一種細晶棒料的製備裝置及方法
2023-12-07 23:57:16
專利名稱：一種細晶棒料的製備裝置及方法
技術領域：
本發明涉及材料工程領域，尤其涉及一種細晶棒料的製備裝置及方法。
背景技術：
金屬材料內部由許多晶粒組成，單位體積內晶粒數目越多，晶粒越細，而細晶粒金屬比粗晶金屬有更高的強度、硬度、塑性和韌性，在電工電子、儀表、航空航天等領域應用前景廣闊。當前製備細晶材料的方法有變質處理、快速凝固、振動與攪拌、大塑性變形技術，前三種技術是在熔煉或熱處理過程中進行細晶處理，而大塑性變形技術是通過剪切及塑性變形使晶粒細化，該技術包括高壓扭轉法、等通道轉角擠壓法、循環擠壓法等；如專利(CN1446935)採用摩擦壓扭變性去橫向轉移法，對材料表面進行細晶處理，同時又採 用感應加熱和扭轉剪切的方式來細化棒狀金屬材料晶粒，該發明可對金屬表面和已有棒料進行細晶處理，但工藝複雜；專利(CN101294238)採用等通道轉角擠壓變形晶粒細化法，可保持材料在變形前後形狀和尺寸不變，但仍需多道鐓擠變形，對模具要求較高；專利(CN102051564A)提出退火+冷軋的方法製備超細晶銅合金板料，而但需進行多次反覆進行冷軋，且設備噸位高。以上述專利為代表的方法各具優缺點能夠對板料表面或或已有棒料進行細晶處理，但工藝較為複雜，往往需要反覆擠壓，對設備噸位和體積要求較高，且沒有提出一次成型的細晶棒料製備方法，難以滿足對直徑較小細晶棒料的需求，儘管可以由直徑較大的細晶棒料加工製成，但顯然費工費料，成本較高。
發明內容
發明目的本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種細晶棒料的製備裝置及方法，其無需金屬熔化和過多的熱處理工序，利用高溫摩擦擠壓產生塑性變形，來實現細晶棒料的一次性成型，從而滿足小直徑細晶棒料的需求。技術方案本發明所述的一種細晶棒料的製備裝置，包括摩擦頭及其驅動裝置，摩擦頭頂端開有圓柱形空腔，底端開有喇叭形空腔，所述圓柱形空腔與喇叭形空腔相互貫通，摩擦頭的底面開有螺紋槽，用於將塑性金屬捲入軸心並使其在喇叭形空腔積聚。進一步完善上述技術方案，所述驅動裝置，包括機頭、支架、空心主軸和主軸套，所述摩擦頭的頂端固定在空心主軸的底端,所述機頭的動力輸出軸通過傳動機構帶動空心主軸旋轉，所述主軸套固定在空心主軸上，所述主軸套通過軸承固定在支架上，使其可以在支架上旋轉。進一步，所述空心主軸內設置有輔助冷卻細晶棒料的引導套，其截面為圓環形，內部設置有冷卻液，用於輔助冷卻，避免晶粒在高溫下過度長大。進一步，所述動力輸出軸上設置有齒輪，所述空心主軸上設置有從動齒輪，所述齒輪與從動齒輪之間通過中間齒輪傳遞動力。
採用上述裝置製備細晶棒料的方法為通過驅動裝置帶動摩擦頭相對於板料旋轉，同時摩擦頭對板料施加軸向壓力；隨著摩擦產熱的增多，摩擦頭與板料接觸面附近的金屬被塑化、晶粒被打碎，逐漸形成塑性金屬流，這些塑性金屬被摩擦頭端部的螺紋槽捲入軸心，在摩擦頭內的喇叭形空腔內積聚，並逐漸被擠入摩擦頭上部的圓柱形空腔中；在後續進入喇叭形空腔中的塑性金屬不斷擠壓下，原先圓柱形空腔中的金屬被擠壓出來，形成一定長度的圓柱形細晶棒料。進一步，上述方法還包括將擠壓成型後的圓柱形細晶棒料在退火工藝條件下進行退火處理，以獲得均勻穩定的細晶組織。進一步，所述退火工藝條件為在120— 250°C的溫度條件下，退火處理O. 5— I小時。 進一步，摩擦壓力不僅影響摩擦產熱，也影響塑性金屬擠壓成型的過程，因此在製備過程中，需要保持摩擦壓力為恆定的值，施加在摩擦頭與料板之間的軸向壓力為14000N左右。