CN111659747B - 一种利用复合冲压获得异构金属薄板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用复合冲压获得异构金属薄板的方法，包含：预处理、复杂模具冲压、平冲压和热处理四步工序，其具体步骤为，采用可形变诱导马氏体相变的材料作为原始材料，采用一对共轭的模具分别对预处理之后的奇数块原材料板材Ⅰ加热冲压获得样品Ⅱ和样品Ⅲ，将数块样品II和样品III按照表面凹凸形状共轭形成无间隙的Ⅲ‑Ⅱ…Ⅲ叠层结构并进行加热平冲压，然后经热处理形成异质金属薄板。利用高韧相和高强相之间的背应力强化和背应力加工硬化，达到高强高韧的优异力学性能。可通过对原材料的选择，冲压模具的设计以及叠层方式的灵活性等调控，满足生产和应用中不同的强韧化需求。

Description

一种利用复合冲压获得异构金属薄板的方法
技术领域
本发明属于异构材料制备领域，具体涉及一种利用复合冲压获得异构金属薄板的方法。
背景技术
金属结构材料在军事、工业、航空等领域均有广泛应用。高强高韧是金属结构材料研究领域不断追求的性能目标，人们通过多种强韧化机制提高材料的力学性能，使其具有更好的使用性能和安全性。但是，对于均质材料而言，强度的提高往往以牺牲塑性为代价，严重限制了金属结构材料的应用和发展。因此，如何能兼得强度和塑性，是金属结构材料研究的热点和重点。
异构材料是近年来所提出的一种新型的高强高韧材料。不同于传统的均质材料，它在材料的微观尺度上构筑具有力学性能差异的软、硬相，利用软硬相之间的背应力强化效应，同时实现材料的强化和韧化。经对文献检索发现，Ma等人在《Acta Materialia》(材料学报，2016，116：43-52)上发表的“Mechanical properties of copper/bronzelaminates：Role of interfaces”(纯铜/青铜层片结构材料的力学性能：界面的作用)一文中，介绍了一种利用累积叠轧与热处理获得粗晶纯铜/纳米晶青铜交替分布的异构铜合金结构材料的方法，其中纳米晶层的晶粒尺寸约为100nm，而粗晶层的晶粒尺寸约为5μm。该技术的特点如下：(1)设备简单，样品尺寸大，易于实现工业化生产；(2)制得的异构铜合金板材具有出色的力学性能，在拥有纳米晶青铜的高强度的同时，还在一定程度上保持了粗晶纯铜优异的均匀延伸率。但是该技术上存在以下问题：(1)材料表面的处理精度要求较高，难以控制界面的氧化；(2)多道次工序后，材料的加工硬化能力难以保证。
进一步检索发现，中国发明专利CN110129700A介绍了“一种Ti-TiAl3金属/金属间化合物层状复合材料的制备方法”，其原理是将Ti箔和Al箔表面处理后交替叠层放置，并在试样外围封焊纯Ti包套后，通过热轧得到高强高韧的Ti-TiAl3金属/金属间化合物叠层复合材料。这种方法的特点在于：(1)获得Ti-TiAl3金属/金属间化合物层状交替的复合材料，可以兼顾高强度和高韧性；(2)通过调整Ti箔和Al箔叠层的自身厚度和数目，可以得到不同厚度的层状复合材料。其局限性在于：(1)轧制前的处理工作包括表面清洗、裁剪、氩弧焊密封、加热等多道次工序，操作要求高，生产效率低；(2)复合界面的结合强度难以保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用复合冲压获得异构金属薄板的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用复合冲压获得异构金属薄板的方法，采用可形变诱导马氏体相变的材料作为原始材料，采用一对共轭的模具分别对预处理之后的奇数块原材料板材Ⅰ加热冲压获得样品Ⅱ和样品Ⅲ，将数块样品II和样品III按照表面凹凸形状共轭形成无间隙的Ⅲ-Ⅱ…Ⅲ叠层结构并进行加热平冲压，然后经热处理形成异质金属薄板。
