CN111360095B - 一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法 - Google Patents

一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法，其包括如下步骤：S1，退火处理，对轧制态铝板进行退火处理，得到退火态铝板；S2，挤压，对退火态铝板进行单道次挤压，压下量为80～90％，得到挤压态铝板；S3，堆叠，将退火态铝板和挤压态铝板堆叠为三明治结构的叠合板，中间层为退火态铝板，上、下面层为挤压态铝板；S4，冷轧，对叠合板进行轧制，轧制压下量为50～77％。通过该工艺制备的铝板具有高的强度同时保持合理的拉伸塑性。

Description

一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法
技术领域
本发明涉及纯铝加工领域，具体涉及一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法。
背景技术
纯铝及其合金作为一种轻质结构材料，由于其密度低、比强度高，在航空航天和汽车工业中引起了广泛的关注。然而，其广泛的应用也增加了对更好的机械性能的需求，如高的拉伸强度、更好的延展性。众所周知，通过剧烈塑性变形技术，如等通道转角挤压、高压扭转、简单剪切挤压、反复折叠轧制、反复起皱矫直、累积叠轧，累积挤压等制备的超细晶纯铝及其合金具有很高的强度，但大都存在很低的应变硬化能力，从而导致在拉伸变形过程中出现早期颈缩现象。而低的延伸率反过来会限制铝合金的应用。因此，开发出高强高延展性铝合金的制备方法是非常迫切的。
近几年，不同的金属异构材料，例如梯度结构、层状结构、双相和多相微观结构等，已经被证明能够同时获得高强度和良好的延展性。这主要是因为这些异质微结构区域之间存在显著的力学性能不匹配，如屈服强度、流变应力、应变硬化能力等，进而导致应力/应变分配和背应力硬化，使得异构材料产生高的强化和硬化效果。在这些异质结构中，金属层状结构由于可以通过调节微观结构参数等来获得优异的拉伸性能，如界面微观结构、界面间距和板间硬度差异，因而在结构应用方面具有很大的优势。当前，金属层状异构材料的制备主要通过冷轧/累积叠轧+后续退火来实现的。其过程是通过冷轧/累积叠轧将同种或异种层状金属板结合起来，然后根据金属各层不同的累积变形量或层间再结晶温度的差异，通过控制后续退火温度和时间来实现微观结构的异质性。尽管后续退火能够实现材料显微结构的异质性，但是其在准确控制异构材料粗细晶比例上有一定的困难；而且后续退火无疑增加了花费。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的主要是针对超细晶铝板低塑性的问题，提出了一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法。
本发明所述的提高超细晶铝板拉伸塑性的方法，其包括如下步骤：
S1，退火处理，对轧制态铝板进行退火处理，得到退火态铝板；
S2，挤压，对退火态铝板进行单道次挤压，压下量为80～90％，得到挤压态铝板；
S3，堆叠，将退火态铝板和挤压态铝板堆叠为三明治结构的叠合板，中间层为退火态铝板，上、下面层为挤压态铝板；
S4，冷轧，对叠合板进行轧制，轧制压下量为50～77％。
进一步，所述S1中退火温度为400～450℃，退火时间为1～2h。
进一步，所述S2中挤压温度为50～120℃，挤压速度为5～6mm/s。
