CN115255237A - 一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法 - Google Patents

一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，包括如下步骤：(1)板材预处理；(2)异种钢板锻压结合；(3)反复填充折叠锻压；(4)轧制细化；(5)异构化热处理；通过上述步骤得到的梯度叠层双相多级异构钢铁板材同时具有双相片层、梯度结构、非均匀晶粒结构等多种异构特征，可以充分发挥异构材料优势，具有优异的综合力学性能，工艺流程简单，形成的异构材料界面结合良好。

Description

一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法
技术领域
本发明涉及材料制备领域，特别是涉及一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法。
背景技术
人类对钢的应用和研究历史非常悠久。自19世纪贝氏炼钢法发明之后，钢铁的制取成本大幅度降低。现如今钢凭借其低廉的价格以及较高的强度成为日常生活中使用最广泛的材料之一。但是，材料强度提高的同时往往会伴随着塑性降低。因此，如何同时提高钢铁材料的强度和塑性成为钢铁材料研究领域的热点之一。
经对现有技术检索发现，中国发明专利CN201110029418.1公开的《一种高韧性高强度钢板的热处理方法》中，通过将钢板加热，水淬然后回火的方式，最终获得组织为贫碳马氏体、贝氏体、少量残余奥氏体以及马氏体或贝氏体基体上细小弥散分布的碳氮化物，具有高强度高韧性的钢板。该技术的特点是：(1)提高了热处理生产效率，总能耗较离线热处理降低；(2)制得的板材在保证强度的同时，塑性和韧性也得以提高。但该技术也存在以下问题：(1)韧性的提高较为有限；(2)难以精确控制产品所需的力学性能。
对现有技术进一步检索发现，为了缓解金属材料强度与塑性之间的矛盾关系，有学者提出了“异构”金属的概念，设计出在微观尺度上包含具有不同性能组元的金属材料，利用软硬组元之间的协调变形及产生的异变诱导应变硬化，使得材料兼具高强度和高塑性。Li等人在(Superior strength and ductility of316L stainless steel withheterogeneous lamella structure,J Mater Sci,(2018)53:10442-10456)通过大变形量的冷轧并结合不完全再结晶退火，制备具有超细晶/纳米晶片层包裹粗晶片层形成的异质层状结构的316L奥氏体不锈钢，具有优异的综合力学性能。该技术的特点是：(1)工艺简单，对设备要求低；(2)异质层片结构兼具强度和塑性。该技术也存在以下问题：(1)需要进行大变形量的冷轧，大尺寸样品会对设备要求更高；(2)不完全再结晶退火难以精确控制异质层片厚度，从而难以精确控制材料的力学性能。
进一步检索发现，Ma等人在《Acta Materialia》材料学报，2016，116：43-52上发表的“Mechanical properties of copper/bronze laminates:Role of interfaces”(铜/黄铜叠层的力学性能：界面的作用)一文中，介绍了一种利用累积叠轧和热处理制备由多层粗晶铜和细晶黄铜交替组成的叠层异构铜合金板材的方法。该技术的特点如下：(1)随着层数的增加，材料的强度和拉伸塑性同时提高；(2)制得的叠层Cu合金板材具有出色的力学性能，在维持纳米晶Cu高强度的同时，该材料还具备超强的应变硬化能力，一定程度上保持了粗晶Cu的均匀延伸率。但是，该技术上存在以下问题：(1)获得的各金属层的厚度相同，软硬组元的层厚无法灵活变化；(2)室温累积叠轧难以保证界面结合。
因此，亟需一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，能够解决现有技术难以制备出同时具备良好强度和塑性的钢铁材料的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，以解决上述现有技术难以制备出同时具备良好强度和塑性的钢铁材料的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，包括以下步骤：
S1.板材预处理：利用电火花线切割加工出低碳钢板和奥氏体钢板，然后用砂轮对板材表面进行清理，去除表面油污和杂质；
S2.异种钢板锻压结合：将折叠后的低碳钢板中填充奥氏体钢板，将堆叠后的板材放入热处理炉中加热，保温后取出，通过锻压机使两种板材结合在一起，形成低碳钢包裹奥氏体钢的叠层板材；
S3.反复填充折叠锻压：利用电火花线切割对步骤S2得到的叠层板材从中部进行分割和折叠，然后在折叠的板材之间填充奥氏体钢板，将折叠贴合在一起的板材放入热处理炉中加热，保温后取出，对其进行热锻，重复以上操作多次之后得到梯度叠层板材；
