CN109136804A - 高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法 - Google Patents

高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强韧超细双相片层结构QAl10‑4‑4铝青铜合金的板材的制备方法，该方法首先进行双相组织调控预热处理。将QAl10‑4‑4铝青铜合金原始材料在热处理炉中850～920℃高温处理2～5小时，之后依次进行强变形非对称连续轧制，对称连续轧制，变形后热处理。得到的组织中面心立方Cu基固溶体α相和体心立方结构的β’相呈片层状分布，片层内与片层群界处弥散分布着大量金属间化合物k相。材料具备不小于900MPa以上的屈服强度，抗拉强度不小于1000MPa，硬度不小于390HV，断裂延伸率不小于8％。与现有的技术相比，本发明方法不仅能够提高QAl10‑4‑4铝青铜合金的性能，同时工艺简单、易于操作，生产成本低，可以实现制备大尺寸块体QAl10‑4‑4铝青铜合金板材的制备。

Description

高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制 备方法
技术领域
本发明属于铜合金材料加工技术领域，具体涉及到一种高强韧超细双相片层状组织QAl10-4-4铝青铜合金的制备方法。
背景技术
QAl10-4-4铝青铜合金具有良好的铸造性能、力学性能和耐腐蚀性,是一种在工业领域被广泛应用的重要结构材料。该合金价格相对便宜，从20世纪50年代开始即投入大规模工业化生产。现今已广泛应用于家电、机械等民用工业和炮弹、船舶、飞机、舰艇等军用工业高应力下工作的耐磨零件。另外，QAl10-4-4铝青铜合金在焊接、防爆器、形状记忆合金及海水淡化方面也具有广泛的应用前景。
提高强度并保留一定的塑性，一直是镍铝青铜合金等结构材料性能优化的方向，另外所选用制备方法的大规模工业化生产成本也是需要考虑的重要因素。铸态QAl10-4-4铝青铜合金的硬度、屈服强度、抗拉强度通常分别在240HV、320MPa、700MPa上下，断裂延伸率在18％左右。而经过各种物理作用特殊处理的材料，通常高塑性和高强度难以兼得。例如，专利CN104313365A公布了一种依托搅拌摩擦加工方法获得了一种具有表层细晶且具有梯度组织结构的镍铝青铜合金，其断裂延伸率为7.0％，屈服强度为仅为413MPa。专利CN104862522A中公开了一种硬度可达460HV的镍铝青铜制备方法，但几乎无塑性。发明专利CN104388749A公开的一种锰铝青铜合金及其制备方法中，且由于添加元素较多，熔炼过程较为复杂。该发明方法主要针对提高耐磨性能，抗拉强度不超过650MPa。
细晶强化是同时提升材料强度和塑性的有效手段。传统的强烈塑性变形方式(Severe Plastic Deformation：SPD)可以实现材料组织结构的细化，但是由于设备的限制，难以投入大规模工业生产。因此通过如叠轧或等通道转角挤压(Equal-channelAngular Pressing：ECAP)等传统手段很难获得具有超细晶(有效晶粒尺寸小于1微米)或者纳米晶(有效晶粒尺寸小于100纳米)的大尺寸块体材料，然而非对称(异步)轧制不受此限制。然而，当材料达到纳米晶或者亚微米尺度后，尽管材料的硬度、强度显著提升，但是其塑性及应变硬化能力显著降低。近来，X.L.Wu等学者发现通过变形和热处理组织调控，可以实现钢中和钛中的组织具有均匀的超细片层结构，进而获得兼具高强度和高塑韧性材料。(参见文献Acta Materialia,2016,109:213-222；Materials Research Letters,2014,2(4):185-191.)。由于力学的各向异性，具有片层状组织结构会有效促进微观应力应变分配，在材料相界或晶界处产生背应力强化的同时，可以延迟材料的颈缩，提高材料的塑性。这为制备良好的综合力学性能的大尺寸块体材料提供了理论依据。目前采用SPD工艺技术制备超细晶和纳米晶纯铜、或者铜合金方面已有报道，但是由于所制备的材料受尺寸和制备设备的局限，并没有广泛应用。而目前采用强变形异步轧制或者异步同步混合轧制的方法制备兼具高强度和高塑韧型的大尺寸片层结构块体铜合金鲜有报道。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种依托大变形温轧及后续热处理，得到具有高硬度、高强度同时具备较高塑性的高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)双相组织调控预热处理：QAl10-4-4铝青铜合金原料置于850℃～920℃的热处理炉中保温2～5h，获得均匀的双相组织的第一半成品板材；
(2)强变形非对称中温连续轧制：经步骤(1)处理后得到的第一半成品板材立即进行大变形非对称轧制处理，轧辊初始温度为室温，板材上下表面的轧辊的线速度比为1.2～2.5：1，非对称轧制的轧总压下量不低于60％，终轧温度不低于700℃，得到第二半成品板材；
(3)对称中温连续轧制：经步骤(2)非对称轧制处理后得到的第二半成品板材立即进行对称轧制处理，轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，对称轧制的轧下量不低于20％，终轧温度不低于550℃，得到第三半成品板材；
(4)变形后热处理：经步骤(3)处理后的第三半成品板材进行淬火处理至室温后，再次进行低温时效处理，时效温度为200℃～400℃，保温时间为1h～3h，获得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材；
