CN110303079B - 一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双金属复合板制备技术领域，具体是一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法，旨在解决采用现有轧制方法制成的双金属复合板结合强度低的技术问题。采用如下技术方案：将基板和复板拼接后同时从两个端面利用波纹方向相互垂直的两个波纹辊进行波纹轧制，然后再进行平轧。两种金属在轧辊的作用下沿两个垂直方向上形成强力凸起和挤压，局部区域内会存在强烈的不均匀变形和新鲜金属原子的流出，能够强化两种材料的机械嵌入和原子扩散，更容易形成牢固的机械和冶金结合。

Description

一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法

技术领域

本发明涉及双金属复合板制备技术领域，具体是一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法。

背景技术

随着航空航天、交通运输、军工、电气、仪表、建筑及化工等领域现代技术的发展和革新，传统的单一材料的性能已经不能满足要求，为此，现有市场中出现一种双金属复合板。双金属复合板是将两种物理、化学、力学性能不同的金属板材通过特定的制造方法在界面处实现牢固结合而制备成的一种新型复合板。它可以集成组元金属材料高强度、高韧性、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，同时双金属复合板还能够节约贵重金属材料、降低产品成本。目前双金属复合板的制造方法有爆炸复合法、扩散复合法、热/冷轧复合法等。其中爆炸复合法和扩散复合法普遍存在界面结合率低、结合不均匀、污染环境等缺点，相比之下热/冷轧复合法具有生产效率高、尺寸精度高、性能稳定、低污染、低能耗等优点，得到了迅速的发展并且潜力巨大。但是，由于两种不同金属性能上的差异，采用现有轧制方法制成的双金属复合板仍存在结合强度低、容易翘曲、成材率低等问题。

发明内容

本发明旨在解决采用现有轧制方法制成的双金属复合板结合强度低、容易翘曲的技术问题。为此，本发明提出一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法，包括以下步骤：

S1、制坯：选取变形抗力相对较小的金属板为基板，选取变形抗力相对较大的金属板为复板（这里的相对较小和相对较大是是将基板和复板的变形抗力进行对比得出的结论），基板与复板的厚度比值为1~10，将复板堆叠放置在基板的正上方压紧并将边缘固连（保证轧制过程中基板和复板受到非均匀的切向力时不会出现错位和跑偏），得到双金属复合板板坯；

S2、一道次轧制：采用冷轧方法时直接将步骤S1得到的双金属复合板板坯送入轧机进行轧制，采用热轧/温轧方法时将步骤S1得到的双金属复合板板坯送入加热炉加热至指定温度后再送入轧机进行轧制，本步骤中的轧机的上辊采用波纹辊a，下辊采用波纹辊b，所述波纹辊a和波纹辊b的波纹方向相互垂直，本步骤加工得到上表面和下表面为波纹面且波纹方向相互垂直、结合面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅰ，这里的波纹辊a和波纹辊b皆是辊面为波纹型的轧辊，加以区分主要是因为两个波纹辊的波纹方向不同，本步骤并没有对波纹辊的波幅、压下率等参数进行限定，是因为对于不同材质及轧制要求，各参数的选择不相同，但只要能保证前述所说的“结合面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅰ”即可，这是本领域人员容易确定的；

S3、二道次轧制：采用冷轧方法时直接将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ送入轧机进行轧制，采用热轧/温轧方法时将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ送入加热炉加热至指定温度后再送入轧机进行轧制，本步骤中的轧机的上辊和下辊皆采用平辊，本步骤加工得到上、下表面为平面而结合界面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅱ，本步骤结合界面也为交叉波纹面，但比S2中的交叉波纹面会更加复杂，是由于本步骤的平辊的压力作用导致的；

S4、退火（即采用本领域常见的退火手段：先加热后冷却）；

S5、精整：校直后切边，制成成品。

本发明的有益效果是：

1）本发明提供一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法，从利用两个波纹方向相互垂直的波纹辊从上下两面进行波纹轧制，然后再进行平轧。一道次波纹轧制可以在双金属板之间形成网状波纹形结合界面，最终的平轧能够在双金属板之间形成复杂的网状波纹结合界面。相比于传统轧制方法，两种金属在轧辊的作用下沿两个垂直方向上形成强力凸起和挤压，局部区域内会存在强烈的不均匀变形和新鲜金属原子的流出，能够强化两种材料的机械嵌入和原子扩散，更容易形成牢固的机械和冶金结合。

