本发明专利技术涉及一种铸锭开坯的新型工艺，具体地说是一种利用剪切力对金属及其合金铸锭变形，并结合相应的热处理，来提高坯料的深加工成型性能的新型铸锭开坯工艺。其技术流程为：先对铸锭的外形进行规整；再按照规整后的形状和尺寸，设计一种剪切变形开坯模具；把均匀化热处理过的坯料放入模具的入口通道，在开坯温度下保温一定时间后，以一定速度剪切开坯；铸锭坯料通过剪切变形开坯，从模具中取出后进行再结晶退火处理；再经修整后进行挤压、锻造、轧制和拉拔等深加工成型处理。本发明专利技术的开坯设备和工艺流程简单，开坯后铸锭的成型性能得到大幅度提高，且能够精确控制坯料的形状和尺寸，是一种铸锭开坯新型工艺，可广泛适用于各种金属及其合金材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种材料加工领域的新型技术方法，具体地说是通过将金属或合金铸锭坯料均匀化热处理后，利用剪切变形开坯模具进行剪切变形，改善铸锭组织，提高铸锭坯料在后续锻造、挤压、轧制和拉拔等深加工成型处理过程中的成型性能的一种新型铸锭开坯工艺。
技术介绍
金属及其合金材料在国民经济各个领域都有广阔的应用，特别是铸件。但是，铸件组织一般比较粗大，使得材料的脆性增加，强度和塑性较低。且铸件容易存在气孔、疏松、气泡和微裂纹等空洞性缺陷，以及偏析、夹杂等固态缺陷。随着铸件界面尺寸增大，这些缺陷会更加严重，如果没有通过有效途径消除这些缺陷，将造成工件报废；如果在实际使用服役中，甚至会造成工程事故。变形材料比铸造材料一般具有更高的强度和延展性，适合用于制造承受大载荷的零件；而且通过对变形加工工艺的控制，可得到更多样化的产品形式和力学性能。但是，一些金属和合金的塑性较差，变形困难。例如，在密排六方的镁基轻质材料中，由于镁合金的晶体结构大部分为密排六方体系，在室温下只有基面滑移系可以开动，塑性较差使得加工变形比较困难。较高温度下可以提高加工成型性能，但是由于经济和安全考虑，热加工的温度也不能过高。中等温度下，密排六方的结构能够启动的滑移系仍然有限，从而塑性加工性能不足。如何提高金属铸锭的加工变形能力，并且在变形过程中控制其综合力学性能，一直是发展金属材料的热加工变形技术的重点和难点之一。金属铸锭通过塑性变形开坯可以减少或消除铸造缺陷，细化晶粒，改善铸锭的组织，从而提高铸锭的深加工如锻造、挤压、轧制、拉拔等塑性加工成型性能。现有的金属和合金的开坯技术，大多采用挤压、锻造和轧制等传统的热加工技术。这些传统的铸锭开坯技术，通过热锻和热轧可以在一定程度上减小铸锭的晶粒尺寸，但其加工效率低且对于塑性的改善程度有限。另外，传统开坯技术如挤压、锻造等采用正压力加载，变形量受到设备吨位和压头行程等各方面限制、其塑性加工零件的尺寸有限，且受到材料本身塑性加工性能极限的限制，生产大型塑性加工零件比较困难。特别是在密排六方结构金属和合金中，如镁合金。因为在镁合金变形过程中，基面滑移最容易被激活，而其它非基面滑移则难以启动；孪生一定程度上发生，但具有一定的方向性，且产生的辅助变形量非常有限。由于镁的这些晶体塑性变形特征，在热锻和热轧等正压力热加工过程中，一方面造成坯料容易开裂，限制了每一道次的变形量，加工效率较低，组织细化效果较差；另一方面由于可以开动的非基面滑移较少，基面滑移和孪生成为主要的变形模式，容易使坯料形成强烈的基面织构。这种在热锻和热轧中易产生的强烈基面织构，造成了材料的各向异性特别严重，对坯料的深加工成型非常不利。从而，经传统热锻和热轧开坯后的铸锭在后续深加工过程中变形更加困难，往往失去了开坯本来的意义。因此，现有的开坯技术急切需要改进，同时更需要发展一些区别于传统开坯工艺的新型的开坯技术。