CN104874635A - 以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钛钢复合板制备加工领域，具体涉及一种以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法。本发明包括以下步骤：a、组坯：按照钢板/钛板/铜箔/钢板的顺序进行对称组坯，焊合，得到组合坯料；b、加热：将组合坯料在880～950℃加热2～6h；c、轧制：将加热后的组合坯料进行至少两道次的轧制，轧制总变形量为≥80％，轧制速度为0.1～1m/s；d、精整：分离钛钢界面，得到钛钢复合板。本发明方法工艺简单，可以解决钛钢复合板制备过程中界面氧化的问题，获得的钛钢复合板板型良好，结合效果良好，结合强度240MPa。

Description

以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法
技术领域
本发明属于钛钢复合板制备加工领域，具体涉及一种以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法。
背景技术
钛具有良好的物理、化学性能与机械性能，但其冶炼技术复杂，生产成本高，因此钛的价格很贵，很大程度限制了钛的推广及应用。将钛与其它金属(如钢、铜、铝等)复合在一起，制成金属复合材料，既可以发挥钛的优异性能，又可大大降低成本，因而近年来对类似材料的研究很多，其中钛-钢复合材料以其高强度、优异的耐蚀性能和显著的经济效益而被广泛的应用于化工、石油等工业部门。
目前，钛-钢复合板的生产方式主要有四种：爆炸复合法、扩散复合法、爆炸-轧制和直接轧制法。直接轧制法是目前的发展趋势，相比其余3种生产方式，具有产品尺寸规格灵活，性能稳定，易实现机械化、自动化作业等优点。直接轧制法最初将钛板(复合材)与钢板(基材)以嵌入式的板坯组装。这时，在钛板与钢材之间放入合适的中间嵌入材，再在高真空下采用电子束焊接。最后放入加热炉加热后，在厚板轧机上强压轧到所要求的厚度，这样钛板与钢板则真正接合了。最后将外围切割，分离为2张板。
由于钛的金属性活泼，与多数金属连接时将在界面上形成脆性相。由钛-铁二元相图可知，铁与钛极易生成金属间化合物，如TiFe、TiFe2等，由于金属间化合物具有较大的脆性使结合界面脆化，在应力的作用下容易导致开裂，使结合强度下降。钛在温度为1155K时发生相变，高温时以体心立方晶格β-Ti形式存在，温度较低时为密排立方晶格的α-Ti。铁在α-Ti中的固溶度很小，在室温下仅为0.05％～0.1％，在共析温度下不超过0.5％。铁是β-Ti稳定元素，在β-Ti中的固溶度比在α-Ti中的大，在共晶温度1355K时，铁在β-Ti中的固溶度达到最大值25％。在β-Ti中固溶了铁之后，可以使其相变点温度降低，当β-Ti中铁含量达到一定值时，β-Ti将会被保留至室温，随着β-Ti中铁含量的进一步增高，在冷却过程中，将会造成铁在钛中的过饱和，进而超过其在钛中的固溶度而形成金属间化合物。减少化合物生成的主要方法是在钛与钢之间插入适当的金属做中间层，进而阻止钛、铁等元素的相互扩散。
申请号为“CN101992344A”，发明名称为“一种钛-钢复合板的制备方法”公开了一种以长、宽尺寸相等的钛板和钢板，除去锈层和氧化层，然后相对重合制成复合坯料，再将复合坯料四周用钛板侧封，用夹具夹紧组合坯料后在真空室内抽真空，使真空度达到10-2MPa时，经组合坯料四周焊合，再在加热炉内加热到600～1200℃下保温0.1～2h，最后在550～1150℃下轧制，轧制速度0.3～2m/s，总压下量＞30％，首次压下率＞5％，得到钛-钢复合板的技术方案。此工艺方法是以钛-钢为原材的复合板，在加热过程中，由于钛的金属性活泼，铁与钛极易生成金属间化合物，由于金属间化合物具有较大的脆性使结合界面脆化，在应力的作用下容易导致开裂，使结合强度下降。
申请号为“201410446843.4”，发明名称为“一种制造钛钢复合板的方法”，具体公开了采用电镀或化学镀方法在钢板或钢坯的待复合的表面上镀覆镍、铜或纯铁来形成镀层，从而提高界面的结合强度。采用该方法能够在一定程度上提高界面结合强度，但是，由于镀层较薄，高温或长时间加热条件下钛、铁等元素可以穿透镀层，在界面形成脆性化合物，不能起到阻止元素相互扩散的目的；同时，由于镀层金属没有良好的延展性，在轧制过程中，会引起界面状态不均匀的问题，导致采用该方法制备的钛钢复合板产品质量无法得到很好的保障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，以防止钛钢复合板制备过程中界面上钛/铁化合物的生成，同时利用钛与铜在加热过程中生成液相化合物，在随后的轧制过程中将液相挤出，获得洁净、活化的新生面，从而实现钛钢界面的良好结合的目的。