旋轉速度與摩擦壓力一樣，也會影響摩擦產熱的大小，旋轉速度過快產熱過大，塑性金屬溫度較高，有使棒料晶粒長大的危險，旋轉速度過小，塑性金屬量不夠，擠壓成型難以實現，因此所述摩擦頭的旋轉速度為600-1000rpm。最後，摩擦頭在製備過程中需相對板料水平移動，移動速度與摩擦壓力和旋轉速度相匹配，與摩擦壓力與旋轉速度的乘積成正比，其範圍為200— 300mm/min。本發明與現有技術相比，其有益效果是本發明(I)通過摩擦頭與板料之間的高溫摩擦和擠壓塑性變形，方便地製備細晶棒料；(2)摩擦頭結構簡潔、操作簡單，塑性金屬進入摩擦頭內部空腔後，經過強烈的塑性變形和擠壓後，能夠一次成型，提高了細晶棒料的生產效率；(3)結構簡單實用，不僅能夠快速生產細晶棒料，對板料表面磨削、細晶處理也都有參考意義。
圖I為採用摩擦頭製備細晶棒料的示意圖。圖2為摩擦頭端面螺旋槽仰視示意圖。圖3為實施例中細晶棒料的製備裝置的結構示意圖。圖4為實施例中製備細晶棒料的操作流程圖。
具體實施例方式下面對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護範圍不局限於所述實施例。如圖3所示，一種鋁合金細晶棒料的製備裝置，包括用高溫合金鋼製造的圓柱形摩擦頭I和帶動其旋轉的驅動裝置，摩擦頭I頂端開有圓柱形空腔，底端開有喇叭形空腔，所述圓柱形空腔與喇叭形空腔相互貫通，摩擦頭的底面開有螺紋槽，用於將塑性金屬捲入軸心並使其在喇叭形空腔積聚。如圖2所示，圖2 Ca)為四股螺紋槽，圖2 (b)為兩股螺紋槽，圖2 (c)為單股螺紋槽，三種螺紋槽中的任意一個，都能夠滿足本發明要求。本發明中旋轉方向為順時針(仰視)；當螺旋槽的旋向改變，也需要改變旋轉方向，否則，會引起塑性金屬沿螺紋槽飛出摩擦面，不能在軸心積聚，從而不能形成細晶棒料。所述驅動裝置，包括機頭9、支架8、空心主軸4和主軸套5，所述摩擦頭I的頂端通過螺釘固定在空心主軸4的底端，動力輸出軸上設置有齒輪10，從動齒輪3與空心主軸4通過動齒輪固定螺母12緊密配合，所述齒輪10與從動齒輪3之間通過中間齒輪14嚙合；空心主軸4穿過主軸套5並通過空心軸固定螺母6將兩者連接在一起，同時通過鍵和鍵槽防止相對轉動；主軸套5則通過一對軸承13與支架8連接固定，其可以在支架8上旋轉；支架8通過燕尾滑槽與機頭9連接，從而使摩擦頭I、從動齒輪3、空心主軸4均被安裝於機頭9上。
裝置工作時，機頭輸出軸及齒輪10、從動齒輪3、摩擦頭I、空心主軸4、主軸套5均高速旋轉，支架8可以通過滑槽上下移動。如圖I所示，上述裝置的製備方法為在摩擦頭I與板料2之間施加較大的軸向壓力，且摩擦頭I相對於板料2按方向11高速旋轉；隨著摩擦產熱的增多，摩擦頭I與板料2接觸面附近的金屬迅速被塑化、晶粒被打碎，形成塑性金屬流，這些塑性金屬流被摩擦頭I端部的螺旋槽捲入摩擦面中心，在摩擦頭I內的喇叭形空腔內越聚越多，並逐漸被擠入摩擦頭I上部的小圓柱形空腔中；當後續塑性金屬不斷進入喇叭形空腔中後，原先小圓柱形空腔中的金屬被擠壓出來，形成一定長度的圓柱形細晶棒料。在裝置工作時，細晶棒料被擠出摩擦頭I上部的圓柱形空腔後，為了避免晶粒在高溫下過度長大，需儘快冷卻，因此在空心主軸4內設置引導套7，其截面為圓環形，內部設置有冷卻液，細晶棒料進入導引套7，用於輔助冷卻。如圖4所示，採用上述裝置製備鋁合金細晶棒料的流程為
(1)在開機之前，需進行預處理，預處理內容包括固定鋁合金板料2、安裝摩擦頭I;
