CN109338256A - 一种利用局部滚压获得软硬异质层状金属薄板的制备方法 - Google Patents

一种利用局部滚压获得软硬异质层状金属薄板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种利用局部滚压获得软硬异质层状金属薄板的制备方法，具体是指通过局部剧烈塑性变形，将均匀的金属板材制备成软硬异质层状金属薄板的方法，主要涉及金属强化领域。该方法首先将硬度较低的金属板通过间隔局部滚压的形式，通过剧烈塑性变形细化部分晶粒，得到细晶和粗晶的梯度过渡，从而形成可控的硬度梯度过渡，获得具有良好强度‑塑性匹配的金属板材坯料；再通过铣削将金属板材表面凹凸不平处多余的金属去除，得到平整的软硬异质层状金属薄板。通过调整滚压区域的形状和分布，使金属的综合性能变得更加优秀，提高金属的实际工业适用范围。

Description

一种利用局部滚压获得软硬异质层状金属薄板的制备方法
技术领域
本发明涉及金属强化领域，具体为一种利用局部滚压获得软硬异质层状金属薄板的制备方法。
背景技术
通过剧烈塑性变形方式来细化晶粒提高金属材料的强度，如表面机械研磨、等通道转角滚压、高压扭转、动态塑性变形等。但是剧烈塑性变形会使得晶粒内部位错发生滑移，产生位错缠结阻碍晶格滑移，使得金属材料的强度、硬度提高，但位错缠结也会阻碍晶粒内部位错的滑移使得材料的塑性、韧性下降。金属材料强度的提升往往伴随着塑性的大幅降低。如何同时提高金属材料的强塑性一直是广大学者研究的热点。
Wu等人在《Proceedings of the National Academy of Sciences of theUnited States of America》(PNAS，2015，112(47)：14501–14505)上发表了名为“Heterogeneous lamella structure unites ultrafine-grain strength with coarse-grain ductility”的文章，介绍了一种具有高强度高塑性的异质层状结构的纯钛，这种异质层状结构的纯钛由高硬度的超细晶和高塑性的再结晶组成。该方法制得的新型金属纯钛棒材通过异质结构的变形协调作用，能够在一定程度上兼得超细晶的高强度和粗晶的高塑性，形成良好的强度-塑性匹配，提升金属钛的综合性能。
中国发明专利CN104438322A介绍了一种金属层状微梯度复合材料的制备方法，该方法利用同系列异质多层合金轧制复合与热处理工艺，通过合金元素的界面扩散来获得微梯度复合材料。这种方法的特点是(1)、界面附近化学成分和性能存在明显微梯度，利用合金元素的扩散，可以实现较好的界面结合强度。(2)、可以通过改变轧制复合工艺，叠层顺序和热处理工序调控微梯度界面的数量和微梯度层的厚度。
上述技术局限性在于，(1)、适用的金属有限，例如在纯金属中合金元素含量近乎为零，就合金元素的扩散近乎为零，这种方法就无能为力了。(2)、对板材的表面清洁度要求过高。为了保证元素能够顺利的扩散，需要板材之间充分接触。(3)、生产效率低下，需要多次的裁剪、铆接，极大地浪费了生产时间。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用局部滚压获得软硬异质层状金属薄板的制备方法。
实现本发明目的的技术方案为：
一种利用局部滚压获得软硬异质层状金属薄板的制备方法，该方法为首先将金属薄板利用间隔局部滚压的形式，其中经过滚压的部分进行塑性变形细化晶粒，提高强度、硬度；而未经过滚压的部分为粗晶粒保持的塑性、韧性，其中滚压过程中，通过调整滚压程度、滚压区间的大小和分布来调控金属薄板软硬梯度，获得具有兼具强度-塑性的金属薄板坯料；再通过铣削将金属薄板表面凹凸不平处多余的金属去除，最终得到软硬异质层状金属薄板。
进一步的，该方法具体步骤如下：
第一步，表面预处理，对金属薄板表面进行处理，去除油污和氧化膜，打磨到板材表面出现金属光泽；
第二步，滚压处理，将打磨后的金属板固定好，使用液压机对金属板进行间隔滚压，当液压机完成第一道滚压后，间隔一段距离后，在进行第二道滚压，多次进行直至板材尾端；
