CN103203360B - 合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，该方法包括将合金或金属基复合材料制备成为锭坯；将锭坯热挤压成一定厚度为的板材；然后将板材热轧至一定的厚度；最后连续冷轧制成型的步骤。本发明可在现有设备上通过调整轧制工艺参数一次制备出抗拉强度和伸长率指标均非常优秀的高强高韧合金或金属基复合材料宽幅板材；同时还具有工艺方法简单，操作方便，不增加制备成本的特点，可用于汽车、轨道交通、航空航天急需的超高强度合金或金属基复合材料宽幅板材的制备，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及合金或金属基复合材料成型及控制领域，具体涉及一种合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法。
背景技术
大尺寸、超高强度、高韧性合金或金属基复合材料宽幅板材在汽车、轨道交通、航空航天等领域有着广泛的应用前景，但其制备一直是国内外材料界的难题。目前对与这种类型的宽幅板材，为了保证其获得较高的抗拉强度，普遍采用热轧后进行固溶加时效热处理的方法制备。
申请号为200910071585.5，名称为“TiAl基复合材料板材的制备方法”的中国发明专利说明书中公开了一种TiAl基复合材料板材的制备方法，其制备方法包括以下步骤：1、将交替层叠的铝基复合材料板材和纯钛板材，在200～500℃条件下进行热轧制，即得到多层复合板材；2、步骤一制得的多层复合板材在550～650℃条件下热处理10～20小时，再在850～950℃条件下热处理10～20小时，即得到TiAl基复合材料板材。
申请号为200810235979.5，名称为“一种耐高温高强度高模量铝基复合材料的制备方法”的中国发明专利公开说明书中公开了一种铝基复合材料的制备方法。该制备方法大致包括以下步骤：一、将纯铝锭和镁锭加热融化；二、加入混合盐以及各种中间合金浇铸成锭；三、将铸锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为470～500℃，时间为15～28h，将铸锭挤压或轧制成所需板材；四、对挤压或轧制板材进行固溶和时效处理，固溶处理的温度为480～500℃，时间为1～4h；时效处理的温度为170～210℃，时间为6～18h。
发表在《锻压技术》2008第五期上，作者为韩亚利、刘劲松、张福全，名称为“SiC颗粒增强铝基复合材料薄板轧制工艺的研究”的论文中公开了一种铝基复合材料薄板的轧制工艺，该工艺步骤大致如下：1、采用喷射沉积快速凝固技术制备铝基复合材料锭坯，并热挤压成板材；2、将在热轧机上进行多次热轧，在轧制道次之间加热板材，加热温度为410℃，加热时间为30min左右；3、将板材经460℃保温固溶20min后淬火，然后在120℃下进行20h时效处理。
如以上所述技术方案所示，它们存在一个共同点，都需要进行固溶以及时效热处理，这两项处理需要花费大量的时间，能耗也较高，影响生产效率；同时固溶加热和时效处理会降低合金或金属基复合材料轧制成的板材的伸长率性能，其伸长率通常小于2％，板材塑性较差，受力不均匀时，容易发生断裂，尤其是对于汽车、轨道交通、航空航天等零部件来说，对板材的强度及韧性均有较高的要求，以保证其使用安全性，因此，这一缺陷限制了合金或金属基复合材料宽幅板材的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，该方法简化了工艺操作步骤，较大的提升了合金或金属基复合材料宽幅薄板的抗拉强度和韧性指标，克服了现有技术的不足。
本发明所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，包括以下几个步骤：
a、将合金或金属基复合材料制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为8～16mm的板材；
c、将板材加热至合金或金属基复合材料的再结晶温度区间内，以5％～15％的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为2～4mm；
e、将步骤d所获得板材，以30％～60％的道次压下量连续轧至厚度0.5～1mm，道次之间不进行加热处理。
本发明所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的优选轧制方法包括以下几个步骤：
a、将合金或金属基复合材料制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为10mm的板材；
c、将板材加热至合金或金属基复合材料的再结晶温度区间内，以10％的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为3mm；
e、将步骤d所获得板材，以50％的道次压下量连续轧至厚度0.75mm，道次之间不进行加热处理。
所述的合金或金属基复合材料为铝合金、颗粒增强型铝基复合材料、镁合金、颗粒增强型镁基复合材料、钢铁合金、钛合金、颗粒增强型钛基复合材料。
所述的将合金或金属基复合材料制备成为锭坯是通过喷射沉积快速凝固技术、铸造技术、或者粉末冶金技术来制备的。
本发明所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，用所述的铝合金或颗粒增强型铝基复合材料制备宽幅薄板时，其轧制方法包括以下几个步骤：
