CN103003000A - 非对称挤出方法、由该方法制造的挤出材料、非对称挤出模具和非对称挤出装置 - Google Patents

Abstract

公开了非对称挤出方法、由该方法挤出的挤压材料、非对称挤出模具以及非对称挤出装置。根据非对称挤出方法，推动挤压材料穿过模具，该模具具有基于挤压材料的挤出方向为非对称形状的挤出孔，从而通过在挤出材料中引起剪切变形来挤出挤压材料，由此形成板形状的挤压材料。

Description

非对称挤出方法、由该方法制造的挤出材料、非对称挤出模具和非对称挤出装置

技术领域

本发明涉及形成材料的方法，尤其涉及能控制材料织构的挤出装置和挤出方法。

背景技术

挤出方法通常用于加工板材料。在挤出过程中，材料可变形，并且材料的织构可发生变化。已经知晓材料的织构大大影响机械性能，例如，材料的可成形性。传统上，金属材料根据其晶体结构具有其独特的滑移系，并且金属材料的可成形性可根据滑移系是否起作用而变化。滑移系是否起作用与金属材料的织构密切相关。

发明内容

技术问题

然而，在处理板材料时，一般的对称挤出方法不可能通过控制其织构而改善材料的可成形性。

本发明提供一种能控制材料织构的挤出方法，并且提供一种板材料，该板材料的织构采用该挤出方法而控制。本发明还提供能控制材料织构的模具以及包括该模具的挤出装置。上面的问题为示范性地提出，并且本发明的范围不受其限制。

技术方案

模具的挤出孔可包括楔形部分，楔形部分的宽度根据挤压材料的挤出方向而变化，并且楔形部分可相对于挤压材料的挤出方向具有非对称形状。此外，楔形部分可相对于板形状的板表面方向具有非对称形状。

模具可包括在楔形部分处沿着板形状的厚度方向彼此分开的一对第一内表面，并且该一对第一内表面沿着挤出方向可具有不同的倾斜度。

挤出孔可具有矩形截面，模具可包括在楔形部分沿着板形状的宽度方向彼此分开的一对第二内表面，并且该一对第二内表面沿着挤出方向可为对称的。

根据本发明的另一个方面，提供非对称挤出方法，包括：将挤压材料装填到容器中；采用推杆挤压容器中的挤压材料；以及推动挤压材料穿过模具，模具与容器的端部结合且包括具有非对称形状的挤出孔，从而将挤压材料挤成板形状，其中模具的挤出孔包括楔形部分，楔形部分的宽度根据挤压材料的挤出方向而变化，并且其中楔形部分相对于挤压材料的挤出方向具有非对称形状。

根据本发明的另一个方面，提供挤出材料，其具有板形状，并且采用上面的非对称挤出方法之一通过挤出挤压材料而形成。

挤出材料的织构与挤压材料的织构不同。

根据本发明的另一个方面，提供用于非对称挤出的模具，该模具包括具有非对称形状并且用于将挤压材料挤成板形状的挤出孔，其中挤出孔包括楔形部分，楔形部分的宽度根据挤压材料的挤出方向而变化，并且其中楔形部分相对于挤压材料的挤出方向具有非对称形状。

根据本发明的另一个方面，提供包括上面模具的非对称挤出装置。

根据本发明的另一个方面，提供非对称挤出装置，包括：容器，用于装填挤压材料；模具，与容器的端部结合并且包括具有矩形形状且用于将挤压材料挤成板形状的挤出孔；以及推杆，设置在容器中与模具相对，以推动挤压材料，其中挤出孔包括楔形部分，楔形部分的宽度根据挤压材料的挤出方向而变化，并且其中楔形部分相对于挤出方向具有非对称形状。

有益效果

如果采用根据本发明实施例的挤出方法和挤出装置，通过控制挤压材料的织构可大大改善挤出材料的可成形性。具有板形状且根据本发明实施例形成的挤出材料的滑移系被定向为适合于在室温下引起剪切应变，从而使该挤出材料在室温下具有优异的可成形性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的挤出装置的截面图；

