CN109182697A - 一种金属板材表面强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属板材表面强化方法，其特征在于，包括：将金属板材进行多道次小变形的轧制，从而使金属板材的表面得到强化。本发明的金属板材内部由中心层到表面层累积应变递增，金相组织细化递增，从而实现金属板材的表面强度提高、中心层具有一定塑韧性的目标要求。

Description

一种金属板材表面强化方法

技术领域

本发明涉及一种金属板材表面强化的方法，尤其是一种用于强化金属板材的外表层，使其具有更高的强度、硬度以及耐磨性的工艺，中心层具有一定塑韧性。

背景技术

金属板材作为人类使用的最传统和最主要的板材材料，其经济性和性能多样性的结合是目前任何一类工程材料难以媲美的，并在今后相当长的时间内仍将发挥主导作用。但也应该看到，金属板材的生产正面临着能源、资源和环境问题的巨大压力，同时也面临着其它材料的激烈竞争。于是，生产出一些具有高强度、高硬度以及高耐磨性的金属板材就十分有必要了。目前也有一些可以提高金属表面强度、硬度和耐磨性的方法，如：喷丸、渗氮等工艺可有效提高金属表面的强度和硬度以及增加耐磨性。一般来说，喷丸强化工艺所产生的残余应力层深度较小(一般在0.2-0.3mm)，并且不易在现有的制造生产线上采用传统的机加工设备实现，多数情况下喷丸处理会因丸粒冲击形成塑形压痕是被处理工件表面粗糙度增加，但影响喷丸后表面粗糙度的因素较多，如被喷材料的原始粗糙度、硬度，丸粒的硬度、材质，以及喷丸覆盖率和喷丸速度等。而且喷丸对薄板工件的处理容易使工件变形，对带有油污的工件，需要清理表面油污，清理效率低，操作人员多，劳动强度大等缺点，进一步限制其应用范围；渗氮工艺易出现硬度偏低，硬度和渗层不均匀，变形过大，外观质量差，生产工艺复杂，金属应用范围窄等缺点，同样使其应用受到限制。超大塑性变形法，如：等通道转角挤压、累积叠轧、表面机械研磨和高压扭转变形等，通过对金属板材反复进行挤压或扭转，从而积累大量应变，进而能够有效地将金属材料内部的晶粒细化，制备出块体超细晶材料，但是用这种方法制备的试样尺寸小，难于实现连续化生产。极限热机械加工技术，如：大过冷、大变形条件下的γ→α相变、具有弥散分布第二相的铁素体动态再结晶、自发逆相变。这种加工技术能够得到超细晶，具有很好的增加表面硬度、强度和耐磨性的效果，但是这些方法一旦用于生产，成本特别高，不符合我国新一代金属板材低成本、大规模生产的要求。总之，上述的这些工艺结构复杂，生产成本高，不适用于大规模的连续化生产。与其它提高金属板材强度的方法相比，本发明工艺的最大优势在于它与现行钢铁生产工艺流程接近，在现有轧制设备上或经过一定改造的设备上就可以实现，生产成本低，符合我国新一代金属板材低成本、大规模生产的要求，因而具有广阔的发展前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属表面强化工艺，该工艺过程简单，并且能根据实际生产的需要，进行工业化大生产，生产表面具有强度高，硬度大且耐磨的金属板材。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种金属板材表面强化方法，其特征在于，包括：将金属板材进行多道次小变形的轧制，从而使金属板材的表面得到强化。

所述的多道次小变形的轧制能够使金属板材内部形成由中心层到表层累积应变递增、金相组织细化递增的金属组织结构，从而使金属板材的表面得到强化，中心层具有塑韧性。

较佳地，所述的轧制为采用一台二辊、四辊或六辊可逆轧机进行可逆来回多道次的小变形轧制，得到生产所需的尺寸的金属板材。

较佳地，所述的多道次小变形的轧制的每一道次压下变形控制在0.10-15.0％之间。可根据金属板材尺寸、轧机的轧辊直径等不同在上述范围内调整。

较佳地，所述的金属板材的内部的累积应变量可以结合每一道次的变形量和可逆轧机的来回轧制道次数进行调整。

本发明采用现有的Marc有限元软件进行轧制的有限元仿真模拟计算分析，Marc有限元软件采用的原理为：

(1)经过m道次(m≥2)小变形的轧制后，金属板材的应变积累ε_A用下式计算：

其中，i表示道次数，m≥i≥1，m为实际所需要轧制的道次数，当计算第一道次的应变积累ε_A时，ε_eq-1为初始等效应变，具体的取值根据所要求加工的板材而定，不同材料的板材，以及加工板材的工艺都会影响板材的初始等效应变，可以用ε_eq-1＝1.15[-ln(1-e)]计算得到,是工程应变,h₀表示初始的板材厚度，h₁表示原始板材轧制后的板材厚度；当计算第二道次以上的应变积累ε_A时，ε_eq-1为前一道次的等效应变，取值与该前一道次的应变积累ε_A相同；