a、将铝合金或颗粒增强型铝基复合材料制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为8～16mm的板材；
c、将板材加热至300℃-470℃，以5％～15％的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为2～4mm；
e、将步骤d所获得板材，以30％～60％的道次压下量连续轧至厚度0.5～1mm，道次之间不进行加热处理。
本发明所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，用所述的铝合金或颗粒增强型铝基复合材料制备宽幅薄板时，其优选轧制方法包括以下几个步骤：
a、采用将铝合金或颗粒增强型铝基复合材料制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为10mm的板材；
c、将板材加热至至440-470℃，以10％的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为3mm；
e、将步骤d所获得板材，以50％的道次压下量连续轧至厚度0.75mm，道次之间不进行加热处理。
所述的颗粒增强型铝基复合材料为碳化硅颗粒增强型铝基复合材料、氧化铝颗粒增强型铝基复合材料、或者碳化钛颗粒增强型铝基复合材料。
所述的将铝合金或其复合材料制备成为锭坯是通过喷射沉积快速凝固技术、铸造技术、或者粉末冶金技术来制备的。
本发明所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，用所述的钢铁合金制备宽幅薄板时，其轧制方法包括以下几个步骤：
a、将钢铁合金制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为8～16mm的板材；
c、将板材加热至温度大于钢铁合金的A1温度，以5％～15％的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为2～4mm；
e、将步骤d所获得板材，以30％～60％的道次压下量连续轧至厚度0.5～1mm，道次之间不进行加热处理。
所述的将钢铁合金制备成为锭坯是通过喷射沉积快速凝固技术、铸造技术、或者粉末冶金技术来制备的。
再结晶是指当退火温度足够高、时间足够长时，在变形金属或合金的显微组织中，产生无应变的新晶粒──再结晶核心；从开始生成新金属合金晶粒的温度称为开始再结晶温度，显微组织全部被新晶粒所占据的温度称为完全再结晶温度。
本发明所述的再结晶温度区间是指从开始再结晶温度至完全再结晶温度之间。
本发明所述的A1温度是指钢铁的奥氏体转变温度。
本发明与通常的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法不同之处在于：
(1)在轧制过程中保持板材温度处于其合金或金属基复合材料的再结晶温度区间内，以5-15％的道次变形量经过多次轧制工序将板材轧至2-4mm厚；然后再以30～60％的大幅度压下量将板材经数次轧制，轧至0.5～1mm厚，数次大应变轧制工序中间不再进行保温。这是由于之前的5-15％道次变形量的轧制工序使板材所获得的良好塑性，可以保证经过连续数次大应变轧制而不会产生裂纹等缺陷；经过数次大应变量轧制，轧辊对复合材料板产生了巨大的剪切作用，从而使复合材料中的金属合金晶粒和增强颗粒得到充分细化，位错密度增大，加工硬化效应明显，从而使板材强度得到大幅度提高；
(2)在本发明的方案所制备的宽幅薄板的抗拉强度和伸长率得到了极大的提高，比如颗粒增强型铝基复合材料宽幅薄板抗拉强度可达到700MPa以上，伸长率达到5％以上，而固溶+时效等常规的热处理强化的颗粒增强型铝基复合材料宽幅薄板，其伸长率不足2％。由此可见，本发明的方法不仅减少了处理环节，有效节约了能源消耗，而且获得了比现有技术更为优良的技术效果，具有突出的实质性特点和显著的进步。
本发明可在现有设备上通过调整轧制工艺参数一次制备出综合力学性能优异的高强高韧合金或金属基复合材料宽幅板材；同时还具有工艺方法简单，操作方便，不增加制备成本的特点，可用于汽车、轨道交通、航空航天急需的超高强度合金或金属基复合材料宽幅板材的制备，比如铝合金、颗粒增强型铝基复合材料、镁合金、颗粒增强型镁基复合材料、钢铁合金、钛合金、颗粒增强型钛基复合材料的制备，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1工艺制备的SiCp/7075Al复合材料宽幅薄板的力学性能曲线示意图
具体实施方式
实施例1
采用碳化硅颗粒增强型铝基复合材料轧制宽幅薄板，制备过程如下：
a、采用喷射沉积快速凝固技术将碳化硅颗粒增强型铝基复合材料制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为10mm的板材；
c、将板材加热至至440-470℃，以10％的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为4mm；
e、将步骤d所获得板材，以50％的道次压下量连续轧至厚度0.75mm，道次之间不进行加热处理。
由图1可以看出，应该本实施例工艺制备的SiCp/7075Al复合材料宽幅薄板在720MPa处才被拉断，抗拉强度达到720MPa，具有很好的物理性能。
实施例2
采用碳化钛颗粒增强型铝基复合材料，制备过程如下：
