CN115433890A - 一种细化半固态坯料的短时制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种细化半固态坯料的短时制备方法,属于半固态成形领域。本发明所述方法为首先将铸态金属坯料进行均匀化退火处理,然后进行单向多道次轧制,之后进行再结晶退火处理,然后进行双向多道次轧制,将温度加热至固液相线之间并保温,水淬后制得金属半固态坯料。本发明所述方法采用均匀化退火、单向多道次冷轧、再结晶退火、双向多道次冷轧、重熔处理制备金属半固态坯料;所制备的半固态坯料具有等温时间短、晶粒尺寸细小、圆整度好、固液两相分布均匀的优点。

Description

一种细化半固态坯料的短时制备方法
技术领域
本发明涉及一种细化半固态坯料的短时制备方法,属于半固态成形领域。
背景技术
金属半固态成形技术自20世纪70年代提出以来,得到快速发展,它是对处于固液两相温度区间的半固态金属浆料进行成形的方法。金属半固态成形零件的性能主要受到晶粒尺寸、圆整度、液膜厚度和分布状态的影响。一般的晶粒尺寸越小、圆整度约好、液膜越薄力学性能越好。再结晶重熔法即 RAP 法 (Recrystallization and partial remelting),是 Kirkwood 等学者提出的半固态坯料制备方法。 其工艺原理是坯料经再结晶温度以下塑性变形后,在重熔加热过程中发生回复和再结晶,随后液相润湿再结晶晶界并导致再结晶晶粒的球化。对于铸态坯料采用RAP法制备半固态坯料,可能会存在由于铸态坯料塑形较差,导致储存的变形能较少,且位错分布不均匀的问题,导致重熔过程中晶粒尺寸较大、球化速度更慢,最终导致晶粒球化效果不好,组织形貌差;目前有对坯料进行一定程度的处理然后采用RAP法制备锡青铜半固态坯料的方法,但仍然很难得到晶粒细小、圆整度好的半固态坯料,采用多级变形再重熔的方法虽然可以制备晶粒尺寸细小圆整度高的半固态坯料,但由于工序过长导致生产效率很低、生产成本更高,在实际工业生产中难以应用。
二级轧制-重熔法通过再结晶退火,预先将铸态坯料的树枝晶转变为细小的等轴晶粒,再通过RAP法制备晶粒尺寸小、圆整度高的半固态坯料,同时保证了工序较短,使得生产效率提高。
发明内容
本发明的目的是通过改善半固态坯料组织形貌、缩短重熔时间,达到提高制件的力学性能、以及成形时的生产效率;提供一种细化半固态坯料的短时制备方法,该方法利用半固态成形技术,制备出生晶粒尺寸小、圆整度高、组织均匀、重熔时间短的半固态坯料,具体包括以下步骤:
(1)首先将铸态金属坯料进行均匀化退火处理。
(2)将退火后的坯料进行一级冷轧,具体为单向多道次冷轧,首道次变形量大,此后变形量依此减小。
(3)将一级轧制后的坯料进行短时再结晶退火处理,空冷至室温,初始晶粒转变为等轴晶粒。
(4)对再结晶退火后的坯料进行二级冷轧,具体为多向多道次冷轧,首道次变形量大,此后以小变形量多次轧制。
(5)对二级轧制后的坯料在固液相温度区间内进行短时等温处理后水淬制备得到金属半固态坯料。
优选的,本发明所述步骤(1)中均匀化退火温度为0.7-0.8TS,退火时间4h-8h,退火后可以改善铸态坯料元素偏析同时提高合金塑性。
优选的,本发明所述步骤(2)中,单向多道次冷轧累计变形量为20%-50%,以坯料表面不出现或只有少量裂纹为宜,再结晶退火后使得枝晶转变为细小的等轴晶,为后续双向多道次轧制做准备。
优选的,本发明所述步骤(3)中再结晶退火时间为0.5-1h,以退火后组织晶粒尺寸细小为宜。
优选的,本发明所诉步骤(4)中以选定一个轧制面进行轧制然后以轧制方向为轴旋转90°进行轧制,交替上述步骤直到轧制方向面的两边相等为第一个道次,然后改变轧辊间距离进行多道次轧制,变形至最大变形量;目的是为了变形均匀,晶粒圆整度高,抗拉强度更高。
优选的,本发明所述步骤(5)中重熔温度:(TS+TL)/2,TS、TL分别为固相线和液相线温度,加热时间为3~5 min。
本发明的有益效果:
(1)本发明采用均匀化退火-冷轧-再结晶退火处理将初始铸态树枝晶转变成均匀细小的等轴晶,减小初始晶粒尺寸,使得最终制备的半固态坯料晶粒尺寸减小。
(2)本发明采用短时再结晶退火处理并空冷至室温,保证晶粒尺寸细小、圆整度高的前提下,提高生产效率、降低生产成本。
(3)本发明采用双向多道次轧制工序,变形后的组织中位错分布更均匀,重熔过程中更容易形成液相网格,使晶粒更容易球化,等温时间缩短、提高制备效率,且晶粒圆整度更好。
(4)本发明采用的单向、双向多道次轧制工序,均采用首道次变形量大,之后以小变形量进行多道次轧制的工艺;相比均采用小变形量多道次轧制工艺,加工道次减少,提升生产效率、节约成本,加工道次越少受加工硬化的影响越小,最终达到的累积变形量更大,有利于晶粒细化。
