专利摘要

本发明一种大尺寸超细贝氏体中碳钢棒材3D‑SPD成形方法涉及超细晶棒材制备技术领域，具体涉及一种大尺寸超细贝氏体中碳钢棒材3D‑SPD成形方法，包括以下步骤：变形工具设计及变形参数的确定：利用有限元模拟技术，建立中碳钢棒材3D‑SPD的有限元模型，并设定收敛条件为：位于变形区内的坯料上任意质点的扭转角度不小于180°，确定出轧辊及导板形状，以及辊面锥角α、送进角β、辗轧角γ、孔型椭圆度系数、辊距调整参数；本发明能够拓展细化贝氏体尺寸大小，大幅提升材料力学性能，通过相对低的轧制温度，降低能耗；采用压扭复合3D‑SPD工艺，避免了以往需要添加昂贵的合金元素来达到材料预期的性能。

权利要求

1.大尺寸超细贝氏体中碳钢棒材3D-SPD成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，变形工具设计及变形参数的确定：利用有限元模拟技术，建立中碳钢棒材3D-SPD的有限元模型，并设定收敛条件为：位于变形区内的坯料上任意质点的扭转角度不小于180°，确定出轧辊及导板形状，以及辊面锥角α、送进角β、辗轧角γ、孔型椭圆度系数、辊距参数；

若坯料在确定出的变形工具及辊面锥角α、送进角β、辗轧角γ、孔型椭圆度系数、辊距参数作用下，扭转角度满足收敛条件则进行下一步，若不满足收敛条件则重复第一步，直至符合收敛条件；

第二步，变形工具加工制备及安装：根据第一步得出符合收敛条件时输入的参数，设计轧辊及导板变形工具，该参数为最佳工艺参数；

设计辗轧角调整垫块，设计送进角调整工装，然后完成轧辊、导板、辗轧角调整垫块、送进角调整工装的制备加工、安装调试工作，

第三步，变形参数调整：安装调试完成以后，根据最佳工艺参数调整辊面锥角α、送进角β、辗轧角γ、孔型椭圆度系数、辊距参数；

第四步，坯料加热：将直径为40-80mm，长度为400-1100mm的坯料放置加热炉内，加热至727-800℃，加热时间t=D×（0.6-0.8）min计算，其中D为坯料的直径，单位为mm；

第五步，3D-SPD成形：将加热后的坯料从加热炉转运至轧机导料槽内，转运时间8s，通过导料槽进行送料，将坯料送入轧辊之间的变形区，坯料在变形区内螺旋运动直至变形结束，全部脱离变形区，将轧制完成后的坯料进行等温淬火。

2.如权利要求1所述大尺寸超细贝氏体中碳钢棒材3D-SPD成形方法，其特征在于，第五步中，坯料在变形区内轧制时，送进角β大于24°，辗轧角γ大于18°，轧辊转速n小于35r/min，辊面锥角α大于4°，孔型椭圆度系数小于1.02。

3.如权利要求1所述大尺寸超细贝氏体中碳钢棒材3D-SPD成形方法，其特征在于，第五步中，坯料在变形区内轧制时，面缩率大于70%，所述面缩率为：原始面积与轧后面积之差同原始面积的比值，辊面粗化至粗糙度大于6.4。

4.如权利要求1所述大尺寸超细贝氏体中碳钢棒材3D-SPD成形方法，其特征在于，第五步中，轧制完成后的坯料进行等温淬火，等温淬火温度为350℃~550℃，保温时间为25min。

说明书

技术领域

本发明涉及超细晶棒材制备技术领域，具体涉及一种大尺寸超细贝氏体中碳钢棒材3D-SPD成形方法。

背景技术

近年来，超细晶/纳米晶材料由于其优异的性能受到了世界各国材料领域专家的关注。人们通过持续细化晶粒来不断提高多晶材料的强韧化水平，其中，尤其以剧烈塑性变形（Severe Plastic Deformation，简称SPD）技术的研究成果令人瞩目。目前，主流的SPD工艺包括高压扭转（HPT）、等通道转角挤（ECAP）、累积叠轧（ARB）、多向锻造（MF）和扭转挤压（TE）五种方法。不过这些SPD方法也存在明显的局限性，主要表现在：

（1）剧烈变形区的渗透性差，仅发生在工件-模具或工件-工件表层附近，没有渗透到工件芯部，即变形区穿深小或穿深能力差，远远不能满足工业级大尺寸通体超细晶材料制备的要求。

（2）现有SPD技术在变形过程中，足够大的静水压力对于抑制裂纹等变形缺陷，约束材料自由变形以强化变形累积效果都具有重要作用，从而使现有各类SPD方法的成形载荷（平均单位压力达GPa级）远远高于常规塑性变形方法（一般为MPa级），严重制约了SPD技术在大尺寸块体材料制备领域中的工程应用。

贝氏体中碳钢作为一种新型的品种，具有良好的强度、韧性、和焊接性能, 适合应用于工程机械、压力容器、输油、输气管道。由于其制备条件苛刻，因而国内外对于超细贝氏体中碳钢超细晶工艺的报道鲜有报道。

