（材料加工工程专业论文）二硅化钼基电热材料的等截面通道转角挤压研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文摘要 二硅化镅基电热材料的等通道转角挤压研究 研究生：李辉 导师：马勤教授 摘要 二硅化钼是一种广泛应用的性能优异的高温电熟材料。但是，在二硅化钼电 热元件的注塑成型及烧结工艺中，坯料中颗粒与孔隙的分布情况直接影响着烧结 元件的质量。因此。研究粉末冶金材料成形过程与颗粒、孔隙的排布规律，以提 高材料致密度和其他相关性能，就具有重要的理论和实际意义。 等截面通道转角挤压( 简称e c a p ) 技术是一种使材料产生强烈塑性变形的有 效方法。到目前为止，人们对e c a p 的研究主要是塑性金属或金属间化合物等材料 的组织、性能及e c a p 应变的研究上，而对e c a p 在粉末材料成型应用研究方面，国 外有少量报道，国内尚未见到相关资料。特别是，e c a p 在二硅化钼电热材料成形 方面的应用，国内外均未见到相关的报道。 本研究按照滑移线场理论建立了理想无摩擦条件和实际摩擦条件下的滑移线 场模型，推导了挤压应力公式以及模腔的横向挤压应力计算公式。并由此研制出 中= 9 0 。的e c a p 模具以及直挤压( c e ) 模具。将两种不同挤压方式( 等通道转角挤 压和传统直挤压) 应用于二硅化铝电热元件的成型工艺，并在不同的烧结时间下， 研究挤压方式和烧结时间对材料的微观组织及致密度的影响。结果表明，传统直 挤压( c e ) 易出现粉末与孔隙的分布不均匀，致使烧结后材料致密度较低，孔隙 率较高，晶粒结合不够致密，微观组织不均匀。然而，等转角挤压技术可使材料 受到均匀的纯剪切变形颗粒排布趋向均匀。同时，由于在烧结过程中晶粒和孔 隙向各个方向长大和收缩的速度基本相同，最终使材料晶粒大小均匀结合紧密， 材料致密度提高，孔隙率降低，微观组织明显均匀化。 另外，本文采用坐标网格法分析了粉末材料在e c a p 过程中颗粒的流动规律， 建立了粉末材料在e c a p 过程中颗粒与孔隙的排布模型，探讨了颗粒由稀疏到密排、 孔隙由大到小的变化机制，并结合烧结机理解释了试验现象。 关键词：二硅化铝：电热材料；粉末成型；等截面通道转角挤压；大塑性变形； 颗粒分布：孔隙尺寸 兰州理工大学硕士学位论文 m o s i 2i so n eo fh i g lt e m p e r a t u r ee l e c t r o t h e r m a lm a t e r i a l s w i t he x c e l l e n t p e r f o r m a n c ew h i c hi sa p p l i n gw i d e l y b u ti nt h et h es i n t e r i n gp r o c e s sa n dm o u l d i n g p r o c e s s ，t h e d i s t r i b u t i o no fp o w d e rp a r t i c l e sa n dv o i d sa f f e c tt h es i n g t e r i n g p e r f o r m a n c eo fs a m p l e si m m e d i a c y s oi ti st h o r e t i c sa n dp r a c t i c a l i t yt os t u d yt h e a r r a yo fp a r t i c l e sa n dv o i d si no r d e rt oe n h a n c et h ed e n s i t ya n do p t i m i z et h e p e r f o r m a n c eo fm o s i 2 e q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g i sav a l i dt e c h n o l o g yt o a c h i e v es e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n s of a r , t h em a i nr e s e a r c ho ne c a ph a sb e e n c o n d u c t e do ns t m c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a ld e f o r m e db ye c a p t h e r e a r eaf e wf o r e i g nr e p o r t so nm e t a l l i cp o w d e r sc o n s o l i d a t i o ni ne a c p , e s p e c i a l l y , o n m o s i 2e l e c t r o t h e r m a lm a t e r i a l s b u tn