CN104942000A - 高结合强度的钛钢复合板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钛钢复合板制备加工领域，具体涉及一种高结合强度的钛钢复合板的制备方法。本发明解决的技术问题是提供高结合强度的钛钢复合板的制备方法。该方法包括以下步骤：按照钢板/钛板/镍箔/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；将组合坯料进行加热120～360min，加热温度为890～930℃；将加热后的组合坯料进行轧制，得到钛钢复合板。采用本发明方法获得的钛钢复合板，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>250MPa，远高于国家标准中同类钛钢复合板的结合强度。

Description

高结合强度的钛钢复合板的制备方法
技术领域
本发明涉及钛钢复合板制备加工领域，具体涉及一种高结合强度的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。
现有的复合钢板的制造方法有：填充金属钢锭轧制法、爆炸复合法、轧制压接法、堆焊法等。考虑到钛的特性，工业上常采用爆炸复合法或轧制法(包括厚板轧制法和连续热轧法)来制备钛钢复合板。爆炸复合法是将基层钢板放置在一个平坦坚固的工作台(通常为水泥板)上，然后将用于制作复合板的钛板以一定的角度放在基层钢板的上方，再将炸药放在钛板上方，为了防止较薄的钛板损坏，常常在炸药和钛板之间铺垫一层金属或其它材料作为缓冲垫。然后，引爆炸药，通过炸药爆炸产生的强烈冲击力，使钛板与钢板产生极强的斜碰撞，这种碰撞产生的能量使两个板的界面结合，从而得到具有一定剪切强度的钛-钢复合板。
爆炸复合法能够满足钛-钢复合板的结合强度要求，但存在成材率相对低、环境污染、噪音及安全等方面的不足。与爆炸复合法生产的钛-钢复合板相比，轧制法(通常为热轧法)简单易行，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，而且可以生产更宽幅、更薄覆层的复合板材，同时，轧制法对环境要求较低，更能够实现批量生产的要求。
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。在采用热轧法生产钛-钢复合板时，减少化合物生成是改善界面结合效果，提高产品质量的关键。
发明专利201410446843.4公开了一种制造钛钢复合板的方法，并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
本发明解决的技术问题是提供高结合强度的钛钢复合板的制备方法。
本发明高结合强度的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/镍箔/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，所述镍箔的厚度为0.5mm；
b、加热：将组合坯料进行加热，加热温度为890～930℃，加热时间为120～360min；
c、轧制：将加热后的组合坯料进行轧制，其中，终轧温度为600～700℃，轧制总变形量为>70％，单道次变形量为5％～15％，轧制速度为0.1～2m/s；
d、精整：分离钛钢界面，得到钛钢复合板。
其中，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。
其中，a步骤所述的真空处理的真空度为1×10-2Pa及以下。
作为优选方案，b步骤所述的加热温度为910℃，加热时间360min；c步骤轧制时，首道次变形15％，经过12道次轧制，累计变形量为89％，轧制速度0.2m/s，终轧温度为680℃。
进一步的，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、一块镍箔、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/镍箔/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，将无缝碳钢管密封，得到组合坯料。
其中，所述的无缝碳钢管壁厚＞2mm。
作为优选方案，可在四块侧板中的任意一块上开孔。
本发明通过在钛钢复合界面之间插入适当的金属镍做中间层，进而阻止钛、铁等元素的相互扩散，改善界面结合效果，提高产品质量。采用本发明方法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>250MPa，远高于国家标准中同类钛钢复合板的结合强度。
此外，本发明的组坯过程不需要特殊的真空焊接设备，如真空电子束焊箱等，在大气环境下即可完成坯料内部真空处理，简化了本发明钛钢复合板的制备工艺，降低了成本。
具体实施方式
本发明高结合强度的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/镍箔/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，所述镍箔的厚度为0.5mm；
b、加热：将组合坯料进行加热，加热温度为890～930℃，加热时间为120～360min；
c、轧制：将加热后的组合坯料进行轧制；其中，终轧温度为600～700℃，轧制总变形量为>70％，单道次变形量为5％～15％，轧制速度为0.1～2m/s；
d、精整：分离钛钢界面，得到钛钢复合板。
进一步的，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。
进一步的，a步骤所述的真空处理的真空度必须达到1×10-2Pa及以下，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，作为优选方案，b步骤所述的加热温度为910℃，加热时间360min；c步骤轧制时，首道次变形15％，经过12道次轧制，累计变形量为89％，轧制速度0.2m/s，终轧温度为680℃。
进一步的，a步骤的组坯可采用如下具体方法：
①准备两块规格相同的钢板、一块钛板、一块镍箔、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/镍箔/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，将无缝碳钢管密封，得到组合坯料。
