CN108421825A - 利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法，其包括步骤：S1板材的表面预处理；S2组坯和固定：钢板和铝板叠合之后通过放置垫片留出间隙，并用铆钉固定；S3感应加热组好的板坯：利用铁磁材料，涡流加热产生的热效应可使钢板温度迅速提高，使钢板温度达到750℃‑1000℃,铝板温度达到100℃‑300℃，从而让钢板和铝板产生大于500℃的温差；S4轧制：加热后的板坯立刻送入轧机轧制；S5退火及矫直。本发明所述的用于生产钢铝复合板的方法，大大降低了对轧机的能力要求和钢铝轧制复合临界变形率，实现了钢和铝的协调变形，获得的钢铝复合板具备良好的抗弯曲性能和高的结合性能，并且大大降低了钢铝复合板的加工硬化，提高了后续的加工性能。
Description
技术领域
本发明属于金属层状复合板制备技术领域，具体涉及一种利用电磁感应技术加热轧制制备高性能钢铝复合板的方法。
背景技术
随着科学技术和现代工业的迅速发展，单一组元的材料已经很难满足对材料综合性能日益增高的要求，集合不同材料的物理和化学性能于一体的新型复合材料，随之应运而生。作为新型复合材料的一种，金属层状复合材料是由两种或两种以上性能不同的金属，通过各种复合技术实现冶金结合制备而成的金属复合板，可以获得单一金属所不具备的力学、物理和化学性能。
钢铝复合板结合了钢的高强度、耐磨性和铝的质轻、优良的导电、导热性、耐磨性等优点，在航空、航天、机械、汽车都有很广泛的应用。比如钢铝复合板材可以用作滑动轴承的轴瓦材料，铝合金作为减摩合金提供较高的疲劳强度和承载能力，并且具备良好的散热性和表面性能，高强度钢作为瓦背不仅能提供所需的刚度和强度，同时还能将轴承和轴承座之间热膨胀不同的问题减少到最小程度。
但是由于钢和铝材料之间的材料性能(变形抗力、塑性、导热性、熔点等)差异较大，钢铝复合板的制备具有一定的难度。目前的制备方法主要有爆炸复合法、钎焊复合法和轧制复合法。相对于爆炸复合法和钎焊复合法，轧制复合法产品质量稳定，设备简单，易于大规模生产和自动化的实现。
目前钢铝复合板轧制复合法有冷轧和热轧两种方式。但是冷轧的复合工艺,钢和铝要达成有效的结合需要50％以上的首道次压下率，这么巨大的单次变形量往往超出普通轧机的承受能力，板面越宽,厚度越薄,轧制负荷越大,冷轧复合越困难。钢铝热轧一般在400℃-550℃下进行，但是钢的变形量特别小，相对于铝的变形基本没有变化，并且得到的复合板结合强度较低。钢铝复合板不管是在冷轧工艺还是热轧工艺下制备，由于铝材的熔点低于钢材的再结晶温度，因此钢材在大变形轧制中产生的加工硬化很难通过后期的退火进行消除，直接影响了钢铝复合板的再加工性能。
为了降低对轧机的能力要求和钢铝轧制复合临界变形率，实现钢和铝的协调变形，并且使钢铝复合板具备良好的抗弯曲性能和高的结合性能，降低钢铝复合板的加工硬化，提高复合板后续的加工性能，需要一种新型的异温轧制制备钢铝复合板的方法。
发明内容
为了克服现有钢铝复合板热轧和冷轧技术的缺陷，让钢板获得较大变形量以此来改善钢铝复合板的变形协调性，并且使钢铝复合板具备良好的抗弯曲性能和高的结合性能，降低钢铝复合板的加工硬化，提高复合板后续的加工性能，本文提出一种利用电磁感应加热轧制制备高性能钢铝复合板的方法。该方法利用钢材和铝材材料之间热物性的差别，使用电磁感应加热快速使钢板温度加热到750℃-1000℃,铝板温度加热到100℃-300℃，从而让钢铝板形成温差，进而减小板材之间变形抗力差实现协调变形，并且大大降低了对轧机的能力要求和钢铝轧制复合临界变形率。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种利用电磁感应加热轧制制备高性能钢铝复合板的方法，包括以下步骤：
