CN108889777A - 一种石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置及使用方法，属于石墨烯增强铝基复合材料薄板制造的技术领域，包括水平依次设置的轧前上下堆栈式加热保温炉、第一辊道、主动式加热保温四辊轧机、第二辊道和轧后上下堆栈式加热保温炉；其中，所述轧前、轧后上下堆栈式加热保温炉从上到下依次设置多层轧前、轧后炉膛，所述多层轧前、轧后炉膛的上方设置有若干轧前、轧后升降油缸；所述主动式加热保温四辊轧机包括中心水平设置的上工作辊和下工作辊，所述上工作辊上方水平设置有上支承辊，所述下工作辊下方水平设置有下支承辊，所述上、下工作辊内设置有上、下工作辊加热装置。本发明工艺流程简单，实现了连续化生产，提高了生产效率。

Description

一种石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置及使用方法
技术领域
本发明涉及石墨烯增强铝基复合材料薄板制备装置，特别是一种石墨烯增强铝基复合材料薄板的高效轧制方法。
背景技术
铝基复合材料具有密度小，耐蚀性强，导电导热性能优异，加工性能好等优点而被广泛应用。为了提升其力学性能以及其它相应的物理性能，人们在铝基体中添加各种增强相，以达到所需要的性能。随着汽车和航空航天领域的发展，尤其是在太空空间，电离辐射等恶劣环境中对复合材料的比强度，比模量，耐蚀性，导电导热等性能要求更高，传统的陶瓷纤维和颗粒增强体已经不能满足对材料的要求。
最近几年因为石墨烯优异的机械性能和物理性能被认为是最理想的复合材料增强体。研究表明，石墨烯是迄今为止实验室发现的最坚韧，导电和导热最好的材料；其杨氏模量(1100GPa)，断裂强度(125GPa)，热导率(5000W·m-1·K-1)，载流子迁移率达到(2x105cm2·V-1·s-1)，是理想的增强体材料。所以以石墨烯为增强体的铝基复合材料具有轻质、高强、耐磨等优异特性。
石墨烯增强铝基复合材料具有高的比强度、比模量，耐高温、耐磨损，热膨胀系数小，尺寸稳定性好，作为“轻质、耐热、高强、可变形加工”材料在航空航天和汽车等领域具有广泛的应用前景，成为各国高新技术研究开发的重要领域。
然而，大量研究结果表明，随着增强体的加入，材料的韧性和塑性均有不同程度的下降，这常常是由脆性增强相的团聚、弱结合界面及粗大颗粒和杂质元素在界面上的偏聚等造成的。如果能对材料进行大的塑性变形以细化晶粒及增强体或改善增强体在基体中的团聚现象，可以在改善基体韧性的基础上提高复合材料的断裂韧性。
目前石墨烯增强铝基复合材料的主要制备工艺为粉末冶金、压力浸渗、搅拌熔铸等以及后续的烧结和二次加工。二次加工方法主要是挤压、锻造、轧制等，这些方法都在实验室得到了应用，但均没有投入工业化生产，也未提及后续的二次加工成薄板的过程。
由于节能减排的需要，交通运输工具大力推广轻量化，国防工业中储能材料大量需要高强、高模量、高成型性铝基复合材料，这些复合材料大都要求以薄板0.3mm～2.0mm形式交货，薄板最有效的成形方式就是轧制。在石墨烯增强铝基复合材料的轧制过程中，除轧制的应变速率和每道次的变形量外，轧制温度也是需要严格控制的主要参数。由于铝基复合材料热导率很高达到5000W·m-1·K-1，板材散热面积大，温度下降很快，轧制过程中会出现宏观开裂等失稳现象导致板材轧制的失败，因此轧制温度必须控制在一个较窄的温度范围内。同时坯料在传输过程中会有大量的热量通过辐射和对流损失掉，热量的散失会造成板坯温度的快速下降，从而在板坯中沿轧制方向形成了明显的温度梯度，板坯区域温度场分布不均匀会导致组织不均匀、性能分散等失稳现象。因此，本申请在轧制过程中，采取主动式防降温措施，严格控制坯料温度，实现近等温轧制，进一步提高了石墨烯增强铝基复合材料板材的质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是石墨烯增强铝基复合材料薄板的轧制过程中会出现宏观开裂等失稳现象导致板材轧制的失败，而坯料在传输过程中会有大量的热量散失并造成板坯温度的快速下降，从而在板坯中沿轧制方向形成了明显的温度梯度，板坯区域温度场分布不均匀会导致组织不均匀、性能分散。
