专利名称：制备大块均匀超细晶材料的镦压方法
技术领域：
本发明涉及一种材料加工技术领域的方法，尤其是一种制备大块均匀超细晶 材料的镦压方法。
技术背景近年来，采用大应变直接制备块体超细晶材料的大塑性变形技术(Severe Plastic Deformation, SPD)得到了快速的发展。但是，块体材料的组织均匀性、 工艺的可控性和细化能力一直是大塑性变形技术的主要问题。经对现有技术的文献检索发现，郭强等人在《金属学报》(2006, 42(7) :739-744)上发表的"多向锻造工艺对AZ80镁合金显微组织和力学性能的 影响"一文中，介绍了多向锻造工艺对AZ80镁合金组织和力学性能的影响。通过 多向锻造工艺，获得了组织均匀，晶粒尺寸为1 2um的AZ80镁合金。但是，该 工艺的缺点是，锻造采用自由锻方式，试样放在上下平砧之间，这样每道次的变 形量不能大，变形后材料形状会发生中间胀大，不利于下道次的变形。因此，自 由锻方式的多向变形细化能力受到限制，变形过程较难控制。发明内容本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种制备大块均匀超细晶材 料的镦压方法，使其操作简单，成本低廉，制备大块均匀的超细晶材料，易于工 业化生产。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过设计上型腔和下型腔的形状， 使待加工材料通过上型腔和下型腔每道次镦压变形后，将材料自动恢复为变形前 形状以实现多道次变形，镦压变形中材料基本处于三向压应力状态下变形，有利 于充分发挥材料的塑性变形能力而没有产生裂纹的危险，从而制备出大块均匀的 超细晶材料。本发明具体包括以下步骤 第一步，将待加工材料放入由挤压冲头和上模组成的上型腔中，在挤压冲头 的作用下，材料高度方向受镦尺寸减小而被逐渐压入由上模和下模组成的下型腔 中，直到所有材料完全进入下型腔中，第一道次镦压变形结束，变形后的材料自 动恢复为变形前的形状。第二步，将挤压冲头退回，打开固定上模和下模的销钉取出第一步恢复为变形前形状的材料，将该材料重新放入上模与挤压冲头组成的上型腔中，进行第二 道次变形；第三步，反复以上过程，就可以实现无限大应变。所述材料自动恢复为变形前的形状，具体为上型腔采用竖直的长方体，下 型腔可以采用圆柱体或者长方体，则每道次镦压变形后的材料为一圆柱体或者长 方体，如果下型腔是长方体，变形前材料的高度、宽度和长度尺寸在变形后分别 成为长度、高度和宽度尺寸，如果下型腔是圆柱体，变形前的直径变形后成为高 度，这样通过上型腔和下型腔变形后的材料自动恢复为原来的形状。对于长方体 材料，通过改变变形方向可以实现多向镦压变形。所述上型腔为一高度和长度尺寸大而宽度尺寸小的竖直长方体。所述下型腔为长方体时，其高度和宽度分别等于上型腔的宽度和长度，下型 腔的长度小于上型腔的高度。所述下型腔为圆柱体时，其高度等于上型腔的宽度，下型腔的直径等于上型 腔的长度而小于上型腔的高度。所述待加工材料为块体金属、粉末或高分子材料等。与现有技术相比，本发明将每次变形后的材料自动恢复为变形前形状以实现 多道次变形，其特点是每道次变形量大、多道次变形导致所制备材料组织均匀、 晶粒细小。 一般可以制备出大块的组织均匀的平均晶粒尺寸范围为100nm-lpm的 超细晶材料。且所用的模具结构简单、加工容易、实用面广，可以用于块体金属、 粉末或高分子材料等的组织超细化，易于工业应用。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限
于下述的实施例。以下实施例采用的装置包括挤压冲头、上模、下模。上模和挤压冲头构成 上型腔，上模和下模构成下型腔并通过销钉定位和固定。所述上型腔采用竖直的 长方体，下型腔可以采用圆柱体或者长方体。所述下型腔为长方体时，其高度和 宽度分别等于上型腔的宽度和长度，下型腔的长度小于上型腔的高度。所述下型 腔为圆柱体时，其高度等于上型腔的宽度，下型腔的直径等于上型腔的长度而小 于上型腔的高度。将待加工材料放入由挤压冲头和上模组成的上型腔中，在挤压冲头的作用下， 材料高度方向受镦尺寸减小而被逐渐压入下型腔中，直到所有材料完全进入由上 模和下模组成的下型腔中，第一道次镦压变形结束，变形后的材料为一圆柱体或者长方体，通过上型腔和下型腔变形后的材料自动恢复为原来的形状，以利于下 道次的继续变形；然后将挤压冲头退回，打开固定上模和下模的销钉取出材料， 将材料重新放入上模与挤压冲头组成的上型腔中，进行第二道次变形；反复以上 过程，就可以实现无限大应变，得到大块组织均匀的超细晶材料。 实施例1制备大块组织均匀的超细晶纯铝。高纯铝(99.99%)，尺寸为150X50X50的大块长方体试样室温变形。放入镦 压模具中。上型腔的竖直方向高度为160mra，长度和宽度均为50mm。挤压冲头进 入下型腔后，有10mm导向长度，挤压冲头继续下行，纯铝在挤压冲头挤压力的作 用下镦粗，进入下型腔，下型腔在竖直方向高度为50mm，长度为150mm，宽度为 50mm。当上型腔中的材料全部进入下型腔，高度由150mm镦压到50mm。相当于高 度、长度和宽度分别为150咖、50m和50nm的长方体被镦压成高度、长度和宽度 分别为50mm、 150mra和50mm的长方体。打开固定上模和下模的销钉，取出变形材 料，使长方体的长度沿上型腔的高度方向放入，继续第二道次变形。在室温下多 向镦压变形10道次后，获得组织均匀，平均晶粒尺寸为800nm的超细晶纯铝。实施例2制备纳米晶铝基复合材料。Al-lSi合金，尺寸为200X150X100的大块方状试样室温变形。放入镦压模
