超细晶层合轴及其加工方法与流程

本发明涉及一种分层复合组织轴类零件材料的加工方法，特别是一种使用楔横轧累积叠轧法制备超细晶层合轴的加工方法。

背景技术：

中高碳低合金钢轴类件在工业上应用广泛，许多轴类件多服役于高温高压的恶劣环境，容易发生轴的磨损或断裂等失效问题，给设备和工业者的安全到来隐患。传统的方法是选用高温合金等新材料来制作轴类件，但高温合金价格昂贵，开发周期长。

晶粒超细化可以同时有效地提高材料的强度和韧性。目前国内外钢铁领域在利用各种热加工手段来实现钢材组织超细化领域的研究异常活跃。近年来，日本的牧正志等人发现，高碳钢经重度冷轧（压下率90%以上）及退火后可在实验室条件下得到超微细复相组织。然而，无论是对超细晶粒高碳钢板材还是棒材生产来说，如此大的冷变形在目前的工业生产条件下几乎难以实现。

采用斜轧或横轧技术可以直接将坯料轧成最终或接近最终尺寸的轴类件，而且具有节省原料、生产效率高的优点。但是，目前对于碳素钢和低合金钢轴类件的轧制，实际生产中的轧制温度大都在1000~1200℃，轧后还需要进行必要的热处理才能满足轴类件的使用性能要求，而且轧制过程中，轧件容易出现轧制孔洞、疏松等缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有高强度和高韧性均匀分布的超细晶层合轴，并且避免该层合轴在服役过程中，由于冲击等载荷作用出现裂纹后贯穿整个轴的横断面，以及这种超细晶层合轴的加工方法。

超细晶层合轴的加工方法，包括以下步骤：

（1）、获取制作层合坯料所需的材料：取具有良好的抗冲击性能的韧性层（如Q235）和具有良好抗拉强度的强度层（如42CrMo）；强度层使用空心管；第一次制作的层合坯料时，韧性层使用实心的圆柱棒；第二次及之后的层合坯料、韧性层使用空心管；

（2）、组装层合坯料：将空心管的内圆柱面和圆柱棒的外圆柱面用钢刷刷至新鲜金属外露，然后用丙酮酸清洗表面，以除去各种杂质，并吹干；将吹干后的圆柱棒装配到空心管内，并使空心管和圆柱棒小过盈配合，然后将空心管和圆柱棒两侧端面焊接在一起；

（3）、将组装好的层合坯料加热到1000℃~1150℃后夹放到楔横轧机上进行轧制，压下率为60%～65%，在轧制过程中空心管和圆柱棒结合成一体、形成轧件；

（4）、轧制后，切去轧件两端的料头，去除两端料头的轧件形成当前将轧制的圆柱棒；

（5）、判断当前将轧制的圆柱棒的最外层是强度层还是韧性层，若最外层为强度层，则取韧性层空心管，重复步骤（2）-（4）；若最外层为韧性层，则去强度层空心管，重复步骤（2）-（4）；

（7）、累积轧制9-15道次。内层的韧性层和硬度层得到累积压下率在95%以上的超细晶层合轴。

超细晶层合轴，其特征在于：该层合轴具有多层金属层组织，金属层组织分为具有高强度和高硬度的强度层和具有良好的抗冲击性能的韧性层，强度层和韧性层间隔分布，强度层在外，韧性层在内；强度层和韧性层之间过盈配合，强度层与韧性层之间原子级接触。

进一步，金属层组织的轧制压下率从外向内依次增加。

本发明的有益效果为：

（1）、常规楔横轧无法一次轧制出超细晶层合材料，楔横轧工艺有断面收缩率的限制，多次套管轧制可以提升总断面收缩率，起到大变形细化晶粒的作用。

（2）、采用累积叠轧工艺，经过多次轧制，总变形量较大，不仅能够使两种材料紧密结合在一起，且显著的提高了层合轴显微组织和界面力学性能，解决轴类件在的恶劣环境中容易发生轴的磨损或断裂等失效问题，从而保证了层合轴的工作可靠性。

（3）、超细晶层合轴的破坏形式为逐层破坏，且破坏形式为结合界面层裂，这样产生破坏时，裂纹不会直接贯穿横截面产生断裂；在腐蚀环境，有多个界面的保护，提高寿命，节约贵重金属。

（4）、超细晶层合轴的强度与韧性均匀分布，避免以往单质金属轴表面通过热处理使外强内韧，强度与韧性过于集中。

（5）、可以获得超细晶层合轴；超细晶轴耐腐蚀，抗冲击，具有高强度和韧性。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是空心管套在圆柱棒上的示意图。

