CN107299302B - 一种提高金属梯度结构强度和塑性匹配度的方法 - Google Patents

一种提高金属梯度结构强度和塑性匹配度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高金属梯度结构强度和塑性匹配度的方法，首先对表面清洁的金属板材进行高能喷丸表面纳米化处理，然后对表面纳米化处理后的板材进行轧制，控制轧制压下量在12％～30％之间，最后在50～100℃下真空退火30～60min。轧制后的金属板材在保持厚向梯度组织明显特征的同时，表面粗糙度降低，然后在低温下短时间真空退火既保持组织中细晶仍然存在，又使晶粒内部位错部分回复，增大了位错储存能。本发明能有效解决现有喷丸技术中采用高碳钢丸对金属板材进行加工后表面粗糙度高、板材强度和塑性匹配度低的问题，可显著提高金属强度和塑性匹配度，满足实际应用的需求。

Description

一种提高金属梯度结构强度和塑性匹配度的方法
技术领域
本发明涉及一种提高金属梯度结构强度和塑性匹配度的方法，属于材料加工技术领域。
背景技术
表面纳米化技术主要是采用简单的动力装置，为数量众多的硬质小金属圆球提供足够的动能，使圆球以一定速度连续不断地撞击被加工样品表面，使样品表面一定深度区域的材料发生剧烈塑性变形，进而使得样品表面形成一定厚度的细化组织层。表面纳米化技术利用高能喷丸对金属材料的表面进行机械处理，使其沿厚向获得纳米晶/超细晶及粗晶层的梯度组织，克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，又将纳米材料的优异性能应用到了传统工程材料的表面改性技术中，具有很大的工业应用价值。但由于加工过程中喷丸速度快，击打能量较高，一方面经处理后的材料表面会出现粗糙度变大的问题，这将大大影响表面纳米化板材的表面质量，增加后续加工工艺成本，另一方面还存在强度升高，塑性降低过多，二者匹配度不好的问题。
轧制变形是一种常见的压力加工方式，这种变形是在轧机上操作，将金属样件通过一对旋转轧辊的间隙，因为受到轧辊的压缩使材料截面减小、长度增加，这也是生产金属板材最常用的生产方式。中国专利申请201410078163.1通过对镍系不锈钢光亮板进行轧制参数的控制来降低成品带钢材表面的粗糙度，抛丸后再进行酸洗、浸泡等多道次工艺操作后再行轧制，然而轧制总变形率不低于70％，变形量太大，可能会破坏原有的组织。
发明内容
针对现有技术中高能喷丸后金属板材粗糙度增加，强度升高而塑性降低过多的问题，本发明提供了一种提高金属梯度结构强度和塑性匹配度的方法，对高能喷丸表面纳米化处理后的金属板材采用可控的轧制变形，降低样品表面粗糙度的同时保持原有高能喷丸处理后样品的硬度梯度效果、细晶/纳米晶组织，保留原有的加工硬化、细晶强化，然后在低温下短时间回复退火，既保持细晶组织，又使晶粒内部位错部分回复，增大位错储存能，提高表面纳米化金属板材的强度与塑性的匹配度。
本发明的技术方案如下：
一种提高金属梯度结构强度和塑性匹配度的方法，具体步骤为：首先对表面清洁的金属板材进行高能喷丸表面纳米化处理，然后对表面纳米化处理后的板材进行轧制，轧制压下量为12％～30％，最后在50～100℃下退火30～60min。
本发明中所述的金属板材为本技术领域常用的金属板材，可为纯金属或合金板材，可选自铝合金板或铜板。
优选地，所述的高能喷丸表面纳米化处理采用3～5mm的钢丸，转速为25m/s，处理时间为15～30min。
优选地，所述的轧制压下量为12％～20％。
优选地，所述的轧制过程中的轧制速度为5～40m/s。
本发明中的轧制压下量的计算公式为：轧制压下量(％)＝(轧前厚度-成品厚度)/轧前厚度×100％。