od o m e s t i cp a p e r s b a s e do ns l i p p a g el i n et h e o r y , t h i sp a p e rf o u n dt h em a t h e m a t i cm o d e lu n d e r i d e a lc o n d i t i o na n dp r a c t i c a lc o n d i t i o n ，a n dc a l c u l a t et h es t r e s so fe c a p a c c o r d i n gt o i t ，d e s i g n i n gt h ed i eo fe c a p , w h i c hh a so = 9 0 。w h a t m o r e ，c o n v e n t i o n a la r e a r e d u c t i o ne x t r u s i o nm o u l di sd e s i g n e d t h es t u d y a p p l yt w od i f f e r e n tp r e s s i n g t e c h n o l o g y ( e q u a l - c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n ga n dc o n v e n t i o n a l a r e ar e d u c t i o n e x t r u s i o n ) i nt h em o u l do fm o s i 2 ，d i s c u s st h ee f f e c to nt h em i e r o s t r u c t u r eo ft h i s m a t e r i a lu n d e rt h ed i f f e r e n t s i n t e r i n gt i m e i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h ep a r t i c l ea n d p o r o s i t ya r cp r o n et on o n u n i f o r mi nt h ec em a t e r i a l a f t e rs i n t e r i n g , i t sd e n s i t yi s l o w e ra n dt h ef a c t o ro fp o r o s i t yi sh i g h e r , a n dt h e r ea r el a r g ev o i da n do x i d e a sf l r e s u l to fs e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，t h ee c a pm a t e r i a lc a ne n h a n c et h ed e n s i t ya n d r e d u c et h ef a c t o ro fp o r o s i t y i ti sb e c a u s et h a tt h ep a r t i c l ea n dp o r o s i t ya r eu n i f o r m ， d u r i n gs i n t e r i n g , t h er a p i d i l yo ft h eg r a i ng r o w t ha n dv o i ds h r i n ka r ea p p r o x i m a t e l y s a l n e n e s si nd i f f e r e n td i r e c t i o n s ，s ot h eg r a i ns i z ea r ee q u a l i t y ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r e a r em o r eu n i f o r m w h a t sm o l e ，o nt h es a m em o l d i n gp r o c e s s ，t h el o n g e rs i n t e rt i m e i s ，t h em o r eg r a i nc o m p a c tw i l lb e ，a n dt h ed e n s i t ya r eh i g h o r ，m i c r o s t m c t u r ea r em o r e u n i f o r m a c c o r d i n gt oa x i s g r i d d i n gt e c h n i q u e ，t h i sp a p e ra n a l y s i st h ef l o wt r e n do f p o w d e rp a r t i c l e sd u r i n