S1、板坯的预处理：截取长和宽尺寸相同的钢板和铝板做倒角处理后，将钢板和铝板分别进行退火处理，然后去除钢板和铝板待复合面的油污和氧化膜，并将得到的钢板和铝板进行真空保存备用；
S2、组装和固定：取出真空保存的钢板和铝板，将钢板和铝板对齐叠合放置，所述钢板和铝板之间通过垫片留出间隙，然后将板坯的四个角进行钻孔并铆接，所述钢板和所述铝板的间隙距离为0.5mm-2.5mm从而获得组装板坯；
S3、感应加热组装板坯：将所述组装板坯放入电磁感应加热炉中，其中电磁感应加热炉的感应加热电流范围为200A-2500A，加热时间为5s-30s，感应加热后使钢板和铝板产生温差，通过在四周放置不同厚度的垫片以调整钢板和铝板之间的间隙大小来控制温差ΔT，温差ΔT的选择由下面表达式确定：
条件是σ2≤σ1≤1.5σ2，式中，为应变速率，单位s-1；A和α为与材料有关的常数；σ为稳定流变应力，单位MPa；n为应力指数，物理意义为温度补偿应变速率敏感系数的倒数；Q为变形激活能，单位J/mol；R为气体常数，单位J/(mol·K)；T为绝对温度，单位K，其中下标为1的参数均为钢板对应的参数，下标为2的参数均为铝板对应的参数；
S4、轧制：选择预设的轧制速度和轧制压下量后，将具有温差的板坯用推板推入轧机进行轧制；
S5、退火及矫直：当轧制后的钢铝复合板冷却至10℃-30℃之后，对所述钢铝复合板进行退火工艺处理，所述退火工艺处理后对所述钢铝复合板用辊式板材矫直机进行冷矫直处理。
优选地，步骤S1中钢板在780-850℃下退火2-3小时然后空冷，铝板在450-530℃下退火2-3小时然后空冷，退火后的板坯再进行打磨处理。
优选地，步骤S1中所用钢板的厚度为1mm-20mm，铝板的厚度为1mm-10mm。
优选地，步骤S1中采用机械打磨法去除钢板以及铝板待复合面的氧化层和油脂后，利用超声波清洗仪器清洗干净，并用吹风装置干燥；或者用电化学腐蚀法去除掉钢板和铝板待复合面的氧化层和油脂后用酒精和蒸馏水清洗后进行烘干备用。
优选地，步骤S1中的所述钢板选自带有磁性钢板中的一种，所述铝板选自铝合金板中的一种。
优选地，步骤S2中采用铆钉或者螺栓螺母将钢板和铝板进行固定。
优选地，步骤S3中感应加热炉中通入惰性气体以防止钢板和铝板的待复合面在加热过程中被氧化；
步骤S3中感应加热后钢板温度加热到750℃-1000℃,铝板温度加热到100℃-300℃，温差的最大值大于500℃。
优选地，步骤S3中取值范围为0.001-50s-1，A、α、n和Q均为与材料有关的常数，R取值为8.314J/(mol·K)，加热后钢板与铝板的温差ΔT的大小范围为200-800℃。
优选地，步骤S4中的轧制速度为0.05m/s-2m/s，首道次轧制压下率为10％-30％，轧制总道次为2-5次，总压下率为60％-90％。
优选地，步骤S5中轧制后复合板的所述退火工艺处理为加热到500℃-560℃保温2-3h后随炉冷却。
本发明的优点如下所述：
①与现有热轧和冷轧法制备钢铝复合板的方法相比，本发明利用钢铝材料之间热物性的差别，使用电磁感应加热达到快速使钢铝板形成温差的目的，从而减小板材之间变形抗力差实现协调变形，并且在异温条件下实现了气体保护，得到了高结合强度的钢铝复合板材，避免了现有技术产生的低结合强度和钢板加工硬化不可消除的问题，为工业上实现高性能钢铝复合板的生产提供了可行办法。
②本发明通过调节钢板与铝板之间的间隙来达到控制钢板和铝板之间的温差的目的，并且通过公式可以达到快速调节间隙来调节温差的目的，调节精度高，速度快，能够保证得到最佳的温差值，以便能够轧制出高性能的钢铝复合板。
③当轧制后的钢铝复合板冷却至10℃-30℃之后，对所述钢铝复合板进行退火工艺处理，并且在退火工艺处理后对所述钢铝复合板用辊式板材矫直机进行冷矫直处理，防止复合板翘起变形。
④得到的钢铝复合板变形协调，钢铝在较低的压下率下即可实现有效结合，降低了临界复合变形率，大大降低了对轧机的能力要求，测得钢铝复合界面的剪切强度为110MPa，并且得到的板材各层组织相对较均匀。