(5)本发明采用二级轧制工艺,累计变形量大、变形均匀,制备的半固态坯料组织均匀,改善元素偏析,提高了半固态坯料的质量。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是本发明所述双向多道次轧制工艺示意图。
图3是本发明所述实施例1的半固态坯料微观组织。
图4是本发明所述施例1的面扫图和点扫图。
图5是本发明所述施例1的晶粒尺寸统计图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述一种二级轧制-重熔法制备CuSn10P1合金半固态坯料方法,该合金固相线温度为876℃,液相线温度为1024℃,工艺流程如图1所示,具体步骤如下:
(1)首先将铸态金属坯料在660℃退火8h。
(2)将退火后的坯料进行一级冷轧,具体为单向多道次冷轧,首道次变形量20%,此后以10%变形量进行三次轧制,轧制累计变形量为50%。
(3)将一级轧制后的坯料进行短时再结晶退火处理(550℃退火1h),空冷至室温。
(4)对再结晶退火后的坯料进行二级冷轧,具体为多向多道次冷轧,首道次变形量为5%,此后以3%变形量进行五次轧制,轧制累计变形量为70%。
(5)对二级轧制后的坯料在固液相温度区间内进行重熔处理4 min后水淬。
本实施例制得晶粒细小圆整、固液两相分布均匀的CuSn10P1合金半固态坯料,平均晶粒尺寸30μm,晶粒圆整度为0.8;图3为本实例制备半固态浆料显微组织;可以看出,组织晶粒尺寸较小且分布均匀,晶间组织无聚集现象;图4为本实例制备半固态浆料显微组织面扫描和点扫描分析,可以看出Sn元素富集在晶间组织中,晶粒心部和晶间组织中Sn元素含量差距较大,这是由于晶间组织中存在具有脆硬性的Cu41Sn11相,因此若晶间组织聚集会影响合金性能;此外晶粒尺寸越小,晶粒数量越多,一定程度上削弱了晶间组织聚集对合金性能带来的影响;图5为本施例的晶粒尺寸统计图;可以看出,晶粒尺寸分布符合正太分布,平均值μ为32、标准差σ为10,通过正太分布图分析可知,20~40μm占比68.2% 10~50μm占比95.4% 。
实施例2
本实施例所述一种二级轧制-重熔法制备6061铝合金半固态坯料方法,测得6061铝合金固相线温度为582℃,液相线温度为652℃,工艺流程如图1所示,具体步骤如下:
(1)首先将铸态金属坯料在500℃退火4h。
(2)将退火后的坯料进行一级冷轧,具体为单向多道次冷轧,首道次变形量为10%,此后以5%变形量进行两次轧制,轧制累计变形量为20%。
(3)将一级轧制后的坯料进行短时再结晶退火处理(350℃退火1h),空冷至室温。
(4)对再结晶退火后的坯料进行二级冷轧,具体为多向多道次冷轧,首道次变形量为10%,此后以4%变形量进行五次轧制,轧制累计变形量为50%。
(5)对二级轧制后的坯料在固液相温度区间内进行重熔处理5 min后水淬。
本实施例制得晶粒细小圆整、固液两相分布均匀的6061铝合金半固态坯料。
对比实施例1
本实施例所述一种预热处理SIMA法制备金属半固态浆料的方法,具体步骤如下:
(1)本实施例材料为ZCuSn10P1铜合金,测得合金固相线温度为876℃,液相线温度为1024℃。
(2)均匀化退火:在700℃对ZCuSn10P1锡青铜合金进行4h预热处理。
(3)冷轧处理:将退火后的坯料,通过二辊轧机轧制,先以一个基准面为标准轧制20%,再旋转90°继续轧制,轧制2道次,最终累积变形量为40%。
(4)等温处理:将轧制试样放入预热至900℃的中频加热炉中保温15min获得半固态浆料,等温处理后取出试样并快速水淬,平均晶粒尺寸为56μm,晶粒圆整度为0.68。
对比实施列2
本实施例所述一种改进SIMA法制备半固态坯料的方法,具体步骤如下:
(1)本实施例材料为ZCuSn10P1铜合金,测得合金固相线温度为876℃,液相线温度为1024℃。
(2)将合金坯料加热至再结晶温度以上,利用轧制工艺,对坯料进行横轧与纵轧的多向交替轧制;将坯料加热至450℃,然后先沿坯料轴向对其进行第一道次轧制,然后将坯料沿其轴向旋转90°进行第二道次轧制,再沿其轴向旋转90°进行第三道次轧制,最后再沿其轴向旋转90°进行第四道次轧制;累积变形量为13%。
(3)将变形后的坯料加热至900℃并保温20 min,然后水淬,制备半固态浆料,平均晶粒尺寸为78μm,晶粒圆整度为0.8。
对比实施例3
一种多级轧制-退火SIMA法制备铜合金半固态浆料方法,工艺流程如图1所示,具体步骤如下:
(1)本实施例材料为ZCuSn10P1铜合金,测得ZCuSn10P1铜合金固相线温度为876.3℃,液相线温度为1024.4℃。
(2)将铸态ZCuSn10P1铜合金进行一级室温多道次轧制变形获得变形量为20.1%,将一级轧制后ZCuSn10P1铜合金在135℃进行4h一级退火热处理。
(3)将一级退火处理后的ZCuSn10P1铜合金进行二级室温多道次轧制变形获得累积变形量58.3%,将二级轧制后ZCuSn10P1铜合金在250℃进行4h二级退火热处理。
(4)将二级退火后ZCuSn10P1铜合金进行三级室温多道次轧制变形获得累积变形量70.3%,将三级轧制后的ZCuSn10P1铜合金在350℃进行4h三级退火热处理。
(5)将三级退火后ZCuSn10P1铜合金进行四级室温轧制变形获得累积变形量90%。
(6)将轧制变形结束后的ZCuSn10P1铜合金在900℃等温处理10min获得半固态铜合金浆料,并进行快速水淬处理获得半固态铜合金坯料,平均晶粒尺寸为36μm,晶粒圆整度为0.81。
对比实施例4
本实施例所述一种传统SIMA法制备半固态坯料的方法,具体步骤如下:
(1)本实施例材料为ZCuSn10P1铜合金,测得该合金固相线温度为876℃,液相线温度为1024℃。
(2)将合金坯料加热至再结晶温度以上,利用轧制工艺,对坯料进行单向轧制;将坯料加热至450℃,然后沿坯料轴向对其进行轧制,累积变形量为20%。
(3)将变形后的坯料加热至900℃并保温20分钟,然后水淬,制备的半固态浆料平均晶粒尺寸为62 μm,晶粒圆整度为 0.38。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表1为二级轧制-重熔法(实施例1)、预热处理SIMA法(对比实施例1)、改进SIMA法(对比实施例2)、多级退火轧制SIMA法(对比实施例3)、传统SIMA法(对比实施例4)制备半固态坯料的晶粒尺寸、形状因子和工艺复杂程度的对比;传统SIMA法制备半固态坯料,工序简单但晶粒圆整度最低;改进SIMA法制备的半固态坯料晶粒尺寸更大,但圆整度大幅度提高,这主要是由于采用了双向轧制的工艺,但采用该工艺变形量较低,因此晶粒尺寸更大;预热处理SIMA法制备的半固态坯料晶粒尺寸和圆整度居中,该方法是通过预退火一定程度上提升了合金的塑性、提高变形量,但由于退火后初始晶粒尺寸长大,使得减小晶粒尺寸和提高圆整度的效果有限。多级轧制退火SIMA法制备的半固态坯料晶粒尺寸小,圆整度高,但需要多次轧制退火工序更复杂。
本发明提出的二级轧制-重熔法,采用该方法采用一级单向、二级双向的轧制方法,制备的半固态坯料晶粒尺寸小、圆整度高、力学性能优异且工序相对多级轧制工艺简化、生产效率更高、生产成本更低;采用二级轧制-重熔法制备半固态坯料,等温处理时间明显缩短,这主要是由于采用多向多道次轧制工艺变形后的,组织中位错分布更均匀,重熔过程中更容易形成液相网格,使晶粒更容易球化,等温时间缩短、提高后续零件的成型效率。

Claims (6)

1.一种细化半固态坯料的短时制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)首先将铸态金属坯料进行均匀化退火处理;
(2)将退火后的坯料进行一级冷轧,具体为单向多道次冷轧,首道次变形量大,此后变形量依此减小;
(3)将一级轧制后的坯料进行短时再结晶退火处理,空冷至室温;
(4)对再结晶退火后的坯料进行二级冷轧,具体为多向多道次冷轧,首道次变形量大,此后以小变形量多次轧制;
(5)对二级轧制后的坯料在固液相温度区间内进行短时等温处理后水淬制备得到金属半固态坯料。
2.根据权利要求1所述细化半固态坯料的短时制备方法,其特征在于:步骤(1)中均匀化退火温度为0.7-0.8TS,退火时间4h-8h。
3.根据权利要求1所述细化半固态坯料的短时制备方法,其特征在于:步骤(2)中轧制变形量为20%-50%。
4.根据权利要求1所述细化半固态坯料的短时制备方法,其特征在于:步骤(3)中再结晶退火时间为0.5-1h。
5.根据权利要求1所述细化半固态坯料的短时制备方法,其特征在于:步骤(4)中以选定一个轧制面进行轧制然后以轧制方向为轴旋转90°进行轧制,交替上述步骤直到轧制方向面的两边相等为第一个道次,然后改变轧辊间距离进行多道次轧制,变形至最大变形量。
6.根据权利要求1所述细化半固态坯料的短时制备方法,其特征在于:步骤(5)中重熔温度:(TS+TL)/2,TS、TL分别为固相线和液相线温度,加热时间为3~5 min。
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