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CN111922106B - 一种连续扭转挤压大塑性变形方法及其应用 - Google Patents

一种连续扭转挤压大塑性变形方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种连续扭转挤压大塑性变形方法及其应用，属于塑性加工成形技术领域。本发明利用连续挤压阶段产生的变形力和变形温度，为扭转挤压提供变形所需的热力条件；同时在连续挤压变形区内产生沿坯料轴向剧烈剪切和扭转挤压变形区内周向剪切变形，以实现大的交叉剪切塑性变形。本发明将连续挤压和扭转挤压各自的变形特点结合起来，增加单道次应变量从而减少挤压道次，是一种可工业化应用的连续大塑性变形新方法。同时，具有操作简单、工艺稳定，所得产品性能优良，可广泛应用于超长尺度中小规格管、棒、型、线材的工业化生产。

Description

一种连续扭转挤压大塑性变形方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种连续扭转挤压大塑性变形方法及其应用，属于塑性加工成形技术领域。
背景技术
大塑性变形(Severe Plastic Deformation,SPD)是在不显著改变试样原始尺寸的情况下，通过非常高的应变累积使金属材料发生强烈变形而产生大量位错累积及晶界的扭曲，能够显著细化晶粒尺寸，从而使金属或合金获得极细甚至纳米晶组织。因其能大幅度提高金属材料的力学性能，大塑性变形在近年得以快速发展。但是90％以上研究集中在等径角挤压(ECAP)、高压扭转(HPT)和累积叠轧(ARB)这三种传统的大塑性变形方法，用于制备杆、棒、锭坯、管和板等近120种新型大塑性变形方法之中绝大多数是基于等径角挤压。这些方法普遍存在试样尺寸小、重复道次过多等固有的局限性，难以实现工业化应用。
为了解决大塑性变形方法的工业应用问题，基于传统塑性加工工艺的复合大塑性变形方法相继被提出和研究。专利(201410608272.X)“一种高性能轻合金板材的挤压方法”，也就是将挤压锭分割成多块组合进行挤压。由于复合挤压过程中锭坯之间摩擦产生的剪切变形，诱发复合挤压近中心部位形成更加均匀细小的晶粒组织和弱的基面织构，致使复合挤压AZ31镁合金板抗拉强度和延伸率均高于传统挤压材料。专利(200810233106.0)“连续转角剪切的挤压整形制备镁合金型材的方法及模具”提出了一种新型镁合金挤压方法，即将传统的挤压和等通道挤压相结合的挤压-剪切(简称ES)方法，结果表明在挤压的起始阶段主要是不连续动态再结晶，在挤压压缩和转角剪切阶段为连续动态再结晶。同时，ES挤压前粗大的第二相在剪切后逐步变成弥散的小颗粒。挤压和连续两次剪切使更多的晶粒取向发生改变，使基面与非基面取向共存，在一定程度上提高镁合金的强度。
连续挤压成形(Continuous Extrusion Forming,Conform)技术是1972年英国原子能局斯普林菲尔德研究所格林发明的，成为金属材料加工领域继连续轧制、连续铸造和连铸连轧技术之后又一重大应用技术突破。在原理上，它有效地利用了坯料与旋转挤压轮之间的强摩擦所产生足够的挤压力和温度，可将杆料、颗粒料或熔融金属以连续变形的方式直接挤压成制品，已广泛应用于铝、铜及其合金生产上。在连续挤压过程中，合金坯料的温度会逐渐升高，挤压变形区形成一个特殊的应力、应变和温度场。此外，研究发现连续挤压变形区内存在一个剧烈剪切带(Intense Internal Shear Band,IISB)，IISB不仅能改善变形的均匀性而且还可以提高金属的塑性加工性能。