S4.轧制细化：对步骤S3得到的梯度叠层板材进行轧制变形，以提高板材的表面平整度并细化晶粒；
S5.异构化热处理：对步骤S4中轧制后的梯度叠层板材进行异构热处理，使奥氏体片层形成非均匀分布的奥氏体晶粒，低碳钢片层形成细小的马氏体晶粒，得到梯度叠层双相多级异构钢铁板材。
优选地，步骤S1中，低碳钢板的厚度为1-10mm，长度为30-150mm，宽度为30-150mm，奥氏体钢板与低碳钢板的厚度和宽度相同，低碳钢板的长度等于奥氏体钢板的长度的2倍加上其厚度。
优选地，步骤S1中，低碳钢板的含碳量为0.03-0.25wt.％；奥氏体钢板包括3系列奥氏体不锈钢和Mn元素含量在4wt.％以上的中/高锰钢。
优选地，步骤S2中，加热温度控制为1000-1200℃，保温时间为20-60min，终锻温度为900-1000℃，锻压压下量为50％。
优选地，步骤S3中，加热温度控制为1000-1200℃，保温时间为20-60min，终锻温度为900-1000℃，锻压压下量为50％。
优选地，步骤S4中，轧制变形累计下压量为50-90％，变形温度为室温至400℃。
优选地，步骤S5具体为：将得到的梯度叠层板材加热到750-950℃，保温1-60min，对板材进行淬火处理，淬火介质为水或者淬火油，低碳钢片层中马氏体体积分数占该片层的80％以上，奥氏体片层中细晶晶粒尺寸为100-1000nm，粗晶晶粒的尺寸在1μm以上。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1、本发明提供的一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，通过简单的折叠高温锻压将奥氏体钢板和低碳钢板堆叠形成整体板材，也可适当消除金属在冶炼过程中产生的一些缺陷，界面结合效果高于低温机械合金化。
2、本发明提供的一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，片层厚度准确可控，通过控制每次折叠锻压的下压量均为50％，经过n次折叠锻压后得到的低碳钢层厚均为h/2n，奥氏体钢层厚从表层到心部具有梯度分布特征。
3、本发明提供的一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，最终制得的异构板材同时具有双相片层，梯度结构，非均匀晶粒结构等多种异构特征，可以充分发挥异构材料优势，具有优异的综合力学性能。
4、本发明提供的一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，工艺流程简单，生产设备常见，操作难度低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法中异种钢板锻压结合流程图；
图2为本发明提供的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法中反复填充折叠锻压流程图；
图3为本发明提供的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法中轧制细化和异构化热处理流程图；
图4为本发明提供的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法中梯度叠层板材淬火前与淬火后的微观结构示意图；
图5为本发明提供的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法制备得到的梯度叠层双相多级异构钢铁板材梯度叠层结构分布规律图；
图中：1-奥氏体钢板，2-低碳钢板，3-热处理炉，4-锻压设备上砧，5-锻压设备下砧，6-梯度叠层板材，7-上轧辊，8-下轧辊，9-淬火液。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，以解决现有技术难以制备出同时具备良好强度和塑性的钢铁材料的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
发明提供一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，如图1-5所示，其包括以下步骤：
第一步，板材预处理：利用电火花线切割加工出一定尺寸的低碳钢板2和奥氏体钢板1，然后用砂轮对板材表面进行清理，去除表面油污和杂质，低碳钢板2的厚度为1-10mm，长度为30-150mm，宽度为30-150mm，其中低碳钢板2和奥氏体钢板1的厚度和宽度相同，低碳钢板2的长度等于奥氏体钢板1长度的2倍加奥氏体钢板1的厚度，保证折叠锻压时低碳钢板2可以在上下表面将奥氏体钢板1包覆。
