CN105445305B - 铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法 - Google Patents

铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其中，包括以下步骤：一、铝板和钢板表面进行预处理；二、将不同厚度配比的铝板和钢板冷轧复合；三、轧制变形区取样；四、将铝/钢冷轧复合变形区试样进行热处理；五、测量变形区铝/钢层厚度，计算压下量。本发明通过采用对铝/钢冷轧复合变形区试样进行热处理，确定压下量，操作简单，无须设计模具，对层状组元材料的厚度无特殊要求，结果直观有效。

Description

铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法
技术领域
本发明属于金属铸造领域，尤其涉及一种铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法。
背景技术
铝/钢层状复合材料同时具有铝的质轻、耐蚀、优良的导电及导热性能和钢的高强度、价廉，现已在航空航天、机械、化工、食品等领域获得了广泛应用。薄铝层/钢复合带材是空冷火力发电厂空冷系统基管的主要原材料。确定该种材料初始结合临界压下量对生产工艺的控制至关重要。
目前，确定金属层状复合材料初始结合临界压下量主要是通过剪切、撕裂等力学手段来进行的。GB/T6396-2008、ASTM A264及YS/T485-2005中规定了复合钢板拉剪强度的测试方法和测试装置。但剪切的测试方法只适合复层相对较厚的情况，由于电站空冷用铝/钢层状复合材料的铝层很薄(厚度为0.07mm-0.09mm)。当厚度很薄时，采用剪切方法时很容易在复层最薄弱的位置发生弯曲和断裂，影响测试精度，甚至使测试失败。
有研究者采用撕裂手段来评价金属层状复合材料界面结合性能，但该种手段同样受到铝层厚度的限制，不能对铝层厚度小于0.1mm的薄铝层/钢层状复合材料界面结合性能加以评价。因此，通过剪切或撕裂等力学手段不能实现薄铝层/钢层状复合材料初始结合临界压下量的评估。
因此，提出一种更加方便、可行的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，利用铝/钢层状复合材料在高温下易形成金属间化合物的特点，通过一定条件下的热处理工艺，在达到初始结合的界面层形成金属间化合物，从而判定初始结合的临界压下量。
一种铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、铝板和钢板表面进行预处理；
B、将铝板和钢板冷轧复合；
C、轧辊停棍位置的变形区取样；
D、将铝/钢冷轧复合变形区试样进行热处理，热处理温度为600～620℃，保温时间为至少60分钟；和
E、制备金相试样，在扫描电子显微镜下观察TD面侧出现金属间化合物的位置，并测量该位置处铝、钢层的厚度，计算出压下量，该压下量即为初始结合临界压下量。
如上所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其中，所述铝、钢板表面的预处理包括分别对铝板和钢板表面进行氧化膜去除。
如上所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其中，所述铝板经过碱性水溶液清洗，去除表面氧化膜，清水漂洗，去除表面残留的碱液，再用酒精清洗，最后在铝板表面涂覆一层防氧化剂，防止铝板的进一步氧化。
如上所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其中，所述碱性水溶液为氢氧化钠水溶液。
如上所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其中，所述钢板经过酸洗，去除表面氧化膜，清水漂洗，去除残留在表面的酸液，然后用丙酮脱脂。
如上所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其中，所述铝板和钢板进行冷轧复合前待复合表面需经过在线砂带打磨。
如上所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其中，所述进行取样的变形区为轧辊停辊位置的变形区。
