專利名稱：一種不規(guī)則鋼部件的成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不規(guī)則鋼部件的成形方法，屬于機械加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在制備金屬結(jié)構(gòu)件時，例如高強鋼結(jié)構(gòu)，為了制備出高性能的零件，往往需要對鑄造后的結(jié)構(gòu)件進行熱機械加工，例如擠壓、鍛造、軋制等熱機械加工，從而可以打碎粗大的原始鑄態(tài)晶粒，使組織得到細化，從而得到高性能結(jié)構(gòu)件。但是，傳統(tǒng)的制備工藝對鑄造后的預(yù)制坯進行熱機械加工，一般需要大型的熱機械加工設(shè)備，例如，擠壓設(shè)備、鍛造設(shè)備等，對于大尺寸的零件熱機械加工還存在變形不均勻，造成組織、性能不均勻的問題。電子束、激光成形等增量成形技術(shù)也可以用來制備金屬結(jié)構(gòu)件，一般是采用熔絲、熔粉、鋪粉后熔覆來實現(xiàn)零件的成形，但是通過電子束、激光成形的零件一般是鑄態(tài)組織，通過后續(xù)的熱處理調(diào)控的難度較大，其中的一些缺陷很難通過后續(xù)熱處理彌合。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種不規(guī)則鋼部件的成形方法，針對現(xiàn)有制造高強鋼部件時存在的一些不足，采用熱機械加工和攪拌加工連接相結(jié)合的方法，成形高性能鋼部件，以提高原材料的利用率，并提高工作效率。本發(fā)明提出的不規(guī)則鋼部件的成形方法，包括以下步驟:(I)采用熱機械加工方法，將鋼材加工成帶材，帶材的寬為5 10毫米，厚為I 3毫米，將帶材纏繞在一個金屬輥上；(2)將金屬輥上的帶材加熱到900°C 1000°C ；(3)將加熱后的帶材根據(jù)不規(guī)則鋼部件的形狀，按照由下至上的順序逐層鋪覆到一個基板上，邊鋪覆邊對鋪覆的帶材進行攪拌加工，攪拌頭轉(zhuǎn)動速度為:500轉(zhuǎn)/分 2000轉(zhuǎn)/分，攪拌頭與基板的相對運動速度為0.5 2.0毫米/秒，直到鋪覆和攪拌加工出一個不規(guī)則鋼部件的預(yù)制坯；(4)對上述不規(guī)則鋼部件預(yù)制坯進行機械加工，得到鋼部件。本發(fā)明提出的不規(guī)則鋼部件的成形方法，與傳統(tǒng)的制備鋼結(jié)構(gòu)的方法相比較，本發(fā)明成形方法采用熱機械加工和攪拌加工相組合的方法，來制備不規(guī)則鋼部件，具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明提出的鋼部件成形方法，可以采用小型拉拔、軋制、鍛壓設(shè)備，也可以是小型熱機械加工設(shè)備來實現(xiàn)等通道擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)、累計疊軋、往復(fù)擠壓、折皺-壓直、渦流擠壓等劇烈塑性變形，降低了對設(shè)備的要求，即使是制備大尺寸零件，也不需要大型熱機械加工設(shè)備。2、本發(fā)明提出的鋼部件成形方法，對鑄造后的鋼材首先進行熱機械加工，然后進行攪拌加工和連接，在此過程中可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)，獲得所需要的組織狀態(tài)，甚至可以通過劇烈塑性變形得到細晶或超細晶組織，使制備的不規(guī)則鋼部件具有更好的力學性能。