第三步，当上表面完成滚压后，将板材翻转至背面，再次对下表面进行滚压操作，操作步骤与上表面一致，滚压参数与上表面一致，滚压区域为上表面滚压的背面；
第四步，铣切处理，使用铣刀将滚压后金属板切削平整，并使用清水冲洗干净。
进一步的，金属薄板为3A21铝合金金属板材、H70铜合金板材、304不锈钢板材或316不锈钢。
进一步的，3A21铝合金金属板材，其成分wt.％如下Si为0.60，Fe为0.70，Cu为0.20，Mn为1.0～1.6，Mg为0.05，Zn为0.15，Ti为0.10～0.20，余量为Al及不可避免的杂质。
进一步的，铜合金板材，其成分wt.％如下：Cu为68.5～71.5，Pb≤0.03，P为0.01，Ni≤0.5，Fe≤0.1，Sb≤0.002，Bi≤0.002，剩下的为Zn和不可避免的杂质。
进一步的，304不锈钢板材，其成分wt.％如下：C占0.07，Mn占2.00，P占0.045，S占0.030，Si占1.00，Cr占18.6，Ni占9.4，余下为Fe以及一些不可避免的杂质。
进一步的，316不锈钢，其成分(wt.％)如下：C≤0.08，Si≤1，Mn≤2，P≤0.045，S≤0.03，Ni占10.0～14.0，Cr占16.5～18.5，Mo占2.0～3.0，余下为Fe和杂质。
本发明与现有技术相比具有显著优点如下：
(1)本发明通过调整滚压区间的大小和分布可以调控金属薄板的软硬程度，从而形成优秀的强度-塑性配合。
(2)本发明自动化程度高，减少了人工成本，可以大规模制备。
(3)本发明操作流程简单，生产效率高。
附图说明
图1为本发明的加工流程示意图。
其中，1是事先准备的软金属板；2是金属板滚压后的未变形区(粗晶区)，3是金属板滚压后的变形区(细晶区)，4是可旋转式球形硬质合金滚压头(压头的直径为1cm，变形区的线宽约为0.6cm)，5是滚压头的行进路线；6是铣刀；7是最终成型的软硬异质层状金属。
图2为3A21铝合金处理后的硬度梯度分布图。
其中，(a)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，总压下量为30％的金属板的硬度梯度分布图，(b)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm区域，总压下量为40％的金属板的硬度梯度分布图，(c)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端7cm，17cm处的两块3cm*10cm区域，总压下量为40％的金属板的硬度梯度分布图。
图3为H70铜合金处理后的硬度梯度分布图。
其中，(a)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，总压下量为30％的金属板的硬度梯度分布图，(b)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm区域，总压下量为40％的金属板的硬度梯度分布图，(c)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端7cm，17cm处的两块3cm*10cm区域，总压下量为40％的金属板的硬度梯度分布图。
图4为304不锈钢处理后的硬度梯度分布图。
其中，(a)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，总压下量为40％的金属板的硬度梯度分布图，(b)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm区域，总压下量为60％的金属板的硬度梯度分布图，(c)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端7cm，17cm处的两块3cm*10cm区域，总压下量为60％的金属板的硬度梯度分布图。
图5为316不锈钢处理后的硬度梯度分布图。