本发明对表面纳米化处理后的金属板材进行可控的轧制变形，控制轧制压下量在12％～30％范围内，使得轧制过程中板材表面凸起部分在进入轧辊后被压扁、扩充至凹坑处，因变形量控制得当，引入的位错还不足以使样品表面组织发生回复、再结晶，相应的温升也不明显，因此轧制后金属板材沿厚向的硬度最大值并未出现大幅下降，可保持原有高能喷丸处理后样品的硬度梯度效果、细晶或纳米晶组织，保留原有的加工硬化、细晶强化等，同时降低板材的粗糙度，提高表面质量。
在轧制变形之后，本发明继续对处理成品进行真空低温短时间退火，既保持细晶组织，又使晶粒内部位错部分回复，增大位错储存能，提高表面纳米化金属板材的强度与塑性的匹配度。
本发明工艺简单，无污染，易操作，适合于大规模批量化生产，制备的金属板材具有表面粗糙度较低兼强度与塑性匹配度高的梯度组织结构，满足实际应用的需求。
附图说明
图1为粗晶铝(CG)、高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板(RASP)及喷丸加轧制处理后的铝合金板(RASP+ROLL)的截面硬度梯度分布图。
图2为高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板(a)及喷丸加轧制处理后的铝合金板(b)的截面透射电子组织图。
图3为粗晶铜(CG)、高能喷丸表面纳米化处理后的铜板(RASP)及喷丸加轧制处理后的铜板(RASP+ROLL)的截面硬度梯度分布图。
图4为高能喷丸表面纳米化处理后的铜板的截面透射电子显微镜图。
图5为喷丸加轧制处理后的铜板的截面透射电子显微镜图。
图6为粗晶铝合金(CG)和高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板(RASP)的工程应力-应变曲线。
图7为高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板(RASP)及喷丸加轧制处理(RASP+ROLL)后的铝合金板和喷丸加轧制加退火的屈服强度和断裂延伸率的匹配图。
图8为高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板(RASP)及喷丸加轧制处理(RASP+ROLL)后的铝合金板和喷丸加轧制加退火的抗拉强度和断裂延伸率的匹配图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
实施例1
①切割：制备一块厚度为10mm的退火态6063铝合金板，保证上下底面平行；②表面清洁：常温，使用酒精等有机溶剂去除板材上下两面的油脂。③表面纳米化处理：选择5mm的GCr15的钢丸。高能喷丸设备转速25m/s，处理时间15min。④平辊轧制：两辊四辊联轧机(两辊Φ400mm×350mm；四辊冷轧：Φ100mm/Φ380mm×350mm)。对表面纳米处理后的板材，进行轧制，保持较小的道次变形量，总变形量12％，4道次，轧制速度为5m/s。样品厚度依次从10mm，到9.5mm，到9.0mm，到8.8mm。⑤低温短时间退火：真空退火炉对喷丸和轧制后得到的成品分别在50℃，75℃，100℃下退火30min，60min，然后随炉冷却。⑥实验数据对比参考：测最高硬度、硬度梯度、表面粗糙度等性能指标及组织，如表1及图1和图2所示。
表1粗晶铝、高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板及喷丸加轧制处理后的铝合金板的粗糙度与最高硬度
粗晶铝 高能喷丸 高能喷丸+轧制12％
粗糙度Ra/μm 22.1 168.5 43.0
最高硬度/HV0.2 32.6 66.2 57.0
图1为粗晶铝(CG)、高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板(RASP)及喷丸加轧制处理后的铝合金板(RASP+ROLL)的截面硬度梯度分布图。从图1可以看出，高能喷丸后表层硬度提高，整个硬度呈梯度分布，轧制后表层硬度稍微降低，但仍比基体硬度高，所以仍呈梯度分布。