如上所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其中，所述试样长度为30-40mm，宽为10mm。
本发明采用对铝/钢冷轧复合变形区试样进行热处理，利用扫描电子显微镜观察TD面侧出现金属间化合物的位置，并测量该位置处铝、钢层的厚度，计算相应的压下量。为空冷火电发电厂用薄铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定提供参考。本发明具有操作简便，无须设计模具，对层状组元材料的厚度无特殊要求，结果直观有效。该确定方法还可以推广应用于其他界面可生成金属间化合物的层状金属复合材料初始结合临界压下量的确定。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解，其中：
图1为本发明中Al1St1冷轧变形区试样经620℃下保温60min铝/钢界面SEM照片。
图2为本发明中Al1St1冷轧变形区试样经620℃下保温180min铝/钢界面SEM照片。
图3为本发明中Al4St4冷轧变形区试样在600℃下保温180min铝/钢界面SEM照片。
图4为本发明中Al1St1冷轧变形区试样临界结合处的铝/钢界面SEM照片。
图5为本发明中Al1St1冷轧变形区试样临界结合处的铝/钢界面能谱线扫描结果。
图6为本发明中Al1St1冷轧变形区试样经撕裂实验后钢层表面SEM照片。
图7位本发明检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
为了使实验结果更加确实可信，实施方案中实施方案一、二选取的试样均为试样包覆层选用1mm×100mm×400mm的4A60铝合金板，基材选用1mm×100mm×400mm的08Al低碳钢。其中4A60铝板为冷轧态，08Al钢为退火态。相同温度下，加热不同时间。对比工件选取与实施方案一、实施方案二同样尺寸、材质的试样。利用现有技术进行实验，得到实验结果，并与实施方案中的结果进行比对。实施方案三中选取的试样为试样包覆层选用4mm×100mm×400mm的4A60铝合金板，基材选用4mm×100mm×400mm的08Al低碳钢。由于式样厚度不同，所以实验结果临界压下量有所不同。同时证明了实施方案一、二中所得实验结果并非偶然。
实施方案一：
试样包覆层选用1mm×100mm×400mm的4A60铝合金板，基材选用1mm×100mm×400mm的08Al低碳钢。其中，4A60铝板为冷轧态，08Al钢为退火态。
表面处理。
铝板长期暴露在外界，其表面容易形成氧化膜。为更好的进行实验过程，铝板表面需经过碱性水溶液清洗，优选的选取氢氧化钠水溶液进行清洗，去除铝板表面氧化膜。然后在经过清水漂洗10min，去除铝板表面残留的碱溶液。再利用酒精清洗，最后在铝板表面涂上二乙二醇二甲醚，防止铝板的进一步氧化。
钢板表面同样存在氧化膜。实验前，钢板表面需要经过酸溶液清洗30min，去除钢板表面的氧化膜。再利用清水漂洗10min，去除残留在钢板表面的酸溶液。然后利用丙酮脱脂。
冷轧复合。
本实施例中，轧机选用四辊轧机。轧机的选择可以根据试样的外形尺寸及预计压下量进行选取，满足压轧条件即可。利用上述的四辊轧机对铝、钢材料进行复合轧制，压下量为45％，轧制速度为3m/min。初始压下量选择45％是为了完全满足铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的要求。为了更好的完成压轧过程，使铝、钢材料更好的完成融合，组元材料在进入轧辊前须对待复合面进行在线砂带打磨。本实施例中，采用的砂带粒径为40-50目，转速为200-250r/min。
轧区取样。
打磨后的铝、钢材料进行压轧过程。压轧工件一部分后，停止压轧。从轧辊停辊位置的变形区取料。采用线切割方式，沿轧制方向从工件上切取10mm×40mm的试样，进行热处理。
试样热处理。
将从工件上切下试样的进行加热。试样放置在加热炉中，随炉内温度一起升温到620℃，并在炉内保温60min。保温时间达到60min后，将工件从加热炉中取出，放置在空气中自然冷却。
测量计算。
将冷却好的金属试样制备金相试样，以便进行观察计算。利用扫描电子显微镜观察TD面侧。根据观察确定出现金属间化合物的位置，并测量该位置处铝、钢层的厚度，并计算出相对的压下量，该压下量即为初始结合临界压下量。