3、本發(fā)明提出的鋼部件的成形方法，根據(jù)鋼部件的外形，將經(jīng)過熱機械加工的帶材鋪覆后進行攪拌加工和連接，可以逐層近凈成形出鋼部件，因此材料利用率高，而且提高
工作效率。4、本發(fā)明提出的鋼部件成形方法，除了可以用于成形不規(guī)則鋼部件，也可以用于成形其它合金的各種形狀的高性能結(jié)構(gòu)件，例如鈦合金、鈦鋁金屬間化合物，也可以方便地制造雙材料或多材料，雙性能或多性能部件，也可以用來制備顆粒增強的金屬基復(fù)合材料，甚至是碳納米管增強的金屬基復(fù)合材料，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。
具體實施例方式本發(fā)明提出的不規(guī)則鋼部件的成形方法，包括以下步驟:(I)采用熱機械加工方法，將鋼材加工成帶材，帶材的寬為5-10毫米，厚為1-3毫米，將帶材纏繞在一個金屬輥上；(2)將金屬輥上的帶材加熱到900°C 1000°C ；(3)將加熱后的帶材根據(jù)不規(guī)則鋼部件的形狀，按照由下至上的順序逐層鋪覆到一個基板上，邊鋪覆邊對鋪覆的帶材進行攪拌加工，攪拌頭轉(zhuǎn)動速度為:500轉(zhuǎn)/分 2000轉(zhuǎn)/分，攪拌頭與基板的相對運動速度為0.5 2.0毫米/秒，直到鋪覆和攪拌加工出一個不規(guī)則鋼部件的預(yù)制坯；(4)對上述不規(guī)則鋼部件預(yù)制坯進行機械加工和表面處理，得到鋼部件。上述成形方法中，步驟(I)所述的其中所述的熱機械加工方法為軋制、拉拔或等通道擠壓等劇烈塑性變形方法，也可以是這些熱機械加工方法的組合。上述成形方法中步驟(2)所述的加熱方法為感應(yīng)加熱、射頻加熱、電子束加熱或激光加熱等。本發(fā)明的成形方法，在制備易氧化材料的鋼部件時，可以在真空條件或氬氣保護下對坯料進行熱機械加工，以防止氧化。本方法可以用于成形以鋼為基體材料的鋼部件，也可以成形其它金屬為基體材料的顆粒增強、纖維增強金屬基復(fù)合材料的不規(guī)則部件。本發(fā)明成形方法中，可以采用攪拌加工和連接的方法，也可以采用擴散連接的方法。以下介紹本發(fā)明方法的實施例:實施例1:(I)采用軋制加工的方法，將鋼材加工成帶材，帶材的寬為5毫米，厚為2毫米，將帶材纏繞在一個金屬輥上；(2)將金屬輥上的帶材加熱到900°C，加熱方式是感應(yīng)加熱；(3)將加熱后的帶材根據(jù)不規(guī)則鋼部件的形狀，按照由下至上的順序逐層鋪覆到一個基板上，邊鋪覆邊對鋪覆的帶材使用一個攪拌頭進行攪拌加工，攪拌頭的轉(zhuǎn)動速度為:500轉(zhuǎn)/分，攪拌頭與基板的相對運動速度為0.4毫米/秒，直到鋪覆和攪拌加工出一個不規(guī)則鋼部件的預(yù)制坯。其中攪拌頭的尺寸為:軸肩直徑為8mm，攪拌針直徑為3mm，攪拌針長度為2.5mm ；(4)對上述不規(guī)則鋼部件預(yù)制坯進行銑削加工，得到不規(guī)則鋼部件。實施例2:
