一種單級式細化及控制金屬管材晶粒的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬管材力學性能優化技術領域，特別是涉及一種單級式細化及控制金屬管材晶粒的方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著環境污染、能源短缺和全球變暖問題的日趨嚴重，節能減排已成為全球工業發展中備受關注的熱點。運輸機械作為現代工業的重要組成部分，其在節能減排中有著舉足輕重的作用，為了更加有效的利用現有能源，以及合理控制運輸機械向環境中的排放，輕量化技術逐漸被應用到運輸機械的制造過程中。而輕量化技術就是在保證安全的情況下，盡可能的減輕運輸機械自身的重量。利用中空零件代替實心零件可以顯著降低運輸機械的重量，而其中就包括由金屬管材加工制造的中空零件。為了滿足運輸機械對安全和零件成形過程的要求，中空零件應具有更好的強度和塑性，因此，用來生產中空零件的金屬管材應該具有強度高、成形性能好的特點。
[0003]金屬管材可以分為無縫管和焊接管，無縫管一般采用熱扎、熱擠壓、冷拔與冷軋等方法生產，而焊接管一般采用各種焊接方法生產。利用這些傳統方法生產的金屬管材，其晶粒往往被拉長、粗化，其中焊接管的焊縫和熱影響區往往會導致其微觀組織和力學性能沿周向分布不均，這嚴重限制了金屬管材在工業領域的應用范圍，從某種意義上說也是對材料的一種浪費。
[0004]為了消除傳統工藝方法生產的金屬管材存在的微觀組織和力學性能的缺陷，一般可通過熱處理的方式以及采用控制軋制和控制冷卻等工藝來克服缺陷。對于熱處理方法而言，對消除金屬管材殘余應力，以及使金屬管材微觀組織均勻化確實有一定的作用，但是，該方法往往會導致金屬管材晶粒粗化，并出現力學性能下降等不利后果。對于控制軋制和控制冷卻的方法而言，由于其僅適用于熱軋金屬管材，導致適用范圍有限。針對其他傳統工藝生產的金屬管材，還未見到有細化晶粒、提高力學性能的有效方法。
[0005]因此，亟需一種全新的方法，能夠滿足金屬管材力學性能的優化，有效彌補因采用傳統工藝方法生產的金屬管材而存在的微觀組織和力學性能的缺陷。
【發明內容】
[0006]針對現有技術存在的問題，本發明提供一種單級式細化及控制金屬管材晶粒的方法，能夠實現對金屬管材力學性能的優化，有效彌補因采用傳統工藝方法生產的金屬管材而存在的微觀組織和力學性能的缺陷。
[0007]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:一種單級式細化及控制金屬管材晶粒的方法，包括如下步驟:
[0008]步驟一:選取待加工的金屬管材，并對金屬管材進行裝卡固定；
[0009]步驟二:在金屬管材上選取一處局部位置作為晶粒細化段，且在晶粒細化段兩側的金屬管材上分別套裝有彎管軸承；
[0010]步驟三:對金屬管材的晶粒細化段進行環向加熱，同時對晶粒細化段兩側的彎管軸承進行冷卻；
[0011]步驟四:當金屬管材的晶粒細化段溫度達到設定值后，開始驅動金屬管材繞其軸向中心線旋轉，同時對彎管軸承施加徑向力，使金屬管材在旋轉狀態下實現彎曲；
[0012]步驟五:當金屬管材的彎曲角度達到設定值后，開始對金屬管材的彎曲時間進行計時；
[0013]步驟六:當金屬管材的彎曲時間達到設定值后，開始對彎管軸承施加反向徑向力，使金屬管材在旋轉狀態下恢復平直；
[0014]步驟七:當金屬管材恢復平直后，首先停止金屬管材的環向加熱及旋轉動作，然后馬上對金屬管材進行快速冷卻，最終實現金屬管材晶粒的細化。
[0015]通過調整彎管軸承的位置來控制金屬管材的彎曲角度。
[0016]通過調整金屬管材的加熱溫度、旋轉速度、彎曲角度及彎曲時間來控制金屬管材晶粒的細化程度。
[0017]所述金屬管材通過高頻加熱線圈進行環向加熱。
[0018]所述高頻加熱線圈的加熱速度為O?100°C /S。
[0019]所述金屬管材的旋轉速度范圍為O?lOOrpm。
[0020]彎管軸承采用的冷卻方式為水冷卻。
[0021]當金屬管材恢復平直后，金屬管材采用的快速冷卻方式為快速水冷。
[0022]所述金屬管材的實時溫度通過非接觸式的紅外測溫儀進行監測。
[0023]本發明的有益效果:
[0024]本發明首次采用“旋轉+彎曲”的方式實現金屬管材晶粒的細化，當金屬管材處在“旋轉+彎曲”狀態時，在金屬管材的彎曲中性面內側始終承受著壓應力作用，而在金屬管材的彎曲中性面外側始終承受著拉應力作用，當金屬管材旋轉一周后，在金屬管材的彎曲段便會經歷一次劇烈的拉伸和壓縮變形過程，而這種拉伸和壓縮變形恰好屬于大塑性變形范疇，從而通過這種大塑性變形實現了金屬管材晶粒的細化，進而改善了金屬管材的力學性會K。
【附圖說明】
[0025]圖1為金屬管材晶粒細化前的初始狀態圖；
[0026]圖2為金屬管材通過“旋轉+彎曲”方式進行晶粒細化時的狀態圖；
[0027]圖3 (a)實施例一中對照組管材(鎂合金管)的微觀組織圖；
