一种制备超细晶金属薄板的双向挤压模具及制备方法

本发明设计金属材料的塑性流动加工技术领域，尤其涉及一种制备超细晶金属薄板的双向挤压模具及制备方法。

背景技术：

随着工业界技术的不断提升，对金属材料性能的要求也越来越高。超细晶纳米晶材料因细小的晶粒、高位错密度以及缺陷密度而拥有优异的机械、化学以及物理性能，但是随着超细晶材料强度和硬度的上升，其韧性和塑性会显著降低、加工硬化能力消失、结构稳定性变差，这些缺陷进一步限制了超细晶材料的应用和发展。近几年研究表明，具备梯度结构的超细晶材料兼具高强度和高塑性。梯度结构是指在超细晶材料表面为超细晶结构而内部为粗晶，晶粒尺寸从材料表面到材料内部呈梯度式减小。拥有最细小的晶粒区域经受了最大的累积应变，因而其机械强度最高；而拥有较粗大晶粒区域的区域变形程度没有那么大，所以加工硬化程度不高，还可以进一步变形，梯度结构材料这种独特的结构使其同时具备高强度和良好的塑性，解决了超细晶纳米晶材料在强度和塑性互不兼容的问题，因此其在摩擦学、生物力学、断裂力学和纳米技术等学科有广泛的研究。

近年来，许多学者对如何高效高质地制备梯度纳米金属材料进行了诸多研究。k.aoudia等(coatings,2018,8(12),1344-1355)使用表面机械磨损处理(smat)沉积在金属压表面的镍-铬涂层来制备梯度结构。然而该涂层内部具有许多孔洞以及缺陷，对材料的机械性能产生不利影响。h.yma等(materialsletters,159,185-188)对碳纳米管应用电沉积技术制备了晶粒尺寸范围在20-425000nm之间的梯度结构，该工艺复杂，制备梯度结构的厚度不易控制导致内部晶粒尺寸没有明显呈梯度分布。中国发明专利(cn105821180a)提出了一种在金属材料表面构筑梯度结构的方法，该方法使用连续激光器对金属材料表面进行激光热处理，该方法制备的细小晶粒尺寸为5-10um，还没达到超细晶的尺寸范围，从而限制了材料机械性能的进一步提高。

可见，以上方法存在具备梯度结构材料有内部缺陷、制备的梯度结构不易控制以及制备的细小晶粒尺寸达不到超细晶标准等问题，限制了梯度结构材料的应用。

技术实现要素：

针对解决上述问题，本发明的第一个目的在于提供一种制备具备梯度结构的超细晶金属薄板的双向挤压模具，它结构简单、成本低以及能够制备梯度分布均匀的梯度结构材料。

本发明的另一个目的在于提供一种制备超细晶金属薄板的方法。

为了实现上述目的，本发明方案通过以下技术方案实现：

一种制备具有梯度结构的超细晶金属薄板的双向挤压模具，包括主板模、与主板模可拆卸连接的副板模、正压顶杆、反压顶杆、挤压块、主敲杆、支撑块和副敲杆，

主板模上与副板模接触的内侧面上沿主板模的长度方向内凹开设有可容待加工工件移动的第一通道，第一通道的长度与主板模的长度相等，沿主板模的宽度方向且位于第一通道的一侧内凹开设有与第一通道相通的第二通道，正压顶杆和反压顶杆相对设置在第一通道-的两端且均可在第一通道内移动以给待加工工件的两端施加压力，

挤压块位于主板模内侧且靠近第一通道和第二通道设置，且挤压块靠近第一通道的一侧伸进第一通道，

所述主敲杆用于将所述挤压块从主板模上取出，

所述副敲杆可与工件接触以将工件取出。

进一步地，在挤压块的左上角开有倒角。倒角角度决定加工工件的角度，倒角高度决定加工工件厚度。待加工工件在正压顶杆和反压顶杆共同作用下向下移动与挤压块倒角接触并发生剪切变形，工件的一部分被制备为具备梯度结构的超细晶薄板。一方面，通过开设倒角，方便对待加工工件的剪切，而且改变了挤压块的受力情况以降低挤压块损坏的概率。另一方面，通过在挤压块上开设倒角，可以通过改变倒角的参数以制备梯度不同的超细晶薄板。