进一步，所述S3中退火态铝板与挤压态铝板厚度比为1：1～1.5。
进一步，所述S4中轧制温度为室温及以下，轧制速度为0.2～0.3m/s。
进一步，所述铝板的材质为纯铝或铝合金，所述铝合金包括2xxx、3xxx、5xxx、6xxx和7xxx系铝合金
本发明通过单道次压下量为80～90％的挤压制备出具有超细晶粒结构的挤压态铝板，然后将退火态铝板和挤压态铝板堆叠为三明治结构的叠合板后进行冷轧，中间层为退火态铝板，上、下面层为挤压态铝板。冷轧后的板材上、下面层保持超细晶粒，而中间层保持着粗晶粒，形成了一种超细晶/粗晶/超细晶的层状异构铝板。进而在拉伸变形过程中，超细晶层提供高强度，而中间粗晶层能够保持较好的塑性，从而在保持超细晶铝板高强度的同时维持合理的拉伸塑性。
本发明通过退火处理使得铝板组织和成分均匀化，同时获得粗大的晶粒尺寸。通过控制粗晶层和超细晶层的厚度比，改变了粗晶和超细晶的比例，实现了组织力学性能的调控。若粗晶层过厚，虽然得到的板材塑性较高，但会影响板材的强度性能，若超细晶层过厚，能够明显提升板材的强度性能，但塑性性能有所下降。因此，限定了退火态铝板与挤压态铝板厚度比为1：1～1.5，所述的挤压态铝板为单块挤压态铝板的厚度。
本发明限定了挤压温度在50～120℃之间，若挤压温度过低，铝板容易开裂，结合性不好；若挤压温度过高，铝板容易发生再结晶，导致晶粒粗大，进而导致无法生成超细晶，影响异构板材力学性能。
本发明限定了轧制温度为室温及以下，有效防止了叠合板在轧制时潜在的晶粒长大削弱层状异构铝板的特征，从而保证了异构板材具有良好的综合力学性能。
本发明将挤压和轧制工艺相结合，并直接用于板材的变形，避免了后续退火工序所带来的成本增加问题。而且该工艺不仅适用于纯铝，而且也适用于其它系列铝合金；同时挤压和轧制结合工艺也具备大规模工业制备的潜能。
附图说明
图1是本发明的加工流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
实施例一，参见图1，所示的提高超细晶铝板拉伸塑性的方法，其包括如下步骤。
S1，退火处理，将初始1.5mm厚轧制态纯铝板在温度为400℃的条件下退火处理1h，得到退火态纯铝板，其中轧制态纯铝板的纯度为99.6wt％。
S2，挤压，退火后的板材剪切成尺寸为35mm×15mm×1.5mm的小板，进行表面打磨除油处理；将处理后的10片小板依次堆叠起来，得到总厚度约为15mm的堆叠板；等挤压模具和挤压筒温度在80℃稳定后，挤压前在挤压筒压筒内壁喷涂石墨水作为润滑剂，然后把堆叠板放入挤压筒中使其轧向平行于模具出口宽度方向，保温5min后，通过挤压杆向堆叠板施加例进行1道次挤压，挤压速度为6mm/s，压下量为90％，最终得到厚度约为1.5mm的挤压态纯铝板。
S3，堆叠，将1道次挤压的板材平均剪切成两半，再取一片相同尺寸、相同成分的退火态纯铝板，将退火态纯铝板和挤压态纯铝板堆叠为三明治结构的叠合板，中间层为退火态纯铝板，上、下面层为挤压态纯铝板，该叠合板总厚度约为4.5mm，其中退火态纯铝板与单块挤压态纯铝板的厚度比为1：1。
S4，冷轧，进行表面打磨除油处理后对叠合板在室温下进行轧制，轧制压下量为66.6％，轧制速度为0.2m/s，最终轧板厚度约为1.5mm。冷轧后的板材上、下面层保持超细晶粒，而中间层保持着粗晶粒，形成了一种超细晶/粗晶/超细晶的层状异构纯铝板。进而在拉伸变形过程中，超细晶层提供高强度，而中间粗晶层能够保持较好的塑性，从而在保持超细晶铝板高强度的同时维持合理的拉伸塑性。
