CN114029356B - 一种超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的制备方法 - Google Patents

一种超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的制备方法，将多向热锻处理、单向热锻处理与冷轧处理三种工艺相结合；首先对不锈钢试样进行多向热锻处理以细化晶粒，然后经单向热锻处理以减小试样厚度，得到具有超细晶/纳米晶层状微结构的板状试样，最后通过冷轧处理得到精确厚度的超细晶/纳米晶层状微结构的不锈钢板材。本发明所述不锈钢板材具有超细晶/纳米晶层状微结构，并且工艺简单，原材料利用率高，厚度可控，能够实现大尺寸超细晶/纳米晶层状微结构的制备。

Description

一种超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的制备方法
技术领域
本发明属于结构材料制备技术领域，尤其涉及一种超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的制备方法。
背景技术
随着科技的飞速发展，国防工业、航空航天，汽车制造等高端工业领域的需要，高性能的先进金属材料一直是材料科学领域的重要发展方向。不锈钢作为一类重要的合金，因其优异的力学性能和良好的耐腐蚀性而广泛应用于日常家居、机械制造、沿海设备和航空航天等领域。但在某些特殊的结构零部件应用领域，需要优异的力学性能以更好的满足工业应用，成为业界普遍关注的问题。
层状结构，特别是微米/纳米尺度的层状结构可以有效的提高金属材料的力学性能，如高强度及高塑性。目前的制备层状结构金属材料方法有累计叠轧技术、高压扭转技术和扩散焊技术等。累积叠轧虽然在理论上可以实现层状薄片厚度的无限减小和工业大尺寸产品生产的需求，但是重复的操作使得材料界面容易被氧化、污染，良好的界面结合性往往难以保证，且材料利用率不高。对于高压扭转技术而言，虽然一定程度提高了界面结合性，但制备的样品尺寸受到限制，不利于工业生产。扩散焊技术虽然在材料利用率方面有所提高，但强度提升不高。
因此，亟需开发一种新的制备层状结构不锈钢板材的制备工艺，以满足工业生产的要求。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供了一种超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的制备方法，通过多向热锻处理、单向热锻处理和冷轧处理三种工艺相结合制备出具有超细晶/纳米晶层状微结构的不锈钢板材。所述工艺简单，原材料利用率高，晶粒尺寸可细化到1000nm以下，适用于工业化大尺寸超细晶/纳米晶层状微结构的制备。
本发明具体方案如下：
本发明提供了一种超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的制备方法，将多向热锻处理、单向热锻处理与冷轧处理三种工艺相结合；首先对不锈钢试样进行多向热锻处理以细化晶粒，然后经单向热锻处理以减小试样厚度，得到具有超细晶/纳米晶层状微结构的板状试样，最后通过冷轧处理，得到精确厚度的超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材。
优选地，多向热锻处理具体包括：对不锈钢试样进行恒温加热处理，然后沿着不锈钢试样相互垂直的三个方向，X轴、Y轴、Z轴方向各锻造一次作为一个锻造周期，每次锻造压下量为5％-30％；所述多向热锻处理包括至少6个锻造周期，以充分细化晶粒。
优选地，单向热锻处理具体包括：将多向热锻处理后的不锈钢试样进行恒温加热处理，然后单向垂直锻打得到板材试样；所述总压下量为50-85％，每道次压下量为0.1-1.0mm。
本发明所述单向垂直锻打，是指仅沿着单个方向锻打，并且锻打施力的方向与不锈钢试样表面相垂直。通过单向热锻处理，不仅能使多向热锻处理后的不锈钢试样只承受垂直冲击载荷，获得超细晶/纳米晶层状微结构板材，并使得超细晶/纳米晶和层状微结构紧密结合，有助于实现大尺寸样品的制备；还能减薄不锈钢试样的厚度为下一步冷轧处理做准备；避免了在厚度加大时直接轧制引起的较高的剪切应力和应变而出现微裂纹。
优选地，恒温加热温度为600-800℃，加热时间为1-15min。