目前面临的问题是，如何在开坯的过程中减小开裂现象，且通过足够的变形量来改善坯料的组织性能，特别是如何控制开坯过程中形成的织构的类型和强度，减少不利于后续加工的织构形成，以利于后续的锻造、挤压、轧制、拉拔等工件深加工成型处理。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有铸锭开坯技术的不足，提供一种利用剪切变形使铸锭获得高的深加工成型性能的开坯工艺，解决现有开坯技术存在的变形困难、开裂现象及成型性能较差等问题。它是通过应用剪切力引起的塑性变形来细化铸锭粗大的晶粒组织，控制铸锭中的组织织构，使铸锭坯料在后续的锻造、挤压、轧制和拉拔等深加工成型过程中，具有较好的加工成型性能。本专利技术的技术方案是本专利技术通过利用剪切变形对铸锭变形，并结合相应的热处理制度，来提高铸锭坯料的加工成型性能，包括优化的剪切变形开坯模具装置及其剪切变形开坯工艺流程。具体的技术步骤如下(1)所有铸锭经过规整加工成外形和尺寸统一的规则的坯料。其铸锭适用于各种金属及合金材料；规整后的坯料为具有一定横截面形状的长棒，横截面可以为圆形、椭圆形、矩形、三角形、梯形或者其它易于加工的形状，优选圆形和矩形。圆形横截面的直径，矩形、三角形或梯形横截面的各边长度和其它易于加工的形状的几何特征尺寸是该横截面的特征尺寸；其特征尺寸D应在0～5000mm范围内选取，优选范围在0.5～1000mm内；棒长L0一般为0.5～10000mm，优选范围0.5～5000mm。(2)根据规整后的坯料外形尺寸，按照图2中的示意图设计制造剪切变形开坯模具装置，并安装到挤压动力设备上，调试待用。设计的剪切变形开坯模具的挤压入口通道的横截面形状为规整后得到的铸锭坯料的横截面形状，一般为圆形、椭圆形、矩形、三角形、梯形或其它易于加工的形状；模具入口通道横截面的尺寸稍大于坯料横截面的尺寸，间隙尺寸为0.1～10mm，以0.5～1mm为佳；入口通道的长度稍微长于坯料和挤压头的总长度，总长度L一般在0.5～20000mm范围内优选；模具有加热和控温装置。模具的出口通道的横截面形状和尺寸可以跟入口通道的相同或者不同，优选形状和尺寸相同的情况；当出口通道横截面积大于入口通道的面积时，必须在出口通道增加反挤压部分。模具两个通道的内接转角弧度Φ和外接转角弧度Ψ分别在0～170°之间选取，优选范围分别为90～150°和0～90°。(3)规整后的合金铸锭坯料放入加热炉在室温至1500℃进行均匀化处理0～240h；温度优选范围为200～600℃，处理时间优选范围为0～24h。处理直接在大气中进行，或者采用气氛保护，气氛优选二氧化碳或氩气。(4)处理后的合金坯料放入剪切变形开坯模具入口通道，在温度为室温至1500℃下预热0～10h后，以一定挤压速度为0.5～2000mm/min从模具中剪切变形开坯。开坯挤压前的预热可在加热炉中或者直接在模具入口通道中进行，预热温度优选范围为100～600℃，预热处理时间优选范围为0～2h，挤压速度优选范围为50～100mm/min。(5)坯料放入加热炉中在室温至1500℃进行再结晶退火处理0～24h，退火温度优选范围为200～600℃，退火时间优选范围为0～2h；如果坯料材质在挤压过程中充分动态再结晶，也可以不进行再结晶退火处理；处理直接在大气中进行，或者采用保护性气氛保护，气氛优选二氧化碳或氩气。(6)评价合金组织，如果上述加工道次的组织不足以满足后续深加工的要求，即为不合格开坯组织，则重复上述步骤(4)～(6)；如果组织满足后续加工要求，即为合格开坯组织，则进入步骤(7)。组织满足后续加工要求是指，其成型性能能够满足挤压、锻造、轧制和拉拔等深加工成型处理所需要的平均晶粒尺寸要求，其尺寸范围为0.1～50μm。进行多道次挤压开坯时，坯料在重新放入模具入口通道时，可以绕坯料的长轴向旋转一定角度再放入，旋转角度为90～360°，也可以不旋转直接放入。