X_i为经过第i道次小变形的轧制后的再结晶体积分数，计算公式为：其中，i表示第i道次，n表示划分时间的步长数目，k为与温度有关的常数，t为每道次轧制的时间，B为晶界的迁移率，B₀为材料常数，Q为晶界迁移激活能，R为晶粒半径，T为温度。

所述的X_i的计算原理为：

静态再结晶动力学可以用Avrami方程描述：

X＝1-exp(-Bt^k)

X为再结晶体积分数，k为与温度有关的常数，t为每道次轧制的时间，B为晶界的迁移率，B₀为材料常数，Q为晶界迁移激活能，R为晶粒半径，T为温度。

其中，i表示第i道次，n表示第i道次划分的时间步长数目。

(2)计算常规一次轧制时的等效应变时，假设平面应变的条件下，应变在板厚方向和板宽方向的分布是均匀的，根据道次的压下量可计算每个道次的等效应变为：

ε_eq＝1.15[-ln(1-e)]

式中1.15是von Mises因子,是工程应变，h₀表示初始的板材厚度，h₁表示轧制后的板材厚度。

在轧制变形的基础上，通过对金属板材的来回可逆多道次小变形轧制，使其上下表面发生进一步的累积塑性变形，让上下表面晶粒更加细化、位错密度(变形储存能)更大。根据Hall-petch关系式σ_s表示屈服强度，σ₀表示单晶屈服强度，k为常数(与材料有关)，d表示晶粒大小。可知，其表面的强度也更大，从而达到强化金属板材表面的目的。

本发明将要求进行表面强化的金属板材，根据需要达到的表面强化和中心层具有一定塑韧性的技术要求，结合该金属材料的变形抗力曲线等资料，确定需要达到表层强化的累积应变量。同时结合金属塑性变形有限元模拟计算，确定金属板材轧制的每道次变形量、轧制道次数以及最终要达到的累积应变量。根据表面强化的金属板材的具体情况，选择一台二辊(或四辊、或六辊)可逆轧机，实现小变形(根据金属板材尺寸、轧机的轧辊直径等不同，每一道次压下变形控制在0.10—15.0％之间)、多道次轧制，从而达到金属板材表面累积应变大(位错密度大)、中心层累积应变小(位错密度小)的梯度金相组织结构分布状态。在金属板材得到所需厚度尺寸同时，又使其内部由中心层到表面层累积应变递增，金相组织细化递增，从而实现金属板材的表面强度提高、中心层具有一定塑韧性的目标要求。

根据表面强化的金属板材的具体情况，选择一台二辊(或四辊、或六辊)可逆轧机，实现小变形、多道次轧制，达到金属板材内部累积应变量的梯度分布金属组织结构。使金属板材发生小变形后的累积应变量，可以结合有限元模拟计算，调整可逆轧机的来回轧制道次数等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的金属板材内部由中心层到表面层累积应变递增，金相组织细化递增，从而实现金属板材的表面强度提高、中心层具有一定塑韧性的目标要求。

2、本发明可以在现有的一台二辊(或四辊、或六辊)可逆轧机实施。这类可逆轧机的装置结构简单、制造方便、性能可靠且适应于工业化生产。

附图说明

图1为本发明的采用的一台六辊可逆轧机结构示意图。图中，1为轧机机架；2为开卷机；3为电机；4为1#张力卷曲机；5为2#张力卷曲机。

图2为轧辊半径为50mm一次性轧的云图；

图3为轧辊半径为50mm多道次轧的云图；

图4为半径为50mm的轧辊取的第一个点图；

图5为半径为50mm的轧辊取的第二个点图；

图6为半径为50mm的轧辊取的第三个点图；

图7为轧辊半径为70mm一次性轧的云图；

图8为轧辊半径为70mm多道次轧的云图；

图9为半径为70mm的轧辊取的第一个点图；

图10为半径为70mm的轧辊取的第二个点图；

图11为半径为70mm的轧辊取的第三个点图；

图12为轧辊半径为90mm一次性轧的云图；

图13为轧辊半径为90mm多道次轧的云图；

图14为半径为90mm的轧辊取的第一个点图；

图15为半径为90mm的轧辊取的第二个点图；

图16为半径为90mm的轧辊取的第三个点图；

图17为4mm厚硬度趋势图；

图18为12.9mm厚硬度趋势图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明各实施例中的轧制可采用现有的二辊、四辊或六辊可逆轧机实施，例如图1所示的六辊可逆轧机。可以根据需要表面强化的金属板带材的实际使用要求，进行成卷的金属板带轧制，或单张金属板的轧制。

