一种可控背压金属粉末等通道转角挤压装置及方法与流程

文档序号:20201207发布日期:2020-03-27 20:39阅读:185来源:国知局
一种可控背压金属粉末等通道转角挤压装置及方法与流程

本发明属于材料大塑性变形技术领域,特别是涉及一种可控背压金属粉末等通道转角挤压装置及方法。



背景技术:

大塑性变形技术可以在较低温度下进行高应变速率的变形,可用于制备细晶材料,而细晶材料具有不同于传统材料的物理性能(居里温度、德拜温度、电磁性、弹性模量、扩散系数等)、高强度、高塑性等力学性能。

等通道转角挤压技术(ecap)作为一种重要的大塑性变形技术,通过两个互成角度且截面尺寸相同的模具通道,在冲头压力作用下,使金属材料从通道的一端进入,经过转角后从另一端口挤出。受模具通道弯角的作用,使金属材料通过转角时产生强烈的剪切变形。因此,ecap可以有效地细化金属材料的显微组织,提高材料的综合力学性能。

与传统的金属材料塑性加工工艺相比,ecap可使金属材料在变形过程中不改变材料的横截面面积和截面形状,且塑性变形区较小,故只需较低的工作压力便可实现材料的反复定向及均匀的剪切变形,这有利于在材料内累积更大的塑性变形能,使晶粒组织充分细化。对于传统的塑性变形技术而言,变形前后材料的横截面形状变化较大,很难再进行重复变形加工,不能累积较大的塑性变形量。因此,传统的塑性变形技术下的晶粒组织细化不充分,很难将晶粒细化到亚微米及以下尺度。

ecap作为一种非常有效的细化晶粒方法,可显著地提高材料的综合性能,具有非常广阔的应用前景,其技术优势主要表现在以下几个方面:

①、变形后的材料强度比传统塑性变形技术下的材料有明显提高,可以降低材料的使用量,达到减少重量的目的。

②、能非常有效的细化晶粒,改善塑性,提高后续加工性能和零件成型性能。

③、能够对塑性较差的材料进行塑性成形,比如hcp晶格结构的金属材料,其塑性较差,经过施加背压,控制变形温度等合适的ecap工艺条件,能使材料在不降低材料强度的同时提高材料塑性。

④、不同变形路径能得到不同类型的织构和晶粒尺度分布,通过调整挤压工艺,能得到相对理想的织构和晶粒分布的材料,达到同时提高材料强度和塑性的目的。

⑤、材料成形可以在较低温度下进行,进而可有效抑制二次再结晶粗化,以得到细晶级尺度的块体材料。

但是,到目前为止,ecap仍主要集中在实验室研究阶段,工业应用相对较少,由于金属材料在变形过程中,诸多因素都会影响材料的显微组织和力学性能,具体包括以下几个方面:

①、通道夹角ф与外角ψ是最主要的影响因素,其直接影响单道次挤压的等效应变程度;例如,当ф为90°,ψ为0°、16°、37°、62°、90°时,剪应变量分别为1.15、1.07、0.99、0.93和0.90;当ф为120°、135°,ψ为0°时,剪应变量分别为0.66和为0.48;可见,当ф为90°,ψ为0°时,剪应变量最大,当ф为90°时模具承受的变形抗力好,同时ψ为0°时,在模具外转角处存在“死区”,摩擦力较大,在试样底部有部分变形不均匀区域,使该区域的有效形变程度降低,硬度值下降。

②、温度也是影响材料变形最重要的因素;例如,随着温度的增加,晶粒尺寸逐渐增大,而降低挤压温度,能得到更高体积分数的大角度晶界;对于难变形材料来说,为了在挤压过程中不发生断裂,通常需要提高挤压温度才能使挤压过程更顺利;可见,为了得到更高体积分数的大角度晶界和细晶组织材料,通常在试样不发生断裂的情况下,尽可能地降低挤压温度。