图2是图1所示挤出装置的模具的部分切开透视图；

图3是图2所示模具的平面图；

图4是根据本发明另一个实施例的模具的部分切开透视图；

图5是图4所示模具的截面图；

图6是采用根据本发明实施例的非对称挤出方法挤出的AZ31在+Z轴方向上的（0001）极图；

图7是采用根据本发明实施例的非对称挤出方法挤出的AZ31在-Z轴方向上的（0001）极图；

图8是根据对照例的AZ31的（0001）极图；

图9是示出采用根据本发明实施例的非对称挤出方法挤出的AZ31的实际应力对实际应变的曲线图；

图10是示出根据对照例的AZ31的实际应力对实际应变的曲线图；

图11是示出r值对采用根据本发明实施例的非对称挤出方法挤出的AZ31相对于拉伸轴的角度的曲线图；

图12是示出具有密排六方（HCP）结构的滑移系的示意图；

图13是示出根据HCP结构的晶体取向的滑移系的示意图；以及

图14是示出图13所示第一至第四样品在HCP结构的（0001）极图上的极点的示意图。

具体实施方式

现在参考附图更加全面地描述本发明，附图中示出了本发明的示范性实施例。然而，本发明可以很多不同的方式实施，而不应解释为限于这里阐述的实施例；相反，提供这些实施例以使本申请透彻且完整，并且向本领域的技术人员全面传达本发明的概念。在附图中，部件的尺寸可被夸大或缩小，以便于说明。

在本发明的实施例中，织构可表示其中多晶材料的晶粒定向在一定方向上的状态。而且，材料的织构用作相对概念而不是绝对概念。就是说，如果具有一定方向上的织构，则它意味着该材料的晶粒的大部分而不是全部具有在所述方向上的织构。

此外，极图是以立体投影形式示出晶格平面的分布方向以分析材料的晶体取向或织构的图。极图可采用X射线衍射（XRD）分析示出。

另外，挤压材料是指要挤出的目标材料，并且挤出材料是当挤压材料完全挤出到所希望形状时获得的最终材料。

图1是根据本发明实施例的挤出装置的截面图。图2是图1所示挤出装置的模具130的部分切开的透视图。图3是图2所示模具130的平面图。

参见图1，可提供用于装填挤压材料50的容器110。例如，挤压材料50可以以坯料的形式装填到容器110的内孔115中。作为另一个示例，挤压材料50可以以粉末或压块的形式装填到容器110的内孔115中。容器110和内孔115可具有多种形状以容纳挤压材料50。因此，挤压材料50和容器110的形状可有多种变化，而不限于本实施例的范围。

推杆120可设置在容器110中以推动且挤压挤压材料50进入容器110中。例如，为了有效地挤压挤压材料50，推杆120的形状可对应于容器110的内孔115的形状。作为另一个示例，推杆120的形状可不对应于内孔115的形状，在此情况下，挤压材料50的一部分可能不被挤压并且可保留在容器110中。推杆120也可称为柱塞或挤压器，并且它的名称和形状不限于本实施例的范围。

模具130可与容器110的与推杆120相对的端部结合。例如，推杆120、容器110和模具130可排列和结合成行，例如，在图1的X轴方向上排列和结合。X轴方向可为挤压材料50的挤出方向。在本实施例的一种改进的实施例中，推杆120、容器110和模具130可不排列成行，在此情况下，挤出方向主要相对于模具130确定。

模具130可具有挤出孔135以限定挤压材料50的挤出形状。挤压材料50在通过模具130的挤出孔135后可变为具有板形状的挤出材料60。例如，在图1中，XY平面可为挤出材料60的板表面方向，Z轴方向可为挤出材料60的厚度方向，X轴方向可为挤出材料60的长度方向，并且Y轴方向可为挤出材料60的宽度方向。

挤出孔135可包括具有可变宽度的楔形部分134和具有固定宽度的固定部分132。由推杆120挤压的挤压材料50在通过楔形部分134时在其宽度和形状上有实质变化，然后在通过固定部分132时被挤出，得到挤出材料60的形状。如下面所述，挤出孔135的楔形部分134相对于挤出方向（X轴方向）可具有非对称形状以控制挤出材料60的织构。

参见图1至3，为了将挤压材料50挤成板形状，挤出孔135相对于YZ平面可具有矩形截面。模具130可包括一对第一内表面142和144以及一对第二内表面146和148用于限定挤出孔135。第一内表面142和144可沿着挤压材料50或挤出材料60的厚度方向（Z轴方向）彼此分开，并且第二内表面146和148可沿着挤压材料50或挤出材料60的宽度方向（Y轴方向）彼此分开。