优选地，冷轧处理时，对单向热锻得到的板状试样进行50-80％变形压下量的冷轧处理；轧制单道次压下厚度为0.1-0.5mm；反复轧制得到精确厚度的超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材。
本发明中所述冷轧处理，一方面，进一步减少不锈钢板材中层状结构的厚度；另一方面，通过控制变形压下量可以精确得到的所需不锈钢板材的厚度，以达到材料成型的精确控制，同时样品表面的光洁度及平整度也得到改善。
优选地，所述金属试样的几何形状为边长≥30mm的正方体或近似正方体。
优选地，所述不锈钢材料牌号为201、202、302、304、316、304L、316L不锈钢中任意一种；更优选地，所述不锈钢材料为304L不锈钢或316L不锈钢。
在本发明所述恒温加热条件下，能够有效避免马氏体的形成，同时消除内应力和基体内部缺陷，又不会使得奥氏体晶粒迅速长大。
本发明还提供了一种超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材，是采用上述任意一种方法制备得到。
优选地，所制备超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材中，晶粒尺寸可细化到1000nm以下。
与现有技术相比，本发明有益效果为：
本发明通过“多向热锻、单向热锻和冷轧”三种工艺的结合一次性制备出具有超细晶/纳米晶层状微结构的不锈钢板材，由此得到的不锈钢板材具备均匀的层状超细晶/纳米晶微结构，并且厚度精确、可控。本发明所述方法简单，材料利用率高，适于大尺寸板材的工业化生产。
附图说明
图1为实施例1制备超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的工艺流程图；
图2为实施例1得到的超细晶/纳米晶层状微结构304L不锈钢板材截面微观结构；
图3为实施例1得到的超细晶/纳米晶层状微结构316L不锈钢板材截面微观结构。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本发明的范围。
实施例1
一种超细晶/纳米晶层状微结构304L不锈钢板材的制备方法，将多向热锻处理、单向热锻处理与冷轧处理三种工艺相结合；首先对304L不锈钢试样进行多向热锻处理以细化晶粒，然后经单向热锻处理以减小试样厚度，得到具有超细晶/纳米晶层状微结构的板状试样，最后通过冷轧处理得到精确厚度的超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材。本实施例针对的304L不锈钢板材，尺寸为30×30×30mm3，化学成分(wt.％)为：C0.02，P0.026，S0.005，Si0.36，Mn1.23，Ni8.1，Cr18.21，其余为Fe。
具体步骤如下：
1)多向热锻处理：将304L不锈钢板材放入马弗炉中进行恒温加热处理，恒温加热的温度为700℃，加热时间为5min；取出加热的试样立即沿一个方向锻打，使其厚度减少25％(厚度由30mm锻打为22.5mm)；然后把试样旋转90°，沿另一个方向锻打，使其形成一个接近正方体的长条；最后，沿正方体长条轴向锻打试样，使其墩粗成原始的正方体形状，即完成第一个锻造周期。重复上述步骤热锻8道次后，完成多向热锻处理过程，使试样晶粒尺寸获得充分细化；
2)单向热锻处理：将多向热锻处理后的304L不锈钢板材放入马弗炉中进行恒温加热处理，恒温加热的温度为700℃，加热时间为5min，取出加热后的试样进行75％总压下量的单向垂直锻打处理；单向锻打时，仅沿着单个方向锻打，并且锻打施力的方向与304L不锈钢试样表面相垂直，并保证整个表面均受力，锻打单道次压下量为0.5mm，锻打后最终得到的板状试样尺寸约为60×60×7.5mm3；
3)冷轧处理：对单向热锻处理后的304L不锈钢板材在室温下进行冷轧处理，轧制变形压下量为60％，轧制单道次压下厚度为0.2mm，经反复轧制最终得到厚度约为3mm的超细晶/纳米晶层状微结构304L不锈钢板材。
本实施例得到的超细晶/纳米晶层状微结构304L不锈钢板材截面微观结构如图2所示，所得板材微观组织呈现出显著的超细晶层状结构，晶粒沿着轧制方向呈现层状分布，晶粒在垂直于轧制方向被细化至1000nm以下。
实施例2
