超細(xì)/納米晶金屬及其短流程大變形制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超細(xì)/納米晶金屬的短流程大變形 制備方法及利用本方法制備的超細(xì)/納米晶金屬。
【背景技術(shù)】
[0002] 在金屬材料的強(qiáng)化方式中，細(xì)晶強(qiáng)化是唯一能夠同時(shí)提高金屬材料強(qiáng)度和塑性的 方法。大塑性變形方法(Severe Plastic Deformat ion，SPD)通過(guò)強(qiáng)烈的塑性變形使得金屬 晶粒顯著細(xì)化，從而獲得超細(xì)晶/納米晶金屬材料，同時(shí)提高金屬材料的強(qiáng)度和塑性，因此 備受?chē)?guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注?，F(xiàn)有的大塑性變形方法有等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形(Equal Channel Angular Pressing，ECAP)、累積疊乳（Accumulative Roll Bonding，ARB)、高壓扭轉(zhuǎn)（High pressure torsion，HPT)和多向鍛造（Multi-directional Forging，MDF)等。
[0003] ECAP是研究最為廣泛和最具代表性的一種SPD方法，該方法使金屬材料通過(guò)截面 尺寸、形狀相同并互成一定角度的通道，在通道拐角處發(fā)生剪切變形，經(jīng)過(guò)多道次的累積變 形量達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，但是該方法存在模具壽命短、工藝復(fù)雜、單道次變形量小、成材 率低等問(wèn)題，限制了 ECAP的廣泛應(yīng)用;ARB是通過(guò)將兩層或多層經(jīng)過(guò)表面處理的金屬板材疊 在一起，并在一定溫度下進(jìn)行乳制，使其界面焊合，經(jīng)過(guò)多道次的疊片、乳制、焊合從而細(xì)化 金屬晶粒，但該方法難以解決界面結(jié)合問(wèn)題，制品的厚度也受到限制，無(wú)法廣泛應(yīng)用于超細(xì) 晶/納米晶金屬材料的制備;HPT通過(guò)對(duì)試樣軸向施加很高的靜水壓力，并使其旋轉(zhuǎn)，通過(guò)摩 擦力對(duì)試樣橫截面施加扭矩，試樣在軸向壓力下發(fā)生切向扭轉(zhuǎn)剪切變形，從而實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì) 化，但該方法很難制備出大尺寸的超細(xì)晶/納米晶金屬材料，成材率低，而且該方法得到的 超細(xì)晶/納米晶金屬材料的強(qiáng)度和塑性較差;MDF通過(guò)不斷改變外加軸向載荷，試樣不斷地 被壓縮和拉長(zhǎng)，反復(fù)變形實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，但該方法工藝穩(wěn)定性差，制品組織不均勻。
[0004] 綜上，已有的超細(xì)晶/納米晶金屬材料的制備方法普遍存在工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)、成 本高、產(chǎn)品尺寸受限等問(wèn)題，亟需開(kāi)發(fā)出工藝流程短、成本低的超細(xì)晶/納米晶金屬材料的 制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種超細(xì)/納米晶金屬及其短流程大變形的 制備方法-累積連續(xù)擠壓法，金屬桿單道次內(nèi)經(jīng)過(guò)的變形包括搓動(dòng)剪切變形、ECAP變形和擴(kuò) 展擠壓變形，進(jìn)行多道次擠壓變形后制得所述超細(xì)/納米晶金屬，本發(fā)明單道次金屬變形量 大，金屬材料晶粒得到顯著細(xì)化，并且能夠連續(xù)制備長(zhǎng)度不受限、斷面尺寸可變的超細(xì)/納 米晶金屬材料。
[0006] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種超細(xì)/納米晶金屬，所 述超細(xì)/納米晶金屬是通過(guò)將金屬桿喂入連續(xù)流變擠壓機(jī)，金屬桿依次發(fā)生搓動(dòng)剪切變形、 等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形和擴(kuò)展擠壓變形后得到單道次擠壓變形的金屬桿，將單道次擠壓變形 的金屬桿再次喂入連續(xù)流變擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓變形，多次重復(fù)該過(guò)程制備而成。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)方面，提供了一種超細(xì)/納米晶金屬短流程大變形的制備 方法，包括如下步驟：
[0008] 1)制備金屬桿，采用連續(xù)流變擠壓的方法將熔融金屬原料制備為金屬桿；
[0009] 2)累積連續(xù)擠壓，將步驟1)中制備好的金屬桿喂入連續(xù)流變擠壓機(jī)中，金屬桿依 次發(fā)生搓動(dòng)剪切變形、等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形和擴(kuò)展擠壓變形后，得到單道次擠壓變形的金 屬桿，將單道次擠壓變形的金屬桿再次喂入連續(xù)流變擠壓機(jī)，重復(fù)進(jìn)行搓動(dòng)剪切變形、等通 道轉(zhuǎn)角擠壓變形和擴(kuò)展擠壓變形，多次重復(fù)該過(guò)程對(duì)金屬桿進(jìn)行多道次擠壓變形，制得超 細(xì)/納米晶金屬。
[0010] 進(jìn)一步地，步驟1)中制備金屬桿包括如下過(guò)程：