燕山大学王天生等人在专利【CN 106868398 A】、【CN 106868281 A】和【CN106868414 A】中提出了一种超细晶铁素体/低温贝氏体双相钢及其制备方法，将回火屈氏体组织的钢在奥氏体区进行轧制，细晶奥氏体再进行低温贝氏体转变制备出了仅12mm厚的板材，该方法仍处于实验室阶段，无法满足工业化需求；

专利CN 110408854 A中提及了一种贝氏体不锈钢及其制备方法，通过控制成分、以及控轧控冷轧制工艺来制备，该专利回避了成品尺寸大小，并且专利中并没有贝氏体组织相关附图以及性能进行佐证。

专利CN 111206191 A中提及了一种Ti-V复合微合金化超细贝氏体非调质钢及其控锻控冷工艺和生产工艺，通过高Ti含量合金化设计，辅以V-N微合金化来强化其性能，生产成本极高，并且晶粒细化程度不显著（晶粒尺寸＞5μm）。

针对目前几乎不具备工业级大尺寸（直径大于50mm及长度大于500mm的）超细晶棒材制备技术，仅有的技术是本发明人前期发明专利-大尺寸45钢超细晶棒材的等距螺旋轧制方法（专利号201810172304 .4）、一种大尺寸45钢棒材的反锥螺线辊超细晶轧制方法（专利号201910151525 .8）等，在奥氏体单相区制备出了晶粒尺寸为1~5μm的45钢大尺寸超细晶棒材，其成形原理：基于斜轧成形原理，采用单锥形轧辊且坯料从锥形辊大直径端进入的方式，构成了单锥形变形区，该变形区采用了超大送进角（22°）、辗轧角（23.5°）及超长变形区（变形区长度与坯料直径之比为3.4:1），通过坯料的螺旋运动形成的压缩扭转复合塑性变形，实现了累积面积减缩率高达73%的轧件通体超大塑性变形。

但是，现有技术存在以下尚需改进的局限性：晶粒细化程度还需进一步提升，以满足更高使用性能的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种新的累积超大扭转变形的一种大尺寸超细贝氏体中碳钢棒材3D-SPD成形方法。

本发明大尺寸超细贝氏体中碳钢棒材3D-SPD成形方法，包括以下步骤：

第一步，变形工具设计及变形参数的确定：利用有限元模拟技术，建立中碳钢棒材3D-SPD的有限元模型，并设定收敛条件为：位于变形区内的坯料上任意质点的扭转角度不小于180°，确定出轧辊及导板形状，以及辊面锥角α、送进角β、辗轧角γ、孔型椭圆度系数、辊距参数；

若坯料在确定出的变形工具及辊面锥角α、送进角β、辗轧角γ、孔型椭圆度系数、辊距参数作用下，扭转角度满足收敛条件则进行下一步，若不满足收敛条件则重复第一步，直至符合收敛条件；

第二步，变形工具加工制备及安装：根据第一步得出符合收敛条件时输入的参数，设计轧辊及导板变形工具，该参数为最佳工艺参数；

设计辗轧角调整垫块，设计送进角调整工装，然后完成轧辊、导板、辗轧角调整垫块、送进角调整工装的制备加工、安装调试工作，

第三步，变形参数调整：安装调试完成以后，根据最佳工艺参数调整轧机辊面锥角α、送进角β、辗轧角γ、孔型椭圆度系数、辊距参数；

第四步，坯料加热：将直径为40-80mm，长度为400-1100mm的坯料放置加热炉内，加热至727-800℃，加热时间t=D×（0.6-0.8）min计算，其中D为坯料的直径，单位为mm；

第五步，3D-SPD成形：将加热后的坯料从加热炉转运至轧机导料槽内，转运时间8s，通过导料槽进行送料，将坯料送入轧辊之间的变形区，坯料在变形区内螺旋运动直至变形结束，全部脱离变形区，将轧制完成后的坯料进行等温淬火。

等温淬火温度为贝氏体转变温度。

优选地，第五步中，坯料在变形区内轧制时，送进角β大于24°，辗轧角γ大于18°，轧辊转速n小于35r/min，变形区辊面锥角α大于4°，椭圆度系数小于1.02。

优选地，第五步中，坯料在变形区内轧制时，面缩率大于70%，所述面缩率为：原始面积与轧后面积之差同原始面积的比值，辊面粗化至粗糙度大于6.4。

优选地，第五步中，轧制完成后的坯料进行等温淬火，等温淬火温度为350℃~550℃，保温保温时间为25min。

本发明采用压扭复合3D-SPD工艺，避免了以往需要添加昂贵的合金元素来达到材料预期的性能。

附图说明

图1为建立45钢棒材3D-SPD的有限元模型。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明轧制过程中变形区示意图。