进一步的，根据不同的力学状态调整凹凸程度；模具材料的硬度与待冲压材料呈正相关，模具硬度高出75～150HV；
所述一对共轭的模具其中一个为凸型模具a，另一个为凹型模具b；采用凸型的模具a进行冲压所得样品Ⅱ中形成成规律交替分布的软硬相，采用凹型的模具b进行冲压所得样品Ⅲ中形成规律交替分布的软硬相。
进一步的，所述可形变诱导马氏体相变的材料为中锰钢、高锰钢、IF钢。
进一步的，所述采用一对共轭的模具分别对预处理之后的奇数块原材料板材Ⅰ冲压获得样品Ⅱ和样品Ⅲ中冲压变形的形变量为50～70％；
在平冲压的过程中将软相的变形量控制在20～40％，硬相的变形量控制在5～20％(软硬相的形变量计算考虑形状因素)。
进一步的，所述预处理为：选取可形变诱导马氏体相变的材料，将其高温回火并在空气中冷却，然后切割成冲压设备上压头圆盘的内接方形，取3～11之间的奇数块等厚度的方形板对其表面进行机械磨平，作为原材料板材Ⅰ；优选的，所述高温回火的温度为1000℃以上。
进一步的，所述采用一对共轭的模具分别对预处理之后的奇数块原材料板材Ⅰ冲压获得样品Ⅱ和样品Ⅲ具体为：
将冲压设备的上下压头均装配可拆卸的模具a，并在模具上涂抹润滑油，将数量为(总数-1)/2的板材Ⅰ送入上下模具a之间，抽真空并充入惰性气体Ar至大气压，加热之后冲压变形至预期厚度后取出样品使其在空气中冷却至室温，得到样品Ⅱ；
再将冲压设备的上下压头均装配可拆卸的与模具a共轭的模具b，并在模具上涂抹润滑油，将剩余的板材Ⅰ送入上下模具b之间，抽真空并充入惰性气体Ar至大气压，加热之后冲压变形至预期厚度后取出样品使其在空气中冷却至室温，得到样品Ⅲ。
进一步的，所述采用一对共轭的模具分别对预处理之后的奇数块原材料板材Ⅰ冲压获得样品Ⅱ和样品Ⅲ过程中的工艺参数为：送料速率为100～250mm/s，抽真空至30～100Pa，加热速率为10～30℃/min，保温温度为300～600℃，冲压速率为100～150mm/s，加载载荷为100～150t。
进一步的，所述平冲压具体为：将样品Ⅱ和样品Ⅲ表面机械磨光与抛光，按照表面压痕将样品Ⅱ和样品Ⅲ堆垛形成Ⅲ-Ⅱ…Ⅲ叠层结构的样品Ⅳ；将冲压设备的上下压头均装配可拆卸的平面模具，将样品Ⅳ送入平面模具之间，抽真空并冲入惰性气体Ar至大气压，加热之后冲压变形至预期厚度，使其具有良好的冶金结合后，取出样品使其在空气中冷却至室温得到异质结构样品Ⅴ。
进一步的，所述平冲压变形中的工艺参数为：送料速率为100～250mm/s，抽真空至30～100Pa，加热速率为10～30℃/min，保温温度为300～600℃，冲压速率为100～150mm/s，加载载荷为100～150t。
进一步的，热处理流程为：对平冲压制备的异质结构材料进行真空退火处理，以消除冲压过程中的缺陷及残余应力；退火温度为300～450℃，退火时间为20～30min。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
(1)本发明专利的冲压设备与工序简单操作要求低，可实现工业自动化生产。
(2)本发明整个复合冲压流程均属于热变形过程并处于Ar气氛保护状态，有效地避免杂质的掺入和界面氧化，使制备出的样品具有良好的冶金结合。
(3)本发明制备的由软质材料形变诱导马氏体硬质相而构成的异质结构材料，可以兼顾强度和韧性，能够在一定程度上满足一些特殊工业应用的需求。
