纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法

摘要

本发明公开了一种纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法，该方法根据金属筒形零件的尺寸，按照变形过程中材料体积不变原理和工件产生85～90％的总厚度减薄率的要求，预制无焊缝筒形或杯形毛坯；然后将毛坯套装在芯模上，经过多道次错距旋压使其壁部厚度减薄率达到60～70％；再将工件放入惰性气体保护炉中进行再结晶处理；最后将工件再次套装在芯模上，经过多道次错距旋压变形使总的壁部厚度减薄率达到85～90％。本发明针对低碳钢薄壁筒形零件不仅具有高精度外形尺寸，还具有整体而非表面的超细晶/纳米化的微观晶粒组织，因此具有良好的整体机械性能。

权利要求

1.一种纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法，其特征在于包括如下步骤：（1）根据金属筒形零件壁部厚度和零件长度，按照材料体积不变原理和变形过程中碳钢筒形件壁部产生85～90％的总厚度减薄率的要求，预制无焊缝筒形或杯形毛坯；所述碳钢筒形零件的材料为低碳钢；

（2）将毛坯套装在芯模上，经过多道次三旋轮错距旋压变形，使其壁厚减薄率达到

60～70％；控制三旋轮的轴向错距量为1.5～2.5mm，径向错距量为0.1～0.3mm；

（3）将工件放入温度为400～450℃的惰性气体保护炉中进行加热升温至再结晶保温温度550～600℃，保温0.8～1小时，然后出炉冷却；

（4）将工件再次套装在旋压芯模上，经过多道次三旋轮错距旋压变形使总的壁厚减薄率达到85～90％，再修边以满足零件尺寸要求。

2.根据权利要求1所述的纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法，其特征在于：设计毛坯尺寸时，在零件长度方向增加30～50mm的修边余量。

3.根据权利要求1所述的纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法，其特征在于：所述碳钢为含碳量0.1％-0.25％的低碳钢。

4.根据权利要求1所述的纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法，其特征在于：所述步骤（3）的冷却为用水进行冷却。

5.根据权利要求1所述的纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法，其特征在于：所述三旋轮错距旋压变形是使用框架旋轮座式旋压机进行旋压成形，标号分别为1、2、

3的三个旋轮呈120°对称分布在框架的中心孔周围，该框架的中心有一通孔，框架通孔的中心点与机床主轴位于同一水平线；标号分别为1、2、3的三个旋轮离中心点的距离分别为R1、R2、R3，标号分别为1、2的旋轮之间的径向错距e12=R1－R2，标号分别为2、3的旋轮之间的径向错距e23=R2－R3；三个旋轮的安装位置在机床主轴方向相互错开，S12为标号为

1、2的旋轮之间的轴向错距，S23为标号为2、3旋轮之间的轴向错距。

说明书

纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种纳米/超细晶材料，特别是涉及一种纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法，属于金属材料的塑性成形领域。

背景技术

[0002] 超细晶/纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。超细晶材料的晶粒特征维度尺寸在微米量级以下（100nm～1000nm），纳米材料的晶粒特征维度尺寸在纳米量级（1nm～100nm）。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，超细晶/纳米材料与同组成的常规微米晶体材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点，在机械零件加工中也逐渐得到重视和推广应用。

[0003] 纳米晶/超细晶材料的制备方法，主要是制备具有极小晶粒尺寸的块体材料，再用这种材料加工所需要的零件。这种块体材料的制备一般受技术限制，只能得到尺寸较小的坯料，因此也只加工小尺寸的零件。

[0004] 为了解决大尺寸零件的晶粒细化问题，结合机械零件在实际工作时都是零件表面比较容易受到破坏的特点，形成了表面超细晶/纳米化技术，即采用常规方法先加工出零件，再只针对零件表面进行超细晶/纳米化处理，而零件的大部分体积范围之内的材料晶粒仍然处于常规的微米量级以上。

[0005] 对于实际工程中大量使用的低碳钢薄壁筒形金属零件，由于厚度很小，零件内外表面及材料内部的服役环境非常接近，表面纳米化已经无法满足使用要求。如果零件尺寸较大而又希望得到具有超细晶/纳米晶粒的微观组织，则既不能采用纳米块体材料来加工尺寸较大的零件，又不能对常规方法加工出来的零件仅仅进行表面超细晶/钠米化处理。

