CN110983213B - 一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，该方法通过铝铸坯均匀化处理、粗轧、强烈剪切变形轧制、高速异步同步混合中轧和精轧等步骤，制备的超细结构薄带铝的平均晶粒尺寸小于500纳米，并兼具高强度、良好塑韧性。与现有技术相比，本发明制备的超细结构薄带铝的使用寿命长、生产工艺简单、制造成本低、可采用一般工业设备实现、生产效率高，便于工业化应用。

Description

一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法
技术领域
本发明属于金属铝型材加工技术领域，具体涉及一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法。
背景技术
铝带材具有质轻、高比强度、良好的延展性和优异的耐腐蚀性和优异加工性能，而被广泛应用于航空航天、化工、汽车工业、现代建筑以及日常生活用品等诸多领域。现代工业正向低能耗、高回收率和高使用效率的方向发展，对轻质高强的铝及铝合金的市场需求日益增加。随着社会的发展，实际应用中对材料强度要求越来越高，铝及铝合金某些对强度要求很高的场合下应用受到限制，提升铝及铝合金的性能，开发具有高强高韧的铝及铝合金具有重要的意义。
组织细化是提高材料强度和韧性的有效手段，研究表明，当铝的晶粒尺度达到超细晶和纳米晶程度时，其综合力学性能尤其是强度显著提升。但是普通的轧制和加工变形方式很难实现材料组织的超细化或纳米化。目前，该领域研究较多的是通过强烈塑性变形(severe plastic deformation，简称SPD)的方法来实现钛合金材料的超细晶或纳米晶化，尤其是采用等通道角挤压(equal channel angular pressing，简称ECAP)和高压扭转(high pressure torsion,简称HPT)这两种SPD方法来制备超细晶和纳米晶铝合金材料。然而，采用HPT和ECAP等SPD方法获得的超细晶或纳米晶铝合金的工艺复杂，生产成本高，由于模具限制，产品的尺寸非常有限，而且操作难度大，不易于实现广泛的工业化应用。
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制备超细晶结构、高强度高韧性的薄带铝的制备方法，该方法工艺简单，生产效率高，易于工业化应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)均匀化处理：将铝铸坯置于450～580℃的热处理炉中保温2.0～15.0小时，获组织和性能均质的轧制母材。
步骤(2)粗轧：将均质铝铸坯表面清洗后进行粗轧，轧制最终厚度控制在20mm以下；
步骤(3)强烈剪切变形轧制：经步骤(2)的粗轧铝板坯立即进行大变形不对称轧制，板材上下表面的轧辊的线速度比大于等于1.2，轧制采用单道次大压下量，总轧下量大于90％，得到厚度1.0mm～2mm的半成品薄板铝材；
步骤(4)高速异步同步混合中轧：将步骤(3)获得半成品薄板铝材进行高速异步和同步混合轧制，轧制速度不低于600m/min，获得小于0.1毫米初级薄铝带材；
步骤(5)同步精轧：经步骤(4)的初级薄带铝带材，进一步采用对称轧制，轧辊初始温度为室温，轧辊的直径和转速均相同，单道次对称轧制的轧下量大于10％，得到厚度小于或等于0.05mm的超细结构高强度薄带铝材。
所述的铝锭为可以含有Si、Mn、Fe、Cu、Mg、Ti、Cr合金元素和不可避免的杂质，其每种元素的质量百分含量含量不超过1.0％，元素总量不高于2.5％。
所述的步骤(1)铝铸坯的均匀化温度为480～550℃，保温时间为2～5h；步骤(2)中粗轧为热轧，热轧的终轧温度为200～550℃；步骤(3)强烈剪切变形的非对称轧制异速比为1.2，最后一道次为同步轧制，总压下量大于95％；步骤(4)中高速轧制的轧制速度为1000m/min。
所述的步骤(3)和步骤(4)中所述的不对称轧制的方式为轧辊直径相同转速不同、轧辊直径不同转速相同或轧辊直径和转速均不相同三种方式中的任意一种。
所述的步骤(3)所述的强烈剪切变形轧制的轧辊表面为粗糙辊的冷轧辊，辊面加工有呈水平方向成45°和135°的细致菱形格子，提高轧辊的摩擦力。
所述步骤(3)所述的强烈剪切变形轧制的轧辊表面为粗糙辊，粗糙表面为涂覆或者堆焊的硬质合金。
所述的步骤(3)所述的强烈剪切变形轧制为轧辊直径相同转速不同，上下两轧辊的转速的比例为1.20～2.0.
