专利名称：一种纯剪切挤压制备超细晶粒管材的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明属于超细晶粒管材制备技术领域，特别涉及一种纯剪切挤压制备超细晶粒管材的专用模具装置，尤其适合于超细晶粒管材的生产。
背景技术：
超细晶粒管材因具有良好的塑性韧性和较高的强度，是管材制备加工技术所追求得到的高端产品。由于拥有好的综合力学性能，因而广泛地应用于冷热交换器、化工建材、管件深加工等工业。对于超细晶粒管材而言，制备过程的加工成型方法是最关键的问题之一，保证获得具有均匀的超细晶粒微观组织结构是主要的技术问题。
目前超细晶粒管材已有一些制备加工的方法，主要是轧制、挤压和锻造等，利用这些方法制备的超细晶粒管材，需要多次变形，最主要的缺点是每次变形必须减小管材的管径和管壁厚度以及易于产生不均匀的变形，并且需要很大的工作压力。这对于给定尺寸要求的管材，要想获得超细晶粒，必须从很大的壁厚和管径开始变形，因而需要多套模具和多道工序。这对于变形抗力大、变形温度高的材料而言，其制造成本是相当大的。现有的纯剪切挤压技术方法只能对实心的圆形、方形棒材进行变形，不能对管材实施挤压制备超细晶粒。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于多种材料、短流程、高效率、低成本、实现每次变形的管径和管壁不变化的纯剪切挤压制备超细晶粒管材的方法及设备。
本发明的技术构思是通过改变挤压成形的变形方式，实现了管材的纯剪切挤压变形，即在挤压机上设置专用模具装置，将管坯在挤压机上从所述挤压模具装置中进行变形，这种变形可以多次反复进行，最终使管材的内部微观组织变成超细晶粒。
实现管坯制成内部组织为超细晶粒的管材，并且在制备过程中管坯的宏观尺寸不变化，内部的组织具有均匀和同一性。由于管坯的变形集中在挤压筒的转角部分，变形具有纯剪切性，管坯变形在模具里进行，通过多次反复变形得到超细晶粒的管材。每次变形可以沿挤压轴向变转0°～180°，提高每次的变形程度，加快晶粒的细化速度；挤压筒转角的角度变化为90°～160°，适应不同的管坯材料。本发明方法是通过改变挤压成形的变形方式，实现了管材内部微观组织晶粒度的超细化，提高管材的力学性能和冶金质量并降低成本。
本发明的技术解决方案是，一种纯剪切挤压制备超细晶粒管材的设备，包括上挤压筒1、下挤压筒2和装在连接在一起的上挤压筒1、下挤压筒2外的加热套3，其特殊在，还包括装在上挤压筒1、下挤压筒2中的中空的挤压杆4、支撑环5和芯棒6，芯棒6的上端插在挤压杆4里，芯棒6的下端穿过支撑环5。
一种纯剪切挤压制备超细晶粒管材的方法，是将管坯7从芯棒6的上端放入上挤压筒1，挤压杆4压在管坯7上，芯棒6穿过管坯7插入挤压杆4，支撑环5设置在下挤压筒2的上部，向下压挤压杆4，管坯7通过下挤压筒2的挤压转角处时，纯剪切挤压使管坯7的内部微观组织变成超细晶粒，下挤压筒2的挤压转角的角度是90°～160°在管坯7材料的变形能力较好时，采用较小的挤压筒转角，以增大变形程度、加快组织细化速度；在管坯7材料的变形能力较差时，采用较大的挤压筒转角，以减小变形程度，避免管材产生裂纹；在管坯7材料的变形能力很差和易于发生氧化时，管坯7外部包覆保护套，改善变形和避免氧化。
在管坯7材料的变形温度较高时，采用相应较高的挤压模具温度，并提高挤压速度，并在管材出口处增加冷却措施，避免再结晶晶粒的长大。
在纯剪切挤压制备超细晶粒管材的设备中进行变形时，改变管坯7每次变形的方向，即对于变形一次的管坯，在下一次变形时沿挤压轴向变转的角度为0°～180°，这样可以配合转角部位的变形，增大每次的变形程度，加快组织细化速度和均匀性。
本发明具有如下有益效果1.采用本发明制备超细晶粒管材时，通过改变挤压成形的变形方式，实现了管材的微观组织细化，直接方便地获得超细晶粒的管材，适用于多种材料的管坯。
2.采用本发明进行较难变形和易于氧化材料的管坯制备超细晶粒管材。
3.采用本发明生产实施简便、流程短，对管材的尺寸、材料局限小，易于控制管材的晶粒度和冶金质量，可降低制造成本和制备技术难度，能确保连管材内部质量的同一性。
4.本发明特别适用于制备超细晶粒管材，也可配合改变每次的变形方向，增大变形程度，可以获得特别细小的微观组织甚至得到纳米晶粒，并且管材的内部组织均匀性好。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为纯剪切挤压制备超细晶粒管材的设备结构示意图。