(4)本发明通过局域不同形变量而形成空间上软硬相规律分布的双相异质结构，可根据实际需要设计冲压模具，调整叠层数量和堆垛方式，结构设计具有灵活性，满足生产和应用中不同的强韧化需求。
(5)本发明使用的可形变诱导马氏体相变的原材料(如奥氏体钢，铁素体钢)本身已在多领域得到应用，使得该技术应用广泛。
附图说明
图1为本发明的共轭模具冲压流程示意图；其中图a)为模具a冲压，图b)为模具b冲压。
图2为平冲压流程示意图。
图3为热处理流程及异构金属薄板制品示意图，其中a)为热处理流程，b)为异构金属薄板制品。
附图标记说明：
1-冲压装置，2-冲压模具a，3-冲压模具b，4-平冲压模具，5-真空退火炉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图中Ⅰ为原材料，Ⅱ为模具a冲压成形后的样品，Ⅲ为模具b冲压成形后的样品，Ⅳ为Ⅲ-Ⅱ-Ⅲ叠层结构样品，Ⅴ为叠层平冲压成形后的样品，A为材料原始的显微组织，B为马氏体组织。(附图中取的是Ⅲ-Ⅱ…Ⅲ叠层结构的最小值3层结构作为代表)。
一种新型的异构材料的制备方法。利用复合冲压工艺，通过形变诱导马氏体相变，在材料中形成软硬兼顾的结构，制备出三维上可控可设计的异构结构。
所述的复合冲压工艺具体为，将冲压设备的压头上装配可拆卸的模具a，冲压样品Ⅰ获得样品Ⅱ，装配与模具a共轭的模具b冲压样品Ⅰ获得样品Ⅲ，将数块样品Ⅱ和样品Ⅲ按照表面凹凸形状堆垛形成无间隙的Ⅲ-Ⅱ…Ⅲ叠层结构，并用装配平模具的压头冲压，经热处理消除残余应力最终形成A/B相异质结构，利用高韧相和高强相之间的背应力强化和背应力加工硬化，达到高强高韧的优异力学性能。
实现本发明目的的技术方案，包括预处理、复杂模具冲压、平冲压和热处理三步工序，具体包含以下步骤：
第一步：预处理：选取可形变诱导马氏体相变的材料(如奥氏体钢，铁素体钢，钛合金等)，将其高温回火(1000℃以上)并在空气中冷却，以降低屈服强度，符合后续变形工序要求。然后切割成冲压设备压头圆盘的内接方形，取数块(取在3～11之间的奇数)等厚度的方形板对其表面进行机械磨平，作为原材料样品Ⅰ。
第二步，复杂模具冲压：将冲压设备的上下压头均装配可拆卸的模具a，并在模具上涂抹润滑油，将数量为(总数-1)/2的样品Ⅰ送入上下模具a之间，抽真空并充入惰性气体Ar至大气压，冲压变形(50～70％的形变量)至预期厚度后取出样品使其在空气中冷却至室温，得到样品Ⅱ；再将冲压设备的上下压头均装配可拆卸的与模具a共轭的模具b，并在模具上涂抹润滑油，将剩余的样品Ⅰ送入上下模具b之间，抽真空并充入惰性气体Ar至大气压，冲压变形((50～70％的形变量)至预期厚度后取出样品使其在空气中冷却至室温，得到样品Ⅲ。
第三步，平冲压：将样品Ⅱ和样品Ⅲ表面机械磨光与抛光，按照按照表面凹凸形状将样品Ⅱ和样品Ⅲ堆垛形成无间隙的Ⅲ-Ⅱ…Ⅲ叠层结构的样品Ⅳ。将冲压设备的上下压头均装配可拆卸的平面模具，将样品Ⅳ送入平面模具之间，抽真空并冲入惰性气体Ar至大气压，控制冲压变形至预期厚度(1.8～2.2mm)，使其具有良好的冶金结合后取出样品使其在空气中冷却至室温得到异质结构样品Ⅴ。其中，A软相的变形量控制在5～20％之间，B硬相的变形量控制在20～40％之间。
第四步，热处理：将复合冲压成形的样品Ⅴ进行真空退火处理，消除冲压过程中的缺陷及残余应力，最终获得强韧兼顾的三维异质复杂结构。
进一步的，所述步骤一预处理中所选材料形变诱导马氏体相变的机理为：一般地，在Ms～Md温度间不会发生马氏体转变，但如果对其施加外力，在塑性变形的同时发生一定量的马氏体转变，转变量与形变温度和形变量有关。其中，马氏体含量与形变量并非是线性关系，而是有一定孕育期。当形变量不断增大至机械驱动力足以补偿奥氏体向马氏体转变所需要的形核驱动力(20％的形变量)时，马氏体开始在奥氏体内部大量形核，从而导致形变诱变马氏体相组织。