实施例1

用Marc有限元软件对黄铜H85板材进行轧制的有限元仿真模拟计算分析，分别用轧辊半径为90mm、70mm、50mm的轧机对相同规格(50×50×10mm)的黄铜H85板材分别进行一次轧制压下1mm与10道次轧制压下1mm(即每次轧制压下0.1mm)的仿真模拟分析。轧制仿真完成后取两块相同轧辊半径仿真出来的板材的同部位的节点，取出其节点的等效应变值，分析两种轧制方法所得到的等效应变的大小。

轧辊半径为50mm的仿真参数(R/H＝5，R为轧辊半径，H为板材厚度)：

表格1轧辊半径为50mm一次性轧值

表格2轧辊半径为50mm多道次轧制

仿真云图如图2和图3所示。仿真随机提取的一次性轧和多道次轧的三组数据对比图如图4-6所示。

轧辊半径为70mm的仿真参数(R/H＝7)：

表格3轧辊半径为70mm一次性轧参数

表格4轧辊半径为70mm多次轧

仿真云图如图7和图8所示。仿真随机提取的一次性轧和多道次轧的三组数据对比图如图9-11所示。

轧辊半径为90mm的仿真参数(R/H＝9)：

表格5轧辊半径为90mm一次性轧

表格6轧辊半径为90mm多次轧

仿真云图如图12和图13所示。仿真随机提取的一次性轧和多道次轧的三组数据对比图如图14-16所示。

由仿真所得的数据曲线图可以清楚地看出，经过多道次轧制后的板材的表面的等效应变量要大于一次性轧下的，说明多道次小变形轧制金属板材能够使板材的表面得到强化。

由仿真数据图可看出，轧辊半径与板材厚度的比值对表面强化也是有影响的，在同一个节点上，R/H＝7的多道次轧制出的等效应变量与一次性轧制出来的差要大于R/H＝5的轧辊轧制出来的等效应变量，R/H＝9的多道次轧制出的等效应变量与一次性轧制出来的差要大于R/H＝7的轧辊轧制出来的等效应变量。

其它条件相同的情况下，R/H的值越大，两个表面的等效应变量也就越大。

经多道次轧制的金属板材厚度中心层的等效应变不如一次性轧制所得的大，说明多道次轧制可以保留中心层部位的一定的塑韧性。

实施例2

轧制试验。在确保总压下量一样的条件下，分别对4mm厚和12.9mm厚的黄铜板条进行少道次轧制(n＝1)和多道次轧制(n＝15/20)。将轧制后的材料直接在维氏硬度计硬度计上测量厚度方向的显微硬度分布。从图17和18中可看出，通过多道次小变形冷轧工艺，可以有效实现H85黄铜的表层塑性变形、细化晶粒、提高表层硬度。而基体金属材料的中间层保留了一定的退火组织，保证了其一定的塑性和韧性。这种多道次小变形冷轧工艺可以实现金属板材厚度上的梯度组织分布结构，从而实现金属板材的表面强度提高、中心层具有一定塑韧性的目标要求。

Claims (5)

1.一种金属板材表面强化方法，其特征在于，包括：将金属板材进行多道次小变形的轧制，从而使金属板材的表面得到强化。

2.如权利要求1所述的金属板材表面强化方法，其特征在于，所述的多道次小变形的轧制能够使金属板材内部形成由中心层到表层累积应变递增、金相组织细化递增的金属组织结构，从而使金属板材的表面得到强化，中心层具有塑韧性。

3.如权利要求1所述的金属板材表面强化方法，其特征在于，所述的轧制为采用一台二辊、四辊或六辊可逆轧机进行可逆来回多道次的小变形轧制，得到生产所需的尺寸的金属板材。

4.如权利要求1所述的金属板材表面强化方法，其特征在于，所述的多道次小变形的轧制的每一道次压下变形控制在0.10-15.0％之间。

5.如权利要求1所述的金属板材表面强化方法，其特征在于，所述的金属板材的内部的累积应变量结合每一道次的变形量和可逆轧机的来回轧制道次数进行调整。