对得到的层状异构纯铝板进行力学性能分析，并以厚度为1.5mm的退火态纯铝作为对比例一，以经1道次挤压得到的厚度约为1.5mm的挤压态纯铝作为对比例二，以3片退火态纯铝冷轧、轧制压下量为66.6％的板材为对比例三，以3片挤压态纯铝冷轧、轧制压下量为66.6％的板材作为对比例四，分别测定实施例一及相关对比例的屈服强度、最大抗拉强度和断裂延伸率，结果参见表1。
表一 不同加工状态下纯铝板的力学性能
加工状态 屈服强度/MPa 最大抗拉强度/MPa 断裂延伸率/％
实施例一 146.4 161.3 7.7
对比例一 45.2 102.0 28.5
对比例二 152.3 162.8 1.2
对比例三 148.2 156.4 5.3
对比例四 148.5 168.4 6.4
由表1可知，对比例一即经退火处理的纯铝板材断裂延伸率较高，但屈服强度和最大抗拉强度较小，表明了退火处理虽然能够提升板材塑性，但由于退火过程中，板材晶粒不断长大，导致晶粒粗大，使得板材的强度性能较差。对比例二至对比例四经挤压或轧制得到的板材屈服强度和最大抗拉强度较高，但断裂延伸率较小，表明单独通过挤压或单一晶粒结构仅能提升板材强度，塑性较差。实施例一得到的层状异构纯铝板具有较高的屈服强度和最大抗拉强度，并且断裂延伸率相较于对比例二、对比例三和对比例四都要高，从而在保持超细晶纯铝板高强度的同时维持合理的拉伸塑性，综合力学性能较好。
实施例二，一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法，其包括如下步骤。
S1，退火处理，将初始1.5mm厚轧制态纯铝板在温度为400℃的条件下退火处理1h，得到退火态纯铝板，其中轧制态纯铝板的纯度为99.6wt％。
S2，挤压，退火后的板材剪切成尺寸为35mm×15mm×1.5mm的小板，进行表面打磨除油处理；将处理后的10片小板依次堆叠起来，得到总厚度约为15mm的堆叠板；等挤压模具和挤压筒温度在80℃稳定后，挤压前在挤压筒压筒内壁喷涂石墨水作为润滑剂，然后把堆叠板放入挤压筒中使其轧向平行于模具出口宽度方向，保温5min后，通过挤压杆向堆叠板施加例进行1道次挤压，挤压速度为6mm/s，压下量为90％，最终得到厚度约为1mm的挤压态纯铝板。
S3，堆叠，将1道次挤压的板材平均剪切成两半，再取一片厚度为1mm的相同成分的退火态纯铝板，将退火态纯铝板和挤压态纯铝板堆叠为三明治结构的叠合板，中间层为退火态纯铝板，上、下面层为挤压态纯铝板，该叠合板总厚度约为3mm，，其中退火态纯铝板与单块挤压态纯铝板的厚度比为1：1.5。
S4，冷轧，进行表面打磨除油处理后对叠合板在室温下进行轧制，轧制压下量为50％，轧制速度为0.2m/s，最终得到厚度约为1.5mm的超细晶/粗晶/超细晶的层状异构纯铝板。
实施例三，一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法，其包括如下步骤。
S1，退火处理，将初始1.5mm厚轧制态纯铝板在温度为400℃的条件下退火处理1h，得到退火态纯铝板，其中轧制态纯铝板的纯度为99.6wt％。
S2，挤压，退火后的板材剪切成尺寸为35mm×15mm×1.5mm的小板，进行表面打磨除油处理；将处理后的10片小板依次堆叠起来，得到总厚度约为15mm的堆叠板；等挤压模具和挤压筒温度在80℃稳定后，挤压前在挤压筒压筒内壁喷涂石墨水作为润滑剂，然后把堆叠板放入挤压筒中使其轧向平行于模具出口宽度方向，保温5min后，通过挤压杆向堆叠板施加例进行1道次挤压，挤压速度为6mm/s，压下量为90％，最终得到厚度约为1.5mm的挤压态纯铝板。