ge c a p , f o u n dt h ea r r a n g e m o d e lo fp a r t i c l e sa n dv o i d s d i s c u s st h em o v e m e n to fp a r t i c l e sa n dv o i d s ，a n de x p l a i nt h et r i a lr e s u l tc o m b i n e d w i t hs i n t e r i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：m o s i 2 ；e l e c t r o t h e r m a lm a t e r i a l s ：p o w d e rc o n s o l i d a t i o n ：e q u a l - c h a n n e l a n g u l a rp r e s s i n g ( e c a p ) ；s e v e i ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ；p a r t i c l ed i s t r i b u t i o n ；v o i ds i z e 兰州理工大学硕士学位论文 原创性声明 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得兰州理工大学或其他单位的学位或证 书而使用过的资料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 作者签名：夺缚帆瞧r - 憎 关于学位论文使用授权说明 本人了解兰州理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其他手段保存学位论文：学校可根据国家或甘肃省有关部门规定送 交学位论文。 作者槐苍埤导师躲易勿慨力舻f 膳 兰州理工大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 二硅化钼有序合金的研究与应用 1 1 1 m o s i 2 有序合金的基本特性 m o s i 2 是一种优良的电热材料和潜在的高温结构材料。它具有较高的熔点 ( 2 0 3 0 ) 、较高的使用温度( 1 6 0 0 c ) 、良好的高温抗氧化性、适中的密度( 6 2 4 9 锄3 ) ，良好的导电性和传热性，被认为是继镍基高温合金之后出现的一类极具竞争 力的新型高温结构材料。 m o s i 2 是m o - s i 二元合金系中含硅量最高的一种中间相( 如图1 1 ) ，由于m o 、 s i 两原子半径相差不多，电负性又比较接近，故它们组成了严格化学成分配比的 道尔顿( d a l t n i d e ) 型金属间化合物。 s i a t 图1 1m o _ - s i 二元合金相图 由于m o s i 2 晶体结构中m o 原子和s i 原子的结合具有金属键和共价键共存的 p目舄酪营p 兰塑墨三查堂堡主堂垒丝兰苎二童堕丝 特征，因此它具有金属和陶瓷的双重特性，主要表现为： ( 1 ) 足够高的熔点( t m = 2 0 3 0 c ) ，若按o 8 r m 估算工作温度，其值在1 6 2 5 以上； ( 2 ) 适中的比重( p = 6 2 4 9 c m 3 ) ，低于目前广泛使用的镍基合金的比重( p = 8 4 4g c m 3 ) ，也低于某些铝基化合物： ( 3 ) 极好的高温抗氧化性，抗氧化温度可达1 7 0 0 c 左右，是金属硅化物中 最好的，与硅基陶瓷相当； ( 4 ) 具有脆性一韧性转变，其转变温度( b d t l 3 - - 般在9 0 0 - - 1 0 0 0 ( 2 左右，这 种特性不但使得有可能预报m o s i 2 在高温下的断裂失效，而且使其可以用传统工 艺进行热加工。另一方面在b d t t 以下具有脆性，室温断裂韧性较低；在b d f r 以上具有塑性，但高温强度低； ( 5 ) 具有r ，特性，即在一定温度范围内，随着温度的升高其强度基本保持 不变 1 - 2 】。 1 1 2 结构用m o s i 2 基材料 m o s i 2 作为结构材料用于航空、汽车燃气涡轮机的高温部件、气体燃烧器、喷 管、高温过滤器以及火花塞而。在这方面应用的最大障碍是其室温脆性大和高温 强度低。因此，m o s i 2 低温增韧和高温补强是其作为结构材料实用化的关键技术。 这方面的研究表明，合金化和复合化是改善m o s i 2 室温韧性和高温强度的有效手 段。一般用于m o s i 2 合金化的组分仅是那些和m o s i 2 具有相同或类似晶体结构的 w s i 2 、n b s i 2 、c o s i 2 、m o s s i 3 和t i 5 s i 3 等少数几种硅化物，其中最理想的是w s i 2 。 实践证明，m o s i 2 几乎与所有的陶瓷增强剂( 如s i c 、t i c 、z r 0 2 、a 1 2 0 3 、l i b 2 等) 都有良好的化学稳定性和相容性。