专利名称：一种利用剪切变形提高铸锭加工成型性能的开坯工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种材料加工领域的新型技术方法，具体地说是通过将金属或合金铸锭坯料均匀化热处理后，利用剪切变形开坯模具进行剪切变形，改善铸锭组织，提高铸锭坯料在后续锻造、挤压、轧制和拉拔等深加工成型处理过程中的成型性能的一种新型铸锭开坯工艺。
背景技术：
金属及其合金材料在国民经济各个领域都有广阔的应用，特别是铸件。但是，铸件组织一般比较粗大，使得材料的脆性增加，强度和塑性较低。且铸件容易存在气孔、疏松、气泡和微裂纹等空洞性缺陷，以及偏析、夹杂等固态缺陷。随着铸件界面尺寸增大，这些缺陷会更加严重，如果没有通过有效途径消除这些缺陷，将造成工件报废；如果在实际使用服役中，甚至会造成工程事故。
变形材料比铸造材料一般具有更高的强度和延展性，适合用于制造承受大载荷的零件；而且通过对变形加工工艺的控制，可得到更多样化的产品形式和力学性能。但是，一些金属和合金的塑性较差，变形困难。例如，在密排六方的镁基轻质材料中，由于镁合金的晶体结构大部分为密排六方体系，在室温下只有基面滑移系可以开动，塑性较差使得加工变形比较困难。较高温度下可以提高加工成型性能，但是由于经济和安全考虑，热加工的温度也不能过高。中等温度下，密排六方的结构能够启动的滑移系仍然有限，从而塑性加工性能不足。如何提高金属铸锭的加工变形能力，并且在变形过程中控制其综合力学性能，一直是发展金属材料的热加工变形技术的重点和难点之一。
金属铸锭通过塑性变形开坯可以减少或消除铸造缺陷，细化晶粒，改善铸锭的组织，从而提高铸锭的深加工如锻造、挤压、轧制、拉拔等塑性加工成型性能。现有的金属和合金的开坯技术，大多采用挤压、锻造和轧制等传统的热加工技术。这些传统的铸锭开坯技术，通过热锻和热轧可以在一定程度上减小铸锭的晶粒尺寸，但其加工效率低且对于塑性的改善程度有限。另外，传统开坯技术如挤压、锻造等采用正压力加载，变形量受到设备吨位和压头行程等各方面限制、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极限的限制，生产大型塑性加工零件比较困难。特别是在密排六方结构金属和合金中，如镁合金。因为在镁合金变形过程中，基面滑移最容易被激活，而其它非基面滑移则难以启动；孪生一定程度上发生，但具有一定的方向性，且产生的辅助变形量非常有限。由于镁的这些晶体塑性变形特征，在热锻和热轧等正压力热加工过程中，一方面造成坯料容易开裂，限制了每一道次的变形量，加工效率较低，组织细化效果较差；另一方面由于可以开动的非基面滑移较少，基面滑移和孪生成为主要的变形模式，容易使坯料形成强烈的基面织构。这种在热锻和热轧中易产生的强烈基面织构，造成了材料的各向异性特别严重，对坯料的深加工成型非常不利。从而，经传统热锻和热轧开坯后的铸锭在后续深加工过程中变形更加困难，往往失去了开坯本来的意义。
因此，现有的开坯技术急切需要改进，同时更需要发展一些区别于传统开坯工艺的新型的开坯技术。目前面临的问题是，如何在开坯的过程中减小开裂现象，且通过足够的变形量来改善坯料的组织性能，特别是如何控制开坯过程中形成的织构的类型和强度，减少不利于后续加工的织构形成，以利于后续的锻造、挤压、轧制、拉拔等工件深加工成型处理。
发明内容
本发明的目的在于针对现有铸锭开坯技术的不足，提供一种利用剪切变形使铸锭获得高的深加工成型性能的开坯工艺，解决现有开坯技术存在的变形困难、开裂现象及成型性能较差等问题。它是通过应用剪切力引起的塑性变形来细化铸锭粗大的晶粒组织，控制铸锭中的组织织构，使铸锭坯料在后续的锻造、挤压、轧制和拉拔等深加工成型过程中，具有较好的加工成型性能。