第一内表面142和144可限定挤出材料60的板表面。第一内表面142和144相对于挤出材料60的板表面方向（XY平面）可为非对称的，以便在挤出材料60中有效地引起剪切应变。例如，第一内表面142和144可以以不同的倾斜度延伸。例如，第一内表面142相对于挤出方向（X轴方向）可具有一定的倾斜度，而第一内表面144可平行于挤出方向（X轴方向）。

因此，挤压材料50的变形角可变化，并且因此可在第一内表面142和144之间产生大的剪切应变。在本实施例中，因为第一内表面144平行于挤出方向，所以第一内表面142和144之间的剪切应变可略微为线性的，并且因此可易于控制。该剪切应变可沿着板表面方向对挤出材料60的织构上的变化有很大影响。如下所述，织构上的变化可对挤出材料60的可成形性有很大影响。

第二内表面146和148可限定挤出材料60的侧表面。如果挤出材料60为板形状，则第二内表面146和148对挤出材料60的织构的影响不大。这样，第二内表面146和148可为对称的，例如可平行于挤出材料60的厚度方向（Z轴方向）。在本实施例的改进实施例中，第二内表面146和148可为非对称的。

现在将描述根据本发明实施例的非对称挤出方法。根据本实施例的非对称挤出方法例如可采用图1至3所示的挤出装置说明。

参见图1至3，挤压材料50可装填到容器110中。然后，容器110中的挤压材料50可采用推杆120挤压。然后，挤压材料50可被推动通过模具130以形成板形状的挤出材料60。如上所述，因为模具130具有相对于挤出方向非对称的挤出孔135，所以挤压材料50在被挤出的同时在挤压材料50中引起剪切应变。参考图1至3所示的挤出装置的上述描述可更好地理解非对称挤出方法。

如上所述，通过在挤压材料50中引起剪切应变，可控制挤出材料60的织构。这样，挤出材料60的织构可与挤压材料50的织构不同。因此，如果挤压材料50在一般挤出条件下的可成形性差，则织构可在其挤出时改变，并且因此可改善挤出材料60的织构。

在根据本发明另一个实施例的非对称挤出方法中，挤压材料50的装填和挤压可做各种改进或被跳过。例如，挤压材料50可直接装填到模具130中并且可在模具130中挤压。作为另一个示例，挤压材料50的装填、挤压和挤出可不看作是分开的，而是可一起看作一系列的挤出工艺。

尽管根据上面实施例的非对称挤出方法参考图1至3所示的挤出装置进行了描述，但是非对称挤出方法的范围并不受限于挤出装置。

采用上面的非对称挤出方法形成的挤出材料60可反复地被非对称挤出，或者可被轧制以便进一步减小其厚度。

图4是根据本发明另一个实施例的模具130a的部分切开透视图。图5是图4所示模具130a的截面图。根据本实施例的模具130a由图1至3所示的模具130部分修改而来，因此这里不提供二者间重复的描述。

参见图4和5，挤出孔135a具有由图1至3所示的挤出孔135修改而来的形状。挤出孔135a也可具有相对于挤出方向（X轴方向）的非对称形状。在本实施例中，用于限定楔形部分134a的第一内表面142和144a相对于挤出方向（X轴方向）可具有不同的倾斜度。第一内表面144a可不平行于挤出方向，并且可以以与第一内表面142的倾斜度不同的倾斜度延伸。第一内表面142和144a的倾斜度被示范性地示出，并且可进行各种改变，只要第一内表面142和144a具有不同的倾斜度。

因此，挤出孔135a的楔形部分134a也可具有相对于挤出方向的非对称形状。特别是，挤出孔135a的楔形部分134a也可具有相对于挤出材料60的板表面方向（XY平面）的非对称形状（见图1）。

这样，挤压材料50的变形角（见图1）为可变化的，并且因此剪切应变也可在第一内表面142和144a之间产生。然而，因为第一内表面142和144a二者相对于挤出方向倾斜，所以剪切应变略微复杂。该剪切应变可影响挤出材料60的织构上的变化（见图1）。

基于上面的描述可理解采用图4和5所示模具130a的挤出方法，并且参考采用图2和3所示的模具130所述的挤出方法可更好地理解上述挤出方法。

在以上非对称挤出装置和非对称挤出方法中采用的挤压材料50（见图1）可包括各种材料。例如，挤压材料50可包括具有织构的各种金属及其合金。该金属及其合金可具有各种晶体结构，例如，密排六方（HCP）结构、面心六方（FCC）结构或体心立方（BCC）结构。更具体而言，挤压材料50可包括诸如镁（Mg）、钛（Ti）、锆（Zr）、锌（Zn）、铝（Al）、铜（Cu）或铁（Fe）的金属或其合金。Fe合金可包括铸铁、碳素钢、高速钢或电炉钢（Fe-Si合金）。挤压材料50的上述金属元素或金属结构为示范性提供，并且本实施例的范围不限于此。

