专利名称：一种细晶棒料的制备装置及方法
技术领域：
本发明涉及材料工程领域，尤其涉及一种细晶棒料的制备装置及方法。
背景技术：
金属材料内部由许多晶粒组成，单位体积内晶粒数目越多，晶粒越细，而细晶粒金属比粗晶金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性，在电工电子、仪表、航空航天等领域应用前景广阔。当前制备细晶材料的方法有变质处理、快速凝固、振动与搅拌、大塑性变形技术，前三种技术是在熔炼或热处理过程中进行细晶处理，而大塑性变形技术是通过剪切及塑性变形使晶粒细化，该技术包括高压扭转法、等通道转角挤压法、循环挤压法等；如专利(CN1446935)采用摩擦压扭变性去横向转移法，对材料表面进行细晶处理，同时又采 用感应加热和扭转剪切的方式来细化棒状金属材料晶粒，该发明可对金属表面和已有棒料进行细晶处理，但工艺复杂；专利(CN101294238)采用等通道转角挤压变形晶粒细化法，可保持材料在变形前后形状和尺寸不变，但仍需多道镦挤变形，对模具要求较高；专利(CN102051564A)提出退火+冷轧的方法制备超细晶铜合金板料，而但需进行多次反复进行冷轧，且设备吨位高。以上述专利为代表的方法各具优缺点能够对板料表面或或已有棒料进行细晶处理，但工艺较为复杂，往往需要反复挤压，对设备吨位和体积要求较高，且没有提出一次成型的细晶棒料制备方法，难以满足对直径较小细晶棒料的需求，尽管可以由直径较大的细晶棒料加工制成，但显然费工费料，成本较高。
发明内容
发明目的本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种细晶棒料的制备装置及方法，其无需金属熔化和过多的热处理工序，利用高温摩擦挤压产生塑性变形，来实现细晶棒料的一次性成型，从而满足小直径细晶棒料的需求。技术方案本发明所述的一种细晶棒料的制备装置，包括摩擦头及其驱动装置，摩擦头顶端开有圆柱形空腔，底端开有喇叭形空腔，所述圆柱形空腔与喇叭形空腔相互贯通，摩擦头的底面开有螺纹槽，用于将塑性金属卷入轴心并使其在喇叭形空腔积聚。进一步完善上述技术方案，所述驱动装置，包括机头、支架、空心主轴和主轴套，所述摩擦头的顶端固定在空心主轴的底端,所述机头的动力输出轴通过传动机构带动空心主轴旋转，所述主轴套固定在空心主轴上，所述主轴套通过轴承固定在支架上，使其可以在支架上旋转。进一步，所述空心主轴内设置有辅助冷却细晶棒料的引导套，其截面为圆环形，内部设置有冷却液，用于辅助冷却，避免晶粒在高温下过度长大。进一步，所述动力输出轴上设置有齿轮，所述空心主轴上设置有从动齿轮，所述齿轮与从动齿轮之间通过中间齿轮传递动力。
采用上述装置制备细晶棒料的方法为通过驱动装置带动摩擦头相对于板料旋转，同时摩擦头对板料施加轴向压力；随着摩擦产热的增多，摩擦头与板料接触面附近的金属被塑化、晶粒被打碎，逐渐形成塑性金属流，这些塑性金属被摩擦头端部的螺纹槽卷入轴心，在摩擦头内的喇叭形空腔内积聚，并逐渐被挤入摩擦头上部的圆柱形空腔中；在后续进入喇叭形空腔中的塑性金属不断挤压下，原先圆柱形空腔中的金属被挤压出来，形成一定长度的圆柱形细晶棒料。进一步，上述方法还包括将挤压成型后的圆柱形细晶棒料在退火工艺条件下进行退火处理，以获得均匀稳定的细晶组织。进一步，所述退火工艺条件为在120— 250°C的温度条件下，退火处理O. 5— I小时。 