其中(a)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，总压下量为30％的金属板的硬度梯度分布图，(b)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm区域，总压下量为50％的金属板的硬度梯度分布图，(c)是滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端7cm，17cm处的两块3cm*10cm区域，总压下量为50％的金属板的硬度梯度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
本实施例选取三块尺寸为27cm*10cm*10mm的3A21铝合金金属板材，其成分(wt.％)如下：Si为0.60，Fe为0.70，Cu为0.20，Mn为1.0～1.6，Mg为0.05，Zn为0.15，Ti为0.10～0.20，余量为Al及不可避免的杂质。3A21铝合金的延伸率、塑性较高，但是其硬度与不锈钢相比却较低，限制了它的应用范围。为了将其制造成平整的软硬异质层状金属板材。
具体操作步骤如下：
(1)将选取的27cm*10cm*10mm的3A21铝合金金属板材进行表面预处理，使用砂轮和酒精去除表面油污和氧化膜，打磨至板材表面呈现出明亮的金属光泽为止；
(2)在室温条件下从3A21铝合金金属板的一端使用液压机对其进行间隔局部滚压，第一块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，每次压下量为0.5mm，最终轧制区域的厚度为8.5mm；第二块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，每次压下量为0.5mm，最终轧制区域的厚度为8mm；第三块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端7cm，17cm处的两块3cm*10cm区域，每次压下量为0.5mm，最终轧制区域的厚度为8mm。
(3)将铝合金翻转至下表面，再次使用液压机对下表面进行滚压，滚压区域为上表面被滚压的区域背面，滚压参数与上表面一致，最终第一块金属板的总滚压压下量为30％，第二块金属板的总滚压压下量为40％，第三块金属板的总滚压压下量为40％；
(4)等到铝合金板的双面都完成挤压之后使用铣刀将表面凹凸不平处切削，并用清水清洗干净。
如图2所示经过本发明处理后3A21铝合金板材滚压区域的硬度得到了很大的提升，而它未滚压区域的高塑性依旧被保留了下来，形成了优良的强度-塑性匹配，通过对比可以看出利用调整滚压压下量和滚压区域的分布，可以调节铝合金的硬度梯度，提高了3A21铝合金板的综合力学性能，对3A21铝合金板的实际生产和使用有着深远的影响。
实施例2
本实施例采用27cm*10cm*10mm的H70铜合金板材作为实验对象，该铜合金板材的成分如下：Cu为68.5～71.5，Pb≤0.03，P为0.01，Ni≤0.5，Fe≤0.1，Sb≤0.002，Bi≤0.002，剩下的为Zn和不可避免的杂质。H70铜合金的塑性、韧性很高，但是硬度较低，这就大大的限制了H70铜合金的使用范围。
(1)首先对选取的三块铜合金金属板材进行表面预处理，使用砂轮和酒精去除表面油污和氧化膜，打磨至板材表面呈现出明亮的金属光泽；
(2)在室温条件下使用液压机对处理干净的H70铜合金板进行间隔局部滚压，第一块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，每次压下量为0.5mm，最终轧制区域的厚度为8.5mm；第二块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，最终轧制区域的厚度为8mm；第三块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端7cm，17cm处的两块3cm*10cm区域，每次压下量为0.5mm，最终轧制区域的厚度为8mm；
(3)将铜合金板的上表面滚压完成后，将铜合金翻转至下表面，滚压区域为上表面被滚压的区域背面，滚压的参数与上表面一致，最终第一块金属板的总滚压压下量为30％，第二块金属板的总滚压压下量为40％，第三块金属板的总滚压压下量达到40％；
