專利名稱：：利用擠鐓連續(xù)制備顆粒增強鋁基復合材料的方法及裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及顆粒增強鋁(合金)復合材料，尤其涉及利用擠鐓連續(xù)制備顆粒增強鋁基復合材料的方法及裝置。
背景技術：
：針對傳統(tǒng)材料存在的缺點，從材料內部組織、結構和材料性能的關系入手，研究傳統(tǒng)材料的改造和新型材料的開發(fā)應用己愈來愈重要。提高材料的性能大多集中在晶粒的細化，合金材料在獲得超細組織后，其物理、力學性能往往得到顯著提高。晶粒細化至亞微米級或納米級別時，材料表現(xiàn)出一些超常的性質。細化材料的組織有許多方法，冶金學方法(如通過合金化細化晶粒)、快速凝固、熱處理方法和熱機械加工及復合材料等。然而，這些研究或多或少有一些技術瓶頸沒有突破。通過普通熱擠壓手段在一定程度上也能細化晶粒，但隨著擠壓道次的增加，材料的徑向尺寸越來越小，因此變形程度受限；同時通過普通熱擠壓不能得到均勻的變形和獲得各向同性的塊體材料。采用強烈塑性變形技術細化晶粒，提高材料性能的方法是目前發(fā)展的熱點，高擠壓比擠壓(HighExtrusionRatioExtrusion)、震動沖擊(ShockLoading)、高壓扭轉(TorsionUnderCompression)、等截面角型擠壓(EqualChannelAngularPressing)、疊車L(AccumulativeRollBonding)、軋制熱機械處理(RollingTypedThermomechanicalTreatment)等都是強烈塑性變形方法的代表，采用這些方法可以獲得具有亞微米或納米晶組織。但是都各有特點，比如為了獲得大的變形量，高壓扭轉加工薄片狀試樣，但加工后的組織不均勻，使其應用受到限制。等截面角型晶粒細化方法是一種實用有效的方法，加工過程中試樣形狀始終可保持不變，因而可以反復變形產(chǎn)生大的應變，獲得均勻致密的組織，并能夠加工大體積試樣。但等截面角型擠壓單次變形量較小，其擠壓一次時產(chǎn)生的應變最大值近似為l。更為重要的是，所有現(xiàn)有的工藝方法都無法實現(xiàn)大變形條件下材料的連續(xù)制備。復合材料的制備過程中也常采用粉末冶金、熔滲或自生等手段，其中粉末冶金、熔滲的工藝復雜，成本較高，自生的方法較難獲得組織均勻的復合材料。因此在復合材料的制備過程中常伴隨使用擠壓或其他手段以細化組織。因此，需要一種新的裝置及新的工藝方法來制備晶粒細化的金屬基復合材料，提高材料綜合性能。而且可以連續(xù)生產(chǎn)，實現(xiàn)工業(yè)化流程。在本發(fā)明完成之前，北京機電研究所超塑技術研究室的陸文林的文章(《熱加工工藝》2001年第2期10-12頁)"采用沙漏擠壓工藝制備超細晶材料"中介紹的沙漏擠壓工藝示意圖及陸文林的另一篇文章(《塑性工程學報》第7巻第4期l-4頁)"沙漏擠壓鐓粗復合加工技術"中沙漏擠壓工藝原理示意圖及制成中提到擠壓桶固定，頂桿A、B向/^向同步運動時，試樣在型腔A中受到擠壓變形，在型腔B受到鐓粗變形。