图1是Al1St1(表示铝层厚度为1mm、钢层厚度为1mm)试样在620℃保温60min状态下制成的金相试样的铝/钢界面SEM照片。从图1中虚线标示可以看出，虚线左侧无金属间化合物生成，虚线右侧开始出现金属间化合物层。通过对该位置处的铝、钢层厚度测量并计算，可以得出该位置的压下量约为20.3％，即临界压下量为20.3％。
实施方案二：
试样包覆层选用1mm×100mm×400mm的4A60铝合金板，基材选用1mm×100mm×400mm的08Al低碳钢。其中，4A60铝板为冷轧态，08Al钢为退火态。
表面处理。
铝板长期暴露在外界，其表面容易形成氧化膜。为更好的进行实验过程，铝板表面需经过碱性水溶液清洗，优选的选取氢氧化钠水溶液进行清洗，去除铝板表面氧化膜。然后在经过清水漂洗10min，去除铝板表面残留的碱溶液。再利用酒精清洗，最后在铝板表面涂上二乙二醇二甲醚，防止铝板的进一步氧化。
钢板表面同样存在氧化膜。实验前，钢板表面需要经过酸溶液清洗30min，去除钢板表面的氧化膜。再利用清水漂洗10min，去除残留在钢板表面的酸溶液。然后利用丙酮脱脂。
冷轧复合。
本实施例中，轧机选用四辊轧机。轧机的选择可以根据试样的外形尺寸及预计压下量进行选取，满足压轧条件即可。利用上述的四辊轧机对铝、钢材料进行复合轧制，压下量为45％，轧制速度为3m/min。初始压下量选择45％是为了完全满足铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的要求。为了更好的完成压轧过程，使铝、钢材料更好的完成融合，组元材料在进入轧辊前须对待复合面进行在线砂带打磨。本实施例中，采用的砂带粒径为40-50目，转速为200-250r/min。
轧区取样。
打磨后的铝、钢材料进行压轧过程。压轧工件一部分后，停止压轧。从轧辊停辊位置的变形区取料。采用线切割方式，沿轧制方向从工价上切取10mm×40mm的试样，进行热处理。
试样热处理。
将从工件上切下试样的进行加热。试样放置在加热炉中，随炉内温度一起升温到620℃，并在炉内保温180min。保温时间达到180min后，将工件从加热炉中取出，放置在空气中自然冷却。
测量计算。
将冷却好的金属试样制备金相试样，以便进行观察计算。利用扫描电子显微镜观察TD面侧。根据观察确定出现金属间化合物的位置，并测量该位置处铝、钢层的厚度，并计算出相对的压下量，该压下量即为初始结合临界压下量。
图2是Al1St1(表示铝层厚度为1mm、钢层厚度为1mm)试样在620℃保温180min状态下制成的金相试样的铝/钢界面SEM照片。从图2中虚线标示可以看出，虚线左侧无金属间化合物生成，虚线右侧开始出现金属间化合物层。通过对该位置处的铝、钢层厚度测量并计算，可以得出该位置的压下量约为21.7％，即临界压下量为21.7％。
实施方案三：
试样包覆层选用4mm×100mm×400mm的4A60铝合金板，基材选用4mm×100mm×400mm的08Al低碳钢。其中，4A60铝板为冷轧态，08Al钢为退火态。
表面处理。
铝板长期暴露在外界，其表面容易形成氧化膜。为更好的进行实验过程，铝板表面需经过碱性水溶液清洗，优选的选取氢氧化钠水溶液进行清洗，去除铝板表面氧化膜。然后在经过清水漂洗10min，去除铝板表面残留的碱溶液。再利用酒精清洗，最后在铝板表面涂上二乙二醇二甲醚，防止铝板的进一步氧化。
钢板表面同样存在氧化膜。实验前，钢板表面需要经过酸溶液清洗30min，去除钢板表面的氧化膜。再利用清水漂洗10min，去除残留在钢板表面的酸溶液。然后利用丙酮脱脂。
冷轧复合。
本实施例中，轧机选用四辊轧机。轧机的选择可以根据试样的外形尺寸及预计压下量进行选取，满足压轧条件即可。利用上述的四辊轧机对铝、钢材料进行复合轧制，压下量为45％，轧制速度为3m/min。初始压下量选择45％是为了完全满足铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的要求。为了更好的完成压轧过程，使铝、钢材料更好的完成融合，组元材料在进入轧辊前须对待复合面进行在线砂带打磨。本实施例中，采用的砂带粒径为40-50目，转速为200-250r/min。
轧区取样。
打磨后的铝、钢材料进行压轧过程。压轧工件一部分后，停止压轧。从轧辊停辊位置的变形区取料。采用线切割方式，沿轧制方向从工价上切取10mm×40mm的试样，进行热处理。
试样热处理。
将从工件上切下试样的进行加热。试样放置在加热炉中，随炉内温度一起升温到600℃，并在炉内保温180min。保温时间达到180min后，将工件从加热炉中取出，放置在空气中自然冷却。