本发明的技术方案是本发明通过利用剪切变形对铸锭变形，并结合相应的热处理制度，来提高铸锭坯料的加工成型性能，包括优化的剪切变形开坯模具装置及其剪切变形开坯工艺流程。具体的技术步骤如下(1)所有铸锭经过规整加工成外形和尺寸统一的规则的坯料。其铸锭适用于各种金属及合金材料；规整后的坯料为具有一定横截面形状的长棒，横截面可以为圆形、椭圆形、矩形、三角形、梯形或者其它易于加工的形状，优选圆形和矩形。圆形横截面的直径，矩形、三角形或梯形横截面的各边长度和其它易于加工的形状的几何特征尺寸是该横截面的特征尺寸；其特征尺寸D应在0～5000mm范围内选取，优选范围在0.5～1000mm内；棒长L0一般为0.5～10000mm，优选范围0.5～5000mm。
(2)根据规整后的坯料外形尺寸，按照图2中的示意图设计制造剪切变形开坯模具装置，并安装到挤压动力设备上，调试待用。设计的剪切变形开坯模具的挤压入口通道的横截面形状为规整后得到的铸锭坯料的横截面形状，一般为圆形、椭圆形、矩形、三角形、梯形或其它易于加工的形状；模具入口通道横截面的尺寸稍大于坯料横截面的尺寸，间隙尺寸为0.1～10mm，以0.5～1mm为佳；入口通道的长度稍微长于坯料和挤压头的总长度，总长度L一般在0.5～20000mm范围内优选；模具有加热和控温装置。模具的出口通道的横截面形状和尺寸可以跟入口通道的相同或者不同，优选形状和尺寸相同的情况；当出口通道横截面积大于入口通道的面积时，必须在出口通道增加反挤压部分。模具两个通道的内接转角弧度Φ和外接转角弧度Ψ分别在0～170°之间选取，优选范围分别为90～150°和0～90°。
(3)规整后的合金铸锭坯料放入加热炉在室温至1500℃进行均匀化处理0～240h；温度优选范围为200～600℃，处理时间优选范围为0～24h。处理直接在大气中进行，或者采用气氛保护，气氛优选二氧化碳或氩气。
(4)处理后的合金坯料放入剪切变形开坯模具入口通道，在温度为室温至1500℃下预热0～10h后，以一定挤压速度为0.5～2000mm/min从模具中剪切变形开坯。开坯挤压前的预热可在加热炉中或者直接在模具入口通道中进行，预热温度优选范围为100～600℃，预热处理时间优选范围为0～2h，挤压速度优选范围为50～100mm/min。
(5)坯料放入加热炉中在室温至1500℃进行再结晶退火处理0～24h，退火温度优选范围为200～600℃，退火时间优选范围为0～2h；如果坯料材质在挤压过程中充分动态再结晶，也可以不进行再结晶退火处理；处理直接在大气中进行，或者采用保护性气氛保护，气氛优选二氧化碳或氩气。
(6)评价合金组织，如果上述加工道次的组织不足以满足后续深加工的要求，即为不合格开坯组织，则重复上述步骤(4)～(6)；如果组织满足后续加工要求，即为合格开坯组织，则进入步骤(7)。组织满足后续加工要求是指，其成型性能能够满足挤压、锻造、轧制和拉拔等深加工成型处理所需要的平均晶粒尺寸要求，其尺寸范围为0.1～50μm。进行多道次挤压开坯时，坯料在重新放入模具入口通道时，可以绕坯料的长轴向旋转一定角度再放入，旋转角度为90～360°，也可以不旋转直接放入。
(7)修整坯料，进行挤压、锻造、轧制和拉拔后续深加工成型处理。所进行的深加工成型处理，为挤压、锻造、轧制和拉拔等深加工成型处理过程中的一种，或者是它们中的几种组合而成的深加工成型处理过程。
本发明通过总结铸锭在剪切变形过程中组织流动特点，以及变形温度对铸锭组织晶粒大小和力学性能的影响得到。剪切变形开坯技术有别于传统的挤压、锻造和轧制等开坯工艺使用的正应力，它是利用在剪切变形模具的转角处产生的剪切应力来实现剪切变形开坯。材料在通道转角处受到强烈的剪切变形后，原始粗大晶粒被破碎，通过再结晶得到均匀组织。如果两个通道的横截面形状和面积基本不变，可以无限次重复剪切变形过程，利用通道连接处强烈剪切应变的累积效应，在保持大块体坯料的状态下经反复多次剪切变形的累积迭加而得到相当大的总应变量，从而使晶粒尺寸显著细化，产生微米甚至亚微米级晶粒。在坯料不发生开裂的前提下，剪切变形温度越低，开坯细化的效果更加明显，变形后坯料的组织越细小。再加上适当的再结晶退火工艺，使得开坯后的组织更加均匀。这种均匀细小的组织，在后续的深加工中，具有更好的变形性能，提高了产品的成品率，从而扩大了金属及合金的变形产品数量和质量，为变形金属和合金的更广泛应用提供了推动力。