當試樣向這個方向變形完畢后，頂桿A、B可以再向相反的方向同步運動，試樣再次發(fā)生擠壓、鐓粗變形或頂桿固定，兩側的擠壓桶往復運動實現(xiàn)沙漏擠壓工藝，對于具體模具的工作方式及是否是單缸壓力機并沒有涉及；臺灣葉均蔚的發(fā)明專利，"改善合金材料性質之方法及裝置與其產(chǎn)品"，第0082100065號(專利公告號00245662，國際專利分類號B21B23/00，公告日期1995年04月21日)及"往復式擠壓成型方法及其加工裝置",第129012號(專利公告號00424013，國際專利分類號B21C23/24,公告日期2001年03月01日)中的方法及裝置均采用兩個擠壓缸體擠壓方式，即水平兩個擠壓缸同步動作，一邊的缸體向右運動時另一邊的缸體同步同速度向左運動，然后相反方向運動，從而往復擠壓，但不能實現(xiàn)單缸壓力機的往復擠壓。因此，以上方法及裝置都未涉及單缸壓力機的往復擠壓裝置及加工工藝。更沒有實現(xiàn)擠鐓連續(xù)復合材料的制備技術。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于，提供一種能夠在單缸壓力機上(立式或臥式)實現(xiàn)在獲得大變形條件下制備顆粒增強鋁基及顆粒增強鋁合金基復合材料的連續(xù)制備原理、工藝與裝置，從而得到均勻的等軸晶及各向同性的細晶復合材料型材。本發(fā)明的目的可通過下述技術措施來實現(xiàn)本發(fā)明的利用擠鐓連續(xù)制備顆粒增強鋁基復合材料的裝置包括由擠壓機基座、上壓板和用于連接基座和上壓板的磨具連接導向桿組成的機架體，設置在基座和上壓板之間的擠壓桶，以及安裝在基座中心軸孔內、且其上端向上延伸至擠壓桶內腔中的下擠壓桿，和安裝在上壓板中心軸孔內、且其下端向下延伸至擠壓桶內腔中的上擠壓桿；所述擠壓桶是由同軸線設置的上、下擠壓桶扣合組成，且在上、下擠壓桶相互扣合端的內壁上加工有用于嵌裝左、右半環(huán)形凹模環(huán)形卡槽，并由嵌裝在所述環(huán)形卡槽內的左、右半環(huán)形凹模構成可拆卸的擠壓內腔。本發(fā)明中所述的上、下擠壓桶的外環(huán)面上均設置有加熱體；左、右半環(huán)形凹模中的一個半環(huán)形凹模上設置有控溫熱電偶；其工作溫度區(qū)間可以在室溫至650'C范圍內。所述上擠壓桿的上端通過壓桿連接螺栓和壓桿座安裝在壓桿固定板的下方，壓桿固定板固定安裝在壓力機械壓頭的下方。本發(fā)明所述的利用擠鐓連續(xù)制備顆粒增強鋁基復合材料的方法包括以下步驟(1)將上、下擠壓桶、左、右半環(huán)形凹模組裝成一體；(2)將組裝成一體的擠壓桶倒置在擠壓機基座上，使得下擠壓桶的下端朝上放置，而上、下擠壓桶的上端面朝下放置；(3)將與被制備的復合材料的基體相同的材料加工成與下擠壓桶內經(jīng)相同公稱直徑的截面材料，然后裝入下擠壓桶中；(4)將上擠壓桿安裝在壓桿固定板上，之后再固定安裝在壓力機械壓頭的下方；(5)加熱擠壓桶到擠壓溫度；(6)通過壓力機械壓頭下壓上擠壓桿(11)，進而擠壓下擠壓桶(5)中的材料，直到擠壓材料充滿兩個半環(huán)形凹模的細徑；(7)停止擠壓，將上擠壓桿(11)退出，之后將擠壓桶正置，并安裝在機架體；(8)將預熱的坯料放入上擠壓桶(1);(9)根據(jù)材料不同，將擠壓桶及擠壓桶內的材料升溫到預定溫度20(TC500°C;(10)進行擠鐓連續(xù)復合材料的制備。本發(fā)明的方法進一步包括以下步驟(11)將被擠壓的復合材料預制壓坯裝入上擠壓桶(1)，用上擠壓桿擠壓坯料；(12)當坯料的80%從上擠壓桶(1)擠入下擠壓桶(5)后，退出上擠壓桿(11);(13)重復步驟11和12可以實現(xiàn)擠鐓連續(xù)成型制備復合材料；(14)當制備的復合材料達到一定長度后，鋸斷取下；(15)根據(jù)性能要求，對擠鐓連續(xù)成型的材料進行時效、退火或固溶熱處理；(16)如此繼續(xù)重復步驟1115，以連續(xù)制備復合材料。