CN101417387B

CN101417387B - 一种多层金属复合板的短流程制备方法

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Publication number: CN101417387B
Application number: CN2008102390463A
Authority: CN
Inventors: 韩静涛; 韩大京; 鲍善勤; 王黎辉; 解国良
Original assignee: 韩静涛
Current assignee: SICHUAN XINDING NEW MATERIALS CO., LTD.
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-12-05
Also published as: CN101417387A

Abstract

一种多层金属复合板的短流程制备方法，属于金属复合板的短流程制备技术领域。其工艺为：根据成品的内外层成分和尺寸要求，通过计算选择相应的离心浇铸复合管坯；沿纵轴方向将复合管坯剖分成2～10片的瓦片状，横截面为扇形的复合板坯料，圆心角α为40～120°；将切割后的坯料放入加热炉进行加热，加热温度为1050℃～1280℃之间，保温时间为0.5～5h；通过热轧变形，制成各规格的复合板；对于薄板，则继续进行冷轧变形生产厚度在0.1mm～3mm之间的薄板。这种工艺的流程短，操作简单，生产的复合板各层之间结合强度高，而且通过加热和变形工艺，消除了界面组织的不均匀现象。

Description

一种多层金属复合板的短流程制备方法

技术领域

本发明属于金属复合板的短流程制备技术领域，特别是提供了一种多层金属复合板的短流程制备方法，针对于压力容器、刀具、石油化工等行业使用的金属复合板。

背景技术

金属复合板是由两种或两种以上的不同材料(如碳钢、不锈钢、铜、铝、钛、镍等各种合金)，通过各种连接技术结合成一体的，兼具各层材料优点的新型复合材料，与传统的单层金属板相比，两层或者多层金属复合板一方面可以节省贵重合金的用量，另一方面也可具有良好的综合性能。例如，将强度较高的金属与韧性较好的金属进行复合，可以使复合板的整体强度与韧性之间相统一，可以用于生产压力容器和刀具等；将不锈钢或者耐腐蚀的合金与力学性能较好的低合金钢进行复合，可以提高复合板的耐腐蚀性，延长其使用寿命；将导电导热能力强的铝、铜等金属与普通钢板进行复合，还可以使复合板具有独特的导电性能。金属复合板已经被广泛应用于石油、化工、海水淡化、制盐、核工业、食品行业、水利设施建设等行业。

目前，国内外已见报道的复合板生产技术较多，主要涉及的制备方法有：焊接复合、轧制复合、电镀复合、粉末冶金法和浇铸复合法等。但是，这些复合板生产方法难以达到金属层之间结合强度和复合板整体力学性能的统一。例如，焊接复合法包括钎焊和爆炸焊接等，可以生产规格较大的复合板，但是由于存在热影响区，而且层与层之间容易出现未焊合的区域，影响了其界面强度。邱常义在中国井矿盐，33(4)：31～33，2002，爆炸金属复合板的生产及在制盐工业中的使用中，涉及到了爆炸复合工艺制备双层金属复合板，通过爆炸产生的瞬间高压脉冲载荷加载于板材上，加载应力明显高于金属材料的屈服强度，在金属材料结合面之间形成锯齿状冶金结合，界面结合强度较高，但这种方法的工艺参数难以精确控制，不适合生产层数较多的复合管，并且施工环境恶劣，容易造成环境污染。相比之下，热轧复合的效率较高，但是轧制之前要对各层金属板进行清理、加工，然后点焊成板坯，工艺流程较长。浇铸方法生产的金属复合板，各层金属之间的结合强度高于前两者，但是铸态组织的综合力学性能较差。另外，粉末冶金方法的工艺难度较大，电镀复合法生产的复合层厚度较小，限制了其推广应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层金属复合板的短流程制备方法，克服了复合板生产技术中存在的工艺复杂、结合强度不高等缺点，可以用来制备结合强度很高的多层金属复合板，其中的金属层数可达2～5层，并且大大缩短了生产工艺流程。

本发明用来生产0.1mm～65mm厚的2～5层金属组成的复合板，其生产工艺为：

1、根据成品的内外层成分和尺寸要求，通过计算选择相应的离心浇铸复合管坯；

2、沿纵轴方向将复合管坯剖分成2～10片的瓦片状，横截面为扇形的复合板坯料，圆心角α为40°～120°；

3、将切割后的坯料放入加热炉进行加热，加热温度为1050℃～1280℃之间，保温时间为0.5～5h；

4、通过热轧变形，制成各规格的复合板；对于厚度在0.1mm～3mm之间的薄板，则继续进行冷轧变形。

本发明所述的离心浇铸复合管坯为2～5层，离心管坯应当经过内外表层的切削，切削量分别为：内层为5mm～8mm；外层为3mm～5mm。复合管坯的成分应当与产品一一对应，规格和各层的尺寸可以由成品复合板的各层厚度进行估算。一般情况下，为了减小剖分后的坯料弧度，通常选择的离心浇铸管坯规格为Φ600mm～Φ3000mm之间，厚度为80mm～500mm。