进一步的，所述步骤一预处理中选取3～11之间的奇数块等厚度方形板，是因为满足Ⅲ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅱ…Ⅲ这样的叠层结构。选取样品Ⅲ作为最外层，主要使得在步骤三中平冲压时，可以控制叠层结构中A/B相的形变量而满足要求(A的形变量<20％，B的形变量在20～80％之间)。
进一步的，所述步骤二复杂模具冲压变形中的工艺参数为：送料速率为100～250mm/s，抽真空至30～100Pa，加热速率为10～30℃/min，保温温度为300～600℃，冲压速率为100～150mm/s，加载载荷为100～150t。
所述步骤三平冲压变形中的工艺参数为：送料速率为100～250mm/s，抽真空至30～100Pa，加热速率为10～30℃/min，保温温度为300～600℃，冲压速率为100～150mm/s，加载载荷为100～150t。
进一步的，所述步骤四的热处理的工艺参数为：Ar气氛保护，退火温度为300～450℃，退火时间为20～30min。
实施例
复合冲压22Mn5B制备异构金属薄板
(1)预处理：选取可形变诱变马氏体相的材料22Mn5B，将其在1000℃以上高温回火后在空气中冷却，使屈服强度降至100MPa以下。按照直径为800mm的压头圆盘的内接方形截取3块板材550mm×550mm×1.8mm(长×宽×厚)，将其表面用砂轮机打磨，砂纸精磨，并清洗干燥备用，作为原材料样品Ⅰ。
(2)复杂模具冲压：将冲压设备的上下压头均装配可拆卸的模具a，并在模具上涂抹G016润滑油，将样品Ⅰ以200mm/s速率送入上下模具a之间，抽真空至100Pa并充入惰性气体Ar到大气压，以20℃/s速率加热到450℃并保温，以100mm/s的冲压速率、100t的载荷对样品进行冲压变形，使得厚度方向外表面达1.6mm、内表面达0.6mm，取出样品在空气中冷却至室温得到样品Ⅱ；再以同样的操作流程，装配可拆卸的与模具a共轭的模具b进行冲压，得到2块厚度方向外表面达1.6mm、内表面达0.6mm的样品Ⅲ。
(3)平冲压：将三块样品的表面用砂轮机打磨，砂纸精磨，利用抛光剂进行表面抛光且清洗干燥，然后两块样品Ⅲ按照表面凹凸压痕分别叠于样品Ⅱ的上下两侧，形成厚度为3.8mm的Ⅲ-Ⅱ-Ⅲ叠层结构样品Ⅳ。将冲压设备的上下压头均装配可拆卸的平面模具4，将样品Ⅳ以200mm/s速率送入模具4之间，抽真空至100Pa并充入惰性气体Ar到大气压，以20℃/s速率加热到600℃并保温，以130mm/s的冲压速率、150t的载荷将样品冲压变形至2mm，在空气中冷却至室温得到异质结构样品Ⅴ。
(4)热处理：将复合冲压制备的异质结构样品Ⅴ送入真空退火炉5，在Ar气氛保护下进行退火处理，以消除冲压过程中的缺陷及残余应力。退火温度为300℃，退火时间为30min。经退火后，最终获得图3b)所示的由A(奥氏体)和B(马氏体)双相构成的强韧兼顾的三维异构金属薄板。

Claims (8)

1.一种利用复合冲压获得异构金属薄板的方法，其特征在于，采用可形变诱导马氏体相变的材料作为原始材料，采用一对共轭的模具分别对预处理之后的奇数块原材料板材Ⅰ加热冲压获得样品Ⅱ和样品Ⅲ，将数块样品II和样品III按照表面凹凸形状共轭形成无间隙的Ⅲ-Ⅱ…Ⅲ叠层结构并进行加热平冲压，然后经热处理形成异质金属薄板；