S3，堆叠，将1道次挤压的板材平均剪切成两半，再取一片相同尺寸、相同成分的退火态纯铝板，将退火态纯铝板和挤压态纯铝板堆叠为三明治结构的叠合板，中间层为退火态纯铝板，上、下面层为挤压态纯铝板，该叠合板总厚度约为4.5mm，其中退火态纯铝板与单块挤压态纯铝板的厚度比为1：1。
S4，冷轧，进行表面打磨除油处理后对叠合板在液氮温度下进行轧制，轧制压下量为66.6％，轧制速度为0.2m/s，最终得到厚度约为1.5mm的超细晶/粗晶/超细晶的层状异构纯铝板。
实施例四，一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法，其包括如下步骤。
S1，退火处理，将初始1.5mm厚轧制态纯铝板在温度为400℃的条件下退火处理1h，得到退火态纯铝板，其中轧制态纯铝板的纯度为99.6wt％。
S2，挤压，退火后的板材剪切成尺寸为35mm×15mm×1.5mm的小板，进行表面打磨除油处理；将处理后的10片小板依次堆叠起来，得到总厚度约为15mm的堆叠板；等挤压模具和挤压筒温度在50℃稳定后，挤压前在挤压筒压筒内壁喷涂石墨水作为润滑剂，然后把堆叠板放入挤压筒中使其轧向平行于模具出口宽度方向，保温5min后，通过挤压杆向堆叠板施加例进行1道次挤压，挤压速度为6mm/s，压下量为90％，最终得到厚度约为1.5mm的挤压态纯铝板。
S3，堆叠，将1道次挤压的板材平均剪切成两半，再取一片相同尺寸、相同成分的退火态纯铝板，将退火态纯铝板和挤压态纯铝板堆叠为三明治结构的叠合板，中间层为退火态纯铝板，上、下面层为挤压态纯铝板，该叠合板总厚度约为4.5mm，其中退火态纯铝板与单块挤压态纯铝板的厚度比为1：1。
S4，冷轧，进行表面打磨除油处理后对叠合板在室温下进行轧制，轧制压下量为66.6％，轧制速度为0.2m/s，最终得到厚度约为1.5mm的超细晶/粗晶/超细晶的层状异构纯铝板。
实施例五，一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法，其包括如下步骤。
S1，退火处理，将初始1.5mm厚轧制态纯铝板在温度为400℃的条件下退火处理1h，得到退火态纯铝板，其中轧制态纯铝板的纯度为99.6wt％。
S2，挤压，退火后的板材剪切成尺寸为35mm×15mm×1.5mm的小板，进行表面打磨除油处理；将处理后的10片小板依次堆叠起来，得到总厚度约为15mm的堆叠板；等挤压模具和挤压筒温度在50℃稳定后，挤压前在挤压筒压筒内壁喷涂石墨水作为润滑剂，然后把堆叠板放入挤压筒中使其轧向平行于模具出口宽度方向，保温5min后，通过挤压杆向堆叠板施加例进行1道次挤压，挤压速度为6mm/s，压下量为90％，最终得到厚度约为1.5mm的挤压态纯铝板。
S3，堆叠，将1道次挤压的板材平均剪切成两半，再取一片相同尺寸、相同成分的退火态纯铝板，将退火态纯铝板和挤压态纯铝板堆叠为三明治结构的叠合板，中间层为退火态纯铝板，上、下面层为挤压态纯铝板，该叠合板总厚度约为4.5mm，其中退火态纯铝板与单块挤压态纯铝板的厚度比为1：1。
S4，冷轧，进行表面打磨除油处理后对叠合板在液氮温度下进行轧制，轧制压下量为66.6％，轧制速度为0.3m/s，最终得到厚度约为1.5mm的超细晶/粗晶/超细晶的层状异构纯铝板。
实施例六，一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法，其包括如下步骤。
S1，退火处理，将初始1.5mm厚轧制态纯铝板在温度为400℃的条件下退火处理1h，得到退火态纯铝板，其中轧制态纯铝板的纯度为99.6wt％。
