一种LaFeSi基磁制冷夹芯板材、制备方法及其加工装置与流程

本发明属于功能板材制备
技术领域：
，具体涉及一种lafesi基磁制冷夹芯板材、制备方法及其加工装置。
背景技术：
：传统气体压缩制冷是通过氟利昂制冷剂的作用而发生冷却，这种制冷方式存在制冷效率低、环境污染大和噪音污染大等问题，尤其是氟利昂的使用会严重破坏臭氧层，产生温室效应。因此，研发一种高效率、无污染的新型制冷技术势在必行。磁制冷作为一种新型制冷方式被研究人员广泛报道。这种制冷方式是通过固体制冷工质进行热量转换，具有制冷效率高、过程可逆、稳定可靠等特点。此外，固体制冷剂有效克服了气体压缩制冷所带来的环境污染和制冷效率低等问题，为高效率制冷技术提供了可靠的制冷工质。lafesi基磁制冷板材是一种典型的固体制冷工质，该板材由于具有相变驱动场低、滞后小、居里温度易调节、价格廉价等特点而成为最受重视的磁热效应板材之一。lafesi基磁制冷板材的主要制备方法有：传统电弧熔炼、等离子烧结、热压等技术。以上方法制备的lafesi基磁制冷板材内部容易产生气孔、热裂纹、组织不均匀、强度低等缺陷，严重降低了lafesi基磁制冷板材的强度，从而限制了磁制冷板材的进一步发展。此外，传统制备lafesi基磁制冷板材需要长达至少72小时的退火时间才能保证其正常的使用性能，生产效率极低。技术实现要素：为了克服上述技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种lafesi基磁制冷夹芯板材、制备方法及其加工装置，通过搅拌摩擦加工在连接面板和芯板的同时对面板板材进行大塑性变形，以解决现有技术制备lafesi基磁制冷板材组织不均匀、强度低的技术问题。为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种lafesi基磁制冷夹芯板材，所述lafesi基磁制冷夹芯板材以q235钢为芯板，以铸态lafesi磁制冷板材为面板，所述芯板夹装在上下面板之间，通过搅拌摩擦加工和搅拌摩擦点加工制得带有盲孔的lafesi基磁制冷夹芯板材。更进一步的，所述盲孔的周围堆积有搅拌摩擦点加工产生的外溢材料。本发明还公开了一种lafesi基磁制冷夹芯板材制备方法，所述制备方法采用本发明所述的lafesi基磁制冷夹芯板材，首先，对lafesi基磁制冷夹芯板材的面板板材与芯板界面进行多道次搅拌摩擦加工；然后，对面板板材表面进行搅拌摩擦点加工使得板材表面产生盲孔；最后，搅拌摩擦点加工产生的外溢材料堆积在盲孔周围的面板表面。更进一步的，所述多道次搅拌摩擦加工参数为：旋转速度为475～750rpm，前进速度为30～47.5mm/min，压下量为0.2～0.3mm，搅拌针下压速度为20mm/min。更进一步的，所述搅拌摩擦点加工参数为：旋转速度为750～1100rpm；轴肩压下量为0，轴肩与板材表面的距离为0.4～0.8mm，搅拌针的下压速度为30mm/min。本发明还公开了一种lafesi基磁制冷夹芯板材的加工装置，所述的加工装置实现如上所述的lafesi基磁制冷夹芯板材的制备方法，包括依次连接的轴肩和搅拌针，所述轴肩为圆柱形，所述轴肩直径为10～18mm；所述搅拌针为圆柱形、圆锥形，所述的圆柱形搅拌针直径为3～6mm，长度为3.2～5.4mm；所述的圆锥形搅拌针根部直径为4～8mm，长度为5.2～5.4mm。具体的，所述的加工装置的材质为钨铼合金。本发明与现有技术相比具有以下技术效果：(1)本发明解决了现有制备方法所得的lafesi基磁制冷板材易产生气孔、热裂纹、组织不均匀等缺陷造成的组织致密度低和强度低的问题。(2)本发明采用搅拌摩擦加工结合搅拌摩擦点加工方法制备的lafesi基磁制冷夹芯板材即具备q235芯板的高强度，又具备lafesi基磁制冷板材高效率制冷的特点。(3)本发明克服了lafesi基磁制冷板材因固有的高脆性而难以加工的技术难题，制备得到了高强、多孔的lafesi基磁制冷夹芯板材，有效提高了lafesi基磁制冷板材的制冷效率。