CN105478475A - 一种轧制高强度金属复合板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轧制高强度金属复合板的方法，其特征是：选取金属基板和复板，基板的变形抗力要求大于复板的变形抗力，清理基板和复板复合面，将变形抗力大的基板制出复合面上具有波纹面的基板，波纹的截面形状分别为圆弧形、正弦波形或者椭圆形，波纹的高度为s，波纹的宽度为t，大变形抗力金属层厚度为h₀，满足s/h₀=(0.1～0.8),？2s/t=tanα,？α=（10～40)度；将基板和复板按顺序叠装压紧，得到双层复合板坯；然后分别根据温轧或热轧工艺轧制得到复合板带。本发明解决了异种金属变形抗力不同引起金属塑性变形的差异，基板曲面补偿了这种差异，使复层和基层轧后长度相吻合，不瓢曲，同时，基板波纹对复板的牵引力增大了基板和复板之间的结合力。

Description

一种轧制高强度金属复合板的方法

技术领域

本发明属于金属复合板带的材料加工技术领域，具体涉及一种轧制高强度金属复合板的方法。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，一批高新术产业的诞生，对材料的使用性能提出了更高水平的要求，同时为了降低成本、节省资源、降低能耗、提高产品性能，国内外学者致力于研究和开发新型的双金属或多金属复合板材及轧制新工艺。金属复合材料技术可以发挥组元材料各自的优势，实现各组元材料资源的最优配置，节约贵重金属材料，实现单一金属不能满足的性能要求，主要应用在防腐、压力容器制造，电建、石化、医药、轻工、汽车、造船、动力、海水淡化等行业。层状复合材料具有远高于组成物质的综合力学性能，近年来，这方面的研究日益成为国内外新材料研究的热点之一，其中较为活跃的是金属层压板的研究。采用两种或两种以上的金属材料，以各种不同工艺制成的复合板材，能够满足不同工业应用的综合性能要求。在这种情况下，复合材料的研制、生产和应用越来越显示其重要的地位。材料的复合,尤其是异种金属材料的复合,为多功能材料的开发提供了一个新技术途径。

1956年美国率先提出金属层压复合的三步工艺，即：表面处理—轧制复合—多层金属复合理论与技术、层状金属复合板生产技术与新工艺退火强化处理，这项技术使双金属室温固相复合得到了迅速的发展。前苏联对层压复合材料的研究始于20世纪30年代，主要采用轧制法、铸造法、爆炸法等方法生产铝、钛、钢等金属与合金的复合材料，尤其在冷轧复合方面的研究比较深入。英、法、德等发达国家对复合材料的研究也有相当的水平，其中英国伯明翰大学在20世纪五、六十年代对固相复合进行了较为系统的研究，取得了很多成果。目前，金属复合材料在这些国家得到了广泛的应用。日本在复合材料方面的研究起步较晚，但其发展十分迅速，近年来已成为从事金属复合研究最多的国家之一。在20世纪90年代以后，对不锈钢与铝的复合研究取得了很多成果，申请了多项专利，尤其在阶梯式加热复合及温轧复合方面取得了令人瞩目的研究成果。

国内对金属层状复合材料的研究始于20世纪60年代初，国内异种金属复合板主要采用生产方式有包浇(固-液结合)+轧制复合法、爆炸复合法、扩散复合法、爆炸+轧制(冷轧、热轧)复合法以及轧制复合法等，但在板形、结合质量方面还有一定的差距。1958年重庆钢铁公司用热轧法生产不锈钢复合板取得成功，1965年上海金属研究所开展冷轧固相复合技术的研究，1972年建成一条冷轧固相复合生产线。世界各国广泛采用的冷轧固相复合具有产品精度高、性能稳定、复合组元种类选择不受限制等诸多特点，但也存在固相结合所需临界变形程度大和轧制负荷高的缺点，这就是宽幅薄规格复合板轧制的一大技术难题。1986年，中国东北大学研制出梯度加热轧制复合新技术，为宽幅薄规格复合板轧制开创了新路。但是一直没有解决异种金属力学性能差异引起的板型翘曲，残余应力大的问题。