具中。上型腔的竖直方向高度为205mm，长度和宽度分别为150mm和lOOmm。挤压 冲头进入下型腔后，有5mra导向长度，挤压冲头继续下行，复合材料在挤压冲头 挤压力的作用下镦粗，进入下型腔，下型腔在竖直方向高度为100mm，长度为200咖， 宽度为150mra。当上型腔中的材料全部进入下型腔，高度由200mm镦压到100mm。 相当于高度、长度和宽度分别为200nm、 150m和100nm的长方体被镦压成高度、 长度和宽度分别为lOOmm、 200mm和150mm的长方体。打开固定上模和下模的销钉， 取出变形材料，使长方体的长度沿上型腔的高度方向放入，继续第二道次变形。 室温下多向镦压变形8道次后，获得组织均匀，平均晶粒尺寸为200nm的纳米晶铝基复合材料。 实施例3制备纳米晶纯铜。高纯铜，尺寸为0150X50mm的圆柱体试样室温变形。放入镦压模具中。上 型腔的竖直方向高度为160ram，长度为150mm，宽度为50咖。挤压冲头进入下型腔 后，有10mm导向长度，挤压冲头继续下行，纯铜在挤压冲头挤压力的作用下镦粗， 进入下型腔，下型腔是竖直方向高度为50ram，直径为O150的圆柱体。当上型腔 中的材料全部进入下型腔，直径方向被镦压为高度方向。由直径为①150高度为 50的圆柱体镦压为高度为50面，直径为①150mm的圆柱体。打开固定上模和下模 的销钉，取出变形材料，将圆柱体的直径沿上型腔的高度放入，继续第二道次变 形。在室温下镦压变形15道次后，获得组织均匀，平均晶粒尺寸为250nm的纳米 晶纯铜。
权利要求
1、一种制备大块均匀超细晶材料的镦压方法，其特征在于，通过设计上型腔和下型腔的形状，使待加工材料通过上型腔和下型腔每道次镦压变形后，将材料自动恢复为变形前形状，具体为上型腔采用竖直的长方体，下型腔采用圆柱体或者长方体，则每道次镦压变形后的待加工材料为一圆柱体或者长方体，如果是长方体，变形前待加工材料的高度、宽度和长度尺寸在变形后分别成为长度、高度和宽度尺寸，如果是圆柱体，变形前的直径变形后成为高度，这样通过上型腔和下型腔变形后的材料自动恢复为原来的形状，进行多道次变形，从而制备大块均匀超细晶材料。
2、 根据权利要求1所述的制备大块均匀超细晶材料的镦压方法，其特征是， 具体包括以下步骤第一步，将待加工材料放入由挤压冲头和上模组成的上型腔中，在挤压冲头 的作用下，待加工材料高度方向受镦尺寸减小而被逐渐压入由上模和下模组成的 下型腔中，直到所有材料完全进入下型腔中，第一道次镦压变形结束，变形后的 材料自动恢复为变形前的形状；第二步，将挤压冲头退回，打开固定上模和下模的销钉取出第一步恢复为变 形前形状的材料，将该材料重新放入上模与挤压冲头组成的上型腔中，进行第二 道次变形；第三步，反复以上过程，实现无限大应变，制备出大块均匀的超细晶材料。
3、 根据权利要求1或2所述的制备大块均匀超细晶材料的镦压方法，其特 征是，对于长方体材料，通过改变变形方向实现多向镦压变形。
4、 根据权利要求1或2所述的制备大块均匀超细晶材料的镦压方法，其特 征是，所述上型腔为一高度和长度尺寸大而宽度尺寸小的竖直长方体。
5、 根据权利要求1或2所述的制备大块均匀超细晶材料的镦压方法，其特 征是，所述下型腔为长方体时，其高度和宽度分别等于上型腔的宽度和长度，下 型腔的长度小于上型腔的高度。
6、 根据权利要求1或2所述的制备大块均匀超细晶材料的镦压方法，其特 征是，所述下型腔为圆柱体时，其高度等于上型腔的宽度，下型腔的直径等于上 型腔的长度而小于上型腔的高度。
7、根据权利要求1或2所述的制备大块均匀超细晶材料的镦压方法，其特 征是，所述待加工材料为块体金属、粉末或高分子材料。
全文摘要
一种材料加工领域的制备大块均匀超细晶材料的镦压方法，通过设计上型腔和下型腔的形状，使待加工材料通过上型腔和下型腔每道次镦压变形后，将材料自动恢复为变形前形状，具体为上型腔采用竖直的长方体，下型腔采用圆柱体或者长方体，则每道次镦压变形后的材料为一圆柱体或者长方体，如果是长方体，变形前材料的高度、宽度和长度尺寸在变形后分别成为长度、高度和宽度尺寸，如果是圆柱体，变形前的直径变形后成为高度，这样通过上型腔和下型腔变形后的材料自动恢复为原来的形状，进行多道次变形，从而制备大块均匀超细晶材料。本发明具有显著的晶粒细化效果，操作简单，成本低廉，易于工业化生产。
文档编号C22F1/00GK101117694SQ200710045629
公开日2008年2月6日 申请日期2007年9月6日 优先权日2007年9月6日
发明者王渠东 申请人:上海交通大学