CN106040741A - 以钒为中间层的钛钢复合板的制备方法 - Google Patents

以钒为中间层的钛钢复合板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及以钒为中间层的钛钢复合板的制备方法，属于钛钢复合板制备加工领域。本发明解决的技术问题是提供一种以钒为中间层的钛钢复合板的制备方法，以改善界面结合效果和稳定性，提高产品质量。该方法按照钢板/钛板/钒箔/钢板的顺序进行组坯，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，加热温度为850～950℃，加热时间为240～360min；将加热后的组合坯料进行轧制，得到钛钢复合板。本发明的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，结合界面无金属间化合物的生成，结合效果良好，稳定性好，结合强度远高于国家标准中同类钛钢复合板的结合强度。

Description

以钒为中间层的钛钢复合板的制备方法
技术领域
本发明涉及以钒为中间层的钛钢复合板的制备方法，属于钛钢复合板制备加工领域。
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。
但是，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。
发明专利201510247275X公开了一种以镍为中间层的钛钢复合板的轧制方法，发明专利201510333014.X公开了一种以铜为中间层高结合强度钛钢复合板的制备方法，在钛钢界面插入镍箔或者铜箔作为中间层，以阻止钛、铁元素的相互扩散，从而达到良好的结合效果。但是，该方法得到的钛钢复合板，由于镍和钛、铜和钛在高温下可能反应，轧制后会导致复合界面不均匀，界面结合稳定性不高。
发明内容
针对上述缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种以钒为中间层的钛钢复合板的制备方法，以改善界面结合效果和稳定性，提高产品质量。
本发明以钒为中间层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/钒箔/钢板的顺序进行组坯，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；
b、加热：将组合坯料进行加热，加热温度为850～950℃，加热时间为240～360min；
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>90％，首道次变形量大于15％，其余道次变形量在10％以上，轧制速度为0.1～2m/s，终轧后空冷，得到钛钢复合板。
进一步的，优选在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。
优选的，a步骤所述的真空处理的真空度为1×10-2Pa及以下。
进一步的，a步骤中，所述钒箔的厚度优选为0.3～0.8mm。更优选钒箔的厚度为0.5mm。
c步骤中，优选首道次变形量为15～20％，且至少轧制7个道次。
与现有技术相比，本发明的方法道次变形量较小，可降低对轧制设备的要求，轧制后获得的钛钢复合板板型良好，表面无明显缺陷形成，结合界面无金属间化合物的生成，结合效果良好，稳定性好，在适当的加热温度条件下(＞900℃),结合强度>260MPa，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
本发明以钒为中间层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/钒箔/钢板的顺序进行组坯，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；
b、加热：将组合坯料进行加热，加热温度为850～950℃，加热时间为240～360min；
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>90％，首道次变形量大于15％，其余道次变形量在10％以上，轧制速度为0.1～2m/s，终轧后空冷，得到钛钢复合板。
其中，在组坯过程中，钢板与钛板的相邻面涂覆隔离剂，是为了保证轧制空冷后该界面能够分离，得到钛钢单面复合板。所述隔离剂为本领域技术人员常用的隔离剂，通常采用具有高温稳定性的氧化物，如Al3O2、SiO2、陶瓷材料等。
进一步的，为了使钛板和钢板能更好的结合，优选在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优选为1×10-2Pa及以下，以减少空气中的氧、氮等元素对结合界面的影响。
a步骤中，组坯材料均严格按照设计尺寸加工，保证组合坯料的一体性；优选的，钢板尺寸为200×160×18mm，钛板尺寸为160×120×20mm。优选的钒箔厚度为0.3～0.8mm，钒箔的长宽尺寸可根据钛板尺寸来确定，以其将钛板和钢板隔离开为准。本发明的发明人在研究中发现，采用厚度为0.5mm的钒箔，其轧制后界面结合强度高。如果再增加钒箔厚度，对结合强度的提高有限，且还会增加钒箔的成本，因此，钒箔的厚度优选为0.5mm。
进一步的，c步骤中，首道次变形量为15～20％，且至少轧制7个道次。
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
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的纯钒箔加工为钛板尺寸，然后按照钢板/钛板/钒箔/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。
将加工好的组合坯料放入加热炉内加热，加热温度850℃，保温360min；
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7道次轧制，累计变形量92％，轧制速度0.2m/s，终轧温度620℃；空冷至室温，分离涂覆隔离剂的钛钢界面，得到钛钢复合板。
取样进行结合强度测试，界面结合强度230～250MPa。其中，结合强度采用如下方法进行测定：参照标准GB/T 6396-2008，将待测试样加工为拉剪试样，在同一部位加工4个试样，采用电子拉伸试验机进行剪切强度的测试，变形速率为1mm/min，4个试样的界面结合强度均在230～250MPa之间，分别为：241.2MPa、238.3MPa、239.8MPa、246.4MPa，表明其界面结合稳定性好。
实施例2
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的纯钒箔加工为钛板尺寸，然后按照钢板/钛板/钒箔/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。