附图说明
图1为本发明的实施例的组装固定板坯的示意图；以及
图2为本发明的实施例中的异温轧制制备钢铝复合板的示意图。
具体实施方式
以下将借助实施例进一步描述本发明一种利用电磁感应加热轧制制备高性能钢铝复合板的方法的工艺，包括以下步骤：
S1、板坯的预处理：截取长宽尺寸相同的平整钢板和铝板进行倒角处理，将钢板和铝板分别进行退火处理，然后去除钢板和铝板待复合面油污和氧化膜，露出新鲜金属，以利于实现异种金属的复合，最后将得到的干净的钢板和铝板进行真空保存备用；
S2、组装和固定：将真空保存的钢板和铝板取出，将钢板和铝板对齐叠合放置，所述钢板和铝板之间通过垫片留出间隙，然后将板坯四个角进行钻孔并铆接；
S3、感应加热组好的板坯：将组好的板坯放入电磁感应加热炉，其中感应炉的感应加热电流范围为200A-2500A，加热时间为5s-30s，使钢板和铝板产生明显的温差，通过在四周放置不同厚度的垫片以调整钢板和铝板之间的间隙大小来控制温差最大值，温差ΔT大小的选择由下面表达式确定(下标为1的参数均为钢板对应的参数，下标为2的参数均为铝板对应的参数)：
条件是σ2≤σ1≤1.5σ2，式中，为应变速率，单位s-1；A和α为与材料有关的常数；σ为稳定流变应力，单位MPa；n为应力指数，物理意义为温度补偿应变速率敏感系数的倒数；Q为变形激活能，单位J/mol；R为气体常数，单位J/(mol·K)；T为绝对温度，单位K；
S4、轧制：选择合适的轧制速度和轧制压下量后，将产生温差的板坯，立刻用推板推入轧机进行轧制；
S5、退火及矫直：待轧制后的复合板冷却至室温10℃-30℃之后，对钢铝复合板进行退火处理以达到去应力和铝板组织均匀化目的，退火后对热轧后的板材用辊式板材矫直机进行冷矫直处理。
本实施例中步骤S2中组坯后示意如图1所示，板坯四角用铝制铆钉100铆接，其中，轧制所选用的钢板200，轧制所选用的铝板400，钢板和铝板之间设有垫片300，。
图2为实施例中的电磁感应加热异温轧制钢铝复合板示意图，铜制推板1将在电磁感应加热炉3中加热后产生温差的板坯7，立刻推入轧机4进行轧制，推入过程中，板坯7经过加热炉到轧机入口的密封滑道5，其中，感应加热炉的电控系统2用于对电磁感应加热炉3进行控制，电磁感应加热炉3的加热线圈6为铜制空心感应加热螺旋线圈，冷却循环水8用于冷却加热线圈6。
实施例1
(1)取长、宽、厚尺寸相同分别为120mm、60mm、2mm的Q235钢板和6061铝合金板，钢板在800℃下退火2小时然后空冷，铝合金板在530℃下退火2小时然后空冷，然后用装有180号金刚石砂纸的打磨机对钢板和铝板待复合面的氧化层和油脂等杂质进行清理，并在装有丙酮和酒精的超声波清洗仪器里反复清洗干净，最后再用烘干机立刻干燥备用；
(2)将上述钢板和铝板对齐叠合后，板材之间四周放置1mm垫片，使板材之间留出1mm的间隙，接着用铝制铆钉铆住板材固定四个角；
(3)将组好的对称板坯放入感应加热炉，并用惰性气体通入感应加热炉，首先需要对温差的大小进行选择，温差ΔT大小的选择由下面表达式确定
条件是σ2≤σ1≤1.5σ2，Q235板材的各个参数取值情况：A1＝1.355*1010，α1＝0.00921，n1＝4.82；Q1＝2.91*105，单位J/mol；R1为气体常数，一般取8.314J/(mol·K)，T1取值范围750-1250℃。6061板材的各个参数取值情况：A2＝7.15*109，α2＝0.028，n2＝6.85，Q2＝2.79*105，单位J/mol，R2为气体常数，一般取8.314J/(mol·K)，T2取值范围300-500℃。若在相同500℃温度下轧制，Q235和6061镁合金变形抗力差值在7倍以上，因此选取感应加热电流为1500A，加热时间10s，使得钢板温度高于铝板温度差ΔT＝520℃，异温后的板材变形抗力差减小到1.5倍左右，效果显著。