(I)采用軋制加工的方法，將鋼材和鈮材加工成帶材，帶材的寬為5毫米，厚為I毫米，將兩種帶材疊層后纏繞在一個金屬輥上；(2)將金屬輥上的帶材加熱到920°C，加熱方式是電子束加熱；(3)將加熱后的帶材根據(jù)不規(guī)則鋼部件的形狀，按照由下至上的順序逐層鋪覆到一個基板上，邊鋪覆邊對鋪覆的帶材進行攪拌加工，攪拌頭轉(zhuǎn)動速度為:700轉(zhuǎn)/分，攪拌頭與基板的相對運動速度為0.3毫米/秒，直到鋪覆和攪拌加工出一個不規(guī)則鋼部件的預(yù)制坯。其中攪拌頭的尺寸為:；(4)對上述不規(guī)則鋼部件預(yù)制坯進行銑削加工，加工出鋼部件。實施例3:(I)采用拉拔加工的方法，將鋼材和鈮材加工成絲材，絲材直徑為Φ0.2mm，將鋼絲材和鈮絲材混合編織成帶材，帶材的寬為5毫米，厚為2毫米，將帶材纏繞在一個金屬輥上;(2)將金屬輥上的帶材加熱到940°C，加熱方式是射頻加熱；(3)將加熱后的帶材根據(jù)不規(guī)則部件的形狀，按照由下至上的順序逐層鋪覆到一個基板上，邊鋪覆邊對鋪覆的帶材使用一個攪拌頭進行攪拌加工，攪拌頭的轉(zhuǎn)動速度為:600轉(zhuǎn)/分，攪拌頭與基板的相對運動速度為0.5毫米/秒，直到鋪覆和攪拌加工出一個不規(guī)則的含鋼和鈮部件的預(yù)制坯。其中攪拌頭的尺寸為:軸肩直徑為10mm，攪拌針直徑為3mm,攪拌針長度為2.5mm ；(4)將含鋼和鈮兩種材料的部件預(yù)制坯放入到熱等靜壓爐中進行燒結(jié)，工藝參數(shù)為:1200 0C /200MPa/3h ；(5)對上述不規(guī)則含鋼和鈮的部件預(yù)制坯進行銑削加工，得到不規(guī)則鋼部件。實施例4:(I)在真空度為1.0X 10_3Pa的條件下，將塊狀的鋼原料放入到到真空感應(yīng)熔煉爐中，熔煉溫度為1400°C，將鋼原料熔煉為液體；(2)在真空感應(yīng)熔煉爐的下方有一個孔,熔煉后的金屬液漏下,對漏下的金屬液進行軋制，軋制成橫截面尺寸為5mmX2mm的窄帶。根據(jù)不規(guī)則鋼部件的形狀，邊軋制邊按照由下至上的順序，將軋制后的帶材逐層鋪覆到一個基板上。邊鋪覆邊對鋪覆的帶材使用一個攪拌頭進行攪拌加工，攪拌頭的轉(zhuǎn)動速度為:300轉(zhuǎn)/分，攪拌頭與基板的相對運動速度為0.6毫米/秒，直到鋪覆和攪拌加工出一個不規(guī)則鋼部件的預(yù)制坯。其中攪拌頭的尺寸為:軸肩直徑為9mm，攪拌針直徑為4mm，攪拌針長度為2.5mm ；(3)對上述不規(guī)則鋼部件預(yù)制坯進行銑削加工，得到不規(guī)則鋼部件。實施例5:(I)采用軋制加工的方法，將鋼材加工成帶材，帶材的寬為5毫米，厚為2毫米，將帶材纏繞在一個金屬輥上；(2)將金屬輥上的帶材加熱到960°C，加熱方式是激光加熱；(3)將加熱后的帶材根據(jù)不規(guī)則鋼部件的形狀，按照由下至上的順序逐層鋪覆到一個基板上，邊鋪覆邊對鋪覆的帶材使用一個攪拌頭進行攪拌加工，在攪拌加工的同時加入TiC顆粒。攪拌頭的轉(zhuǎn)動速度為:800轉(zhuǎn)/分，攪拌頭與基板的相對運動速度為0.3毫米/秒，直到鋪覆和攪拌加工出一個不規(guī)則鋼部件的預(yù)制坯。其中攪拌頭的尺寸為:軸肩直徑為9mm,攪拌針直徑為4mm,攪拌針長度為2.5mm ；(4)對上述不規(guī)則鋼部件預(yù)制坯進行銑削加工，得到TiC顆粒增強的不規(guī)則鋼部件。實施例6:(I)采用銑削加工的方法，將鋼材加工成長方體狀原始坯料，原始坯料的尺寸為IOmmX IOmmX 80mm ；(2)對長方體狀坯料進行等通道擠壓成形，通道橫截面為正方形，邊長為10mm，兩通道的夾角為90°，等通道擠壓的工藝參數(shù)為:變形溫度900°C，擠壓速度為25mm/s，單道次的剪切應(yīng)變?yōu)?.25，等效應(yīng)變?yōu)?.25，擠壓道次為5次；(3)采用軋制加工的方法，將等通道擠壓成形后的鋼材加工成帶材，帶材的寬為5毫米，厚為2毫米，將帶材纏繞在一個金屬輥上；(4)將金屬輥上的帶材加熱到920°C，加熱方式是感應(yīng)加熱；(5)將加熱后的帶材根據(jù)不規(guī)則鋼部件的形狀，按照由下至上的順序逐層鋪覆到一個基板上，邊鋪覆邊對鋪覆的帶材使用一個攪拌頭進行攪拌加工，攪拌頭的轉(zhuǎn)動速度為:600轉(zhuǎn)/分，攪拌頭與基板的相對運動速度為0.4毫米/秒，直到鋪覆和攪拌加工出一個不規(guī)則鋼部件的預(yù)制坯。