[发明专利]纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米/超细晶材料，特别是涉及一种纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法，属于金属材料的塑性成形领域。

背景技术

超细晶/纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。超细晶材料的晶粒特征维度尺寸在微米量级以下（100nm～1000nm），纳米材料的晶粒特征维度尺寸在纳米量级（1nm～100nm）。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，超细晶/纳米材料与同组成的常规微米晶体材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点，在机械零件加工中也逐渐得到重视和推广应用。

纳米晶/超细晶材料的制备方法，主要是制备具有极小晶粒尺寸的块体材料，再用这种材料加工所需要的零件。这种块体材料的制备一般受技术限制，只能得到尺寸较小的坯料，因此也只加工小尺寸的零件。

为了解决大尺寸零件的晶粒细化问题，结合机械零件在实际工作时都是零件表面比较容易受到破坏的特点，形成了表面超细晶/纳米化技术，即采用常规方法先加工出零件，再只针对零件表面进行超细晶/纳米化处理，而零件的大部分体积范围之内的材料晶粒仍然处于常规的微米量级以上。

对于实际工程中大量使用的低碳钢薄壁筒形金属零件，由于厚度很小，零件内外表面及材料内部的服役环境非常接近，表面纳米化已经无法满足使用要求。如果零件尺寸较大而又希望得到具有超细晶/纳米晶粒的微观组织，则既不能采用纳米块体材料来加工尺寸较大的零件，又不能对常规方法加工出来的零件仅仅进行表面超细晶/钠米化处理。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种既能得到整体纳米晶/超细晶粒的微观组织结构，又能直接加工出符合产品外形要求的较大尺寸的碳钢薄壁筒形零件的方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法，包括如下步骤：

（1）根据金属筒形零件壁部厚度和零件长度，按照材料体积不变原理和变形过程中碳钢筒形件壁部产生85～90％的总厚度减薄率的要求，预制无焊缝筒形或杯形毛坯；所述碳钢筒形零件的材料为低碳钢；

（2）将毛坯套装在芯模上，经过多道次三旋轮错距旋压变形，使其壁厚减薄率达到60～70％；控制三旋轮的轴向错距量为1.5～2.5mm，径向错距量为0.1～0.3mm；

（3）将工件放入温度为400～450℃的惰性气体保护炉中进行加热升温至再结晶保温温度550～600℃，保温0.8～1小时，然后出炉冷却；

（4）将工件再次套装在旋压芯模上，经过多道次三旋轮错距旋压变形使总的壁厚减薄率达到85～90％，再修边以满足零件尺寸要求。

为进一步实现本发明的目的，设计毛坯尺寸时，在零件长度方向增加30～50mm的修边余量。

所述碳钢的含碳量优选为0.1％-0.25％。

所述步骤（3）的冷却优选为用水进行冷却。

所述三旋轮错距旋压变形是使用框架旋轮座式旋压机进行旋压成形，标号分别为1、2、3的三个旋轮呈120°对称分布在框架的中心孔周围，该框架的中心有一通孔，框架通孔的中心点与机床主轴位于同一水平线。标号分别为1、2、3的三个旋轮离中心点的距离分别为R1、R2、R3，标号分别为1、2的旋轮之间的径向错距e12=R1－R2，标号分别为2、3的旋轮之间的径向错距e23=R2－R3；三个旋轮的安装位置在机床主轴方向相互错开，S12为标号为1、2的旋轮之间的轴向错距，S23为标号为2、3旋轮之间的轴向错距。

步骤（3）的再结晶说明：在步骤（3）的加热和保温过程中，由于工件经过了塑性变形，在合适的温度和保温时间下，在变形金属的显微组织中，会产生无应变的新晶粒──再结晶核心。新晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失,金属的性能也发生显著变化,这一过程称为再结晶（区别于液体凝固成固体的结晶过程）。再结晶的温度不是固定的，受很多因素影响，主要是材料的化学成分、变形程度等，一般情况下再结晶温度大于材料熔点的0.4倍，准确的再结晶温度主要依靠试验获得。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明可以得到贯穿材料整体而非表面的超细晶/纳米材料微观组织；

2、本发明可以得到具有超细晶/纳米材料的实用零件，而不是材料的坯料；

3、本发明可以得到具有大规格尺寸的超细晶/纳米材料零件；