本發明涉及金屬材料加工方法，尤其涉及一種廢棄鈦切屑循環固化的球磨-縮徑往復擠壓方法。
背景技術：
：鈦是高冶煉成本的金屬資源，其生物相容性優異、耐蝕性好、力學性能適宜，是制造醫療器械、人工關節、大型能源化工容器等的重要材料。但是，為了制造高精度Ti結構，需設計較大的加工余量，大量的原材料將轉化為廢棄切屑。傳統的高溫熔鑄處理能耗大、污染重，效率低，且鑄造組織晶粒粗大，性能較差。固相循環與再制造因避免高溫熔鑄，是實現金屬資源高效、清潔循環的一個有效途徑。通過對現有技術的文獻檢索發現，將等通道轉角擠壓(Equalchannelangularpressing，簡稱ECAP)技術應用于處理金屬切屑，能夠細化晶粒，改善再制造材料的微觀組織形態，提高機械性能。Lapovok等在《JournalofMaterialsScience》2014年49卷1193-1204頁上發表“Multicomponentmaterialsfrommachiningchipscompactedbyequal-channelangularpressing(由等通道轉角擠壓切屑成形制備多組分材料)”一文，報道了通過鋁切屑及鎂切屑的相互混合，由ECAP循環再生多組分合金材料；Luo等在《JournalofMaterialsScience》2010年45卷4606-4612頁上發表“Recyclingoftitaniummachiningchipsbysevereplasticdeformationconsolidation(鈦切屑的劇烈塑性變形固態循環)”一文，提出通過回收廢棄的2級鈦(ASTMGrade2)切屑，并由ECAP技術來循環再制造塊體材料。此外，Valiev等在《AdvancedEngineeringMaterials》2007年9卷527-533頁上發表“Theinnovationpotentialofbulknanostructuredmaterials”(塊體納米材料的革新潛力)一文，提出兩步法加工塊體超細晶材料，該技術包括120度轉角的ECAP預擠壓，以及最終擠壓兩個步驟，通過這種集成制造工藝，可由棒材制備成形具有軸對稱棘輪外廓形狀的微電子機械零件。Aizawa等在《MaterialsTransactions》2002年43卷315-321頁上發表“Solid-staterecyclingofrecyclablealuminumwasteswithin-processmicrostructurecontrol”(可循環廢棄鋁的固態循環及微觀組織過程控制)一文，提出從Al-Si合金切屑出發，并混合Fe雜質，采用多道次縮徑擠壓制備塊體Al合金超細材料，其應變累積率和加工效率顯著高于傳統的縮徑擠壓技術。球磨(Ballmilling，簡稱BM)是一種廣泛用于制備超細粉體材料的劇烈塑性變形技術。對現有技術文獻的檢索發現，MahboubiSoufiani等在《MaterialsandDesign》2012年37卷152-160頁上發表“FormationmechanismandcharacterizationofnanostructuredTi6Al4Valloypreparedbymechanicalalloying(機械合金化制備Ti6Al4V合金納米結構的形成機制及表征)”一文，報道以鈦、鋁、釩微米粉為原料，通過BM技術制備納米尺度(小于100nm)的Ti-6Al-4V合金。此外，Zadra在《MaterialsScienceandEngineeringA》2013年583卷105-113頁上發表“Mechanicalalloyingoftitanium(鈦的機械合金化)”一文，初始原料小于150μm的Ti粉末，首先通過BM處理，獲得小于25μm的純鈦超細粉末，并由放電等離子燒結獲得塊體鈦材。廢棄金屬切屑循環處理的傳統技術是重熔與鑄造。然而，高溫熔鑄能耗大、污染重，效率低，且鑄造組織晶粒粗大，機械性能較差。為避免高溫熔鑄，可采用固相燒結方式。但是，鈦(Ti)是易于氧化的活潑金屬，其切屑表面氧化物以TiO2形式存在，其質地堅韌，雖然經過多道次ECAP處理后氧化物能夠一定程度地破碎、彌散，但是，較大氧化物的連續分布將形成微觀組織中的冶金缺陷，削弱材料的機械性能。ECAP加工還存在細化極限，即當動態再結晶與應變細化效應達到平衡時，則ECAP將難以使微觀組織進一步細化至納米級。而且，在90度轉角條件下，ECAP單道次加工產生的等效應變約為1，為了累計應變，須多道次反復擠壓，故ECAP的應變累積率有待提高。