因此，复合化即制备m o s i 2 基复合材料是改善 m o s i 2 力学性能最有效的途径。 1 。1 3 功能用m o s i ：基材料 m o s j 2 由于其良好的高温抗氧化性和导电性，已作为电热元件实现了工业化应 用。与s i c 发热体相比，m o s i 2 = 币= 仅使用温度高，而且不会发生“老化”问题。但 是，m o s i 2 的窒湿脆性和高温软塑性仍是制约m o s i 2 电热材料及其元器件主要凼 素。因此，复合化和合愈化仍是提高m o s i 2f 乜热材料及其元器件使用性能的有效 手段。纯m o s i 2 发热体存在着机械强度低、安装困难等问题。囚此，常加入少盈 第二相( s i c 、a 1 2 0 ，和m o s s i 3 等) 进行改性或制成复合发热体。其中m o s i z o s i c 复合 兰型堡三查堂堡主堂垡丝苎蔓：! 竺笙 发热体不仅具有比纯m o s i 2 还好的抗氧化性，而s i c 颗粒构成骨架结构并承受荷 重，使m o s i 2 - s i c 复合发热体在高温时不发生软化变形，因而可以象s i c 发热体一 样采用简单的水平安装方法，在1 9 0 0 下使用l l i 。 因此，针对m o s i 2 的室温脆性和高温软塑性，复合化和合金化仍是m o s i 2 改 性的主要手段。传统的发热元件制备技术主要是挤压法和模压法。 1 2 电热元件成形技术及其存在的问题 1 2 。1 电热元律的成形技术 传统的二硅化铝发热元件的制备工艺可分为四大部分：原料高温合成、泥料 挤压、坯体高温烧结和焊接、整形。常用的成形技术有挤压法和模压法两种。 挤压成型一般是将真空炼制的泥料放入挤压机内，这种挤压机的压头可以对 泥料施加压力，另一头装有挤压嘴即成型模具，通过更换挤压嘴来挤出各种形状 的坯体。挤压法成型的关键是练泥机、成型机的选择，粉末粒度分布，粘结剂的 选择，练泥操作，成型操作和成型模具的设计。 挤压成型的物料在正常状态下呈固态，但在压力下，物料就有流体的性质。 通常需向混合泥料中加入3 5 5 0 的增塑剂，使粉末变成有塑性的粉料。 挤压成型的增塑剂有石蜡、橡胶、淀粉、酚醛树脂和粘土等所选择的增塑 剂不能与烧结剡品发生化学反应，增塑剂要尽量使制品密度增大，不能带入其它 有害杂质因此，要根据不同的混合粉料来选用不同的增塑剂。由增塑剂带入制 品中的碳含量与烧结工艺有关。如烧结前将毛坯在4 0 0 5 0 0 空气气氛中加热， 那么有机类的增塑剂就会被烧掉。如果不经过上述处理，而是把毛坯放在保护气 氛中缓慢加熟到烧结温度，则残留在制品中的碳含量就等于增塑； j 中的碳含量。 增塑剂的用量与粉末的粒度有关，般来说，粉末粒度越细，表面越发达，所需 增塑剂相应增加。增塑剂的用量还与制品的形状、截面积有关形状越复杂、壁 越薄，所用增塑剂量相应增加。对于棒材的按压，随截面积增加，增塑翘量可适 当减少。 练泥是将混合粉料与增塑剂充分混练、均匀混合。但要尽量避免混合物巾混 入气泡。山予填料与螺旋杼的搅动而使内部原料相摩擦所产生的热量不能过期， 阕此要有冷却结构。 模压法是将含有少最增塑剂的、县有一定粒皮配比的混合粉料放在盒属模内， 在压机上受压，使之密实成型模压的机理主要是依靠粉末颗粒的堆积和弹性变 形来压实模压的机璎主要是依靠粉末颗粒豹堆积帮弹性变形来压实为了提高 兰型矍三查堂堡主堂堡丝苎 苎二曼丝堡 混合粉体的塑性，常用的方法是对混合粉料塑化和造粒。 塑化就是向混合粉料中添加塑化剂。塑化剂是可使混合粉末具有可塑性的组 成物或加入物。粘土类矿物、高分子化合物( 如橡胶，石蜡，淀粉，酚醛树脂等) 都可作为塑化荆。增塑剂的加入原则是；由于有机类增塑剂在烧结后会从坯体内 挥发，并留下孔洞，最终将影响材料的密度和强度，所以在保证成型的前提下， 塑化剂的用量应越少越好。具体用量因原料的比重、粘度、比表面等不同而不同， 一般在1 _ 3 ( 叭) ，最多不超过3 5 。 造粒是指在很细的粉料中加入一定塑化剂，制成粒度较粗，具有一定粒度级 配，流动性好的粒子( 约2 0 8 0 目) 又叫团粒，造粒的目的是提高粉末颗粒的流 动性，使颗粒具有足够强度、密度、塑性以及必要的松散性、流动性。 1 2 。2 传统挤压技术和烧结材料的共性问题 传统的挤压成形技术虽已经实现了工业化的应用，但在泥料成形过程中仍出 现坯料中颗粒的分布不均匀，各处应力不相等的情况。经过正常烧结后的烧结体， 从晶粒结构上来看已是坚实的结晶体。在显微组织中呈现晶粒和晶界，而原来粉 末颗粒的周界完全消失。相变重结晶可以进行细化，在光学显微镜下发现组织中 存在许多小黑点，即烧结后遗留下的孔隙。因此，在粉末冶金中不可避免地存在 孔洞，孔洞的分布情况直接影响晶粒的分布，也就直接关系烧结体的性能，孔洞 分布越细小和均匀。孔隙率越低，烧结体的性能越好。 因此，在m o s i 2 电热元件烧结成型工艺中，坯料中颗粒与孔隙分布情况将直 接影响烧结结果如果颗粒排布紧密、均匀，孔隙细小、弥散，烧结时悬粒密实， 均匀，大部分孔隙消失。 