为了实现上述目的，本发明提供一种以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，包括以下步骤：
a、组坯：按照钢板/钛板/铜箔/钢板的顺序进行对称组坯，然后将坯料四周焊合，坯料内部进行抽真空处理，得到组合坯料；其中，在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，所述铜箔的厚度为0.3～0.8mm；
b、加热：将组合坯料在880～950℃加热2～6h；
c、轧制：将加热后的组合坯料进行至少两道次的轧制，其中，开轧温度920℃，终轧温度为600～700℃，控制冷却速度为3～5℃/s；前两道次变形量≥20％，轧制总变形量为≥80％，轧制速度为0.1～1m/s；
d、精整：空冷至室温，分离涂覆隔离剂的钛钢界面，得到钛钢复合板。
进一步的，为了使反应过程中钛钢复合板结合强度更高，所述铜箔的厚度优选为0.5mm，在加热反应时，铜箔与钛板反应生成了钛铜化合物，在900℃左右的高温下，已经融化成液体，在后面的轧制过程中被挤出，从而达到钛、钢界面的新生。
上述所述隔离剂为本领域技术人员常用的隔离剂，主要起隔离不需要复合的钛钢界面的作用，达到轧制后可以分离钛钢界面的目的。
上述所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，在a步骤之前还需进行表面处理步骤，所述表面处理的方法为：对钢板及钛板的表面进行磨抛处理，以去除表面污物和氧化层，减少界面对结合强度的影响。
进一步的，a步骤所述的真空处理的真空度必须＜10-2Pa，以保证结合界面不受空气中的氧、氮等元素的影响。
进一步的，上述所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，作为优选的方案，b步骤所述的加热温度为950℃，加热时间5h；c步骤轧制时，前两道次变形25％，经过10道次轧制，累计变形量为95％，轧制速度0.2m/s，终轧温度为640℃。
上述所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，a步骤的组坯方法具体为：
①准备两块规格相同的钢板、一块钛板、一块铜箔、四块侧板，其中，所述侧板材质与钢板相同；
②侧板处理：在四块侧板中的至少一块上开孔，并在开孔处焊接一根抽真空用的无缝碳钢管；
③焊接：在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，按照钢板/钛板/铜箔/钢板的顺序进行对称组坯，将侧板设置在钛板四周，且位于两块钢板之间，将钢板与侧板之间的缝隙以及侧板与侧板之间的间隙进行焊接，使其成为一个组合体；
④抽真空：焊接完成后，通过无缝碳钢管与真空泵连接，对组合体内部抽真空后，将无缝碳钢管闭合，得到组合坯料。
其中，上述所述的无缝碳钢管壁厚＞2mm。
进一步的，上述所述侧板处理是指在四块侧板中的任意一块上开孔。
本发明以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，工艺简单，加入铜中间层，可以和钛在高温下反应，一定条件下，铜中间层可被完全反应生成液相化合物，在轧制过程中被挤出，整个过程可以有效防止硬脆相Ti-Fe化合物的生产，同时解决钛钢复合板制备过程中界面氧化的问题，消除了界面氧化对结合强度的影响，轧制后获得的钛钢复合板板型良好，表面无明显缺陷形成，结合界面无钛/铁化合物的生成，结合效果良好，结合强度>240MPa，远高于国家标准中同类钛钢复合板的结合强度。
具体实施方式
本发明提供一种以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，包括以下步骤：
a、组坯：按照钢板/钛板/铜箔/钢板的顺序进行对称组坯，然后将坯料四周焊合，坯料内部进行抽真空处理，得到组合坯料；其中，在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，所述铜箔的厚度为0.3～0.8mm；
b、加热：将组合坯料在880～950℃加热2～6h；
c、轧制：将加热后的组合坯料进行至少两道次的轧制，其中，开轧温度920℃，终轧温度为600～700℃，控制冷却速度为3～5℃/s；前两道次变形量≥20％，轧制总变形量为≥80％，轧制速度为0.1～1m/s；
d、精整：空冷至室温，分离涂覆隔离剂的钛钢界面，得到钛钢复合板。
进一步的，为了使反应过程中钛钢复合板结合强度更高，所述铜箔的厚度优选为0.5mm，在加热反应时，铜箔与钛板反应生成了钛铜化合物，在900℃左右的高温下，已经融化成液体，在后面的轧制过程中被挤出，从而达到钛、钢界面的新生。