与现有的开坯技术相比，本发明在研究剪切力作用下塑性变形量、坯料旋转方式和变形温度对铸锭坯料的微观组织及其力学性能的影响的基础上，利用剪切变形开坯技术在实现深度塑性变形、有效细化铸锭的晶粒的同时，优化了它们的组织织构类型；特别是，在一些密排六方的金属和合金中，这种剪切变形开坯能形成与材料的径向呈一定倾斜角度的基面织构，并且可以通过各道次之间的转动来控制不同的织构类型的形成。因此，它克服了在传统开坯技术中易形成强烈的基面垂直主应力的织构而引起明显的力学性能各向异性这一缺点。
本发明具有如下优点1.本发明工艺流程和设备简单易行，且由于利用剪切力，使得较传统的挤压、锻造、轧制等开坯方法对动力装置的要求大大降低，节省能源和资金，经济效益提高。
2.本发明成功地改善了一些塑性差的金属和合金塑性加工成形性能不足的问题，并克服了易形成不利于深加工的织构的缺点，能初步实现组织织构控制，制备的坯料加工成型性能增长明显，开坯效果较传统的挤压、锻造、轧制工艺更好。
3.本发明制备的坯料可以满足对组织和形状的多种需要。可以不改变原来坯料的外观尺寸，从而可以直接或稍经处理就重复开坯，节省工艺；通过控制重复开坯次数，可以简单地实现不同程度的成型性能提高，满足不同深加工需求。同时也可以根据需要通过调整模具来获得尺寸和形状发生改变的坯料，满足各种深加工对坯料不同形状的需要。
4.本发明广泛地适用于各种金属及其合金材料，如铁、镁、钛、铝、铜、锌、镍和金属间化合物等，可以根据实际需要进行开坯处理；也可以推广应用于其它类似的非金属材料开坯处理。
图1是利用剪切变形提高铸锭成型性能的新型开坯工艺流程图。
图2是利用剪切变形提高铸锭加工成型性能的新型开坯工艺的剪切变形开坯模具装置示意图；其中各部分分别为1、挤压入口通道；2、挤压模体；3、加热层；4、挤压出口通道；5、反挤压部分；6、支撑底座；7、热电偶；8、坯料；9、挤压头；10、外加压力；11、反挤压力。
图3(a)-(b)是铸态和一道次开坯处理后的WE54镁合金的组织形貌图(a)铸态；(b)一道次开坯处理后。
图4(a)-(b)是铸态和四道次开坯处理后的WE54镁合金试样在400℃下以0.01s-1压缩50％应变量后的实物图(a)铸态；(b)一道次开坯处理后。
图5(a)-(b)是铸态和四道次开坯处理后的ZW61镁合金的组织形貌图(a)铸态；(b)四道次开坯处理后。
图6(a)-(b)是铸态和四道次开坯处理后的ZW61镁合金试样在300℃下以0.01s-1压缩50％应变量后的实物图(a)铸态和(b)四道次开坯处理后。
具体实施例方式
利用本发明的剪切变形提高镁合金加工成型性能的铸锭开坯新型工艺技术流程如图1所示，具体的技术步骤如下(1)所有金属或合金铸锭经过规整加工成统一规则的外形坯料。
(2)根据规整后的坯料外形尺寸，按照图2中的示意图设计制造剪切变形开坯模具装置，并安装到挤压动力设备上，调试好待用。
(3)规整后的铸锭坯料放入加热炉进行均匀化处理。
(4)处理后的坯料放入剪切变形开坯模具装置入口通道；坯料在挤压温度下于模具装置中或加热炉中预热一段时间后，以一定速度从模具中剪切变形开坯；铸锭通过挤压开坯后，从模具中取出。
(5)放入加热炉中进行再结晶退火处理。
(6)评价坯料组织如果上述加工道次的组织不足以满足后续深加工的要求，即为不合格开坯组织，则重复步骤(4)～(6)；如果组织满足后续加工要求，即为合格开坯组织，则进入步骤(7)。
(7)修整坯料，进行挤压、锻造、轧制和拉拔等后续深加工成型处理，得到工件。
如图2所示，本发明新型开坯工艺的剪切变形开坯模具装置包括挤压入口通道1，挤压模体2，加热层3，挤压出口通道4，反挤压部分5，支撑底座6，热电偶7，挤压头9。其中，挤压模体2内设置以一定弧度相互连通的挤压入口通道1和挤压出口通道4，挤压模体2外侧设置加热层3，挤压模体2底部与支撑底座6连接，用于监控温度的热电偶7的头部插装于挤压模体2中的通道转角附近，挤压入口通道1设置挤压头9，挤压出口通道4设置反挤压部分5。坯料8从挤压入口通道1放入，反挤压部分5开始时候置于通道转角附近。剪切变形开坯时，通过外加压力10对挤压头9施加压力，将坯料8沿着挤压入口通道1从挤压出口通道4挤出。在挤压出口横截面积小于挤压入口通道横截面积时，为了使得坯料充满整个挤压出口通道，需在反挤压部分5加上反挤压力11，其力大小为能使坯料充满整个出口通道即可。