第二步，异种钢板锻压结合：将折叠后的低碳钢板2中填充奥氏体钢板1，将堆叠后的板材放入热处理炉3中加热，保温一段时间后取出，通过锻压机使两种板材结合在一起，形成低碳钢包裹奥氏体钢的叠层结构，加热温度为1000,-1200℃，保温时间为20-60min，终锻温度为900-1000℃，锻压压下量为50％。
第三步，反复填充折叠锻压：利用电火花线切割对第二步得到的叠层板材从中部进行分割和折叠，然后在折叠的板材之间填充奥氏体钢板1，将折叠贴合在一起的板材放入热处理炉3中加热，保温一段时间后取出，将其置于锻压设备上砧4和锻压设备下砧5之间，对其进行热锻，重复以上步骤多次，得到梯度叠层板材6，加热温度控制在1000-1200℃，保温时间为20-60min，终锻温度在900,-1000℃，锻压压下量为50％。
第四步，轧制细化：对反复折叠锻压得到的梯度叠层板6置于上轧辊7和下轧辊8之间材进行轧制，累计下压量为50-90％，变形温度为室温至400℃。
第五步，异构化热处理：将轧制后的梯度叠层板6加热到750-950℃，保温1-60min，然后对板材于淬火液9中进行淬火处理，淬火介质为水或者淬火油，低碳钢片层中得到的马氏体体积分数占该片层的80％以上，得到梯度叠层双相多级异构钢板。
本发明提供的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，首先是将低碳钢板(A)和奥氏体钢板(B)进行图1所示的异种钢板折叠锻压，使两者达到冶金结合得到3层的叠层板材(ABA)，其中低碳钢板和奥氏体钢板的厚度和宽度相同，低碳钢板的长度等于奥氏体钢板长度的2倍加厚度，保证折叠锻压时低碳钢板可以在上下表面将奥氏体钢板包覆。然后，在上述叠层板材上放置一块奥氏体不锈钢块，继续进行折叠和高温热锻，得到7层的叠层板材(ABABABA)，多次重复以上折叠锻压操作，每次锻压的下压量为总厚度的50％，可以得到低碳钢和奥氏体钢交替分布的叠层板材。这种反复折叠锻压得到的叠层板材的片层分布具有以下规律：(1)经过n次折叠锻压后总层数为2(n+1)-1；(2)两种钢板初始厚度都为h，经过n次折叠锻压后低碳钢层厚均为h/2n；(3)奥氏体钢层具有梯度分布的特征，如图5所示，经过n次折叠锻压后距离叠层板材表面最近的奥氏体层的厚度为h/2n，从表面至板材心部可以发现奥氏体层厚度从h/2n至h/2的梯度分布，此外在这些梯度分布的奥氏体层中间也是两种钢板交替的叠层结构；(4)由于反复折叠锻压的特性，相邻的梯度奥氏体层之间间隔的层数也呈现梯度分布的特征，从近表面的1层依次增加至3、7、....、2n-1-1层。然后，对折叠锻压后的叠层结构进行轧制变形处理，提高板材表面平整度进而细化晶粒尺寸。最后，对轧制后的叠层结构进行异构热处理，使低碳钢片层转变为马氏体为主的结构，奥氏体片层为晶粒尺寸非均匀分布的奥氏体结构。马氏体结构可以作为异构材料中的硬组元，奥氏体晶粒作为异构材料的软组元。异构热处理后得到的叠层板材中存在多种形式的异质结构，首先马氏体片层和奥氏体片层间形成双相片层异构；其次，奥氏体片层厚度从表面至心部呈现梯度分布特征；然后，在奥氏体片层内部还可以形成晶粒尺度的非均匀结构。最终，这种由多种异构形式组成的多级异构钢板可以充分发挥异构材料优势，具有优异的综合力学性能。
实施例1
(1)板材预处理：
利用电火花切割加工长、宽和厚度分别为50mm、40mm和5mm的316L奥氏体不锈钢板和长宽厚分别为105mm、40mm和5mm的Q235，然后用砂轮对板材表面进行清理，去除表面油污和杂质。
(2)异种钢板锻压结合：
将折叠后的低碳钢中填充奥氏体钢，将堆叠后的板材放入热处理炉中加热至1100℃保温30min后取出，通过锻压机使两种板材结合在一起，终锻温度为900-950℃，压下量为50％，形成低碳钢包裹奥氏体钢的叠层结构。
(3)反复填充折叠锻压：
利用电火花线切割对第二步得到的叠层板材从中部进行分割和折叠，然后在折叠的板材之间填充奥氏体钢板，将折叠贴合在一起的板材放入热处理炉中加热至1100℃，保温30min后取出，对其进行热锻，终锻温度为900-950℃，锻压压下量50％。重复以上步骤多次之后得到梯度叠层板材。
(4)轧制细化：
对反复折叠锻压得到的梯度叠层板材进行轧制，累计下压量为50％，变形温度为室温。
(5)异构化热处理：
将轧制后的叠层板材加热到800℃，保温10min，然后对板材进行淬火处理，淬火介质为水或者淬火油，得到梯度叠层双相多级异构钢铁板材。
实施例2
(1)板材预处理：
利用电火花切割加工长、宽和厚度分别为50mm、40mm和5mm的316L奥氏体不锈钢板和长宽厚分别为105mm、40mm和5mm的Q235，然后用砂轮对板材表面进行清理，去除表面油污和杂质。
(2)异种钢板锻压结合：
将折叠后的低碳钢中填充奥氏体钢，将堆叠后的板材放入热处理炉中加热至1100℃保温30min后取出，通过锻压机使两种板材结合在一起，终锻温度为900-950℃，压下量为50％，形成低碳钢包裹奥氏体钢的叠层结构。
(3)反复填充折叠锻压：
