專利名稱：一種大塑性變形細化晶粒方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超細晶材料加工技術(shù)，特別是一種制備超細晶材料的大塑性變形加工方法。
背景技術(shù)：
金屬材料晶粒越細，其室溫強度越高，而且韌性也同時提高。因此細化晶粒是控制金屬材料組織的最重要、最基本的方法。細化晶粒的方法主要有利用相變和再結(jié)晶的熱處理(或形變熱處理)，鋼液超速急冷，機械合金化(或機械碾磨)，超細粒子燒結(jié)，非晶晶體化，以及大塑性變形加工等方法。其中，近年來不斷發(fā)展的通過使材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形，從而達到組織細化的大塑性變形加工方法，具有將粗晶金屬的晶粒細化到納米量級的巨大潛力，越來越受到企業(yè)及研究機構(gòu)的關(guān)注。但現(xiàn)有的大塑性變形方法，如等徑角擠壓法(Equal Channel AngularExtrusion, M 禾爾 ECAE)，冑 J￡ & fe (High Pressure torsion, M 禾爾 HPT)， β. 復重疊壓接法(Accumulative Roll-Bonding,簡稱ARB)，以及循環(huán)擠壓法(Cyclic Extrusion-Compression，簡稱CEC)等，大都存在著一些問題，比如模具要求高、壽命低、成本高，生產(chǎn)效率低，無法制備難以變形的材料，所制備的材料尺寸有限等等，一直是大塑性變形法需要突破的難點。如中國專利CN1446935A公開了一種超細晶材料的制備方法，對板狀或棒狀金屬材料表面進行使金屬晶粒破碎細化的硬化處理，利用強塑性變形區(qū)轉(zhuǎn)移法制備大面積或棒狀超細晶材料；中國專利CN1814821提出了一種表面層為復合納米晶粒的旋轉(zhuǎn)件及其制造方法，采用超音速微粒表面轟擊旋轉(zhuǎn)件，旋轉(zhuǎn)件深度從20 50 μ m的表面層內(nèi)鐵素體和碳化物的晶粒都細化至Inm IOOnm之間的納米級水平，并具有良好的組織熱穩(wěn)定性，而心部基體仍保持原有的組織，在50 μ m 200 μ m的深度內(nèi)鐵素體和碳化物的晶粒直徑逐漸由大約IOOnm過渡到基體的常規(guī)尺寸，無明顯界面存在；中國專利CN19M030提出了一種加工超聲波高能表面機械加工的金屬表面納米化方法，其特征是將超聲波換能器上的沖頭與金屬件待處理表面直接接觸，控制超聲波換能器與金屬件之間的相對位置、相對運動形式、相對運動速度，以及選擇或控制超聲波換能器沖頭的幾何形狀、振幅、超聲波頻率和功率，將超聲波振動能量輸入到金屬件，并在金屬件表面層造成高應(yīng)變速率局部強烈塑性變形，從而將金屬件表面層晶粒細化到納米尺度；中國專利CN1733381發(fā)明了一種固體材料微納米化沖壓制備裝置，其特征是通過沖壓固體材料發(fā)生塑性形變，從而使晶粒微米化、納米化， 沖壓頭向下運動的沖壓力將鋼球壓入固體材料的表面達到一定深度，使之產(chǎn)生塑性形變， 使晶粒細化。經(jīng)過反復沖壓即可得到微米級、納米級細晶材料；中國專利CN101078036發(fā)明了一種表面干滑動摩擦實現(xiàn)含硅高碳鋼無涂層表面納米化方法；專利W09323576發(fā)明了一種裝置，可在電工鋼表面線形移動，使其產(chǎn)生塑性變形，細化鋼鐵材料表面的晶粒；專利 W01993023576發(fā)明了一種通過沖頭在鋼板表面線性移動，施加作用力產(chǎn)生塑性變形來細化電工鋼晶粒的方法。
這些專利都是對材料的表面晶粒進行細化，而本發(fā)明是對材料的整體晶粒進行細化。還有，通過熱塑性變形細化材料晶粒，如中國專利CN1666812A公開了一種固態(tài)攪拌材料制備及改性方法，通過摩擦攪拌頭對塊體物料的快速摩擦、攪拌所產(chǎn)生的熱量，使摩擦區(qū)域的原材料處于熱塑性狀態(tài)，并通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌針使處去熱塑性狀態(tài)的原材料發(fā)生大的塑性變形并伴隨晶粒破碎、細化從而制備所需的塊體合金、復合材料或改變原材料的性能；中國專利CN1637161A發(fā)明了一種柱狀超細晶材料的制備方法，其特征是通過使冷卻套筒中的棒狀金屬材料高速旋轉(zhuǎn)，并施加壓力，使其接觸端面處的材料產(chǎn)生劇烈剪切塑性變形，晶粒碎化，成為扭轉(zhuǎn)變形層，同時通過冷卻套筒，使扭轉(zhuǎn)變形層上層溫度高于下側(cè)， 扭轉(zhuǎn)變形層由最初摩擦面向上側(cè)高溫區(qū)轉(zhuǎn)移，在扭轉(zhuǎn)變形層下面就形成了超細晶材料堆積層，連續(xù)壓扭、冷卻，直至全部變成柱狀超細晶材料，之后進行那個退火處理。