图2为高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板(a)及喷丸加轧制处理后的铝合金板(b)的截面透射电子组织图。图2的组织图也可清楚观察出喷丸加轧制处理后，原有的梯度组织特征仍较为明显。
实施例2
①切割：制备一块厚度为4.7mm的退火态99.99wt％纯铜板，保证上下底面平行；②表面清洁：常温，使用酒精等有机溶剂去除板材上下两面的油脂。③表面纳米化处理：选择3mm的GCr15的钢丸。高能喷丸设备转速25m/s，处理时间30min。④平辊轧制：两辊四辊联轧机(两辊Φ400mm×350mm；四辊冷轧：Φ100mm/Φ380mm×350mm)。对表面纳米处理后的板材，进行轧制，保持较小的道次变形量，总变形量30％，7道次，轧制速度为40m/s。样品厚度从4.7mm降至3.3mm。⑤低温短时间退火：真空退火炉对喷丸和轧制后得到的成品分别在50℃，75℃，100℃下退火30min，60min，然后随炉冷却。⑥实验数据对比参考：测最高硬度、硬度梯度、表面粗糙度等性能指标及组织，如表2及图3和图4所示。
表2粗晶铜、高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板及喷丸加轧制处理后的表面纳米化处理后的铜板的粗糙度与最高硬度
粗晶铜 高能喷丸 高能喷丸+轧制30％
粗糙度Ra/μm 7.0 110.1 15.0
最高硬度/HV0.2 76 118 123
图3为粗晶铜(CG)、高能喷丸表面纳米化处理后的铜板(RASP)及喷丸加轧制处理后的铜板(RASP+ROLL)的截面硬度梯度分布图。从图3可以看出，高能喷丸后表层硬度提高，整个硬度呈梯度分布。轧制后表层硬度稍微降低，但仍比基体硬度高，所以仍呈梯度分布。
图4为高能喷丸表面纳米化处理后的铜板的截面透射电子组织图，图5为喷丸加轧制处理后的铜板的截面透射电子组织图，从图4和图5的组织图也可清楚观察出喷丸加轧制处理后，原有的梯度组织特征仍较为明显。
实施例3
①切割：制备一块厚度为12mm的退火态6063铝合金板，保证上下底面平行；②表面清洁：常温，使用酒精等有机溶剂去除板材上下两面的油脂。③表面纳米化处理：选择5mm的GCr15的钢丸。高能喷丸设备转速25m/s，处理时间15min。④平辊轧制：两辊四辊联轧机(两辊Φ400mm×350mm；四辊冷轧：Φ100mm/Φ380mm×350mm)。对表面纳米处理后的板材，进行轧制，保持较小的道次变形量，总变形量50％，8道次。样品厚度从12mm，轧到6mm。
表3粗晶铝、高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板及喷丸加轧制处理后的铝合金板的粗糙度与最高硬度
粗晶铝 高能喷丸 高能喷丸+轧制50％
粗糙度Ra/μm 22.1 168.5 22.0
最高硬度/HV0.2 32.6 66.2 54.0
如表3所示，高能喷丸后硬度提高，经轧制处理后表面粗糙度大幅度降低，但最高硬度略有下降。同时高能喷丸后的硬度梯度组织基本已被破坏掉，硬度从表面至心部基本保持一致，再无明显梯度分布。
实施例1～2与实施例3对比可知，轧制变形量应控制12％～30％范围内，轧制变形量过大时，破坏高能喷丸后的硬度梯度组织。
实施例4
①切割：制备一块厚度为10mm的退火态6063铝合金板，保证上下底面平行；②表面清洁：常温，使用酒精等有机溶剂去除板材上下两面的油脂。③表面纳米化处理：选择5mm的GCr15的钢丸。高能喷丸设备转速25m/s，处理时间15min。④平辊轧制：两辊四辊联轧机(两辊Φ400mm×350mm；四辊冷轧：Φ100mm/Φ380mm×350mm)。对表面纳米处理后的板材，进行轧制，保持较小的道次变形量，总变形量20％，4道次，轧制速度为5m/s。样品厚度依次从10mm，到9.5mm，到9.0mm，到8.5mm，到8mm。⑤低温短时间退火：真空退火炉对喷丸和轧制后得到的成品分别在50℃，75℃，100℃下退火30min，60min，然后随炉冷却。⑥实验数据对比参考：测拉伸等性能指标，如表4，图7和图8所示。