同時，粉體在BM處理后，須開展熱壓燒結或粉末擠/鍛壓等后續處理工序以獲得塊體材料，而在這些工序中，因加熱(燒結)時間長，以及動態再結晶等因素，將發生晶粒粗化，削弱材料強度。而且，傳統熱擠壓技術在加工效率上尚需提高。以上技術問題尚未很好地解決。技術實現要素：本發明的目的是提供一種廢棄鈦切屑循環固化的球磨-縮徑往復擠壓方法，提高應變累積與加工效率，制備出全致密化的大尺寸塊體Ti材，實現廢棄Ti切屑的高效、清潔回收再利用。本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是，廢棄鈦切屑循環固化的球磨-縮徑往復擠壓方法，包括以下步驟：(1)鈦切屑回收預處理：采用乙醇對鈦切屑原材料進行清洗，以除去原材料中的油污和雜質。鈦切屑原材料可采用通過端銑加工獲得的2級鈦所生成的切屑，清洗優選采用超聲清洗的方法，例如在超聲波振動槽內清洗，所用乙醇優選99.9％的乙醇。(2)鈦切屑的球磨處理：將預處理后的鈦切屑置入內含鋼球的球磨容器內，同時加入過程控制劑，在惰性氣體氣氛的保護下球磨10-20小時，轉速280-350rpm；優選的，所述鈦切屑與鋼球之間質量比為12-20:1，所述鋼球的直徑為7-12mm，所述過程控制劑可選自硬脂酸、純鐵粉等，優選硬脂酸，所述過程控制劑的加入量為0.5-2wt％。惰性氣體可以是氮氣、氬氣、氦氣等，優選氬氣。保持惰性氣氛是為了防止切屑在球磨過程中過度氧化。此外，最好通過在容器外部通以液氮循環，以降低切屑-鋼球的摩擦溫度，且機器每運行1-2小時暫停10-15分鐘。(3)鈦切屑的包套封裝：鋼筒外包裹一層固體潤滑劑，所述圓筒直徑略小于往復擠模具上部通道直徑，將鋼筒-固體潤滑劑置入冷壓模具，其直徑略小于往復擠模具上部通道的直徑，，將鈦切屑裝填至鋼筒空腔中，再用手動壓力機將切屑初步壓實。優選的，所述鋼筒材質是經過退火處理的不銹鋼，所述固體潤滑劑可選用石墨紙、錫箔紙等，優選石墨紙。(4)包套封裝鈦切屑的室溫冷擠壓：將包套封裝鈦切屑置入冷壓模具通道，將含鈦切屑的冷壓模具安裝在液壓機上，將沖頭放入模具進口通道，并持續提高沖頭的壓強，至～650MPa時停止預擠壓。此步驟可進一步提高切屑的緊實度，防止鈦切屑在高溫固化中過度氧化。(5)縮徑往復擠壓高溫固化加工：加熱模具至570-600℃，上沖頭施加0.9～1.0GPa的擠壓力，下沖頭提供～200MPa的背壓力。在同一副往復擠壓模具內，室溫冷擠壓后的鈦切屑材料經歷縮徑擠壓，頂出，壓縮墩粗，以及再次縮徑擠壓等復雜變形歷程，具體而言，將鈦切屑冷擠壓坯置入往復擠模具的上部通道，在上下沖頭壓差的作用下，冷壓坯被縮徑擠壓，切屑得以進一步固化。緊接著，去除上部沖頭壓力，由下沖頭提供的壓力將Ti切屑試樣由下至上頂出至上部通道；重新給上沖頭施加壓力，并提高下沖頭壓力至與上沖頭平衡，鈦試樣在平衡靜壓力作用下被壓縮墩粗；降低下沖頭壓力，則在壓差作用下鈦試樣發生第二次縮徑擠壓，開始新一輪往復擠壓工序。(6)淬火：將縮徑往復擠壓步驟中獲得的塊體鈦材通過水冷方式淬火冷卻至室溫。本發明的優點在于，該方法操作簡單實用，可控性強，加工效率高。通過實施BM處理，切屑表面氧化物(TiO2)在鋼球的碰撞、搓碾下得以完全的破碎，有效防止較大氧化物缺陷的連續性分布與聚集。在此基礎上，實施高溫擠壓固化加工，將BM-Ti切屑固化成大尺寸塊體Ti材。在同一副擠壓模具內，Ti切屑材料經歷多工步變形歷程，應變累積效率得以較大提高。同時，該方法采用的裝置結構緊湊，加工迅捷。通過往復擠壓實現切屑試樣的全致密固化及頂出脫模，獲取組織均勻的細晶材料，并徹底消除孔隙缺陷。由于擠壓溫度控制在Ti的再結晶溫度(～600℃)以下，故相較于高溫熔鑄(～1200℃)或放電等離子燒結(～900℃)等其它技術，其往復縮徑擠壓技術能夠有效地抑制晶粒粗化，在最大程度上保留BM處理后的超細微觀組織。利用該技術處理2級Ti(ASTMGrade2)切屑，通過再制造，再生Ti材的強度高于2級Ti商業棒材。該方法是一種高效清潔的金屬資源固相循環處理技術，其避免了高溫熔鑄，適用于開展以Ti為代表的高冶煉成本金屬資源的回收與再制造。附圖說明圖1是本發明提出的廢棄鈦切屑循環固化的球磨-縮徑往復擠壓方法的工藝示意圖，圖中，1、上沖頭，2、往復縮徑擠壓模具，3、鈦切屑試樣，4、下沖頭。具體實施方式為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合圖示與具體實施例，進一步闡述本發明。