或者将经步骤(3)处理后的第三半成品板材直接放入热处理炉中进行低温时效处理，时效温度为300℃～400℃，保温时间1h～2h，获得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材。
步骤(1)中所述的第一半成品板材组织包括比例相当的等轴状α相与β’相两相混合组织，或比例相当的等轴状α、β’相以及弥散分布的k相三相混合组织。
步骤(1)中QAl10-4-4铝青铜合金原料的状态为热锻态、热轧态、退火态或固溶时效处理态。
步骤(2)所述的大变形非对称轧制采用2道次大压下量，其中第一道次下压量为40％，第二道次下压量为20％。
步骤(2)所述的大变形非对称轧制所用板材的初始温度为850℃～920℃，终轧温度为700～750℃。
步骤(3)所述的对称轧制所用板材初始温度为700～750℃，终轧温度为550℃。
步骤(4)所得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材组织为片层状分布的(α+β’)相混合物，片层内与片层间界处弥散分布着细小的金属间化合物k相。
步骤(4)所得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材的屈服强度不小于900MPa，硬度不小于390HV，断裂延伸率不小于8％。
本发明以普通QAl10-4-4铝青铜合金为原料，采用固溶热处理、不对称轧制处理、对称轧制、低温时效热处理等方法，利用轧制过程中产生的剪切作用使组织细化，同时将等轴晶双相组织改造成片层结构双相组织，利用双相之间力学性能的差异产生背应力强化。再利用低温热处理使材料内部组织发生复及部分再结晶增加其韧性及塑性。该种板材除具备一般大变形轧制后带来的细晶强化及位错强化优势外，另有双相片层状结构带来的背应力强化，故综合力学性能优异。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.相对于现有技术，本发明方法制备的QAl10-4-4铝青铜合金板材晶粒尺寸细小，结构为双相片层状组织，具有优异的综合力学性能，制备的合金板材的屈服强度不小于1000MPa，抗拉强度不小于1070MPa，硬度不小于390HV，断后延伸率不小于8％。
2.本发明制备方法中采用的中温段大变形轧制，相对于高温变形轧制，一方面，中温可以显著降低能耗，节约成本；另外一方面，中温段强变形轧制可以抑制晶粒快速再结晶长大，实现铝青铜合金的组织结构超细化，提高材料的强度和塑韧性。此外，相对于低温轧制，材料易于变形，确保轧制效果，更重要的是利用中温变形过程中的动态回复和再结晶可以诱发大量的k相析出，达到了析出相弥散强化的效果，从而节省了常规QAl10-4-4铝青铜合金后续长时间时效处理使k相析出完全的步骤，提高了生产效率并节约能源和降低了成本。
3.相对于传统的强烈塑性变形SPD技术所制备的超细晶或者纳米晶高强韧材料，本发明采用的强变形异步中温连续轧制的方法，克服了SPD技术受模具和产品尺寸的限制，不需要专门设计模具和设备改进，采用常规工业化生产设备，如轧机和热处理炉即可实现大规模化工业生产，该技术工艺简单、易于操作，生产成本低，可以实现制备大尺寸块体QAl10-4-4铝青铜合金板材的制备。
附图说明
图1为本发明QAl10-4-4铝青铜合金板材原料的典型组织金相照片；
图2为本发明制备的高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材扫描电镜组织照片；
图3为本发明制备的高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材的拉伸力学性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。需要指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
以热轧处理状态下的普通QAl10-4-4铝青铜合金板材为初始材料制备高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材的步骤如下：
步骤一、双相组织调控预热处理：将初始厚度为10mm的热轧处理状态下的QAl10-4-4铝青铜合金板材置于900℃的热处理炉中保温5h，获得均匀的双相组织的第一半成品板材，所得组织为等轴状α相与β相与颗粒状k2相，其典型的组织金相见附图1；
步骤二、强变形非对称中温连续轧制：经步骤一热处理后得到的第一半成品板材立即进行大变形非对称轧制处理，利用非对称轧制过程中产生的剪切作用使材料发生强烈的塑性变形而导致组织超细化，轧辊初始温度为室温，板材上下表面的轧辊的线速度比为1.5：1，非对称轧制分为两道次，第一道次的轧下量为4mm，第二道次的轧下量为2mm，得到第二半成品板材；
步骤三、对称连续轧制：经步骤二不对称轧制处理后得到的第二半成品板材立即进行对称轧制处理，轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，校正板型并进一步细化组织。轧制为单道次，轧下量为2mm，得到第三半成品板材，其显微组织包括α相、β相和各类k相(k1、k2、k3、k4)；