进一步地，挤压块的宽度为16.5-17.5mm，挤压块的高度为18-20mm，挤压块上的倒角的角度为10-80°，倒角的高度为1-3mm。

进一步地，在第二通道的下方且靠近第一通道处开设挤压块卡设口，所述挤压块卡设在挤压块卡设口内。挤压块的此种设置方式，可以方便挤压块的安装和更换。

进一步地，还包括支撑块，

在主板模上且位于所述挤压块卡设口的里侧开设有支撑块卡设槽，在主板模的外侧面向内开设有与所述支撑块卡设槽相通的主敲杆插孔，

所述支撑块卡设固定在所述支撑块卡设槽中，所述主敲杆可通过所述主敲杆插孔与所述支撑块接触。

通过设置支撑块，将主敲杆接触支撑块，并进行敲击，击打力通过支撑块传递到挤压块，便于后续将工件取出。而且通过支撑块将击打力传递给挤压块，可以避免直接击打挤压块而造成挤压块损伤。

进一步地，在主板模上且位于第一通道处开设有副敲杆插孔，所述副敲杆插孔从厚度方向上贯穿所述主板模，所述副敲杆可从主板模的外侧面朝内插入所述副敲杆插孔以与工件接触。

通过设置副敲杆插孔，副敲杆可以插入副敲杆插孔与工件接触，敲打副敲杆，击打力传递到工件，便于将工件取出。

进一步地，所述第二通道包括水平段和斜坡段，

所述水平段的左端靠近所述第一通道，所述水平段的右端向上下两端倾斜形成所述倾斜段。如此设置是为了减少与具备梯度结构的超细晶薄板的摩擦。

一种采用前述的一种制备具有梯度结构的超细晶金属薄板的双向挤压模具的制备方法，所述双向挤压模具通过液压机驱动，双向挤压模具通过安装座固定在液压机载物台上，液压机包括上方冲头和下方冲头，所述制备方法包括：

1)对主板模、副板模、正压顶杆以及反压顶杆做热处理；

2)将挤压块和支撑块固定在主板模上，将待加工工件放入主板模的第一通道内，并将待加工工件与挤压块接触，然后采用螺栓螺母固定主板模和副板模以形成组合式模具；

3)将组合式模具放置于液压机载物台上，通过安装座以及螺栓螺母将组合式模具固定；

4)将正压顶杆的底端从组合式模具的上方插入第一通道中，将反压顶杆从组合式模具的下方插入第一通道，并将液压机的上方冲头与正压顶杆的顶端紧密接触，下方冲头与反压顶杆的底端紧密接触；

5)设定上方冲头和下方冲头的压力，且上方冲头的压力大于下方冲头的压力；启动液压机，上方冲头向下运动并作用于正压顶杆，正压顶杆因此将一竖直向下的压力施于待加工工件上，下方冲头向上运动并作用于反压顶杆，反压顶杆因此将一个竖直向上的压力施于待加工工件上，在两个压力的作用下，待加工工件沿着第一通道往从上往下移动，并与挤压块接触，发生剪切变形，待加工工件上的部分材料从待加工工件分离进入第二通道并在第二通道内水平流动，同时因挤压块施加的应变，最终制得具备梯度机构的超细晶薄板；

6)关闭液压机，拔出正压顶杆和反压顶杆，松开固定主板模和副板模的螺栓螺母，取下副板模，将主敲杆的一端插入主敲杆插孔内与支撑块相连接，将副敲杆的一端插入副敲杆插孔内，然后敲击主敲杆和副敲杆以将已加工好的工件取下。

进一步地，在进行步骤之前先对工件进行退火处理。

进一步地，待加工工件的材料为铜、铝等韧性金属。

进一步地，液压机的上方冲头的压力范围为:100mpa<上方冲头的压力≤200mpa，下方冲头的压力设定为100mpa。双向挤压分别正压顶杆、反压顶杆施加不同的压力，且正压顶杆受到的压力大于反压顶杆所受到的压力，在待加工工件受到的两端压力差的作用下可保证待加工工件平稳地进行剪切变形，制备梯度结构层厚度大以及梯度分布均匀的超细晶薄板。

