[发明专利]圆锥形金属管材的扭转强塑性加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及对圆锥形金属管材施加扭转强塑性的方法，更具体地讲，涉及如下的强塑性加工方法：在实质上保持形状的同时，通过对圆锥形金属管材施加由压缩力和扭转形成的剪断应力而实现的剪断变形，使金属管材的微细组织实现超微细晶粒化或纳米晶粒化，从而能够提高材料的机械性质。

背景技术

圆锥形金属管材利用于子弹或导弹的头、航空、如汽车这样的运输机零部件产业及厨房、取暖器材这样的各种领域。以往，这样的圆锥形金属管材是通过金属旋压法来加工为规定的形状而使用的。

但是，金属旋压法是将材料的形状控制作为主要目的的金属成型技术，因此与控制微细组织这样的提高材料的物理性质的技术没有太大关系。进而，在金属旋压法中，由金属工具的强压力所致的变形集中于金属管材的表面，存在加工之后金属管材的内部与外部的物理性质差异较大的问题。

当金属材料受到塑性变形时，开始形成小边界角位错胞的结构，塑性变形量越大，越随着位错胞(dislocation cell)的亚晶粒的晶界角的增加而发生晶粒逐渐被细化的现象。在利用该现象，对材料施加大的变形而使晶粒实现超微细晶粒化或纳米晶粒化时，与变形前的金属材料相比，其机械性质(强度、硬度、耐磨损性及超塑性等)大大提高，因此越来越需要一种脱离以往的以形状成型为主的材料加工方法而用于制造超微细/纳米结晶材料的加工方法。

在这样的超微细/纳米晶粒形成中，不仅压缩、拉伸、剪断变形这样的对材料施加的塑性变形量很重要，而且以使工艺前后的材料的形状实质上相同的方式设计模具，以使能够进行可施加大量的变形量的反复工艺也非常重要。

目前为止，作为满足这种条件的强塑性加工方法，研发有如下工艺：等通道转角挤压工艺(ECAP：Equal Channel Angular Pressing)、高压扭转工艺(HPT：High-Pressure torsion)、累积轧合法(ARB：Accumulative Roll Bonding)、等径角轧制工艺(ECAR：Equal Channel Angular Rolling)等。

但是，还未研发出能够相应于圆锥形金属管材的形状而进行强塑性加工的方法，因此需要研发该方法。

发明内容

技术课题

本发明的课题在于，提供如下的强塑性加工方法：实质上维持圆锥形金属管材的形状而能够进行大变形加工，能够使微细组织实现超微细晶粒化或纳米晶粒化，从而能够大大提高圆锥形金属管材的机械性质。

解决课题的手段

作为解决上述课题的手段，本发明提供圆锥形金属管材的扭转强塑性加工方法，其特征在于，在圆锥形金属管材的内侧安装与上述圆锥形金属管材的内侧形状匹配的冲头，在上述圆锥形金属管材的外侧安装与上述圆锥形金属管材的外侧形状匹配的模具，之后根据通过上述冲头和模具对上述圆锥形金属管材一边施加压缩力一边施加扭转而得到的剪断变形，使圆锥形金属管材的微细组织实现超微细晶粒化或纳米晶粒化。

在本发明的实施例中，上述剪断变形可通过使上述冲头对模具加压之后使上述冲头旋转而得到。另外，可以通过相反地使模具加压旋转或使冲头和模具向彼此不同的方向(例如，冲头向顺时针方向，模具向逆时针方向)旋转的方法来施加扭转。

另外，在本发明的实施例中，能够通过调节上述冲头的压缩力或转速来控制上述剪断变形的量。如果，在旋转模具或使冲头和模具同时旋转的情况下，能够通过调节模具的转速或冲头和模具的转速来调节剪断变形的量。

另外，在本发明的实施例中，能够向上述圆锥形金属管材的中心部施加大的压缩力而使上述圆锥形金属管材的中心部的微细结构实现超微细晶粒化或纳米晶粒化。

另外，在本发明的实施例中，优选为，进行上述强塑性加工方法的工艺前后的圆锥形金属管材的形状实质上相同。由此，能够使用相同的冲头和模具而反复地施加变形，因此能够施加大量的变形量。

另外，在本发明的实施例中，在上述模具或冲头的一侧或两侧的内部具备发热体，从而能够控制工艺温度。由此，能够在适合金属管材的材质的工艺温度下进行加工或进行微细组织的控制，从而能够进一步提高加工的效率性。另外，上述发热体可以不设置于模具或冲头的内部，而是设置于模具或冲头的外部。

另外，在本发明的实施例中，上述冲头的顶点曲率可维持为比圆锥形金属管材的顶点曲率大。由此，能够将圆锥形金属管材的在高度方向上的厚度维持为一定厚度，由此防止应力的集中而防止圆锥形金属管材被破坏。

发明效果