③、背压更是影响材料变形的最重要因素;背压可以为材料变形提供静水压力环境,在三向压力作用下,材料的塑性变形能力能得到显著地提高,这能防止制品产生裂纹,可以使脆性材料进行塑性变形;施加背压后,材料能充分填充外转角处的“死区”,剪切区域更趋近于纯剪切变形状态,晶粒细化效果更明显;对于脆性材料而言,施加背压能够最大限度地降低挤压温度,有利于得到更细小的晶粒组织。

另外,在ecap下带背压对金属粉末进行挤压的过程中,受剪切力和挤压力作用,会使粉末颗粒表面氧化膜破碎,利于粉末界面之间的相互焊合,得到高致密度的块体化材料。同时,挤压过程中的剪切变形也有利于粉末表面的氧化膜破碎,这些氧化物颗粒均匀地弥散分散在基体内能起到强化作用,从而得到颗粒增强的致密度的块体化材料。

但是,目前现有的绝大多数带背压的ecap设备的背压力都是不可变的,而由于金属剪切变形区的位置、金属和模具间的摩擦力均处于变化之中,如果作用在变形区的实际压应力不能有效控制,会使固化后的金属粉末的组织细化程度、相对密度和硬度等均存在较大的差异,并且组织性能的一致性和热稳定性较差,也会导致材料强度和塑性等机械性能降低。



技术实现要素:

针对变形区实际压应力不能有效控制的问题,本发明提供一种可控背压金属粉末等通道转角挤压装置及方法,可实现变形区挤压力保持恒定的条件,即在恒定应力条件下,对金属粉末进行不同温度、挤压速度和道次条件下的等通道挤压成形,可获得组织性能一致性和热稳定性好的块体化制品;同时,也可在等通道转角挤压过程中实现实时的无级背压变化,使挤压力按照梯度规律变化,以使内部晶粒大小及性能呈梯度变化,用以制备组织和机械性能为梯度变化的制品。

为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种可控背压金属粉末等通道转角挤压装置,包括挤压模具系统、液压系统及plc系统;所述挤压模具系统包括支撑底座、顶板、下垫板、上垫板、下基板、上基板、上凹模及下凹模;所述下垫板水平固装在支撑底座上表面,下基板水平固装在下垫板上方,在下垫板与下基板之间留有陶瓷加热板安装槽,陶瓷加热板安装槽内用于安装陶瓷加热板;所述上基板水平设置在下基板正上方,上基板与下基板顶靠接触配合,所述上垫板水平固连在上基板上方,在上垫板与上基板之间也留有陶瓷加热板安装槽,陶瓷加热板安装槽内用于安装陶瓷加热板;所述顶板水平固连在上垫板上表面;所述下凹模水平卡装在下基板上表面,所述上凹模水平卡装在上基板下表面,上凹模与下凹模扣合在一起,在上凹模与下凹模之间形成互成夹角且截面尺寸相同的第一挤压腔道和第二挤压腔道,第一挤压腔道与第二挤压腔道在转角处彼此连通;所述液压系统包括第一水平油缸、第二水平油缸、竖直油缸及液压站;所述第一水平油缸固装在第一挤压腔道外侧,第一水平油缸与第一挤压腔道的中轴线相重合,在第一水平油缸的活塞杆端部同轴固装有第一挤压凸模杆体,第一挤压凸模杆体与第一挤压腔道相配合;所述第二水平油缸固装在第二挤压腔道外侧,第二水平油缸与第二挤压腔道的中轴线相重合,在第二水平油缸的活塞杆端部同轴固装有第二挤压凸模杆体,第二挤压凸模杆体与第二挤压腔道相配合;所述竖直油缸固装在顶板正上方,竖直油缸的活塞杆朝下,竖直油缸的活塞杆端部与顶板上表面相固连;所述第一水平油缸、第二水平油缸及竖直油缸均由液压站进行供油,第一水平油缸及第二水平油缸与液压站之间的供油管路上均设置有比例阀,通过比例阀对第一水平油缸及第二水平油缸的流量和压力进行调控;所述第一水平油缸与第二水平油缸交替进行角色互换,当第一水平油缸作为工作缸时,则第二水平油缸作为背压缸;当第二水平油缸作为工作缸时,则第一水平油缸作为背压缸;所述竖直油缸作为锁模缸;当所述第一水平油缸或第二水平油缸作为背压缸时,通过比例阀对背压力进行调控;所述plc系统配备有触控屏,控制指令均在触控屏上执行。