a、采用粉末冶金技术将碳化钛颗粒增强型铝基复合材料制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为12mm的板材；
c、将板材加热至380～420℃，以8％的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为3mm；
e、将步骤d所获得板材，以40％的道次压下量连续轧至厚度0.8mm，道次之间不进行加热处理。
实施例3
采用5083Al铝合金，制备过程如下：
a、采用铸造技术将5083Al铝合金制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为8mm的板材；
c、将板材加热至至300～360℃，以5％的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为2mm；
e、将步骤d所获得板材，以30％的道次压下量连续轧至厚度0.5mm，道次之间不进行加热处理。
实施例4
采用Q345低合金高强度钢，制备过程如下：
a、采用浇铸技术将Q345低合金高强度钢制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为9mm的板材；
c、将板材加热至700～800℃，以11％的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为3mm；
e、将步骤d所获得板材，以35％的道次压下量连续轧至厚度0.9mm，道次之间不进行加热处理。
实施例5
采用氧化铝颗粒增强型钛基复合材料，制备过程如下：
a、采用粉末冶金技术将氧化铝颗粒增强型钛基复合材料制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为16mm的板材；
c、将板材加热至1000℃～1100℃，以13％的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为2.5mm；
e、将步骤d所获得板材，以45％的道次压下量连续轧至厚度1mm，道次之间不进行加热处理。
实施例6
采用AZ31镁合金，制备过程如下：
a、采用铸造技术将AZ31镁合金制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为11mm的板材；
c、将板材加热至至300～450℃，以15％的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为3.5mm；
e、将步骤d所获得板材，以55％的道次压下量连续轧至厚度0.6mm，道次之间不进行加热处理。
实施例7
本发明实施例1和2的工艺与样品1～9的宽幅薄板抗拉强度、屈服强度及伸长率实验结果：
实验方案：
样品准备：
本发明样品：
1、样品1～4
样品材质：7075Al/15％SiCp；
样品1～4制板过程：处理过程采用喷射沉积工艺制坯，然后进行热挤压(测试挤压态力学性能以及挤压+峰值时效处理的力学性能)，挤压后进行热轧变形(轧制态力学性能)，轧制后进行峰值时效处理(轧制后进行峰值时效处理的力学性能)。
样品1—热挤压制备的样品
样品2—热挤压+峰值时效处理的样品
样品3—轧制态力学性能
样品4—轧制后进行峰值时效处理的样品
2、样品5～8
样品材质：7090Al/15％SiCp
样品5、6制板过程：采用热轧方式制备薄板，总轧制变形量76.5％
样品5—轧制板进行单级固溶，在490℃下固溶1h，然后进行时效处理，在120℃下处理28h；
样品6—轧制板进行双级固溶，在470℃下固溶1h，然后在490℃下固溶1h，最后进行时效处理，在120℃下处理28h；
样品7、8制板过程：采用热轧方式制备薄板，总轧制变形量87.7％
样品7轧制板进行单级固溶，在490℃下固溶1h，然后进行时效处理，在120℃下处理28h；
样品8轧制板进行双级固溶，在470℃下固溶1h，然后在490℃下固溶1h，最后进行时效处理，在120℃下处理28h；
3、样品9
样品材质：TiC/8009Al
制板过程：喷射沉积后，在350℃下挤压，挤压比为14:1。
抗拉强度实验方法：
伸长率实验方法：
实验结果见表1
| 样品名称 | 材质 | 抗拉强度 | 屈服强度 | 伸长率 |
| 样品1 | 7075Al/15％SiCp | 340 | 162 | 6.2 |
| 样品2 | 7075Al/15％SiCp | 661 | 480 | 3.3 |
| 样品3 | 7075Al/15％SiCp | 560 | 471 | 1.8 |
| 样品4 | 7075Al/15％SiCp | 670.2 | 536.2 | 4.8 |
| 样品5 | 7090Al/15％SiCp | 590 | 5.3 | |
| 样品6 | 7090Al/15％SiCp | 635 | 587 | 4.7 |
| 样品7 | 7090Al/15％SiCp | 623 | 575 | 4.8 |
| 样品8 | 7090Al/15％SiCp | 675 | 565 | 3.4 |
| 样品9 | TiC/8009Al | 376 | 320 | 10 |
| 实施例1工艺 | 7075Al/15％SiCp | 720MPa | 680MPa | 6.0％ |
| 实施例1工艺 | 7090Al/15％SiCp | 750MPa | 700MPa | 6.2％ |
| 实施例2工艺 | TiC/8009Al | 620MPa | 460MPa | 15％ |
