CN103752611A - 一种金属层状复合板带材的短流程高效制备方法 - Google Patents

Abstract

一种金属层状复合板带材的短流程高效制备方法，属于金属层状复合板带材制备技术领域。其特征是，将表面处理后的两层或多层待复合金属板带材进行单道次室温轧制，获得预复合金属层状复合板带坯，通过在线加热装置将预复合板带坯在线快速加热至后续轧制所需的温度（低于金属的再结晶温度），接着进行单道次控温轧制，在大气环境中制备高性能金属层状复合板带材。本发明的优点是，连续化和自动化程度高、流程短、生产效率高、环境污染小、节约能源、缩短周期、无安全隐患、产品尺寸精度高、规格灵活、原材料组合自由度大、材料利用率高、对设备要求不高、生产成本低、产品质量和性能优异、能采用成卷的金属带材或长尺寸的金属板材作为原材料。

Description

一种金属层状复合板带材的短流程高效制备方法

技术领域

本发明属于金属层状复合板带材制备技术领域，具体涉及一种金属层状复合板带材的短流程高效制备方法。

技术背景

随着国民经济高新技术领域和国防军工领域的快速发展，特别是各种新技术、新产业的不断涌现，对金属材料性能的要求日益提高，在某些工况条件下单一组元金属材料的性能已经很难满足使用要求。因此，研制开发新型金属复合材料（特别是金属层状复合材料）及其制品成为了材料科学与工程领域中的一个重要发展方向。金属层状复合板带材是由两种或两种以上组元金属材料通过特殊的制备加工方法，在基体金属板带材上复合一层、两层或两层以上（以下简称“多层”）复层金属板带材而成的，与单一组元金属材料相比，经过合理设计复合成形的金属层状复合板带材结合了两种或两种以上组元金属材料各自的优点，不仅可以节约贵金属用量，而且可以获得单一组元金属材料所不具有的物理、化学、力学及可焊接等性能[黄伯云，李成功，石力开，邱冠周，左铁镛. 中国材料工程大典（第5卷 有色金属材料工程（下））[M]. 北京：化学工业出版社，2006]。

近年来，金属层状复合板带材的研制、生产和应用越来越受到重视，成了世界各国竞相研制的高性能新金属材料。迄今为止，金属层状复合板带材已在航空航天、石油化工、冶金机械、汽车轮船、建筑核能以及电力电子等领域得到了广泛应用[屠海令主编. 有色金属进展（第七卷）[M]. 长沙：中南工业大学出版社，1995]。

目前，金属层状复合板带材主要有三种生产方法：爆炸复合法、爆炸-轧制复合法、轧制复合法。

爆炸复合法属于固相焊接成形方法，是利用炸药的高速引爆和冲击作用，在瞬间内使两种金属材料的待复合表面发生微熔化，并在两表面间形成一层薄的塑性变形区的同时，实现微扩散，从而完成两种金属材料的焊接成形，是集压力焊、熔化焊和扩散焊三位于一体的复合成形方法[Akbari Mousavi S A A，Barrett L M，Al Hassani S T S. Explosive welding of metal plates[J]. Journal of Materials Processing Technology，2008，202（1-3）：224-239]。爆炸复合法一般都是通过人工在野外实施，自动化程度低、工作环境差、劳动强度大，爆炸产生的冲击波及烟雾对环境有很大的污染，存在着安全隐患，且成形的金属层状复合板材面积有限，不能用于厚度较薄的金属层状复合带材的制备，难以满足使用中对“大面积、薄覆层”金属层状复合板带材的要求，无法实现连续化高效生产。

爆炸-轧制复合法是将爆炸复合制备的金属层状复合板材再后续轧制成形，以进一步提高金属层状复合板材的界面结合强度，获得较为平整的界面，并减少金属层状复合板材的厚度，生产厚度较薄的金属层状复合板带材。爆炸-轧制复合法不仅同样存在着爆炸复合法具有的缺点，而且工序繁琐，不能实现连续化生产，成本高。