本發(fā)明所述方法中的坯料通過將增強粉體材料和鋁合金粉采用機械混合而產(chǎn)生，包括下述步驟a.將粒度為40150(im的鋁合金粉和5%25%粒度為25150|im的增強相放入混料機中機械混合，直到完全均勻；b.干混時不加任何溶劑，濕混時加入2vol。/。無水酒精和lwt。/。聚乙二醇；c.將混合好的粉體擠壓成與擠壓桶相同公稱直徑的坯料。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下有益效果(1)適用面廣，可以節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本；(2)更換不同小徑尺寸的半環(huán)形凹模，就可以方便地調整擠壓的擠壓比，從而實現(xiàn)不同擠壓比的擠鐓連續(xù)成型技術；(3)根據(jù)不同材料的特點，可以調整擠壓桶B(5)的尺寸山、d2、d3、h,、M口h3。通常情況下，山二DA+0.5~1(mm)(d!為擠壓桶B(5)的上段直徑)，其中DA為擠壓桶A(1)的直徑，d2=DA(d2為擠壓桶B(5)的中段直徑)，d3=DA+5(mm)(d3為擠壓桶B(5)的下段直徑)，&=10mm(&為擠壓桶B(5)的上段長度)，h2二510mm(h2為擠壓桶B(5)的中段長度)，h3>5mm~100mm(h3為擠壓桶B(5)的下段長度)；(4)本裝置自帶電阻加熱體，同時在擠壓變形和鐓粗變形最大的半環(huán)形凹模中心區(qū)設計有測溫熱電偶孔，不僅可以滿足熱擠壓對溫度的要求，熱擠壓的溫度可以在室溫至65(TC控制，而且可以監(jiān)測擠壓過程中大變形區(qū)域的溫度變化。(5)可以制備不同顆粒增強細晶粒鋁(合金)復合材料。圖l是本發(fā)明裝置的結構示意圖。包括上擠壓桶(1)、上擠壓桶的加熱體(2)、半環(huán)形凹模(3)、半環(huán)形凹模所帶的控溫熱電偶(4)、下擠壓桶(5)、下擠壓桶的加熱體(6)、擠壓機基座(7)、磨具連接導向桿(8)、下擠壓桿(9)、半環(huán)形凹模(10)、上擠壓桿(11)、上壓板(12)、壓桿連接螺栓(13)、壓桿座(14)、和壓桿固定板(15)。圖2為本發(fā)明一個實施例中的SiCp/Al復合材料界面結合TEM的照片。具體實施例方式本發(fā)明以下將結合實施例(附圖)作進一步描述如圖1所示，本發(fā)明的利用擠鐓連續(xù)制備顆粒增強鋁基復合材料的裝置包括由擠壓機基座(7)、上壓板(12)和用于連接基座和上壓板的磨具連接導向桿(8)組成的機架體，設置在基座和上壓板之間的擠壓桶，以及安裝在基座中心軸孔內、且其上端向上延伸至擠壓桶內腔中的下擠壓桿(9)，和安裝在上壓板中心軸孔內、且其下端向下延伸至擠壓桶內腔中的上擠壓桿(11);所述擠壓桶是由同軸線設置的上、下擠壓桶(1、5)扣合組成，且在上、下擠壓桶相互扣合端的內壁上加工有用于嵌裝左、右半環(huán)形凹模(3、10)環(huán)形卡槽，并由嵌裝所述環(huán)形卡槽內的左、右半環(huán)形凹模(3、10)構成可拆卸的擠壓內腔(改變兩半環(huán)形凹模(1)和半環(huán)形凹模(10)的小徑尺寸，就可以改變擠壓比)；所述上、下擠壓桶(1、5)的外環(huán)面上均設置有加熱體(2、6);左、右半環(huán)形凹模(3、10)中的一個半環(huán)形凹模上設置有控溫熱電偶(4)(控溫熱電偶(4)用于監(jiān)測擠壓過程中變形最大的凹模小徑處溫度變化，并可以用于監(jiān)測模具加熱過程中的溫度變化)；所述上擠壓桿(11)的上端通過壓桿連接螺栓(13)和壓桿座(14)安裝在壓桿固定板(15)的下方，壓桿固定板(15)固定安裝在壓力機械壓頭的下方。