(2)摩擦頭I開始下壓，當接觸板料2時，摩擦頭I繼續下壓，同時開始旋轉，旋轉方向如圖I所示的方向(11);
(3)當摩擦頭I在原地旋轉時間超過設定時間後，檢查壓力是否達到設定值，如果不是摩擦頭下壓以增加壓力，如果是摩擦頭停止下壓並開始移動；
(4)檢查棒料是否已經伸出了導引套7，如果不是回到第三步，如果是則停機、取出棒
料；
(5)取出棒料後，進行退火熱處理；
(6)結束細晶鋁合金棒料的製備過程。其中，退火工藝參數為在120—2501的溫度條件下，退火處理O. 5— I小時。如上所述，儘管參照特定的優選實施例已經表示和表述了本發明，但其不得解釋為對本發明自身的限制。在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和範圍前提下，可對其在形式上和細節上作出各種變化。
權利要求
1.一種細晶棒料的製備裝置，其特徵在於，包括摩擦頭及其驅動裝置，摩擦頭頂端開有圓柱形空腔，底端開有喇叭形空腔，所述圓柱形空腔與喇叭形空腔相互貫通，摩擦頭的底面開有螺紋槽，用於將塑性金屬捲入軸心並使其在喇叭形空腔中積聚。
2.根據權利要求I所述的細晶棒料的製備裝置，其特徵在於，所述驅動裝置，包括機頭、支架、空心主軸和主軸套,所述摩擦頭的頂端固定在空心主軸的底端,所述機頭的動力輸出軸通過傳動機構帶動空心主軸旋轉,所述主軸套固定在空心主軸上,所述主軸套通過軸承固定在支架上，使其可以旋轉。
3.根據權利要求2所述的細晶棒料的製備裝置，其特徵在於，所述空心主軸內設置有輔助冷卻細晶棒料的引導套，其截面為圓環形，內部設置有冷卻液。
4.根據權利要求2所述的細晶棒料的製備裝置，其特徵在於，所述動力輸出軸上設置有齒輪，所述空心主軸上設置有從動齒輪，所述齒輪與從動齒輪之間通過中間齒輪傳遞動力。
5.一種採用權利要求I所述裝置製備細晶棒料的方法，其特徵在於，通過驅動裝置帶動摩擦頭相對於板料旋轉，同時在兩者之間施加軸向壓力；隨著摩擦產熱的增多，摩擦頭與板料接觸面附近的金屬被塑化、晶粒被打碎，逐漸形成塑性金屬流，這些塑性金屬被摩擦頭端部的螺紋槽捲入軸心，在摩擦頭內的喇叭形空腔內積聚，並逐漸被擠入摩擦頭上部的圓柱形空腔中；在後續進入喇叭形空腔中的塑性金屬不斷擠壓下，原先圓柱形空腔中的金屬被擠壓出來，形成一定長度的圓柱形細晶棒料。
6.根據權利要求5所述的製備細晶棒料的方法，其特徵在於，還包括將上述方法擠壓成型後的圓柱形細晶棒料在退火工藝條件下進行退火處理。
7.根據權利要求5所述的製備細晶棒料的方法，其特徵在於，所述摩擦頭的旋轉速度為 600_1000rpm。
全文摘要
本發明公開了一種細晶棒料的製備裝置，包括摩擦頭及其驅動裝置，摩擦頭頂端開有圓柱形空腔，底端開有喇叭形空腔，所述圓柱形空腔與喇叭形空腔相互貫通，摩擦頭的底面開有螺紋槽，用於將塑性金屬捲入軸心並使其在喇叭形空腔中積聚；本發明(1)通過摩擦頭與板料之間的高溫摩擦和擠壓，方便地製備細晶棒料；(2)摩擦頭結構簡潔、操作簡單，塑性金屬進入摩擦頭內部空腔後，經過強烈的塑性變形和擠壓後，能夠一次成型，提高了細晶棒料的生產效率；(3)結構簡單實用，不僅能夠快速生產細晶棒料，對板料表面表面磨削、細晶處理也都有參考意義。
文檔編號C22F1/00GK102839265SQ20121036034
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者陳書錦, 盧阿麗, 張郡郡, 蘆笙 申請人:江蘇科技大學