轧制复合法主要包括热轧复合法与冷轧复合法，具有生产效率、材料利用率以及连续化和自动化程度高，产品性能优良等特点，在金属层状复合板带材的制备加工领域逐渐受到了重视[Soltan Ali Nezhad M，Haerian Ardakani A. A study of joint quality of aluminum and low carbon steel strips by warm rolling[J]. Materials & Design，2009，30（4）：1103-1109]。热轧复合法通常是将待复合金属板带材在再结晶温度以上进行较长时间的加热，然后在较小的变形量（一般只需百分之几的轧制压下率）下进行热轧复合，有效地实现待复合金属板带材界面间的冶金结合，获得高质量的复合界面和高性能的金属层状复合板带材。但是，热轧前的加热温度高、加热时间长，对于复合金属材料为活性金属（如铝、钛等）时，易在复合界面生成脆性金属间化合物；而且为了防止高温下金属待复合表面发生氧化而影响复合界面的结合质量，在热轧之前需要增加对待复合表面间抽真空以及对待复合金属板带材四周进行焊接等待复合板带坯准备工序；或者在高度真空或还原性气氛条件下进行加热轧制，设备要求高且价格昂贵；也不能采用成卷的金属带材或长尺寸的金属板材作为原材料；同时热轧前的加热是离线进行的，生产连续性低；制备的金属层状复合板带材面积受到极大限制，且轧制后切头剪边部分所占比例较大，降低了成品率 [黄伯云，李成功，石力开，邱冠周，左铁镛. 中国材料工程大典（第5卷 有色金属材料工程（下））[M]. 北京：化学工业出版社，2006]。冷轧复合法通常是在待复合金属板带材的再结晶温度以下（一般是在室温下）进行，无须事先准备待复合板带坯，只需对金属待复合表面进行清洗、打磨即可进行轧制复合，且金属组合的自由度大，适应面广。但是，冷轧复合时，即使经过大变形量（通常轧制压下率需要在70%以上）轧制变形后，金属层状复合板带材的界面结合强度依然较低，必须进行后续长时间扩散热处理，以便提高复合界面的结合强度[谢建新 等 编著. 材料加工新技术与新工艺[M]. 北京：冶金工业出版社，2004]；长时间扩散热处理工序的存在不仅降低了金属层状复合板带材的力学性能，而且也导致无法实现连续化高效生产；同时由于轧制压下率较大，对轧机的要求较高。

因此，开发一种高效率、节能降耗、低成本、连续化生产高性能金属层状复合板带材的方法，具有极其重要的意义。

发明内容

本发明是将表面经过处理后的两层或多层待复合金属板带材在室温条件下进行单道次轧制（以下简称“单道次室温轧制”）预复合，获得预复合金属层状复合板带坯（以下简称“预复合板带坯”），然后连续通过在线加热装置，对预复合板带坯进行在线快速加热，使预复合板带坯的温度快速达到后续轧制所需的温度（低于金属的再结晶温度），接着连续进行一定温度下的单道次轧制（以下简称“单道次控温轧制”），制备得到高性能的金属层状复合板带材。在室温下对待复合金属板带材的待复合表面进行清洗、打磨等处理；然后进行一定变形程度的单道次室温轧制，使得待复合金属板带材的待复合表面实现紧密贴合，获得预复合板带坯，取代了传统热轧复合法中抽真空、焊接等工序，并且有利于极大地降低后续单道次控温轧制前所需的加热温度、缩短加热时间；接着对预复合板带坯进行在线快速加热，使得预复合板带坯快速升温至后续单道次控温轧制所需的温度，避免了传统加热方法带来的问题，确保了加热过程中预复合板带坯发生回复的同时其复合界面不发生分离，复合界面不被氧化；最后进行单道次控温轧制，设定轧制压下率远大于传统热轧复合法的，保证具有一定温度的预复合板带坯在进入轧机时复合界面间不会开裂，并顺利进行单道次控温轧制，确保进一步变形复合，促进复合界面间金属元素的原子发生扩散实现有效的冶金结合，制备得到高性能的金属层状复合板带材。在此基础上，通过解决各环节之间的变形协调性以及全过程工艺参数的合理匹配等问题，开发一种将单道次室温轧制预复合、在线快速加热与单道次控温轧制冶金复合相结合的金属层状复合板带材的短流程高效制备方法，改变传统爆炸复合、爆炸-轧制复合、轧制复合等金属层状复合板带材制备方法存在的工艺繁琐、自动化程度和连续化程度不高、材料利用率和生产效率低、能源浪费严重、生产周期长、生产成本高，存在环境污染和安全隐患，对设备要求高，难以采用成卷的金属带材或长尺寸的金属板材作为原材料，或者无法用于活性金属的复合等不足，实现在大气环境中短流程高效连续轧制制备高性能金属层状复合板带材等目的。