随着大塑性变形技术与理论研究的深入，人们开始将连续挤压与其它大塑性变形方法结合起来，提出并发展了多种基于连续挤压的大塑性变形方法。专利(201710100830.5)“一种连续大塑性变形的方法及所用设备其应用”，将当量直径为d的待加工材料通过连续挤压成当量直径为D的挤压制品；对当量直径为D的挤压制品进行拉伸，得到当量直径为d的待加工材料；然后重复挤压、拉伸直至名义累积应变量，实现大塑性变形。专利(201811602216.X)“一种细化镁合金晶粒的重复连续焊合挤压方法”，利用摩擦和挤压变形产生的热使棒材和分流焊合模的温度升高，在模腔中，通过分流桥将镁合金棒材沿其轴向分割为至少2股，并在分流中发生第一次剪切塑性变形，随后，从分流桥另一端的出口焊合腔焊合挤出，在焊合中发生二次剪切塑性变形；重复上述连续挤压焊合过程至少2次。由于分流过程产生的二次剪切变形作用，在三道次重复连续焊合挤压后，AZ31镁合金平均晶粒尺寸大幅减少；基面织构由平行于挤压方向(ED)变为与ED方向呈0°～30°，且其强度略微增加。因此，AZ31镁合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率等综合力学性能都有所提高。然而，上述基于Conform连续挤压提出的大塑性变形方法通常需要经过多道次重复挤压，生产成本的增加也在一定程度上限制其大规模工业化应用。
扭转挤压(Twist Extrusion,TE)是乌克兰科学院院士Yan Beygelzimer教授及其团队于1999年提出的一种大塑性变形方法，其主要特点是在变形过程中会产生漩流流动(Vortex Flow)的大剪切变形，在细化晶粒的同时有利于改变织构和组织的均匀性，从而提高材料性能。然而，从目前所报道的文献可知，扭转挤压大塑性变形方法由于样品尺寸太小且无法实现连续给料，只是处于实验室阶段，暂无法实现大规模工业化应用。
但到目前为止，采用连续扭转挤压实现大塑性变形的技术，在相关文献中还鲜有报道。
发明内容
为此，本发明针对扭转挤压大塑性变形方法和重复连续挤压大塑性变形方法的不足，利用连续挤压阶段产生的变形力和变形温度，以真正连续给料的方式为扭转挤压提供变形所需的热力条件；同时在连续挤压变形区内产生沿坯料轴向剧烈剪切和扭转挤压变形区内周向剪切变形，以实现大的交叉剪切塑性变形。本发明将连续挤压和扭转挤压各自的变形特点结合起来，增加单道次应变量从而减少挤压道次，是一种可工业化应用的连续大塑性变形新方法。同时，具有操作简单、工艺稳定，所得产品性能优良，可广泛应用于超长尺度中小规格管、棒、型、线材的工业化生产。
本发明解决了现有大塑性变形方法普遍存在试样尺寸小、重复道次过多等而难于工业化应用的难题。
本发明一种连续扭转挤压大塑性变形方法，其实施方案为：
利用连续挤压阶段产生的变形力和变形温度，为扭转挤压提供变形所需的热力条件；杆料在连续挤压轮驱动下，先后经过连续挤压剪切变形区和一个带有旋转截面的扭转模腔来实现连续大塑性变形；连续扭转挤压杆料在连续挤压变形区内受到沿坯料轴向剧烈剪切和在扭转挤压变形区内的周向剪切变形，从而实现大的交叉剪切塑性变形。
本发明，在连续挤压机上，将当量直径为D0的待加工杆料送入连续挤压槽轮中，在连续挤压轮的旋转驱动下，杆料进入由连续挤压模和优化的扭转挤压模合理装配成的连续扭转挤压模模腔中。杆料与连续挤压槽轮产生的摩擦热和挤压变形产生的变形热使杆料和模具温度升高，为随后的连续扭转挤压提供变形所需的热力条件。在连续挤压轮的连续驱动下，杆料经过连续挤压剪切变形区，杆料在连续挤压变形区内受到沿坯料轴向剧烈剪切力。继续连续挤压，杆料经过一个固定的带有旋转截面的扭转模腔进入扭转挤压变形区，杆料在扭转挤压变形区内受到周向剪切变形力。继续连续挤压，最终成形成当量直径为D1的挤压制品。通过在连续挤压变形区内产生沿坯料轴向剧烈剪切和扭转挤压变形区内产生周向剪切变形，以实现大的交叉剪切塑性变形。
所述D1小于D0，或所述D1等于D0，或所述D1大于D0。
根据塑性力学应变分析，假定不考虑其它如压轮、连续挤压变形区内和扭转模具出入口处等的压缩变形，可初步估算连续扭转挤压过程中的总应变：
Figure BDA0002504947060000051
式1中，α为连续挤压变形区内的剪切角，r为距轴心的距离，θ为扭转角度，L为扭转模腔长度。
本发明一种连续扭转挤压大塑性变形方法，扭转角度θ的取值为45°-90°。
本发明一种连续扭转挤压大塑性变形方法，扭转模腔长度L的取值为10-30mm。
本发明一种连续扭转挤压大塑性变形方法扭转模腔形状为方形、椭圆形，类椭圆形和偏离挤压中心的圆形中的一种。
本发明杆料能够在扭转模腔中发生涡流运动。
本发明一种连续扭转挤压大塑性变形方法扭转模腔横断面积为小于、等于和大于原始坯料横断面积。