所述的步骤(4)所述的高速异步同步混合中轧为异步和同步交替轧制控制，且单道次异步压下量是同步的1.5倍。
所述的步骤(5)所述的同步精轧高的工作辊为500#辊，辊面粗糙度Ra≤0.02μm。
所述的步骤(4)高速异步同步轧制前的半成品铝带材进行短时连续低温退火处理，加热方式为感应加热，退火温度不高于300℃。
所述的精轧后的薄带铝进行拉伸校直卷取，拉伸变形率不高于0.2％，获得张力作用下的薄带铝的成品卷。
上述获得的薄带铝经过表面碱洗处理，碱液的PH值为9～14，时间为30～90秒。
上述方法所得的薄带铝在进行低温退火处理后，特别是处理温度为150℃时，发现超细晶粒更加均匀，晶界更加清晰。
上述方法所制备的纯铝薄带组织内部平均晶粒尺寸小于500nm，抗拉强度240MPa以上。
本发明采用强烈剪切非对称变形轧制、高速异步同步混合中轧和精轧对铝及铝合金板材进行加工处理，所制备的超细组织结构的薄带铝材，主要是利用了强变形的异步轧制技术。步轧制与同步轧制的根本区别是在轧制过程中，同步轧制变形区金属在前滑区，后滑区上下表面摩擦力都是指向中性面，中性面附近单位压力骤增，使平均单位轧制增大。异步轧制变形区的特征集中表现在横切变形区内金属上下表面受到的摩擦力沿中性面相反，形成剪切变形。轧材的中心也具有较大的切应力，使变形抗力减小，平均单位轧制压力下降。改变了同步轧制时单位轧制压力沿变形区长度方向的类似抛物线形状的分布，因此异步轧制可以明显地降低轧制压力，异步轧制还可以完全消除外摩擦的阻碍作用所引起的轧制压力的增加部分，与常规轧制比较，异步轧制降低轧制压力的幅度决定于外摩擦影响的大小。另外，本发明中发现，轧辊直径越大、轧件越薄、摩擦系数越大，异步轧制的效果就越大。为了进一步增加等效应变，提升材料的细化效果，本发明对异步轧辊的辊面进行了独特的设计，轧辊表面涂覆或者堆焊有硬质合金材料，尤其是网格型的特殊结构设计更加显著增加轧辊的摩擦力，大幅度地提升了异步轧制强变形的剪切能力。本发明中异步轧制还具有轧薄能力强，板形容易控制等优点。通过合理控制异速比和辊径尺寸等，可以达到更加优异的细化效果。采用该方法所制备的超细晶组织的薄带铝具有高强高韧性，主要是源于显著的晶界强化作用，同时组织内部含有大量高密度位错、位错胞和亚结构，还有具有位错强化的效果，晶界强化和位错强化相结合是薄带铝材具有高强度的重要原因。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明方法制备的铝带材的的平均晶粒尺寸小于500纳米，强度高于240MPa超细晶且组织均匀，并兼具高强度、良好塑韧性。
本发明制备超细晶材料的方法，与传统超细晶材料制备技术，诸如等径转角挤压(ECAP)法和高压扭转(HPT)相比，摆脱了模具的限制，可采用一般工业设备如热处理炉和轧机等来实现，制备的材料不受尺寸限制，易工业化连续生产。
本发明制备的超细结构薄带铝的使用寿命长、生产工艺简单、制造成本低、可采用一般工业设备实现、生产效率高，便于工业化应用。
附图说明
图1为本发明所用制备的超细晶薄带铝材的透射电镜分析的典型组织照片；
图2本发明方法制备的超细晶结构铝和传统方法制备的细晶铝拉伸性能比较；
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。
实施例1
以工业用固溶态下的普通铝铸锭为初始材料，所述的铝锭为可以含有Si、Mn、Fe、Cu、Mg、Ti、Cr合金元素和不可避免的杂质，其每种元素的质量百分含量含量不超过1.0％，元素总量不高于2.5％，制备超细结构高强韧薄带铝的步骤如下：
步骤(1)均匀化处理：将上述铝铸坯或铝锭经锯切、铣面后，置于500℃的热处理炉中保温7.0小时，获得组织和性能均质的母材用于后期轧制。
步骤(2)粗轧：将均质铝铸坯表面清洗后进行热轧，热轧开轧温度为500℃，终轧温度为450℃，轧制最终厚度控制在20mm；