根据不同的力学状态调整凹凸程度；模具材料的硬度与待冲压材料呈正相关，模具硬度高出75～150HV；
所述一对共轭的模具其中一个为凸型模具a，另一个为凹型模具b；采用凸型的模具a进行冲压在样品Ⅱ中形成成规律交替分布的软硬相，采用凹型的模具b进行冲压在样品Ⅲ中形成规律交替分布的软硬相；
所述采用一对共轭的模具分别对预处理之后的奇数块原材料板材Ⅰ冲压获得样品Ⅱ和样品Ⅲ中冲压变形的形变量为50～70％；
在平冲压的过程中将软相的变形量控制在20～40％，硬相的变形量控制在5～20％。
2.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，所述可形变诱导马氏体相变的材料为中锰钢、高锰钢、IF钢。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预处理为：选取可形变诱导马氏体相变的材料，将其高温回火并在空气中冷却，然后切割成冲压设备上压头圆盘的内接方形，取3～11之间的奇数块等厚度的方形板对其表面进行机械磨平，作为原材料板材Ⅰ；优选的，所述高温回火的温度为1000℃以上。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用一对共轭的模具分别对预处理之后的奇数块原材料板材Ⅰ冲压获得样品Ⅱ和样品Ⅲ具体为：
将冲压设备的上下压头均装配可拆卸的模具a，并在模具上涂抹润滑油，将数量为(总数-1)/2的板材Ⅰ送入上下模具a之间，抽真空并充入惰性气体Ar至大气压，加热之后冲压变形至预期厚度后取出样品使其在空气中冷却至室温，得到样品Ⅱ；
再将冲压设备的上下压头均装配可拆卸的与模具a共轭的模具b，并在模具上涂抹润滑油，将剩余的板材Ⅰ送入上下模具b之间，抽真空并充入惰性气体Ar 至大气压，加热之后冲压变形至预期厚度后取出样品使其在空气中冷却至室温，得到样品Ⅲ。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用一对共轭的模具分别对预处理之后的奇数块原材料板材Ⅰ冲压获得样品Ⅱ和样品Ⅲ过程中的工艺参数为：送料速率为100～250mm/s，抽真空至30～100Pa，加热速率为10～30℃/min，保温温度为300～600℃，冲压速率为100～150mm/s，加载载荷为100～150t。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述平冲压具体为：将样品Ⅱ和样品Ⅲ表面机械磨光与抛光，按照表面压痕将样品Ⅱ和样品Ⅲ堆垛形成Ⅲ-Ⅱ…Ⅲ叠层结构的样品Ⅳ；将冲压设备的上下压头均装配可拆卸的平面模具，将样品Ⅳ送入平面模具之间，抽真空并冲入惰性气体Ar至大气压，加热之后冲压变形至预期厚度，使其具有良好的冶金结合后，取出样品使其在空气中冷却至室温得到异质结构样品Ⅴ。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述平冲压变形中的工艺参数为：送料速率为100～250mm/s，抽真空至30～100Pa，加热速率为10～30℃/min，保温温度为300～600℃，冲压速率为100～150mm/s，加载载荷为100～150t。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热处理流程为：对平冲压制备的异质结构材料进行真空退火处理，以消除冲压过程中的缺陷及残余应力；退火温度为300～450℃，退火时间为20～30min。
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