在下文，为了便于说明，挤压材料50（见图1）假定为具有HCP结构的金属或金属合金，并且详细描述采用非对称挤出装置和挤出方法挤出的板材料的特性。例如，具有HCP结构的金属可包括Mg、Zn、Zr或Ti。

图12是示出具有HCP结构的滑移系的示意图。图13是示出根据HCP结构的晶体取向的滑移系的示意图。图14是示出图13所示第一至第四样品A至D在HCP结构的（0001）极图上的极点的示意图。

参见图12，在处理具有HCP结构的金属时，已经知晓采用诸如{0001}<1120>的基面滑移系、{1010}<1120>的棱柱滑移系或{1011}<1120>的棱锥滑移系的限制性滑移系以及孪生系统。具有HCP结构的金属由于限制性滑移系在室温下具有较差的可成形性。

在具有HCP结构的金属中，除基面滑移系之外的变形机制在室温下的临界分剪应力值远大于基面滑移系的临界分剪应力值。因此，诸如基面滑移系的滑移系的定位对室温下HCP结构的可成形性影响很大。

参见图13和14，如果基面滑移系平行于挤出材料的板表面，即垂直于法线方向ND（如第一样品A所表示），如果基面滑移系垂直于板表面方向RD或垂直于横向方向TD（如第二和第三样品B和C所表示），室温下的可成形性会较差。这是因为，在形成挤出材料时，主变形方向（例如，ND、RD或TD）垂直于或平行于基面滑移系，因此外部应力难于使基面滑移系起作用。

然而，如果基面滑移系在如第四样品D表示的滑动方向上相对于滑动表面上的主变形方向倾斜一定的角度，则材料可易于变形，并且因此可实现室温下优异的可成形性。

基面滑移系在材料中的取向和分布可参照HCP结构的（0001）极图所示。在下文，对具有HCP结构的AZ31作为板材料进行详细描述。AZ31是包括Mg、Al和Zn的Mg合金的示例。

图6是采用根据本发明实施例的非对称挤出方法挤出的AZ31在+Z轴方向上的（0001）极图。图7是采用根据本发明实施例的非对称挤出方法挤出的AZ31在-Z轴方向上的（0001）极图。图8是根据对照例的AZ31的（0001）极图。

参见图6和7，在根据本发明实施例的非对称挤出的AZ31中，在（0001）极图的基面（即（0001）面）上，晶体取向明显位于中心之外。非对称挤出的AZ31在（0001）极图上的取向类似于图13和14所示的第四样品D。因此，非对称挤出的AZ31定向为允许其基面滑移系相对于主变形方向形成一定的角度，并且因此具有优异的可成形性。

然而，如图8所示，在根据对照例的对称轧制的或对称挤出的AZ31中，基面在（0001）极图上的晶体取向居中。该取向类似于图13和14所示的第一样品A，并且因此根据对照例的AZ31不可能有优异的可成形性。

图9是示出采用根据本发明实施例的非对称挤出方法挤出的AZ31的实际应力对实际应变的曲线图。图10是示出根据对照例的AZ31的实际应力对实际应变的曲线图。

参见图9，根据本发明实施例的非对称挤出的AZ31具有高的延伸率，其等于或大于35%。然而，如图10所示，根据对照例的AZ31具有15%至20%的低延伸率。因此，采用非对称挤出方法可大大改善AZ31的延伸率。延伸率上的改善可导致AZ31的可成形性上的改善。

图11是示出r值对采用根据本发明实施例的非对称挤出方法挤出的AZ31相对于拉伸轴的角度的曲线图。

参见图11，非对称挤出的AZ31不具有大的根据拉伸角的各向异性，并且具有钢级别的高的r值。

如上所述，根据本发明实施例的非对称挤出的AZ31具有与根据对照例的AZ31很大不同的织构，并且因此具有较高的延伸率和优异的可成形性。

对具有HCP结构的金属或金属合金的上述描述也可应用于具有诸如BCC结构或FCC结构的其它结构的金属或金属合金。

尽管本发明已经参考其示范性实施例进行了特别的示出和描述，但是本领域的普通技术人员应当理解的是，在不脱离如下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可在实施例中进行各种形式和细节上的改变。

