室温ARB技术制备超细晶铜板的研究.pdf

第5 9 卷第l 期 20 07 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ．N o ．1 F e b r u a r y 20 0 7 室温A R B 技术制备超细晶铜板的研究 魏伟1 ，史庆南2 1 ．江苏工业学院材料科学与工程系，江苏常州 2 13 0 16 ； 2 ．昆明理工大学材料与冶金工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 摘 要通过等效应变、轧制压下量和轧制温升的理论分析以及纯铜的变形试验，研究室温累积叠轧变形 a c c u m u I a t i v er o l l b o n d i n g ，A R B 制备超细品铜板。结果表明，窒温A R B 变形可以获得超细晶板带材，纯铜6 道次A R B 变形后，平均晶粒大小约为 0 ．5 t L m 。 关键词金属材料；强烈塑性变形；累积叠轧；纯铜；超细晶材料 中图分类号T G l 4 6 ．1 1 ；T G 3 3 5 ．5文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 1 ～0 0 3 5 0 3 为了实现高性能超细晶板带材的连续化生产， 日本学者S a i t o 等【1 ．2J 提出了一种新的强烈塑性变 形 S e v e r eP l a s t i cD e f o r m a t i o n 方法累积叠轧技 术 A c c u m u l a t i v eR o i lB o n d i n g ，A R B 。A R B 工艺过 程为 1 对1 m m 厚的板材进行表面处理； 2 将板 材叠合压紧，准备轧制； 3 将叠合好的板材送入轧 机轧制。为减小工件加工硬化，防止边部开裂，在工 件进入轧机前有一道加热工序，加热温度应控制在 金属的再结晶温度以下，5 0 ％的轧制压下量保证试 样恢复到轧前厚度，理论上而言，上述过程可以重复 进行无限次，如图1 所示1 1J 。 [ 亘三三三] ⋯⋯ C 二 二 ] D e g r e a s i n g 夕 _ J r , W i r eb r u s h i n g [ ] i i t [ 二垂习 E 三三三三三| ⋯⋯⋯◆ l C u t t i l l g 马 图1多道次累积轧制技术 A R B 示意[ 1 ] F i g ．1 S c h e m eo fa c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n gp r o c e s s A R B 不仅是轧制变形过程，同时也是界面复合 收稿日期2 0 0 5 0 9 一0 6 基金项且江苏省国际科技合作项目 B Z 2 0 0 6 0 1 8 ； 云南省自然科学基金重点资助项目 2 0 0 3 E 0 0 3 Z 作者简介魏伟 1 9 7 4 一 ，男，江苏沛县人，博士．主要从事新材 料及塑性成形技术等方面的研究。 过程，因此表面处理和加热温度的准确控制是保证 界面良好复合的关键。尽管A R B 工艺已经成功应 用于纯铝、铝合金、I F 钢、纯铜和镁合金等的晶粒超 细化1 1 _ 4J ，然而每次轧制变形前的加热处理极大地 限制了A R B 变形的效率，同时耗费能源，而且如果 某次加热温度控制不好，也会使之前的A R B 变形细 化效果降低或试样损坏。为了提高A R B 变形的效 率，节约能耗，提出室温A R B 变形制备超细晶材料 的设想，分析了室温A R B 变形的可行性，并对纯铜 进行了室温A R B 变形的试验研究。 1室温累积叠轧技术分析 1 ．1 等效应变⋯1 假设原始板材的厚度为t 。，每道次压下量 5 0 ％，则咒次轧制后板材的厚度f 为式 1 所示，咒 次轧制后的总压下量为式 2 所示。假设材料服从 y o nM i s e s 屈服准则，轧制变形为平面应变状态且不 考虑宽展，则等效应变e ，为式 3 所示。 t t o ／2 ” 1 1 一t ／t o 1 1 ／2 ” 2 ￡， [ 2 ／3 2 l n 2 ] 咒 0 ．8 扎 3 每道次A R B 等效应变达到0 ．8 ，因此增加轧制 道次就可以获得所期望的大塑性应变量。总压下 量、等效应变与变形道次之间的关系如表1 所示。 1 ．2 轧制压下量 轧制复合存在一个临界轧制压下量，通常取决 于材料状态、组分、表面处理状态和轧制温度等，冷 轧复合时，首道次压下量一般在6 5 ％～8 5 ％bJ ，而 铜板带的冷轧复合至少4 0 ％以上∞J 。实际上，通过 万方数据 3 6有 色 金属 第5 9 卷 控制轧制过程 如严格控制表面处理状态和轧制温 度等 ，临界轧制压下量还可以降低。在A R B 过程 中，由于每道次压下量保持5 0 ％，因此既可以保证 首道次复合，多道次变形也可以提高复合质量。 表lA R B 过程总压下量、等效应变与变形道次之间的关系 T a b l e1 R e l a t i o n s h i p so ft o t a lr e d u c t i o na n de q u i v a l e n ts t r a i nV S ．c y c l e sd u r i n gA R B 道次 12 3 45 67891 0n r t ／％ 5 07 58 7 ．59 3 ．89 6 ．99 8 ．49 9 ．29 9 ．6 9 9 ．89 9 ．9 1 1 ／2 ” 1 0 0 e。0．8 1 ．62 ．43 ．24 ．04 ．85 ．66 ．47 ．28 ．0 [ 2 ／3 ⋯ l n 2 ] n 0 ．8 n 1 ．