一种可控背压金属粉末等通道转角挤压方法,采用了所述的可控背压金属粉末等通道转角挤压装置,包括如下步骤:

步骤一:将金属粉末装填入第一挤压腔道及第二挤压腔道中,同时在触控屏内输入竖直油缸需要施加的锁模力以及陶瓷加热板需要施加的温度,然后执行竖直油缸锁模动作指令,以使上凹模与下凹模紧密扣合在一起,同时执行温控指令,以使温度达到设定要求;

步骤二:在竖直油缸的锁模力下,第一水平油缸作为工作缸以最大系统油压和设定挤压速度进给,同时第二水平油缸作为背压缸以设定背压力对金属粉末形成挤压,在触控屏上实时显示和存储背压力和挤压力的变化曲线,并获取最大挤压力,之后以设定背压力为基础,以最大挤压力为目标,进行plc程序调试,并获取可控背压力,以实现变形区的挤压力保持恒定的条件,即实现在恒定的最大挤压力条件下对金属粉末进行等通道挤压成形;

步骤三:当第一水平油缸作为工作缸时达到限定位置后,第一水平油缸动作停止,第一水平油缸与第二水平油缸进行角色互换,然后第二水平油缸作为工作缸以最大挤压力和设定挤压速度进给,第一水平油缸则作为背压缸以可控背压力对金属粉末形成挤压,直到第二水平油缸作为工作缸时达到限定位置后,第二水平油缸动作停止;

步骤四:第一水平油缸与第二水平油缸再次进行角色互换,第一水平油缸作为工作缸以最大挤压力和设定挤压速度进给,第二水平油缸则作为背压缸以可控背压力对金属粉末形成挤压;

步骤五:重复步骤三和步骤四,直到达到设定的道次后,可控背压金属粉末等通道转角挤压成形结束。

本发明的有益效果:

本发明的可控背压金属粉末等通道转角挤压装置及方法,可实现变形区挤压力保持恒定的条件,即在恒定应力条件下,对金属粉末进行不同温度、挤压速度和道次条件下的等通道挤压成形,可获得组织性能一致性和热稳定性好的块体化制品;同时,也可在等通道转角挤压过程中实现实时的无级背压变化,使挤压力按照梯度规律变化,以使内部晶粒大小及性能呈梯度变化,用以制备组织和机械性能为梯度变化的制品。

附图说明

图1为本发明的一种可控背压金属粉末等通道转角挤压装置的正视图;

图2为本发明的一种可控背压金属粉末等通道转角挤压装置的俯视图;

图3为实施例中通过雾化方法制备的纯铝粉末颗粒的外观形貌图;

图4为实施例中第一道次挤压后的纯铝粉末试样头部微观组织图;

图5为实施例中第一道次挤压后的纯铝粉末试样尾部微观组织图;