对于三层金属组成的复合板，根据成品的总厚度H(参照图3)以及设计的总变形量，选择坯料的整体规格(坯料外径R₃和内径R_i)。然后，可以根据下式估算复合管坯的尺寸：

\{\begin{matrix} \frac{{R_{1}}^{2} - {R_{i}}^{2}}{{R_{2}}^{2} - {R_{1}}^{2}} = \frac{h_{1}}{h_{2}} \\ \frac{{R_{2}}^{2} - {R_{1}}^{2}}{{R_{3}}^{2} - {R_{2}}^{2}} = \frac{h_{2}}{h_{3}} \end{matrix} - - - (1)

R1、R2、R3为复合管坯料各层界面处对应的半径(具体见图1、2)，h₁、h₂、h₃分别是成品复合板各层的厚度。

对于多层管(层数为n)的情况：

\{\begin{matrix} \frac{{R_{1}}^{2} - {R_{i}}^{2}}{{R_{2}}^{2} - {R_{1}}^{2}} = \frac{h_{1}}{h_{2}} \\ Λ \\ \frac{{R_{n}}^{2} - {R_{n - 1}}^{2}}{{R_{n + 1}}^{2} - {R_{n}}^{2}} = \frac{h_{n}}{h_{n + 1}} \end{matrix} - - - (2)

R_n为第n层金属管坯的表面半径，h_n则是复合板第n层(由心部向外)的厚度。

本发明所述的轧制变形是指通过热轧变形，将横截面为扇形的坯料辗平并且轧制成厚度为3mm～65mm的复合板；对于铁基金属组成的复合板，轧制温度在1250℃～750℃之间；

对于其它金属(如铜、钛等有色金属)组成的复合板，其热变形温度范围依据其金属熔点T_r确定，取0.4T_r～0.7T_r之间。

所述的坯料辗平，主要是通过2～4道次可逆的热轧变形，是将横截面为扇形的坯料压平，并且纵向矫直，其压下量应当较小，一般实际的压下量为5％～15％。对于某些热塑性较差的特殊金属，可以采用锻造的方法将其压平，实际压下量为5％～15％。

所述的热轧，前一两个道次可以加大变形量，采用40％～70％的压下量，使铸态组织充分破碎，通过再结晶使组织细化。随后的2～10个道次可以适当减小压下量至30％～50％左右，反复轧制。最后2～4个道次压下量应当减小，维持在5％～30％，直至板厚达到要求的尺寸。

对于中厚板和厚板，为保证板形和满足宽度要求，在沿着纵向轧制过1～4个道次之后，将板坯调转90°后，沿着横向轧制1～4个道次。最后再将板坯调转90°，沿着原来的纵向轧制到最终尺寸。

所述的冷轧，对于成品厚度小于3mm左右的情况，可以对热轧之后复合板进行冷轧，以保证表面质量和尺寸精度。

冷轧基本上按照普通薄板的生产方式进行，只是在选择冷轧的压下量时，不仅要考虑变形和板材质量的要求，还要考虑到金属板层之间性能差异的影响。对于两层金属组成的复合板，由于两层金属的强度不同，会导致轧制变形后沿厚度方向存在残余应力，残余应力到达一定临界值时板材会发生弯曲。根据上下两层金属的力学性能(σ-ε)曲线，就可以确定残余应力临界值所对应的变形量ε_max，也就是每道次的最大变形量。而对于三层金属组成的复合板，尤其是上下两层成分相同时，厚度方向的应力分布是对称的，相应的道次压下量可以大些。

本发明的优点在于：

操作简单、流程短；无需进行大的设备改造，可行性大。与传统的热轧复合方法相比，避免了轧制之前对各层金属板的清理、表面处理以及复合板坯的焊接和预组装，大大简化了生产过程。这种方法利用了铸造复合的优点，复合板各层之间先通过液相熔合，再通过热轧变形使之结合强度进一步提高。而与单纯的铸造方法生产的复合板相比，这种复合板的组织更均匀细小，综合力学性能优良。同时，这种方法的生产周期相对较短，生产效率较高，具有极大的应用和推广价值。

而且，本发明通过对铸坯加热过程的控制，消除了浇铸时产生的熔合层附近的组织不均匀区域(宏观表现为“亮带”)；利用较大变形量的热塑性变形，使复合板的界面结合能力和整体的组织性能均得到很大提高(参照图6、7)。

