其徑向順時針旋轉90°，共進行了四道次開坯擠壓處理；最后，第(6)步，擠壓后的坯料放入箱式電阻爐中，在350℃退火處理1小時。開坯處理完成的合金坯料細化組織的平均晶粒尺寸約為5μm(如圖5b)，滿足后續(xù)拉拔深加工成型要求。對鑄態(tài)ZW61合金的加工性能進行檢測，切取Φ8×10mm試樣，在室溫下以0.01s-1壓縮，四道次開坯后最大壓下量提高到26％左右；在300℃下以0.01s-1壓縮50％應變量，原始鑄態(tài)合金已經發(fā)生剪切開裂(圖6a)，而經過開坯的合金試樣完好，沒有裂紋存在(圖6b)，開坯后合金坯料的加工性能明顯提高。
實例表明，在本發(fā)明的技術方案范圍內，均可解決現有開坯技術存在的變形困難、鑄錠容易開裂等問題，顯著提高鑄錠開坯后的深加工成型性能，達到本發(fā)明目的。
權利要求
1.一種利用剪切變形提高鑄錠加工成型性能的開坯工藝，其特征在于該工藝的具體步驟為(1)把金屬或合金鑄錠外形規(guī)整成形狀和尺寸統(tǒng)一的坯料；(2)按照規(guī)整后的形狀和尺寸，準備好剪切變形開坯模具；(3)鑄錠坯料按設定溫度為室溫至1500℃，在加熱爐中均勻化處理0～240h；(4)均勻處理后的坯料放入剪切變形開坯模具入口通道，在開坯溫度為室溫至1500℃下預熱0～10h，然后在擠壓速度為0.5～2000mm/min范圍內進行剪切變形開坯；(5)鑄錠坯料通過剪切變形后，從模具中取出，放入加熱爐中在室溫至1500℃條件下再結晶退火處理0～24h；(6)評價坯料組織如果上述加工道次的組織不足以滿足后續(xù)深加工的要求，即為不合格開坯組織，則重復上述步驟(4)～(6)，進行多道次擠壓開坯；如果組織滿足后續(xù)加工要求，即為合格開坯組織，則進入步驟(7)；(7)合格的坯料經過修整后進行擠壓、鍛造、軋制和拉拔深加工成型處理。
2.按照權利要求1所述的開坯工藝，其特征在于步驟(1)中鑄錠適用于各種金屬及合金材料；規(guī)整后的坯料為具有一定截面形狀的長棒，截面為圓形、橢圓形、矩形、三角形、梯形或者其它易于加工的形狀。
3.按照權利要求1所述的開坯工藝，其特征在于步驟(2)中設計的剪切變形開坯模具的擠壓入口通道的橫截面形狀為規(guī)整后得到的鑄錠坯料實際形狀的截面，橫截面形狀為圓形、橢圓形、矩形、三角形、梯形或其它易于加工的形狀；模具入口通道的尺寸稍大于坯料的尺寸，間隙尺寸為0.1～10mm；入口通道的長度長于坯料和擠壓頭的總長度。
4.按照權利要求1所述的開坯工藝，其特征在于步驟(2)中的剪切變形開坯模具的出口通道的橫截面形狀和尺寸跟入口通道的相同或不同；當出口通道橫截面積大于入口通道的面積時，在出口通道增加反擠壓部分；兩個通道相交的內接轉角弧度Φ和外接轉角弧度ψ分別在0～170°之間選取。
5.按照權利要求1所述的開坯工藝，其特征在于步驟(3)中，對給定的鑄錠坯料進行均勻化處理的溫度和時間的優(yōu)選范圍在200～600℃和0～24h之間；處理直接在大氣中進行，或者采用保護性氣氛，保護氣氛為二氧化碳或氬氣。
6.按照權利要求1所述的開坯工藝，其特征在于步驟(4)中，鑄錠坯料開坯擠壓前的預熱溫度優(yōu)選范圍在100～600℃之間，預熱時間優(yōu)選范圍0～2h，在加熱爐中或者直接在模具入口通道中進行；擠壓速度優(yōu)選范圍在50～100mm/min內。
7.按照權利要求1所述的開坯工藝，其特征在于步驟(5)中，進行再結晶退火處理，其溫度優(yōu)選范圍在200～600℃之間，處理的時間優(yōu)選范圍為0～2h；處理直接在大氣中進行，或者采用保護性氣氛，保護氣氛為二氧化碳或氬氣。
8.按照權利要求1所述的開坯工藝，其特征在于步驟(6)中的組織滿足后續(xù)加工要求，是指其成型性能能夠滿足擠壓、鍛造、軋制和拉拔深加工成型處理所需要的平均晶粒尺寸要求，其尺寸范圍為0.1～50μm。
9.按照權利要求1所述的開坯工藝，其特征在于步驟(6)中進行多道次擠壓開坯時，坯料在重新放入模具入口通道時，繞坯料的長軸向旋轉一定角度再放入，旋轉角度為90～360°，或者不旋轉直接放入。
10.按照權利要求1所述的開坯工藝，其特征在于步驟(7)中進行的深加工成型處理工藝，為擠壓、鍛造、軋制和拉拔深加工成型處理過程中的一種，或者是它們中的幾種組合而成的深加工成型處理過程。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鑄錠開坯的新型工藝，具體地說是一種利用剪切力對金屬及其合金鑄錠變形，并結合相應的熱處理，來提高坯料的深加工成型性能的新型鑄錠開坯工藝。其技術流程為先對鑄錠的外形進行規(guī)整；再按照規(guī)整后的形狀和尺寸，設計一種剪切變形開坯模具；把均勻化熱處理過的坯料放入模具的入口通道，在開坯溫度下保溫一定時間后，以一定速度剪切開坯；鑄錠坯料通過剪切變形開坯，從模具中取出后進行再結晶退火處理；再經修整后進行擠壓、鍛造、軋制和拉拔等深加工成型處理。本發(fā)明的開坯設備和工藝流程簡單，開坯后鑄錠的成型性能得到大幅度提高，且能夠精確控制坯料的形狀和尺寸，是一種鑄錠開坯新型工藝，可廣泛適用于各種金屬及其合金材料。
文檔編號B22D27/00GK101081430SQ200710011960
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月4日 優(yōu)先權日2007年7月4日
發(fā)明者唐偉能, 陳榮石, 韓恩厚 申請人:中國科學院金屬研究所