一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备及其方法技术

本发明专利技术属于金属包覆材料成形技术领域，具体涉及一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备及其方法，设备包括一号送料机、径向锻造机和二号送料机，所述径向锻造机包括多个结构相同的径向锻模，所述径向锻模从入料方向至出料方向依次设置有波锻区、平锻区、整形区和出口区，在所述波锻区内设置有N个波宽相同的波纹，本发明专利技术的波平径向锻造复合过程中，波锻区的波峰与波谷在预套装坯料上形成对应的波谷与波峰，预套装坯料的波谷处率先形成局部强应力，随后波纹状预套装坯料的波峰在平锻区作用下再次形成局部强应力，有助于复合界面新鲜金属裸露，促进复合界面形成冶金结合。促进复合界面形成冶金结合。促进复合界面形成冶金结合。

【技术实现步骤摘要】
一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备及其方法


[0001]本专利技术属于金属包覆材料成形
，具体涉及一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备及其方法。

技术介绍

[0002]金属包覆材料是层状金属复合材料的一个重要分支，由于其兼具两种或以上不同金属材料的性能优势，形成了集功能和结构为一体的独特综合性能，是节约贵金属和实现结构轻量化的有效途径，成为近年新型材料成形领域的国际研究热点。典型产品有铜包钢接地棒、铜/钛复合管、黄铜包覆纯铜绞线等，横截面通常具有环形包覆几何特征，在核电、石油化工、海洋工程、电力电子、机械制造、建筑装饰等领域具有广阔的应用前景，因此强电流、高频、高温等极端服役环境对复合界面结合强度及其周向均匀性提出了极为苛刻的要求。
[0003]目前，适合于工业生产金属包覆材料的制备方法主要有爆炸复合法、连续铸造复合法、热浸镀法等。爆炸复合法，是利用炸药爆炸瞬间产生的冲击波和高温高能，使覆层金属与基体金属沿爆轰方向撞击产生塑性变形，从而形成良好的冶金结合，主要特点是工艺简单，一次性瞬间成形，结合强度高，但是对长度、直径、壁厚等都有巨大限制，并且比较危险，存在化学和噪声污染。连续铸造复合法是将两种金属熔液同时注入复合结晶器内，通过控制冷却实现内外层依次凝固复合成形，该方法具有流程短、节能降耗等优点，但只适合于覆层熔点高于基体熔点。热浸镀法是将经过预热的基体连续浸入覆层金属液中，通过熔合、扩散等方式形成冶金结合，当基体从覆层金属液中出来时，附着于表面的覆层金属经冷却凝固形成复合材料，该方法只适合于覆层熔点低于基体熔点，并且覆层厚度难以达到毫米级。
[0004]在异种金属界面复合机理方面，提出了机械啮合理论、金属键理论、能量理论、薄膜理论、位错理论、扩散理论、再结晶理论等一系列复合理论，其中三阶段理论较为公认，认为复合过程中存在物理接触阶段、接触表面激活阶段和扩散阶段。物理接触阶段取决于基体和覆层的塑性变形，并且单道次大塑性变形是实现良好物理接触的关键，并且后续不协调二次塑性变形可能对复合界面产生破坏作用，三维空间接触界面有利于提高界面结合面积，而接触表面激活阶段和扩散阶段取决于组元性质、界面温度和界面压力，最终决定界面结合强度。
[0005]径向锻造工艺是指利用多个径向锻模对轴向旋转送进的棒料或管材进行对称的、高频率的同步打击，锻造成为沿轴向具有不同横截面或等截面的坯料。因为多向锻打使金属变形时处于三向压应力状态，因此有利于锻件塑性的提高，不仅适用于钢、铜、铝、钛、镁等常规金属，同样适用于难熔金属，如钼、钨、铌等及其合金成分的锻件锻造。然而，目前径向锻造工艺主要用于单质金属成形，用于制备金属包覆材料存在较大局限，主要原因在于，对于界面复合而言，径向锻造工艺高频率的脉冲锻打过程中每次的变形量很小，无法在界面处形成局部强应力，并不利于实现界面高强冶金结合。
[0006]面对巨大的市场需求，现有产品种类、尺寸规格、生产效率等亟待提高，在获得良好界面结合效果的同时，兼顾高效率、短流程、低能耗的工业化制备工艺已成为加快工业应用进程的重点，而开发复合界面处高温强压精准调控成形技术制备三维空间结合界面，实现基体与覆层间高强冶金结合，是未来行业的发展方向，同时也面临巨大挑战。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对上述问题提供了一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备及其方法。
[0008]为达到上述目的本专利技术采用了以下技术方案：一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备，包括一号送料机、径向锻造机和二号送料机，所述一号送料机用于夹持预套装坯料向径向锻造机进行旋转进料，所述径向锻造机用于对预套装坯料进行锻造复合，所述二号送料机用于夹持由预套装坯料锻造而成的锻造复合材料从径向锻造机旋转出料，所述一号送料机、径向锻造机、二号送料机、预套装坯料和锻造复合材料的轴线相重合，所述一号送料机和二号送料机具有相同的旋转步进角度Δθ，由于锻造复合材料相比于预套装坯料发生了减径和延伸变形，因此所述一号送料机的轴向步进距离ΔL1小于二号送料机的轴向步进距离ΔL2，所述径向锻造机包括多个结构相同的径向锻模，所述径向锻模从入料方向至出料方向依次设置有波锻区、平锻区、整形区和出口区，在所述波锻区内设置有N个波宽相同的波纹，所述径向锻模对旋转送进的预套装坯料施加等幅值或变幅值的高频径向脉冲击打，将其锻造为等横截面或变横截面的锻造复合材料。
[0009]进一步，在所述一号送料机与径向锻造机之间设置有电磁感应加热装置，所述电磁感应加热装置用于对径向锻造机入口侧的预套装坯料进行加热。