(4)等到铜合金板的双面都完成滚压之后使用铣刀对表面凹凸不平处进行切削，并用清水清洗干净得到一块平整光滑的金属板。
H70铜合金板经过本发明处理后综合性能发生了很大的改变，力学性能被极大地提高了。从图3中可以看出利用调整滚压压下量和滚压区域的分布，可以调节H70铜合金的硬度梯度，在保证依旧具有高塑性的同时，通过局部剧烈变形细化晶粒来提高H70铜合金的强度、硬度。使得H70铜合金获得更加优秀的强度-韧性匹配，扩大了它的应用范围。
实施例3
本实施例采用长宽高为：27cm*10cm*10mm的304不锈钢板材作为实验对象，其成分(wt.％)如下：C占0.07，Mn占2.00，P占0.045，S占0.030，Si占1.00，Cr占18.6，Ni占9.4，余下为Fe以及一些不可避免的杂质。原始304不锈钢板材的条件屈服强度≥205Mpa，抗拉强度≥520Mpa，延伸率达到40％。可以看出304不锈钢的塑性、韧性高，但强度、硬度却比较低，这一点大大限制了304不锈钢的实际生产应用。针对这一现象，进行了如下的操作。
(1)将选取的27cm*10cm*10mm的304不锈钢金属板材进行表面预处理，使用砂轮和酒精去除表面油污和氧化膜，打磨至板材表面呈现出明亮的金属光泽为止；
(2)在室温条件下使用液压机对处理干净的304不锈钢板进行间隔局部滚压，第一块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，每次压下量为0.2mm，最终轧制区域的厚度为8mm；第二块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，最终轧制区域的厚度为7mm；第三块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端7cm，17cm处的两块3cm*10cm区域，每次压下量为0.2mm，最终轧制区域的厚度为7mm；
(3)304不锈钢板的上表面滚压完成后，翻转至下表面继续进行滚压，滚压区域为上表面被滚压的区域背面，滚压的参数与上表面一致，最终第一块金属板的总滚压压下量为40％，第二块金属板的总滚压压下量为60％，第三块金属板的总滚压压下量达到60％；(4)等到不锈钢板的双面都完成滚压之后使用铣刀对表面凹凸不平处进行切削，并用清水清洗干净，得到一块平整光滑的304不锈钢金属板。
经过上述的操作过后，对处理后的304不锈钢板进行了力学测试。通过图4发现经过处理后，304薄板内部存在明显的硬度梯度，这是由于滚压造成塑性变形细化晶粒提升硬度，而未滚压区域的晶粒尺寸不变，材料的硬度没有明显变化。通过改变轧制程度和滚压区域，硬度梯度发生改变，最终形成软硬异质层状薄板。
实施例4
本实施例采用三块尺寸为27cm*10cm*10mm的316不锈钢作为实验对象，其成分(wt.％)如下：C≤0.08，Si≤1，Mn≤2，P≤0.045，S≤0.03，Ni占10.0～14.0，Cr占16.5～18.5，Mo占2.0～3.0，余下为Fe和杂质。
(1)将选取的三块的316不锈钢板进行表面预处理，使用砂轮和酒精去除表面油污和氧化膜，打磨至板材表面呈现出明亮的金属光泽为止；
(2)在室温条件下使用液压机对处理干净的316不锈钢板进行间隔局部滚压，第一块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，每次压下量为0.1mm，最终轧制区域的厚度为8.5mm；第二块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，每次压下量为0.1mm，最终轧制区域的厚度为7.5mm；第三块金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端7cm，17cm处的两块3cm*10cm区域，每次压下量为0.1mm，最终轧制区域的厚度为7.5mm；
(3)316不锈钢板的上表面滚压完成后，翻转至下表面继续进行滚压，滚压区域为上表面被滚压的区域背面，滚压的参数与上表面一致，最终第一块金属板的总滚压压下量为30％，第二块金属板的总滚压压下量为50％，第三块金属板的总滚压压下量达到50％；