S2，挤压，退火后的板材剪切成尺寸为35mm×15mm×1.5mm的小板，进行表面打磨除油处理；将处理后的10片小板依次堆叠起来，得到总厚度约为15mm的堆叠板；挤压前在挤压筒压筒内壁喷涂石墨水作为润滑剂，然后把堆叠板放入挤压筒中使其轧向平行于模具出口宽度方向，在120℃下通过挤压杆向堆叠板施加例进行1道次挤压，挤压速度为5mm/s，压下量为90％，最终得到厚度约为1.5mm的挤压态纯铝板。
S3，堆叠，将1道次挤压的板材平均剪切成两半，再取一片相同尺寸、相同成分的退火态纯铝板，将退火态纯铝板和挤压态纯铝板堆叠为三明治结构的叠合板，中间层为退火态纯铝板，上、下面层为挤压态纯铝板，该叠合板总厚度约为4.5mm，其中退火态纯铝板与单块挤压态纯铝板的厚度比为1：1；
S4，冷轧，进行表面打磨除油处理后对叠合板在室温下进行轧制，轧制压下量为66.6％，轧制速度为0.25m/s，最终得到厚度约为1.5mm的超细晶/粗晶/超细晶的层状异构纯铝板。
实施例七，一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法，其包括如下步骤。
S1，退火处理，将初始1.5mm厚轧制态纯铝板在温度为400℃的条件下退火处理1h，得到退火态纯铝板，其中轧制态纯铝板的纯度为99.6wt％。
S2，挤压，退火后的板材剪切成尺寸为35mm×15mm×1.5mm的小板，进行表面打磨除油处理；将处理后的10片小板依次堆叠起来，得到总厚度约为15mm的堆叠板；挤压前在挤压筒压筒内壁喷涂石墨水作为润滑剂，然后把堆叠板放入挤压筒中使其轧向平行于模具出口宽度方向，在120℃下通过挤压杆向堆叠板施加例进行1道次挤压，挤压速度为6mm/s，压下量为90％，最终得到厚度约为1.5mm的挤压态纯铝板。
S3，堆叠，将1道次挤压的板材平均剪切成两半，再取一片相同尺寸、相同成分的退火态纯铝板，将退火态纯铝板和挤压态纯铝板堆叠为三明治结构的叠合板，中间层为退火态纯铝板，上、下面层为挤压态纯铝板，该叠合板总厚度约为4.5mm，其中退火态纯铝板与单块挤压态纯铝板的厚度比为1：1。
S4，冷轧，进行表面打磨除油处理后对叠合板在液氮温度下进行轧制，轧制压下量为66.6％，轧制速度为0.2m/s，最终得到厚度约为1.5mm的超细晶/粗晶/超细晶的层状异构纯铝板。
最后说明的是，以上实施例仅以纯铝板为例来说明本发明的技术方案，需要指出该方案通过改变挤压温度在获得超细晶粒的前提下，也可适用于其它系列铝合金，如2xxx、3xxx、5xxx、6xxx、7xxx系铝合金。本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种提高超细晶铝板拉伸塑性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，退火处理，对轧制态铝板进行退火处理，退火温度为400~450℃，退火时间为1~2h，得到退火态铝板；
S2，挤压，对退火态铝板进行单道次挤压，压下量为80~90%，挤压温度为50~120℃，挤压速度为5~6mm/s，得到挤压态铝板；
S3，堆叠，将退火态铝板和挤压态铝板堆叠为三明治结构的叠合板，中间层为退火态铝板，上、下面层为挤压态铝板，所述退火态铝板与挤压态铝板厚度比为1：1~1.5；
S4，冷轧，对叠合板进行轧制，轧制压下量为50~77%，轧制温度为室温及以下，轧制速度为0.2~0.3m/s。
2.根据权利要求1所述的提高超细晶铝板拉伸塑性的方法，其特征在于：所述铝板的材质为纯铝或铝合金。
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