本發(fā)明所述的利用擠鐓連續(xù)制備顆粒增強鋁基復合材料的方法包括以下步驟(1)組裝擠壓桿，將壓桿固定板(15)固定在液壓機液壓缸壓頭的中間；將上擠壓桿(11)的上端對正壓桿固定板(15)的中心；用壓桿連接螺栓(13)和壓桿座(14)將擠壓桿(11)固定(如圖l所示)。(2)組裝擠壓桶，將半環(huán)形凹模(3)和半環(huán)形凹模(10)相對扣合成環(huán)形擠壓凹模并放入上擠壓桶(1)下端內壁上加工出的用于嵌裝左、右半環(huán)形凹模(3、10)環(huán)形卡槽中；將下擠壓桶(5)通過上端內壁上加工出的用于嵌裝左、右半環(huán)形凹模(3、10)環(huán)形卡槽與擠壓凹模連接，組裝成為圖l所示的擠壓桶。(3)組裝加熱原件，在上擠壓桶(1)外環(huán)面加裝擠壓桶的加熱體(2);在下擠壓桶(5)外環(huán)面加裝擠壓桶的加熱體(6)。(4)倒置擠壓桶，倒置在擠壓機基座(7)上，使得下擠壓桶(5)的下端朝上放置，而上擠壓桶(1)的上端面朝下放置。(5)反向填充材料，將與被制備的復合材料的基體相同的材料加工成與下擠壓桶(5)內經(jīng)相同公稱直徑的截面材料，然后裝入下擠壓桶中(5);將上擠壓桿安裝在壓桿固定板上，之后再固定安裝在壓力機械壓頭的下方；加熱擠壓桶到擠壓溫度；在擠壓機上，用上擠壓桿(11)擠下壓擠壓桶(5)中的材料，直到擠壓材料充滿兩個半環(huán)形凹模的構成的細徑，停止擠壓，將擠壓桿抽出。(6)正置完成安裝，將下擠壓桶(5)放置到擠壓機基座(7)上，上擠壓桶(1)位于下擠壓桶(5)上方，把上壓板(12)通過磨具連接導向桿(8)連接到擠壓機基座(7)上，并使其壓緊組裝的擠壓桶上。(7)插入控溫熱電偶(4)，如圖1所示，組裝完成。(8)將預熱的坯料放入上擠壓桶(1);(9)根據(jù)材料不同，將擠壓桶及擠壓桶內的材料升溫到預定溫度20(TC500。C;(10)進行擠鐓連續(xù)復合材料的制備。其中的坯料通過將增強粉體材料和鋁合金粉采用機械混合而產(chǎn)生，包括下述步驟a.將粒度為40150nm的鋁合金粉和5%25%粒度為25150jim的增強相放入混料機中機械混合，直到完全均勻；b.干混時不加任何溶劑，濕混時加入2vol。/。無水酒精和lwt。/。聚乙二醇；C.將混合好的粉體擠壓成與擠壓桶相同公稱直徑的坯料。本發(fā)明的方法進一步包括以下步驟(11)將被擠壓的復合材料預制壓坯裝入上擠壓桶(1)，用上擠壓桿擠壓坯料；(12)當坯料的80%從上擠壓桶(1)擠入下擠壓桶(5)后，退出上擠壓桿(11);(13)重復步驟11和12可以實現(xiàn)擠鐓連續(xù)成型制備復合材料；(14)當制備的復合材料達到一定長度后，鋸斷取下；(15)根據(jù)性能要求，對擠鐓連續(xù)成型的材料進行時效、退火或固溶熱處理；(16)如此繼續(xù)重復步驟1115，以連續(xù)制備復合材料。使用這種裝置可以在普通單缸壓力機上(立式或臥式)實現(xiàn)對被擠壓復合材料的連續(xù)擠鐓成型，根據(jù)材料不同，可以冷熱擠鐓。實施例110%SiCp/Al復合材料將80(TC煅燒過的SiCp與Al粉充分混合20min;然后，將粉料裝入坯料擠壓桶，放在擠壓機平臺上，加上4MPa壓力，保壓10min(壓制成坯體規(guī)格為Z^mm(擠壓桶直徑)x55mm)制成坯料；將坯料放入擠壓桶A擠壓。