CN105921657B - 制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法 - Google Patents
制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，该成形方法基于一种组合式凹模，组合式凹模构成十字形通道，十字形通道由第一通道和第二通道垂直交叉而成，该成形方法按如下步骤进行：放料合模；第一道次镦挤；卸压开模；将1道次镦挤试样以挤压路径重新放入第一通道，重复上述步骤。本发明相比现有技术具有以下优点：将闭塞式锻造技术引入大塑性变形工艺，基于浮动凹模原理，实现高度对称结构的双冲头镦挤，解决传统等径角挤压工艺存在的偏载问题，减少模具失稳破坏的倾向，材料处于三向压应力状态，有效提高高强、低塑难熔金属(钨、钼等)的变形能力，操作简单，实用性高，易于工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工方法技术领域，尤其涉及的是一种制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法。
背景技术
钨、钼等难熔金属材料，具有金属中最高的熔点、密度大、硬度高、线膨胀系数低、蒸发速度慢、耐侵蚀等特性，使得其在各种高端工程领域具有广阔的应用前景。目前限制其工业应用的主要因素有材料本身塑性加工性能差、韧-脆转变温度高、低温脆性和易于氧化等。近年来，利用大塑性变形技术制备超细晶材料以改善材料组织性能的方法得到广泛的关注。对现有技术的文献检索发现，莫纪平等在《稀有金属材料与工程》(2015，44(8)：2003-2006)上发表“多向压缩对7085铝合金挤压材组织和力学性能的影响”指出7085铝合金多向压缩变形后，晶粒由87.7μm显著降低到17.9μm，材料强度显著提高；周斌等在《热加工工艺》(2015，44(7)：24-27)发表“ECAP挤压道次对AZ81镁合金组织及性能的影响”一文中，对等径角挤压AZ81镁合金组织及性能研究发现，6道次变形后材料抗拉强度提高了42％，伸长率由3.2％增加到15.8％。大塑性变形工艺在细化晶粒，提高材料性能方面具有显著作用。但是，现有大塑性变形工艺中，多向压缩工艺晶粒细化效果相对较弱，组织均匀性低；等径角挤压工艺存在偏载问题，对于低塑、高强难熔金属材料操作可重复性差；高压扭转工艺加工坯料尺寸较小，工业应用前景不明朗。现有大塑性变形工艺难以满足现代核工业、国防军工发展对难熔金属(钨、钼等)材料的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种操作简单、晶粒细化效果显著、工业化应用前景可观的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，所述成形方法基于一种组合式凹模，所述组合式凹模构成十字形通道，所述十字形通道由第一通道和第二通道垂直交叉而成，所述第一通道两端分别对应设置有一个冲头，所述第二通道两端均设置有背压体，所述成形方法按如下步骤进行：
(1)放料合模：预热组合式凹模，将预热后的待加工坯料放入第一通道内，组合式凹模合模后形成十字形通道，所述十字形通道四端通过两个冲头、两个背压体封闭共同构成闭塞式型腔；
(2)第一道次镦挤：启动压机，两个冲头分别对待加工坯料两端施加挤压力，待加工坯料在两端压力作用下由第一通道经转角流入第二通道，直至待加工坯料完全进入第二通道内得到第一道次镦挤试样，在所述第一道次镦挤试样成形的过程中由背压体对其两端面施加背压；
(3)卸压开模：卸去两端背压体的背压后，组合式凹模开模，将第一道次镦挤试样取出，完成第一道次成形；
(4)将第一道次镦挤试样以挤压路径重新放入第一通道，重复上述步骤，进行多道次镦挤成形。
作为上述成形方法的优选实施方式，所述待加工坯料为块状难熔金属材料。
作为上述成形方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，在每道次镦挤试样成形的过程中由浮动凹模提供合模力。
作为上述成形方法的优选实施方式，所述第一通道和第二通道的横截面形状相同、尺寸不同，第一通道尺寸大于第二通道尺寸。
作为上述成形方法的优选实施方式，所述背压体为机械式背压体或液压式背压体,且所述背压体位于所述第二通道内。
作为上述成形方法的优选实施方式，所述十字形通道相对于所述第一通道的中心线对称，且所述十字形通道相对于所述第二通道的中心线对称。
作为上述成形方法的优选实施方式，所述背压体的外端设有限位板、内端设有顶板，所述限位板与所述组合式凹模固定连接，所述顶板位于所述第一通道内。
