一种高强高韧细晶复合结构板材及其制造方法技术

一种高强高韧细晶复合结构板材及其制造方法，板材基体材质为纯铁、低合金钢、AHSS钢或IF钢，板材双侧表面均为细晶复合结构渗氮层，细晶复合结构渗氮层具体由细晶渗氮层、强塑性变形渗氮层，普通塑性变形渗氮层、普通扩散层四部分构成，硬度800~1200HV。方法为：（1）对板材抛射弹丸进行表面细晶化处理，时间5~30min；（2）在400~560℃进行渗氮处理，获得高强高韧细晶复合结构板材。本发明专利技术的方法解决了表面细晶化技术在工业上的应用问题，有效降低了渗氮温度和时间，显著提高了板材的强度，且不明显降低板材的韧性。

【技术实现步骤摘要】
一种高强高韧细晶复合结构板材及其制造方法
本专利技术属于冶金材料
，特别涉及一种高强高韧细晶复合结构板材及其制造方法。
技术介绍
板材作为一种重要的钢材被广泛应用于汽车工业、航空工业、搪瓷工业、电气工业、机械工业等部门。目前中国每年生产板材40778万吨，但是整体质量并不高，随着我国工业的飞速发展，对用于各类工业制造的板材强度有了更高的要求。传统上使用较多的强化手段有细晶强化、塑性变形强化和合金强化等；细晶强化是使板材的晶粒更细、晶界更多，使晶界对位错运动的阻力更大，能提高板材强度同时又不降低韧性。但是目前工业生产中板材晶粒尺寸达到绝对细晶尺度是难以做到的，因此细晶强化无法广泛应用；塑性变形强化是逐渐提高板材塑性变形量，强度和硬度，但是降低了板材的金属塑性和韧性，而且会给后续加工带来困难，往往需要进行再结晶退火；合金强化是将合金元素引入到板材材料中形成固溶体，以增强金属强度，但是经合金强化处理过的板材韧性降低，另外合金强化法只能实施在板材基材生产阶段，对已有板材的性能提高没有意义。板材的强度和韧性通常无法兼顾，提高强度很难保证板材的机械性能和使用寿命，因此，制备出高强度且兼具高韧性板材，是目前钢材生产领域的一个主攻方向。
技术实现思路
针对目前市场现有板材普遍存在的高强度、高韧性之间相互矛盾的问题，本专利技术提供一种高强高韧细晶复合结构板材及其制造方法，即采用表面细晶渗氮处理手段，对板材进行增强、增韧处理；可以在板材双侧表面形成高强度的细晶复合结构渗氮层，提高板材强度，又不改变板材芯部结构，使板材整体保持较高的韧性；经表面细晶渗氮处理过的板材具有新颖独特的分层夹心结构和良好机械性能，有益于工业上的广泛应用。本专利技术的高强高韧细晶复合结构板材的基体部分材质为纯铁、低合金钢、AHSS钢或IF钢，双侧表面均为细晶复合结构渗氮层，细晶复合结构渗氮层具体是由细晶渗氮层、强塑性变形渗氮层、普通塑性变形渗氮层和普通扩散层四部分组成。细晶复合结构渗氮层由ε-Fe3-2N和固溶有氮的Fe构成，表面硬度为850~1200HV；有效硬化层厚度200~300μm，有效硬化层厚度占高强高韧细晶复合结构板材厚度1/2~1/4。上述的高强高韧细晶复合结构板材尺寸为：长500~1000mm，宽500~1000mm，厚0.5~2mm。本专利技术的高强高韧细晶复合板材的制造方法按以下步骤进行：1、将材质为纯铁、低合金钢、AHSS钢或IF钢的板材的双侧表面进行细晶化处理，得到厚度120~200μm的塑性变形层；表面细晶化处理是在持续通入保护气体条件下，通过板式表面细晶化实验机的抛射器向板材表面抛射弹丸来实现，抛射弹丸为0.3~2mm的不锈钢球，抛射器转速为300~1500rad/min，抛射时间5~30min；2、将双侧表面细晶化处理后的板材在400~560℃进行渗氮处理，渗氮处理结束后随炉冷却至常温，冷却过程持续通入氨气；渗氮处理采用气体渗氮或离子渗氮方式进行。