本发明一种连续扭转挤压大塑性变形方法的应用，包括将所述方法用于铝合金、镁合金、铜合金中的至少一种。优选为铝合金。
原理和优势
连续挤压成形(Continuous Extrusion Forming,Conform)技术是1972年英国原子能局斯普林菲尔德研究所格林发明的，成为金属材料加工领域继连续轧制、连续铸造和连铸连轧技术之后又一重大应用技术突破。在原理上，它有效地利用了坯料与旋转挤压轮之间的强摩擦所产生足够的挤压力和温度，可将杆料、颗粒料或熔融金属以连续变形的方式直接挤压成制品，已广泛应用于铝、铜及其合金生产上。在连续挤压过程中，合金坯料的温度会逐渐升高，挤压变形区形成一个特殊的应力、应变和温度场。此外，研究发现连续挤压变形区内存在一个剧烈剪切带(Intense Internal Shear Band,IISB)，IISB不仅能改善变形的均匀性而且还可以提高金属的塑性加工性能。
扭转挤压(Twist Extrusion,TE)是乌克兰科学院院士Yan Beygelzimer教授及其团队于1999年提出的一种大塑性变形方法，其主要特点是在变形过程中会产生漩流流动(Vortex Flow)的大剪切变形，在细化晶粒的同时有利于改变织构和组织的均匀性，从而提高材料性能。
大塑性变形(Severe Plastic Deformation,SPD)是在不显著改变试样原始尺寸的情况下，通过非常高的应变累积使金属材料发生强烈变形而产生大量位错累积及晶界的扭曲，能够显著细化晶粒尺寸，可以使金属或合金获得极细甚至纳米晶组织，从而大幅度提高金属材料的力学性能。
虽然连续挤压成形以及扭转挤压是公知技术，但在实际应用过程中遇到了以下技术难点：难点1，由于扭转挤压变形过程挤压力比普通连续挤压所需的力大，因此原有连续挤压所提供的挤压力不够。针对难点1，本发明严格限定了连续挤压接触弧对应的角度为65°-90°。这就确保了可以提供足够的挤压力。难点2，扭转挤压的扭转角度越大，剪切变形量越大，但将其应用在连续挤压上，会造成挤压阻力太大而无法实现。为了克服这一难点，本发明必须优化了扭转角度和扭转模腔长度的搭配。本发明严格限定了扭转角度θ的取值为45°-90°、扭转模腔长度L的取值为10-30mm，使得连续扭转挤压大塑性变形得以快速顺利进行。
本发明具有以下优势
(1)是一种简单可行的连续大塑性变形方法，可广泛应用于超长尺度中小规格管、棒、型、线材生产；
(2)连续挤压和扭转挤压各自的变形特点结合起来，增加单道次应变量从而减少了挤压道次；本发明通过连续挤压接触弧长度与优化的扭转挤压模腔角度与长度的合理组装实现连续扭转挤压变形过程。
(3)利用连续挤压阶段产生的变形力和变形温度，为扭转挤压提供变形所需的热力条件；
(4)连续挤压变形区内产生沿坯料轴向剧烈剪切和扭转挤压变形区内产生周向剪切变形，以实现单一道次大的交叉剪切塑性变形；
(5)产品组织细化、均匀性好。
附图说明
附图1为本发明连续扭转挤压大塑性变形原理示意图。
附图2为实施例1中，6201铝合金经普通连续挤压和连续扭转挤压所得产物的金相组织对比图，其中a为普通连续挤压所得产物的金相组织图；b为连续扭转挤压所得产物的金相组织图。
附图3为实施例2中Al-10Sr中间合金经普通连续挤压和连续扭转挤压所得产物的金相组织对比图，其中a为普通连续挤压所得产物的金相组织图；b为连续扭转挤压所得产物的金相组织图。
附图4为实施例3中AZ31镁合金经普通连续挤压和连续扭转挤压所得产物的金相组织对比图，其中a为普通连续挤压所得产物的金相组织图；b为连续扭转挤压所得产物的金相组织图。
具体实施方式：
实施例1
首先，将直径为d＝9.5mm的连铸连轧6201铝合金盘圆杆料喂入LJ300连续挤压轮槽中(连续挤压接触弧对应的角度为由普通连续挤压的60°增加至90°)，通过普通平模挤压成直径为D＝9.5mm的挤压制品，挤压轮速度为18rpm，挤压出口温度约为480℃，出模口1500mm进入水槽成冷却、吹干、收卷；然后，将直径为d＝9.5mm的连铸连轧6201铝合金盘圆杆料喂入LJ300连续挤压轮槽中，通过扭转模具挤压成直径为D＝9.5mm的挤压制品，挤压轮速度为18rpm，挤压出口温度约为480℃，出模口1500mm进入水槽成冷却、吹干、收卷。分别取普通连续挤压和连续扭转挤压后的6201铝合金产品进行微观组织的扫描电镜分析，结果如图2,可见晶粒平均尺寸由普通连续挤压的118.3μm左右细化为连续扭转挤压的46.9μm左右，细化和均匀化效果非常明显。