步骤(3)强烈剪切变形轧制：粗轧铝板坯进行大变形不对称轧制，不对称轧制的方式为轧辊直径相同转速不同，板材上下表面的轧辊的线速度比为1.2；轧辊表面为粗糙辊的冷轧辊，辊面加工有呈水平方向成45°和135°的细致菱形格子，提高轧辊的摩擦力，轧制采用单道次大压下量，最后一道次为同步轧制，总压下量大于95％，最终厚度为1.0mm；
步骤(4)高速异步同步混合中轧：将步骤(3)获得半成品薄板铝材进行高速异步和同步混合轧制，轧制速度为1000m/min，获得0.1毫米薄铝带材；
步骤(5)同步精轧：上述所获得的薄带铝带材，进行进一步同步轧制，轧辊初始温度为室温，工作辊为500#辊，辊面粗糙度Ra≤0.02μm，单道次对称轧制的轧下量为10％，最终获得轧制厚度为0.025mm的超细结构高强度薄带铝材。
本发明方法所制备的超细结构薄带铝样品经透射电镜分析所得的典型组织照片见附图1，可见组织内部晶粒都小于400nm以下，呈现超细组织结构；本发明方法制备的超细晶结构铝和传统方法制备的细晶铝拉伸性能比较如图2所示，抗拉强度超过255MPa并仍呈现良好的塑性能力。
实施例2
以工业用固溶态下的普通铝铸锭为初始材，铝锭的Si、Mn、Fe、Cu、Mg、Ti、Cr等合金元素和不可避免的杂质的质量百分含量不超过2.5％，每种元素的质量百分含量不超过0.5％，制备超细结构高强韧薄带铝的步骤如下：
步骤(1)均匀化处理：将上述铝铸坯或铝锭经锯切、铣面后，置于580℃的热处理炉中保温2.0小时，获得组织和性能均质的母材。
步骤(2)粗轧：将均质铝铸坯表面清洗后进行热轧，热轧开轧温度为580℃，终轧温度为480℃，轧制最终厚度控制在20mm；
步骤(3)强烈剪切变形轧制：粗轧铝板坯进行大变形不对称轧制，不对称轧制的方式为轧辊直径不同转速不同，板材上下表面的轧辊的线速度比为1.5；轧辊表面为粗糙辊的冷轧辊，粗糙表面为涂覆或者堆焊的硬质合金，轧制采用单道次大压下量，最后一道次为同步轧制，最终厚度为2.0mm
步骤(4)高速异步同步混合中轧：将步骤(3)获得半成品薄板铝材进行高速异步和同步混合轧制，异步轧制为辊径不同转数相同，轧制速度为600m/min，获得0.1毫米薄铝带材，高速异步同步轧制前的半成品铝带材进行15秒连续退火处理，加热方式为感应加热，退火温度300℃。
步骤(5)同步精轧：上述所获得的薄带铝带材，进行进一步同步轧制，轧辊初始温度为室温，工作辊为500#辊，辊面粗糙度Ra≤0.02μm，单道次对称轧制的轧下量为10％，最终获得轧制厚度为0.025mm的超细结构高强度薄带铝材。
本发明方法制备的薄带铝晶粒尺寸小于500nm，同时含有大量的亚晶和位错胞等纳米结构组织，并且均匀分布比普通薄带铝材高120～180MPa，并兼具高强度、良好塑韧性，同时保留了优良的耐腐蚀性能和加工性能等特点。
实施例3
以工业用固溶态下的普通铝铸锭为初始材，铝锭的Si、Mn、Fe、Cu、Mg、Ti、Cr等合金元素和不可避免的杂质的质量百分含量不超过1.5％，每种元素的质量百分含量不超过0.3％，制备超细结构高强韧薄带铝的步骤如下：
步骤(1)均匀化处理：将上述铝铸坯或铝锭经锯切、铣面后，置450℃的热处理炉中保温15.0小时，获得组织和性能均质的母材用于后期轧制。
步骤(2)粗轧：将均质铝铸坯表面清洗后进行热轧，热轧开轧温度为450℃，终轧温度为430℃，轧制最终厚度控制在15mm；
步骤(3)强烈剪切变形轧制：粗轧铝板坯进行大变形不对称轧制，不对称轧制的方式为轧辊直径相同转速不同，板材上下表面的轧辊的线速度比为1.25；轧辊表面为粗糙辊的冷轧辊，辊面加工有硬质合金堆焊而成且与水平方向成45°和135°的细致菱形格子，轧制最终厚度为1.0mm；