因此，本研究致力于改善粉末体中颗粒与孔隙的排布，最终达到提高烧结体 材料致密度、提高材料性能的目的。 1 3 等通道转角挤压技术的优点与应用 前苏联科学家s e g a le ta 1 i 加1 于1 9 8 1 年提出了等截面通道角形挤压 ( e q u a l - c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g 简称e c a p ) 技术。该方法是- e 新型的变形：【 艺技术。它能够通过均匀剪仂应变把大量塑性鹰变传递给块体材料，“泛刚来制 祷趣细、亚微米级多品材料，甚歪可获得纳米级域非懿念的块体材料。掘报导， 谯e c a i ，中，应变量达到4 - 8 时即t u 获得细小的等轴品结构。而在往复挤墩试验。 ， 需要应变量达到6 0 才能得到均匀分布的、细小的等轴晶组织。 兰型墨三奎竺堡主堂竺堡苎苎二兰堕丝 e c a p 的这种优点使得其适合于制各大截面的块状试样。与其他制备方法( 例如 气相法、高能球磨法和非晶晶化法等) 相比，e c a p 法具有许多独特的优点。譬如： 它可以克服其它方法制各的试样中有孔隙、致密性差等问题以及球磨所导致的不 纯、大尺寸坯体难以生产以及给定材料的实际应用较困难等问题。而且e c a p 材料 的许多性能也都是独特的这对于应用和基础研究都是十分重要的。因此，它引起 了材料专家们越来越多的兴趣和关注。近年来，国外专家对e c a p 法制各块体超细 晶材料进行了较深入的研究。到目前为止，已经通过e c a p 技术取得了纯金属、合 金、钢、金属间化合物、陶瓷基复合材料等的亚微晶、纳米晶结构，而且投入了 实际应用并获得了认可【2 8 l 。 1 3 1e a 姬技术的基本原理 所谓e c a p 技术，就是通过两个轴线相交、横截面积尺寸相等的通道将被加 工材料挤出，因通道的拐角作用使材料产生大的剪切变形，其原理示意图如图1 2 所示。 图1 2 等截面通道角形挤压示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o n0 1 ad i ef o re c a p 模具巾，两个等敝而通道互相j 交截，j f 成角度为中，u j 。将澜滑良好、0 通道截面积相差无几的坯料放进入口通道内，在外加载荷的作用下，由凸模将试 样挤压到出口通道内，并从第二个通道将试样推出。 兰型里三查兰堡主兰垒丝苎蔓：! 丝堡 在理想条件下，变形是通过在两截面通道交截面( 剪切平匾) 发生篱单切变 实现的。除了小部分的端部区外，整个坯料都受到均匀的纯剪切变形。经过等截 面角形挤压后，试样虽发生简单切变，但保持横截面积不变，挤压过程可以重复 进行，从而在试样中可以实现大的塑性变形。另外。在重复挤压试，可以通过不 同的挤压路径实现剪切平面和剪切方向的改变，从而得到不同的微观结构。 e c a p 中，进行一次挤压的等效应变量由下式表示 f 一 式中，中相交通道的交角； m 通道交叉部位的曲面角： n 次挤压后当量应变为；g ，一 ( i - 2 ) 1 。3 2 e a 姬技术的影响因素 b e r b o n i 柏 等人总结了b c a p 中的重要参数。模夹角决定材料在该遒次下所产 生的应变：挤压次数决定施加在坯料上的总应变量的累积；变形途径是晶体结构 和纤维组织演变的关键参数，主要是相邻两个道次之间试样的旋转问题。此外，挤 压速度、变形温度及试样与模壁之间的摩擦也是重要的参数。 ( 1 ) 变形途径 变形途径取决予试样在相邻两个道次之间的旋转角x 和通道夹角中根据旋 转角的不同可能由四种不同的途径。a ：不旋转( x = 0 6 ) ；b a ：不同方向旋转9 0 。 ( x ；土9 0 。) ： b c ：同方向旋转9 0 。( x = 9 0 。) ；c ：旋转1 8 0 。( x - - 1 8 0 4 ) 。挤压 途径如图l - 3 所示。 路径a 由于在同一方向上剪切变形逐渐增大，可以获得片状晶粒；路径c 由 予剪切面一定，但剪切方向在两道次阀更迭，可以获锝等轴晶：路径b a 和b c 由于 每道次剪切面互相垂直，可以获得纤维状结构；当巾= 9 0 。v - - 一2 0 。时路径 b c 可以优先获得大角废品界，路径c 次之，路径a 和b a 最慢。 兰州理t 犬学硕士学位论文第一章绪论 扇塌扇场 豳场囱堰 图1 3 四种挤压途径示意图 f i g 1 3s c h e m a t i c 地p 嘲e n 拥廿衄o f f o q r r o u t e so f e c a p 四种挤压路径的剪切特征示意图如图1 4 所示。l d u p u ye 和f r a u c h 对此进 行了专门的研究。g h o l i n i aa 等变形组织内的晶界取向进行了测试，指出应变途 径不同，即使在有效应变高达1 6 以后，变形状态的演变规律也极为不同。 