3 轧制温升 冷轧过程中的摩擦热和轧件在变形阶段所吸收 的变形热将引起轧件的温度升高，这种温升的影响 是不可忽视的。首先，由于这种机械功的影响，轧件 的温度升高，进而使材料软化。另外，变形热本身又 受应变、应变率及温度的影响。一般来说，塑性变形 能中有1 0 ％被金属吸收以增加内能，其余全部转化 为热能。冷轧过程中的变形温升∽J 如式 4 所示。 A T 行z [ P a y ／ P c ] I n H ／h 4 式中m 一塑性功率转换系数，取为0 ．9 ；p 一轧件密 度；C ～轧件比热；H ，h 一轧件入口、出口厚度；P 。一 平均单位压力，可用式 5 表示E 8J 。 P 。。 2 k { [ e P ∥“n 。 一1 ] ／ t d ／h 。。 } 5 式中k O “ s ／3 m ，吒为屈服强度；∥一摩擦系数；h 。。 一平均高度，h 。。 H h ／2 ；z 一变形区长度，z R A h 1 ／2 ，R 为轧辊半径，a s h 为压下量。 表2 纯铜轧制温升随屈服强度的变化 T a b l e 2T h ei n c r e m e n to ft e m p e r a t u r ei nc o p p e rr o l l i n gV S ．y i e l ds t r e s s 屈服强度／M P a3 05 08 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 1 2 ．02 0 ．03 3 ．0 4 1 ．0 6 1 ．08 1 ．01 0 2 ．01 2 2 ．01 4 2 ．01 6 3 ．01 8 3 ．02 0 3 ．0 假定轧件人口厚度2 r a m ，出口厚度l m m ，两辊 轧机的轧辊直径为1 6 5 m m ，纯铜的密度和比热分别 为8 9 6 0 k g m ．3 和3 8 4 ．9 J k g _ 1 K 1 ，纯铜无润 滑冷轧时的摩擦系数为0 ．2 【9J ，根据以上数据就可 以计算纯铜的轧制温升，见表2 。退火态纯铜的屈 服强度通常在5 0 ～7 0 M P a ，变形态纯铜的屈服强度 在～3 5 0 M P a N oJ 。在第1 道次轧制时，尽管温升较 小，但由于退火态纯铜塑性较好，因此只要表面处理 适当，就可以实现复合，也很少有边部开裂。根据试 验结果，1 道次A R B 变形后，纯铜的屈服强度可以 达到4 0 0 M P a ，进入第2 道次轧制时相应的温升则 达到1 6 0 ℃。由于上述计算温升的过程没有考虑轧 制速度对温升的影响，因此实际的温升应高于 1 6 0 ℃ 试样的实际温度接近2 0 0 ℃ ，这样既有利于 界面复合也减少了试样边部开裂，直到第3 道次开 始出现边部开裂现象，见图2 。因此室温A R B 过程 所产生的变形温升 ～2 0 0 ℃ 不仅有利于界面复合， 也在一定程度上削弱了加工硬化的影响，延缓了轧 件边部开裂。 2纯铜室温累积叠轧结果 初始轧制前，将1 ．0 m m 厚的轧制态纯铜板 T 2 切割成 L 3 5 0 m m W 5 5 m m 的板条，然后 进行真空退火 6 0 0 ℃，l h ，采用高速旋转铜刷进行 表面打磨和清洗处理。在二辊轧机上进行室温轧 制，轧辊直径为1 6 5 m m ，轧制速度2 ．2 m ／r a i n 。 图2 室温A R B 纯铜试样 F i g ，2 S a m p l e so fc o p p e ra f t e rA R B p r o c e s sa tr o o mt e m p e r a t u r e 图2 为不同道次A R B 变形以后的纯铜试样外 观，共进行了6 道次A R B 变形，实验中发现在对试 样表面和边部进行适当处理，较好地控制轧制过程， 不仅第1 道次就实现了轧件复合，而且5 道次A R B 变形后，能够保持较好的板形，边部开裂也相对较 少。6 道次A R B 变形后，已很难辨别复合界面，平 均晶粒大小0 ．5 “m 左右，如图3 所示。 万方数据 第1 期魏伟等室温A R B 技术制备超细晶铜板的研究3 7 3结论 图3室温A R B 纯铜试样在轧制面上的金相照片和微观组织 T E M 明场像 F i g ．3O p t i c a la n dT E Mb r i g h tf i e l dm i c r o g r a p h so fC uo nr o l l i n gp l a n e a f t e rs i xc y c l e so fA R Ba tr o o mt e m p e r a t u r e 道次A R B 变形后，已很难辨别复合界面，平均晶粒 大小0 ．5 弘m 左右。 室温A R B 变形可以获得超细晶板带材，纯铜6 参考文献 [ 1 ] S a i t oY ，U t s u n o m i y aH ，T s u j iN ，e ta 1 ．N o v e lu l t r a h i g hs t r a i n i n gp r o c e s sf o rb u l km a t e r i a l s d e v e l o p m e n to ft h ea c c u m u l a t i v e r o l l b o n d i n gp r o c e s s [ J ] ．A c t aM a t e r ，1 9 9 9 ，4 7 2 5 7 9 5 8 3 ． [ 2 ] S a i t oY ，T s u j iN ，U t s u n o m i y aH ，e ta 1 ．