[0010]再进一步，所述预套装坯料包含外层金属坯料、内层金属坯料和定位圆环，所述外层金属坯料的内径大于内层金属坯料的外径，所述内层金属坯料套设在外层金属坯料内部，所述定位圆环有两个，所述外层金属坯料和内层金属坯料的两端均与两个定位圆环连接，所述外层金属坯料和内层金属坯料同轴设置，在所述外层金属坯料和内层金属坯料之间留有套装间隙。
[0011]更进一步，所述套装间隙的尺寸为预套装坯料外径的0.1%
‑
4%。
[0012]更进一步，所述外层金属坯料和/或内层金属坯料的材质为可以利用电磁感应加热的材质。
[0013]更进一步，所述径向锻模上的波纹沿波锻区锥面均匀排列，所述波纹的形状为正弦、圆弧、三角形、梯形或样条曲线。
[0014]更进一步，所述波锻区的长度L1与平锻区的长度L2相同，二者总长度占径向锻模总长L的40％
‑
80％，所述波锻区的锥角角度α1为2
°‑
45
°
，所述平锻区的锥角角度α2为2
°‑
45
°
，且α1≥α2，所述整形区的长度L3为径向锻模总长L的10％
‑
40％，所述整形区的锥角角度α3为0
°‑5°
，所述出口区的长度L4为径向锻模总长L的10％
‑
40％，所述出口区的锥角角度α4为0
°‑5°
，且α4≥α3。
[0015]更进一步，所述预套装坯料沿径向锻造机轴线的轴向步进距离ΔL1与波锻区的长度L1之间的关系为L1=M
×
ΔL1，其中M为正整数，所述ΔL1为波纹波宽的整倍数。
[0016]更进一步，当锻造复合材料具有等横截面的特征时，其横截面可为圆形、方形或多
边形。
[0017]一种金属包覆材料波平径向锻造复合方法，包括以下步骤：S1、对外层金属坯料与内层金属坯料进行表面清洁处理，按照外层金属坯料在外，内层金属坯料在内的顺序进行柔性套装组坯，在外层金属坯料与内层金属坯料之间留有套装间隙，并利用两个定位圆环进行密封焊接后抽真空，完成预套装坯料的制备；S2、开启电磁感应加热装置，设定加热频率与加热功率等参数，利用一号送料机夹持预套装坯料的端部，以旋转步进角度Δθ与轴向步进距离ΔL1沿径向锻造机轴线将预套装坯料送入电磁感应加热装置，进行电磁感应加热；S3、预套装坯料从电磁感应加热装置的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备，包括一号送料机（1）、径向锻造机（4）和二号送料机（6），所述一号送料机（1）用于夹持预套装坯料（2）向径向锻造机（4）进行旋转进料，所述径向锻造机（4）用于对预套装坯料（2）进行锻造复合，所述二号送料机（6）用于夹持由预套装坯料（2）锻造而成的锻造复合材料（5）从径向锻造机（4）旋转出料，所述一号送料机（1）、径向锻造机（4）、二号送料机（6）、预套装坯料（2）和锻造复合材料（5）的轴线相重合，所述一号送料机（1）和二号送料机（6）具有相同的旋转步进角度Δθ，由于锻造复合材料（5）相比于预套装坯料（2）发生了减径和延伸变形，因此所述一号送料机（1）的轴向步进距离ΔL1小于二号送料机（6）的轴向步进距离ΔL2，所述径向锻造机（4）包括多个结构相同的径向锻模，其特征在于：所述径向锻模从入料方向至出料方向依次设置有波锻区（401）、平锻区（402）、整形区（403）和出口区（404），在所述波锻区（401）内设置有N个波宽相同的波纹，所述径向锻模对旋转送进的预套装坯料（2）施加等幅值或变幅值的高频径向脉冲击打，将其锻造为等横截面或变横截面的锻造复合材料（5）。2.根据权利要求1所述的一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备，其特征在于：在所述一号送料机（1）与径向锻造机（4）之间设置有电磁感应加热装置（3），所述电磁感应加热装置（3）用于对径向锻造机（4）入口侧的预套装坯料（2）进行加热。3.根据权利要求1所述的一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备，其特征在于：所述预套装坯料（2）包含外层金属坯料（201）、内层金属坯料（202）和定位圆环（203），所述外层金属坯料（201）的内径大于内层金属坯料（202）的外径，所述内层金属坯料（202）套设在外层金属坯料（201）内部，所述定位圆环（203）有两个，所述外层金属坯料（201）和内层金属坯料（202）的两端均与两个定位圆环（203）连接，所述外层金属坯料（201）和内层金属坯料（202）同轴设置，在所述外层金属坯料（201）和内层金属坯料（202）之间留有套装间隙（204）。4.根据权利要求3所述的一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备，其特征在于：所述套装间隙（204）的尺寸为预套装坯料（2）外径的0.1%
‑
4%。5.根据权利要求3所述的一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备，其特征在于：所述外层金属坯料（201）和/或内层金属坯料（202）的材质为可以利用电磁感应加热的材质。6.根据权利要求1所述的一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备，其特征在于：所述径向锻模上的波纹沿波锻区（401）锥面均匀排列，所述波纹的形状为正弦、圆弧、三角形、梯形或样条曲线。7.根据权利要求1所述的一种金属包覆材料波平径向锻造复合设备，其特征在于：所述波锻区（401）的长度L1与平锻区（402）的长度L2相同，二者总长度...

【专利技术属性】
技术研发人员：季策，王涛，黄庆学，任忠凯，刘文文，陈鹏，韩建超，刘元铭，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：