上述的板式表面细晶化实验机包括辊道、屏蔽室、弹丸抛射系统和供丸系统；板式表面细晶化实验机固定在基础上；屏蔽室上设有保护气入口和保护气出口，下方设有弹丸回收漏斗；弹丸抛射系统共设有4部抛射器，抛射器分为两组，分别位于屏蔽室内部的辊道上方和下方；各抛射器均与一个供丸系统装配在一起；供丸系统的弹丸进口与上螺旋输送器的出口相配合，上螺旋输送器的进口与弹丸提升装置的出口相配合；弹丸提升装置的进口与下螺旋输送器的出口相配合，下螺旋输送器的进口与弹丸回收漏斗的底口相配合。上述的步骤1中，板材在辊道上做进给运动，辊道的进给速度为0.01~0.05m/s。上述方法中，采用的保护气体为氮气或氩气。上述的气体渗氮步骤为：将双侧表面细晶化的板材密封在氮化炉内，打开换气阀和氨气阀，向氮化炉内通入纯氨气，待井式氮化炉内气氛为100%的纯氨气后开始加热，升温速度8±2℃/min，待井式氮化炉升温至400~560℃，保温3~6h，然后随炉冷却，冷却过程持续通入氨气，待炉内温度降至70~80℃时，停止通入氨气，完成气体渗氮。上述的离子渗氮步骤为：将双侧表面细晶化的板材置于离子渗氮炉中阴极样品台上，抽真空至≤1×10-3Pa，通入氩气至5~15Pa并保持流通，通电至有辉光，对表面细晶化板材进行离子轰击清洁表面；然后通入氮气和氩气至200Pa并保持流通，并将离子渗氮炉内温度升至400~560℃，通电至有辉光，保持时间为2~5h，最后冷却至常温，冷却过程中抽真空至≤1×10-3Pa，完成离子渗氮；其中氮气和氩气的流量比为1:1。本专利技术的特点及效果：（1）本专利技术的高强高韧细晶复合结构板材具有分层夹心结构，即板材由表及里依次为细晶渗氮层、强塑性变形渗氮层、普通塑性变形渗氮层、普通扩散层、基体；（2）本专利技术的高强高韧细晶复合结构板材与普通板材相比，表面覆盖有高强度的复合结构渗氮层提高了板材的强度；而芯部保持基体结构不变，使板材整体韧性不明显降低，同时板材耐磨性也得到明显提高；板材的强度比未处理过时提高至少1倍，而韧性降低不明显；（3）本专利技术使用可以连续工作的板式表面细晶化实验机对板材进行表面细晶处理，可以实现表面细晶化技术在工业上连续化、大型化生产的要求。附图说明图1为本专利技术实施例1中高强高韧细晶复合结构板材的结构示意图图中，1、细晶渗氮层，2、强塑性变形渗氮层，3、普通塑性变形渗氮层，4、普通扩散层，5、基体；图2为本专利技术实施例1中高强高韧细晶复合结构板材表层延截面组织金相显微镜图；图中，A、细晶渗氮层，B、强塑性变形渗氮层，C、普通塑性变形渗氮层，D、普通扩散层；图3为板式表面细晶化实验机剖面结构示意图；图4为图3的右视图；图中，6、基础，7、辊道，8、板材，9、抛射器，10、屏蔽室，11、弹丸回收漏斗，12、清理系统，13、弹丸提升装置，14、供丸系统，15、保护气入口，16、保护气出口，17、横向螺旋输送器（包括上螺旋输送器和下螺旋输送器）；图5为本专利技术实施例1中的基体板材的金相图；图6为本专利技术实施例1中的表面细晶化处理后的板材的截面金相图；图7为本专利技术实施例1中表面细晶化处理后的板材和高强高韧细晶复合结构板材表面XRD衍射峰图；图