包浇(固-液结合)+轧制复合法，离心浇铸法的基本原理是将定量的液态放在旋转的（即模具）中，使其绕单轴高速旋转，此时放入的物料即被离心力迫使而分布在模具的近壁部位。工艺特点是离心浇铸法生产的钢板坯、化学成份偏析是其致命的缺点，所生产的铸坯是环形还需切割、加热、校直才能热轧，产品质量差、生产工序多、耗能大、加工成本高。爆炸复合法的基本原理是利用炸药爆炸产生的能量，在微秒级时间内使两块金属板在碰撞点产生高达106～107/s的应变速率和104MPa的高压，从而实现异种金属的焊接复合；爆炸复合法的工艺优点是，可使材料性能差异极为悬殊的金属组合实现复合；可以避免脆性金属间化合物的生成；灵活性强，可实现各种异型件的复合；复合材料的结合强度高，适用于大多可塑性金属或合金；但爆炸复合法界面结合强度不均匀、结合率低，易产生裂纹、缩孔和气孔等缺陷，此外，该工艺还存在机械化程度低、劳动条件差、有一定的危险性，给环境带来严重的污染，使得爆炸复合法面临被逐渐淘汰的趋势。扩散复合法由于具有长扩散时间、有限的产品尺寸以及较低的界面结合强度等缺点，不适用于大尺寸复合板带的工业化生产。爆炸-轧制法，由于爆炸成型很难获得完美的结合效果，为避免轧制缺陷，复合板轧制对轧辊温度、辊型、润滑条件、坯料转移时间、道次加工率控制要求严格，控制不好会出现边部开裂，中间道次复层开裂，板型超差，尺寸超差等缺陷，导致坯料报废；受爆炸复合工艺和轧制变形工艺及复层材料变形特性差异的影响，复合板在整个生产流程中存在内应力，产生弯曲，瓢曲或卷曲现象；爆炸前板坯处理，爆炸后、轧制后、以及成品处理都需要矫平工序；爆炸用的复层板坯的不平度差导致爆炸间隙局部超著影响爆炸效果，爆炸板坯处理不平难以组坯，导致轧制中坯料不能均匀流动；即使成品板材矫平不能控制横向凸度，只能反复大压下量强力校平强矫，导致局部破裂，同时异种金属的力学性能相差大，轧制得到的复合板带飘曲严重，残余应力大。