对比例1
①切割：制备一块厚度为10mm的退火态6063铝合金板，保证上下底面平行；②表面清洁：常温，使用酒精等有机溶剂去除板材上下两面的油脂。③低温短时间退火：真空退火炉对铝合金板分别在50℃，75℃，100℃下退火30min，60min，然后随炉冷却。⑥实验数据对比参考：测拉伸等性能指标，如表4中的CG系列所示。
对比例2
①切割：制备一块厚度为10mm的退火态6063铝合金板，保证上下底面平行；②表面清洁：常温，使用酒精等有机溶剂去除板材上下两面的油脂。③表面纳米化处理：选择5mm的GCr15的钢丸。高能喷丸设备转速25m/s，处理时间15min。④低温短时间退火：真空退火炉对喷丸后得到的成品分别在50℃，75℃，100℃下退火30min，60min，然后随炉冷却。⑥实验数据对比参考：测拉伸等性能指标，如表4中的RASP系列、图7和图8所示。
表4粗晶铝合金、高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金，喷丸加轧制处理后的铝合金及粗晶和喷丸及喷丸加轧制在不同条件下退火的断裂延伸率、屈服强度和抗拉强度
Figure BDA0000966335240000061
Figure BDA0000966335240000071
图6为粗晶铝(CG)和高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板(RASP)的工程应力-应变曲线。图7为高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板(RASP)及喷丸加轧制处理(RASP+ROLL)后的铝合金板和喷丸及喷丸加轧制在不同条件下退火的屈服强度和断裂延伸率的匹配图。图8为高能喷丸表面纳米化处理后的铝合金板(RASP)及喷丸加轧制处理(RASP+ROLL)后的铝合金板和喷丸及喷丸加轧制在不同条件下退火的抗拉强度和断裂延伸率的匹配图。
从表4和图6中可以看出，高能喷丸后屈服强度从44.9MPa提高至100.4MPa，提高了1.23倍，抗拉强度也从99.8MPa提高至110.4MPa，增加了10.6％，而断裂延伸率从39.4％下降到9.8％，降低了75.1％。可见高能喷丸后铝合金板的强度和塑性的匹配度低。
从表4、图7和图8中可看出，喷丸经过轧制后屈服强度从100.4MPa降低至81.2MPa，但抗拉强度从110.4MPa提高至114.1MPa，断裂延伸率从9.8％提高至18.2％，强度和塑性的匹配度提高，但屈服强度下降过多。喷丸加轧制样品在100℃下退火60min，使屈服强度增加至89.2MPa，抗拉强度提高至120.9MPa，断裂延伸率稍微有点降低至16％，强度和塑性的匹配度得到提高。综上所述，金属板通过喷丸加轧制在恰当的参数下低温退火既可以减小金属板的表面粗糙度，又可以提高强度和塑性的匹配度。

Claims (2)

1.一种提高金属梯度结构强度和塑性匹配度的方法，制备的金属板材具有表面粗糙度较低兼强度与塑性匹配度高的梯度组织结构，其特征在于：首先对表面清洁的6063铝合金板材进行高能喷丸表面纳米化处理，然后对表面纳米化处理后的板材进行轧制，轧制下压量为12％～30％，最后在50℃下退火30～60min或75℃下退火30min或100℃下退火60min；所述的高能喷丸表面纳米化处理采用3～5mm的钢丸，转速为25m/s，处理时间为15～30min；所述的轧制过程中的轧制速度为5m/s。
2.如权利要求1所述的提高金属梯度结构强度和塑性匹配度的方法，其特征在于：所述的轧制压下量为12％～20％。
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