CN109433821A - 一种大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法 - Google Patents

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宋小琴
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范勇
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Abstract

本发明公开了一种大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，包括以下步骤：①表面处理：取铝基碳化硼复合材料板坯，打磨表面飞边和毛刺，清洗后吹干；②预热：将步骤①所得的板坯置于加热炉中加热至450℃‑620℃，再保温10min‑140min，使板坯受热均匀；③轧制：将步骤②预热后的板坯以10%‑35%的道次扎制比依次进行轧制；④成型：重复步骤②和③，直至获得产品所要求规格的碳化硼‑铝合金复合材料板材。通过本发明制得的板材长度可达6000mm，且板材中部产品尺寸范围内无肉眼可见裂纹、凹坑、缩孔等明显缺陷；板材表面无其它异物镶入，结构致密，表面质量好且力学性能优异，适于用作核工业乏燃料贮存格架、核医疗设施、核探测设备等核部件生产和使用的中子吸收材料。

Description

一种大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料轧制成型领域，具体为一种适用于中子吸收材料的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法。
背景技术
铝基碳化硼B4C/Al（乏燃料中子防护材料）是乏燃料处理过程中的重要材料，具有质量轻、耐磨且热中子吸收截面高、吸收中子的能量范围宽等优点，广泛应用于核电乏燃料干式贮存桶和运输容器、核探测设备、核电站建设等中子吸收领域。
目前全球核电乏燃料池所需中子吸收材料为美国Holtech 等极少数公司垄断，成本高且供货周期较长，而我国国内仅清华大学、中国核动力研究设计院、中国工程物理研究院等几家知名校企有所研究，且多处于小批量实验研制阶段，制造工艺尚不成熟，还未工业化量产应用。中国专利CN104357768A公开了一种碳化硼-铝合金复合材料板材及其制备方法，该方法是通过液态搅拌法，经机加工、整平技术制备坯锭，再反复多次加热、轧制得0.5mm-8mm厚碳化硼-铝合金复合材料板材。
中国专利CN104694859A公开了一种乏燃料贮存用大尺寸B4C/铝合金复合材料板材的热轧制备方法，该方法是先将B4C/铝合金复合材料致密坯料表面加工平直，再反复多次加热、轧制得长度500mm-1500mm，宽度100mm-600mm，厚度1mm-10mm的B4C/铝合金复合材料板材。
上诉方法虽都能制备B4C质量百分比高达31%的铝基碳化硼复合材料，但在以下三方面仍有待改善：
①铝基碳化硼具有硬度高，切削加工性差的特点，对坯料的机加工和整平对刀具磨损较大，且加工效率低，成本高，不利于铝基碳化硼中子吸收材料的工业化批量生产；
②轧制过程中均未提及使用轧制冷却液，轧辊容易磨损、龟裂、剥落，从而影响轧制产品质量，增加换辊频率，增加成本，影响产量；
③轧制得板材最大长度仅为1500mm，对于较大尺寸的铝基碳化硼中子吸收板材的轧制尚存在局限性。
针对国内持续旺盛的核工业对中子吸收材料的巨大需求，为打破国外垄断，填补国内新型中子吸收材料的市场空白，发展民族工业，控制成本和供货周期，却有必要提供一种大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，以解决现有工艺生产效率低、成本高、产品尺寸局限、不适用于工业化批量生产的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，其包括以下步骤：
①表面处理：取铝基碳化硼复合材料板坯，打磨表面飞边和毛刺，清洗后吹干；
②预热：将步骤①所得的板坯置于加热炉中加热至450℃-620℃，再保温10min-140min，使板坯受热均匀；
③轧制：将步骤②预热后的板坯以10%-35%的道次扎制比依次进行轧制；
④成型：重复步骤②和③，直至获得产品所要求规格的碳化硼-铝合金复合材料板材。为了获得产品所要求规格的板材，一般需要进行多道轧制，而每道次轧制前，应当回炉再进行步骤②的预热，以保证板坯良好的变形性能。
优选地，在步骤①中，铝基碳化硼复合材料板坯所用基体为工业纯铝或铝合金，其中碳化硼的质量百分比为5%-40%，碳化硼粒径小于50um。
优选地，在步骤①中，铝基碳化硼板坯打磨后用高压水冲洗表面杂质，再用0.3～0.5MPa的压缩空气将表面吹干。
优选地，在步骤②中，采用多工位箱式电阻炉进行加热。
优选地，在步骤②中，预热的温度如果过低，则板坯达不到高温变形的效果，难以进行轧制成型，若温度过高，则预热的过程中容易产生其他副产物，且轧制过程中容易粘辊，影响板材的质量。本方案根据板坯的厚度选择了合适的预热温度，且保温时间根据每道次的坯料厚度实时调整，使板坯受热均匀的同时控制其他界面反应，将坯料厚度设为δ，δ≤10mm时，保温时间为10min-35min；10mm＜δ≤20mm时，保温时间为20min-45min；20mm＜δ≤30mm时，保温时间为30min-90min；30mm＜δ≤40mm时，保温时间50min-140min。
优选地，在步骤③中，每道次轧制过程中需喷射轧制冷却液，防止轧辊消耗对产品质量的影响。轧辊消耗主要包括轧辊磨损和轧辊破损，轧辊磨损主要与轧辊的材质和表面温度有关，而温度又决定于轧辊的冷却工艺；轧辊破损的根本原因在于轧辊热裂纹，热裂纹主要与轧辊的冷却不均匀、局部急冷有关。本方案通过在轧辊辊身均匀喷射冷却液，改善轧辊的冷却效果，提高轧辊的使用寿命，减小换辊频率，节约成本，提高产量。
优选地，在步骤④中，成型产品的长度为500mm-6000mm，宽度为100mm-600mm，厚度为1mm-15mm。
优选地，在步骤④中，成型产品的总变形量为50%-95%。