发明内容

[0006] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种既能得到整体纳米晶/超细晶粒的微观组织结构，又能直接加工出符合产品外形要求的较大尺寸的碳钢薄壁筒形零件的方法。

[0007] 本发明的目的通过如下技术方案实现：

[0008] 一种纳米晶/超细晶碳钢筒形件的强力旋压成形方法，包括如下步骤：

[0009] （1）根据金属筒形零件壁部厚度和零件长度，按照材料体积不变原理和变形过程中碳钢筒形件壁部产生85～90％的总厚度减薄率的要求，预制无焊缝筒形或杯形毛坯；所述碳钢筒形零件的材料为低碳钢；

[0010] （2）将毛坯套装在芯模上，经过多道次三旋轮错距旋压变形，使其壁厚减薄率达到60～70％；控制三旋轮的轴向错距量为1.5～2.5mm，径向错距量为0.1～0.3mm；

[0011] （3）将工件放入温度为400～450℃的惰性气体保护炉中进行加热升温至再结晶保温温度550～600℃，保温0.8～1小时，然后出炉冷却；

[0012] （4）将工件再次套装在旋压芯模上，经过多道次三旋轮错距旋压变形使总的壁厚减薄率达到85～90％，再修边以满足零件尺寸要求。

[0013] 为进一步实现本发明的目的，设计毛坯尺寸时，在零件长度方向增加30～50mm的修边余量。

[0014] 所述碳钢的含碳量优选为0.1％-0.25％。

[0015] 所述步骤（3）的冷却优选为用水进行冷却。

[0016] 所述三旋轮错距旋压变形是使用框架旋轮座式旋压机进行旋压成形，标号分别为1、2、3的三个旋轮呈120°对称分布在框架的中心孔周围，该框架的中心有一通孔，框架通孔的中心点与机床主轴位于同一水平线。标号分别为1、2、3的三个旋轮离中心点的距离分别为R1、R2、R3，标号分别为1、2的旋轮之间的径向错距e12=R1－R2，标号分别为2、3的旋轮之间的径向错距e23=R2－R3；三个旋轮的安装位置在机床主轴方向相互错开，S12为标号为1、2的旋轮之间的轴向错距，S23为标号为2、3旋轮之间的轴向错距。

[0017] 步骤（3）的再结晶说明：在步骤（3）的加热和保温过程中，由于工件经过了塑性变形，在合适的温度和保温时间下，在变形金属的显微组织中，会产生无应变的新晶粒──再结晶核心。新晶粒不断长大，直至原来的变形组织完全消失,金属的性能也发生显著变化,这一过程称为再结晶（区别于液体凝固成固体的结晶过程）。再结晶的温度不是固定的，受很多因素影响，主要是材料的化学成分、变形程度等，一般情况下再结晶温度大于材料熔点的0.4倍，准确的再结晶温度主要依靠试验获得。

[0018] 相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

[0019] 1、本发明可以得到贯穿材料整体而非表面的超细晶/纳米材料微观组织；

[0020] 2、本发明可以得到具有超细晶/纳米材料的实用零件，而不是材料的坯料；

[0021] 3、本发明可以得到具有大规格尺寸的超细晶/纳米材料零件；

[0022] 4、本发明与常规旋压得到的材料微观组织相比，所得到的超细晶/纳米微观组织具有更好的力学、化学等方面的性能。

附图说明

[0023] 图1是本发明一种金属薄壁筒形零件的结构示意图。

[0024] 图2是本发明所采用的框架旋轮座示意图。

[0025] 图3是图1在A方向投影时，旋轮的位置示意图。

[0026] 图4是本发明所采用的管形毛坯图。

[0027] 图5是本发明所采用的杯形毛坯图。

[0028] 图6是管形毛坯错距旋压正旋过程示意图。

[0029] 图7是杯形毛坯错中旋压反旋过程示意图。

[0030] 图8是本发明成形方法的流程图。

[0031] 图9是本发明所采用的毛坯材料20钢的原始晶相照片。

[0032] 图10是本发明再结晶处理的温度变化曲线。

[0033] 图11是本发明20钢旋压成形及再结晶处理后的透射电镜照片。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