测量计算。
将冷却好的金属试样制备金相试样，以便进行观察计算。利用扫描电子显微镜观察TD面侧。根据观察确定出现金属间化合物的位置，并测量该位置处铝、钢层的厚度，并计算出相对的压下量，该压下量即为初始结合临界压下量。
图3是Al4St4(表示铝层厚度为4mm、钢层厚度为4mm)试样在620℃保温180min状态下制成的金相试样的铝/钢界面SEM照片。从图3中虚线标示可以看出，虚线左侧无金属间化合物生成，虚线右侧开始出现金属间化合物层。通过对该位置处的铝、钢层厚度测量并计算，可以得出该位置的压下量约为42.0％，即临界压下量为42.0％。
对比方案一：
试样包覆层选用1mm×100mm×400mm的4A60铝合金板，基材选用1mm×100mm×400mm的08Al低碳钢。其中，4A60铝板为冷轧态，08Al钢为退火态。
表面处理。
铝板长期暴露在外界，其表面容易形成氧化膜。为更好的进行实验过程，铝板表面需经过碱性水溶液清洗，优选的选取氢氧化钠水溶液进行清洗，去除铝板表面氧化膜。然后在经过清水漂洗10min，去除铝板表面残留的碱溶液。再利用酒精清洗，最后在铝板表面涂上二乙二醇二甲醚，防止铝板的进一步氧化。
钢板表面同样存在氧化膜。实验前，钢板表面需要经过酸溶液清洗30min，去除钢板表面的氧化膜。再利用清水漂洗10min，去除残留在钢板表面的酸溶液。然后利用丙酮脱脂。
冷轧复合。
本实施例中，轧机选用四辊轧机。轧机的选择可以根据试样的外形尺寸及预计压下量进行选取，满足压轧条件即可。利用上述的四辊轧机对铝、钢材料进行复合轧制，压下量为45％，轧制速度为3m/min。初始压下量选择45％是为了完全满足铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的要求。为了更好的完成压轧过程，使铝、钢材料更好的完成融合，组元材料在进入轧辊前须对待复合面进行在线砂带打磨。本实施例中，采用的砂带粒径为40-50目，转速为200-250r/min。
轧区取样。
打磨后的铝、钢材料进行压轧过程。压轧工件一部分后，停止压轧。从轧辊停辊位置的变形区取料。采用线切割方式，沿轧制方向从工价上切取10mm×40mm的试样，制备金相试样。
测量计算
将制备好的试样利用扫描电子显微镜和能谱分析(EDS)观察，并对铝/钢界面初始结合的位置段进行线扫描以获得铝、铁元素的分布，如图4所示。线扫描结果如图5所示，从图中可以看出，线Ⅱ和线Ⅲ的组元元素扫描结果几乎一致，有明显的突变现象。突变距离约为1-2μm，与此形成对比的是，线Ⅰ的Fe、Al元素突变间距(约5μm)要明显大于线Ⅱ和线Ⅲ的扫描结果。对线Ⅱ左边的复合层间隙点扫描经分析发现，主要分布有C和O元素。说明在此位置铝/钢组元层未能够紧密结合，还存在一定的间隙。导致原始或外来氧化物和碳化物等异质颗粒的存在。因此，可以确定线Ⅱ所在界面位置为铝、钢材料的初始结合点。对线Ⅱ处铝、钢层进行厚度测量，并通过计算得出该处的压下量约为19.8％。与实施方案一和实施方案二的的实验结果相对比，其结果较为一致。
对比方案二：
试样包覆层选用1mm×100mm×400mm的4A60铝合金板，基材选用1mm×100mm×400mm的08Al低碳钢。其中，4A60铝板为冷轧态，08Al钢为退火态。
表面处理。
铝板长期暴露在外界，其表面容易形成氧化膜。为更好的进行实验过程，铝板表面需经过碱性水溶液清洗，优选的选取氢氧化钠水溶液进行清洗，去除铝板表面氧化膜。然后在经过清水漂洗10min，去除铝板表面残留的碱溶液。再利用酒精清洗，最后在铝板表面涂上二乙二醇二甲醚，防止铝板的进一步氧化。
钢板表面同样存在氧化膜。实验前，钢板表面需要经过酸溶液清洗30min，去除钢板表面的氧化膜。再利用清水漂洗10min，去除残留在钢板表面的酸溶液。然后利用丙酮脱脂。
冷轧复合。
本实施例中，轧机选用四辊轧机。轧机的选择可以根据试样的外形尺寸及预计压下量进行选取，满足压轧条件即可。利用上述的四辊轧机对铝、钢材料进行复合轧制，压下量为45％，轧制速度为3m/min。初始压下量选择45％是为了完全满足铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的要求。为了更好的完成压轧过程，使铝、钢材料更好的完成融合，组元材料在进入轧辊前须对待复合面进行在线砂带打磨。本实施例中，采用的砂带粒径为40-50目，转速为200-250r/min。