作为上述成形方法的优选实施方式，所述步骤(4)中，所述挤压路径为第一挤压路径、第二挤压路径和第三挤压路径中的任一种，所述第一挤压路径为将当前道次镦挤试样绕着自身长轴的轴心线旋转90°，且相邻道次旋转方向相反；所述第二挤压路径为将当前道次镦挤试样绕着自身长轴的轴心线旋转90°，且相邻道次旋转方向相同；所述第三挤压路径为将当前道次镦挤试样绕着自身长轴的轴心线旋转0°。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明提供的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，将闭塞式锻造技术引入大塑性变形工艺，实现高度对称结构的双冲头镦挤，解决传统等径角挤压工艺存在的偏载问题，增加挤压冲头横截面积，提高了冲头的刚度，减少模具失稳破坏的倾向。
2、本发明提供的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，其第一通道与第二通道截面形状相同、尺寸不同，材料通过变截面通道，在每道次镦挤变形中完成镦粗-剪切复合变形，其特点是每道次变形量大，多道次变形所制备材料组织更加均匀细小。
3、本发明提供的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，其组合式凹模配有背压体，背压体通过限位板限制于组合式凹模内，可以随组合式凹模同步运动，从而保证镦挤过程背压力的持续施加。且背压的施加使材料处于三向压应力状态，有利于细化晶粒，预防裂纹的萌生和扩展，有效提高高强、低塑难熔金属(钨、钼等)的变形能力。
4、本发明提供的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，基于浮动凹模原理，其组合式凹模可随压机运动而随时打开，便于监控模具内试样变形情况，且每道次镦挤变形后试样可直接取出，操作简单。
5、本发明提供的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，尤其适用于大尺寸块状难熔金属(钨、钼等)超细晶材料的制备，晶粒细化效果显著。经试验验证可制备出组织均匀、平均晶粒尺寸为100nm～1μm的超细晶甚至纳米晶材料。且成形载荷相对较小，模具使用寿命长，操作简单，实用性高，易于工业化应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中标号：1为上挤压冲头；2为上凹模；3为限位板；4为下凹模；5为下挤压冲头；6为背压体；7为顶板；8为待加工坯料。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1，本实施例公开了一种制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，该成形方法基于一种组合式凹模，该组合式凹模由上凹模2和下凹模4构成，该组合式凹模构成十字形通道，十字形通道由第一通道和第二通道垂直交叉而成，十字形通道相对于第一通道的中心线对称，且十字形通道相对于第二通道的中心线对称。第一通道和第二通道的横截面形状相同、尺寸不同，第一通道尺寸大于第二通道尺寸。第一通道两端分别对应设置有一个冲头，第二通道两端均设置有背压体6，成形方法按如下步骤进行：
(1)放料合模：预热组合式凹模，将预热后的待加工坯料8放入第一通道内，组合式凹模合模后形成十字形通道，十字形通道四端通过两个冲头、两个背压体6封闭共同构成闭塞式型腔；其中，待加工坯料8为块状难熔金属材料，如块状钨、钼等材料；
(2)第一道次镦挤：启动压机，两个冲头分别对待加工坯料8两端施加挤压力，待加工坯料8在两端压力作用下由第一通道经转角流入第二通道，直至待加工坯料8完全进入第二通道内得到第一道次镦挤试样，在第一道次镦挤试样成形的过程中由浮动凹模提供合模力，且由背压体6对其两端面施加背压；
(3)卸压开模：卸去两端背压体6的背压后，组合式凹模开模，将第一道次镦挤试样取出，完成第一道次成形；
(4)将第一道次镦挤试样以挤压路径重新放入第一通道，重复上述步骤，进行多道次镦挤成形。
具体设置中，背压体6为机械式背压体或液压式背压体,且背压体6位于第二通道内。背压体6的外端设有限位板3、内端设有顶板7，限位板3与组合式凹模固定连接，顶板7位于第一通道内。
步骤(4)中，挤压路径为第一挤压路径、第二挤压路径和第三挤压路径中的任一种，第一挤压路径为将当前道次镦挤试样绕着自身长轴的轴心线旋转90°，且相邻道次旋转方向相反；第二挤压路径为将当前道次镦挤试样绕着自身长轴的轴心线旋转90°，且相邻道次旋转方向相同；第三挤压路径为将当前道次镦挤试样绕着自身长轴的轴心线旋转0°。