图中,1—支撑底座,2—顶板,3—下垫板,4—上垫板,5—下基板,6—上基板,7—上凹模,8—下凹模,9—陶瓷加热板安装槽,10—第一挤压腔道,11—第二挤压腔道,12—第一水平油缸,13—第二水平油缸,14—竖直油缸,15—第一挤压凸模杆体,16—第二挤压凸模杆体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示,一种可控背压金属粉末等通道转角挤压装置,包括挤压模具系统、液压系统及plc系统;所述挤压模具系统包括支撑底座1、顶板2、下垫板3、上垫板4、下基板5、上基板6、上凹模7及下凹模8;所述下垫板3水平固装在支撑底座1上表面,下基板5水平固装在下垫板3上方,在下垫板3与下基板5之间留有陶瓷加热板安装槽9,陶瓷加热板安装槽9内用于安装陶瓷加热板;所述上基板6水平设置在下基板5正上方,上基板6与下基板5顶靠接触配合,所述上垫板4水平固连在上基板6上方,在上垫板4与上基板6之间也留有陶瓷加热板安装槽9,陶瓷加热板安装槽9内用于安装陶瓷加热板;所述顶板2水平固连在上垫板4上表面;所述下凹模8水平卡装在下基板5上表面,所述上凹模7水平卡装在上基板6下表面,上凹模7与下凹模8扣合在一起,在上凹模7与下凹模8之间形成互成夹角且截面尺寸相同的第一挤压腔道10和第二挤压腔道11,第一挤压腔道10与第二挤压腔道11在转角处彼此连通;所述液压系统包括第一水平油缸12、第二水平油缸13、竖直油缸14及液压站;所述第一水平油缸12固装在第一挤压腔道10外侧,第一水平油缸12与第一挤压腔道10的中轴线相重合,在第一水平油缸12的活塞杆端部同轴固装有第一挤压凸模杆体15,第一挤压凸模杆体15与第一挤压腔道10相配合;所述第二水平油缸13固装在第二挤压腔道11外侧,第二水平油缸13与第二挤压腔道11的中轴线相重合,在第二水平油缸13的活塞杆端部同轴固装有第二挤压凸模杆体16,第二挤压凸模杆体16与第二挤压腔道11相配合;所述竖直油缸14固装在顶板2正上方,竖直油缸14的活塞杆朝下,竖直油缸14的活塞杆端部与顶板2上表面相固连;所述第一水平油缸12、第二水平油缸13及竖直油缸14均由液压站进行供油,第一水平油缸12及第二水平油缸13与液压站之间的供油管路上均设置有比例阀,通过比例阀对第一水平油缸12及第二水平油缸13的流量和压力进行调控;所述第一水平油缸12与第二水平油缸13交替进行角色互换,当第一水平油缸12作为工作缸时,则第二水平油缸13作为背压缸;当第二水平油缸13作为工作缸时,则第一水平油缸12作为背压缸;所述竖直油缸14作为锁模缸;当所述第一水平油缸12或第二水平油缸13作为背压缸时,通过比例阀对背压力进行调控;所述plc系统配备有触控屏,控制指令均在触控屏上执行,例如急停指令、第一水平油缸挤压动作指令、第二水平油缸挤压动作指令、第一水平油缸背压保持指令、第二水平油缸背压保持指令、竖直油缸锁模动作指令、温控指令;触控屏的使用,可以方便plc系统进行数据输入和显示,因此可以省去大量的按钮、开关、指示灯、数码管等输入输出器件,也大大减少了plc系统所需的输入输出点;在触控屏上还可以显示和存储挤压力及背压力的变化曲线,由于金属剪切变形区的位置、金属和模具间的摩擦力均处于变化之中,通常条件下表现为:在行程的1/3过程中挤压力较小,进入行程的中段位置时挤压力迅速增加,在行程的最后挤压力基本保持不变,表明变形区的实际压应力亦按照初期较小、中期迅速变大和终期基本不变的规律变化,由于挤压力主要受变形区的塑性变形力和背压力的影响,因此通过可控背压可以实现恒定应力条件下对金属粉末进行等通道挤压成形的目的。

一种可控背压金属粉末等通道转角挤压方法,采用了所述的可控背压金属粉末等通道转角挤压装置,包括如下步骤:

步骤一:将金属粉末装填入第一挤压腔道10及第二挤压腔道11中,同时在触控屏内输入竖直油缸14需要施加的锁模力p1以及陶瓷加热板需要施加的温度,然后执行竖直油缸锁模动作指令,以使上凹模7与下凹模8紧密扣合在一起,同时执行温控指令,以使温度达到设定要求;

步骤二:在竖直油缸14的锁模力p1下,第一水平油缸12作为工作缸以最大系统油压和设定挤压速度v1进给,同时第二水平油缸13作为背压缸以设定背压力p2对金属粉末形成挤压,在触控屏上实时显示和存储背压力和挤压力的变化曲线,并获取最大挤压力p0,之后以设定背压力p2为基础,以最大挤压力p0为目标,进行plc程序调试,并获取可控背压力p20,以实现变形区的挤压力保持恒定的条件,即实现在恒定的最大挤压力p0条件下对金属粉末进行等通道挤压成形;

步骤三:当第一水平油缸12作为工作缸时达到限定位置后,第一水平油缸12动作停止,第一水平油缸12与第二水平油缸13进行角色互换,然后第二水平油缸13作为工作缸以最大挤压力p0和设定挤压速度v1进给,第一水平油缸12则作为背压缸以可控背压力p20对金属粉末形成挤压,直到第二水平油缸13作为工作缸时达到限定位置后,第二水平油缸13动作停止;

步骤四:第一水平油缸12与第二水平油缸13再次进行角色互换,第一水平油缸12作为工作缸以最大挤压力p0和设定挤压速度v1进给,第二水平油缸13则作为背压缸以可控背压力p20对金属粉末形成挤压;

步骤五:重复步骤三和步骤四,直到达到设定的道次后,可控背压金属粉末等通道转角挤压成形结束。

本实施例中,金属粉末为纯铝粉末,其化学成分为:si(0.1%)、fe(0.15%)、cu(0.02%)、o(0.25),其中si、fe、cu和al的成分与商业纯铝的标准成分一致,但由于铝粉末具有较大的比表面积,雾化制备过程中表面产生了氧化层,因此使氧的含量较高。如图3所示,为通过雾化方法制备的纯铝粉末颗粒的外观形貌,其尺寸不同,颗粒初始平均尺寸35μm左右,微观组织观察表明,每个铝粉末颗粒均包含多个晶粒,且其晶粒基本上为等轴晶,平均直径尺寸约为6.36μm。

本实施例中,上凹模7、下凹模8、第一挤压凸模杆体15及第二挤压凸模杆体16均采用h13热作模具钢制造,且热处理硬度为hrc49~52。第一挤压腔道10和第二挤压腔道11的尺寸相同,均为12mm×12mm×120mm,第一挤压凸模杆体15与第一挤压腔道10之间、第二挤压凸模杆体16与第二挤压腔道11之间均采用h7/g6的间隙配合。为了兼顾较大的道次变形程度,并考虑“死区”问题,通道夹角ф取90°,同时外角ψ取16°。竖直油缸14的锁模力p1范围为300~2000kn,第一水平油缸12及第二水平油缸13施加的主压力范围为0~500kn,第一水平油缸12及第二水平油缸13施加的背压力p2范围为10~50kn,挤压速度v1的范围为0.1~10mm/s,陶瓷加热板的温控范围为0~999℃。

在实际操作中,温度设定为100℃,最大挤压力p0设定为10kn,纯铝粉末试样总共进行了四个道次的挤压,并通过排水法测得了各个道次试样的密度,以及通过显微硬度计进行硬度测试,结果如下表所示:

表1各个试样的密度及力学性能

从图4及图5中可以清楚的看出,试样头部微观组织与试样尾部微观组织并没有区别,组织均十分均匀,也就是说,仅经过第一道次的挤压,就可以将纯铝粉末达到块体化,其相对密度可达96%以上,经过四个道次的挤压后,其相对密度便可以达到99%,并且块体化的试样比铝材具有更高的强度。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围,凡未脱离本发明所为的等效实施或变更,均包含于本案的专利范围中。

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