轧区取样。
打磨后的铝、钢材料进行压轧过程。压轧工件一部分后，停止压轧。从轧辊停辊位置的变形区取料。采用线切割方式，沿轧制方向从工价上切取10mm×40mm的试样。
测量计算。
对变形区试样进行撕裂实验。利用扫描电子显微镜及EDS(能谱分析)观察分析ND面上沿RD方向铝元素残留分布。图6是Al1St1试样临界结合区域钢层表面照片。从图6中可以看出，图中可分为两个区域，未结合区和结合区，以虚线分隔。未结合区由于压下量小于初始结合所须临界压下量，铝/钢界面未牢固结合，钢层表面残留有大量氧化物等异质颗粒。当压下量大于临界压下量(结合区)，铝/钢界面出现裂纹，新鲜铝挤入钢层表面破裂的硬化层裂缝，并于新鲜钢层发生咬合。当经过撕裂实验后，会有铝残留在钢层表面，如图中标示所示。图6中虚线所示位置的压下量即可视作临界压下量，经测量计算，得出临界压下量为21.1％，与实施方案一和实施方案二的的实验结果相对比，其结果较为一致。
通过对比工件一、对比工件二可以看出实施方案一、实施方案二的结果与标准值基本一致，即在对压轧后的铝、钢板进行热处理实验后，在一定的温度范围内保持一段时间，空冷后，其测量结果所得的压下量即为铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量。实施方案三说明了铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量与铝、钢层的厚度有关，同时验证了实施方案一、实施方案二的实验结果并非偶然。
通过实施方案一、实施方案二的验证结果可以发现，将不同厚度配比的铝板和钢板冷轧复合，在轧制变形区取样，对试样进行热处理，热处理温度为600～620℃，保温时间为60～180min。制备金相试样，在扫描电子显微镜下观察TD面侧出现金属间化合物的位置，并测量该位置处铝、钢层的厚度，计算出压下量，该压下量即为初始结合临界压下量。
上述具体实施方式，并不构成本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计和其他要素，可以发生各自各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，包括以下步骤：
A、铝板和钢板表面进行预处理；
B、将铝板和钢板冷轧复合；
C、轧辊停棍位置的变形区取样；
D、将铝/钢冷轧复合变形区试样进行热处理，热处理温度为600～620℃，保温时间为至少60分钟；和
E、制备金相试样，在扫描电子显微镜下观察TD面侧出现金属间化合物的位置，并测量该位置处铝、钢层的厚度，计算出压下量，该压下量即为初始结合临界压下量。
2.根据权利要求1所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其特征在于，所述铝、钢板表面的预处理包括分别对铝板和钢板表面进行氧化膜去除。
3.根据权利要求2所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其特征在于，所述铝板经过碱性水溶液清洗，去除表面氧化膜，清水漂洗，去除表面残留的碱液，再用酒精清洗，最后在铝板表面涂覆一层防氧化剂，防止铝板的进一步氧化。
4.根据权利要求3所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其特征在于，所述碱性水溶液为氢氧化钠水溶液。
5.根据权利要求2所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其特征在于，所述钢板经过酸洗，去除表面氧化膜，清水漂洗，去除残留在表面的酸液，然后用丙酮脱脂。
6.根据权利要求1所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其特征在于，所述铝板和钢板进行冷轧复合前待复合表面需经过在线砂带打磨。
7.根据权利要求1所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其特征在于，所述进行取样的变形区为轧辊停辊位置的变形区。
8.根据权利要求1所述的铝/钢层状复合材料初始结合临界压下量的确定方法，其特征在于，所述试样长度为30-40mm，宽为10mm。
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