一种超细晶/纳米晶层状微结构316L不锈钢板材的制备方法，将多向热锻处理、单向热锻处理与冷轧处理三种工艺相结合；首先对316L不锈钢试样进行多向热锻处理以细化晶粒，然后经单向热锻处理以减小试样厚度，得到具有超细晶/纳米晶层状微结构的板状试样，最后通过冷轧处理得到精确厚度的超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材。本实施例针对的316L不锈钢板材，尺寸为50×50×50mm3，化学成分(wt.％)为：C0.03，P0.03，S0.005，Mo1.97，Si0.53，Mn1.42，Ni10.10，Cr16.42，其余为Fe。
具体步骤如下：
1)多向热锻处理：将316L不锈钢板材放入马弗炉中进行恒温加热处理，恒温加热的温度为800℃，加热时间为2min；取出加热的样品立即沿一个方向锻打，使其厚度减少15％(厚度由50mm锻打为42.5mm)；然后把样品旋转90°，沿另一个方向锻打，使其形成一个接近正方体的长条；最后，沿正方体长条轴向锻打试样，使其墩粗成原始的正方体形状，即完成第一个锻造周期。重复上述步骤热锻6道次后，完成多向热锻处理过程，使试样晶粒尺寸获得充分细化；
2)单向热锻处理：将对多向热锻处理后的316L不锈钢板材放入马弗炉中，进行恒温加热处理，恒温加热的温度为800℃，加热时间为2min，取出加热后的试样进行50％总压下量的单向垂直锻打处理；单向锻打时，仅沿着单个方向锻打，并且锻打施力的方向与316L不锈钢试样表面相垂直，并保证整个表面均受力，锻打单道次压下量为0.1mm，锻打后最终得到的板状试样尺寸约为70×70×25mm3。
3)冷轧处理：对单向热锻处理后的316L不锈钢板材在室温下进行冷轧处理，轧制压下量约50％，轧制单道次压下厚度为0.2mm，经反复轧制最终得到板材的厚度约为12.5mm的超细晶/纳米晶层状微结构316L不锈钢板材。
本实施例得到的超细晶/纳米晶层状微结构316L不锈钢板材截面微观结构如图3所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的制备方法，其特征在于，将多向热锻处理、单向热锻处理与冷轧处理三种工艺相结合；首先对不锈钢试样进行多向热锻以细化晶粒，然后经单向热锻处理以减小试样厚度，得到具有超细晶/纳米晶的层状微结构的板状试样，最后通过冷轧处理得到精确厚度的超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材；所得不锈钢板材微观组织呈现出显著的超细晶层状结构，晶粒沿着轧制方向呈现层状分布，晶粒在垂直于轧制方向被细化至1000nm以下；
多向热锻处理具体包括：对不锈钢试样进行恒温加热处理，然后沿着不锈钢试样相互垂直的三个方向，X轴、Y轴、Z轴方向各锻造一次作为一个锻造周期，每次锻造压下量为5%-30%；所述多向热锻处理包括至少6个锻造周期，以充分细化晶粒；单向热锻处理具体包括：将多向热锻处理后的不锈钢试样进行恒温加热处理，然后单向垂直锻打得到板状试样；所述总压下量为50-85%，每道次压下量为0.1-1.0mm；冷轧处理时，对单向热锻得到的板状试样进行50-80%变形压下量的冷轧处理；轧制单道次压下厚度为0.1-0.5mm；反复轧制得到。
2.根据权利要求1所述的超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的制备方法，其特征在于，恒温加热温度为600~800℃，加热时间为1-15min。
3.根据权利要求1或2所述的超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的制备方法，其特征在于，所述不锈钢试样的几何形状为边长≥30mm的正方体或近似正方体。
4.根据权利要求1或2所述的超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材的制备方法，其特征在于，所述不锈钢试样的材料选自牌号为201、202、302、304、316、304L、316L的不锈钢中任意一种。
5.一种超细晶/纳米晶层状微结构不锈钢板材，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述方法制备得到。
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