中，上衍射峰图为高强高韧细晶复合结构板材材衍射峰，下衍射峰为表面细晶化处理后的板材衍射峰；图中ｏ为ε-Fe3-2N特征衍射峰；图8为本专利技术实施例1中的原料及产品延截面不同深度硬度变化曲线图；图中，▼为高强高韧细晶复合结构板材，▲为原料板材不经表面细晶化处理直接渗氮的产品，●为表面细晶化处理后的板材，■为原料板材；图9为本专利技术实施例1中的原料及产品工程应力-应变曲线图；图中，▼为高强高韧细晶复合结构板材，▲为表面细晶化处理后的板材，■为原料板材；图10为本专利技术实施例1中的表面细晶化处理后的板材和高强高韧细晶复合结构板材表面拉伸断口形貌图；其中，上图经表面细晶化处理后的板材拉伸断口形貌图，下图为高强高韧细晶复合结构板材拉伸断口形貌图；图11为本专利技术实施例1中的板材原料和产品表面滑动磨损量随时间变化曲线图；图中，●为原料板材；■为高强高韧细晶复合结构板材。具体实施方式本专利技术实施例中金相观测采用的金相试样采用UNIPOL810型自动磨样抛光机进行抛光，使用60~2000#砂纸，磨样转速60~80本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强高韧细晶复合结构板材，基体部分的材质为纯铁、低合金钢、AHSS钢或IF钢，其特征在于双侧表层为细晶复合结构渗氮层，细晶复合结构渗氮层由细晶渗氮层、强塑性变形渗氮层、普通塑性变形渗氮层和普通扩散层四部分构成，细晶复合结构渗氮层由超细晶的ε‑Fe3‑2N和含氮固溶体构成，表面硬度为850~1200HV；有效硬化层厚度200~300μm，有效硬化层厚度占高强高韧细晶复合结构板材厚度1/2~1/4。

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧细晶复合结构板材的制造方法，其特征在于按以下步骤进行：（1）将材质为纯铁、低合金钢、AHSS钢或IF钢的板材进行双侧表面细晶化处理，得到厚度100~200μm的塑性变形层；表面细晶化处理是在持续通入保护气体条件下，通过板式表面细晶化实验机的抛射器向板材表面抛射弹丸来实现，抛射弹丸为0.3~2mm的不锈钢球，抛射器转速为300~1500rad/min，抛射时间5~30min；其中板材在辊道上做进给运动，辊道的进给速度为0.01~0.1m/s；（2）将表面细晶化处理后的板材在400~560℃进行渗氮处理，渗氮处理结束后随炉冷却至常温，冷却过程持续通入氨气或抽真空；渗氮处理采用气体渗氮或离子渗氮方式进行；所述的气体渗氮的步骤为：将表面细晶化板材密封在氮化炉内，打开换气阀和氨气阀，向氮化炉内通入纯氨气，待井式氮化炉内气氛为100%的纯氨气后开始加热，升温速度8±2℃/min，待井式氮化炉升温至400~560℃，保温3~6h，然后随炉冷却，冷却过程持续通入氨气，待炉内温度降至70~80℃时，停止通入氨气，完成气体渗氮；所述的高强高韧细晶复合结构板材双侧表层为细晶复合结构渗氮层，细晶复合结构渗氮层由细晶渗氮层、强塑性变形渗氮层、普通塑性变形渗氮层和普通扩散层四部分构成，细晶复合结构渗氮层由超细晶的ε-Fe3-2N和含氮固溶体构成，表面硬度为850~120...

【专利技术属性】
技术研发人员：佟伟平，姚权桐，张辉，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21