[0035] 本发明所要加工的零件外形如图1所示，为低碳钢金属薄壁筒形件。采用框架旋轮座式旋压机进行旋压成形，图2所示为框架旋轮座，其中标号分别为1、2、3的三个旋轮呈120°对称分布在框架0的中心孔周围，该框架的中心有一通孔，用于穿过旋压芯模及工件，因此框架通孔的中心Z点与机床主轴位于同一水平线。标号分别为1、2、3的三个旋轮离中心Z点的距离分别为R1、R2、R3，该距离可以根据需要进行调整从而获得旋轮的径向错距，其中标号分别为1、2的旋轮之间的径向错距e12=R1－R2，标号分别为2、3的旋轮之间的径向错距e23=R2－R3；图3所示为三个旋轮的安装位置在机床主轴方向相互错开的示意图，S12为标号为1、2的旋轮之间的轴向错距，S23为标号为2、3旋轮之间的轴向错距，轴向错距量可以根据需要进行调整。

[0036] 由于三个旋轮在径向和轴向存在一定的错距，所以这种旋压成形方式叫做错距旋压。旋压成形时，已经调整好轴向和径向错距量的三个旋轮同时向左移动，并先后接触工件。通过调整旋轮的径向位置R1、R2、R3来实现所设计的工件壁厚总减薄量及各个旋轮分别承担的减薄量。

[0037] 如图6、7所示，筒形件旋压芯模4外形为圆柱形状，通过端部的法兰与机床主轴固定连接，图4所示的管形毛坯或图5所示的杯形毛坯套装在芯模4上，毛坯、芯模与机床主轴一起旋转。为了便于表达，将图6、图7中的三个旋轮分别画在同一圆周角度位置。框架旋轮座安装在机床的工作台上，并可以随工作台沿机床主轴方向移动，即沿芯模4的纵向移动。

[0038] 当旋压图4所示的管形毛坯时，先将毛坯套在芯模4上，然后将三个旋轮在径向和轴向调整到合适的位置达到所设计的错距量，如图6所示。由于芯模和毛坯绕主轴Z旋转，当旋轮座向左移动、三个旋轮依次接触毛坯时，三个旋轮先后产生自转并向工件施加压力使工件产生变形，使其厚度减小。为防止在变形过程中毛坯与芯模之间打滑，在芯模4的根部固定一个端部带齿的挡圈5，在毛坯受力向左顶紧挡圈5时，挡圈的齿便将工件紧紧咬住，从而实现与芯模同步旋转。由于三个旋轮的轴向移动方向V与变形材料被挤出的流动方向V反相反，所以这种管形毛坯的旋压成形也叫反旋。

[0039] 当旋压图5所示的杯形毛坯时，先将毛坯套在芯模4上，然后将三个旋轮在径向和轴向调整到合适的位置达到所设计的错距量，如图7所示。由于芯模和毛坯绕主轴Z旋转，当旋轮座向左移动、三个旋轮依次接触毛坯时，三个旋轮先后产生自转并向工件施加压力使工件产生变形，使其厚度减小。由尾顶6与芯模4将工件夹紧，并与芯模同步旋转。由于三个旋轮的轴向移动方向V与变形材料被挤出的流动方向V正相同，所以这种杯形毛坯的旋压成形也叫正旋。

[0040] 本发明利用上述正旋和反旋方法加工筒形零件。

[0041] 实施例1

[0042] 一种低碳钢金属薄壁筒形件，材料为10钢（含碳量0.1％），形状如图1所示，其中筒形件内腔直径d=68mm，壁厚δ=0.6mm，长度l＝1000mm。除形状要求外，还需要获得晶粒尺寸小于1μm的超细晶微观组织。

[0043] 1、由于市场上可以购买规格为 的无缝钢管，其筒形件内腔直径d=68mm、壁厚Δ=4mm。若用这一规格的无缝钢管成形该零件，则壁厚应由4mm减薄至0.6mm，减薄率为85％。因此，该零件拟通过无缝钢管毛坯（如图4所示）经多道次旋压成形及再结晶处理方法加工（如图8所示）。该管坯原材料为退火状态，其晶粒形状为等轴晶，基本与图9相近，晶粒尺寸为30～50μm。