为解决上述技术问题，本发明提供一种石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置，包括水平依次设置的轧前上下堆栈式加热保温炉、第一辊道、主动式加热保温四辊轧机、第二辊道和轧后上下堆栈式加热保温炉；其中，
所述轧前上下堆栈式加热保温炉从上到下依次设置多层轧前炉膛，所述多层轧前炉膛的上方设置有若干轧前升降油缸；
所述主动式加热保温四辊轧机包括中心水平设置的上工作辊和下工作辊，所述上工作辊上方水平设置有上支承辊，所述下工作辊下方水平设置有下支承辊，所述上工作辊和下工作辊内分别设置有上工作辊加热装置和下工作辊加热装置；
所述轧后上下堆栈式加热保温炉从上到下依次设置有多层轧后炉膛，所述多层轧后炉膛的上方设置有若干轧后升降油缸。
优选地，所述多层轧前炉膛依次为第一轧前炉膛、第二轧前炉膛、第三轧前炉膛、第四轧前炉膛、第五轧前炉膛、第六轧前炉膛、第七轧前炉膛。
优选地，所述若干轧前升降油缸的数量为至少四个，所述若干轧后升降油缸的数量为至少四个。
优选地，所述多层轧后炉膛依次为第一轧后炉膛、第二轧后炉膛、第三轧后炉膛、第四轧后炉膛、第五轧后炉膛、第六轧后炉膛、第七轧后炉膛。
优选地，所述上工作辊加热装置和下工作辊加热装置为模温机。
优选地，所述第一辊道、所述下工作辊、所述第二辊道的水平切面位于同一水平面。
一种石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置的使用方法，包括如下步骤：
S1、经真空热压烧结制备石墨烯增强铝基复合材料坯料，铣面后，坯料尺寸为1500mm×800mm×60mm；
S2、将多块坯料通过运输辊道顺次送入主动式加热保温四辊轧机左侧的轧前上下堆栈式加热保温炉内保温；
S3、主动式加热保温四辊轧机的上、下工作辊通过上、下工作辊加热装置对上、下工轧辊进行加热；
S4、将加热好的坯料通过第一辊道送入主动式加热保温四辊轧机进行轧制，轧制三道次后，坯料进入主动式加热保温四辊轧机右侧的轧后上下堆栈式加热保温炉内进行补温；
S5、按S1-S4的步骤轧制第二块坯料，轧制三道后也进入主动式加热保温四辊轧机右侧的轧后上下堆栈式加热保温炉内进行补温；
S6、经过补温后，主动式加热保温四辊轧机右侧轧后上下堆栈式加热保温炉内的坯料再经过三道次的轧制进一步减薄顺次进入主动式加热保温四辊轧机左侧的轧前上下堆栈式加热保温炉内补温；
S7、重复轧制-补温-轧制直至坯料轧制到0.5mm～2mm厚，坯料穿过主动式加热保温四辊轧机右侧的轧后上下堆栈式加热保温炉通过运输辊道运输至下一工序制备出成品板材；
制备的板材抗拉强度Rm达到460MPa、规定非比例延伸强度RP达到440Mpa、弹性模量E达到85GPa、断后伸长率达到8％。
优选地，S2中轧前上下堆栈式加热保温炉内按上下堆栈式加热炉内以1～3℃/分钟的升温速率升至500℃加热，保温1小时。
优选地，S3中的加热温度为240℃。
优选地，S6中的补温时间为30min。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)本发明采用主动式加热保温四辊轧机对石墨烯增强铝基复合材料进行轧制，该方法采用主动式加热保温措施，在轧机的工作辊内及轧机前后侧都安装有特殊加热保温装置，严格地控制坯料全程轧制温度，实现连续高效等温轧制，达到工业化生产0.5mm～2mm石墨烯增强铝基复合材料薄板的目的。
(2)本发明工艺流程简单，工艺参数稳定，实现了连续化生产，大大提高了生产效率，节约了时间和成本。
(3)本发明在工艺流程中较好地防止了Al4C3生成，保证了产品质量。
(4)本发明质量优越，表现出了优异的综合力学性能。
附图说明
图1是本发明的石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置的结构示意图。
[主要元件符号说明]
1、轧前上下堆栈式加热保温炉；
11、第一轧前炉膛；
12、第二轧前炉膛；
13、第三轧前炉膛；
14、第四轧前炉膛；
15、第五轧前炉膛；
16、第六轧前炉膛；
17、第七轧前炉膛；
18、第一轧前升降油缸；
19、第二轧前升降油缸；
110、第三轧前升降油缸；
111、第四轧前升降油缸；
2、第一辊道；
3、主动式加热保温四辊轧机；
31、上工作辊；
311、上模温机；
32、下工作辊；
321、下模温机；
33、上支承辊；
34、下支承辊；
4、第二辊道；
5、轧后上下堆栈式加热保温炉；