采用轧制工艺生产金属层状复合材料,优于爆炸焊、扩散焊等工艺,是一种十分经济实用的方法。目前，轧制复合法是复合板制造的发展趋势，有较高的生产率、低污染、低能耗等特点。轧制复合法的基本原理是在轧制压力的作用下，使两层或多层金属板同时产生塑性变形，表面金属层破裂、露出洁净而活化的金属，从而使板面之间形成冶金结合，在后续的热处理过程中通过热扩散使界面结合进一步强化和稳固；轧制复合法可分为热轧复合、冷轧复合，其工艺一般分为三步：表面处理、轧制复合和热处理，轧制复合法工艺的关键在于：清洁而有一定粗糙度的界面，足够大的压力以及塑性变形，合适的热扩散。工艺特点是轧制复合可以进行连续生产，产品尺寸精确，各组元的厚度均匀，性能稳定，适于轧制复合的金属非常多，而且生产成本低、效率高，易于实现大规模工业化生产；热轧复合法是将待复合的金属坯料加热到一定温度，对其施加大的压下量进行轧制变形，在热和力的同时作用下使不同金属得以复合的一种工艺方法；相对于其他复合工艺，热轧复合法的优点为:轧制力较小，对轧机的要求不高；工艺简单，成本低；界面结合牢固。缺点为:当复合金属为活性金属(如Al，Ti)时，加热时容易在界面形成脆性的金属间化合物；轧制时如没有保温措施，复合金属板的长度受到限制；复合板的厚度难以控制，生产一致性和稳定性差，多适合于生产厚的复合板材及板坯；热轧复合法在轧制过程中复合界面氧化很难避免，易形成脆性金属化合物，很容易削弱复合板的界面结合强度。冷轧复合法，冷轧复合工艺可以结合清洗、刷面、热处理等工艺组合成流水式生产成卷的复合材生产线，生产效率高；复合前，需借助化学或物理的方法清除板材受到污染的表面；冷轧采取一道次大变形率，以达到金属的临界变形率，实现两层金属原子之间的冶金结合，然后通过扩散热处理实现金属原子之间的进一步扩散，增强界面结合力。等辊径等辊速冷轧复合是20世纪50年代由美国首先开始研究，提出以“表面处理+冷轧复合+扩散退火”三步法生产工艺；70年代异步轧制开始用于复合板的生产，称异步轧制复合法，将较硬的金属与快速辊对应，较软的金属与慢速辊对应，变形区形成搓轧区，增加结合强度；冷轧复合属于压力焊接，泛指金属在再结晶温度以下进行的焊接过程，原则上说，所有具有足够延展性的金属都可以通过冷轧获得复合材，其结合机理有“能量障碍”和“表面层裂缝”两大类；简单说来，在正常大气环境内的大多数金属表面都由几层表面层所覆盖，它们在两表面互相接触时会阻止金属的复合；所以，欲使两金属轧制复合，提出了使氧化物层、搜盖层或污染层破裂的三种机理；对于屈服强度相差较大的两种金属，在轧制过程中结合面附近区域将会出现相对滑移，因此，这两种金属的塑性形变是不均匀，这就意味着，把两种相对的表面层假设为如同一层一样而共同破裂是不能成立的，按照连续介质力学分析，计算出每一种金属的表面暴露率，显然，二者的暴露率是有差别的，而结合强度则与表面塑性形变率及压力之间有着函数关系，生产低强度、高塑性、易氧化、高精度的复合板，采用冷轧法是可行的。

目前存在的问题：

l)冷轧用于不形成脆性金属间化合物的复合板轧制，能充分发挥轧机的高效率，劳动条件好，生产规格灵活，特别对于较薄的复合板尤其显得优越；受轧制技术及条件的限制，轧制件在大变形下常常处于高温状态，所以，组合材料因熔点差异、硬度(塑性)差异和厚度比大小的差异带来严重的板形问题；为了达到冷轧的目的，采用异步轧机轧制复合板虽取得了一定成功，但在轧制板迭时，由于上、下辊压力的不同(单驱动机)，则上下复合板组合形变不均，严重时会导致厚度超出公差；

2)轧制复合的原理基本相似于压力加工，在未复合前，两金属在表面上由于力学性能不同而导致塑性形变率的差异，线膨胀系数的不同，导致了结合区的残余应力等缺陷，这是不同于单金属轧制的；由于异种金属本身力学性能的不同，其变形能力也不同，致使变形抗力小的金属的变形程度大于变形抗力大的金属的变形程度，因此，变形区内的变形不一致，使得轧制后的复合板带材内存在附加应力，变形程度大的一侧存在附加压应力，变形程度小的一侧存在附加拉应力，使轧制变形区内，应力分布严重不均匀，所生产的复合板必然产生严重飘曲和很大的残余应力，造成轧制复合板不合格，容易开裂。