利用电火花线切割对第二步得到的叠层板材从中部进行分割和折叠，然后在折叠的板材之间填充奥氏体钢板，将折叠贴合在一起的板材放入热处理炉中加热至1100℃，保温30min后取出，对其进行热锻，终锻温度为900-950℃，锻压压下量50％。重复以上步骤多次之后得到梯度叠层板材。
(4)轧制细化：
对反复折叠锻压得到的梯度叠层板材进行轧制，累计下压量为90％，变形温度为300℃。
(5)异构化热处理：
将轧制后的叠层板材加热到820℃，保温8min，然后对板材进行淬火处理，淬火介质为水或者淬火油，得到梯度叠层双相多级异构钢铁板材。
实施例3
(1)板材预处理：
利用电火花切割加工长、宽和厚度分别为50mm、40mm和5mm的316L奥氏体不锈钢板和长宽厚分别为105mm、40mm和5mm的Q195，然后用砂轮对板材表面进行清理，去除表面油污和杂质。
(2)异种钢板锻压结合：
将折叠后的低碳钢中填充奥氏体钢，将堆叠后的板材放入热处理炉中加热至1100℃保温30min后取出，通过锻压机使两种板材结合在一起，终锻温度为900-950℃，压下量为50％，形成低碳钢包裹奥氏体钢的叠层结构。
(3)反复填充折叠锻压：
利用电火花线切割对第二步得到的叠层板材从中部进行分割和折叠，然后在折叠的板材之间填充奥氏体钢板，将折叠贴合在一起的板材放入热处理炉中加热至1100℃，保温30min后取出，对其进行热锻，终锻温度为900-950℃，锻压压下量50％。重复以上步骤多次之后得到梯度叠层板材。
(4)轧制细化：
对反复折叠锻压得到的梯度叠层板材进行轧制，累计下压量为70％，变形温度为300℃。
(5)异构化热处理：
将轧制后的叠层板材加热到750℃，保温15min，然后对板材进行淬火处理，淬火介质为水或者淬火油，得到梯度叠层双相多级异构钢铁板材。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.板材预处理：利用电火花线切割加工出低碳钢板和奥氏体钢板，然后用砂轮对板材表面进行清理，去除表面油污和杂质；
S2.异种钢板锻压结合：将折叠后的低碳钢板中填充奥氏体钢板，将堆叠后的板材放入热处理炉中加热，保温后取出，通过锻压机使两种板材结合在一起，形成低碳钢包裹奥氏体钢的叠层板材；
S3.反复填充折叠锻压：利用电火花线切割对步骤S2得到的叠层板材从中部进行分割和折叠，然后在折叠的板材之间填充奥氏体钢板，将折叠贴合在一起的板材放入热处理炉中加热，保温后取出，对其进行热锻，重复以上操作多次之后得到梯度叠层板材；
S4.轧制细化：对步骤S3得到的梯度叠层板材进行轧制变形，以提高板材的表面平整度并细化晶粒；
S5.异构化热处理：对步骤S4中轧制后的梯度叠层板材进行异构热处理，使奥氏体片层形成非均匀分布的奥氏体晶粒，低碳钢片层形成细小的马氏体晶粒，得到梯度叠层双相多级异构钢铁板材。
2.根据权利要求1所述的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，其特征在于：步骤S1中，低碳钢板的厚度为1-10mm，长度为30-150mm，宽度为30-150mm，奥氏体钢板与低碳钢板的厚度和宽度相同，低碳钢板的长度等于奥氏体钢板的长度的2倍加上其厚度。
3.根据权利要求1所述的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，其特征在于：步骤S1中，低碳钢板的含碳量为0.03-0.25wt.％；奥氏体钢板包括3系列奥氏体不锈钢和Mn元素含量在4wt.％以上的中/高锰钢。
4.根据权利要求1所述的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，其特征在于：步骤S2中，加热温度控制为1000-1200℃，保温时间为20-60min，终锻温度为900-1000℃，锻压压下量为50％。
5.根据权利要求1所述的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，其特征在于：步骤S3中，加热温度控制为1000-1200℃，保温时间为20-60min，终锻温度为900-1000℃，锻压压下量为50％。
6.根据权利要求1所述的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，其特征在于：步骤S4中，轧制变形累计下压量为50-90％，变形温度为室温至400℃。
7.根据权利要求1所述的折叠锻压制备梯度叠层双相多级异构钢铁板材的方法，其特征在于：步骤S5具体为：将得到的梯度叠层板材加热到750-950℃，保温1-60min，对板材进行淬火处理，淬火介质为水或者淬火油，低碳钢片层中马氏体体积分数占该片层的80％以上，奥氏体片层中细晶晶粒尺寸为100-1000nm，粗晶晶粒的尺寸在1μm以上。
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