51、第一轧后炉膛；
52、第二轧后炉膛；
53、第三轧后炉膛；
54、第四轧后炉膛；
55、第五轧后炉膛；
56、第六轧后炉膛；
57、第七轧后炉膛；
58、第一轧后升降油缸；
59、第二轧后升降油缸；
510、第三轧后升降油缸；
511、第四轧后升降油缸。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明要解决的技术问题是石墨烯增强铝基复合材料薄板的轧制过程中会出现宏观开裂等失稳现象导致板材轧制的失败，而坯料在传输过程中会有大量的热量散失并造成板坯温度的快速下降，从而在板坯中沿轧制方向形成了明显的温度梯度，板坯区域温度场分布不均匀会导致组织不均匀、性能分散。
为解决上述技术问题，如图1所示，一种石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置，包括水平依次设置的轧前上下堆栈式加热保温炉1、第一辊道2、主动式加热保温四辊轧机3、第二辊道4和轧后上下堆栈式加热保温炉5；其中，
轧前上下堆栈式加热保温炉1从上到下依次设置有第一轧前炉膛11、第二轧前炉膛12、第三轧前炉膛13、第四轧前炉膛14、第五轧前炉膛15、第六轧前炉膛16、第七轧前炉膛17，第一轧前炉膛11、第二轧前炉膛12、第三轧前炉膛13、第四轧前炉膛14、第五轧前炉膛15、第六轧前炉膛16、第七轧前炉膛17的上方设置有第一轧前升降油缸18、第二轧前升降油缸19、第三轧前升降油缸110和第四轧前升降油缸111；
主动式加热保温四辊轧机3包括中心水平设置的上工作辊31和下工作辊32，上工作辊31上方水平设置有上支承辊33，下工作辊32下方水平设置有下支承辊34，上工作辊31和下工作辊32内分别设置有上模温机311和下模温机321；
轧后上下堆栈式加热保温炉5从上到下依次设置有第一轧后炉膛51、第二轧后炉膛52、第三轧后炉膛53、第四轧后炉膛54、第五轧后炉膛55、第六轧后炉膛56、第七轧后炉膛57，第一轧后炉膛51、第二轧后炉膛52、第三轧后炉膛53、第四轧后炉膛54、第五轧后炉膛55、第六轧后炉膛56、第七轧后炉膛57的上方设置有第一轧后升降油缸58、第二轧后升降油缸59、第三轧后升降油缸510和第四轧后升降油缸511。
第一辊道2、下工作辊32、第二辊道4的水平切面位于同一水平面。
一种石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置的使用方法，包括如下步骤：
S1、经真空热压烧结制备石墨烯增强铝基复合材料坯料，铣面后，坯料尺寸为1500mm×800mm×60mm；
S2、将多块坯料通过运输辊道顺次送入主动式加热保温四辊轧机3左侧的轧前上下堆栈式加热保温炉1内，并以1～3℃/分钟的升温速率升至500℃加热，保温1小时；
S3、主动式加热保温四辊轧机3的上工作辊31和下工作辊32分别通过上模温机311和下模温机321对上工作辊31和下工作辊32进行加热，加热温度为240℃；
S4、将加热好的坯料通过第一辊道2送入主动式加热保温四辊轧机3进行轧制，轧制三道次后，坯料进入主动式加热保温四辊轧机3右侧的轧后上下堆栈式加热保温炉5内进行补温；
S5、按S1-S4的步骤轧制第二块坯料，轧制三道后也进入主动式加热保温四辊轧机3右侧的轧后上下堆栈式加热保温炉5内进行补温，这样可将主动式加热保温四辊轧机3左侧轧前上下堆栈式加热保温炉1内所有坯料都可经过轧制顺次进入主动式加热保温四辊轧机3右侧的轧后上下堆栈式加热保温炉5内进行补温；
S6、经过30min的补温后，主动式加热保温四辊轧机3右侧轧后上下堆栈式加热保温炉5内的坯料再经过三道次的轧制进一步减薄顺次进入主动式加热保温四辊轧机3左侧的轧前上下堆栈式加热保温炉1内补温；
S7、重复轧制-补温-轧制直至坯料轧制到0.5mm～2mm厚，坯料穿过主动式加热保温四辊轧机3后侧的轧后上下堆栈式加热保温炉5通过运输辊道运输至下一工序制备出成品板材；
制备的板材抗拉强度Rm达到460MPa、规定非比例延伸强度RP达到440Mpa、弹性模量E达到85GPa、断后伸长率达到8％。
所制备的板材抗拉强度比6063板材提高50％，规定非比例延伸强度RP比6063板材提高50％，弹性模量E比6063板材提高40％。