步骤四、变形后热处理：经步骤三处理后的第三半成品板材进行淬火处理至室温后，再次进行低温时效处理，时效温度为200℃保温时间1h，利用低温热处理使材料内部组织发生部分再结晶并增加其可变形能力，获得高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材。板材样品经扫描电镜分析所得的典型组织照片见附图2，内部呈(α+β/)双相片层状组织，弥散分布着形状各异的、细小的析出k相组织，其中有片层状k3相在α、β/相界析出；板材经拉伸测试所得的典型工程应力应变曲线如图3所示，板材的抗拉强度超过1050MPa，屈服强度超过1000MPa，断裂延伸率接近8％。
实施例2
以退火状态下的普通QAl10-4-4铝青铜合金板材为初始材料制备高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材的步骤如下：
步骤一、双相组织调控预热处理：将初始厚度为10mm的热轧处理状态下的QAl10-4-4铝青铜合金板材置于850℃的热处理炉中保温2h，获得均匀的双相组织的第一半成品板材；
步骤二、强变形非对称中温连续轧制：经步骤一热处理后得到的第一半成品板材立即进行大变形非对称轧制处理，轧辊初始温度为室温，板材上下表面的轧辊的线速度比为1.2：1，非对称轧制分为两道次，第一道次的轧下量为4mm，第二道次的轧下量为2mm，得到第二半成品板材；
步骤三、对称连续轧制：经步骤二不对称轧制处理后得到的第二半成品板材立即进行对称轧制处理，轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，校正板型并进一步细化组织。轧制为单道次，轧下量为2mm，得到第三半成品板材；
步骤四、变形后热处理：经步骤三处理后的第三半成品板材进行淬火处理至室温后，再次进行低温时效处理，时效温度为400℃保温时间3h，利用低温热处理使材料内部组织发生部分再结晶并增加其可变形能力，获得高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材。板材的抗拉强度超过1100MPa，屈服强度超过1000MPa，断裂延伸率接近8％。
实施例3
以固溶时效状态下的普通QAl10-4-4铝青铜合金板材为初始材料制备高强韧双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材的制备方法，其步骤与实施例2基本相同，不同之处在于，省去步骤一。所得板材的抗拉强度超过1100MPa，屈服强度超过900MPa，断裂延伸率接近8.5％。
实施例4
一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材的制备方法，其步骤与实施例2基本相同，不同之处在于，步骤四中变形后热处理变为将第三半成品板材置于400℃的热处理炉中保温1h。
实施例5
一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤一中双相组织调控预热处理中保温温度为920℃。所得的第一半成品板材组织为等轴状α相与β相。
实施例6
一种高强韧双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤二中强变形非对称温轧制板材上下表面的轧辊的线速度比为2.5：1，轧制为单道次，轧下量为6mm。
实施例7
一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法，包括以下步骤：
(1)双相组织调控预热处理：QAl10-4-4铝青铜合金原料置于850℃的热处理炉中保温5h，获得均匀的双相组织的第一半成品板材；所述的第一半成品板材组织为比例相当的等轴状α、β’相以及弥散分布的k相三相混合组织。QAl10-4-4铝青铜合金原料的状态为固溶时效处理态。
(2)强变形非对称中温连续轧制：经步骤(1)处理后得到的第一半成品板材立即进行大变形非对称轧制处理，轧辊初始温度为室温，板材上下表面的轧辊的线速度比为1.2：1，板材初始温度为850℃，非对称轧制采用2道次大压下量，其中第一道次下压量为40％，第二道次下压量为20％，轧总压下量不低于60％，终轧温度不低于700℃，得到第二半成品板材；
(3)对称中温连续轧制：经步骤(2)非对称轧制处理后得到的第二半成品板材立即进行对称轧制处理，轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，对称轧制所用板材初始温度为700℃，对称轧制的轧下量不低于20％，终轧温度不低于550℃，得到第三半成品板材；
(4)变形后热处理：经步骤(3)处理后的第三半成品板材进行淬火处理至室温后，再次进行低温时效处理，时效温度为200℃，保温时间为3h，获得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材；所得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材组织为片层状分布的(α+β’)相混合物，片层内与片层间界处弥散分布着细小的金属间化合物k相。
所得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材的屈服强度不小于900MPa，硬度不小于390HV，断裂延伸率不小于8％。
实施例8
一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法，包括以下步骤：