按照上面論述的工藝，制備了10。/。SiCp/Al復合材料的抗拉強度〉120MPa，延伸率達到26%，與純鋁相比抗拉強度提高了近一倍，而延伸率卻沒有明顯的下降。增強體與基體結合良好，如圖2所示。實施例25vol.。/。石墨-10vol.%Al203/Al復合材料表面活性劑聚乙二醇PEG2000濕混介質的無水乙醇混料，先放入純鋁粉，再加lwt^。無水乙醇，然后加入石墨粉，邊加邊用玻璃棒攪拌，然后加入0.5wt7。聚乙二醇PEG2000，最后加入Al203粉，用玻璃棒攪拌5min。將攪拌好的濕粉裝入預備好的干凈PVC瓶中，放在自制的混料機上混合，混料機轉速為65r/min?；炝蠒r間分別采用4h12h。表面活性劑與無水乙醇同時起到研磨介質和助磨劑的作用，不僅可防止顆粒的再度聚集長大，而且可促進粉碎裂紋的擴散，加速促進研磨,起到磨細顆粒的作用。同時，表面活性劑的加入使團聚顆粒得到了疏松、分散，磨球與物料之間的面積加大，也有利于粉碎。PEG2000是非離子型表面活性劑，屬于超分散劑，其分子結構中含有性能、功能完全不同的兩部分一部分為錨固基團，緊密結合在顆粒表面，當它們完全包覆于粒子表面時，就會形成一層保護膜，阻止粒子間的團聚；另一部分為親介質的聚合物鏈，它可伸展于分散介質中，由于伸展鏈的空間阻礙作用，當兩個吸附著分散劑的顆粒相互接近時并不會團聚而沉降，因而維持了穩(wěn)定的分散狀態(tài)。試驗粉料配比<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>將混和好的料擠壓成坯料，然后放入擠壓桶擠壓。按照上面論述的工藝，制備了15vol.。/。石墨-10vol.。/。Al2O3/Al復合材料，密度可以達到理論密度。實施例35vol.%20vol.%Al203/Al復合材料按照Al與Al203p體積比為95:520混料，混合20min;然后，將粉料裝入坯料擠壓桶，放在擠壓機平臺上，加上4MPa壓力，保壓10min(壓制成坯體規(guī)格為A4mm(擠壓桶直徑)x55mm)制成坯料；將坯料放入擠壓桶A擠壓。按照上面論述的工藝，制備了10vol.。/。Al2(VAl復合材料Ob為115MPa，5為27%，HB37。雖然在本說明書和附圖中示出并闡述了實施方式,但是熟悉本領域的技術人員可以在不改變這些描述和/或闡述的實施方式的原則和精神下作出一些改變或組合。權利要求1、一種利用擠鐓連續(xù)制備顆粒增強鋁基復合材料的裝置，其特征在于該裝置包括由擠壓機基座(7)、上壓板(12)和用于連接基座和上壓板的磨具連接導向桿(8)組成的機架體，設置在基座和上壓板之間的擠壓桶，以及安裝在基座中心軸孔內、且其上端向上延伸至擠壓桶內腔中的下擠壓桿(9)，和安裝在上壓板中心軸孔內、且其下端向下延伸至擠壓桶內腔中的上擠壓桿(11)；所述擠壓桶是由同軸線設置的上、下擠壓桶(1、5)扣合組成，且在上、下擠壓桶相互扣合端的內壁上加工有用于嵌裝左、右半環(huán)形凹模(3、10)環(huán)形卡槽，并由嵌裝在所述環(huán)形卡槽內的左、右半環(huán)形凹模(3、10)構成可拆卸的擠壓內腔。2、根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述上、下擠壓桶(1、5)的外環(huán)面上均設置有加熱體(2、6);左、右半環(huán)形凹模(3、10)中的一個半環(huán)形凹模上設置有控溫熱電偶(4)。