[0044] 将零件加长30mm作为修边余量，按体积不变原理确定无缝钢管毛坯的长度为[0045] 2、设计一个直径68mm，长度1100mm的旋压芯模，安装在机床主轴上，将规格为长度为L=150mm的无缝钢管毛坯套在芯模上。采用三旋轮反旋错距旋压成形（如图6所示），轴向错距量为s12=s23=2.5mm；径向错距量为e12=e23=0.3mm。由于材料塑性较好，可以通过两道次旋压成形达到70％的壁厚减薄率：第一次旋压成形将工件壁厚由4mm减薄至
2.4mm（减薄率为40％），即在满足错距量的情况下，将R3调整为芯模半径加上工件壁厚：
R3=34+2.4=36.4（mm），完成一次旋压成形。第二次旋压成形将工件壁厚由2.4mm减薄至
1.2mm(总减薄率为70％)，即R3=34+1.2=35.2（mm），完成第二次旋压成形。

[0046] 3、根据材料70％的变薄率，结合试验确定再结晶温度为560℃。将工件放至温度为T1=430℃的惰性气体保护炉中加热升温至T2=560℃，保温t=0.8小时，然后出炉水冷，如图10所示。将工件入炉时的炉温确定为430℃而不是室温，主要目的是减少工件占炉时间，并保证在升温至560℃的过程中工件内部具有较好的温度均匀性。

[0047] 4、将工件再次套装在旋压芯模上，三旋轮径向错距量调整至e12=e23=0.2mm，将工件壁厚由1.2mm减薄至0.6mm（总减薄率为85％），即将R3调整为R3=34+0.6=34.6（mm）完成第三次旋压成形。

[0048] 由于经过前两道次的旋压成形，原先较为粗大的原始等轴晶粒被拉长成为细长的纤维组织，并且材料原子已聚积了较大的变形内能，在经历上述热处理时，原子重新排列完成再结晶，从而获得晶粒细小的等轴晶粒，与图11相近，可见晶粒尺寸已基本小于1um。再经过最后一道次旋压成形，进一步将细小的等轴晶粒拉长成为纤维组织，从而得到纤维横向的极小尺寸，即零件晶粒的特征维度尺寸极小。而晶粒尺寸的减小，有利于获得优异的材料性能。

[0049] 此时，工件总长度为1030mm，将两端各切掉15mm余量，得到合乎外形要求的零件，并且零件晶粒特征维度尺寸达100～800nm，为超细晶微观组织。

[0050] 实施例2

[0051] 一种低碳钢金属薄壁筒形件，材料为10钢（含碳量0.1％），形状如图1所示，其中筒形件内腔直径d=69mm，壁厚δ=0.6mm，长度l＝1000mm。除形状要求外，还需要获得晶粒尺寸小于1μm的超细晶微观组织。

[0052] 1、该零件内径d=69mm，市场上没有与其相近的无缝钢管，该零件拟采用钢板经过拉深成形的杯形件（如图5所示）作为旋压毛坯，再经多道次旋压成形及再结晶处理方法加工（如图8所示）。该管坯原材料为退火状态，其晶粒形状为等轴晶，晶粒尺寸为30～50μm，如图9所示。

[0053] 按总减薄率为85％的要求确定杯形毛坯的壁厚为Δ=4mm，因此可以选用杯形毛坯的厚度Δ=4mm的钢板，按体积不变原理设计直径为220mm的圆片，采用普通拉深成形方法得到杯形毛坯，如图5所示，其中内径d=69mm，杯形毛坯的壁厚Δ=4mm，深度L=150mm。

[0054] 2、设计一个直径69mm，长度1100mm的旋压芯模，安装在机床主轴上，将上述拉深成形得到的杯形毛坯套在芯模上。采用三旋轮正旋错距旋压变形（如图7所示），轴向错距量为s12=s23=2mm；径向错距量为e12=e23=0.3mm。由于钢板经过拉深成形，塑性有所下降，与实施例1相比，将再结晶处理前的旋压壁厚减薄率降为60％：第一次旋压成形将R3调整为R3=34.5+2.6（mm），将工件壁厚由4mm减薄至2.6mm（减薄率为35％），第二次旋压成形将R3调整为R3=34.5+1.6（mm），将工件壁厚由2.6mm减薄至1.6mm(总减薄率为60％)。