U l t r a f i n eg r a i n e db u l ka l u m i n u mp r o d u c e db ya c c u m u l a t i v er o l l b o n d i n gp r o c e s s [ J ] ． S c r i p t aM a t e r ，1 9 9 8 , 3 9 9 1 2 2 1 1 2 2 7 ． [ 3 ] J a n gYH ，K i mSS ，H a nSZ ，e ta 1 ．E f f e c to ft r a c ep h o s p h o r o n so nt e n s i l eb e h a v i o ro fa c c u m u l a t i v er o l lb o n d e do x y g e n f r e ec o p - p e r 【J ] ．S c r i p t aM a t e r ，2 0 0 5 ，5 2 1 2 1 2 4 ． [ 4 ] P e r e z - P r a d oMT ，d e lV a l l eJA ，R u a n oOA ．G r a i nr e f i n e m e n to fM g , A 1 一Z na 1 1 0 y sv i aa c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n g [ J ] ．S c r i p t a M a t e r ，2 0 0 4 ，5 1 1 1 1 0 9 3 1 0 9 7 ． [ 5 ] 朱永伟，谢刚朝．层压金属复合材料的加工技术[ J ] ．矿冶工程，1 9 9 8 ，1 8 2 6 8 7 2 ． [ 6 ] 于宝义，齐克敏．两种铜合金复合板带室温轧制成形工艺及结合机制的研究[ J ] ．金属成形工艺，2 0 0 1 ，1 9 5 1 1 一1 3 ． [ 7 ] 黄光杰，汪凌云．冷轧变形热及温升研究[ J ] ．金属成形工艺，1 9 9 9 ，1 7 1 4 5 4 6 ． [ 8 ] 曹鸿德．塑性变形力学基础与轧制原理[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 8 1 2 3 0 2 3 2 ． [ 9 ] 曹乃光．金属塑性加工原理【M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 3 1 1 2 1 1 6 ． [ 1 0 ] 田荣璋，王祝堂．铜合金及其加工手册[ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 2 1 4 1 1 4 5 ． U l t r a - f i n eG r a i n e dC aS h e e t sF a b r i c a t e db yA c c u m u l a t i v eR o l l - b o n d i n ga tR o o mT e m p e r a t u r e W E IW e i l ，S H IQ i n g - n a n 2 1 ．D e p a r t m e n to fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，J i a n g s uP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，G k 豫勘鲫2 1 3 0 1 6 ，J i a n g s u ，C h i n a ； 2 ．F a c u l t yo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee q u i v a l e n ts t r a i n ，t h er o l l i n gr e d u c t i o n ，t h et e m p e r a t u r ei n c r e m e n ti nr o l l i n g a n de x p e r i m e n t so np u r ec o p p e rs t r a i n e db yt h ea c c u m u l a t i v er o l l b o n d i n gp r o c e s s A R B ，t h eu l t r a f i n eg r a i n e d s h e e t sf a b r i c a t e db yA R Ba tr o o mt e m p e r a t u r ei si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a ti t i sf e a s i b l et op r e p a r et h e c o p p e rs h e e tw i t hu l t r a f i n eg r a i n sb yA R Ba tr o o mt e m p e r a t u r e ，i t sa v e r a g eg r a i ns i z ei sa b o u t0 ．5 t * ma f t e rs i x c y c l e so fA R B ． K e y w o r d s m e t a Im a t e r i a l ；s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ；a c c u m u l a t i v er o l Ib o n d i n g ；c o p p e r ；u l t r a f i n e g r a i n e dm a t e r i a l 万方数据