其中攪拌頭的尺寸為:軸肩直徑為8mm，攪拌針直徑為3mm，攪拌針長度為2.5mm ；(6)對上述不規(guī)則鋼部件預(yù)制坯進行是數(shù)控銑削加工，得到不規(guī)則鋼部件。實施例7:(I)采用鋼金屬粉末，將其裝入一個銑削加工成的Q235包套中，經(jīng)過真空除氣、真空封裝、熱等靜壓，熱等靜壓工藝參數(shù)為:1050°C /200MPa/2h，然后采用銑削加工的方法去除表面的Q235包套后加工出預(yù)制還，預(yù)制還的尺寸為:10mmX IOmmX 80mm ；(2)對長方體狀坯料進行等通道擠壓成形，通道橫截面為正方形，邊長為10mm，兩通道的夾角為90°，等通道擠壓的工藝參數(shù)為:變形溫度900°C，擠壓速度為25mm/s，單道次的剪切應(yīng)變?yōu)?.25，等效應(yīng)變?yōu)?.25，擠壓道次為8次；(3)采用軋制加工的方法，將等通道擠壓成形后的鋼材加工成帶材，帶材的寬為5毫米，厚為2毫米，將帶材纏繞在一個金屬輥上；(4)將金屬輥上的帶材加熱到920°C，加熱方式是感應(yīng)加熱；(5)將加熱后的帶材根據(jù)不規(guī)則鋼部件的形狀，按照由下至上的順序逐層鋪覆到一個基板上，邊鋪覆邊對鋪覆的帶材使用一個攪拌頭進行攪拌加工，攪拌頭的轉(zhuǎn)動速度為:700轉(zhuǎn)/分，攪拌頭與基板的相對運動速度為0.5毫米/秒，直到鋪覆和攪拌加工出一個不規(guī)則鋼部件的預(yù)制坯。其中攪拌頭的尺寸為:軸肩直徑為6mm，攪拌針直徑為3mm，攪拌針長度為2.5mm ；(6)對上述不規(guī)則鋼部件預(yù)制坯進行銑削加工，得到不規(guī)則鋼部件。實施例8:(I)采用拉拔的方法加工出金屬鈮絲，絲材的直徑為:Φ0.5mm;(2)采用真空電弧的方法將鋼沉積到鈮絲的表面，具體方法如下:將鋼管和鈮絲放入到真空系統(tǒng)中，真空度為1.0X10_3Pa，鋼管的外徑為10mm，壁厚為2mm，長度為100mm，將鈮絲沿中軸線穿過鋼管，鈮絲穿過鋼管的速度為10毫米/分鐘。在鋼管的上出口的上方0.2mm處，放置兩個鎢材料起弧電極，兩個起弧電極沿鋼管的中軸線對稱，起弧電極尺寸為:5mmX5mmX2mm,其中起弧電極靠近鋼管中軸線的一個5mmX2mm的表面與鋼管的內(nèi)表面平齊，并垂直于鋼管的上管口所在的平面。在鋼管與起弧電極之間施加800伏的電壓，并向鋼管中通入氬氣，使真空度達到10Pa，通入氬氣的流量為25SCCm。在鈮絲上施加-300伏的電壓。通過不斷地移動鈮絲，使其穿過鋼管，同時轉(zhuǎn)動鋼管，鋼管的轉(zhuǎn)動速度為2轉(zhuǎn)/分鐘。鋼管材料在真空條件下起弧后，在電壓的作用下，使得鋼管材料不斷沉積到鈮絲的表面，鈮絲表面的鋼材料的沉積厚度達到0.3mm ；(3)將沉積了鋼材料的鈮絲纏繞到一個帶凹槽的Q235鋼內(nèi)環(huán)上，然后在外部套上一個Q235鋼的外環(huán)，將內(nèi)外環(huán)經(jīng)過封邊焊、真空除氣、真空封裝后進行熱等靜壓，熱等靜壓工藝參數(shù)為:960°C /120MPa/2h ；(4)采用車削加工的方法，將經(jīng)過熱等靜壓后預(yù)制坯表面的Q235鋼去除，獲得鈮絲增強的鋼部件。