CN113667914B - 一种冷变形制备高强度纯锆的方法 - Google Patents

一种冷变形制备高强度纯锆的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种冷变形制备高强度纯锆的方法，其包括以下步骤：S1、用线切割机把需要进行强化处理的材料切成矩形板材样品，矩形板材样品的规格为：长宽为50mm×10mm，厚度为2‑4mm；S2、将矩形板材样品表面用酒精擦拭干净，均匀涂抹防氧化膏，待防氧化膏风干以后，放在马弗炉中在950‑1030℃温度下保温30‑60分钟，取样迅速放入冷水中进行淬火处理，一段时间后取出，剥落防氧化层；S3、对水淬处理的矩形板材样品进行多道次冷轧变形。本发明在室温冷变形的基础上，对变形前的金属板材进行淬火处理。将控制合金相结构的淬火热处理工艺，创新性的用于纯金属变形前样品微结构的调控。

Description

一种冷变形制备高强度纯锆的方法
技术领域
本发明涉及金属材料的制备方法，特别涉及一种冷变形制备高强度纯锆的方法。
背景技术
全球的能源危机和污染问题对新材料提出越来越高的要求，其中制备具有超高强度的结构材料是节能减排的有效手段。变形强化是提高金属材料强度的主要方式之一。传统的变形强化方法有轧制、锻压、挤压、累积叠轧等等。利用这些塑性变形工艺，人们能够将金属材料细化至亚微米、甚至200-300纳米，从而大大提升了材料的强度。为了进一步提高变形效果，科研工作者开发了多种新的严重塑性变形工艺，比如液氮低温轧制、液氮低温动态变形、等通道挤压、高压扭转等。利用这些新的变形工艺，人们进一步将金属材料的晶粒尺寸细化至几十甚至十几纳米，使金属材料的强度得到了大幅的提高。比如，纳米结构铜的抗拉强度可以达到～900MPa，远高于其粗晶试样的220MPa。但这些新的严重塑性变形工艺也存在着一些问题。例如，液氮低温变形需要高昂的冷却剂费用，而且难以对大尺寸样品进行操作；高压扭转变形只能得到小的样品，在大尺寸样品上操作困难等。
金属锆是重要的核工业和化工业使用的金属材料，且具有优异的生物医用特性。但是锆材料的强度比较低，例如纯锆的抗拉强度382.32MPa，屈服强度330.43MPa。虽然利用合金化的方法可以提高锆金属的强度，但是合金元素的引入会带来其他的一些问题。例如辐照性能的退化、生物毒性等等。变形是提高金属材料强度的常用手段，但是常温下锆属六方晶系，具有滑移系少，塑性变形差的特点，因此利用变形强化的效果往往比较有限。
在以往的研究中，人们主要关注变形参数(如变形量、变形速率、温度)对材料微结构和力学性能的影响。忽略了变形前样品的状态对后续变形结构和力学性能的影响。而变形前样品的微结构，包括晶粒尺寸、形态、织构，都会对后续变形微结构和力学性能产生巨大的影响。
淬火是常用的热处理工艺方法。通过急速冷却，人们可以控制合金的相结构与相组成，从而实现力学性能的调控。淬火工艺的应用范围为合金材料(如钢、铝合金、铜合金、钛合金等)或玻璃材料的结构和性能调控。对于锆合金，人们通过添加β相稳定元素并结合淬火工艺，可以获得具有α+β双相结构的锆合金，并获得高的强度。
纯锆除了有常温的六方晶体结构(α相)，在862℃以上，它还具有高温的体心立方结构(β相)。如果对纯锆进行β相变点以上保温并进行水淬，并不会形成传统淬火工艺的相结构调控效果，这是因为没有β相稳定元素的掺杂，高温的β相不会保留至室温。但是，快速相变的过程中，α相会以板条的形式在高温β相中析出。这样，淬火处理后材料的晶粒尺寸、形态和织构相比铸态或再结晶态纯锆的微结构会发生很大改变。这会对锆的变形会产生非常重要的影响。因此，本发明将控制合金相结构的淬火热处理工艺，创新性的用于纯金属变形前样品微结构(晶粒尺寸、形态和织构)的调控。在随后的冷轧变形中，样品中形成了更细小的晶粒结构，进而获得了更高的屈服强度和抗拉强度。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种冷变形制备高强度纯锆的方法。本发明主要是通过将纯锆在β相变点以上保温后进行水淬处理，进而提高后续室温冷轧变形强化的效果，从而实现超高强度纯锆的制备。