步骤(4)高速异步同步混合中轧：将步骤(3)获得半成品薄板铝材进行高速异步和同步混合轧制，轧制速度为800m/min，获得0.1毫米薄铝带材；
步骤(5)同步精轧：上述所获得的薄带铝带材，进行进一步同步轧制，轧辊初始温度为室温，工作辊为500#辊，辊面粗糙度Ra≤0.02μm，单道次对称轧制的轧下量不低于15％，最终获得轧制厚度为0.025mm的超细结构高强度薄带铝材。
本方法制备的精轧后的薄带铝进行拉伸校直卷取，拉伸变形率不高于0.2％，获得张力作用下的薄带铝的成品卷。薄带铝的晶粒尺寸小于400nm，同时含有大量的亚晶和位错胞等纳米结构组织，并且均匀分布比普通薄带铝材高150MPa以上，并兼具高强度、良好塑韧性，同时保留了优良的耐腐蚀性能和加工性能等特点。
实施例4
一种超细结构高强度一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其步骤与实施例3基本相同，不同之处在于，步骤(3)所述的强烈剪切变形轧制为轧辊直径相同转速不同，上下两轧辊的转速的比例为2.0；步骤(4)所述的高速异步同步混合中轧为异步和同步交替轧制控制，且单道次异步压下量是同步的1.5倍；步骤(5)所述的同步精轧高的工作辊为500#辊，辊面粗糙度Ra≤0.02μm。
实施例5
一种超细结构高强度一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其步骤与实施例3基本相同，不同之处在于，步骤(4)高速异步同步轧制前的半成品铝带材进行短时连续低温退火处理，加热方式为感应加热，退火温度为300℃；步骤(5)精轧后的薄带铝进行拉伸校直卷取，拉伸变形率为0.1％，实现张力作用下的薄带铝的卷取。
实施例6
一种超细结构高强度一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其步骤与实施例3基本相同，不同之处在于，步骤(3)强烈剪切变形轧制中的不对称轧制的方式为轧辊直径不同而转速相同的方式，上下两轧辊的直径的比例为2.0。轧制后加进行短时连续低温退火处理，退火温度为250℃。经步骤(5)精轧后的薄带铝需经过表面碱洗处理，碱液的PH值为10.0，时间为30秒，之后进行拉伸校直卷取，拉伸变形率为0.15％。
实施例7
一种超细结构高强度一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其步骤与实施例3基本相同，不同之处在于，步骤(3)强烈剪切变形轧制中的不对称轧制的方式为轧辊直径和转速均不相同的方式，上下两轧辊的直径的比例为1.2，上下两轧辊的转速的比例为1.05，轧制后加进行短时连续低温退火处理，退火温度为200℃。经步骤(5)精轧后的所获得的薄带铝进行低温退火处理，处理温度为150℃；薄带铝需经过表面碱洗处理，碱液的PH值为12.0，时间为90秒，之后进行拉伸校直卷取，拉伸变形率为0.1％。
实施例8
一种超细结构高强度一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其步骤与实施例3基本相同，不同之处在于，步骤(3)强烈剪切变形轧制中的不对称轧制的方式为轧辊直径和转速均不相同的方式，上下两轧辊的直径的比例为1.5，上下两轧辊的转速的比例为1.5。步骤(4)所述的高速异步同步混合中轧为异步轧制，最后一道为同步轧制，轧制速度为120m/min；步骤(5)的同步精轧高的工作辊为500#辊，辊面粗糙度Ra为0.01μm。精轧后的所获得的薄带铝进行低温退火处理，处理温度为150℃；薄带铝需经过表面碱洗处理，碱液的PH值为14.0，时间为60秒，之后进行拉伸校直卷取，拉伸变形率为0.2％。纯铝薄带组织内部平均晶粒尺寸为200nm，抗拉强度245MPa。

Claims (10)