进一步，摩擦压力不仅影响摩擦产热，也影响塑性金属挤压成型的过程，因此在制备过程中，需要保持摩擦压力为恒定的值，施加在摩擦头与料板之间的轴向压力为14000N左右。旋转速度与摩擦压力一样，也会影响摩擦产热的大小，旋转速度过快产热过大，塑性金属温度较高，有使棒料晶粒长大的危险，旋转速度过小，塑性金属量不够，挤压成型难以实现，因此所述摩擦头的旋转速度为600-1000rpm。最后，摩擦头在制备过程中需相对板料水平移动，移动速度与摩擦压力和旋转速度相匹配，与摩擦压力与旋转速度的乘积成正比，其范围为200— 300mm/min。本发明与现有技术相比，其有益效果是本发明(I)通过摩擦头与板料之间的高温摩擦和挤压塑性变形，方便地制备细晶棒料；(2)摩擦头结构简洁、操作简单，塑性金属进入摩擦头内部空腔后，经过强烈的塑性变形和挤压后，能够一次成型，提高了细晶棒料的生产效率；(3)结构简单实用，不仅能够快速生产细晶棒料，对板料表面磨削、细晶处理也都有参考意义。
图I为采用摩擦头制备细晶棒料的示意图。图2为摩擦头端面螺旋槽仰视示意图。图3为实施例中细晶棒料的制备装置的结构示意图。图4为实施例中制备细晶棒料的操作流程图。
具体实施例方式下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。如图3所示，一种铝合金细晶棒料的制备装置，包括用高温合金钢制造的圆柱形摩擦头I和带动其旋转的驱动装置，摩擦头I顶端开有圆柱形空腔，底端开有喇叭形空腔，所述圆柱形空腔与喇叭形空腔相互贯通，摩擦头的底面开有螺纹槽，用于将塑性金属卷入轴心并使其在喇叭形空腔积聚。如图2所示，图2 Ca)为四股螺纹槽，图2 (b)为两股螺纹槽，图2 (c)为单股螺纹槽，三种螺纹槽中的任意一个，都能够满足本发明要求。本发明中旋转方向为顺时针(仰视)；当螺旋槽的旋向改变，也需要改变旋转方向，否则，会引起塑性金属沿螺纹槽飞出摩擦面，不能在轴心积聚，从而不能形成细晶棒料。所述驱动装置，包括机头9、支架8、空心主轴4和主轴套5，所述摩擦头I的顶端通过螺钉固定在空心主轴4的底端，动力输出轴上设置有齿轮10，从动齿轮3与空心主轴4通过动齿轮固定螺母12紧密配合，所述齿轮10与从动齿轮3之间通过中间齿轮14啮合；空心主轴4穿过主轴套5并通过空心轴固定螺母6将两者连接在一起，同时通过键和键槽防止相对转动；主轴套5则通过一对轴承13与支架8连接固定，其可以在支架8上旋转；支架8通过燕尾滑槽与机头9连接，从而使摩擦头I、从动齿轮3、空心主轴4均被安装于机头9上。
装置工作时，机头输出轴及齿轮10、从动齿轮3、摩擦头I、空心主轴4、主轴套5均高速旋转，支架8可以通过滑槽上下移动。如图I所示，上述装置的制备方法为在摩擦头I与板料2之间施加较大的轴向压力，且摩擦头I相对于板料2按方向11高速旋转；随着摩擦产热的增多，摩擦头I与板料2接触面附近的金属迅速被塑化、晶粒被打碎，形成塑性金属流，这些塑性金属流被摩擦头I端部的螺旋槽卷入摩擦面中心，在摩擦头I内的喇叭形空腔内越聚越多，并逐渐被挤入摩擦头I上部的小圆柱形空腔中；当后续塑性金属不断进入喇叭形空腔中后，原先小圆柱形空腔中的金属被挤压出来，形成一定长度的圆柱形细晶棒料。在装置工作时，细晶棒料被挤出摩擦头I上部的圆柱形空腔后，为了避免晶粒在高温下过度长大，需尽快冷却，因此在空心主轴4内设置引导套7，其截面为圆环形，内部设置有冷却液，细晶棒料进入导引套7，用于辅助冷却。如图4所示，采用上述装置制备铝合金细晶棒料的流程为