實施例：(1)Ti切屑回收預處理：以端銑2級Ti(ASTMGrade2)所生成的切屑為原材料，搜集切屑后，采用電感耦合等離子體原子發射光譜(Inductivelycoupledplasmaatomicemissionspectroscopy，簡稱ICP-AES)分析其化學成分(質量百分比，wt.％)，分析結果如表1所示。由表1可知，經銑削加工的2級Ti切屑其化學成分(含氧量)符合ASTM標準范圍。同時，采用99.9％的乙醇在超聲波振動槽內清洗Ti切屑，以去除原材料中的油污和雜質等。(2)Ti切屑的BM處理：將由步驟(1)取得的Ti切屑置入鋼制BM容器，切屑與鋼球(直徑10mm)之間質量比為15:1。同時，加入1wt.％的硬脂酸作為過程控制劑，并將BM容器充入氬氣作為保護氛圍，以防止切屑在BM過程中過度氧化。行星式BM機器的轉速為300rpm；BM運行總時長為15小時。在BM過程中，Ti切屑在鋼球的撞擊與搓碾下發生冷焊、硬化及破碎。通過BM加工，Ti切屑外形尺寸及表面氧化物得以顯著細化。同時，通過在容器外部液氮循環以降低切屑-鋼球的摩擦溫度，且機器每運行1個小時將暫停12分鐘。BM結束后，采用ICP-AES分析切屑化學成分，結果如表1所示。由表1可知，經BM處理的Ti切屑在氬氣保護下，其氧含量僅略有上升(由0.15wt％升至0.17wt％)，而鐵含量由0.10wt％升至0.64wt％，這是由于BM過程中鋼球(及鋼制容器壁面)被磨損并混入切屑所致。(3)BM-Ti切屑的包套封裝：鋼筒(材質：退火處理不銹鋼)外包裹一層石墨紙(作為固體潤滑劑)，所述圓筒直徑略小于往復擠模具上部通道直徑，將鋼筒-固體潤滑劑置入冷壓模具(其直徑略小于往復擠模具上部通道的直徑)，將由步驟(2)獲得的BM-Ti切屑裝填至鋼筒空腔中，再用手動壓力機將切屑初步壓實。(4)包套封裝BM-Ti切屑的室溫冷擠壓：將包套封裝BM-Ti切屑置入冷壓模具通道，將含Ti切屑的冷壓模具安裝在液壓機上，將沖頭放入模具進口通道，并持續提高沖頭的壓強，至～650MPa時停止預擠壓。此步驟可進一步提高切屑的緊實度，防止BM-Ti切屑在高溫固化中過度氧化。經阿基米德法(Archimedes)測定，室溫預擠壓的Ti切屑其相對密度>99.0％。(5)平行通道轉角-縮徑復合擠壓高溫固化加工：用鎧裝電熱毯包裹模具，加熱至Ti的再結晶溫度(～600℃)以下的某一水平(例如，600℃)，并由溫度控制器穩定溫度在±1℃的范圍。針對步驟(4)得到的Ti切屑冷壓坯，開展高溫固化加工。加工速率～5mm/min。上沖頭1施加0.9～1.0GPa的擠壓力，下沖頭4提供～200MPa的背壓力。在同一副往復擠壓模具2內，室溫冷擠壓后的Ti切屑3經歷縮徑擠壓，頂出，壓縮墩粗，以及再次縮徑擠壓等復雜變形歷程，具體而言，將Ti切屑冷擠壓坯置入往復擠模具的上部通道，在上下沖頭壓差的作用下，冷壓坯被縮徑擠壓，切屑得以進一步固化。緊接著，去除上部沖頭壓力，由下沖頭提供的壓力將Ti切屑試樣由下至上頂出至上部通道；重新給上沖頭施加壓力，并提高下沖頭壓力至與上沖頭平衡，Ti試樣在平衡靜壓力作用下被壓縮墩粗；降低下沖頭壓力，則在壓差作用下Ti試樣發生第二次縮徑擠壓，開始新一輪往復擠壓工序。本發明共開展兩輪擠壓工序，足以全致密固化Ti切屑壓坯。(6)淬火：將由步驟(5)獲得的塊體Ti材通過水冷方式淬火冷卻至室溫。通過阿基米德法測定，塊體再制造Ti材實現全致密化(相對密度近99.99％)。在掃描電子顯微鏡下多點觀察，未發現微觀孔隙存在。采用ICP-AES分析Ti材化學成分，其結果如表1所示。由表1可知，再制造Ti材的氧含量由原始切屑的0.15wt％升至0.27wt％，仍近似于2級Ti(ASTMGrade2)的含氧量。同時，通過線切割～4.00×4.00×6.00mm試樣，并在萬能材料試驗機上開展性能測試，發現再制造Ti材的屈服強度500-600MPa。表1是采用ICP-AES技術分析初始Ti切屑，BM處理(BM-Ti)及往復縮徑擠壓再制造后Ti切屑的化學成分。表1元素ONCFe初始Ti切屑(wt.％)0.15<0.01<0.010.10BM-Ti切屑(wt.％)0.17<0.010.220.64往復縮徑擠壓Ti切屑(wt.％)0.270.040.25-以上實施方式只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓本領域的技術人員了解本發明的內容并加以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍，凡根據本發明精神實質所做的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。當前第1頁1 2 3