附图说明：

图1为复合管坯的横截面示意图(以三层金属为例)；

图2为复合管坯的形状示意图(以三层金属为例)；

图3为复合管剖分后的坯料示意图(以三层金属为例)；

图4为复合板轧制成形后成品示意图(以三层金属为例)；

图5为本发明的生产工艺流程图；

图6为实施例1中的复合板横截面组织图；

图7为实施例1中的复合板界面组织图；

具体实施方式：

本发明可以用于多种金属之间组合成的复合板的生产，具体实施实例如下：

实施例1：

外层和内层均为2Cr13，中间层为9Cr18MoV的三层金属复合板，其成品中各层金属厚度比为：h1：h2：h3＝2：1：2，热轧板H＝3mm，冷轧板H＝0.2mm。

具体生产步骤如下：

1)选择离心浇铸的复合管坯。复合管坯内层、外层均为2Cr13，中间层为9Cr18MoV。采用Φ700系列的离心铸坯，外层半径R₃为350mm，内径R_i为250mm。根据式(1)可以求得，R₁＝313.8mm，R₂＝294.1mm，复合管坯的厚度为100mm。根据这些成分、尺寸要求，即可选择相应的管坯。

2)将复合管坯沿其轴向剖分成三个部分，每部分的圆心角α约为120°(也可以剖分成4部分，每部分圆心角α为90°)。

3)将切割后的坯料放入加热炉进行加热，加热温度为1080±20℃，保温时间为2.5h。

4)在轧机上对截面为扇形的坯料进行多个道次的热轧，制成要求规格的复合板，初轧温度为1080℃，终轧温度为800℃，包括：

①坯料压平。通过4个道次的纵向可逆轧制，将扇形横截面矫平，实际的压下量为10％；

②热轧。前1个道次采用50％的压下量，使铸态组织充分破碎，通过再结晶使组织细化。随后的3道次中可以适当减小压下量至30％左右，直至板坯厚度为10mm左右；

③最后5个道次压下量应当减小，维持在20％左右，并且适当调整辊缝，直至板厚达到3mm；

④切边。按照宽度要求，将复合板两侧的不均匀部分切除；

5)冷轧。将热轧成3mm后的复合板继续冷轧，冷轧第一道次压下量40％，第二道次压下量30％，随后逐渐减小辊缝，直至最终厚度0.2mm。

Claims

1.一种多层金属复合板的短流程制备方法，用来生产0.1mm～65mm厚的2～5层金属组成的复合板，其特征在于：生产步骤为：

(1)根据成品的内外层成分和尺寸要求，通过计算选择相应的离心浇铸复合管坯；

(2)沿纵轴方向将复合管坯剖分成3片或4片的瓦片状，横截面为扇形的复合板坯料，圆心角α为120°或90°；

(3)将切割后的坯料放入加热炉进行加热，加热温度为1050℃～1280℃之间，保温时间为0.5～5h；

(4)通过热轧变形，制成各规格的复合板；对于薄板，则继续进行冷轧变形生产厚度在0.1mm～3mm之间的薄板；

所述的热轧变形是通过将横截面为扇形的坯料辗平并且热轧制成厚度为3mm～65mm的复合板；对于铁基金属组成的复合板，轧制温度在1250℃～750℃之间；对于铜或钛组成的复合板，其热变形温度范围依据其金属熔点T_r确定，取0.4T_r～0.7T_r之间。

2.按照权利要求1所述的多层金属复合板的短流程制备方法，其特征在于：所述的离心浇铸复合管坯为2～5层，离心管坯经过内外表层的切削，切削量分别为：内层为5mm～8mm；外层为3mm～5mm。

3.按照权利要求1或2所述的多层金属复合板的短流程制备方法，其特征在于：所述的坯料辗平是通过2～4道次可逆的热轧变形，将横截面为扇形的坯料压平，并且纵向矫直，压下量为5％～15％；对于热塑性较差的金属，采用锻造的方法将其压平，实际压下量为5％～15％。

4.按照权利要求1或2所述的多层金属复合板的短流程制备方法，其特征在于：所述的热轧，前1～2个道次为40％～70％的压下量，随后的2～10个道次压下量为30％～50％，反复轧制；最后2～4个道次压下量维持在5％～30％，直至板厚达到要求的尺寸。

5.按照权利要求1或2所述的多层金属复合板的短流程制备方法，其特征在于：所述的热轧，对于中厚板和厚板，为保证板形和满足宽度要求，在沿着纵向轧制过1～4个道次之后，将板坯调转90°后，沿着横向轧制1～4个道次；最后再将板坯调转90°，沿着原来的纵向轧制到最终尺寸。

6.按照权利要求1或2所述的多层金属复合板的短流程制备方法，其特征在于：所述的冷轧是对于成品厚度小于3mm的情况，对热轧之后复合板进行冷轧，以保证表面质量和尺寸精度；冷轧按照普通薄板的生产方式进行，根据各层金属的力学性能σ-ε曲线，确定残余应力临界值所对应的变形量ε_max，就是每道次的最大变形量。