實施例9:(I)采用拉拔的方法加工出金屬銀絲，絲材的橫截面尺寸為:Φ0.5mm;(2)采用軋制的方法加工出金屬鋼絲，絲材的橫截面尺寸為:lmmXlmm，在絲材橫截面上有一個半圓的凹槽，半圓形的對稱軸線與絲材橫截面對稱軸線重合，半圓形凹槽的半徑為0.5mm ；(3)將鈮絲放入到鋼金屬絲的凹槽中，并共同纏繞到一個帶凹槽的Q235鋼內(nèi)環(huán)上，然后在外部套上一個Q235鋼的外環(huán)，經(jīng)過封焊、真空除氣、真空封裝后進行熱等靜壓，熱等靜壓工藝參數(shù)為:1000°C /200MPa/2h ；(4)采用車削加工的方法，將經(jīng)過熱等靜壓后的預(yù)制坯表面的Q235鋼去除，獲得鈮絲增強的鋼部件。實施例10:(I)采用銑削加工的方法，將鋼材加工成長方體狀原始坯料，原始坯料的尺寸為IOmmX IOmmX 80mm ；(2)對長方體狀坯料進行等通道擠壓成形，通道橫截面為正方形，邊長為10mm，兩通道的夾角為90°，等通道擠壓的工藝參數(shù)為:變形溫度930°C，擠壓速度為20mm/s，單道次的剪切應(yīng)變?yōu)?.25，等效應(yīng)變?yōu)?.25，擠壓道次為5次；(3)采用車削加工的方法，將經(jīng)過等通道擠壓成形后的預(yù)制坯加工成尺寸為Φ4_Χ5_棒狀坯料，采用旋轉(zhuǎn)摩擦的方法將棒狀坯料按照由下至上的順序逐層鋪覆到一個基板上，其中旋轉(zhuǎn)摩擦的旋轉(zhuǎn)速度為3000轉(zhuǎn)/分，頂鍛力為500kg。采用感應(yīng)加熱的方法將剛剛鋪覆的棒狀坯料加熱到930°C，邊鋪覆邊加熱，邊對經(jīng)過鋪覆和加熱后的棒狀坯料使用一個攪拌頭進行攪拌加工，攪拌頭的轉(zhuǎn)動速度為:700轉(zhuǎn)/分，攪拌頭與基板的相對運動速度為0.5毫米/秒，直到鋪覆和攪拌加工出一個不規(guī)則鋼部件的預(yù)制坯。其中攪拌頭的尺寸為:軸肩直徑為8mm，攪拌針直徑為4mm，攪拌針長度為2.5mm ；(6)對上述不規(guī)則鋼部件預(yù)制坯進行銑削加工，得到不規(guī)則鋼部件實施例11:(I)采用鋼金屬粉末，將其裝入Q235包套中，經(jīng)過真空除氣、真空封裝、熱等靜壓，熱等靜壓工藝參數(shù)為:1050°C /200MPa/2h，然后采用銑削的方法加工出預(yù)制坯，預(yù)制坯的尺寸為 10mmX 10mm X 80mm ；(2)對長方體狀坯料進行等通道擠壓成形，通道橫截面為正方形，邊長為10mm，兩通道的夾角為90°，等通道擠壓的工藝參數(shù)為:變形溫度900°C，擠壓速度為25mm/s，單道次的剪切應(yīng)變?yōu)?.25，等效應(yīng)變?yōu)?.25，擠壓道次為8次；(3)采用銑削加工的方法，加工出Q235鋼的包套，采用銑削加工的方法，將經(jīng)過等通道擠壓成形后的預(yù)制還加工成尺寸為5mmX5mmX5mm的塊狀還料，按照由下至上的順序?qū)K狀坯料逐層排布到Q235鋼的包套中，將排布了塊狀坯料的包套經(jīng)過封焊、真空除氣、真空封裝后進行熱等靜壓，熱等靜壓工藝參數(shù)為:1050°C /120MPa/2h ；(4)采用銑削加工的方法，將經(jīng)過熱等靜壓后的預(yù)制坯表面的Q235鋼去除，獲得不規(guī)則形狀的鋼部件。