具体地，本发明提供一种冷变形制备高强度纯锆的方法，其包括以下步骤：
S1、用线切割机把需要进行强化处理的材料切成矩形板材样品，矩形板材样品的规格为：长宽为50mm×10mm，厚度为2-4mm；
S2、将矩形板材样品表面用酒精擦拭干净，均匀涂抹防氧化膏，待防氧化膏风干以后，放在马弗炉中在950-1030℃温度下保温30-60分钟，取样迅速放入冷水中进行淬火处理，一段时间后取出，剥落防氧化层；
S3、对水淬处理的矩形板材样品进行多道次冷轧变形。
优选地，步骤S3中变形量为80-90％，轧机的输出功率为7500W，扭矩为1077Nm，轧辊直径为90mm；轧制过程中的线速度117.6mm/s，轧制每道次下压量0.05-0.1mm，轧制变形后样品的厚度为0.4mm，变形量为80-90％。
优选地，还包括步骤S4，对矩形板材样品进行拉伸测试。
优选地，步骤S2冷水淬火前后样品均为纯α相。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在室温冷变形的基础上，对变形前的金属板材进行淬火处理。将控制合金相结构的淬火热处理工艺，创新性的用于纯金属变形前样品微结构的调控。这不同于现有冷变形技术对铸态、再结晶态或热轧态的金属材料直接进行冷变形处理。一般来说，淬火是对合金材料进行的、以获得新相为目的的热处理工艺，通过保留高温相或淬火过程中形成的马氏体相来提高材料强度。本发明虽然采用了淬火工艺，但淬火前后的相组成并未发生变化，都是常温的六方α相。因此，淬火的效果只是为了改变了α相的晶粒尺寸、形态和晶粒取向。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本专利的拉伸样品的尺寸示意图；
图3是本专利实施例1未淬火和经淬火处理的高纯锆的XRD图；
图4a和图4b分别是本专利实施例1未淬火和经淬火处理的高纯锆的金相照片示意图；
图5是本专利实施例1未淬火和经淬火处理的高纯锆样品经冷轧变形后的工程应力-应变曲线示意图；
图6是本专利实施例2未淬火和经淬火处理的商业纯锆的XRD图；
图7是本专利实施例2未淬火和经淬火处理的商业纯锆经冷轧变形后的工程应力-应变曲线。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
具体地，本发明提供一种冷变形制备高强度纯锆的方法，其包括以下步骤：
S1、用线切割机把需要进行强化处理的材料切成矩形板材样品，矩形板材样品的规格为：长宽为50mm×10mm，厚度为2-4mm；
S2、将矩形板材样品表面用酒精擦拭干净，均匀涂抹防氧化膏，待防氧化膏风干以后，放在马弗炉中在950-1030℃温度下保温30-60分钟，取样迅速放入冷水中进行淬火处理，一段时间后取出，剥落防氧化层；
S3、对水淬处理的矩形板材样品进行多道次冷轧变形。
优选地，步骤S3中变形量为80-90％，轧机的输出功率为7500W，扭矩为1077Nm，轧辊直径为90mm；轧制过程中的线速度117.6mm/s，轧制每道次下压量0.05-0.1mm，轧制变形后样品的厚度为0.4mm，变形量为80-90％。
优选地，还包括步骤S4，对矩形板材样品进行拉伸测试。
具体实施例1
(1)取厚度为4mm的高纯锆板，纯度为Zr+Hf≥99.95％。将其切为长×宽＝50mm×10mm的矩形板。
(2)打磨样品并在四周均匀涂抹防氧化膏并风干且无裂纹。
(3)将步骤(2)中处理好的样品放入烧至1030℃的马弗炉中保温30分钟。
(4)将样品从马弗炉中迅速取出并放入水中冷却5min；冷却后，剥落防氧化层。淬火态样品的XRD和金相照片见图3和图4。由图3的XRD数据可以看出：淬火前后样品均为纯α相，淬火样品中没有β相残留；与未淬火样品相比，淬火样品的(002)峰明显降低，表明基面织构大幅降低。由图4的金相照片对比可以看出，淬火前样品中为20-100μm的等轴晶；淬火后样品为板条结构，板条宽度约为10μm。