上述所述隔离剂为本领域技术人员常用的隔离剂，主要起隔离不需要复合的钛钢界面的作用，达到轧制后可以分离钛钢界面的目的。
上述所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，在a步骤之前还需进行表面处理步骤，所述表面处理的方法为：对钢板及钛板的表面进行磨抛处理，以去除表面污物和氧化层，减少界面对结合强度的影响。
进一步的，a步骤所述的真空处理的真空度必须＜10-2Pa，以保证结合界面不受空气中的氧、氮等元素的影响。
进一步的，上述所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，作为优选的方案，b步骤所述的加热温度为950℃，加热时间5h；c步骤轧制时，前两道次变形25％，经过10道次轧制，累计变形量为95％，轧制速度0.2m/s，终轧温度为640℃。
上述所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，a步骤的组坯方法具体为：
①准备两块规格相同的钢板、一块钛板、一块铜箔、四块侧板，其中，所述侧板材质与钢板相同；
②侧板处理：在四块侧板中的至少一块上开孔，并在开孔处焊接一根抽真空用的无缝碳钢管；
③焊接：在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，按照钢板/钛板/铜箔/钢板的顺序进行对称组坯，将侧板设置在钛板四周，且位于两块钢板之间，将钢板与侧板之间的缝隙以及侧板与侧板之间的间隙进行焊接，使其成为一个组合体；
④抽真空：焊接完成后，通过无缝碳钢管与真空泵连接，对组合体内部抽真空后，将无缝碳钢管闭合，得到组合坯料。
其中，上述所述的无缝碳钢管壁厚＞2mm。
进一步的，上述所述侧板处理是指在四块侧板中的任意一块上开孔。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
①准备两块规格为200×160×18mm钢板，一块尺寸为160×120×20mm的钛板，一块和钛板相同尺寸，厚0.5mm的铜箔和四块侧板，其中，所述侧板材质与钢板相同；在四块侧板中的至少一块上开孔，并在开孔处焊接一根壁厚＞2mm无缝碳钢管；在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，按照钢板/钛板/铜箔/钢板的顺序进行对称组坯，将侧板设置在钛板四周，且位于两块钢板之间，将钢板与侧板之间的缝隙以及侧板与侧板之间的间隙进行焊接，使其成为一个组合体；焊接完成后，通过无缝碳钢管与真空泵连接，对组合体内部抽真空后，将无缝碳钢管密封，得到组合坯料。
②将准备好的组合坯料放入加热炉内加热至950℃，保温5h；
③取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，前两道次变形25％，经过10道次轧制，累计变形量95％，轧制速度0.2m/s，终轧温度640℃。
④空冷至室温，取样进行结合强度测试，界面结合强度245MPa。
实施例2
①准备两块规格为120×80×10mm钢板，一块尺寸为80×60×8mm的钛板，一块和钛板相同尺寸，厚0.5mm的铜箔和四块侧板，其中，所述侧板材质与钢板相同；在四块侧板中的至少一块上开孔，并在开孔处焊接一根壁厚＞2mm无缝碳钢管；在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，按照钢板/钛板/铜箔/钢板的顺序进行对称组坯，将侧板设置在钛板四周，且位于两块钢板之间，将钢板与侧板之间的缝隙以及侧板与侧板之间的间隙进行焊接，使其成为一个组合体；焊接完成后，通过无缝碳钢管与真空泵连接，对组合体内部抽真空后，将无缝碳钢管密封，得到组合坯料。
②将准备好的组合坯料放入加热炉内加热至920℃，保温3h；
③取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，前两道次变形35％，经过8道次轧制，累计变形量90％，轧制速度0.2m/s，终轧温度700℃。
④空冷至室温，取样进行结合强度测试，界面结合强度256MPa。
实施例3
①准备两块规格为200×160×18mm钢板，一块尺寸为160×120×20mm的钛板，一块和钛板相同尺寸，厚0.5mm的铜箔和四块侧板，其中，所述侧板材质与钢板相同；在四块侧板中的至少一块上开孔，并在开孔处焊接一根壁厚＞2mm无缝碳钢管；在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，按照钢板/钛板/铜箔/钢板的顺序进行对称组坯，将侧板设置在钛板四周，且位于两块钢板之间，将钢板与侧板之间的缝隙以及侧板与侧板之间的间隙进行焊接，使其成为一个组合体；焊接完成后，通过无缝碳钢管与真空泵连接，对组合体内部抽真空后，将无缝碳钢管密封，得到组合坯料。
