CN101402155A - 一种高温结合强度的铝钢复合带材制备工艺与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属层状复合材料的塑性加工技术领域，涉及到一种高温结合强度的铝钢复合带材制备工艺与方法。其特点是：在开发一种新型铝合金带材的基础上，通过异温大压下复合轧制工艺，实现铝钢界面的极好结合，并且该层状复合材料在加热到600℃保温数小时后其界面仍不会生成脆性金属间化合物，因而保持极高的结合强度，后续深加工成形性能极好。本项目的关键在于：通过在铝中添加一定量的合金元素，以阻止高温作用时钢铝界面上脆性金属间化合物的形成，同时控制复合轧制道次压下率达40～60％，钢带加热温度为350～450℃，轧制速度≤30米/分。本发明与其它轧制复合工艺方法相比具有以下特点：可生产铝层最小厚度达5％铝钢复合带材，且各层厚度均匀。在加热到600℃保温数小时后仍能保持极高的结合强度，因而其后续深加工成形性能极好。同时具有生产工艺简单、效率高、成本低等特点。

Description

一种高温结合强度的铝钢复合带材制备工艺与方法

所属技术领域

本发明属于金属层状复合材料的塑性加工技术领域，涉及到一种高温结合强度的铝钢复合带材制备工艺与方法。

背景技术

双金属复合材料是层压型复合材料的一种，它是将两种或两种以上的不同物理、化学性能的金属利用各自的性能优势进行分层组合而形成的一类金属材料，得到的复合板所具有的综合性能是任一组元所无法具备的。随着科技进步，如今它们不仅在应用范围上愈加广泛，而且在材料性能组合和优化利用方面也突破了传统的认识。导电性、导热性、耐腐蚀性和力学性能的有效组合，既使材料的综合性能得到提高，也为合理选材和降低成本提供了更好的条件。双金属复合材料由于其特有的性能，越来越引起人们的重视，尤其是在航空、航天、国防、交通、电子和通讯等领域得到了广泛的应用。

总的来说，双金属复合材料具有如下性能

(1)降低材料的使用成本：

(2)满足某些特殊的机械性能，物理性能等指标，如良好的导电、导热性能：

(3)成型性能及外观质量的要求；

(4)可用作特殊功能材料，如热敏金属；

(5)解决了异种金属的焊接问题。

金属复合板的研究最早是由美国于1860年开始的。经过100多年的发展，金属复合板的生产技术得到不断提高，生产方法也日益增多。目前金属复合板的生产方法从总体上可分为三大类：固一固相复合法、液一固相复合法和液一液相复合法。固一固相复合法包括爆炸复合法、挤压复合法、爆炸焊接一热轧法、轧制复合法、扩散复合法、扩散焊接法等；液一固相复合法包括复合浇铸法、反向凝固法、喷镀复合法、钎焊法、铸轧法等；液一液相复合法目前仅有电磁连铸生产复合板法。

轧制复合法是借助大压下量轧制迭起来的两层或多层金属或合金，依靠原子之间金属键的相互吸引力而使组元层结合起来的一种工艺。根据轧制复合时加热与否可分为热轧复合法和冷轧复合法。这种方法一般包括三个步骤：表面处理、轧制复合和扩散退火。

表面处理是将复合的金属表面脱脂除油后，用钢丝刷、布砂轮等清刷，其目的在于：清除组元表面的吸附物和氧化层并形成一定的表面粗糙度，引起表面浅层的加工硬化，使表层在大压缩率的轧制压力作用下，氧化层破碎，露出内层新鲜金属。

轧制复合是指在一定的压缩变形量下，粗糙的复合表面一方面相互嵌合，另一方面氧化膜被充分碾碎，并弥散分布，露出的新鲜金属原子间形成原子键。在这两种机制的共同作用下形成异种金属元素之间牢固的点结合。

扩散退火即以轧制复合的大压缩变形所贮有的高内能为驱动力，在高温下异种金属间通过充分的互扩散，由轧制复合后的点结合扩展为面结合。破碎的氧化摸在表面张力的作用下收缩、球化，并向基体扩散、溶解，最终在结合面两侧形成一定深度的互扩散层，从而大大提高异种金属间的结合强度。轧制复合法可进行成卷连续生产，组元层合金之间厚度比均匀，产品尺寸精确，性能稳定，生产效率高。