(5)将步骤(4)样品进行轧制，轧机线速度117.6mm/s，轧制每道次压下量0.1mm，扎至0.4mm停止。
(6)按照图2规格切出拉伸测试试样。利用英斯特朗5948微力材料试验机对步骤(5)处理的拉伸试样进行力学性能测试，拉伸应变速率为1×10-3s-1，拉伸曲线如图5所示。可以看出：未经淬火的高纯锆经轧制变形后，屈服强度和抗拉强度分别为550MPa和599MPa；经过淬火处理样品经轧制变形后，屈服强度和抗拉强度分别为640MPa和732MPa。屈服强度和抗拉强度分别提高了16.4％和22.2％。
具体实施例2
(1)取厚度为2mm的商业纯锆，成分为：Zr+Hf≥99.2，Hf≤4.5％，Fe+Cr:0.2％，C：0.05％，N：0.025％，H：0.005％，O：0.1％。将其切为长×宽＝50mm×10mm的矩形板。
(2)打磨样品并在四周均匀涂抹防氧化膏并风干且无裂纹。
(3)将(2)中处理好的样品放入烧至950℃的马弗炉中保温60分钟。
(4)将样品迅速取出放入水中冷却5min，剥落防氧化层。淬火态样品的XRD和金相照片见图6。由图6的XRD数据可以看出：淬火前后样品均为纯α相，淬火样品中没有β相残留；与未淬火样品相比，淬火样品的(002)峰明显降低，表明基面织构大幅降低。
(5)对(4)样品室温轧制变形，轧机线速度117.6mm/s，轧制每道次压下量0.05mm，样品轧至0.4mm停止。
(6)按照图2规格切出拉伸测试试样。利用英斯特朗5948微力材料试验机对(5)处理的拉伸试样进行力学性能测试，拉伸应变速率为1×10-3s-1，拉伸曲线如图7所示。可以看出：未经淬火的高纯锆经轧制变形后，屈服强度和抗拉强度分别为665MPa和734MPa；经过淬火处理样品经轧制变形后，屈服强度和抗拉强度分别为760MPa和873MPa。屈服强度和抗拉强度分别提高了14.3％和18.9％。
之后将本专利两个实施例得到的结果与现有技术进行对比，对比结果如下表1所示：
表1本专利结果与文献报道结果对比
Figure BDA0003202219020000051
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在室温冷变形的基础上，对变形前的金属板材进行淬火处理。将控制合金相结构的淬火热处理工艺，创新性的用于纯金属变形前样品微结构的调控。这不同于现有冷变形技术对铸态、再结晶态或热轧态的金属材料直接进行冷变形处理。一般来说，淬火是对合金材料进行的、以获得新相为目的的热处理工艺，通过保留高温相或淬火过程中形成的马氏体相来提高材料强度。本发明虽然采用了淬火工艺，但淬火前后的相组成并未发生变化，都是常温的六方α相。因此，淬火的效果只是改变了α相的晶粒尺寸、形态和晶粒取向。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种冷变形制备高强度纯锆的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、用线切割机把需要进行强化处理的材料切成矩形板材样品，矩形板材样品的规格为：长宽为50mm×10mm，厚度为2-4mm；
S2、将矩形板材样品表面用酒精擦拭干净，均匀涂抹防氧化膏，待防氧化膏风干以后，放在马弗炉中在950-1030℃温度下保温30-60分钟，取样迅速放入冷水中进行淬火处理，一段时间后取出，剥落防氧化层；
S3、对水淬处理的矩形板材样品进行多道次冷轧变形；
步骤S3中变形量为80-90％，轧机的输出功率为7500W，扭矩为1077Nm，轧辊直径为90mm；轧制过程中的线速度117.6mm/s，轧制每道次下压量0.05-0.1mm，轧制变形后样品的厚度为0.4mm，变形量为80-90％。
2.根据权利要求1所述的冷变形制备高强度纯锆的方法，其特征在于：还包括步骤S4，对矩形板材样品进行拉伸测试。
3.根据权利要求1所述的冷变形制备高强度纯锆的方法，其特征在于：步骤S2冷水淬火前后样品均为纯α相。
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