一种金属层状复合板带材的短流程高效制备方法，其技术方案如下：

1. 在室温下对表面清洁处理后的待复合金属板带材的待复合表面进行在线打磨；

2. 随后将两层或多层待复合表面经过打磨处理的待复合金属板带材以待复合表面相叠合的方式连续咬入第一台轧机中，进行在线单道次室温轧制实现预复合，轧制压下率为30%～50%，获得预复合板带坯；

3. 然后将预复合板带坯直接输送进入加热装置，在加热装置中采用在线快速加热方法，对预复合板带坯进行在线快速加热，使得预复合板带坯快速升温至所需的轧制温度, 预复合板带坯在加热装置中的加热时间为2～10 s；

4. 接着将加热后的预复合板带坯连续送进第二台轧机，进行在线单道次控温轧制，轧制压下率为20%～60%，制备得到高性能的金属层状复合板带材；

5. 金属层状复合板带材的整个制备过程是连续进行的，第一台轧机和第二台轧机组成的是连轧机组。

所述金属可以是铜、铝、镁、铁、钛、镍、锌、锡、金、银、锆及其合金，也可以是钢铁及金属层状复合材料。

所述待复合金属板带材可以是纯金属板带材，也可以是合金板带材、钢铁板带材及金属层状复合板带材。

所述待复合金属板带材的厚度为0.1～5 mm。

所述在线快速加热是在线感应加热或在线电流加热。

所述轧制温度介于室温和待复合金属板带材的再结晶温度之间。

按照国家标准GB/T 6396-2008中有关要求对所制备金属层状复合板带材进行评价。

与现有的金属层状复合板带材制备方法相比，本发明将在线表面处理、单道次室温轧制预复合、在线快速加热与单道次控温轧制冶金复合相结合，构成连续化生产线，制备金属层状复合板带材，具有连续化和自动化程度高、流程短、生产效率高、环境污染小、节约能源、缩短周期、无安全隐患、产品尺寸精度高、规格灵活、原材料组合自由度大、材料利用率高、对设备要求不高且投资少、生产成本低、产品质量和性能优异以及能够采用成卷的金属带材或长尺寸的金属板材作为原材料等优点。

附图说明

图1为本发明的金属层状复合板带材的短流程高效制备工艺流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

在室温下对表面清洁处理后的纯钛板材（厚度1.1 mm）和碳钢板材（厚度4.4 mm）的待复合表面进行在线砂轮打磨；随后将纯钛板材和碳钢板材经过打磨处理后的表面相叠合，并连续咬入第一台轧机中，进行在线单道次室温轧制实现预复合，轧制压下率为30%，获得预复合钛/钢层状复合板坯；然后将预复合钛/钢层状复合板坯直接输送进入电流加热装置，在电流加热装置中对预复合钛/钢层状复合板坯进行在线快速加热，使得预复合钛/钢层状复合板坯快速升温至所需的轧制温度750 ℃，加热时间为10 s；接着将加热后的预复合钛/钢层状复合板坯连续送进第二台轧机，进行在线单道次控温轧制，轧制压下率为60%，制备得到高性能的钛/钢层状复合板材。钛/钢层状复合板材的整个制备过程是连续进行的，第一台轧机和第二台轧机组成的是连轧机组；制备得到的钛/钢层状复合板材的复合界面平直，采用三点弯曲试验表征，复合界面未发生分离，界面结合强度高。

实施例2：

在室温下对表面清洁处理后的纯钛带材（厚度0.1 mm）和碳钢带材（厚度0.6 mm）的待复合表面进行在线高速旋转钢刷打磨；随后将纯钛带材和碳钢带材经过打磨处理后的表面相叠合，并连续咬入第一台轧机中，进行在线单道次室温轧制实现预复合，轧制压下率为30%，获得预复合钛/钢层状复合带坯；然后将预复合钛/钢层状复合带坯直接输送进入感应加热装置，在感应加热装置中对预复合钛/钢层状复合带坯进行在线快速加热，使得预复合钛/钢层状复合带坯快速升温至所需的轧制温度650 ℃，加热时间为5 s；接着将加热后的预复合钛/钢层状复合带坯连续送进第二台轧机，进行在线单道次控温轧制，轧制压下率为20%，制备得到高性能的钛/钢层状复合带材。钛/钢层状复合带材的整个制备过程是连续进行的，第一台轧机和第二台轧机组成的是连轧机组；制备得到的钛/钢层状复合带材的复合界面平直，采用三点弯曲试验表征，复合界面未发生分离，界面结合强度高。

