一种制备超细晶金属带材的强脉冲电流辅助深冷异速异步轧制装置与方法与流程

本发明属于超细晶金属材料技术领域，特别涉及一种制备超细晶金属带材的强脉冲电流辅助深冷异速异步轧制装置与方法。

背景技术：

超细晶金属材料由于力学性能优异，并且具有良好的抗腐蚀性和抗疲劳性能，得到工程人员和科研人员的广泛关注。人们开发了大量的大塑性变形方法去制备超细晶金属材料。比如等通道挤压方法、高压扭转、累积叠轧等方法。等通道挤压方法适合制备棒材，高压扭转方法适合制备小的试样。上述两种方法均不能够用来制备板带产品。累积叠轧方法适合制备板带产品，但是主要缺点为轧件边部容易出现裂纹，并且，其需要对轧件进行表面处理。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种制备超细晶金属带材的强脉冲电流辅助深冷异速异步轧制装置与方法，适合制备大尺寸的超细晶高性能铝合金带材、铜合金带材、钛合金带材等，由于塑性变形时施加电脉冲，提升材料低温变形塑性，减小变形抗力，使材料的加工次数增加，强度与塑性得到提高和改善，可避免轧件边部出现裂纹，采用该技术制备的高性能的金属带材在结构材料、航空航天材料、防弹保护、汽车轻量化等领域具有重要的使用前景。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种制备超细晶金属带材的强脉冲电流辅助深冷异速异步轧制装置，包括左侧深冷箱1和右侧深冷箱18，左侧深冷箱1中有左侧金属卷曲装置2，右侧深冷箱18中有右侧金属卷曲装置17，待轧制的金属带材3两端分别设置在左侧金属卷曲装置2和右侧金属卷曲装置17上，在金属带材3的中间位置的上下方分别设置用于对其进行轧制的上工作辊9和下工作辊10，在上工作辊9和下工作辊10的两侧分别设置有连接强脉冲电流电源6的左侧导电辊5和右侧导电辊15，左侧导电辊5和右侧导电辊15作用于金属带材3，向其施加强脉冲电流，其特征在于，所述上工作辊9和下工作辊10的转速不同。

所述上工作辊9和下工作辊10的两侧分别设置有用于带动金属带材3左右运动的左侧导辊4和右侧导辊16。

所述上工作辊9上方设置有上支撑辊11，下工作辊10下方设置有下支撑辊12。

所述上工作辊9和下工作辊10的左侧分别设置有位于金属带材3上方的左上侧氮气喷嘴7和位于金属带材3下方的左下侧氮气喷嘴8，上工作辊9和下工作辊10的右侧分别设置有位于金属带材3上方的右上侧氮气喷嘴13和位于金属带材3下方的右下侧氮气喷嘴14，所述左上侧氮气喷嘴7、左下侧氮气喷嘴8、右上侧氮气喷嘴13和右下侧氮气喷嘴14作用于金属带材3，实现轧制过程中的深冷温控。

所述左侧金属卷曲装置2和右侧金属卷曲装置17由伺服电机控制，卷筒直径为φ100mm～φ500mm，加套筒内径与卷筒直径相同，壁厚为80-150mm，卷筒长度为600～800mm。

本发明还提供了一种制备超细晶金属带材的强脉冲电流辅助深冷异速异步轧制方法，包括如下步骤：

第一步：将金属带材3一端设置于左侧金属卷曲装置2，打开上工作辊9和下工作辊10辊缝，金属带材3穿过辊缝后，另一端设置在右侧金属卷曲装置17；

第二步：开启左侧深冷箱1和右侧深冷箱18，采用氮气进行冷却，根据带材量控制冷却时间，使金属带材3被均匀冷却到-190℃～-150℃；

第三步：开启强脉冲电流电源6；

第四步：开启右侧金属卷曲装置17或左侧金属卷曲装置2，使金属带材3往右侧或左侧运动，进行强脉冲电流深冷轧制，轧制完所有部分后，停止右侧金属卷曲装置17，轧制过程中，上工作辊9和下工作辊10轧制异速比v1：v2控制在1.1-1.4之间；

第五步：开启左侧金属卷曲装置2或右侧金属卷曲装置17，使金属带材3往左侧或右侧运动，进行强脉冲电流深冷轧制，轧制完所有部分后，停止左侧金属卷曲装置2，轧制过程中，上工作辊9和下工作辊10轧制异速比v1：v2控制在1.1-1.4之间；