本发明相比现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明充分利用了金属的塑性变形性能，使待加工工件在向下运动时与挤压块相接触发生挤压与剪切形成超细晶材料并与工件发生分离后进入第二通道，并在第二通道内流动，形成超细晶薄板，加工一次就可完成整个挤压成形过程，工艺简单，加工高效。

(2)本发明中，挤压块剪切工件形成超细晶材料并在分离的超细晶材料与挤压块接触的一侧施加较大的应变，而超细晶材料水平流动与第二通道摩擦所受到的应变较小，故本发明所制备的超细晶金属薄板的晶粒尺寸在与挤压块平行的面上分布相对规律，晶粒尺寸沿着该面的宽度方向呈现梯度式分布。

(3)本发明中，待加工工件与挤压块接触一侧的晶粒尺寸在100-500nm级别的超细晶，极大提高了材料的强度；而待加工工件另外一侧的晶粒尺寸在1-5um级别，拥有进一步变形的能力。该梯度结构特性使该超细晶材料兼具高强度与高塑性。

(4)本发明应用的双向挤压可以保证待加工工件在与挤压块接触发生剪切变形的过程平稳进行，将更多的工件材料转化为具备梯度结构的超细晶薄板，提供工件的利用率。

(5)本发明适用的工件材料范围广泛，可为块状铜、铝、铁以及钢等韧性金属。

(6)本发明中，挤压块安装便捷，更换不同倒角角度、高度以及宽度的挤压块可改变加工工件角度、加工工件厚度以及制备超细晶薄板厚度，操作灵活。

附图说明

图1是本发明提供的双向挤压模具的结构示意图。

图2是本发明提供的双向挤压模具分解结构示意图。

图3是本发明的加工原理图。

图4是本发明所制备的具备梯度结构的超细晶金属薄板示意图。

图中标记为：1：主板模，1-1:第一通道，1-2：第二通道,1-3:凹槽，1-4:挤压块卡设口，1-5：副敲杆插孔，1-6：主敲杆插孔，2：副板模，3：挤压块，4：支撑块，5：主敲杆，6：副敲杆，7：正压顶杆，8：反压顶杆，9：待加工工件，10:螺栓，11：螺母，12：安装座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实例做进一步详细地描述。

实施例1

如图1及图2所示，本实例公开了一种制备具备梯度结构的超细晶金属薄板的双向挤压模具，该模具由主板模1、副板模2、挤压块3、支撑块4、主敲杆5、副敲杆6、正压顶杆7以及反压顶杆8组成。

主板模1和副板模2外侧面的底部均分别固定设置有呈l形的安装座12，安装座12上开设有螺栓孔，制备时，采用螺栓螺母与该螺栓孔配合即可将主板模1和副板模2固定在液压机上。主板模1的四个边角处均开设有第一安装孔，副板模2上相应开设有与四个第二安装孔，主板模1和副板模2通过螺栓螺母与第一安装孔和第二安装孔配合实现可拆卸连接。组装模具时，将四个第一安装孔和四个第二安装孔分别一一相对，并分别插入螺栓，采用螺母进行紧固，即可固定主板模1和副板模2。

主板模1上与副板模2接触的内侧面上沿主板模1的长度方向内凹开设有可容待加工工件9移动的第一通道1-1，第一通道1-1从长度方向上横贯主板模1，沿主板模1的宽度方向且位于第一通道1-1的右侧内凹开设有与第一通道1-1相通的第二通道1-2。第一通道用于安装正压顶杆7和反压顶杆8以及放置待加工工件9，第二通道用于制备具备梯度结构的超细晶薄板。正压顶杆7和反压顶杆8相对设置在第一通道1-1的两端且均可在第一通道1-1内移动以给待加工工件9的两端施加压力。

第一通道的横截面为正方形，边长变化范围为11-21mm，第一通道长度为140mm。待加工工件9呈长方条形状，其横截面为正方形，边长变化范围为10-20mm，待加工坯料的长度为80-100mm。

请参阅图3，所述第二通道1-2包括水平段和斜坡段，所述水平段的左端靠近所述第一通道1-1，所述水平段的右端向上下两端倾斜形成所述倾斜段。所述水平段的长度为4mm，图3中的l1代表水平段的长度。4mm是一个比较合理的数值，4mm长的水平段足以使超细晶薄板水平流动，如果水平段过长，挤出的超细晶薄板与水平段摩擦程度会加剧从而影响到其性能，故将第二通道剩余部分两侧加工成斜坡结构，斜坡结构起到降低超细晶薄板与第二通道之间的摩擦的作用。而从水平段流动出的被分离的工件部分在没有受到任何外力的情况下，不会发生偏向流动，最终可形成如图4所示的超细晶金属薄板(图4中点划线右侧部分即为最终制得的超细晶金属薄板)。