实施例3：

在室温下对表面清洁处理后的纯铝板材（厚度3 mm）、纯钛板材（厚度1 mm）和碳钢板材（厚度5 mm）的待复合表面（铝的一侧表面、钛的两侧表面和碳钢的一侧表面）进行在线高速旋转钢刷打磨；随后按照纯铝板材/纯钛板材/碳钢板材三层复合的方式，将纯铝板材、纯钛板材和碳钢板材经过打磨处理后的表面相叠合，并连续咬入第一台轧机中，进行在线单道次室温轧制实现预复合，轧制压下率为50%，获得预复合铝/钛/碳钢层状复合板坯；然后将预复合铝/钛/碳钢层状复合板坯直接输送进入感应加热装置，在感应加热装置中对预复合铝/钛/碳钢层状复合板坯进行在线快速加热，使得预复合铝/钛/碳钢层状复合板坯快速升温至所需的轧制温度300 ℃，加热时间为2 s；接着将加热后的预复合铝/钛/碳钢层状复合板坯连续送进第二台轧机，进行在线单道次控温轧制，轧制压下率为50%，制备得到高性能的铝/钛/碳钢层状复合板材。铝/钛/碳钢层状复合板材的整个制备过程是连续进行的，第一台轧机和第二台轧机组成的是连轧机组；制备得到的铝/钛/碳钢层状复合板材的复合界面平直，采用三点弯曲试验表征，复合界面未发生分离，界面结合强度高。

实施例4：

在室温下对表面清洁处理后的纯钛板材（厚度1 mm）和纯铜板材（厚度4 mm）的待复合表面进行在线砂轮打磨；随后将纯钛板材和纯铜板材经过打磨处理后的表面相叠合，并连续咬入第一台轧机中，进行在线单道次室温轧制实现预复合，轧制压下率为50%，获得预复合钛/铜层状复合板坯；然后将预复合钛/铜层状复合板坯直接输送进入感应加热装置，在感应加热装置中对预复合钛/铜层状复合板坯进行在线快速加热，使得预复合钛/铜层状复合板坯快速升温至所需的轧制温度600 ℃，加热时间为5 s；接着将加热后的预复合钛/铜层状复合板坯连续送进第二台轧机，进行在线单道次控温轧制，轧制压下率为40%，制备得到高性能的钛/铜层状复合板材。钛/铜层状复合板材的整个制备过程是连续进行的，第一台轧机和第二台轧机组成的是连轧机组；制备得到的钛/铜层状复合板材的复合界面平直，采用三点弯曲试验表征，复合界面未发生分离，界面结合强度高。

实施例5：

在室温下对表面清洁处理后的不锈钢带材（厚度0.3 mm）和碳钢带材（厚度1 mm）的待复合表面进行在线高速旋转钢刷打磨；随后将不锈钢带材和碳钢带材经过打磨处理后的表面相叠合，并连续咬入第一台轧机中，进行在线单道次室温轧制实现预复合，轧制压下率为30%，获得预复合不锈钢/碳钢层状复合带坯；然后将预复合不锈钢/碳钢层状复合带坯直接输送进入感应加热装置，在感应加热装置中对预复合不锈钢/碳钢层状复合带坯进行在线快速加热，使得预复合不锈钢/碳钢层状复合带坯快速升温至所需的轧制温度600 ℃，加热时间为5 s；接着将加热后的预复合不锈钢/碳钢层状复合带坯连续送进第二台轧机，进行在线单道次控温轧制，轧制压下率为30%，制备得到高性能的不锈钢/碳钢层状复合带材。不锈钢/碳钢层状复合带材的整个制备过程是连续进行的，第一台轧机和第二台轧机组成的是连轧机组；制备得到的不锈钢/碳钢层状复合带材的复合界面平直，采用三点弯曲试验表征，复合界面未发生分离，界面结合强度高。