(1)双相组织调控预热处理：QAl10-4-4铝青铜合金原料置于920℃的热处理炉中保温2h，获得均匀的双相组织的第一半成品板材；所述的第一半成品板材组织包括比例相当的等轴状α相与β’相两相混合组织，QAl10-4-4铝青铜合金原料的状态为热锻态。
(2)强变形非对称中温连续轧制：经步骤(1)处理后得到的第一半成品板材立即进行大变形非对称轧制处理，轧辊初始温度为室温，板材上下表面的轧辊的线速度比为2.5：1，板材初始温度为920℃，大变形非对称轧制采用2道次大压下量，其中第一道次下压量为40％，第二道次下压量为20％，轧总压下量不低于60％，终轧温度不低于700℃，得到第二半成品板材；
(3)对称中温连续轧制：经步骤(2)非对称轧制处理后得到的第二半成品板材直接放入热处理炉中进行低温时效处理，时效温度为300℃～400℃，保温时间1h～2h，获得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材，然后进行对称轧制处理，轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，对称轧制所用板材初始温度为750℃，对称轧制的轧下量不低于20％，终轧温度不低于550℃，得到第三半成品板材；所述的，终轧温度为550℃。
(4)变形后热处理：经步骤(3)处理后的第三半成品板材进行淬火处理至室温后，再次进行低温时效处理，时效温度为400℃，保温时间为1h，获得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材；所得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材组织为片层状分布的(α+β’)相混合物，片层内与片层间界处弥散分布着细小的金属间化合物k相。
所得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材的屈服强度不小于900MPa，硬度不小于390HV，断裂延伸率不小于8％。

Claims (8)

1.一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)双相组织调控预热处理：QAl10-4-4铝青铜合金原料置于850℃～920℃的热处理炉中保温2～5h，获得均匀的双相组织的第一半成品板材；
(2)强变形非对称中温连续轧制：经步骤(1)处理后得到的第一半成品板材立即进行大变形非对称轧制处理，轧辊初始温度为室温，板材上下表面的轧辊的线速度比为1.2～2.5：1，非对称轧制的轧总压下量不低于60％，终轧温度不低于700℃，得到第二半成品板材；
(3)对称中温连续轧制：经步骤(2)非对称轧制处理后得到的第二半成品板材立即进行对称轧制处理，轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，对称轧制的轧下量不低于20％，终轧温度不低于550℃，得到第三半成品板材；
(4)变形后热处理：经步骤(3)处理后的第三半成品板材进行淬火处理至室温后，再次进行低温时效处理，时效温度为200℃～400℃，保温时间为1h～3h，获得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材；
或者将经步骤(3)处理后的第三半成品板材直接放入热处理炉中进行低温时效处理，时效温度为300℃～400℃，保温时间1h～2h，获得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的第一半成品板材组织包括比例相当的等轴状α相与β’相两相混合组织，或比例相当的等轴状α、β’相以及弥散分布的k相三相混合组织。
3.根据权利要求1所述的一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法，其特征在于，步骤(1)中QAl10-4-4铝青铜合金原料的状态为热锻态、热轧态、退火态或固溶时效处理态。
4.根据权利要求1所述的一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的大变形非对称轧制采用2道次大压下量，其中第一道次下压量为40％，第二道次下压量为20％。
5.根据权利要求1所述的一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的大变形非对称轧制所用板材初始温度为850℃～920℃，终轧温度为700～750℃。
6.根据权利要求1所述的一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的对称轧制所用板材初始温度为700～750℃，终轧温度为550℃。
7.根据权利要求1所述的一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法，其特征在于，步骤(4)所得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材组织为片层状分布的(α+β’)相混合物，片层内与片层间界处弥散分布着细小的金属间化合物k相。
8.根据权利要求1所述的一种高强韧超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金的板材的制备方法，其特征在于，步骤(4)所得超细双相片层结构QAl10-4-4铝青铜合金板材的屈服强度不小于900MPa，硬度不小于390HV，断裂延伸率不小于8％。
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