這些專利均首先使待加工材料在熱塑性狀態(tài)下進行變形細化晶粒，而本發(fā)明是一種在室溫、或者加熱情況下均可以對材料進行晶粒細化的方法。另外，還有在室溫下驅(qū)動工件，實現(xiàn)大塑性變形細化晶粒，如中國專利 CN1709601A、CN1709603A發(fā)明了一種折線式成型方法及裝置，待加工材料在進料力的連續(xù)作用下經(jīng)過折線式通道，受到若干次強烈的剪切應(yīng)力，產(chǎn)生很大的應(yīng)變，從而使材料的組織超細化且均勻分布，之后進入成型機構(gòu)直接成型；中國專利CN1709602A、CN1709603A 發(fā)明了一種螺旋式擠壓成型方法及裝置，待加工材料在進料力的連續(xù)作用下經(jīng)過螺旋式通道，受到周期性漸變的剪切應(yīng)力，產(chǎn)生很大的應(yīng)變，從而使材料的組織超細化且均勻分布，之后進入成型機構(gòu)直接成型；中國專利CN1709605A發(fā)明了一種制備超細晶粒材料的 U形等通道反復擠壓裝置，待加工材料在進料力的連續(xù)作用下反復經(jīng)過U形通道，受到大的剪切應(yīng)力，從而使材料的組織超細化；韓國專利KR2005024736公開了一種通過塑性變形細化鎂合金晶粒尺寸的成型方法，其特征是采用預熱模具和工件的等徑角擠壓法；日本專利JP2000271695發(fā)明了一種等徑角擠壓的方法細化鎂合金材料的方法；日本專利 JP2003073787發(fā)明了一種通過旋轉(zhuǎn)擠壓使材料產(chǎn)生塑性變形的晶粒細化的方法和設(shè)備。 中國專利CN1751817A，發(fā)明了往復式擠壓晶粒細化裝置及利用該裝置的擠壓細化方法， 通過在單缸壓力機上不同道次的往復式擠壓，使材料產(chǎn)生揉搓作用，集正擠壓與鐓粗于一體的變形過程，使材料產(chǎn)生強烈的塑性變形從而獲得綜合性能優(yōu)良的細晶材料；中國專利 CN101116880發(fā)明了一種制備大塊超細晶材料的鐓壓模具，通過巧妙設(shè)計上型腔和下型腔的形狀，使每道次鐓壓變形后材料恢復到原來形狀，從而細化材料晶粒；專利ES2224787利用多角度模具對金屬進行壓縮、牽引，產(chǎn)生連續(xù)塑性變形，來細化材料晶粒、提高強度；日本專利JP2000313948發(fā)明的材料成型加工方法，將合金材料放置于一個近于密封的空間，通過改變空間的大小使合金材料發(fā)生塑性變形來達到使之塑性變形的目的。以上這些專利，均是通過某種驅(qū)動力驅(qū)動待加工工件，使其在通過模具的過程中變形，產(chǎn)生大應(yīng)變，從而細化晶粒；而本發(fā)明首先固定工件，通過驅(qū)動模具的移動，使工件發(fā)生大塑性變形，從而獲得整體均勻細化的晶粒，且加工前后工件的尺寸保持不變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大塑性變形細化晶粒方法，克服現(xiàn)有大塑性變形方法對模具要求高、壽命低、成本高，生產(chǎn)效率低，無法制備難以變形的材料，所制備的材料尺寸有限等缺陷和不足，可降低大塑性變形對模具材質(zhì)、精度的要求，擴大可制備的材料范圍， 能夠獲得整體均勻細化的晶粒，且工件的尺寸在加工前后保持不變。