下面结合实施例详述本发明实施例1本实施例1的合金为WE54铸造镁合金，初始平均晶粒尺寸约为85μm(见图3a)。原始铸态合金在室温下以0.01s-1压缩的最大限度压下量约为8％。为了进一步锻造成型成工件，要求组织细化到15μm以下。
对该合金运用本发明进行剪切变形开坯处理规整后坯料的尺寸为12×12×100mm的铸态挤压棒；根据图2，设计并制造模具，选取两相等的模具通道，尺寸为12×12×130mm的长方体，内接转角弧度Φ为90°，外接转角弧度Ψ为0°。坯料在箱式电阻炉中于525℃均匀化处理8小时后空冷待用；然后坯料在模具的入口通道内，在420℃保温20分钟后以15mm/min的速度进行挤压开坯处理。挤压开坯完成后从模具中取出坯料，使用箱式电阻炉在450℃退火处理1.5小时。开坯后合金坯料细化组织的晶粒尺寸约为10μm(图3b)。对WE54镁合金的加工性能进行检测，切取Φ8×10mm试样，在室温下以0.01s-1压缩，开坯后坯料最大压下量约提高到12％；在400℃下以0.01s-1压缩50％应变量，原始铸态合金已经发生剪切开裂(图4a)，而开坯后的合金试样完好，没有裂纹存在(图4b)，开坯后合金坯料的加工性能得到提高。
实施例2与实施例1不同之处在于本实施例2的合金为铸态ZW61合金，初始平均晶粒尺寸约为200μm(见图5a)。铸态合金在室温下以0.01s-1压缩的最大限度压下量为10％。如为了进一步拉拔深加工，要求组织细化到8μm以下。
对该合金运用本发明进行剪切变形开坯处理第(1)步，对该合金铸锭进行规整处理，规整后坯料的尺寸为12×12×100mm的铸态挤压棒；第(2)步根据图2，设计并制造模具，选取两相同的模具通道，尺寸为12×12×130mm的长方体，内接转角弧度Φ为90°，外接转角弧度Ψ为90°；第(3)步将坯料在箱式电阻炉中在450℃均匀化处理10小时后空冷待用；然后进行第(4)步，将坯料放入模具的入口通道中，在350℃保温15分钟后以10mm/min的速度进行剪切变形开坯处理，挤压开坯完成后从模具中取出坯料；第(5)步，对处理完后的合金再重复第(4)～(6)步，每两道次之间坯料绕其径向顺时针旋转90°，共进行了四道次开坯挤压处理；最后，第(6)步，挤压后的坯料放入箱式电阻炉中，在350℃退火处理1小时。开坯处理完成的合金坯料细化组织的平均晶粒尺寸约为5μm(如图5b)，满足后续拉拔深加工成型要求。对铸态ZW61合金的加工性能进行检测，切取Φ8×10mm试样，在室温下以0.01s-1压缩，四道次开坯后最大压下量提高到26％左右；在300℃下以0.01s-1压缩50％应变量，原始铸态合金已经发生剪切开裂(图6a)，而经过开坯的合金试样完好，没有裂纹存在(图6b)，开坯后合金坯料的加工性能明显提高。
实例表明，在本发明的技术方案范围内，均可解决现有开坯技术存在的变形困难、铸锭容易开裂等问题，显著提高铸锭开坯后的深加工成型性能，达到本发明目的。
权利要求
1.一种利用剪切变形提高铸锭加工成型性能的开坯工艺，其特征在于该工艺的具体步骤为(1)把金属或合金铸锭外形规整成形状和尺寸统一的坯料；(2)按照规整后的形状和尺寸，准备好剪切变形开坯模具；(3)铸锭坯料按设定温度为室温至1500℃，在加热炉中均匀化处理0～240h；(4)均匀处理后的坯料放入剪切变形开坯模具入口通道，在开坯温度为室温至1500℃下预热0～10h，然后在挤压速度为0.5～2000mm/min范围内进行剪切变形开坯；(5)铸锭坯料通过剪切变形后，从模具中取出，放入加热炉中在室温至1500℃条件下再结晶退火处理0～24h；(6)评价坯料组织如果上述加工道次的组织不足以满足后续深加工的要求，即为不合格开坯组织，则重复上述步骤(4)～(6)，进行多道次挤压开坯；如果组织满足后续加工要求，即为合格开坯组织，则进入步骤(7)；(7)合格的坯料经过修整后进行挤压、锻造、轧制和拉拔深加工成型处理。