(4)搅拌摩擦点加工过程中盲孔内的板材发生外溢，高速旋转的搅拌针将其挤压在盲孔周围并塑化，从而附着在板材表面，未造成材料的损耗，同时增加了板材的表面积，有效提高了lafesi基磁制冷板材的制冷效率。(5)本发明采用搅拌摩擦加工使lafesi基磁制冷板材元素分布更加均匀，缩短了后续退火工艺所需时间，提高了生产效率。附图说明图1是本发明方法的工艺流程图；图2是本发明的搅拌摩擦点加工示意图；图3是实施例1中lafesi基磁制冷夹芯板材、lafesi基磁制冷板材和q235钢的拉伸性能对比图；图4是实施例1中lafesi基磁制冷夹芯板材、lafesi基磁制冷板材和q235钢的冲击性能对比图；图5是实施例1中加工前、后的lafesi基磁制冷面板板材的元素分布图，其中，(a)(c)(e)为铸态lafesi基磁制冷板材，(b)(d)(f)为搅拌摩擦加工后的lafesi基磁制冷面板板材；图6是对比例1中的lafesi基磁制冷面板板材的组织图，其中，(a)为铸态lafesi基磁制冷板材组织图，(b)为搅拌摩擦加工后得到的lafesi基磁制冷面板板材组织图。具体实施方式以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。以下对本发明涉及的定义或概念内涵做以说明：搅拌摩擦加工：是一种新型剧烈塑性变形技术。在加工过程中，通过高速旋转的搅拌头和工件之间的热塑性变形作用，使加工区域发生动态再结晶，形成均匀等轴状的细晶再结晶组织。搅拌摩擦点加工：是一种以搅拌摩擦加工为基础的新型固相成形技术，其原理是搅拌针旋转插入待加工工件，在搅拌针的作用下，加工区域发生剧烈的塑性变形，形成匙孔，达到增加板材表面积的目的。在搅拌摩擦加工和搅拌摩擦点加工的过程中，板材因受到较高热输入而软化，从而发生剧烈塑性变形，这种高温条件下的剧烈塑性变形加工方式有效克服了传统的车、铣、刨、磨等加工方法导致的lafesi基磁制冷板材发生脆性断裂的缺点。同时，在搅拌摩擦点加工过程中，搅拌针在制备盲孔的同时会使孔内材料软化外溢，外溢材料塑化后会堆积在盲孔的周围，进一步增加板材表面积。本发明提出lafesi基磁制冷夹芯板材以q235钢为芯板，以铸态lafesi磁制冷板材为面板，芯板夹装在上下面板之间，通过搅拌摩擦加工和搅拌摩擦点加工制得带有盲孔的lafesi基磁制冷夹芯板材。盲孔周围堆积有搅拌摩擦点加工产生的外溢材料。可根据实际需要调整盲孔的孔径、数量、间距和排布方式。本发明提出的lafesi基磁制冷夹芯板材的制备方法包括lafesi基磁制冷夹芯板材的原料选择及预处理、加工装置的原料选择及设计和加工参数设置，具体包括：原料选择及预处理：lafesi基磁制冷夹芯板材面板为铸态lafesi磁制冷板材，宽为80mm，长为100mm，厚为3～5mm。芯板板材为q235钢，宽为80mm，长为100mm，厚为3mm。加工前利用砂纸对芯板和面板板材表面进行打磨，使表面的粗糙度ra≤10μm，并用丙酮清洗经过打磨处理的芯板和面板板材表面，除去表面的油污、氧化物和杂质并烘干。搅拌摩擦加工的参数设置：旋转速度为475～750rpm，前进速度为30～47.5mm/min，压下量为0.2～0.3mm，搅拌针下压速度为20mm/min。搅拌摩擦点加工的参数设置：旋转速度为750～1100rpm；轴肩压下量为0，轴肩与板材表面的距离为0.4～0.8mm，搅拌针的下压速度为30mm/min。加工装置的原料选择及设计：加工装置的材质为钨铼合金。加工装置包括依次连接的轴肩和搅拌针，轴肩为圆柱形，轴肩直径为10～18mm；搅拌针为圆柱形、圆锥形，圆柱形搅拌针直径为3～6mm，长度为3.2～5.4mm；圆锥形搅拌针根部直径为4～8mm，长度为5.2～5.4mm。