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種大塑性變形細化晶粒方法，包括如下步驟1)構(gòu)造大塑性變形擠壓通道，采用三塊模塊，其中，第一模塊位于下面，其工作面為平面，第二模塊位于第一模塊的工作面上方，與該第一模塊的工作面之間保持一間隙，構(gòu)成第一通道；該第二模塊的前端面為斜面；第三模塊設(shè)置于第一模塊的工作面上，位于第二模塊的斜面一側(cè)，第三模塊與第二模塊的斜面相對一側(cè)面也為斜面，并與第二模塊的斜面之間保持一間隙，構(gòu)成第二通道；2)將待加工工件放置于上述第一通道，對第二模塊施加垂直于第一通道的壓力， 壓緊待加工工件；3)對第三模塊施加平行于第一通道的推力，使對第三模塊帶動第二模塊沿第一通道反方向移動一個步長，從而使待加工工件在此過程中從第二、第三模塊之間的第二通道擠出一個步長；4)釋放施加于第二模塊的正向壓力及第三模塊的推力，驅(qū)動第二、第三模塊退回初始位置；5)重復步驟2 4，直至待加工工件全部擠壓完成，此時即完成一個加工周期。進一步，可根據(jù)需要重復上述過程，進行多道次加工，獲得均勻的細晶組織。又，第一模塊工作面與第三模塊的斜面之間的夾角α為擠壓角，擠壓角大于90° ； 優(yōu)選為90° 135°。另外，本發(fā)明所述的第一、第二通道在垂直于待加工工件擠壓的方向上寬度相同。所述的第一、第二、第三模塊與待加工工件的接觸面為光滑表面。通過減少工件與擠壓通道之間的摩擦力，使工件前進的阻力減少，能夠順利通過擠壓通道。再有，本發(fā)明在擠壓過程中，擠壓速度為ν = C1C2Zw · h(1)其中，ν為擠壓速度，單位m/s，C1為回歸系數(shù)，范圍為0 10，C2為材料相關(guān)系數(shù)， 范圍為le_6 le_8，w為工件寬度，單位為m，h為工件厚度，單位為m。此方法擠壓速度由工件的材料、寬度、厚度決定。擠壓速度越小，電機的扭矩越大，動力越大，試樣的擠壓越易進行。擠壓力的大小與擠壓道次、工件尺寸、工件材料、擠壓角相關(guān)，其關(guān)系如公式(2) 所示。Force = C0-Cl-C2-Cykx- pass、(2)其中，F(xiàn)orce為擠壓力，單位KN，cQ為回歸系數(shù)，范圍為0 10，C1為工件材料相關(guān)系數(shù)，范圍為0 10，C2為工件尺寸相關(guān)系數(shù)，范圍為0 10，C3為擠壓角相關(guān)系數(shù)，范圍為0 10，ki、k2為道次相關(guān)系數(shù)，范圍為0 10，pass為當前道次數(shù)，范圍1_20。擠壓步長對擠壓力、擠壓速度的影響較小，只需根據(jù)工件長度與設(shè)備情況，并兼顧加工效率進行制定。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明改變了傳統(tǒng)大塑性變形法驅(qū)動工件穿過模具來完成塑性變形的模式，創(chuàng)造了以驅(qū)動模塊的方式來促使工件完成大塑性變形方法，可以克服現(xiàn)有大塑性變形方法對模具要求高、無法制備難以變形的材料，所制備的材料尺寸受限等缺陷和不足，大大了降低大塑性變形對模具材質(zhì)、精度的要求，擴大所能夠制備的材料范圍，可實現(xiàn)連續(xù)高效生產(chǎn)，易于工業(yè)應(yīng)用，并能夠獲得整體均勻細化的晶粒，且工件的尺寸在加工前后保持不變。


圖1 圖4為本發(fā)明大塑性變形細化晶粒方法一實施例的加工過程示意圖。
具體實施例方式以下面制備超細晶粒IF鋼板為實施例，對本發(fā)明做進一步說明。參見圖1 圖4，本發(fā)明使用的大塑性變形擠壓通道，采用三塊模塊1、2、3，其中， 第一模塊1位于下面，其工作面101為平面，第二模塊2位于第一模塊1的工作面101上方，與該第一模塊1的工作面101之間保持一間隙，構(gòu)成第一通道4 ；該第二模塊2的前端面201為斜面；第三模塊3設(shè)置于第一模塊1的工作面101上，位于第二模塊2的斜面201 一側(cè)，第三模塊3與第二模塊2的斜面201相對一側(cè)面301也為斜面，并與第二模塊2的斜面201之間保持一間隙，構(gòu)成第二通道5。所述的第一模塊1、第二模塊2、第三模塊3與待加工工件6的接觸面一工作面 101,202,302為光滑表面。1、試樣準備試樣選用2mm厚、70mm寬、IOOOmm長的冷軋IF鋼板，820oC退火40分鐘，得到完全再結(jié)晶的初始組織，平均尺寸為42μπι。1)擠壓速度C1 = 1，C2 = 1. 4Χ 1(T7，w = 0. 07m, h = 0. 002m根據(jù)式(1)ν = 1 · 1. 4 X IO-7/ (0. 07 X 0. 002) = 0.001因此選取擠壓速度為O.OOlm/s。2)擠壓力c0 = 1，C1 = 1，C2 = 0. 5，C2 = 2，Ii1 = 5. 877，k2 = 0. 188根據(jù)式O)Force = C0-C1-C2 -C3-A:, ·pass、= 5.877.passom各道次擠壓力設(shè)定值為表1所示。表1各道次擠壓力設(shè)定值