重复第四步和第五步，直到轧件即金属带材3的总压下率达到90％；

第六步：取出金属带材3，得到超细晶金属带材。

所述金属带材3为铝合金带材、铜合金带材或钛合金带材，宽度100mm-500mm，轧制前的厚度为0.8mm-2.0mm。

所述第三步，强脉冲电流电源6的电流大小为3000a～8000a，电压为12v-200v。

所述第四步和第五步，轧制过程中，道次轧制压下量控制在15％～35％。

所述第四步和第五步，轧制过程中，开启上工作辊9和下工作辊10两侧的左上侧氮气喷嘴7、左下侧氮气喷嘴8、右上侧氮气喷嘴13和右下侧氮气喷嘴14，设置喷出的氮气温度低于-150℃，作用于金属带材3，实现轧制过程中的深冷温控。

本发明的主要原理为金属材料在强脉冲电流作用下表现出强的塑性变形能力，脉冲电流能够提高拉拔等塑性变形过程材料的变形能力，并能够提高材料的力学性能。深冷变形过程中，材料的位错密度能够得到有效的抑制，促使晶粒细化。异步轧制过程中，在轧制变形区存在较大的强剪切变形。因而，结合强脉冲电流、深冷、强剪切变形三种外在作用实现材料晶粒细化、强度与韧性同时提高。本发明目前适合于超细晶高性能铝合金带材、铜合金带材、钛合金带材等材料的制备。

附图说明

图1是本发明强脉冲电流辅助深冷异速异步轧制装置结构示意图。

1.左侧深冷箱；2.左侧金属卷曲装置；3.金属带材；4.左侧导辊；5.左侧导电辊；6.强脉冲电流电源；7.左上侧氮气喷嘴；8.左下侧氮气喷嘴；9.上工作辊，速度为v1；10.下工作辊，速度为v2；11.上支撑辊；12.下支撑辊；13.右上侧氮气喷嘴；14.右下侧氮气喷嘴；15.右侧导电辊；16.右侧导辊；17.右侧金属卷曲装置；18.右侧深冷箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种制备超细晶金属带材的强脉冲电流辅助深冷异速异步轧制装置，包括左侧深冷箱1和右侧深冷箱18，左侧深冷箱1中有左侧金属卷曲装置2，右侧深冷箱18中有右侧金属卷曲装置17，待轧制的金属带材3两端分别设置在左侧金属卷曲装置2和右侧金属卷曲装置17上，在金属带材3的中间位置的上下方分别设置用于对其进行轧制的上工作辊9和下工作辊10，上工作辊9上方设置有上支撑辊11，下工作辊10下方设置有下支撑辊12，上工作辊9和下工作辊10转速不同，进行异速异步轧制。

在上工作辊9和下工作辊10的两侧分别设置有连接强脉冲电流电源6的左侧导电辊5和右侧导电辊15、用于带动金属带材3左右运动的左侧导辊4和右侧导辊16以及用于实现轧制过程中金属带材3深冷温控的氮气喷嘴。

其中，左侧导电辊5和右侧导电辊15作用于金属带材3，向其施加强脉冲电流。

氮气喷嘴有四个，分别为左上侧氮气喷嘴7、左下侧氮气喷嘴8、右上侧氮气喷嘴13和右下侧氮气喷嘴14，左上侧氮气喷嘴7和左下侧氮气喷嘴8位于上工作辊9和下工作辊10的左侧，分别设置在金属带材3上下方；右上侧氮气喷嘴13和右下侧氮气喷嘴14位于上工作辊9和下工作辊10的右侧，分别设置在金属带材3上下方。

相对于传统轧制而言，采用异速异步轧制能够使轧制变形区形成较大的强剪切变形区，促使晶粒尺寸更加细化。与此同时，异步轧制能够降低轧制变形区的轧制压力，使轧件更容易被轧薄。

利用该装置制备超细晶金属带材的方法，包括如下步骤：

第一步：以金属带材3(铝合金带材、铜合金带材、钛合金带材)为原料，金属带材3宽度100mm-500mm，轧制前的厚度为0.8mm-2.0mm。

第二步：将金属带材3的一端设置于左侧金属卷曲装置2，打开两个工作辊辊缝，将另一端设置于右侧金属卷曲装置17。

第三步：开启左侧深冷箱1，采用氮气进行冷却，根据带材量控制冷却时间，使金属带材3被均匀冷却到-190℃～-150℃。

第四步：开启右侧深冷箱18，温度与左侧深冷箱1温度相同。

第五步：开启所有的氮气喷嘴，设置喷出的氮气温度低于-150℃。

第六步：开启强脉冲电流电源6，电流大小为3000a～8000a，电压为12v-200v。

第七步：开启右侧金属卷曲装置17、使轧机向右侧转动，进行强脉冲电流深冷轧制，轧件往右侧进行轧制变形，直到轧制完所有轧件，停止右侧金属卷曲装置17、轧机。轧制过程中，道次轧制压下量控制在15％～35％。上工作辊9和下工作辊10轧制异速比控制在1.1-1.4之间(v1：v2)。