r mh 0 1 23 45678 x 口口一一一一一一一 a y 口汐矿一一，一 z 口口口口口口口口口 x 口r - 1 _ 7 、 8 dy 勿一一一一 z 口口飞、，一 x口口_ 7 口口口口 口 b c y口口口口 口 z 口口口口口 口口口r - - 1 口口口口口 c y 口汐口口口口 z 口口口口口口口口口 图1 4 四种挤压路径剪切特征示意图 n g l s h e a r i n g c h i 髓蛐嘲a f o r f o u r d l t t e r e n t p r e s s i n gr o u t e s 兰型里三查堂堡主堂堡丝苎苎二兰竺丝 c 2 ) 模角和通道夹角 k i y o k a k a 等人研究了通道夹角中和通道曲面角v 对材料微观结构的影响，以 及单与多等通道挤压在不同的中和v 下对微观结构的影响，中从9 0 。1 3 5 。研 究表明：中越接近9 0 。，越易获得大角度边界的超细晶。角度越大，即使e 多大， 几乎不能形超细晶。 因此， = 9 0 。的模具挤压效果最为明显且成型速度最快。另外通道曲面角 平对挤压过程中的摩擦有很大的影响，如= 9 0 。，掣= o 。时，则在模具转角处， 不易被充满，且模具极易被损坏。这个问题已经通过= 9 0 。，掣= 2 0 。的角度调 整加以解决。在此条件下，每一道次的剪切应变值pm1 e c a p 是通过加工过程 中材料的剪切变形使晶粒褥以细化的。实验表明，随着模角的不同材料的微观 组织会有显著的差异f 硼。 ( 3 ) 挤压次数 随着挤压次数的增加，晶粒被反复细化，但由此也使空位等缺陷增加，可能 导致裂纹产生。要想获得优良的综合机械性能，存在一个最佳的挤压次数值。 ( 4 ) 挤压速度 挤压速度在2 l o m m s 范围内对平均晶粒尺寸影响不大，但在较低的挤压 速度下，由于回复变得相对容易。微观结构更加趋向平衡态。通常等角挤压速度 不小于5 m m s 。 ( 5 ) 挤压温度及变形升温 随着挤压温度的升高。晶粒尺寸呈长大趋势。对挤压温度的选择以及在较高温 度下的剪切变形行为还需要深入研究。由于变形过程中产生的热量少，变形时间 短，所以对品粒的影响较小。摩擦力对e c a p 有最重要的影响，它不但影响材料 的应力一应变状念，变形模式和载荷历史，而且对模具寿命及安全性有很重要的 影响。毕大森等的研究表明，在e c a p 过程中模具所受到的挤压力中，塑性变形 区的变形力与刚性区的边界赚擦力之比为l ：l l 。故降低边界摩擦力是敝小梭贝挤 压力的有效途径。 另外，梭具通通的檄截丽形状、通道尺习等对材料的变形都有一i 同程度的影 n 虮侧压力或背压力是为了改善材料的受力均匀程馊，在通道来端对材料施以北 压力，使其受三向应力而处予软变形状态，从而减小材料的开裂倾向 兰塑翌三查堂堡主堂垡丝苎 苎二兰篁 堕 1 - 3 3 e d 炉过程中材料微观结构的演化 e c a p 是一种新型的太变形技术，它有别于通常情况下的加工变形，晶粒内部 通常都有一些严重扭曲变形的晶格结构。因此，e c a p 材料的微观结构的特征是含 有高密度位错的大角度晶界以及晶界上的非平衡结构。在一道次挤压后，材料中 粗大的晶粒被破碎成一系列具有小角度晶界的亚晶( 其位相差 o ) ( 3 ) 试样与模腔各接触面的摩擦因子不变均为掰。 变形时材料的受力模型中各应力分量如图3 5 所示。 扇形区h o 。，为滑移线场，如图3 6 。变形区为该扇形，而不是一条线段。忽略 z 轴方向上的摩擦力，按平面变形问题，应用滑移线理论进行分析和计算。 d e 圈3 6 实际情况下l p 试样的受力图 a 变形力计算 先以出口段o h e d 段为研究对象，建立新的坐标系，受力分析如图3 7 所示。 图3 7 出口段受力分析圈 兰州理工大学碗士学位论文第三章e c a p 力学分析厦横具设计 在x l 轴方向上建立力平衡方程，得 昂e o s o - k s o n s m o + 巧：s s o = k s 。o 口。s 洫口+ 堵， 瓦幽t 9 8 + 鼍 式中s “d 日剪切面面积。 巧d h 剪切面上的正应力。 ，d 1 h e d 段所受的摩擦阻力a ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) 再以试样的o b c 段为研究对象，建立新的坐标系，受力分析如图3 8 所示。 在y 轴方向上建立力平衡方程： 耳品- 七s o ，s i n o + 弓。c o s o + 昂2 _i|!lsinp+毋。生cocos0 c o s o s 口+ 蠕2 阻 虿如帆耳+ 等 式中： s o - d ，剪切面面积； 耳d i 剪切面上的正应力； 暑挤压变形应力； ：d 切c 所受的摩擦力t 根据亨盖( h h e n k e y ) 应力方程： 沿口滑移线： b - 昂+ 放。劬- , p ，) 2 4 ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) 兰州理工大学硕士学位论文第三章e c a p 力学分析及模具设计 式中 妒。d 日剪切面与x 轴夹角： 妒，0 ，剪切面与x 轴夹角。 