在实施例1中扭转角度θ的取值为90°；扭转模腔长度L的取值为10mm。
实施例2
首先，将铸锭-热挤压直径为d＝9.5mm的Al-10Sr中间合金变质材料杆料喂入LJ300连续挤压轮槽中(连续挤压接触弧对应的角度为由普通连续挤压的60°增加至90°)，通过普通平模挤压成直径为D＝9.5mm的挤压制品，挤压轮速度为16rpm，挤压出口温度约为460℃，出模口强风吹冷却、收卷；然后，将铸锭-热挤压直径为d＝9.5mm的Al-10Sr中间合金变质材料杆料喂入LJ300连续挤压轮槽中，通过扭转模具挤压成直径为D＝9.5mm的挤压制品，挤压轮速度为16rpm，挤压出口温度约为460℃，出模口强风吹冷却、收卷。分别取普通连续挤压和连续扭转挤压后的Al-10Sr中间合金变质材料产品进行微观组织的金相分析，结果如图3,可见Al4Sr颗粒平均尺寸由普通连续挤压的51.8μm左右细化为连续扭转挤压的15.7μm左右，Al4Sr形状由长条棒状变成颗粒状，细化和均匀化效果非常明显。
在实施例2中扭转角度θ的取值为90°；扭转模腔长度L的取值为10mm。
实施例3
首先，将铸锭-热挤压直径为d＝9.5mm的AZ31镁合金杆料喂入LJ300连续挤压轮槽中(连续挤压接触弧对应的角度为由普通连续挤压的60°增加至90°)，通过普通平模挤压成直径为D＝9.5mm的挤压制品，挤压轮速度为8rpm，挤压出口温度约为360℃，出模口自然冷却；然后，将铸锭-热挤压直径为d＝9.5mm的AZ31镁合金杆料喂入LJ300连续挤压轮槽中，通过扭转模具挤压成直径为D＝9.5mm的挤压制品，挤压轮速度为8rpm，挤压出口温度约为360℃，出模口出模口自然冷却。分别取普通连续挤压和连续扭转挤压后的AZ31镁合金产品进行微观组织的EBSD分析，结果如图4，可见连续扭转挤压后的AZ31镁合金平均晶粒尺寸大幅减少(由50.6μm细化至9.4μm)，细化和均匀化效果非常明显。
在实施例3中扭转角度θ的取值为90°；扭转模腔长度L的取值为10mm。
在技术开发过程中，还尝试了扭转角度θ小于45°扭转模腔长度L大于35mm的方案，但连续挤压主电机电流过载，造成挤压不成功的不足。
在技术开发过程中，还尝试了扭转角度θ小于45°扭转模腔长度L小于10mm的方案，但产品存在晶粒尺寸与常规连续挤压相近，细化效果不明显的不足。

Claims (5)

1.一种连续扭转挤压大塑性变形方法，其特征在于：利用连续挤压阶段产生的变形力和变形温度，为扭转挤压提供变形所需的热力条件；杆料在连续挤压轮驱动下，先后经过连续挤压剪切变形区和一个带有旋转截面的扭转模腔来实现连续大塑性变形；连续扭转挤压杆料在连续挤压变形区内受到沿坯料轴向剧烈剪切和在扭转挤压变形区内的周向剪切变形，从而实现大的交叉剪切塑性变形；
根据塑性力学应变分析，通过公式（1）初步估算连续扭转挤压过程中的总应变：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式（1）中，α为连续挤压变形区内的剪切角， r为距轴心的距离，θ为扭转角度，L为扭转模腔长度；
连续挤压接触弧对应的包角为65o-90o；
扭转模腔长度L的取值为10-30 mm；
扭转角度θ的取值为45o-90o。
2.根据权利要求1所述的一种连续扭转挤压大塑性变形方法，其特征在于：将当量直径为D0的待加工材料通过连续扭转挤压成当量直径为D1的挤压制品。
3.根据权利要求2所述的一种连续扭转挤压大塑性变形方法，其特征在于：所述D1小于D0，或所述D1等于 D0，或所述D1大于 D0。
4.根据权利要求1所述的一种连续扭转挤压大塑性变形方法，其特征在于：扭转模腔形状为方形、椭圆形、类椭圆形和偏离挤压中心的圆形中的一种。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述连续扭转挤压大塑性变形方法的应用，其特征在于：包括将所述方法用于铝合金、镁合金、铜合金中的一种。
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