3、根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述上擠壓桿(11)的上端通過壓桿連接螺栓(13)和壓桿座(14)安裝在壓桿固定板(15)的下方，壓桿固定板(15)固定安裝在壓力機械壓頭的下方。4、一種利用權利要求1所述的裝置連續(xù)制備顆粒增強鋁基復合材料的方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)將上、下擠壓桶(1、5)、左、右半環(huán)形凹模(3、10)組裝成一體；(2)將組裝成一體的擠壓桶倒置在擠壓機基座(7)上，使得下擠壓桶(5)的下端朝上放置，而上擠壓桶(1)的上端面朝下放置；(3)將與被制備的復合材料的基體相同的材料加工成與下擠壓桶(5)內經(jīng)相同公稱直徑的截面材料，然后裝入下擠壓桶(5)中；(4)將上擠壓桿(11)安裝在壓桿固定板(15)上，之后再固定安裝在壓力機械壓頭的下方；(5)加熱擠壓桶到擠壓溫度；(6)通過壓力機械壓頭下壓上擠壓桿(11)，進而擠壓下擠壓桶(5)中的材料，直到擠壓材料充滿兩個半環(huán)形凹模的細徑；(7)停止擠壓，將上擠壓桿(11)退出，之后將擠壓桶正置，并安裝在機架體；(8)將預熱的坯料放入上擠壓桶(1);(9)根據(jù)材料不同，將擠壓桶及擠壓桶內的材料升溫到預定溫度20CTC500°C;(10)進行擠鐓連續(xù)復合材料的制備。5、根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于其中的坯料通過將增強粉體材料和鋁合金粉采用機械混合而產(chǎn)生，包括下述步驟a.將粒度為40150fim的鋁合金粉和5%25%粒度為25150(im的增強相放入混料機中機械混合，直到完全均勻；b.干混時不加任何溶劑，濕混時加入2vol。/。無水酒精和lwt。/。聚乙二醇；c.將混合好的粉體擠壓成與擠壓桶相同公稱直徑的坯料。6、根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于進一步包括以下步驟(11)將被擠壓的復合材料預制壓坯裝入上擠壓桶(1)，用上擠壓桿擠壓坯料；(12)當坯料的80%從上擠壓桶(1)擠入下擠壓桶(5)后，退出上擠壓桿(11);(13)重復步驟11和12可以實現(xiàn)擠鐓連續(xù)成型制備復合材料；(14)當制備的復合材料達到一定長度后，鋸斷取下；(15)根據(jù)性能要求，對擠鐓連續(xù)成型的材料進行時效、退火或固溶熱處理；(16)如此繼續(xù)重復步驟1115，以連續(xù)制備復合材料。全文摘要一種利用擠鐓連續(xù)制備顆粒增強鋁基復合材料的方法及裝置，其特征在于該裝置包括由擠壓機基座(7)、上壓板(12)和用于連接基座和上壓板的磨具連接導向桿(8)組成的機架體，設置在基座和上壓板之間的擠壓桶，以及安裝在基座中心軸孔內、且其上端向上延伸至擠壓桶內腔中的下擠壓桿(9)，和安裝在上壓板中心軸孔內、且其下端向下延伸至擠壓桶內腔中的上擠壓桿(11)；所述擠壓桶是由同軸線設置的上、下擠壓桶(1、5)扣合組成，且在上、下擠壓桶相互扣合端的內壁上加工有用于嵌裝左、右半環(huán)形凹模(3、10)環(huán)形卡槽，并由嵌裝在所述環(huán)形卡槽內的左、右半環(huán)形凹模(3、10)構成可拆卸的擠壓內腔。文檔編號B21C23/21GK101444802SQ200910064040公開日2009年6月3日申請日期2009年1月9日優(yōu)先權日2009年1月9日發(fā)明者郭學鋒,陳思杰申請人:河南理工大學