[0055] 3、经过试验，该工件的再结晶处理温度为550℃，与实施例1相比，再结晶温度有所下降，是因为材料经过了拉深变形，虽然杯形毛坯旋压成形时的壁厚减薄率小于实施例1，但累积变形量却有所增加，材料内部应力及能量较高，原子活动能力增强，从而导致再结晶温度有所下降。因此将工件放至温度为T1=400℃的惰性气体保护炉中继续加热升温至T2=550℃，保温t=0.9小时，然后出炉水冷，如图10所示。热处理后材料的晶粒如图11所示。

[0056] 4、将工件再次套装在旋压芯模上，将R3调整为R3=34.5+0.6（mm），将工件壁厚由1.6mm减薄至0.6mm（总减薄率为85％）。

[0057] 此时，工件总长度为1034mm，将工件口部切掉20mm、底部切掉14mm余量（含切掉杯底），得到合乎外形要求的零件，并且零件晶粒特征维度尺寸达80～900nm，为纳米/超细晶微观组织。

[0058] 实施例3

[0059] 一种低碳钢金属薄壁筒形件，材料为25钢（含碳量0.25％），形状如图1所示，其中壁筒形件内腔直径d=140mm，壁厚δ=0.5mm，长度l=500mm。除形状要求外，还需要获得晶粒尺寸小于1μm的超细晶微观组织。

[0060] 1、由于市场上可以购买规格为 的无缝钢管，其无缝钢管内径d=140mm、无缝钢管壁厚Δ＝5mm。若用这一规格的无缝钢管成形该零件，则壁厚应由5mm减薄至0.5mm，减薄率为90％。因此，该零件拟通过无缝钢管毛坯（如图4所示）经多道次旋压成形及再结晶处理方法加工（如图8所示）。该管坯原材料为退火状态，其晶粒形状为等轴晶，晶粒尺寸基本与图9相近。

[0061] 由于零件直径较大，壁厚较薄，旋压成形时口部质量相对较差，因此将成形后的修边余量增加至50mm，按体积不变原理确定毛坯长度为

[0062] 2、设计一个直径140mm，长度600mm的旋压芯模，安装在机床主轴上，将规格为长度为L=53.5mm的无缝钢管毛坯套在芯模上。采用三旋轮反旋错距旋压成形（如图6所示），轴向错距量为s12＝s23＝1.5mm；径向错距量为e12=e23=0.2mm。与实施例1相比，材料的含碳量有所增加，塑性有所下降，因此确定再结晶处理前的总壁厚减薄率为60％。第一次旋压成形将R3调整为R3=70+3.25（mm），将工件壁厚由5mm减薄至3.25mm（减薄率为35％），第二次旋压成形将R3调整为R3=34.5+2（mm），将工件壁厚由3.25mm减薄至2mm(总减薄率为60％)。

[0063] 3、经过试验，该工件的再结晶温度为600℃，因此将工件放至温度为T1=450℃的惰性气体保护炉中继续加热升温至T2=600℃，保温t=1小时，然后出炉水冷，如图10所示。热处理后材料的晶粒与图11相近。

[0064] 4、将工件再次套装在旋压芯模上，三旋轮径向错距量调整至e12=e23=0.1mm，先将R3调整为R3=34.5+1.1（mm），将工件壁厚由2mm减薄至1.1mm（总减薄率为78％），再将R3调整为R3=34.5+0.5（mm），将工件壁厚由1.1mm减薄至0.5mm（总减薄率为90％）。

[0065] 此时，工件总长度为650mm，将两端各切掉25mm余量，得到合乎外形要求的零件，并且零件晶粒特征维度尺寸达100～1000nm，为超细晶微观组织。

[0066] 在本发明的实施过程中，重点是要保证变形过程中获得很大的工件壁厚减薄率，以及在多道次旋压变形过程中安排再结晶处理工序，将变形过程中的晶粒拉长变细与再结晶处理过程中的晶粒形核及抑制长大有机结合起来，从而获得满足高性能要求的金属薄壁筒形零件。再结晶处理温度受多方面因素的影响，如钢中杂质元素越多，再结晶温度越高；材料变形程度越大，再结晶温度越低等，往往需要通过试验确定工件的再结晶温度。