图3是层合坯料放在楔横轧机上轧制的示意图。

图4中，（a）是在韧性层和强度层间隔分布的圆柱棒外套空心管的示意图；（b）是图（a）的局部放大图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，超细晶层合轴的加工方法，包括以下步骤：

（1）、获取制作层合坯料所需的材料：取具有良好的抗冲击性能的韧性层（如Q235）和具有良好抗拉强度的强度层（如42CrMo）；强度层使用空心管；第一次制作的层合坯料时，韧性层使用实心的圆柱棒；第二次及之后的层合坯料、韧性层使用空心管。强度层和韧性层均为金属材料。

（2）、组装层合坯料：将空心管的内圆柱面和圆柱棒的外圆柱面用钢刷刷至新鲜金属外露，然后用丙酮酸清洗表面，以除去各种杂质，并吹干；将吹干后的圆柱棒装配到空心管内，并使空心管和圆柱棒小过盈配合，然后将空心管和圆柱棒两侧端面焊接在一起。使新鲜金属外露可以防止氧化膜或者其他杂质在界面阻碍相邻的两层金属足够靠近，当相邻的金属足够靠近到原子级的距离时，两层金属可以在接触面结合。采用过盈配合，实际上是让两层金属材料具有了表面预应力，在楔横轧设备提供的相同压力的情况下，相邻的两层金属材料更易结合。

（3）、将组装好的层合坯料加热到1000℃~1150℃后夹放到楔横轧机上进行轧制，如图3所示，压下率为60%～65%，在轧制过程中空心管和圆柱棒结合成一体、形成轧件。楔横轧时，空心管和圆柱棒的接触面因原子级别的距离从而在空心管和圆柱棒的接触面形成结合界面，同时，空心管和圆柱棒被楔横轧、晶粒被细化；空心管和圆柱棒每被楔横轧一次，其晶粒被进一步细化。

（4）、轧制后，切去轧件两端的料头1，去除两端料头1的轧件形成当前将轧制的圆柱棒2，如图2所示。

（5）、判断当前将轧制的圆柱棒的最外层是强度层还是韧性层，若最外层为强度层，则取韧性层空心管，重复步骤（2）-（4）；若最外层为韧性层，则去强度层空心管，重复步骤（2）-（4）；累积轧制9-15道次，最后一次轧制时，套上强度层空心管，如图4所示。内层的韧性层和硬度层得到累积压下率在95%以上的超细晶层合轴。

由于现有的楔横轧一次的断面收缩率一般应小于75%，因此楔横轧无法一次轧制出超细晶的材料。因此，本发明采用套一次空心管、进行一次楔横轧的累积轧制工艺，利用多次套管轧制来提升层合轴的断面收缩率，起到大变形细化晶粒的作用。使用该方法制得的层合轴的每层韧性层或硬度层受到的楔横轧次数不同，具体来说，层合轴的金属层组织受到的楔横轧次数从外向内递增，因此层合轴的每层金属层组织的超细晶的晶粒细化程度也是逐渐增大，抗拉强度和抗冲击韧性也是从外向内逐渐增强。

套一次空心管、进行一次楔横轧的累积轧制工艺使得相邻的韧性层和硬度层在结合时，首先、韧性层和硬度层之间因为原子级别的接触，韧性层和硬度层之间形成结合界面；其次、韧性层和硬度层分别被轧制，晶粒被细化。而由于套一层空心管、轧制一次，因此相邻层的金属层组织的变形程度不同。这种层合轴在使用过程中即使某个或者某几个金属层组织出现裂纹，裂纹也是呈随机、零散分布，裂纹不易直接贯穿层合轴的整个横断面。并且，制得的层合轴在受到外界冲击时，相邻层之间的结合界面最先开裂、以吸收冲击能量，接着由外层的硬度层吸收冲击能量，再由内一层的韧性层吸收冲击能量，接着硬度层-韧性层如此逐层吸收冲击能量，与现有的外硬内软的单层轴类件相比，具有更好的抗冲击性能，能够延长轴类件的使用寿命。同样的，在腐蚀环境下，腐蚀气体会液体要逐层破坏相邻层的结合界面、各硬度层-韧性层而依次向内渗透，层合轴由多个界面保护，从而能够延长轴类件的使用寿命。硬度层和韧性层可以使用不同材料制成，因此可以廉价金属和贵金属的结合使用，既能达到提高耐腐蚀性能、抗冲击性能，又能节约贵金属的使用量，节约成功。

由上述方法制得的超细晶层合轴，该层合轴具有多层金属层组织，金属层组织分为具有高强度和高硬度的强度层和具有良好的抗冲击性能的韧性层，强度层和韧性层间隔分布，强度层在外，韧性层在内；强度层和韧性层之间过盈配合，强度层与韧性层之间原子级接触。金属层组织的轧制压下率从外向内依次增加。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对本发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。