结合图1的工艺流程图，本发明的具体方案如下：首先对lafesi基磁制冷夹芯板材的面板板材与芯材界面进行多道次搅拌摩擦加工；然后对面板板材表面进行搅拌摩擦点加工使得板材表面产生盲孔；圆柱形盲孔的平均孔径为3～6mm；圆锥形盲孔的平均孔径为4～8mm。以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。实施例1：本实施例以lafesi基磁制冷板材为面板板材，以q235钢为芯板制备lafesi基磁制冷夹芯板材的过程。具体步骤如下：原料选择及预处理：lafesi基磁制冷夹芯板材的面板板材为铸态lafesi磁制冷板材，宽为80mm，长为100mm，厚为5mm。芯板板材为q235钢，宽为80mm，长为100mm，厚为3mm。加工前利用砂纸对芯板和面板板材表面进行打磨，使板材表面的粗糙度ra≤10μm，并用丙酮清洗经过打磨处理的芯板和面板板材表面，除去表面的油污、氧化物和杂质并烘干。加工装置的原料选择及设计：搅拌头材质为钨铼合金，包括轴肩和搅拌针，轴肩为圆柱形，直径为18mm，搅拌针为圆柱形，直径为8mm，长度为5.2mm。搅拌摩擦点加工的轴肩为圆柱形，轴肩直径10mm，搅拌针为圆锥形，搅拌针的根部直径为6mm，顶部直径为3mm，针长为5.4mm。搅拌摩擦加工的参数设置：搅拌摩擦加工的旋转速度为750rpm，前进速度为35mm/min，轴肩压下量为0.2mm，搅拌针下压速度为20mm/min，道次偏移量为10mm。搅拌摩擦点加工的参数设置：旋转速度为750rpm，轴肩压下量为0，轴肩距离板面0.4mm，搅拌针下压速度为30mm/min，盲孔间距为12mm。具体方案：制备步骤如图1所示：将清洗后的面板板材置于芯板之上，用夹具夹装于工作台上；在面板板材表面进行多道次“s形或螺旋形”搅拌摩擦加工；将加工后的面板板材与芯板整体翻面，在整体翻面的q235板材上再放置一块相同规格的面板板材，再次进行多道次搅拌摩擦加工，多道次搅拌摩擦加工路线中相邻道次之间的距离为10mm，然后采用搅拌摩擦点加工的方式(搅拌摩擦点加工示意图如图2所示)，在上、下面板相同位置制出盲孔，得到lafesi基磁制冷夹芯板材。结论：实施例1成功实现了一种lafesi基磁制冷夹芯板材的制备过程。由于表面存在大量圆锥形盲孔，相比于搅拌摩擦点加工前，制冷夹芯板材的表面积增加了64％，从而提高了制冷效率。由图3可以看出，lafesi基磁制冷夹芯板材的抗拉强度为203mpa，介于lafesi基磁制冷板材(15mpa)和q235钢(423mpa)之间。由图4可以看出，lafesi基磁制冷夹芯板材的冲击功为99j，介于lafesi基磁制冷板材(2j)和q235钢(216j)两者之间,由图5可以看出，铸态lafesi基磁制冷板材晶粒内部与晶界元素分布不均匀，而搅拌摩擦加工后的lafesi基磁制面板板材中la/fe/si元素分布明显均匀，有利于缩短后续退火时间，从而提高生产效率。实施例2：本实施例以lafesi基磁制冷板材为面板板材，以q235钢为芯板板材制备lafesi基磁制冷夹芯板材的过程。具体步骤如下：原料选择及预处理：与实施例1相同，不同的是lafesi基磁制冷夹芯板材厚度为3mm。搅拌头的选择：搅拌头材质均为钨铼合金，包括轴肩和搅拌针，轴肩为圆柱形，轴肩直径为10mm，搅拌针为圆柱形，直径为4mm，长度为3.2mm。搅拌摩擦点加工的轴肩直径为10mm，圆柱形搅拌针直径为4mm，针长为3.4mm。搅拌摩擦加工的参数设置：旋转速度为475rpm，前进速度为30mm/min，轴肩压下量为0.2mm，搅拌针下压速度为20mm/min，道次偏移量为6mm。搅拌摩擦点加工的参数设置：旋转速度1100rpm，轴肩压下量为0，轴肩距离板面0.8mm，搅拌针下压速度为30mm/min，盲孔间距为20mm。具体方案：制备步骤与实施例1相同。结论：实施例2成功实现了一种lafesi基磁制冷夹芯板材的制备过程，经搅拌摩擦点加工后，夹芯板材表面产生圆柱形盲孔，表面积增加了40％。如表1所示，lafesi基磁制冷夹芯板材的抗拉强度为245mpa，冲击性能为160j。