圈3 8 入口段受力分析国 由图可知 妒一妒，ia h o i 一2 玎一妒一万- 2 0 一石一妒一2 0 因为此时试样与模腔接触面不完全粗糙，则o m l ，单位摩擦力细嫩，所以o 0 时，由滑移线理论可知，在口滑移线o h 上，应力分布 均匀，且 由平面变形力学方程，在剪切面d 日上 式中： 剪切面d 日上z 轴方向上的正应力a 沿口滑移线到任意一条其它口线o i n 上，根据h h e n c k y 方程，得 一巧- 巧+ 2 七 。一) 式中： 妒。- - o n 剪切面上口线与x 轴的夹角， ( 3 - 2 1 ) a 如d w 剪切面上z 轴方向的正应力，等于d w 面上的单位模腔挤压 力i 。 由上式可知，o 知和是变量，求总挤压力b ： 令妒一妒一6 0 ，则 i = = 七厩+ ( 4 + 哟争删 鞘糊腻i 一七厩+ ( 4 + 嘴知蝴 应用积分方法可以算出扇形区肋i 上的总挤压力己 2 7 ( 3 - 2 2 ) 阿 缈却 n n 缸 缸七七 一 + 一晶一品 口 = 吼町 ，-ifl 一弓 一 半幅 兰州理工大学硕士学位论文 第三章e c a p 力学分析及模具设计 b r 十一陋厩邢+ a r c t g 善) m m 譬( 去) 2 ! 至鲤= 虫= 燮型 2 c o s 2 0一一s m + 厩郴+ 咄铷 因为c o s 2 0 - m ，所以2 c o s 2 0 一l + m ，代入上式，得 己一盟警警型旷庐一一s 肌+ 警+ ( 4 + 石c t g 芝) m 1m ( 3 _ z s ) 上+ ，竹v+ 当石一庐一a r c c o s l ns 0 时，滑移线场缩小成线段o a ，故塑性变形区上的单位 模腔挤压力为 亏一虿- 缸增等+ ( 4 + 删，和k ( 3 - 2 4 ) 二二 故e c a p 挤压时变形区单位模腔挤压力计算公式为： k1百2k(#-d-arccosm)防一妒一撤s用+据焉+(4+邪喀争】，白一一a脚sm，。)； j 亏_ 巧i i c 侣苎+ ( 4 + z c 留争础，一庐一a r c c o s m s0 ) 入口段d 切c 区上的单位横向模腔挤压力计算：按三向压应力假设，则 当石一西- - a r c c o s m 0 万一万珈厩鼢一一s m ) + ( 8 + 撇扣 ( 3 - z e ， 当玎一妒一a r c c o s m s 0 时，滑移线场缩小为线段o a 同理得单位模腔挤压力巧为： i - 耳撕詈+ ( 8 + 2 x c t g 苎) m k 2 8 - ( 3 - 2 7 ) 兰闸理工大学硕士学位论文第三章b 0 p 力学分析及模具设计 式中耳畸齐压变形力。 出口段o l l e d 区上的单位模腔挤压力计算： 同样按三向压应力假设，则 当石一毋一a r ) c o s 胁 0 时 虿一i 一东c o s 。+ 冲斋詈+ ( 4 + 册侣争肌七】s i n 口 n 为c o s 2 a 那么o o s “= v 际- t - “m 厚 所以撕。七厚小厩竹嗍扣，厚 式中 一p z 单位模腔挤压力； 耳a e 面上所受压应力。 当万一多一a r c o s m 墨o 时，变形区缩小为线段0 亏一写出。s 孚+ 巧s ；n 孚 一七咖芝+ 巧s 芝 幽i n 芝+ k a g $ - z c o s 妒- z + ( 4 + 石c f g 争胁概兰 式中 亏单位模腔挤压力； 耳a e 面上所受压应力。 ( 3 吃8 ) ( 3 - 2 9 ) 3 2e a 姬技术的模具设计 根据所计算的e c a p 挤压应力公式，对模具中凸模的抗弯强度进行校核；再 根据横向模腔挤压力，校核预应力圈的强度。 在模具设计和制造中，恰当的选用模具材料，确定合理的热处理工艺，正确 的选择工艺参数，对充分发挥材料潜能、使模具具有较高的性价比、减少消耗、 提高模具的质量和使用寿命具有重要的作用。挤压是在强烈三向压应力状态下使 兰型堡王拦堡主堂垡丝苎蔓兰童婴垄堂坌堑墨塑墨塑盐 材料流动而形成，因此要求凸凹模要有较高的压缩强度。高的抗张强度和韧性， 好的耐磨性和硬度。模具材料必须要易于加工。 本研究试验材料为m o s i z 粉末体，材料具有较好的粘塑性，要求模具具有较 好的精度，且内壁要达到足够的光洁度。如果仅为满足本次试验，模具强度要求 并不高，但为了满足分析时的需要。保证本试验的顺利进行，设计时以试验材料 为纯铅迸行模具设计校核，试验材料的尺寸为由9 m mx 6 0 。 3 2 1 凸模设计 由于实际模具工作部分不可能为绝对光滑，因此，挤压应力的计算不能按理 想状态下进行。需要按有摩擦情况下进行计算，但模具也不可能为绝对粗糙面， 因此实际模具设计中，将按照半粗糙面进行设计，即摩擦因子m 一丢。 由前面所计算的挤压应力公式 亏一强层+ 孔一a s m ) + ( 8 + k 培扣肛妒一一s m o ) ； 虿- 戤。c 留姜+ ( 8 + 纫c 留争船，。伽一矿一a n 。s m o ) ； 此时t 万一妒一m c c o s m 。