然而，对于钢铝轧制复合板，扩散退火一方面要保证能消除大压量给钢产生的加工硬化，需要较高的退火温度(通常高于450℃)；另一方面，在高温下退火钢铝界面极容易生成脆性金属间化合物，从而大大降低复合层的结合强度。特别地，对于需要经深加工和高温钎焊条件下使用的钢铝复合带材来说，如何解决轧制钢铝复合带材结合界面，在扩散退火及随后的高温加热过程中容易生成脆性金属间化合物，从而大大降低轧制结合强度这一科学问题是本发明的创新思想。

发明内容

针对轧制钢铝复合带材结合界面在扩散退火及随后的高温加热过程中容易生成脆性金属间化合物，从而大大降低轧制结合强度这一科学问题，本发明在开发一种新型铝合金带材的基础上，通过异温大压下复合轧制工艺，实现铝钢界面的极好结合，并且该层状复合材料在加热到600℃保温数小时后其界面仍不会生成脆性金属间化合物，因而保持极高的结合强度，后续深加工成形性能极好。本项目的关键在于：通过在铝中添加一定量的合金元素，以阻止高温作用时钢铝界面上脆性金属间化合物的形成，同时控制复合轧制道次压下率达40～60％，钢带加热温度为350～450℃，轧制速度≤30米/分。与其它轧制复合工艺方法相比具有以下特点：可生产铝层最小厚度达5％铝钢复合带材，且各层厚度均匀。在加热到600℃保温数小时后仍能保持高温结合强度，因而其后续深加工成形性能极好。同时具有生产工艺简单、效率高、成本低等特点。

具体实施方式

1、实验室试验方案

试验采用规格为1.5mm×50mm×180mm的SS400钢板与0.5mm×50mm×180mm的1050纯铝板和Al-0.87Si-1.66Zn-0.28Cu铝合金板。热轧复合前，钢板表面采用10％H₂SO₄溶液酸洗，铝板采用10％NaOH溶液碱洗，除去表面的氧化层，然后用钢刷将试样的结合面打毛，用丙酮溶液浸泡以除去表面的油污等，然后用无水乙醇擦洗表面。随后将铝和钢试样对合并固定后，一同放入箱式电阻炉内加热。轧制复合在Φ360×600mm的二辊不可逆轧机上进行，试样的预热温度分别为300℃，400℃，450℃，500℃；压下率20％，30％，35％，40％，50％轧后扩散退火制度选取为450℃/5h，450℃/10h，500℃/2h，600℃/0.5h，600℃/1h，空冷。钢/铝复合板的界面结合强度根据GB2073-93双金属弯曲性能的测试标准进行弯曲试验，在MM-6金相显微镜和JSM-6700F扫描电子显微镜对结合界面观察。

将轧制温度为400℃、压下量为25％的钢铝复合板，分别在450℃，500℃和600℃下进行扩散退火处理，然后将退火后的试样进行弯曲试验得到退火制度与结合强度的关系，在对不同退火温度和时间下热轧后钢铝复合板材进行弯曲实验后，得到了不同退火温度和时间对结合强度的影响，如表1。

表1不同退火制度下热轧钢铝复合板的弯曲次数

从表1可以看出，在退火温度为450℃时复合板的结合强度随退火时间的延长呈现先升后降的趋势，这主要是由于随着退火时间的增加，复合板结合界面处的金属原子的扩散越严重，扩散层增厚，这有益于复合板结合强度的提高；但退火时间过长，Kirkendall效应可能在结合面铝侧导致空洞形成，使复合板局部丧失结合而造成结合强度下降，退火时间越长，形成的空洞越多，结合强度越低，而且，退火时间越长金属结合界面间生成的金属间化合物越多，严重降低了复合板的结合强度。

金相观察发现经过退火的钢/1050铝复合板界面出现了很多小块的化合物，这就是扩散层，未经过退火的则没有。而钢/Al-Si-Zn-Cu铝合金复合板界面在600℃保温1h后仍未出现金属间化合物层，因此扩散退火或高温下对材料的弯曲性能的影响不显著。