上述结果表明，本发明方法可以成功制备高强度、高制冷效率的lafesi基磁制冷夹芯板材。实施例3：本实施例是以lafesi基磁制冷板材为面板板材，以q235钢为芯板板材制备lafesi基磁制冷夹芯板材的过程。具体步骤如下：原料选择及预处理：与实施例1相同，不同的是lafesi基磁制冷夹芯板材厚度为3mm。搅拌头的选择：搅拌头材质均为钨铼合金，包括轴肩和搅拌针，搅拌摩擦加工的轴肩直径为10mm，搅拌针为圆柱形，直径为4mm，长度为3.2mm。搅拌摩擦点加工的轴肩直径10mm，圆柱形搅拌针直径4mm，针长3.4mm。搅拌摩擦加工的参数设置：旋转速度为600rpm，前进速度为40mm/min，轴肩压下量为0.2mm，搅拌针下压速度为20mm/min，道次偏移量为6mm。搅拌摩擦点加工的参数设置：旋转速度1000rpm，轴肩压下量为0，轴肩距离板面0.6mm，搅拌针下压速度为30mm/min，盲孔间距为30mm。具体方案：制备步骤：制备步骤与实施例1相同。结论：实施例3成功实现了一种lafesi基磁制冷夹芯板材的制备过程，经搅拌摩擦点加工后，夹芯板材的表面产生圆柱形盲孔，板材表面积增加了24％。如表1所示，lafesi基磁制冷夹芯板材的抗拉强度为260mpa，冲击性能为183j。上述结果表明，本发明方法可以成功制备高强度、高制冷效率的lafesi基磁制冷夹芯板材。表1中为未加工的lafesi基磁制冷板材和由实施例1～3所制得的lafesi基磁制冷夹芯板材的抗拉性能、冲击性能及表面积增加率的对比数据。从表1可以看出本发明方法制备的lafesi基磁制冷夹芯板材抗拉强度、冲击性能以及制冷效率明显提高。表1加工前后lafesi基磁制冷板材的抗拉性能、冲击性能及表面积增加率统计表名称抗拉强度(mpa)冲击性能(j)表面积增加率(％)未加工1520实施例12039964实施例224516040实施例326018324对比例1采用电弧熔炼方法制备lafesi基磁制冷板材。具体步骤包括：首先，按化学计量比计算出名义成分为lafesi基磁制冷板材所需的各单质的质量，并将配好的磁体在电弧熔炼炉中反复熔炼5-6次以确保成分均匀，冷却凝固得到铸态lafesi基磁制冷板材。图6(a)为采用电弧熔炼方法制备的铸态lafesi基磁制冷板材组织形貌图，可以看出，铸态lafesi基磁制冷板材的组织粗大、内部存在孔洞缺陷；图6(b)为经过搅拌摩擦加工的lafesi基磁制冷夹芯板材组织形貌图，可以看出，搅拌摩擦加工后的lafesi基磁制冷板材组织明显细化、致密化和均匀化。对比实施例1和对比例1可以发现，采用本发明制备的lafesi基磁制冷板材组织和力学性能改善明显，且其表面积增加，磁制冷效率提高。实验结果表明，通过搅拌摩擦点加工在面板板材上制备盲孔、增加表面积，提高了lafesi基磁制板材的制冷效率。搅拌摩擦点加工过程中，板材因受到较高热输入而发生软化，搅拌针在制备盲孔的同时会使孔内的材料外溢，随着搅拌针的高速旋转，外溢板材被挤压在盲孔周围塑化，从而附着在板材表面，未造成材料的浪费并且增大了材料表面积，提高了制冷效率。与传统车、铣、刨、磨等加工方法制备lafesi基磁制冷板材过程中易发生脆性断裂、可加工性低甚至无法加工成形，造成孔内材料的浪费，降低制冷效率相比，本发明利用搅拌摩擦加工和搅拌摩擦点加工方式制备的lafesi基磁制冷夹芯板材组织致密、元素分布均匀、强度较高、表面积增加、制冷效率高。缩短了后续lafesi基磁制冷夹芯板材退火时间，提高了生产效率。上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明的实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等同变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。当前第1页12