一种难变形材料超细晶制备装置及方法与流程

本发明属于模具成型技术领域，具体说是涉及一种难变形材料超细晶制备装置及方法。

背景技术：

对于钛、镁、铝、钨等难变形金属材料，在生产制造中，出于对机械性能的高要求，常常需要晶粒细化，然而，通过常规的热机械加工，又很难实现晶粒细化，此外，如果设置能够剧烈变形的设备，使得材料产生塑性变形，则设备的结构十分复杂，且条件苛刻，变形程度又难以控制，因此，如何利用难变形材料制备超细晶，成为急需要解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种难变形材料超细晶制备装置及方法，解决了难变形材料如何制备超细晶的技术难题，通过高温高压扭转变形，实现超细晶，且设备结构简单，变形程度容易控制。

一种难变形材料超细晶制备装置，包括模具组件、加载装置、控制系统及其电源系统，所述模具组件安装在加载装置内，且与所述电源装置连接，所述加载装置还与所述控制系统连接。

所述模具组件包括上模组件和下模组件，所述上模组件包括从上到下依次设置的上模板、上绝缘板、上铜电极以及上模；

所述下模组件包括从下到上依次设置的下模板、下绝缘板、下铜电极、下模，所述上铜电极和所述下铜电极均与所述电源系统连接；

下模板与上模板之间通过导套和导柱连接。

所述上模板的中心部位开设有深度为板厚二分之一的正方形凹槽，所述凹槽上开设有四个通孔，所述上绝缘板安装在所述凹槽内，所述上铜电极安装在所述上绝缘板的下端面，所述上铜电极的下端面设置有所述上模。

所述下模板设置在所述上模板的正下方，所述下绝缘板安装在下模板上端面，所述下绝缘板的上端面设置有所述下铜电极，所述下铜电极通过所述控制系统与所述下模连接，所述上模和所述下模之间设置有工件。

所述控制系统包括固定板、减速器和转动机构，所述上模设置在所述固定板上，所述固定板与所述转动机构连接，所述减速器与所述转动机构连接，所述减速器和所述转动机构的下端部与所述下铜电极连接。

所述工件为钛、镁、铝、钨的金属及其合金的任意一种，所述工件为直径为30mm，厚度为30mm的圆棒。

一种难变形材料超细晶制备方法，包括以下步骤：

步骤s1：安装工件，即将工件安装在模具组件上，此为常规操作；

步骤s2：启动加载装置，使得凸模逐渐接触工件；

步骤s3：启动电源系统，通过上铜电极和下铜电极分别对上模和下模加热，并将热量传递到工件；

步骤s4：启动控制系统，在减速器和转动机构的作用下，完成工件的超细晶变形过程。

所述步骤s3中，所述电源系统中的调节电流增加至通过工件的电流密度为10.5a/mm²，且通电时间为5min。

所述步骤s4中，当工件温度升至900℃-1000℃时，开启减速器，使得转动机构以5r/min转动，同时将压力机的压力增加至6mpa，保压的同时，使压力机以1m/min的速度向下移动，转动机构扭转10圈后停止减速器，随后逐渐减小电流然后关闭电源，最后升起压力机压头。

当步骤s4结束后，调转工件与模具接触的两个面，重复上述步骤s1-s4的操作，接下来将工件的两个侧面分别与上下模具接触，再次重复上述步骤s1-s4的操作，最后将工件的另两个侧面分别与上下模具接触，重复上述步骤s1-s4的操作。

本发明达成以下显著效果：

(1)本发明专利涉及一种高温高压扭转变形装置及方法，以解决难变形材料不可通过常规热机械加工的技术问题，以实现晶粒细化，晶粒尺寸可以达到65nm。

(2)此外，本发明专利中，剧烈塑性变形的设备结构简单，工作条件简便易行，变形程度容易控制，使得最终的成形过程容易。

(3)本发明专利经过多次试验，总结出合适的变形参数，使得难变形材料的超细晶获得理想的尺寸，材料的硬度获得很大的提升，从420hv提升到600hv。

附图说明

图1为本发明实施例中模具结构的结构示意图。

图2为本发明实施例中材料维氏硬度的变化结构图。

图3为本发明实施例中超细晶的组织图。

其中，附图标记为：1、上模板；2、上绝缘板；3、上铜电极；4、导套；5、导柱；6、下铜电极；7、下绝缘板；8、下模板；9、上模；10、工件；11、下模；12、固定板；13、转动机构。

具体实施方式

为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

参见图1，一种难变形材料超细晶制备装置，包括模具组件、加载装置、控制系统及其电源系统，模具组件安装在加载装置内，且与电源装置连接，加载装置还与控制系统连接。

模具组件包括上模9组件和下模11组件，上模9组件包括从上到下依次设置的上模9板1、上绝缘板2、上铜电极3以及上模9；

下模11组件包括从下到上依次设置的下模11板8、下绝缘板7、下铜电极6、下模11，上铜电极3和下铜电极6均与电源系统连接；

下模11板8与上模9板1之间通过导套4和导柱5连接。

上模9板1的中心部位开设有深度为板厚二分之一的正方形凹槽，凹槽上开设有四个通孔，上绝缘板2安装在凹槽内，上铜电极3安装在上绝缘板2的下端面，上铜电极3的下端面设置有上模9。

下模11板8设置在上模9板1的正下方，下绝缘板7安装在下模11板8上端面，下绝缘板7的上端面设置有下铜电极6，下铜电极6通过控制系统与下模11连接，上模9和下模11之间设置有工件10。

控制系统包括固定板12、减速器和转动机构13，上模9设置在固定板12上，固定板12与转动机构13连接，减速器与转动机构13连接，减速器和转动机构13的下端部与下铜电极6连接。

工件10为钛、镁、铝、钨的金属及其合金的任意一种，工件10为直径为30mm，厚度为30mm的圆棒。

本发明专利的具体工作过程如下：

步骤s1：安装工件10，即将工件10安装在模具组件上，此为常规操作；

步骤s2：启动加载装置，使得凸模逐渐接触工件10；

步骤s3：启动电源系统，通过上铜电极3和下铜电极6分别对上模9和下模11加热，并将热量传递到工件10；

步骤s4：启动控制系统，在减速器和转动机构13的作用下，完成工件10的超细晶变形过程。

步骤s3中，电源系统中的调节电流增加至通过工件10的电流密度为10.5a/mm²，且通电时间为5min。

步骤s4中，当工件10温度升至900℃-1000℃时，开启减速器，使得转动机构13以5r/min转动，同时将压力机的压力增加至6mpa，保压的同时，使压力机以1m/min的速度向下移动，转动机构13扭转10圈后停止减速器，随后逐渐减小电流然后关闭电源，最后升起压力机压头。

当步骤s4结束后，调转工件10与模具接触的两个面，重复上述步骤s1-s4的操作，接下来将工件10的两个侧面分别与上下模11具接触，再次重复上述步骤s1-s4的操作，最后将工件10的另两个侧面分别与上下模11具接触，重复上述步骤s1-s4的操作；

参见图2，扭转锻造前，初始合金经热处理后的硬度为420hv。经高压扭转后，硬度随着转数的增加逐渐增大，10转后达到600hv。

参见图3，观察组织晶粒图，可以看出经过本发明专利中的变形工艺后，超细晶的晶粒尺寸可以达到65nm，相比于以往微米级别的晶粒尺寸，获得了极好的细化效果。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。