其中，所述的无缝碳钢管优选壁厚＞2mm。
进一步的，为了简化操作，优选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
按照下述方法制备钛钢复合板：
a、组坯：①加工尺寸分别为200×160×18mm的钢板两块，160×120×20mm的钛板一块，120×20×20mm和200×20×20mm的侧板各两块，对其表面进行磨抛处理，以去除表面污物和氧化层；将厚度为0.5mm的镍板加工为钛板尺寸；②在其中一块侧板上开孔，在开孔处焊接一根壁厚＞2mm的无缝碳钢管；③然后钢板/钛板/镍箔/钢板的顺序进行对称组坯，在钢板与钛板的相邻面上涂覆隔离剂，将侧板设置在钛板四周，且位于两块钢板之间，采用氩弧焊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，使所有材料成为一个组合体；④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至1×10-2Pa；⑤真空度达到要求后，将无缝碳钢管密封，得到组合坯料。
b、加热：将组合坯料放入加热炉内加热，加热温度910℃，保温360min；
c、轧制：取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，首道次变形15％，经过12道次轧制，累计变形量89％，轧制速度0.2m/s，终轧温度680℃；
d、精整：分离钛钢界面，得到钛钢复合板。
将得到的钛钢复合板进行结合强度的测试，得到界面结合强度为269MPa。其中，结合强度采用如下方法进行测定：按照GB/T-6396-2008中的标准将试样加工为拉剪试样，在同一部位加工4个试样，采用拉伸试验机进行剪切强度的测试，变形速率为1mm/min，测试结果取平均值。
实施例2
按照下述方法制备钛钢复合板：
a、组坯：加工尺寸分别为200×160×18mm和160×120×20mm的钢板和钛板，对其表面进行磨抛处理，以去除表面污物和氧化层，将厚度为0.5mm的镍板加工为钛板尺寸，然后在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，按照钢板/钛板/镍箔/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，真空度达到1×10-2Pa，得到组合坯料；
b、加热：将组合坯料放入加热炉内加热，加热温度890℃，保温360min；
c、轧制：取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，首道次变形15％，经过12道次轧制，累计变形量91％，轧制速度0.1m/s，终轧温度700℃；
d、精整：分离钛钢界面，得到钛钢复合板。
将得到的钛钢复合板进行结合强度的测试，得到界面结合强度为257MPa。
实施例3
按照下述方法制备钛钢复合板：
a、组坯：加工尺寸分别为200×160×18mm和160×120×20mm的钢板和钛板，对其表面进行磨抛处理，以去除表面污物和氧化层，将厚度为0.5mm的镍板加工为钛板尺寸，然后在钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，按照钢板/钛板/镍箔/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，真空度达到1×10-2Pa，得到组合坯料；
b、加热：将组合坯料放入加热炉内加热，加热温度920℃，保温120min；
c、轧制：取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，首道次变形15％，经过12道次轧制，累计变形量89％，轧制速度0.2m/s，终轧温度650℃；
d、精整：分离钛钢界面，得到钛钢复合板。
将得到的钛钢复合板进行结合强度的测试，得到界面结合强度为255MPa。

Claims (7)

1.高结合强度的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/镍箔/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，所述镍箔的厚度为0.5mm；
b、加热：将组合坯料进行加热，加热温度为890～930℃，加热时间为120～360min；
c、轧制：将加热后的组合坯料进行轧制，其中，终轧温度为600～700℃，轧制总变形量为>70％，单道次变形量为5％～15％，轧制速度为0.1～2m/s；
d、精整：分离钛钢界面，得到钛钢复合板。
2.根据权利要求1所述的高结合强度的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，以去除表面污物和氧化层。
3.根据权利要求1或2所述的高结合强度的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的真空度为1×10-2Pa及以下。
4.根据权利要求1～3任一项所述的高结合强度的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910℃，加热时间360min；c步骤轧制时，首道次变形15％，经过12道次轧制，累计变形量为89％，轧制速度0.2m/s，终轧温度为680℃。
5.根据权利要求1～3任一项所述的高结合强度的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、一块镍箔、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/镍箔/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，将无缝碳钢管密封，得到组合坯料。
6.根据权利要求5所述的高结合强度的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。
7.根据权利要求5所述的高结合强度的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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