[發明專利]一種高強高韌細晶復合結構板材及其制造方法

有效

• 申請號: 201510388628.8
• 申請日: 2015-07-06
• 公開（公告）號: CN104911609B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發明（設計）人: 佟偉平;姚權桐;張輝
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C23F17/00
• 分類號: C23F17/00;C21D7/06;C23C8/26;C23C8/38
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于冶金材料技術領域，特別涉及一種高強高韌細晶復合結構板材及其制造方法。

背景技術

板材作為一種重要的鋼材被廣泛應用于汽車工業、航空工業、搪瓷工業、電氣工業、機械工業等部門。目前中國每年生產板材40778萬噸，但是整體質量并不高，隨著我國工業的飛速發展，對用于各類工業制造的板材強度有了更高的要求。傳統上使用較多的強化手段有細晶強化、塑性變形強化和合金強化等；細晶強化是使板材的晶粒更細、晶界更多，使晶界對位錯運動的阻力更大，能提高板材強度同時又不降低韌性。但是目前工業生產中板材晶粒尺寸達到絕對細晶尺度是難以做到的，因此細晶強化無法廣泛應用；塑性變形強化是逐漸提高板材塑性變形量，強度和硬度，但是降低了板材的金屬塑性和韌性，而且會給后續加工帶來困難，往往需要進行再結晶退火；合金強化是將合金元素引入到板材材料中形成固溶體，以增強金屬強度，但是經合金強化處理過的板材韌性降低，另外合金強化法只能實施在板材基材生產階段，對已有板材的性能提高沒有意義。

板材的強度和韌性通常無法兼顧，提高強度很難保證板材的機械性能和使用壽命，因此，制備出高強度且兼具高韌性板材，是目前鋼材生產領域的一個主攻方向。

發明內容

針對目前市場現有板材普遍存在的高強度、高韌性之間相互矛盾的問題，本發明提供一種高強高韌細晶復合結構板材及其制造方法，即采用表面細晶滲氮處理手段，對板材進行增強、增韌處理；可以在板材雙側表面形成高強度的細晶復合結構滲氮層，提高板材強度，又不改變板材芯部結構，使板材整體保持較高的韌性；經表面細晶滲氮處理過的板材具有新穎獨特的分層夾心結構和良好機械性能，有益于工業上的廣泛應用。

本發明的高強高韌細晶復合結構板材的基體部分材質為純鐵、低合金鋼、AHSS鋼或IF鋼，雙側表面均為細晶復合結構滲氮層，細晶復合結構滲氮層具體是由細晶滲氮層、強塑性變形滲氮層、普通塑性變形滲氮層和普通擴散層四部分組成。細晶復合結構滲氮層由ε-Fe₃-₂N和固溶有氮的Fe構成，表面硬度為850~1200HV；有效硬化層厚度200~300μm，有效硬化層厚度占高強高韌細晶復合結構板材厚度1/2~1/4。

上述的高強高韌細晶復合結構板材尺寸為：長500~1000mm，寬500~1000mm，厚0.5~2mm。

本發明的高強高韌細晶復合板材的制造方法按以下步驟進行：

1、將材質為純鐵、低合金鋼、AHSS鋼或IF鋼的板材的雙側表面進行細晶化處理，得到厚度120~200μm的塑性變形層；表面細晶化處理是在持續通入保護氣體條件下，通過板式表面細晶化實驗機的拋射器向板材表面拋射彈丸來實現，拋射彈丸為0.3~2mm的不銹鋼球，拋射器轉速為300~1500rad/min，拋射時間5~30min；

2、將雙側表面細晶化處理后的板材在400~560℃進行滲氮處理，滲氮處理結束后隨爐冷卻至常溫，冷卻過程持續通入氨氣；滲氮處理采用氣體滲氮或離子滲氮方式進行。

上述的板式表面細晶化實驗機包括輥道、屏蔽室、彈丸拋射系統和供丸系統；板式表面細晶化實驗機固定在基礎上；屏蔽室上設有保護氣入口和保護氣出口，下方設有彈丸回收漏斗；彈丸拋射系統共設有4部拋射器，拋射器分為兩組，分別位于屏蔽室內部的輥道上方和下方；各拋射器均與一個供丸系統裝配在一起；供丸系統的彈丸進口與上螺旋輸送器的出口相配合，上螺旋輸送器的進口與彈丸提升裝置的出口相配合；彈丸提升裝置的進口與下螺旋輸送器的出口相配合，下螺旋輸送器的進口與彈丸回收漏斗的底口相配合。

上述的步驟1中，板材在輥道上做進給運動，輥道的進給速度為0.01~0.05m/s。

上述方法中，采用的保護氣體為氮氣或氬氣。

上述的氣體滲氮步驟為：將雙側表面細晶化的板材密封在氮化爐內，打開換氣閥和氨氣閥，向氮化爐內通入純氨氣，待井式氮化爐內氣氛為100%的純氨氣后開始加熱，升溫速度8±2℃/min，待井式氮化爐升溫至400~560℃，保溫3~6h，然后隨爐冷卻，冷卻過程持續通入氨氣，待爐內溫度降至70~80℃時，停止通入氨氣，完成氣體滲氮。