權(quán)利要求
1.一種大塑性變形細化晶粒方法，包括如下步驟1)構(gòu)造大塑性變形擠壓通道，采用三塊模塊，其中，第一模塊位于下面，其工作面為平面，第二模塊位于第一模塊的工作面上方，與該第一模塊的工作面之間保持一間隙，構(gòu)成第一通道；該第二模塊的前端面為斜面；第三模塊設(shè)置于第一模塊的工作面上，位于第二模塊的斜面一側(cè)，第三模塊與第二模塊的斜面相對一側(cè)面也為斜面，并與第二模塊的斜面之間保持一間隙，構(gòu)成第二通道；2)將待加工工件放置于上述第一通道，對第二模塊施加垂直于第一通道的壓力，壓緊待加工工件；3)對第三模塊施加平行于第一通道的推力，使對第三模塊帶動第二模塊沿第一通道反方向移動一個步長，從而使待加工工件在此過程中從第二、第三模塊之間的第二通道擠出一個步長；4)釋放施加于第二模塊的正向壓力及第三模塊的推力，驅(qū)動第二、第三模塊退回初始位置；5)重復步驟2 4，直至待加工工件全部擠壓完成，此時即完成一個加工周期。
2.如權(quán)利要求1所述的大塑性變形細化晶粒方法，其特征是，可根據(jù)需要重復上述過程，進行多道次加工，獲得均勻的細晶組織。
3.如權(quán)利要求1所述的大塑性變形細化晶粒方法，其特征是，第一模塊工作面與第三模塊的斜面之間的夾角α為擠壓角，擠壓角大于90°。
4.如權(quán)利要求1所述的大塑性變形細化晶粒方法，其特征是，第一模塊工作面與第三模塊的斜面之間的夾角α為90° 135°。
5.如權(quán)利要求1所述的大塑性變形細化晶粒方法，其特征是，所述的第一、第二通道在垂直于待加工工件擠壓的方向上寬度相同。
6.如權(quán)利要求1或3或4所述的大塑性變形細化晶粒方法，其特征是，所述的第一、第二、第三模塊與待加工工件的接觸面為光滑表面。
7.如權(quán)利要求1所述的大塑性變形細化晶粒方法，其特征是，上述擠壓過程中，擠壓速度為ν = C1C2Zw · h(1)其中，V為擠壓速度，單位m/s，C1為回歸系數(shù)，范圍為0 10，C2為材料相關(guān)系數(shù)，范圍為le_6 le_8，w為工件寬度，單位為m，h為工件厚度，單位為m ；擠壓力為Force = C0-C1-C2-C3^ki- pas/1(2)其中，F(xiàn)orce為擠壓力，單位KN，Ctl為回歸系數(shù)，范圍為0 10，C1為工件材料相關(guān)系數(shù)，范圍為0 10，C2為工件尺寸相關(guān)系數(shù)，范圍為0 10，C3為擠壓角相關(guān)系數(shù)，范圍為 0 10，V 1 為道次相關(guān)系數(shù)，范圍為0 10，pass為當前道次數(shù)，范圍1-20。
全文摘要
一種大塑性變形細化晶粒方法，包括如下步驟1)構(gòu)造大塑性變形擠壓通道，采用三塊模塊，第一模塊位于下面，第二模塊位于第一模塊上方，構(gòu)成第一通道；第三模塊設(shè)置于第一模塊上，并與第二模塊構(gòu)成第二通道；2)將待加工工件放置于第一通道，對第二模塊施加垂直壓力，壓緊待加工工件；3)對第三模塊施加平行于推力，帶動第二模塊沿第一通道反方向移動一個步長，使工件在此過程中從第二通道擠出一個步長；4)釋放施加于第二模塊的正向壓力及第三模塊推力，驅(qū)動第二、第三模塊退回初始位置；5)重復步驟2～4，直至擠壓完成。本發(fā)明可降低大塑性變形對模具材質(zhì)、精度的要求，擴大可制備的材料范圍，能夠獲得整體均勻細化的晶粒，且工件的尺寸在加工前后保持不變。
文檔編號C22F1/00GK102199741SQ20101013260
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者張春偉, 朱健樺, 沈建國, 焦四海, 閆博 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司