(7)修整坯料，进行挤压、锻造、轧制和拉拔后续深加工成型处理。所进行的深加工成型处理，为挤压、锻造、轧制和拉拔等深加工成型处理过程中的一种，或者是它们中的几种组合而成的深加工成型处理过程。本专利技术通过总结铸锭在剪切变形过程中组织流动特点，以及变形温度对铸锭组织晶粒大小和力学性能的影响得到。剪切变形开坯技术有别于传统的挤压、锻造和轧制等开坯工艺使用的正应力，它是利用在剪切变形模具的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用剪切变形提高铸锭加工成型性能的开坯工艺，其特征在于：该工艺的具体步骤为：（１）把金属或合金铸锭外形规整成形状和尺寸统一的坯料；（２）按照规整后的形状和尺寸，准备好剪切变形开坯模具；（３）铸锭坯料按设定温度为室 温至１５００℃，在加热炉中均匀化处理０～２４０ｈ；（４）均匀处理后的坯料放入剪切变形开坯模具入口通道，在开坯温度为室温至１５００℃下预热０～１０ｈ，然后在挤压速度为０．５～２０００ｍｍ／ｍｉｎ范围内进行剪切变形开坯；（５）铸 锭坯料通过剪切变形后，从模具中取出，放入加热炉中在室温至１５００℃条件下再结晶退火处理０～２４ｈ；（６）评价坯料组织：如果上述加工道次的组织不足以满足后续深加工的要求，即为不合格开坯组织，则重复上述步骤（４）～（６），进行多道次挤压 开坯；如果组织满足后续加工要求，即为合格开坯组织，则进入步骤（７）；（７）合格的坯料经过修整后进行挤压、锻造、轧制和拉拔深加工成型处理。
【技术特征摘要】
1.一种利用剪切变形提高铸锭加工成型性能的开坯工艺，其特征在于该工艺的具体步骤为(1)把金属或合金铸锭外形规整成形状和尺寸统一的坯料；(2)按照规整后的形状和尺寸，准备好剪切变形开坯模具；(3)铸锭坯料按设定温度为室温至1500℃，在加热炉中均匀化处理0～240h；(4)均匀处理后的坯料放入剪切变形开坯模具入口通道，在开坯温度为室温至1500℃下预热0～10h，然后在挤压速度为0.5～2000mm/min范围内进行剪切变形开坯；(5)铸锭坯料通过剪切变形后，从模具中取出，放入加热炉中在室温至1500℃条件下再结晶退火处理0～24h；(6)评价坯料组织如果上述加工道次的组织不足以满足后续深加工的要求，即为不合格开坯组织，则重复上述步骤(4)～(6)，进行多道次挤压开坯；如果组织满足后续加工要求，即为合格开坯组织，则进入步骤(7)；(7)合格的坯料经过修整后进行挤压、锻造、轧制和拉拔深加工成型处理。2.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(1)中铸锭适用于各种金属及合金材料；规整后的坯料为具有一定截面形状的长棒，截面为圆形、椭圆形、矩形、三角形、梯形或者其它易于加工的形状。3.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(2)中设计的剪切变形开坯模具的挤压入口通道的横截面形状为规整后得到的铸锭坯料实际形状的截面，横截面形状为圆形、椭圆形、矩形、三角形、梯形或其它易于加工的形状；模具入口通道的尺寸稍大于坯料的尺寸，间隙尺寸为0.1～10mm；入口通道的长度长于坯料和挤压头的总长度。4.按照权利要求1所述的开坯工艺，其特征在于步骤(2)中的剪切变形开坯模具的出口通道的横截面...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐伟能，陈荣石，韩恩厚，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]
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