(4)等到不锈钢板的双面都完成滚压之后使用铣刀对表面凹凸不平处进行切削，并用清水清洗干净，得到一块平整光滑的316不锈钢金属板。
对上述实施例得到的316不锈钢薄板进行力学测试，从图5中可以看出经过处理316不锈钢薄板内部存在明显的硬度梯度，这是由于间隔滚压产生塑性变形细化晶粒提升硬度，而未变形区域的晶粒尺寸没有明显变化，两种晶粒的不同硬度形成了材料的硬度梯度。通过改变滚压程度和滚压区域，调节材料的硬度梯度，获得优良的强度-塑性匹配，最终形成性能优异的软硬异质层状薄板。

Claims (8)

1.一种利用局部滚压获得软硬异质层状金属薄板的制备方法，其特征在于，首先将金属薄板利用间隔局部滚压的形式，其中经过滚压的部分进行塑性变形细化晶粒，提高强度、硬度；而未经过滚压的部分为粗晶粒保持的塑性、韧性，其中滚压过程中，通过调整滚压程度、滚压区间的大小和分布来调控金属薄板软硬梯度，获得具有兼具强度-塑性的金属薄板坯料；再通过铣削将金属薄板表面凹凸不平处多余的金属去除，最终得到软硬异质层状金属薄板。
2.根据权利要求1所述的软硬异质层状金属薄板的制备方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
第一步，表面预处理，对金属薄板表面进行处理，去除油污和氧化膜，打磨到板材表面出现金属光泽；
第二步，滚压处理，将打磨后的金属板固定好，使用液压机对金属板进行间隔滚压，当液压机完成第一道滚压后，间隔一段距离后，在进行第二道滚压，多次进行直至板材尾端；
第三步，当上表面完成滚压后，将板材翻转至背面，再次对下表面进行滚压操作，操作步骤与上表面一致，滚压参数与上表面一致，滚压区域为上表面滚压的背面；
第四步，铣切处理，使用铣刀将滚压后金属板切削平整，并使用清水冲洗干净。
3.根据权利要求1或2所述的软硬异质层状金属薄板的制备方法，其特征在于，所述的金属薄板为3A21铝合金金属板材、H70铜合金板材、304不锈钢板材或316不锈钢。
4.根据权利要求3所述的软硬异质层状金属薄板的制备方法，其特征在于，所述的3A21铝合金金属板材，其成分wt.％如下Si为0.60，Fe为0.70，Cu为0.20，Mn为1.0～1.6，Mg为0.05，Zn为0.15，Ti为0.10～0.20，余量为Al及不可避免的杂质。
5.根据权利要求3所述的软硬异质层状金属薄板的制备方法，其特征在于，所述的铜合金板材，其成分wt.％如下：Cu为68.5～71.5，Pb≤0.03，P为0.01，Ni≤0.5，Fe≤0.1，Sb≤0.002，Bi≤0.002，剩下的为Zn和不可避免的杂质。
6.根据权利要求3所述的软硬异质层状金属薄板的制备方法，其特征在于，所述的304不锈钢板材，其成分wt.％如下：C占0.07，Mn占2.00，P占0.045，S占0.030，Si占1.00，Cr占18.6，Ni占9.4，余下为Fe以及一些不可避免的杂质。
7.根据权利要求3所述的软硬异质层状金属薄板的制备方法，其特征在于，所述的316不锈钢，其成分(wt.％)如下：C≤0.08，Si≤1，Mn≤2，P≤0.045，S≤0.03，Ni占10.0～14.0，Cr占16.5～18.5，Mo占2.0～3.0，余下为Fe和杂质。
8.根据权利要求4所述的软硬异质层状金属薄板的制备方法，其特征在于，3A21铝合金金属板材的制备方法，具体操作步骤如下：
(1)将选取的27cm*10cm*10mm的3A21铝合金金属板材进行表面预处理，使用砂轮和酒精去除表面油污和氧化膜，打磨至板材表面呈现出明亮的金属光泽为止；
(2)在室温条件下从3A21铝合金金属板的一端使用液压机对其进行间隔局部滚压，金属板滚压区域为从长度方向分别距离金属板左端3cm，9cm，15cm，21cm处的四块3cm*10cm的区域，每次压下量为0.5mm，最终轧制区域的厚度为8.5mm；
(3)将铝合金翻转至下表面，再次使用液压机对下表面进行滚压，滚压区域为上表面被滚压的区域背面，滚压参数与上表面一致，金属板的总滚压压下量为30％；
(4)等到铝合金板的双面都完成挤压之后使用铣刀将表面凹凸不平处切削，并用清水清洗干净。
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