公开号为CN10327842A的专利申请“啮合式真空轧制制备金属复合板的方法”公开了一种啮合式真空轧制制备金属复合板的方法，该方法复合坯为在基板和覆板的复合面上分别加工出相互配合的基板凸起和覆板凸起，要机加工才能获得，机加工齿需要提前对金属进行热处理，否则机加工产生齿会有裂纹，这不仅增加了成本，而且也不符合热轧板复合板制坯的工艺；机加工的产生的齿的表面会因及加工温度高而在金属表面产生金相组织变化且有很大的残余应力，这样的齿表面会严重影响复合板复层和基层的结合能力和结合强度，在金属板坯上机加工齿，金属板坯尺寸受到限制，以目前的齿加工中心，尚不能完成，是不可实现的，并且这种齿状突起对要进行批量生产的轧钢工艺来说，极难加工，甚至无法加工互相啮合的齿状突起；这种复合坯在结合面上啮合，轧后与不开槽的的复合板相比，没有有效地解决两种屈服强度不同的金属的复合过程中的变形不均匀问题、应力分布严重不均匀状况，轧后必然产生严重瓢曲和很大的残余应力，造成轧制复合板不合格；这种带尖角的齿状突起，在金属充形过程中容易产生空隙，通过理论分析和试验知，在轧制时极易产生重皮和裂纹，违背了轧制变形区金属流动规律，同时这种方法轧制的产品有很大的残余应力，产品质量不能满足现有标准，因此这种技术至今在生产中无法推广，也不会有任何社会效益，不具备实施可能性。

综上所述，异种金属轧制复合问题上，都存在着因异种金属材料力学性能差异大导致的复合板复合强度低，复合率低，严重翘曲和复合板内部残余应力大的问题。所以使异种金属界面结合稳固，质量精度高，品种范围广，复合率高，板形好（不飘曲，残余应力小），生产效率高是金属复合板生产亟待解决的问题，目前，亟需一种有效的技术来解决这些问题，大力推广轧制复合板带的生产方法。发明人在已申请专利（专利授权公告号CN103736728B、CN103736729B）的基础上继续对性能差异较大金属轧制复合过程中的变形机理进行了大量的理论实验分析，利用牵引变形理论定性分析了变形过程中组元的相互作用，指导异种金属复合接合面上做了进一步的研究。

高强度、大延展性，轻量化金属复合板的研究，如汽车、火车、飞机等所用复合板的开发，首先是满足外面板的耐压痕性和耐面应变性两特性的复合钢板的开发，其次是为了确保空间，可以进行严格形状成形的超成形性复合钢板的开发。为了实现轻量化，进一步地扩大复合钢板的使用，与新型材料开发并行的成形技术和接合技术的研发是必不可缺的。特别是针对有关妨碍高强度化的焊接强度问题，需要贯穿技术。如果能够根据机械接合和粘接剂实现可靠的接合，那么，受到焊接性限制的材料开发范围将会有很大的改观。所以，开发一种新的复合板生产工艺，解决现有异种金属接合焊接过程中带来的问题，适应现代化发展的多种功能材料的开发研究是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是为了解决异种金属复合板生产时复合界面结合性能不良，板形飘曲、裂纹、残余应力大的技术问题，提供一种轧制高强度金属复合板的方法。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种轧制高强度金属复合板的方法，其特征在于其步骤是：

1）原料加工，选取金属基板和复板，所述基板的变形抗力要求大于复板的变形抗力，清理基板和复板复合面以见到金属基体，将变形抗力大的基板通过装有波纹轧辊的轧机轧制出复合面上具有波纹面的基板，所述基板波纹沿轧制方向分布在所述基板上，在解决宽展不一致的问题时，所述基板波纹沿轧辊轴向分布在所述基板上，所述基板波纹连续均匀布置在所述基板上，所述波纹的截面形状分别为圆弧形、正弦波形或者椭圆形，所述波纹的高度为s，波纹的宽度为t，复板的金属层厚度为h₀，满足s/h₀=(0.1～0.8),2s/t=tanα,α=（20～50)度；