图4为变形区扭转角示意图。

图5为本发明流程示意图。

图6为实施例1中45钢棒材原始组织示意图。

图7为实施例1中45钢棒材轧制后组织示意图。

附图标记：1-坯料，2-轧辊，3-导板。

具体实施方式

本发明大尺寸超细贝氏体中碳钢棒材3D-SPD成形方法，包括以下步骤：

第一步，变形工具设计及变形参数的确定：利用有限元模拟技术，建立中碳钢棒材3D-SPD的有限元模型，并设定收敛条件为：位于变形区内的坯料1上任意质点的扭转角度不小于180°，确定出轧辊2及导板3形状，以及辊面锥角α、送进角β、辗轧角γ、孔型椭圆度系数、辊距参数；

若坯料1在确定出的变形工具及辊面锥角α、送进角β、辗轧角γ、孔型椭圆度系数、辊距参数作用下，扭转角度满足收敛条件则进行下一步，若不满足收敛条件则重复第一步，直至符合收敛条件；

第二步，变形工具加工制备及安装：根据第一步得出符合收敛条件时输入的参数，设计轧辊2及导板3变形工具，该参数为最佳工艺参数；

设计辗轧角调整垫块，设计送进角调整工装，然后完成轧辊2、导板3、辗轧角调整垫块、送进角调整工装的制备加工、安装调试工作，

第三步，变形参数调整：安装调试完成以后，根据最佳工艺参数调整轧机辊面锥角α、送进角β、辗轧角γ、孔型椭圆度系数、辊距参数；

第四步，坯料加热：将直径为40-80mm，长度为400-1100mm的坯料1放置加热炉内，加热至727-800℃，加热时间t=D×（0.6-0.8）min计算，其中D为坯料1的直径，单位为mm；

第五步，3D-SPD成形：将加热后的坯料1从加热炉转运至轧机导料槽内，转运时间8s，通过导料槽进行送料，将坯料1送入轧辊2之间的变形区，坯料1在变形区内螺旋运动直至变形结束，全部脱离变形区，进行等温淬火。

等温淬火温度为贝氏体转变温度。

第五步中，坯料1在变形区内轧制时，送进角β大于24°，辗轧角γ大于18°，轧辊2转速n小于35r/min，变形区辊面锥角α大于4°，椭圆度系数小于1.02。

第五步中，坯料1在变形区内轧制时，面缩率大于70%，所述面缩率为：原始面积与轧后面积之差同原始面积的比值，辊面粗化至粗糙度大于6.4。

第五步中，轧制完成后的坯料进行等温淬火，等温淬火温度为350℃~550℃，保温保温时间为25min。

在成形过程中，变形体在三维空间发生了剧烈的扭转和压缩复合塑性变形，命名该方法为三维剧烈塑性变形法，命名为三维超大塑性变形法，简称3D-SPD成形法，英文：3Dimensional Severe Plastic Deformation，简称3D-SPD。

实施例1：

下面通过具体示例详细说明本发明的示例性实施例。下面的示例以坯料1规格为170×650mm的45钢棒材为例，然而，本发明不限于此，也可通过本发明的方法生产其他规格的45钢棒材。

本示例的生产过程如下：

购置的45钢棒材是生产厂家经真空自耗电弧炉熔炼、锻造和机加工得到，质量符合轧制要求。圆柱坯料1各部位组织分布均匀，未发现夹杂、气孔等缺陷。

第一步，工具设计及变形参数的确定：首先利用有限元模拟技术，建立45钢棒材3D-SPD的有限元模型，并设定收敛条件为：变形区内任意质点的扭转角度不小于180°，当辊面锥角α=5°、送进角β=24°、辗轧角γ=18°、孔型椭圆度系数=1.01、辊距=25mm时，通过有限元计算出扭转角=240°。

第二步，变形工具工装加工制备及安装：根据已经确定的最佳工艺参数：辊面锥角α=5°、送进角β=24°、辗轧角γ=18°、孔型椭圆度系数=1.01、辊距=25mm，设计出轧辊2及导板3模型；设计调整垫块，然后完成轧辊2、导板3和调整垫块的制备加工、安装调试工作。

第三步，变形参数调整：安装调试完成以后，根据最佳工艺参数调整轧机送进角β=24°、辗轧角γ=18°、孔型椭圆度系数=1.01、辊距=25mm；

第四步，坯料1加热：将直径为50mm，长度为600mm的45钢坯料1放置加热炉内，加热至750℃，加热时间t=50min计算，其中D为坯料1的直径，单位为mm；

第五步，3D-SPD试验：将加热到温的坯料1从加热炉转运至轧机导料槽内，转运时间8s，通过导料槽进行送料，将坯料1送入轧辊2之间的变形区，轧辊2转速30r/min，坯料1在变形区内螺旋运动直至变形结束，全部脱离变形区，面缩率为70%，将轧制完成后的坯料1进行等温淬火，等温淬火温度为480℃。

所述坯料1在轧制变形时，坯料1所处温度为奥氏体和铁素体温度区间内，该温度为750℃，等温淬火温度为贝氏体转变温度为480℃。

原始组织如图6所示，晶粒平均尺寸为55μm；采用本发明轧制后，45钢超细贝氏体组织如图7所示，平均晶粒尺寸小于5μm。

大尺寸超细贝氏体中碳钢棒材3D-SPD成形方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。