综上可见，本发明以等温轧制的方法，实现了工业化生产石墨烯增强铝基复合材料薄板，制备的板材性能明显优于6063板材，不仅工艺流程简单，工艺参数稳定，而且实现了连续化生产，大大提高了生产效率，节约了时间和成本。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置，其特征在于，包括水平依次设置的轧前上下堆栈式加热保温炉、第一辊道、主动式加热保温四辊轧机、第二辊道和轧后上下堆栈式加热保温炉；其中，
所述轧前上下堆栈式加热保温炉从上到下依次设置多层轧前炉膛，所述多层轧前炉膛的上方设置有若干轧前升降油缸；
所述主动式加热保温四辊轧机包括中心水平设置的上工作辊和下工作辊，所述上工作辊上方水平设置有上支承辊，所述下工作辊下方水平设置有下支承辊，所述上工作辊和下工作辊内分别设置有上工作辊加热装置和下工作辊加热装置；
所述轧后上下堆栈式加热保温炉从上到下依次设置有多层轧后炉膛，所述多层轧后炉膛的上方设置有若干轧后升降油缸。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置，其特征在于，所述多层轧前炉膛依次为第一轧前炉膛、第二轧前炉膛、第三轧前炉膛、第四轧前炉膛、第五轧前炉膛、第六轧前炉膛、第七轧前炉膛。
3.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置，其特征在于，所述若干轧前升降油缸的数量为至少四个，所述若干轧后升降油缸的数量为至少四个。
4.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置，其特征在于，所述多层轧后炉膛依次为第一轧后炉膛、第二轧后炉膛、第三轧后炉膛、第四轧后炉膛、第五轧后炉膛、第六轧后炉膛、第七轧后炉膛。
5.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置，其特征在于，所述上工作辊加热装置和下工作辊加热装置为模温机。
6.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置，其特征在于，所述第一辊道、所述下工作辊、所述第二辊道的水平切面位于同一水平面。
7.根据权利要求1-6任一所述的石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、经真空热压烧结制备石墨烯增强铝基复合材料坯料，铣面后，坯料尺寸为1500mm×800mm×60mm；
S2、将多块坯料通过运输辊道顺次送入主动式加热保温四辊轧机左侧的轧前上下堆栈式加热保温炉内保温；
S3、主动式加热保温四辊轧机的上、下工作辊通过上、下工作辊加热装置对上、下工轧辊进行加热；
S4、将加热好的坯料通过第一辊道送入主动式加热保温四辊轧机进行轧制，轧制三道次后，坯料进入主动式加热保温四辊轧机右侧的轧后上下堆栈式加热保温炉内进行补温；
S5、按S1-S4的步骤轧制第二块坯料，轧制三道后也进入主动式加热保温四辊轧机右侧的轧后上下堆栈式加热保温炉内进行补温；
S6、经过补温后，主动式加热保温四辊轧机右侧加热炉内的坯料再经过三道次的轧制进一步减薄顺次进入主动式加热保温四辊轧机左侧的轧前上下堆栈式加热保温炉内补温；
S7、重复轧制-补温-轧制直至坯料轧制到0.5mm～2mm厚，坯料穿过主动式加热保温四辊轧机右侧的轧后上下堆栈式加热保温炉通过运输辊道运输至下一工序制备出成品板材；
制备的板材抗拉强度Rm达到460MPa、规定非比例延伸强度RP达到440Mpa、弹性模量E达到85GPa、断后伸长率达到8％。
8.根据权利要求7所述的石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置的使用方法，其特征在于，S2中轧前上下堆栈式加热保温炉内按上下堆栈式加热炉内以1～3℃/分钟的升温速率升至500℃加热，保温1小时。
9.根据权利要求7所述的石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置的使用方法，其特征在于，S3中的加热温度为240℃。
10.根据权利要求7所述的石墨烯增强铝基复合材料薄板轧制装置的使用方法，其特征在于，S6中的补温时间为30min。
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