专利摘要

本发明大尺寸超细珠光体中碳钢棒材3D‑SPD成形方法涉及超细晶制备技术领域，具体涉及大尺寸超细珠光体中碳钢棒材3D‑SPD成形方法，包括以下步骤：工具设计及变形参数的确定：首先利用有限元模拟技术，建立中碳钢棒材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200°，确定出轧辊及导板变形工具形状，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珠光体片层间距，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.大尺寸超细珠光体中碳钢棒材3D-SPD成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，工具设计及变形参数的确定：首先利用有限元模拟技术，建立中碳钢棒材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200°，确定出轧辊及导板变形工具形状，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；

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、辊距调整参数作用下，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，变形工具工装加工制备及安装：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、辊距调整参数；

第四步，坯料加热：将直径为40-90mm，长度为300-1000mm的坯料放置加热炉内，加热至600-727℃，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：将加热到温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所述大尺寸超细珠光体中碳钢棒材3D-SPD成形方法，其特征在于，第五步中，送进角β大于21°、辗轧角γ大于15°、轧辊转速n小于30r/min、孔型椭圆度系数小于1.02、辊面锥角α大于4°。

3.如权利要求1所述大尺寸超细珠光体中碳钢棒材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75%，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所述大尺寸超细珠光体中碳钢棒材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550℃~700℃，保温时间为20min。

说明书

技术领域

本发明涉及超细晶制备技术领域，具体涉及大尺寸超细珠光体中碳钢棒材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。

国内外对于超细珠光体中碳钢超细晶工艺的报道鲜有报道。但由于超细珠光体同时具备高强高韧性等优点，其在加工领域的广阔应用前景是不容置疑的。

公告号CN1884606A的中国专利公开的超细珠光体高强度轨道钢的制备方法采用热温变形工艺，公告号CN1155013C、CN1044723C、CN1107735C、公告号CN1754973A的中国专利所公开的轨钢中，添加Nb、V、Cr和稀土等元素，并控制轧制或轧制后热处理。上述专利中所公开的工艺过程形成的珠光体片层间距过大，且热处理工序复杂，而且增加能耗及生产成本，已不能满足当前对高强高韧性钢的性能要求。

专利CN 107587076 A中提及了一种曲轴用大直径铁素体+珠光体型非调质钢棒材的生产方法，通过控制对连铸坯的加热制度以及多道次轧制等常规手段，虽成形规格较大，但制备出组织晶粒度均在6-7级且变形较不均匀。

南京钢铁股份有限公司曾周燏、王从道等人在专利【CN 103572023 B】中提出了一种低合金钢厚板/ 特厚板表层超细晶的制造方法。该方法同样在奥氏体区进行轧制,使表层奥氏体晶粒细化，然后快速冷却获得具有表层细晶组织的厚钢板，虽然制得了80mm厚的板材，但是其表层组织与心部组织细化效果差距明显，变形没有渗透到心部，仅在表层（1~10mm）范围为细晶。

西北工业大学及西安建筑科技大学刘东研究团队在专利【CN 108580548 A】、【CN108480397 A】中提及了大尺寸45钢超细晶棒材的等距螺旋以及反锥螺线辊超细晶轧制方法，制备出了1~5μm的45钢大尺寸超细晶棒材。

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珠光体中碳钢棒材3D-SPD成形方法。

本发明大尺寸超细珠光体中碳钢棒材3D-SPD成形方法，包括以下步骤：

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，建立中碳钢棒材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200°，确定出轧辊及导板变形工具形状，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；

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、辊距调整参数作用下，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，变形工具工装加工制备及安装：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40-90mm，长度为300-1000mm的坯料放置加热炉内，加热至600-727摄氏度，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试验：将加热到温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；

等温淬火温度为珠光体转变温度。

优选地，第五步中，送进角β大于21°、辗轧角γ大于15°、轧辊转速n小于30r/min、椭圆度系数小于1.02、变形区辊面锥角α大于4°。

优选地，第五步中，坯料在变形区内轧制时，面缩率大于75%，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，轧制完成后的坯料进行等温淬火，等温淬火的温度为550℃~700℃，保温时间为20min。

本发明能够拓展细化珠光体片层间距，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。

附图说明

图1为中碳钢棒材3D-SPD的有限元模型示意图。

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

本发明大尺寸超细珠光体中碳钢棒材3D-SPD成形方法，包括以下步骤：

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，建立中碳钢棒材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200°，确定出轧辊2及导板3变形工具形状，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；

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、辊距调整参数作用下，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，变形工具工装加工制备及安装：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40-90mm，长度为300-1000mm的坯料1放置加热炉内，加热至600-727℃，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，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，

等温淬火的温度为珠光体转变温度。

第五步中，送进角β大于21°、辗轧角γ大于15°、轧辊2转速n小于30r/min、椭圆度系数小于1.02、变形区辊面锥角α大于4°。

第五步中，坯料1在变形区内轧制时，面缩率大于75%，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。

轧制完成后的坯料进行等温淬火，等温淬火的温度为550℃~700℃，保温时间为20min。

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φ80×600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200°，当辊面锥角α=5°、送进角β=23°、辗轧角γ=17°、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=23°、辗轧角γ=17°、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=23°、辗轧角γ=17°、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650℃，加热时间t=35min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25r/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75%，将轧制完成后的坯料1进行等温淬火，等温淬火温度为560℃，保温20min后，空冷至室温。

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650℃，等温淬火温度为珠光体转变温度，该温度为560℃。

原始组织如图6所示，晶粒平均尺寸为55μm；采用本发明法，图7为轧后珠光体组织，经测量发现经过3D-SPD工艺后，其组织片层间距为60nm左右，可获得高强韧性能，应用前景非常广阔。

大尺寸超细珠光体中碳钢棒材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》。