(4)将产生异温后的板坯立刻送入轧机，选择轧制速度为0.1m/s，首道次轧制压下率为20％，轧制总道次为3次，总压下率达到60％。
(5)对冷却后的复合板材加热到550℃保温2h进行去应力和组织均匀化退火，并对翘曲的钢铝复合板用辊式板材矫直机进行冷矫直处理。
本实施例得到的钢铝复合板变形协调，钢铝仅需20％压下率即可实现有效结合，降低了临界复合变形率，大大降低了对轧机的能力要求，测得钢铝复合界面的剪切强度为98MPa，并且得到的板材各层组织相对较均匀。
实施例2
(1)取长、宽、厚尺寸分别为120mm、60mm、3mm的Q235钢板和120mm、60mm、1mm的6061铝合金板，钢板在800℃下退火2小时然后空冷，铝合金板在530℃下退火2小时然后空冷，然后用装有180号金刚石砂纸的打磨机对钢板和铝板待复合面的氧化层和油脂等杂质进行清理，并在装有丙酮和酒精的超声波清洗仪器里反复清洗干净，最后再用烘干机立刻干燥备用；
(2)将上述钢板和铝板对齐叠合后，板材之间四周放置1.5mm垫片，使板材之间留出1.5mm的间隙，接着用铝制铆钉铆住板材固定四个角；
(3)将组好的对称板坯放入感应加热炉，并用惰性气体通入感应加热炉，首先需要对温差的大小进行选择，温差ΔT大小的选择由下面表达式确定
条件是σ2≤σ1≤1.5σ2，Q235板材的各个参数取值情况：A1＝1.355*1010，α1＝0.00921，n1＝4.82；Q1＝2.91*105，单位J/mol；R1为气体常数，一般取8.314J/(mol·K)，T1取值范围750-1250℃。6061板材的各个参数取值情况：A2＝7.15*109，α2＝0.028，n2＝6.85，Q2＝2.79*105，单位J/mol，R2为气体常数，一般取8.314J/(mol·K)，T2取值范围300-500℃。若在相同的500℃温度下轧制，Q235和6061镁合金变形抗力差值在7倍以上，因此选取感应加热电流为1700A，加热时间8s，使得钢板温度高于铝板温度差ΔT＝630℃，异温后的板材变形抗力差减小到1.2倍左右，效果显著。
(4)将产生异温后的板坯立刻送入轧机，选择轧制速度为0.5m/s，首道次轧制压下率为25％，轧制总道次为4次，总压下率达到70％。
(5)对冷却后的复合板材加热到550℃保温2h进行去应力和组织均匀化退火，并对翘曲的钢铝复合板用辊式板材矫直机进行冷矫直处理。
本实施例得到的钢铝复合板变形协调，钢铝在较低的压下率下即可实现有效结合，降低了临界复合变形率，大大降低了对轧机的能力要求，测得钢铝复合界面的剪切强度为110MPa，并且得到的板材各层组织相对较均匀。
为了大大降低了对轧机的能力要求和钢铝轧制复合临界变形率，实现了钢和铝的协调变形，使得钢铝复合板具备良好的抗弯曲性能和高的结合性能，本文提出一种利用电磁感应加热轧制制备高性能钢铝复合板的方法。由实施例得到的结果证明该方法使用电磁感应加热能够使钢板温度加热到750℃-1000℃,铝板温度加热到100℃-300℃，使钢铝板形成温差，从而减小板材之间变形抗力差实现协调变形，并且在异温条件下实现了气体保护，获得了良好的抗弯曲性能和高的结合性能，最后得到了相对均匀的组织结构。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、板坯的预处理：截取长和宽尺寸相同的钢板和铝板做倒角处理后，将钢板和铝板分别进行退火处理，然后去除钢板和铝板待复合面的油污和氧化膜，并将得到的钢板和铝板进行真空保存备用；
S2、组装和固定：取出真空保存的钢板和铝板，将钢板和铝板对齐叠合放置，所述钢板和铝板之间通过垫片留出间隙，然后将板坯的四个角进行钻孔并铆接，所述钢板和所述铝板的间隙距离为0.5mm-2.5mm从而获得组装板坯；
S3、感应加热组装板坯：将所述组装板坯放入电磁感应加热炉中，其中电磁感应加热炉的感应加热电流范围为200A-2500A，加热时间为5s-30s，感应加热后使钢板和铝板产生温差，通过在四周放置不同厚度的垫片以调整钢板和铝板之间的间隙大小来控制温差ΔT，温差ΔT的选择由下面表达式确定：