(1)在开机之前，需进行预处理，预处理内容包括固定铝合金板料2、安装摩擦头I;
(2)摩擦头I开始下压，当接触板料2时，摩擦头I继续下压，同时开始旋转，旋转方向如图I所示的方向(11);
(3)当摩擦头I在原地旋转时间超过设定时间后，检查压力是否达到设定值，如果不是摩擦头下压以增加压力，如果是摩擦头停止下压并开始移动；
(4)检查棒料是否已经伸出了导引套7，如果不是回到第三步，如果是则停机、取出棒
料；
(5)取出棒料后，进行退火热处理；
(6)结束细晶铝合金棒料的制备过程。其中，退火工艺参数为在120—2501的温度条件下，退火处理O. 5— I小时。如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
权利要求
1.一种细晶棒料的制备装置，其特征在于，包括摩擦头及其驱动装置，摩擦头顶端开有圆柱形空腔，底端开有喇叭形空腔，所述圆柱形空腔与喇叭形空腔相互贯通，摩擦头的底面开有螺纹槽，用于将塑性金属卷入轴心并使其在喇叭形空腔中积聚。
2.根据权利要求I所述的细晶棒料的制备装置，其特征在于，所述驱动装置，包括机头、支架、空心主轴和主轴套,所述摩擦头的顶端固定在空心主轴的底端,所述机头的动力输出轴通过传动机构带动空心主轴旋转,所述主轴套固定在空心主轴上,所述主轴套通过轴承固定在支架上，使其可以旋转。
3.根据权利要求2所述的细晶棒料的制备装置，其特征在于，所述空心主轴内设置有辅助冷却细晶棒料的引导套，其截面为圆环形，内部设置有冷却液。
4.根据权利要求2所述的细晶棒料的制备装置，其特征在于，所述动力输出轴上设置有齿轮，所述空心主轴上设置有从动齿轮，所述齿轮与从动齿轮之间通过中间齿轮传递动力。
5.一种采用权利要求I所述装置制备细晶棒料的方法，其特征在于，通过驱动装置带动摩擦头相对于板料旋转，同时在两者之间施加轴向压力；随着摩擦产热的增多，摩擦头与板料接触面附近的金属被塑化、晶粒被打碎，逐渐形成塑性金属流，这些塑性金属被摩擦头端部的螺纹槽卷入轴心，在摩擦头内的喇叭形空腔内积聚，并逐渐被挤入摩擦头上部的圆柱形空腔中；在后续进入喇叭形空腔中的塑性金属不断挤压下，原先圆柱形空腔中的金属被挤压出来，形成一定长度的圆柱形细晶棒料。
6.根据权利要求5所述的制备细晶棒料的方法，其特征在于，还包括将上述方法挤压成型后的圆柱形细晶棒料在退火工艺条件下进行退火处理。
7.根据权利要求5所述的制备细晶棒料的方法，其特征在于，所述摩擦头的旋转速度为 600_1000rpm。
全文摘要
本发明公开了一种细晶棒料的制备装置，包括摩擦头及其驱动装置，摩擦头顶端开有圆柱形空腔，底端开有喇叭形空腔，所述圆柱形空腔与喇叭形空腔相互贯通，摩擦头的底面开有螺纹槽，用于将塑性金属卷入轴心并使其在喇叭形空腔中积聚；本发明(1)通过摩擦头与板料之间的高温摩擦和挤压，方便地制备细晶棒料；(2)摩擦头结构简洁、操作简单，塑性金属进入摩擦头内部空腔后，经过强烈的塑性变形和挤压后，能够一次成型，提高了细晶棒料的生产效率；(3)结构简单实用，不仅能够快速生产细晶棒料，对板料表面表面磨削、细晶处理也都有参考意义。
文档编号C22F1/00GK102839265SQ20121036034
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者陈书锦, 卢阿丽, 张郡郡, 芦笙 申请人:江苏科技大学