2）复合板制坯，清理基板和复板复合面以见到金属基体，将基板和复板按顺序叠装，使在压力机上压紧焊合，得到双层复合板坯；

3）复合板加工，将检验合格的复合板坯送往复合机轧制得到复合板带。

其中，所述一种轧制高强度金属复合板的方法，其特征在于,在步骤2）、3）中，用于温轧，将叠装好的基板和复板周边点焊得到复合板坯，在气氛加热炉，加热到温轧温度，送往复合温轧机轧到所需厚度。

其中，所述一种轧制高强度金属复合板的方法，其特征在于,在步骤2）、3）中，用于热轧，将叠装好的基板和复板周边加立板焊成一体，在坯料端部钻三个孔，并将管道插入密封焊接周端，通过两侧管道充入氮气替换原来的空气，并检查周围是否有漏气的地方，然后封住两个管口，从中间孔抽真空，并封死管口，得到复合板坯，加热到开轧温度，送往热轧复合机直至轧到所需厚度。

发明优点及积极效果

1．在复合轧制过程中，变形抗力大的高强度基层金属波纹复合面使变形抗力小的金属复合面发生牵引变形，限制了变形抗力小的金属的变形速度，并在复合面发生嵌合，解决异种金属变形抗力不同引起金属塑性变形的差异，即复合板残余应力大，严重飘曲的板形问题；本专利提出的二辊波纹轧机轧出的波纹高强度金属基板，是一种用连续的曲线方程加工的波纹板坯，波纹的高度为s，波纹的宽度为t，复板金属层厚度为h₀，满足s/h₀=(0.1～0.8),2s/t=tanα,α=（20～50)度；这样的的复合坯在轧制过程中复合面上合理的曲线使结合面增大、结合强度增强，可以解决强度高难变形金属因延伸率小导致低强度金属产生的残余应力过大和严重瓢曲问题；曲面接触时可以产生很大的压力峰值，峰值处首先形成焊接溶池和结晶核，结晶沿晶核然后向外生长，实现完全冶金焊合，最终使复层和基层轧后长度相吻合，复合板不瓢曲，内应力得到了消除。从而解决复板和基板因变形抗力不同，低变形抗力金属层延伸大，高变形抗力金属层延伸小的问题，得到一种变形均匀，残余应力小、结合强度高的复合板带；

2．利用基层波纹沿轧辊轴向分布解决异种金属宽展不同引起的基层和复层宽展不一致的问题；

3．利用基板波纹对复板的牵引力增大了基板和复板之间的结合力，其复合效果良好，金属层界面的结合强度较采用平板复合的结合强度有了实质的提高,提高了复合率；

4．所述制坯轧制金属复合板工艺，工艺简单，能耗低，复合质量、产量高。

附图说明：

图1为高强度复合板生产工艺示意图；

图2为基板2具有单面正弦波纹的复合板坯截面；

图3为基板2ˊ具有单面圆弧波纹的复合板坯截面；

图中：1、1ˊ-复板；2、2ˊ-基板。

具体实施方式

本发明提供一种轧制高强度金属复合板的方法。下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1、2，采用本方法制备碳钢-铝复合板：

1）原料加工，选取低合金高强度钢Q420钢板作为基板2，尺寸为厚120mm×宽3000mm×长9000mm，4004铝合金板作为复板1，尺寸为80mm×宽3000mm×长9000mm，将Q420钢板通过装有波纹轧辊的轧机轧制出复合面上具有正弦波纹面的基板，基板波纹沿长度方向连续分布在基板上，波纹的高度为s，波纹的宽度为t，4004铝合金金属层厚度为h₀，s/h₀=0.6,2s/t=tanα,α=35度；

2）复合板制坯，清理基板2和复板1的复合面以见到金属基体，将基板2和复板1按顺序叠装，在叠装的复合板坯周围用15mm厚的碳钢板点焊，得到双层金属复合板坯，厚度为200mm；