1.一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)均匀化处理：将铝铸坯置于450～580℃的热处理炉中保温2 .0～15 .0小时，获组织和性能均质的轧制母材；
(2)粗轧：将均质铝铸坯表面清洗后进行粗轧，轧制最终厚度控制在20mm以下；
(3)强烈剪切变形轧制：经步骤(2)的粗轧铝板坯立即进行大变形不对称轧制，板材上下表面的轧辊的线速度比大于等于1 .2，轧制采用单道次大压下量，总轧下量大于90％，得到厚度1 .0mm～2mm的半成品薄板铝材；
(4)高速异步同步混合中轧：高速异步同步轧制前的半成品铝带材进行短时连续低温退火处理，加热方式为感应加热，退火温度不高于300℃；
将步骤(3)获得半成品薄板铝材进行高速异步和同步混合轧制，轧制速度不低于600m/min，高速异步同步混合中轧为异步和同步交替轧制控制，且单道次异步压下量是同步的1.5倍，获得小于0 .1毫米初级薄铝带材；
(5)同步精轧：经步骤(4)的初级薄带铝带材，进一步采用对称轧制，轧辊初始温度为室温，单道次对称轧制的轧下量大于10％，得到厚度小于或等于0 .05mm的超细结构高强度薄带铝材。
2.根据权利要求1所述的一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其特征在于：所述的铝铸坯含有Si、Mn、Fe、Cu、Mg、Ti、Cr合金元素和不可避免的杂质，其每种元素的质量百分含量不超过1 .0％，元素总量不高于2 .5％。
3.根据权利要求1所述的一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其特征在于：步骤(1)铝铸坯的均匀化温度为480～550℃，保温时间为2～5h；步骤(2)中粗轧为热轧，热轧的终轧温度为200～550℃；步骤(3)强烈剪切变形的非对称轧制异速比为1 .2，最后一道次为同步轧制，总压下量大于95％；步骤(4)中高速轧制的轧制速度为1000m/min。
4.如权利要求1所述的一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的强烈剪切变形轧制的轧辊表面为粗糙辊的冷轧辊，辊面加工有呈水平方向成45 °和135 °的细致菱形格子，提高轧辊的摩擦力。
5.如权利要求1所述一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的强烈剪切变形轧制为轧辊直径相同转速不同，上下两轧辊的转速的比例为1.20～2.0。
6.如权利要求1所述的一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的同步精轧高的工作辊为500#辊，辊面粗糙度Ra≤0 .02μm。
7.如权利要求1所述一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其特征在于：精轧后的薄带铝进行拉伸校直卷取，拉伸变形率不高于0.2％，获得张力作用下的薄带铝的成品卷。
8.如权利要求1所述的一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其特征在于：所得的薄带铝需经过表面碱洗处理，碱液的pH 值为9～14，时间为30～90秒。
9.如权利要求1所述的一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其特征在于：所获得的薄带铝进行低温退火处理，处理温度为150℃。
10.上述权利要求1所述的一种超细结构高强韧薄带铝的制备方法，其特征在于：该方法制备的纯铝薄带组织内部平均晶粒尺寸小于500nm，抗拉强度240MPa以上。
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