第八步：开启左侧金属卷曲装置2、使轧机向左侧转动，进行强脉冲电流深冷轧制，轧件往左侧进行轧制变形，直到轧制完所有轧件，停止左侧金属卷曲装置2、轧机。轧制过程中，道次轧制压下量控制在15％～35％。上工作辊9和下工作辊10轧制异速比控制在1.1-1.4之间(v1：v2)。

重复第七步和第八步，直到轧件即金属带材3的总压下率达到90％。

第九步：取出轧件，即得超细晶金属带材。

以下是两个具体实施例。

实施例1

超细晶铝合金aa5083带材强脉冲电流深冷异速异步轧制制备，参考图1，步骤如下：

第一步：金属带材3为铝合金aa5083带材，宽度300mm，轧制前厚度为1.2mm。

第二步：将金属带材3放入左侧深冷箱卷曲装置2上，打开两个工作辊辊缝，将金属带材3的一端放置在右侧深冷箱卷曲装置17上。

第三步：开启左侧深冷箱1，采用氮气进行冷却，根据带材量控制冷却时间，使金属带材3被均匀冷却到-170℃。

第四步：开启右侧深冷箱18，温度为-170℃。

第五步：开启所有的氮气喷嘴，设置喷出的氮气温度为-160℃。

第六步：开启强脉冲电流电源6，电流大小为6000a，电压为15v。

第七步：开启右侧深冷箱卷曲装置17、使轧机向右侧转动，进行强脉冲电流深冷轧制，轧件往右侧进行轧制变形，直到轧制完所有轧件，停止开启右侧深冷箱卷曲装置17、轧机。轧制过程中，道次轧制压下量控制在30％。上下辊轧制异速比为1.2。

第八步：开启左侧深冷箱卷曲装置2、使轧机向左侧转动，进行强脉冲电流深冷轧制，轧件往左侧进行轧制变形，直到轧制完所有轧件，停止左侧深冷箱卷曲装置2、轧机。轧制过程中，道次轧制压下量控制在25％。上下辊轧制异速比为1.2。

重复第七步和第八步，直到轧件厚度为0.15mm，得到超细晶aa5083铝合金带材，经测试，其抗拉强度由传统的120mpa提高到240mpa以上。

实施例2

超细晶t3铜带材强脉冲电流深冷异速异步轧制制备，参考图1，步骤如下：

第一步：金属带材3为t3铜带材，宽度200mm，轧制前厚度为1.0mm。

第二步：将金属带材3为放入左侧深冷箱卷曲装置2上，打开两个工作辊辊缝，将金属带材3的一端放置在右侧深冷箱卷曲装置17上。

第三步：开启左侧深冷箱1，采用氮气进行冷却，根据带材量控制冷却时间，使金属带材3被均匀冷却到-180℃。

第四步：开启右侧深冷箱18，温度为-180℃。

第五步：开启所有的氮气喷嘴，设置喷出的氮气温度为-160℃。

第六步：开启强脉冲电流电源6，电流大小为4000a，电压为15v。

第七步：开启右侧深冷箱卷曲装置17、使轧机向右侧转动，进行强脉冲电流深冷轧制，让轧件往右侧进行轧制变形，直到轧制完所有轧件，停止右侧深冷箱卷曲装置17、轧机。轧制过程中，道次轧制压下量控制在20％。上下辊轧制异速比为1.3。

第八步：开启左侧深冷箱卷曲装置2、使轧机向左侧转动，进行强脉冲电流深冷轧制，让轧件往左侧进行轧制变形，直到轧制完所有轧件，停止左侧深冷箱卷曲装置2、轧机。轧制过程中，道次轧制压下量控制在15％。上下辊轧制异速比为1.3。

重复第七步和第八步，直到轧件厚度为0.1mm，得到超细晶t3铜带材，经测试，其抗拉强度由传统工艺制备的210mpa提升至400mpa以上。