2.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(1)中铸锭适用于各种金属及合金材料；规整后的坯料为具有一定截面形状的长棒，截面为圆形、椭圆形、矩形、三角形、梯形或者其它易于加工的形状。
3.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(2)中设计的剪切变形开坯模具的挤压入口通道的横截面形状为规整后得到的铸锭坯料实际形状的截面，横截面形状为圆形、椭圆形、矩形、三角形、梯形或其它易于加工的形状；模具入口通道的尺寸稍大于坯料的尺寸，间隙尺寸为0.1～10mm；入口通道的长度长于坯料和挤压头的总长度。
4.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(2)中的剪切变形开坯模具的出口通道的横截面形状和尺寸跟入口通道的相同或不同；当出口通道横截面积大于入口通道的面积时，在出口通道增加反挤压部分；两个通道相交的内接转角弧度Φ和外接转角弧度ψ分别在0～170°之间选取。
5.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(3)中，对给定的铸锭坯料进行均匀化处理的温度和时间的优选范围在200～600℃和0～24h之间；处理直接在大气中进行，或者采用保护性气氛，保护气氛为二氧化碳或氩气。
6.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(4)中，铸锭坯料开坯挤压前的预热温度优选范围在100～600℃之间，预热时间优选范围0～2h，在加热炉中或者直接在模具入口通道中进行；挤压速度优选范围在50～100mm/min内。
7.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(5)中，进行再结晶退火处理，其温度优选范围在200～600℃之间，处理的时间优选范围为0～2h；处理直接在大气中进行，或者采用保护性气氛，保护气氛为二氧化碳或氩气。
8.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(6)中的组织满足后续加工要求，是指其成型性能能够满足挤压、锻造、轧制和拉拔深加工成型处理所需要的平均晶粒尺寸要求，其尺寸范围为0.1～50μm。
9.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(6)中进行多道次挤压开坯时，坯料在重新放入模具入口通道时，绕坯料的长轴向旋转一定角度再放入，旋转角度为90～360°，或者不旋转直接放入。
10.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(7)中进行的深加工成型处理工艺，为挤压、锻造、轧制和拉拔深加工成型处理过程中的一种，或者是它们中的几种组合而成的深加工成型处理过程。
全文摘要
本发明涉及一种铸锭开坯的新型工艺，具体地说是一种利用剪切力对金属及其合金铸锭变形，并结合相应的热处理，来提高坯料的深加工成型性能的新型铸锭开坯工艺。其技术流程为先对铸锭的外形进行规整；再按照规整后的形状和尺寸，设计一种剪切变形开坯模具；把均匀化热处理过的坯料放入模具的入口通道，在开坯温度下保温一定时间后，以一定速度剪切开坯；铸锭坯料通过剪切变形开坯，从模具中取出后进行再结晶退火处理；再经修整后进行挤压、锻造、轧制和拉拔等深加工成型处理。本发明的开坯设备和工艺流程简单，开坯后铸锭的成型性能得到大幅度提高，且能够精确控制坯料的形状和尺寸，是一种铸锭开坯新型工艺，可广泛适用于各种金属及其合金材料。
文档编号B22D27/00GK101081430SQ200710011960
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月4日 优先权日2007年7月4日
发明者唐伟能, 陈荣石, 韩恩厚 申请人:中国科学院金属研究所