本申请人采用上述成形方法以钼为待加工坯料8进行试验，试验过程如下：
以纯钼(99.9％)、尺寸为18×18×80mm(长、宽、高尺寸)的大块长方体试样作为待加工坯料8，第一通道和第二通道截面形状均采用方形，设第一通道为竖直通道且截面尺寸为20×20mm，设第二通道为水平通道且截面尺寸为18×18mm，上凹模2与下凹模4构成组合式凹模，，两个冲头分别为上挤压冲头1和下挤压冲头5，背压体6为小型液压装置。首先，预热待加工坯料8至500℃，预热上凹模2与下凹模4至400℃，将待加工坯料8置于竖直通道中，组合式凹模随压机下行闭合构成十字形通道，将液压式的背压体6置于水平通道两端，并通过限位板3与组合式凹模固定连接。上挤压冲头1和下挤压冲头5以1mm/s进入竖直通道后，有20mm导向长度，冲头继续运动，待加工坯料8在挤压力的作用下，发生镦粗变形再经转角剪切变形，由竖直通道进入水平通道，已变形金属前端面与顶板7接触而被墩平。当竖直通道中待加工坯料8全部进入水平通道，试样尺寸由待加工坯料8的18×18×80mm被镦挤成尺寸为80×18×18mm的长方体的第一道次镦挤试样。然后拆卸限位板3，组合式凹模开模，卸去两端背压，将第一道次镦挤试样取出重新预热，将第一道次镦挤试样以第二挤压路径沿竖直通道的高度方向放入，经两道次镦挤变形后，获得了组织相对均匀，平均晶粒尺寸为240nm的超细晶纯钼。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，其特征在于，所述成形方法基于一种组合式凹模，所述组合式凹模构成十字形通道，所述十字形通道由第一通道和第二通道垂直交叉而成，所述第一通道两端分别对应设置有一个冲头，所述第二通道两端均设置有背压体，所述第一通道和第二通道的横截面形状相同、尺寸不同，第一通道尺寸大于第二通道尺寸，所述成形方法按如下步骤进行：
(1)放料合模：预热组合式凹模，将预热后的待加工坯料放入第一通道内，组合式凹模合模后形成十字形通道，所述十字形通道四端通过两个冲头、两个背压体封闭共同构成闭塞式型腔；
(2)第一道次镦挤：启动压机，两个冲头分别对待加工坯料两端施加挤压力，待加工坯料在两端压力作用下由第一通道经转角流入第二通道，直至待加工坯料完全进入第二通道内得到第一道次镦挤试样，在所述第一道次镦挤试样成形的过程中由背压体对其两端面施加背压；其中，在每道次镦挤试样成形的过程中由浮动凹模提供合模力；
(3)卸压开模：卸去两端背压体的背压后，组合式凹模开模，将第一道次镦挤试样取出，完成第一道次成形；
(4)将第一道次镦挤试样以挤压路径重新放入第一通道，重复上述步骤，进行多道次镦挤成形。
2.如权利要求1所述的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，其特征在于，所述待加工坯料为块状难熔金属材料。
3.如权利要求1所述的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，其特征在于，所述背压体为机械式背压体,且所述背压体位于所述第二通道内。
4.如权利要求1所述的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，其特征在于，所述背压体为液压式背压体,且所述背压体位于所述第二通道内。
5.如权利要求1所述的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，其特征在于，所述十字形通道相对于所述第一通道的中心线对称，且所述十字形通道相对于所述第二通道的中心线对称。
6.如权利要求1所述的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，其特征在于，所述背压体的外端设有限位板、内端设有顶板，所述限位板与所述组合式凹模固定连接，所述顶板位于所述第二通道内。
7.如权利要求1所述的制备难熔金属超细晶材料的闭塞式背压双向镦挤成形方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述挤压路径为第一挤压路径、第二挤压路径和第三挤压路径中的任一种，所述第一挤压路径为将当前道次镦挤试样绕着自身长轴的轴心线旋转90°，且相邻道次旋转方向相反；所述第二挤压路径为将当前道次镦挤试样绕着自身长轴的轴心线旋转90°，且相邻道次旋转方向相同；所述第三挤压路径为将当前道次镦挤试样绕着自身长轴的轴心线旋转0°。
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