相对于现有技术，本发明的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法具有以下优点：
1）工艺流程简单，生产效率高，成本低，适合工业化批量生产。
2）板坯的预处理过程仅需打磨表面明显飞边和毛刺，无需整面加工平整，加工难度小，效率高，成本低。
3）轧制过程中喷射轧制冷却液，减少轧辊磨损，提高轧辊的使用寿命，减小换辊频率，节约成本，提高产品质量。
4）可生产长达6000mm的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材，产品适用范围更广。
附图说明
图1为本发明提供的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
步骤1.准备铝基碳化硼复合材料板坯，该板坯尺寸为长800mm、宽250mm、厚30mm，其中碳化硼质量百分比为31%。打磨板坯表面飞边和毛刺，用高压水冲洗表面杂质，用0.3～0.5MPa的压缩空气将表面吹干。
步骤2.将板坯置于箱式电阻炉中加热至590℃，再保温120min，使板坯受热均匀。打开轧制冷却液，将保温后的板坯以25%的道次扎制比依次进行轧制。
步骤3.重复步骤2的预热和轧制过程，保温时间根据轧制厚度调整，直至板材厚度5mm。
经测试，本实施例轧制成型后的板材中部产品尺寸范围内无肉眼可见裂纹、凹坑、缩孔等明显缺陷。板材表面平整，无其它异物镶入，力学性能较好，成型板材长度4450mm，产品致密度99.8%，抗拉强度182MPa，延伸率6%，最大弯曲角度53°。
实施例2
步骤1.准备铝基碳化硼复合材料板坯，该板坯尺寸为长500mm、宽250mm、厚30mm，其中碳化硼质量百分比为28.5%。打磨板坯表面飞边和毛刺，用高压水冲洗表面杂质，用0.3～0.5MPa的压缩空气将表面吹干。
步骤2.将板坯置于箱式电阻炉中加热至510℃，再保温90min，使板坯受热均匀。打开轧制冷却液，将保温后的板坯以32%的道次扎制比依次进行轧制。
步骤3.重复步骤2的加热和轧制过程，保温时间根据轧制厚度调整，直至板材厚度3mm。
经测试，本实施例轧制成型后的板材中部产品尺寸范围内无肉眼可见裂纹、凹坑、缩孔等明显缺陷。板材表面平整，无其它异物镶入，力学性能较好，成型板材长度4680mm，产品致密度99.9%，抗拉强度187MPa，延伸率7%，最大弯曲角度156°。
实施例3
步骤1.准备铝基碳化硼复合材料板坯，该板坯尺寸为长800mm、宽500mm、厚30mm，其中碳化硼质量百分比为29%。打磨板坯表面飞边和毛刺，用高压水冲洗表面杂质，用0.3～0.5MPa的压缩空气将表面吹干。
步骤2.将板坯置于箱式电阻炉中加热至540℃，再保温105min，使板坯受热均匀。打开轧制冷却液，将保温后的板坯以18%的道次扎制比依次进行轧制。
步骤3.重复步骤2的加热和轧制过程，保温时间根据轧制厚度调整，直至板材厚度6mm。
经测试，本实施例轧制成型后的板材中部产品尺寸范围内无肉眼可见裂纹、凹坑、缩孔等明显缺陷。板材表面平整，无其它异物镶入，力学性能较好，成型板材长度3950mm，产品致密度99.7%，抗拉强度185MPa，延伸率5.5%，最大弯曲角度155°。
本发明采用合适的轧制成型工艺，可以高效地制备出碳化硼含量高达31%的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材，根据本发明制备的铝基碳化硼复合材料板材表面质量好且力学性能优异，且整体工艺流程简单，成本较低，适用于工业化批量生产。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
①表面处理：取铝基碳化硼复合材料板坯，打磨表面飞边和毛刺，清洗后吹干；
②预热：将步骤①所得的板坯置于加热炉中加热至450℃-620℃，再保温10min-140min，使板坯受热均匀；
③轧制：将步骤②预热后的板坯以10%-35%的道次扎制比依次进行轧制；
④成型：重复步骤②和③，直至获得产品所要求规格的碳化硼-铝合金复合材料板材。
2.根据权利要求1所述的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，其特征在于，在步骤①中，铝基碳化硼复合材料板坯所用基体为工业纯铝或铝合金，其中碳化硼的质量百分比为5%-40%，碳化硼粒径小于50um。
3.根据权利要求1所述的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，其特征在于，在步骤①中，铝基碳化硼板坯打磨后用高压水冲洗表面杂质，再用0.3～0.5MPa的压缩空气将表面吹干。
4.根据权利要求1所述的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，其特征在于，在步骤②中，采用多工位箱式电阻炉进行加热。
5.根据权利要求1所述的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，其特征在于，在步骤②中，保温时间根据每道次的坯料厚度实时调整，将坯料厚度设为δ，δ≤10mm时，保温时间为10min-35min；10mm＜δ≤20mm时，保温时间为20min-45min；20mm＜δ≤30mm时，保温时间为30min-90min；30mm＜δ≤40mm时，保温时间50min-140min。
6.根据权利要求1所述的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，其特征在于，在步骤③中，每道次轧制过程中需喷射轧制冷却液，防止轧辊磨损、龟裂、剥落，保证轧制产品质量，减小换辊频率，节约成本，提高产量。
7.根据权利要求1所述的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，其特征在于，在步骤④中，成型产品的长度为500mm-6000mm，宽度为100mm-600mm，厚度为1mm-15mm。
8.根据权利要求1所述的大尺寸铝基碳化硼复合材料板材的轧制成型方法，其特征在于，在步骤④中，成型产品的总变形量为50%-95%。
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