条件是σ2≤σ1≤1.5σ2，式中，为应变速率，单位s-1；A和α为与材料有关的常数；σ为稳定流变应力，单位MPa；n为应力指数，物理意义为温度补偿应变速率敏感系数的倒数；Q为变形激活能，单位J/mol；R为气体常数，单位J/(mol·K)；T为绝对温度，单位K，其中下标为1的参数均为钢板对应的参数，下标为2的参数均为铝板对应的参数；
S4、轧制：选择预设的轧制速度和轧制压下量后，将具有温差的板坯用推板推入轧机进行轧制；
S5、退火及矫直：当轧制后的钢铝复合板冷却至10℃-30℃之后，对所述钢铝复合板进行退火工艺处理，所述退火工艺处理后对所述钢铝复合板用辊式板材矫直机进行冷矫直处理。
2.根据权利要求1所述的利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法，其特征在于：步骤S1中钢板在780-850℃下退火2-3小时然后空冷，铝板在450-530℃下退火2-3小时然后空冷，退火后的板坯再进行打磨处理。
3.根据权利要求1所述的利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法，其特征在于：步骤S1中所用钢板的厚度为1mm-20mm，铝板的厚度为1mm-10mm。
4.根据权利要求1所述的利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法，其特征在于：步骤S1中采用机械打磨法去除钢板以及铝板待复合面的氧化层和油脂后，利用超声波清洗仪器清洗干净，并用吹风装置干燥；或者用电化学腐蚀法去除掉钢板和铝板待复合面的氧化层和油脂后用酒精和蒸馏水清洗后进行烘干备用。
5.根据权利要求1所述的利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法，其特征在于：步骤S1中的所述钢板选自带有磁性钢板中的一种，所述铝板选自铝合金板中的一种。
6.根据权利要求1所述的利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法，其特征在于：步骤S2中采用铆钉或者螺栓螺母将钢板和铝板进行固定。
7.根据权利要求1所述的利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法，其特征在于：步骤S3中感应加热炉中通入惰性气体以防止钢板和铝板的待复合面在加热过程中被氧化；
步骤S3中感应加热后钢板温度加热到750℃-1000℃,铝板温度加热到100℃-300℃，温差的最大值大于500℃。
8.根据权利要求1所述的利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法，其特征在于：步骤S3中取值范围为0.001-50s-1，A、α、n和Q均为与材料有关的常数，R取值为8.314J/(mol·K)，加热后钢板与铝板的温差ΔT的大小范围为200-800℃。
9.根据权利要求1所述的利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法，其特征在于：步骤S4中的轧制速度为0.05m/s-2m/s，首道次轧制压下率为10％-30％，轧制总道次为2-5次，总压下率为60％-90％。
10.根据权利要求1所述的利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法，其特征在于：步骤S5中轧制后复合板的所述退火工艺处理为加热到500℃-560℃保温2-3h后随炉冷却。
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