實施例12:(I)采用軋制加工的方法，將鋼材加工成鋼板，鋼板的尺寸為:300mmX 150mmX0.4mm ；(2)將7層鋼板材依次疊層，每疊層一層，采用攪拌摩擦焊接的方法將兩層板材連接在一起，連接的位置為圓形焊接點，圓形焊接點成矩陣分布，圓形焊接點的直徑為Φ4_，圓形焊接點相互之間沿兩個垂直方向分布的距離均為10mm，第1、3、5、7層與2、4、6、8層的圓形焊接點相互交錯排布，即其中偶數(shù)層的圓形焊接點位于奇數(shù)層中的組成正方形的四個圓形焊接點的中心位置；(3)將攪拌摩擦焊接疊層后的板材進行封邊焊，放入到采用數(shù)控銑削加工的成形模具中，成形模具中有一個高度為20_皿，長度為300_，寬度為200_的空腔。采用電加爐將模具和板材加熱到900°C，在疊層的兩兩板材中間同時緩慢通入氬氣，氬氣壓力最大為
1.0MPa，使其脹形并與成形模具的內(nèi)腔貼模，從而制備出尺寸為300mmX 200mmX 20mm的多孔鋼結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種不規(guī)則鋼部件的成形方法，其特征在于該成形方法包括以下步驟: (1)采用熱機械加工方法，將鋼材加工成帶材，帶材的寬為5-10毫米，厚為1-3毫米，將帶材纏繞在一個金屬輥上； (2)將金屬輥上的帶材加熱到900°C 1000°C； (3)將加熱后的帶材根據(jù)不規(guī)則鋼部件的形狀，按照由下至上的順序逐層鋪覆到一個基板上，邊鋪覆邊對鋪覆的帶材進行攪拌加工，攪拌頭轉(zhuǎn)動速度為:500轉(zhuǎn)/分 2000轉(zhuǎn)/分，攪拌頭與基板的相對運動速度為0.5 2.0毫米/秒，直到鋪覆和攪拌加工出一個不規(guī)則鋼部件的預(yù)制坯； (4)對上述不規(guī)則鋼部件預(yù)制坯進行機械加工，得到鋼部件。
2.如權(quán)利要求1所述的成形方法，其特征在于步驟(I)所述的熱機械加工方法為軋制、拉拔或等通道擠壓方法中的任何一種或多種熱機械加工方法的組合。
3.如權(quán)利要求1所述的成形方法，其特征在于步驟(2)所述的加熱方法為感應(yīng)加熱、射頻加熱、電子束加熱或激光加熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種不規(guī)則鋼部件的成形方法，屬于機械加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法首先對預(yù)制坯進行熱機械加工，獲得金屬帶材，然后通過攪拌加工連接和實現(xiàn)組合的方法逐層制備出一定形狀的鋼結(jié)構(gòu)件預(yù)制坯，再通過機械加工、表面處理后，制備出鋼部件。對帶材的熱機械加工方法可以是鍛造、擠壓、拉拔、軋制等，也可以是這些熱機械加工方法的一種組合。本發(fā)明方法降低了對設(shè)備的要求，即使是制備大尺寸零件，也不需要大型熱機械加工設(shè)備；使制備的不規(guī)則鋼部件具有更好的力學性能；而且材料利用率高，提高了工作效率；可以用來制備顆粒增強的金屬基復(fù)合材料，甚至是碳納米管增強的金屬基復(fù)合材料，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號B23P13/02GK103203588SQ20131014151
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者趙冰 申請人:趙冰