图3示出了本发明的加工原理以及关键参数的标号，其中pf为上方冲头设定压力，pb为下方冲头设定压力，we为挤压块宽度，he为挤压块长度，w为挤压块倒角高度，φ为挤压块倒角角度，h为第二通道水平部分宽度。

请参阅图2，挤压块3位于主板模1内侧且靠近第一通道1-1和第二通道1-2设置。本实施例中，在主板模1的内侧且靠近第一通道1-1和第二通道1-2相交处的下方设置挤压块卡设口1-4用于卡设固定挤压块3。当待加工工件在第一通道1-1从上往下移动时将与挤压块3接触，待加工工件发生剪切变形。本实施例中，在挤压块3的左上角开有倒角，挤压块倒角角度为60°，倒角高度为2mm，挤压块宽度为16.6mm，可制备得到宽度为1.4mm超细晶薄板。通过设置倒角，可以降低挤压块损伤的概率，而且通过改变倒角的参数即倒角的角度、高度等即可制备得到不同尺寸的超细晶薄板。本实施例中，

在主板模1上且位于所述挤压块卡设口1-4的里侧开设有支撑块卡设槽1-3，在主板模1的外侧面向内开设有与所述支撑块卡设槽1-3相通的主敲杆插孔1-6，所述支撑块4卡设固定在所述支撑块卡设槽1-3中，所述主敲杆5可通过所述主敲杆插孔1-6与所述支撑块4接触。在主板模1上且位于第一通道1-1处开设有副敲杆插孔1-5，所述副敲杆插孔1-5从厚度方向上贯穿所述主板模1，所述副敲杆6可从主板模1的外侧面朝内插入所述副敲杆插孔1-5以与工件接触。

挤压加工过程中工件很容易发生侧向流动从而堵在通道里，工件会和挤压块紧密接触很难分离，无论是挤压块还是工件都很难取出。为了更好地取出工件，故设置了主敲杆和副敲杆，从侧面将工件敲出来。具体来说，将主敲杆5一端通过主敲杆插孔1-6抵在支撑块4上，敲打主敲杆5，击打力通过支撑块4传递到挤压块3上，从而可以轻松将挤压块3取出。副敲杆6的一端通过副敲杆插孔1-5抵在工件上，敲打副敲杆6，将力作用在工件上，从而可以轻松将工件取出。

本实施例中，主板模1、副板模2、挤压块3的制备材料为cr12mov。

采用本实施例提供的双向挤压模具进行制备时，通过安装座12将主板模1和副板模2固定在四柱液压机的载物台上，正压顶杆7的底端从上方插入第一通道1-1内，反压顶杆8从下方插入第一通道1-1内，待加工工件9放置在第一通道1-1内且位于正压顶杆7和反压顶杆8之间，四柱液压机的上方冲头与正压顶杆7的顶端接触并给正压顶杆7施加往下的压力，正压顶杆7因此施力于待加工工件上，下方冲头与反压顶杆8底端接触并给反压顶杆8施加向上的压力，反压顶杆8因此施力于加工工件，且由于上方冲头施加的力大于下方冲头施加的力，待加工工件因而在第一通道内往下移动，移动过程中待加工工件与挤压块3的倒角处接触并发生挤压和剪切，待加工工件上与挤压块3顶部进行接触变形的部分因而从待加工工件上分离，即为超细晶材料，超细晶材料进入第二通道1-2内并沿着第二通道流动，最终形成超细晶金属薄板。

本实施例挤压块对工件进行剪切形成金属薄板，超细晶薄板与挤压块接触的一侧会产生相对较大的应变，制备的超细晶材料梯度结构分布均匀，具有高维氏硬度以及良好拉伸性能。本发明加工工艺简便、成本低，易于工业化。