3）复合板加工，将检验合格后的复合坯送往氩气气氛加热炉，加热到450℃，使复合坯波纹沿轧制方向布置，在复合机上轧制得到6mm的复合板，切边，热处理，矫平，分段。

实施例2

如图1、3，采用本方法制备碳钢-铜复合板：

1）原料加工，选取Q345B碳钢板作为基板2ˊ，尺寸为厚120mm×宽1500mm×长3000mm，TU2铜板作为复板1ˊ，尺寸为40mm×宽1500mm×长3000mm，将Q345B碳钢板通过装有波纹轧辊的轧机轧制出复合面上具有圆弧形波纹面的基板，基板波纹沿长度方向连续分布在基板上，波纹的高度为s，波纹的宽度为t，TU2铜板金属层厚度为h₀，s/h₀=0.5,2s/t=tanα,α=40度；

2）复合板制坯，清理基板2ˊ和复板1ˊ的复合面以见到金属基体，将基板2ˊ和复板1ˊ按顺序叠装，在叠装的复合板坯周围用15mm厚的碳钢板焊成一体，在坯料端部钻三个孔，并将管道插入密封焊接周端，通过两侧管道充入氮气替换原来的空气，并检查周围是否有漏气的地方，然后封住两个管口，从中间孔抽真空，并封死管口，得到双层金属复合板坯，厚度为160mm；

3）复合板加工，将检验合格后的复合坯送往加热炉，加热到800℃，使复合坯波纹沿轧制方向布置，在复合机上轧制得到4mm的复合板，切边，热处理，矫平，分段。

上述实施例解决了异种金属变形抗力不同引起金属塑性变形的差异，即复合板残余应力大，严重飘曲的板形问题，高变形抗力金属层和低变形抗力金属层因屈服强度不同纵向延伸不同，接合曲面补偿了这种差异，最终使复层和基层轧后长度相吻合，复合板不瓢曲，内应力得到了消除；从而解决复板和基板因变形抗力不同，低变形抗力金属层延伸大，高变形抗力金属层延伸小的问题，得到一种变形均匀，残余应力小、结合强度高的复合板带；利用基板波纹对复板的牵引力增大了基板和复板之间的结合力；其复合效果良好，金属层界面的结合强度较采用平板复合的结合强度有了实质的提高。

Claims (3)

1.一种轧制高强度金属复合板的方法，其特征在于其步骤是：

1）原料加工，选取金属基板和复板，所述基板的变形抗力要求大于复板的变形抗力，清理基板和复板复合面以见到金属基体，将变形抗力大的基板通过装有波纹轧辊的轧机轧制出复合面上具有波纹面的基板，所述基板波纹垂直于轧辊轴向连续均匀分布在所述基板上，或者所述基板波纹平行于轧辊轴向连续均匀分布在所述基板上，所述波纹的截面形状分别为圆弧形、正弦波形或者椭圆形，所述波纹的高度为s，波纹的宽度为t，复板金属层厚度为h₀，满足s/h₀=(0.1～0.8),2s/t=tanα,α=（10～40)；

2）复合板制坯，清理基板和复板复合面以见到金属基体，将基板和复板按顺序叠装，使在压力机上压紧焊合，得到双层复合板坯；

3）复合板加工，将检验合格的复合板坯送往复合机轧制得到复合板带。

2.根据权利要求1所述的一种轧制高强度金属复合板的方法，其特征在于，在步骤2）、3）中，用于温轧，将叠装好的基板和复板周边点焊得到复合板坯，在气氛加热炉，加热到温轧温度，送往复合温轧机轧到所需厚度。

3.根据权利要求1所述的一种轧制高强度金属复合板的方法，其特征在于，在步骤2）、3）中，或者用于热轧，将叠装好的基板和复板周边加立板焊成一体，在坯料端部钻三个孔，并将管道插入密封焊接周端，通过两侧管道充入氮气替换原来的空气，并检查周围是否有漏气的地方，然后封住两个管口，从中间孔抽真空，并封死管口，得到复合板坯，加热到开轧温度，送往热轧复合机直至轧到所需厚度。