由上表可见，本发明的轧制方法所制备宽幅薄板的韧性得到了大幅提升，明显优于现有技术轧制方法所制备的样品。从本发明实施例与样品2、4～8的对比可以看出，本发明的轧制方法制造出的薄板，在没有经过固溶及时效处理时，性能就已经优于现有技术的工艺所制备出来产品的性能，如果经过固溶及时效处理性能还会进一步增加。
Claims (10)
1.一种合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，其特征在于包括以下几个步骤：
a、将合金或金属基复合材料制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为8～16mm的板材；
c、将板材加热至合金或金属基复合材料的再结晶温度区间内，以5%～15%的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为2～4mm；
e、将步骤d所获得板材，以30%～60%的道次压下量连续轧至厚度0.5～1mm，道次之间不进行加热处理。
2.如权利要求1所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，其特征在于包括以下几个步骤：
a、将合金或金属基复合材料制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为10mm的板材；
c、将板材加热至合金或金属基复合材料的再结晶温度区间内，以10%的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为3mm；
e、将步骤d所获得板材，以50%的道次压下量连续轧至厚度0.75mm，道次之间不进行加热处理。
3.如权利要求1所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，其特征在于：所述的合金或金属基复合材料为铝合金、颗粒增强型铝基复合材料、镁合金、颗粒增强型镁基复合材料、钢铁合金、钛合金、颗粒增强型钛基复合材料。
4.如权利要求1～3任何一项所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，其特征在于：所述的将合金或金属基复合材料制备成为锭坯是通过喷射沉积快速凝固技术、铸造技术、或者粉末冶金技术来制备的。
5.如权利要求3所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，其特征在于，用所述的铝合金或颗粒增强型铝基复合材料制备宽幅薄板时，其轧制方法包括以下几个步骤：
a、将铝合金或颗粒增强型铝基复合材料制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为8～16mm的板材；
c、将板材加热至300℃-470℃，以5%～15%的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为2～4mm；
e、将步骤d所获得板材，以30%～60%的道次压下量连续轧至厚度0.5～1mm，道次之间不进行加热处理。
6.如权利要求5所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，其特征在于，用所述的铝合金或颗粒增强型铝基复合材料制备宽幅薄板时，其轧制方法包括以下几个步骤：
a、采用将铝合金或颗粒增强型铝基复合材料制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为10mm的板材；
c、将板材加热至至440-470℃，以10%的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为3mm；
e、将步骤d所获得板材，以50%的道次压下量连续轧至厚度0.75mm，道次之间不进行加热处理。
7.如权利要求5或6所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，其特征在于：所述的将铝合金或其复合材料制备成为锭坯是通过喷射沉积快速凝固技术、铸造技术、或者粉末冶金技术来制备的。
8.如权利要求5或6所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，其特征在于：所述的颗粒增强型铝基复合材料为碳化硅颗粒增强型铝基复合材料、氧化铝颗粒增强型铝基复合材料、或者碳化钛颗粒增强型铝基复合材料。
9.如权利要求3所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，其特征在于，用所述的钢铁合金制备宽幅薄板时，其轧制方法包括以下几个步骤：
a、将钢铁合金制备成为锭坯；
b、将锭坯热挤压成厚度为8～16mm的板材；
c、将板材加热至温度大于钢铁合金的A1温度，以5%～15%的道次压下量对板材进行轧制；
d、重复步骤c的加热和轧制过程，直至板材厚度为2～4mm；
e、将步骤d所获得板材，以30%～60%的道次压下量连续轧至厚度0.5～1mm，道次之间不进行加热处理。
10.如权利要求9所述的合金或金属基复合材料宽幅薄板的大应变轧制方法，其特征在于：所述的将钢铁合金制备成为锭坯是通过喷射沉积快速凝固技术、铸造技术、或者粉末冶金技术来制备的。
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