观察弯曲断裂的断口发现：当预热温度在400℃～500℃时(压下量为25％)，轧制复合的样品结合情况优良，断裂基本上是在钢层发生。分层的发生率在试验范围内仅为2.5％，这说明在此工艺条件下轧制复合，由于热轧后金属元素已发生了扩散，所以热轧未经退火的复合板的结合强度就能达到一定的值，总体结合十分牢固，轧制复合强度比较高。600℃保温1h退火的钢/1050铝复合板，断裂也基本上是在钢层发生，但钢铝极容易分层，分层的发生率为100％，且界面上钢中的Fe元素向铝基体中扩散明显，Al元素也向钢基体中进行了扩散。这说明扩散退火明显增大了元素的扩散深度，因此会促进钢层与铝层之间脆性金属间化合物的形成，从而大大地降低了钢/1050铝复合板的结合强度。相以，600℃保温1h退火的钢/Al-Si-Zn-Cu铝合金复合板，断裂也基本上是在钢层发生，但钢铝之间仍不会出现分层，且界面上钢中的Fe元素向铝基体中和Al元素也向钢基体中扩散并不明显。这说明高温扩散退火不会增大了元素的扩散深度，从而大大地阻碍了钢层与铝层之间脆性金属间化合物的形成，有较地提高了钢/Al-Si-Zn-Cu铝合金复合板的结合强度。

2、工业开发试验

2.1规格为0.18mm×470mm的Al-0.87Si-1.66Zn-0.28Cu铝合金带材的开发

按照重量比为0.8-1.2％Si、1.5-2.0％Zn和0.25-0.50％Cu比例配制铝合金，经熔炼、精炼后采用半连续铸造成160mm×600mm×2100mm的扁锭，在580℃下保温12h均匀化处理后铣面，加热550℃热轧到厚度为7.5mm，冷粗轧到1.2mm，430℃退火2h后冷精轧到0.25mm，再430℃退火2h冷精轧到成品厚度0.18mm。

2.2规格为1.5mm×460mm的Al-0.87Si-1.66Zn-0.28Cu铝合金带材的开发

试验采用规格为2.5mm×470mm的SS400带钢与0.18mm×470mm×的Al-0.87Si-1.66Zn-0.28Cu铝合金带。在热轧复合生产线上，钢带表面采用10％H₂SO₄酸液，铝合金带采用10％NaOH碱液，进行表面在线清洗、热水漂洗、干燥，钢带进入打毛机将结合面打毛，随后将铝和钢带对合并固定后，一同放入电阻炉内加热到350℃～400℃，再经4Φ180/Φ500×800mm的四辊不可逆复合轧机轧制并成卷，压下率为35％～40％，钢/Al-Si-Zn-Cu铝合金复合带卷在罩式退火炉内采用N₂保护进行450℃/10h扩散退火处理。钢/铝复合板的界面结合强度根据GB2073-93双金属弯曲性能的测试标准进行弯曲试验，在MM-6金相显微镜和JSM-6700F扫描电子显微镜对结合界面观察。

金相观察发现：经过退火的钢/Al-Si-Zn-Cu铝合金复合板界面未出现金属间化合物层，观察弯曲断裂的断口发现：断裂也基本上是在钢层发生，但钢铝之间仍不会出现分层，且界面上钢中的Fe元素向铝基体中和Al元素也向钢基体中扩散并不明显。这说明高温扩散退火不会增大了元素的扩散深度，从而大大地阻碍了钢层与铝层之间脆性金属间化合物的形成，有较地提高了钢/Al-Si-Zn-Cu铝合金复合板的结合强度。随后又在600℃保温1h后的高温下加热，钢铝之间仍不会出现分层，且界面上钢中的Fe元素向铝基体中和Al元素也向钢基体中扩散并不明显。这说明高温扩散退火不会增大了元素的扩散深度，从而大大地阻碍了钢层与铝层之间脆性金属间化合物的形成，有效地提高了钢/Al-Si-Zn-Cu铝合金复合带界面的结合强度。

Claims (2)

1、通过在铝中添加重量比为0.8-1.2％Si、1.5-2.0％Zn和0.25-0.50％Cu阻碍高温作用下钢铝界面上脆性金属间化合物的形成。

2、采用异温轧制，控制复合轧制道次压下率达40～60％，钢带加热温度为300～450℃，轧制速度≤30米/分。