在挤压机上利用热挤压方法制造管坯，经过初步精整制成定尺长的管坯7，在热处理炉内进行去应力和均匀化退火，将处理后的管坯在挤压机上的专用挤压模具里进行挤压变形，要对管坯的内外孔和挤压模具内筒及芯棒加以润滑，挤压变形过程中挤压模具的预热温度、管坯预热温度、挤压速度等工艺参数之间应相互匹配，具体根据变形管坯的材料和尺寸及制备的超细晶粒度决定。变形铝合金LF6厚壁管坯20×5mm，在挤压前管坯的晶粒度为5μm，采用本方法对管坯进行变形处理，可以使其的微观组织细化而管坯的宏观尺寸不变，获得超细晶粒的管材；变形模具的挤压筒转角为120°，每变形一次，管坯相对挤压轴转90°，管坯长200mm；挤压速度为2m/min，模具温度200℃，管坯预热温度为300℃，挤压变形连续进行，中间无退火过程，经过4次挤压变形，得到内部晶粒均匀性很好的管材，其晶粒度为0.8μm。
实施例2对于管坯材料变形能力较差时，采用较大的挤压转角，以减小变形程度，避免管材产生裂纹；本实施例7075铝合金管坯20×5mm，管坯长200mm；变形模具的挤压筒转角为135°，每变形一次，管坯相对挤压轴转90°，挤压速度1m/min，模具温度280℃，管坯预热温度为350℃。
实施例3在所述管坯材料易于发生氧化时，采用管材外部包覆保护套，改善变形区域状态，避免氧化；易于氧化的活性金属及其合金管材，如Ti、Mg及其合金等，采用铝或不锈钢薄皮包覆；本实施例MB2镁合金管坯20×5mm，管坯长200mm，内外表面包覆1mm纯铝薄；变形模具的挤压筒转角为120°，每变形一次，管坯相对挤压轴转90°，挤压速度2m/min，模具温度220℃，管坯预热温度为350℃。
实施例4在所述管坯材料的变形能力很差，即室温断裂伸长率低于15％时，采用内外部包覆碳钢或不锈钢保护套，改善变形区域的状态，避免发生开裂；本实施例NiAl-30Fe金属问化合物合金20×5mm，管坯长150mm，内外表面包覆2mm低碳钢板；变形模具的挤压筒转角为135°，挤压速度8m/min，模具温度450℃，管坯预热温度为1150℃。
实施例5在所述管坯材料的变形温度较高，即挤压温度高于500℃时，采用相应较高的挤压模具温度，应提高挤压速度，并在管材出口处增加冷却措施，避免再结晶晶粒的长大；本实施例TC4钛合金20×5mm，管坯长150mm，内外表面包覆1mm不锈钢板；变形模具的挤压筒转角为135°，挤压速度8m/min，模具温度450℃，管坯预热温度为1100℃，在管材的挤压出口处设置强制风冷却，冷却风流速10m/s，进风口温度≤30℃，吹风口孔径20。
权利要求
1.一种纯剪切挤压制备超细晶粒管材的设备，包括上挤压筒(1)、下挤压筒(2)和装在连接在一起的上挤压筒(1)、下挤压筒(2)外的加热套(3)，其特征在于，还包括装在上挤压筒(1)、下挤压筒(2)中的中空的挤压杆(4)、支撑环(5)和芯棒(6)，芯棒(6)的上端插在挤压杆(4)里，芯棒(6)的下端穿过支撑环(5)。
2.采用权利要求1所述的一种纯剪切挤压制备超细晶粒管材的设备的纯剪切挤压制备超细晶粒管材的方法，其特征在于，将管坯(7)从芯棒(6)的上端放入上挤压筒(1)，挤压杆(4)压在管坯(7)上，芯棒(6)穿过管坯(7)插入挤压杆(4)，支撑环(5)设置在下挤压筒(2)的上部，向下压挤压杆(4)，管坯(7)通过下挤压筒(2)的挤压转角处时，实现纯剪切变形使管坯(7)的内部微观组织变成超细晶粒，下挤压筒(2)的挤压筒转角的角度是90°～160°。
3.根据权利要求2所述的纯剪切挤压制备超细晶粒管材的方法，其特征在于，在纯剪切挤压制备超细晶粒管材的设备中进行变形时，改变管坯(7)每次变形的方向，即对于变形一次的管坯，在下一次变形时沿挤压轴向变转的角度为0°～180°。
4.根据权利要求2所述的纯剪切挤压制备超细晶粒管材的方法，其特征在于，在管坯(7)材料的变形能力很差，即室温断裂伸长率低于15％和易于发生氧化时，管坯(7)外部包覆保护套。
5.根据权利要求2所述的纯剪切挤压制备超细晶粒管材的方法，其特征在于，在管坯(7)材料的变形温度较高，即挤压温度高于500℃时，采用相应较高的挤压模具温度，并提高挤压速度，并在管材出口处加以冷却。
全文摘要
一种纯剪切挤压制备超细晶粒管材的方法及设备属于超细晶粒管材制备技术领域。它通过改变挤压成形的加工方式，实现了管材的纯剪切挤压变形，在挤压机上设置专用的模具装置，将管坯进行挤压加工变形，这种变形可以多次反复进行，最终使管材的内部微观组织变成超细晶粒，以获得超细晶粒的管材，实现每次变形的管径和管壁不变化，变形为纯剪切变形；这种纯剪切变形不仅极有利于晶粒的细化而且可以利用一套模具进行多次反复变形。具有适用于多种材料、短流程、高效率、低成本的特点。
文档编号B21C23/00GK1473670SQ0313349
公开日2004年2月11日 申请日期2003年6月21日 优先权日2003年6月21日
发明者周文龙, 陈荣石 申请人:大连理工大学