②将准备好的组合坯料放入加热炉内加热至940℃，保温2h；
③取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，前两道次变形25％，经过9道次轧制，累计变形量90％，轧制速度1m/s，终轧温度700℃。
④空冷至室温，取样进行结合强度测试，界面结合强度255MPa。
实施例4
①准备两块规格为300×200×30mm钢板，一块尺寸为260×160×18mm的钛板，一块和钛板相同尺寸，厚0.5mm的铜箔和四块侧板，其中，所述侧板材质与钢板相同；在四块侧板中的至少一块上开孔，并在开孔处焊接一根壁厚＞2mm无缝碳钢管；在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，按照钢板/钛板/铜箔/钢板的顺序进行对称组坯，将侧板设置在钛板四周，且位于两块钢板之间，将钢板与侧板之间的缝隙以及侧板与侧板之间的间隙进行焊接，使其成为一个组合体；焊接完成后，通过无缝碳钢管与真空泵连接，对组合体内部抽真空后，将无缝碳钢管密封，得到组合坯料。
②将准备好的组合坯料放入加热炉内加热至900℃，保温5h；
③取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，前两道次变形20％，经过10道次轧制，累计变形量95％，轧制速度0.1m/s，终轧温度650℃。
④空冷至室温，取样进行结合强度测试，界面结合强度260MPa。

Claims (8)

1.以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、组坯：按照钢板/钛板/铜箔/钢板的顺序进行对称组坯，然后将坯料四周焊合，坯料内部进行抽真空处理，得到组合坯料；其中，在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，所述铜箔的厚度为0.3～0.8mm；
b、加热：将组合坯料在880～950℃加热2～6h；
c、轧制：将加热后的组合坯料进行至少两道次的轧制，其中，开轧温度920℃，终轧温度为600～700℃，控制冷却速度为3～5℃/s；前两道次变形量≥20％，轧制总变形量为≥80％，轧制速度为0.1～1m/s；
d、精整：空冷至室温，分离涂覆隔离剂的钛钢界面，得到钛钢复合板。
2.根据权利要求1所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，其特征在于：所述铜箔的厚度为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，其特征在于：在a步骤之前还需进行表面处理步骤，所述表面处理的方法为：对钢板及钛板的表面进行磨抛处理。
4.根据权利要求1所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，其特征在于：a步骤所述的真空处理后的真空度＜10-2Pa。
5.根据权利要求1～4任一项所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，其特征在于：b步骤所述的加热温度为950℃，加热时间5h；c步骤轧制时，前两道次变形25％，经过10道次轧制，累计变形量为95％，轧制速度0.2m/s，终轧温度为640℃。
6.根据权利要求1～4任一项所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，其特征在于：a步骤的组坯方法为：
①准备两块规格相同的钢板、一块钛板、一块铜箔、四块侧板，其中，所述侧板材质与钢板相同；
②侧板处理：在四块侧板中的至少一块上开孔，并在开孔处焊接一根抽真空用的无缝碳钢管；
③焊接：在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，按照钢板/钛板/铜箔/钢板的顺序进行对称组坯，将侧板设置在钛板四周，且位于两块钢板之间，将钢板与侧板之间的缝隙以及侧板与侧板之间的间隙进行焊接，使其成为一个组合体；
④抽真空：焊接完成后，通过无缝碳钢管与真空泵连接，对组合体内部抽真空后，将无缝碳钢管闭合，得到组合坯料。
7.根据权利要求6所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，其特征在于：所述的无缝碳钢管壁厚＞2mm。
8.根据权利要求6所述的以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，其特征在于：在四块侧板中的任意一块上开孔。
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