[发明专利]多向复合式循环镦压装置及镦压方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种塑性成形技术领域的方法，具体是一种多向复合式循环镦压装置及镦压方法。

背景技术

大塑性变形技术简称SPD具有显著的细化晶粒能力，可以将材料的晶粒组织细化到亚微米甚至纳米级，被国际材料学界公认为是制备块体纳米和超细晶材料的最有前途的方法。但是，块体材料组织均匀性和工艺的连续性，可控性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，中国专利号ZL200710045628.3，发明名称：制备大块超细晶材料的镦压模具，该专利采用上、下型腔构成的分型模具，通过利用与上型腔截面相同的冲头，对位于上型腔内的材料施压，材料在此压力作用下进入下型腔。由于上、下型腔形状完全相同但成90°夹角，使每道次镦压变形后，经历剧烈剪切变形的材料恢复到原来形状。冲头退回，打开模具销钉取出材料后，可再次放入上型腔进行第二道次镦压加工。该技术的特点如下：(1)制备的材料晶粒尺寸细小，可达到100nm～1μm；2加工的材料受到强烈剪切作用，变形量大，且不易发生破裂；3可以制备大块的试样，块体在加工前后形状相同，可以实现多道反复加工来累计应变量，从而达到细化晶粒的作用。该技术虽然在材料流动方面已超越等通道角挤达到了360°周向流动，但由于为达到多道次加工的顺利进行，必须保证试样在加工前后有相同的尺寸，以至于在下模型腔设计上采用相对于上模型腔成90°夹角的等体积结构。此结构导致了材料在前后方向的流动实际上没有左右方向那么充分。从而一方面材料在加工中的变形量大小受到限制，另一方面由于前后方面流动受限制，剪切塑性成形导致的高密度相互交错的位错程度较低，影响晶粒细化效果。

进一步检索发现，K.B.Nie等人在《Materials Science and Engineering A》材料科学与工程A刊，2010，527：7364-7368上发表的“Multidirectional forging of magnesium matrix composites：Effect on microstructures and tensile properties”(多向锻造对镁基复合材料微观组织和拉伸性能的影响)一文中，介绍了一种多向锻造加工方式及其成形原理，该方法是利用空气锤锤头垂直方向上的运动对六面体试样依次在其长、宽和高方向进行锻造加工，通过在三维空间相互垂直的三个方向的锻造，使材料在变形过程形成显著的晶粒取向各异、变形带和微剪切带相互交错分布的特征。这些微观组织特征对材料的超细化过程有重大影响，使材料的晶粒细化程度明显优于普通的单向锻造。但是，用该方法制备变形较困难材料时，通常需要选择加工温度较高，高温加工对材料的晶粒细化产生不良影响。若选择温度较低，由于材料侧面没有模具的反作用力限制，加工过程中易于形成侧面弧形，每工步加工后不易恢复到原始形状，从而不便于后续加工，更有严重者甚至发生材料侧面破裂，导致加工失败。此外，没有类似于等通道角挤的拐角剪切变形，多向锻造每道次变形量较小，所制备的超细晶材料在组织的均匀性和细化程度方面依然存在一定的不足。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多向复合式循环镦压装置及镦压方法，通过正向镦压和侧向镦压的循环复合镦压变形，实现制备组织均匀的超细晶块体，可用于制备纯金属、合金、金属间化合物、复合材料、高分子材料、半导体材料等多种超细晶材料。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，正向镦压过程：将方形截面棒材坯料预置于正向镦压装置的正向上模型腔内，利用正向冲头施加20～300t的压力，使坯料向下发生压缩塑性变形，并最终填充满正向下模型腔；

所述的坯料在放入正向上模型腔前进行200～500℃的预热并保温，同时坯料在整个正向镦压过程中维持温度不变。

所述的正向镦压装置包括：正向上模、正向下模和正向冲头，其中：上下设置的正向上模和正向下模相接触，正向冲头截面尺寸与正向上模型腔截面配合；

所述的正向上模的中部轴心处自上而下设置有正向上模型腔，该正向上模型腔贯穿整个正向上模构成一个自上而下的通孔；所述的正向下模的顶部轴心处设置有方形截面的正向下模型腔，该正向下模型腔的高度等于上模型腔的截面边长。

所述的坯料的形状在正向镦压变形前后中从正向上模型腔的方形截面棒状变成了正向下模型腔的块状。变形过程中坯料自下而上进入正向下模型腔，在其水平四周360°方向发生充分的塑性变形。坯料变形前后体积不变，但形状发生从棒状到块状的剧烈变化。坯料在水平四个轴的方向上变形程度均匀，材料流动方向呈从中心向四周的发散状。