[0011] a)熔融金屬原料的制備，將所要制備為超細(xì)/納米晶金屬的一種或多種金屬原料 進(jìn)行配料熔煉，除氣除渣；
[0012] b)將步驟a)中制備的熔融金屬注入由表面帶有輪槽的擠壓輪和進(jìn)料靴構(gòu)成的封 閉型腔中，在所述擠壓輪槽表面摩擦力的作用下，封閉型腔中的熔融金屬不斷被向出口處 拖動(dòng)，并在型腔中不斷凝固，在所述擠壓輪槽出口，液態(tài)熔融金屬演變?yōu)榘牍虘B(tài)金屬，在出 口安裝有擠壓模具，半固態(tài)金屬由擠壓模具擠壓成金屬桿。
[0013] 進(jìn)一步地，制備方法中金屬桿的材料包括:鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金、鋅、 梓合金、欽、欽合金、銀、銀合金、鉛、鉛合金、媽、媽合金。
[0014]進(jìn)一步地，所述搓動(dòng)剪切變形過(guò)程為:所述金屬桿被喂入所述擠壓輪的擠壓輪槽 中，金屬桿在所述擠壓輪槽和擠壓靴組成的封閉型腔中受到擠壓輪槽側(cè)壁和擠壓靴方向相 反的摩擦力，金屬桿在封閉型腔中搓動(dòng)剪切流動(dòng)，發(fā)生搓動(dòng)剪切變形。
[0015]進(jìn)一步地，所述擠壓靴與擠壓輪有一定包角，該包角為45-270°。
[0016]進(jìn)一步地，所述等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形過(guò)程為:所述金屬桿在出口由沿?cái)D壓輪槽流 動(dòng)改為進(jìn)入擴(kuò)展擠壓型腔，在轉(zhuǎn)角位置剪切流動(dòng)，發(fā)生等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形。
[0017]進(jìn)一步地，所述等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形中轉(zhuǎn)角具體為:擠壓輪槽通道與擴(kuò)展擠壓通 道在連接位置互成一定角度，兩通道連接位置轉(zhuǎn)角為30-150°。
[0018]進(jìn)一步地，所述擴(kuò)展擠壓變形過(guò)程為:經(jīng)過(guò)所述等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形后的金屬桿 經(jīng)過(guò)擴(kuò)展腔和擠壓模具，發(fā)生擴(kuò)展擠壓變形。
[0019]進(jìn)一步地，中間道次擠壓模具根據(jù)下一道次金屬桿尺寸確定;根據(jù)所述超細(xì)/納米 晶金屬制品最終形狀尺寸選擇最終道次的擠壓模具，以制備超細(xì)晶/納米晶管/棒/線(xiàn)/型 材。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0021 ] (1)單道次金屬變形量大，制備超細(xì)晶/納米晶金屬材料效率更高，單道次ACEF總 的等效應(yīng)變e為：
[0023]式中Do為定徑帶直徑，Di為擴(kuò)展腔最大直徑，〇為通道轉(zhuǎn)角，a為輪槽中搓動(dòng)剪切變 形量，a在〇. 4~0.53之間，優(yōu)選實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)為〇 =90°，Do= lOmnuDi = 25mm，a取〇. 4，單道 次ACEF等效應(yīng)變?yōu)?.22，而傳統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)角為90°、外轉(zhuǎn)角為30°的ECAP的等效應(yīng)變?yōu)?.02，所以 一道次累積連續(xù)擠壓的等效應(yīng)變量相當(dāng)于5.12道次傳統(tǒng)ECAP的變形量，因此本發(fā)明提供的 方法實(shí)現(xiàn)了短流程大塑性變形，具有良好的晶粒細(xì)化效果；
[0024] (2)更換不同的終道次模具能夠得到不同截面形狀和尺寸的超細(xì)晶/納米晶金屬 材料，如管/棒/線(xiàn)/型材，應(yīng)用范圍廣；
[0025] (3)制品長(zhǎng)度不受限制，只要能夠不斷喂入金屬桿，本發(fā)明能夠制備無(wú)限長(zhǎng)超細(xì)/ 納米晶金屬制品；
[0026] (4)工藝流程短，成本低，可廣泛應(yīng)用于制備鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金、 鋅、鋅合金、鈦、鈦合金、銀、銀合金、鉛、鉛合金、鈣、鈣合金的超細(xì)/納米晶材料。
【附圖說(shuō)明】
[0027]下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明：
[0028]圖1為本發(fā)明提供的超細(xì)/納米晶金屬制備過(guò)程示意圖；
[0029]圖2-1為連續(xù)流變擠壓機(jī)中同時(shí)存在搓動(dòng)剪切變形、等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形和擴(kuò)展 擠壓變形部分的放大圖；
[0030]圖2-2為金屬材料在擠壓輪槽和擠壓靴組成的封閉型腔中發(fā)生搓動(dòng)剪切變形的受 力分析；
[0031]圖2-3為金屬材料等通道轉(zhuǎn)角擠壓變形分析；
[0032]圖2-4為金屬材料在擠壓模具中的受力分析；
[0033]圖3-1為Al_0.5Si(wt.%)合金進(jìn)行累積連續(xù)擠壓前微觀組織圖；
[0034]圖3-2為Al_0.5Si(wt.%)合金進(jìn)行累積連續(xù)擠壓后微觀組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0036]為了解決已有的超細(xì)/納米晶金屬材料的制備方法普遍存在工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)、成 本高、產(chǎn)品尺