将加工好的组合坯料放入加热炉内加热，加热温度900℃，保温300min；
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9道次轧制，累计变形量93％，轧制速度0.2m/s，终轧温度660℃；空冷至室温，分离涂覆隔离剂的钛钢界面，得到钛钢复合板。
按照实施例1的方法取样进行结合强度测试，界面结合强度260～280MPa，4个试样的界面结合强度分别为：269.7MPa、274.2MPa、264.8MPa、278.9MPa，表明其界面结合稳定性好。
实施例3
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的纯钒箔加工为钛板尺寸，然后按照钢板/钛板/钒箔/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。
将加工好的组合坯料放入加热炉内加热，加热温度950℃，保温300min；
取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，首道次变形20％，经过7道次轧制，累计变形量90％，轧制速度0.2m/s，终轧温度680℃；空冷至室温，分离涂覆隔离剂的钛钢界面，得到钛钢复合板。
按照实施例1的方法取样进行结合强度测试，界面结合强度280～300MPa。4个试样的界面结合强度分别为：291.2MPa、289.8MPa、287.5MPa、294.7MPa，表明其界面结合稳定性好。
实施例4
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0.3mm的纯钒箔加工为钛板尺寸，然后按照钢板/钛板/钒箔/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。
将加工好的组合坯料放入加热炉内加热，加热温度950℃，保温300min；
取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，首道次变形20％，经过7道次轧制，累计变形量90％，轧制速度0.2m/s，终轧温度680℃；空冷至室温，分离涂覆隔离剂的钛钢界面，得到钛钢复合板。
按照实施例1的方法取样进行结合强度测试，界面结合强度280～290MPa。4个试样的界面结合强度分别为：281.2MPa、285.9MPa、287.6MPa、283.7MPa，表明其界面结合稳定性好。
实施例5
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0.8mm的纯钒箔加工为钛板尺寸，然后按照钢板/钛板/钒箔/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。
将加工好的组合坯料放入加热炉内加热，加热温度950℃，保温300min；
取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，首道次变形20％，经过7道次轧制，累计变形量90％，轧制速度0.2m/s，终轧温度680℃；空冷至室温，分离涂覆隔离剂的钛钢界面，得到钛钢复合板。
按照实施例1的方法取样进行结合强度测试，界面结合强度280～300MPa。4个试样的界面结合强度分别为：286.9MPa、294.2MPa、296.8MPa、284.9MPa，表明其界面结合稳定性好。
对比例1
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的纯镍箔加工为钛板尺寸，然后按照钢板/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。
将加工好的组合坯料放入加热炉内加热，加热温度950℃，保温300min；
取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，首道次变形20％，经过7道次轧制，累计变形量90％，轧制速度0.2m/s，终轧温度680℃；空冷至室温，分离涂覆隔离剂的钛钢界面，得到钛钢复合板。
按照实施例1的方法取样进行结合强度测试，界面结合强度170～260MPa。4个试样的界面结合强度分别为：256.7MPa、178.3MPa、224.6MPa、192.3MPa，其波动较大，表明该界面结合稳定性有待提高。
对比例2
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的纯铜箔加工为钛板尺寸，然后按照钢板/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。
将加工好的组合坯料放入加热炉内加热，加热温度950℃，保温300min；
取出完成加热工艺的组合坯料，进行轧制，首道次变形20％，经过7道次轧制，累计变形量90％，轧制速度0.2m/s，终轧温度680℃；空冷至室温，分离涂覆隔离剂的钛钢界面，得到钛钢复合板。
按照实施例1的方法取样进行结合强度测试，界面结合强度190～280MPa。4个试样的界面结合强度分别为：196.3MPa、248.4MPa、277.1MPa、229.5MPa，其波动较大，表明该界面结合稳定性有待提高。

Claims (6)

1.以钒为中间层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/钒箔/钢板的顺序进行组坯，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；
b、加热：将组合坯料进行加热，加热温度为850～950℃，加热时间为240～360min；
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>90％，首道次变形量大于15％，其余道次变形量在10％以上，轧制速度为0.1～2m/s，终轧后空冷，得到钛钢复合板。
2.根据权利要求1所述的以钒为中间层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所述的以钒为中间层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任一项所述的以钒为中间层的钛钢复合板的制备方法，其特征在于：a步骤中，所述钒箔的厚度为0.3～0.8mm。
5.根据权利要求4所述的以钒为中间层的钛钢复合板的制备方法，其特征在于：a步骤中，钒箔的厚度为0.5mm。
6.根据权利要求1～5任一项所述的以钒为中间层的钛钢复合板的制备方法，其特征在于：c步骤中，首道次变形量为15～20％，且至少轧制7个道次。
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