Claims (20)

1.一种将挤压材料挤成板形状的非对称挤出方法，该方法包括推动该挤压材料穿过模具，该模具包括相对于该挤压材料的挤出方向具有非对称形状的挤出孔，使得在挤出该挤压材料的同时在该挤压材料中引起剪切应变。

2.根据权利要求1所述的非对称挤出方法，其中该模具的该挤出孔包括楔形部分，该楔形部分的宽度根据该挤压材料的该挤出方向而变化，并且

其中该楔形部分相对于该挤压材料的该挤出方向具有非对称形状。

3.根据权利要求2所述的非对称挤出方法，其中该楔形部分相对于该板形状的板表面方向具有非对称形状。

4.根据权利要求2所述的非对称挤出方法，其中该模具包括在该楔形部分处沿着该板形状的厚度方向彼此分开的一对第一内表面，并且

其中该对第一内表面沿着该挤出方向具有不同的倾斜度。

5.根据权利要求4所述的非对称挤出方法，其中该对第一内表面之一平行于该挤出方向。

6.根据权利要求4所述的非对称挤出方法，其中该挤出孔具有矩形截面，

其中该模具包括在该楔形部分处沿着该板形状的宽度方向彼此分开的一对第二内表面，并且

其中该对第二内表面沿着该挤出方向是对称的。

7.根据权利要求6所述的非对称挤出方法，其中该对第二内表面平行于该挤出方向。

8.一种非对称挤出方法，包括：

将挤压材料装填到容器中；

采用推杆挤压该容器中的该挤压材料；以及

推动该挤压材料穿过模具，该模具与该容器的端部结合且包括具有非对称形状的挤出孔，从而将该挤压材料挤成板形状，

其中该模具的该挤出孔包括楔形部分，该楔形部分的宽度根据该挤压材料的挤出方向而变化，并且，

其中该楔形部分相对于该挤压材料的该挤出方向具有非对称形状。

9.一种挤出材料，具有板形状且通过用权利要求1至8任何一项所述的非对称挤出方法挤出挤压材料而形成。

10.根据权利要求9所述的挤出材料，其中该挤出材料的织构与该挤压材料的织构不同。

11.根据权利要求9所述的挤出材料，其中该挤压材料包括金属或金属合金。

12.根据权利要求11所述的挤出材料，其中该金属或该金属合金具有密排六方（HCP）结构、面心六方（FCC）结构或体心立方（BCC）结构。

13.根据权利要求11所述的挤出材料，其中该挤压材料包括选自由镁（Mg）、钛（Ti）、锆（Zr）、锌（Zn）、铝（Al）、铜（Cu）或铁（Fe）或其合金构成的组中之一。

14.一种非对称挤出模具，该模具包括具有非对称形状且用于将挤压材料挤成板形状的挤出孔，

其中该挤出孔包括楔形部分，该楔形部分的宽度根据该挤压材料的挤出方向而变化，并且

其中该楔形部分相对于该挤压材料的该挤出方向具有非对称形状。

15.根据权利要求14所述的模具，包括在该楔形部分处沿着该板形状的厚度方向彼此分开的一对第一内表面，并且

其中该对第一内表面沿着该挤出方向以不同的倾斜度延伸。

16.根据权利要求15所述的模具，其中该对第一内表面之一平行于该挤出方向而延伸。

17.根据权利要求15所述的模具，其中该挤出孔具有矩形截面，

其中该模具包括在该楔形部分处沿着该板形状的宽度方向彼此分开的一对第二内表面，并且

其中该对第二内表面沿着该挤出方向是对称的。

18.根据权利要求17所述的模具，其中该对第二内表面平行于该挤出方向。

19.一种非对称挤出装置，包括权利要求14至18任何一项所述的模具。

20.一种非对称挤出装置，包括：

容器，用于装填挤压材料；

模具，与该容器的端部结合并包括具有矩形形状且用于将该挤压材料挤成板形状的挤出孔；和

推杆，置于该容器内与该模具相对，从而推动该挤压材料，

其中该挤出孔包括楔形部分，该楔形部分的宽度根据该挤压材料的挤出方向而变化，并且

其中该楔形部分相对于该挤出方向具有非对称形状。

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