实施例2

本实施例提供一种采用实施例1提供的双向挤压模具制备超细晶金属薄板的制备方法，所述双向挤压模具通过安装座固定在液压机载物台上，所述双向挤压模具通过液压机驱动，液压机包括上方冲头和下方冲头，具体制备方法包括：

(1)对待加工工件进行处理，将待加工工件9在340℃下加热3个小时随后迅速从马弗炉中取出待加工工件9并空冷。对待加工工件进行退火处理，使其内部组织均匀，消除待加工工件内部的应力组织缺陷及残余应力从而提高其加工性。

(2)对模具进行处理，首先对主板模1、副板模2以及正压顶杆7、反压顶杆8进行淬火，将上述材料依次在650℃下加热2小时、850℃下加热2小时、1030℃下加热1.5小时，随即油冷；其次，对主板模1、副板模2以及正压顶杆7和反压顶杆8进行回火，将上述材料在180℃下加热6个小时，从马弗炉取出材料并空冷，重复回火，直至材料的洛氏硬度达到60。对主板模、副板模、正压顶杆以及反压顶杆做热处理，提高它们的机械性能避免加工中正压顶杆以及反压顶杆出现弯曲、主板模以及副板模出现开裂等失效现象。

(3)在主板模1上依次安装好支撑块4和挤压块3，将加工至要求尺寸的待加工工件9放入主板模1的第一通道1-1中，并使其刚好与挤压块8相接触；用内六角螺栓10和螺母11固定主板模1和副板模2以形成组合式模具。

(4)将组合式模具放置于四柱液压机载物台上，通过安装座12以及螺栓螺母将组合式模具固定。

(5)将正压顶杆7的底端从组合式模具的上方插入第一通道1-1中，将反压顶杆8从组合式模具的下方插入第一通道1-1，并将液压机的上方冲头与正压顶杆7的顶端紧密接触，下方冲头与反压顶杆8的底端紧密接触。

(6)设定好上方、下方冲头各自工作的压力，且上方冲头的压力大于下方冲头的压力，在工件两端形成压力差，使工件平稳地发生剪切变形，提高制备超细晶薄板的成功率和转化率；启动四柱液压机，使上方冲头向下运动并作用于正压顶杆7，正压顶杆7又作用于待加工工件9上端使其产生一个竖直向下的压力；同时下方冲头作用于背压顶杆8，背压顶杆8作用于待加工工件9下端使其产生一个竖直向上的压力。待加工工件9上端所受的压力大于下端所受到的压力，在两端压力差的作用下，待加工工件9平稳竖直向下移动并发生剪切变形，一部分材料从工件9分离并在垂直于第一通道的第二通道内水平流动，同时该部分材料的与挤压块作用的一侧受到挤压块3施加的应变，最终形成具备梯度结构的超细晶薄板。

(7)关闭四柱液压机开关并卸去挤压模具两端的压力，拔出正压顶杆7、反压顶杆8，松开固定主板模1和副板模2的螺栓螺母，取下副板模2，在主板模1的主敲杆插孔1-6安装主敲杆5并使主敲杆5的一端去接触支撑块4，将副敲杆6的一端插入副敲杆插孔1-5内并使副敲杆6的一端接触工件，使用锤子敲击主敲杆5和副敲杆6将剩余工件和超细晶薄板取出。图4中位于中心线右侧的水平部分即为所需的具备梯度结构的超细晶金属薄板，其尺寸为20mm×10mm×1.4mm。在加工过程中该部分发生剪切分离并顺利在第二通道流通，形成了表面平整无裂纹的薄板。经测试，该梯度材料与挤压块接触的一侧的平均晶粒尺寸在400nm左右，达到超细晶水平，而梯度材料另一侧的平均晶粒尺寸分布在3um左右，梯度结构分布均匀。超细晶薄板的平均维氏硬度为48hv，延伸率为5％。

本实施例中，采用通用型切削油来润滑主板模上的第一通道1-1。

制备时可给待加工工件和挤压块加上润滑油，以防止代加工工件堵塞，提高材料加工性。

待加工工件9的材料为铜、铝、铁、刚等韧性金属中的任意一种。本实施例中，待加工工件材料为纯铝1010，工件的横截面尺寸为10mm×10mm，长度为80mm。

本实施例中，上方冲头的工作压力设定为150mpa，下方冲头的工作压力设定为100mpa。

上述实施例仅为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。应当指出的是，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。