[0028]圖3 (b)實施例一中標準組管材(鎂合金管)的微觀組織圖；
[0029]圖4實施例一中原始管材、對照組管材及標準組管材的力學性能對比圖；
[0030]圖5 (a)實施例二中對照組管材(鎂合金管)的微觀組織圖；
[0031]圖5 (b)實施例二中標準組管材(鎂合金管)的微觀組織圖；
[0032]圖6實施例二中原始管材、對照組管材及標準組管材的力學性能對比圖；
[0033]圖7 (a)實施例三中對照組管材(黃銅管)的微觀組織圖；
[0034]圖7 (b)實施例三中標準組管材(黃銅管)的微觀組織圖；
[0035]圖8實施例三中原始管材、對照組管材及標準組管材的力學性能對比圖；
[0036]圖9(a)實施例四中對照組管材(黃銅管)的微觀組織圖；
[0037]圖9(b)實施例四中標準組管材(黃銅管)的微觀組織圖；
[0038]圖10實施例四中原始管材、對照組管材及標準組管材的力學性能對比圖；
[0039]圖11 (a)實施例五中對照組管材(鋼管)的微觀組織圖；
[0040]圖11 (b)實施例五中標準組管材(鋼管)的微觀組織圖；
[0041]圖12實施例五中原始管材、對照組管材及標準組管材的力學性能對比圖；
[0042]圖中，I一金屬管材，2—彎管軸承，3—高頻加熱線圈。
【具體實施方式】
[0043]下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0044]一種單級式細化及控制金屬管材晶粒的方法，包括如下步驟:
[0045]步驟一:選取待加工的金屬管材，并對金屬管材進行裝卡固定；
[0046]步驟二:在金屬管材上選取一處局部位置作為晶粒細化段，且在晶粒細化段兩側的金屬管材上分別套裝有彎管軸承，如圖1所示；
[0047]步驟三:對金屬管材的晶粒細化段進行環向加熱，同時對晶粒細化段兩側的彎管軸承進行冷卻；
[0048]步驟四:當金屬管材的晶粒細化段溫度達到設定值后，開始驅動金屬管材繞其軸向中心線旋轉，同時對彎管軸承施加徑向力，使金屬管材在旋轉狀態下實現彎曲，如圖2所示;
[0049]步驟五:當金屬管材的彎曲角度達到設定值后，開始對金屬管材的彎曲時間進行計時；
[0050]步驟六:當金屬管材的彎曲時間達到設定值后，開始對彎管軸承施加反向徑向力，使金屬管材在旋轉狀態下恢復平直；
[0051]步驟七:當金屬管材恢復平直后，首先停止金屬管材的環向加熱及旋轉動作，然后馬上對金屬管材進行快速冷卻，最終實現金屬管材晶粒的細化。
[0052]通過調整彎管軸承的位置來控制金屬管材的彎曲角度。
[0053]通過調整金屬管材的加熱溫度、旋轉速度、彎曲角度及彎曲時間來控制金屬管材晶粒的細化程度。
[0054]所述金屬管材通過高頻加熱線圈進行環向加熱。
[0055]所述高頻加熱線圈的加熱速度為O?100°C /s。
[0056]所述金屬管材的旋轉速度范圍為O?lOOrpm。
[0057]彎管軸承采用的冷卻方式為水冷卻。
[0058]當金屬管材恢復平直后，金屬管材采用的快速冷卻方式為快速水冷。
[0059]所述金屬管材的實時溫度通過非接觸式的紅外測溫儀進行監測。
[0060]本發明所適用的金屬管材包括鋼管、鋁管、銅管、鎂合金管等，且適用外徑范圍在Imm?300mm、壁厚范圍在0.2mm?20mm、抗拉強度< 100MPa的金屬管材。
[0061]實施例一
[0062]本實施例中，金屬管材為AZ31的鎂合金管，鎂合金管的尺寸為12.8mmX ImmX 200mm,即儀合金管的外徑為12.8mm,壁厚為1mm，管長為200mm，其內各化學成分質量百分比為AL-3.1 %, Zn-0.8%, Mn-0.4%，余量為Mg。
[0063]鎂合金管的加熱溫度設定值為150°C，當鎂合金管的加熱溫度達到設定值后，開始對鎂合金管進行“旋轉+彎曲”，其中旋轉速度為20rpm，彎曲角度為167°，彎曲時間設定值為6min，當鎂合金管的彎曲時間達到設定值后，使鎂合金管在旋轉狀態下恢復平直，然后停止鎂合金管的環向加熱及旋轉，再進行快速水冷，從而完成鎂合金管的晶粒細化。
[0064]為了證明通過“旋轉+彎曲”方式對鎂合金管微觀組織及力學性能的影響，同時進行一組對照試驗，對照試驗中取消了彎曲過程，僅在加熱狀態下進行旋轉。
[0065]將通過“旋轉+彎曲”方式獲得的鎂合金管設為標準組管材，將只通過旋轉方式獲得的鎂合金管設為對照組管材。
[0066]分別在標準組管材和對照組管材上取金相試樣，金相試樣鑲嵌后進行機械研磨，機械研磨具體為:依次使用600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#及4000#的砂紙進行研磨；當機械研磨完成后，再使用顆粒度為3 μπι的金剛石拋光膏進行拋光，完成拋光后的金相試樣通過腐蝕劑(由5.5g的C6H3N307、2ml的CH3C00H、90ml的C2H5OH及1ml的H2O混合制成)進行腐蝕，腐蝕時間為30s，最后用蒸餾水沖洗并吹干，再利用光學顯微鏡對微觀組織進行觀察