实施例6：

在室温下对表面清洁处理后的铝合金板材（厚度5 mm）和不锈钢板材（厚度5 mm）的待复合表面进行在线高速旋转钢刷打磨；随后将铝合金板材和不锈钢板材经过打磨处理后的表面相叠合，并连续咬入第一台轧机中，进行在线单道次室温轧制实现预复合，轧制压下率为30%，获得预复合铝合金/不锈钢层状复合板坯；然后将预复合铝合金/不锈钢层状复合板坯直接输送进入感应加热装置，在感应加热装置中对预复合铝合金/不锈钢层状复合板坯进行在线快速加热，使得预复合铝合金/不锈钢层状复合板坯快速升温至所需的轧制温度300 ℃，加热时间为2 s；接着将加热后的预复合铝合金/不锈钢层状复合板坯连续送进第二台轧机，进行在线单道次控温轧制，轧制压下率为40%，制备得到高性能的铝合金/不锈钢层状复合板材。铝合金/不锈钢层状复合板材的整个制备过程是连续进行的，第一台轧机和第二台轧机组成的是连轧机组；制备得到的铝合金/不锈钢层状复合板材的复合界面平直，采用三点弯曲试验表征，复合界面未发生分离，界面结合强度高。

实施例7：

在室温下对表面清洁处理后的铜/铝层状复合板材（厚度5 mm）和不锈钢板材（厚度2 mm）的待复合表面（铝表面和不锈钢的一侧表面）进行在线高速旋转钢刷打磨；随后将铜/铝层状复合板材和不锈钢板材经过打磨处理后的表面相叠合，并连续咬入第一台轧机中，进行在线单道次室温轧制实现预复合，轧制压下率为40%，获得预复合铜/铝/不锈钢层状复合板坯；然后将预复合铜/铝/不锈钢层状复合板坯直接输送进入感应加热装置，在感应加热装置中对预复合铜/铝/不锈钢层状复合板坯进行在线快速加热，使得预复合铜/铝/不锈钢层状复合板坯快速升温至所需的轧制温度300 ℃，加热时间为2 s；接着将加热后的预复合铜/铝/不锈钢层状复合板坯连续送进第二台轧机，进行在线单道次控温轧制，轧制压下率为60%，制备得到高性能的铜/铝/不锈钢层状复合板材。铜/铝/不锈钢层状复合板材的整个制备过程是连续进行的，第一台轧机和第二台轧机组成的是连轧机组；制备得到的铜/铝/不锈钢层状复合板材的复合界面平直，采用三点弯曲试验表征，复合界面未发生分离，界面结合强度高。

Claims (6)

1.一种金属层状复合板带材的短流程高效制备方法，其特征在于，在室温下对表面清洁处理后的待复合金属板带材的待复合表面进行在线打磨；随后将两层或多层待复合表面经过打磨处理的待复合金属板带材以待复合表面相叠合的方式连续咬入第一台轧机中，进行在线单道次室温轧制实现预复合，轧制压下率为30%～50%，获得预复合板带坯；然后将预复合板带坯直接输送进入加热装置，在加热装置中采用在线快速加热方法，对预复合板带坯进行在线快速加热，使得预复合板带坯快速升温至所需的轧制温度, 预复合板带坯在加热装置中的加热时间为2～10 s；接着将加热后的预复合板带坯连续送进第二台轧机，进行在线单道次控温轧制，轧制压下率为20%～60%，制备得到高性能的金属层状复合板带材；金属层状复合板带材的整个制备过程是连续进行的，第一台轧机和第二台轧机组成的是连轧机组。

2.如权利要求1所述一种金属层状复合板带材的短流程高效制备方法，其特征在于所述金属是铜、铝、镁、铁、钛、镍、锌、锡、金、银、锆及其合金，或钢铁、金属层状复合材料。

3.如权利要求1所述一种金属层状复合板带材的短流程高效制备方法，其特征在于所述待复合金属板带材是纯金属板带材、合金板带材、钢铁板带材或金属层状复合板带材。

4.如权利要求1所述一种金属层状复合板带材的短流程高效制备方法，其特征在于所述待复合金属板带材的厚度为0.1～5 mm。

5.如权利要求1所述一种金属层状复合板带材的短流程高效制备方法，其特征在于所述在线快速加热是在线感应加热或在线电流加热。

6.如权利要求1所述一种金属层状复合板带材的短流程高效制备方法，其特征在于所述轧制温度介于室温和待复合金属板带材的再结晶温度之间。

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