石一三一a r c s o s 一三一詈- 詈，o 融p y - 2 j 篇+ 殁巾a s 咖( 8 勘留扣 假设实验材料为纯铅查得纯铅的平均变形抗力吒1 8 茹矗2 ， 将七一考，小- i 1 ，- 詈，q 一1 8 n i 肌m 2 代入上式，得 万- 9 7 0 8 n i m m 2 工作面上的挤压力p = 9 7 0 8xs o = 6 1 7 2 凸模是一个细长抒，凸模工作部分截面为圆形( 直径d 为9 r a m ) ，长度l 为 l o o m m 。由于在挤压过程开始阶段，凸模前端约2 0 m 先进入模腔，此时模腔起到 导向作用。凸模材料为w 1 8 c r 4 v ( 热处理6 0 6 2 ) ，根据经验该凸模的许用临界压 兰州理工大学硕士学位论文 第三章e c a f 力学分析及模具设计 力大于4 0 k n o 因此，该凸模完全满足需求。示意图如图3 9 所示。 圈3 9e c a p 凸模示意图 由于该模具凹模的特殊结构，凸模工作部分端部设计成了5 6 的斜面，此种结 构可使材料在转角处顺利的向出口通道流动，因此挤压时凹模的装配具有方向性， 即斜面必须对着出口方向，凸模表面粗糙度0 8 。 3 2 2 凹模设计 在等截面通道转角挤压模具结构中，凹模是其最关键的部件。m o s i 2 作为发热 元件，在实际应用中通常截面为圆形，截面直径尺寸为6 m m ，9 m m ，1 2 m m ，1 8 r a m 等。本试验设计模具型腔尺寸为9 m m 。型腔工作部分深度为i 0 0m m ，为避免有 图3 1 0e c a p 组合凹模示意图 材料积存，转角处不能为尖角，设计0 - - - 9 0 。： = 2 0 。 兰型型三查堂堡主堂垡堡塞苎三兰! 曼些垄堂坌堑丝垫墨堡生 由于型腔的特殊结构，为了加工方便，将凹模设计为组合式凹模，( 如图3 1 所示) 。两瓣式组合凹模使用一个预应力圈圃定，内部形成连续弯形的通道。为了 使两瓣凹模配合紧密，特别是型腔结合处，必须达到一定的精度，为此设计凸台 式结构，在其中一瓣凹模上设置两处凸肩，而对应的另一瓣凹模上则是两个凹下 的平面，这样凹模型腔的紧密配合得到了保证。 另外，使用组合式凹模还便于清除挤压过程中的残余物料，也便于在型腔和 模具零部件之间涂抹润滑油，有利于挤压的顺利进行和模具的保养。 e c a p 模具凹模示意图如图3 1 0 所示。图中参数中= 9 0 。，v = 2 0 。模腔直径 为9 r a m 。组合凹模材料为w 1 8 q 4 v ( h r c 6 0 6 2 ) 。凹模内壁粗糙度0 8 。 3 2 3 预应力圈设计 为了将组合凹模紧圃，凹模的外围使用预应力圈，而凹模与预应力圈的紧固 则采用斜锲结构，斜度为2 。，如图3 1 1 所示。当挤压进行时，凹模受到向下的 压力，凹模与预应力圈的配合将更加紧密而不会导致凹模松动。 圈3 1 1e c a p 预应力圈示意图 预应力圈的校核： 在挤压过程中，整个模具通道中入口通道所受的横向挤压力为最大，因此只 需校核次部分的预应力圈强度，便可以满足通道中其它部分的要求。 3 2 兰州理工大学硕士学位论文第三章e c a p 力学分析及模具设计 由上述计算可知，在模具入口端，试样受到的是三向等压应力，即一p z 一一p y 那么，试样对模腔的压应力见一p ，= 9 7 0 8 ( 川肌2 ) 所选预应力圈材料为4 5 ( h r c 3 8 4 2 ) ，材料的屈服强度 o - 】。3 6 0 n m m 2 。 预应力圈的承载能力为： 式中b 预应力圈外径； a 预应力圈内径； 【盯】模具材料屈服强度。 其中b = 1 0 0 r a m ，= 5 0 m m ， p 】一3 6 0 n r a m 2 p 悄- 1 3 5 n m m 2 p ：一p y - 9 7 0 8 ( n m m 2 ) 因此，本模具完全可以满足试验需要。 3 2 4 垫板与支座设计 为避免挤压时凸模产生凹陷或交形， 散压力，起到缓和作用，垫板厚度2 0 r a m 。 如图3 1 2 所示。 在凸模与挤压机之间设置一个垫板来分 垫板材料为4 5 # ( h r c 3 8 4 z ) 。 窿 仃) 、 、 过 兰型堡三查兰堡旦竺堡丝苎蔓三差鬯垄堂坌堑墨堡墨墼盐 围3 1 3e c a p 支座示意图 等通道转角挤压模具结构简图如图3 1 4 所示。 1 垫板2 凸模 3 组合凹模 4 组合凹模 5 预应力圈6 支座 国3 1 4e c a p 模具示意图 3 4 - 兰州理工大学硕士学位论文 第三章e c a p 力学分析及模具设计 3 3 传统正挤压模具设计 j f 挤压是使材料在模具缩颈处受到三向不等压应力，使材料变细变长。模具 材料4 5 # ( h r c 3 8 4 2 ) 。凸模工作尺寸巾_ 3 0 咖，l = 5 0 u 肺，凸模端部设一圆形倒角， 便于出入型腔。 _ 、景 。3 j a 一8 1 0 ， b 、 弋 图3 1 5 正挤压凸模示意图 正挤压模具凹模入口直径3 0 衄。出口直径为8 硼。凹模示意图如图3 1 5 所示。 凹模结构示意图如图3 1 6 所示。 6 0 4 1 蕊蕊闷忒 蕊 爿 涔 太怒 蕊蕊沁沁添 孓 心乡 图3 1 6 正挤压凹模示意图 同样，在凹模的底部，设计一个支座，以便将挤压完毕的试样取出，同时该 支座可分解或抵消部分凹模所承受的挤压应力