2）采用传统平轧或单向波平轧制时，轧制力施加方向单一，金属主要是沿轧制方向延展，而两种不同金属延展率的差异直接导致了轧后板形的严重翘曲。采用本轧制方法后，由于其中一个轧辊的波纹方向与轧制方向相垂直，所以会迫使其对应一侧的金属延横向延展，同时也会形成沿轧向的棱状凸起，抑制双金属复合板沿轧向的翘曲，所以这种新型的轧制方法能够有效改善板形质量。

3）本轧制方法在第一道次的轧制中采用了一组辊面波纹方向不同的轧辊，利用简单的轧制工艺，即可在复合板结合界面处形成复杂而牢固的交叉网格结构，并且每一个波纹辊的表面构形特征简单、制造容易，本方法对轧制设备没有特殊要求，更容易在工业生产中得以实施。

附图说明

图1为双金属复合板板坯示意图；

图2为本发明中涉及的冷轧双金属复合板工艺流程图；

图3为本发明中涉及的温轧双金属复合板工艺流程图；

图4为双金属复合板Ⅰ的示意图；

图5为双金属复合板Ⅱ的示意图；

图中，1-基板；2-复板；3-双金属复合板板坯；4-波纹辊a；5-平辊；6-加热炉；7-双金属复合板Ⅰ；8-双金属复合板Ⅱ；9-波纹辊b。

具体实施方式

实施例一：

参照图1、2、4、5，一种制备Cu/Al双金属复合板的冷轧方法，包括以下步骤：

S1、制坯：选取纯Al板作为基板1，长宽高分别为100、100、2mm，选取纯Cu板作为复板2，长宽高分别为100、100、2mm，Al板的变形抗力较小，Cu板的变形抗力较大，基板1与复板2的厚度比值为1，将复板2堆叠放置在基板1的正上方，在其轧制咬入端的宽度方向上相距50mm处对称地钻两孔并通过铆钉铆接，这样可以保证双金属复合板板坯3各组元板可以同步咬入轧辊，在另一端用捆线捆束，以保证轧制过程中不会出现基板1和复板2在尾部的跑偏，得到双金属复合板板坯3。本实施例中，基板1与复板2的厚度比值为1，在其他实施例中，厚度比值可为2或 3或4或5。本实施例中，边缘的固连采用咬合端铆接，相对端捆绑的结构，其他实施例中，可铆接、粘接、捆绑或其他常用的固连手段随意组合皆可。

S2、一道次轧制：将步骤S1得到的双金属复合板板坯3送入轧机进行轧制，该轧机的上辊采用具有纵向波纹的波纹辊a4，波纹辊a4的截面方程为R=75+1×sin(100×t)，其中R为波纹辊半径平均值，0≤t≤2π；下辊采用具有横向波纹的波纹辊b9，其轴向截面方程为L=1×sin(100×t)，0≤t≤2π；轧辊平均半径为75mm。上下轧辊线速度均为7.5m/min，压下率为30%，本步骤加工得到上表面和下表面为波纹面且波纹方向相互垂直、结合面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅰ7。本实施例中采用的压下率为30%，其他实施例中也可选择35%或40%或45%或50%，压下率根据不同的金属材料、不同的轧制波幅等参数而确定，通过调节轧机的辊间距来实现压下率的调节，压下率过大会导致金属板开裂，压下率过小无法在结合面形成波纹型，对于常见金属，本步骤的压下率选择范围为30%-50%。类似的，本步骤的辊间距及波纹辊的波幅等参数的选择，根据压下率、金属板材料等适应性调节，这是本领域人员工艺确定的，只要保证本步骤加工得到上表面和下表面为波纹面且波纹方向相互垂直、结合面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅰ7即可。

S3、二道次轧制：将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ7送入轧机进行轧制，本步骤中的轧机的上辊和下辊皆采用平辊5，压下率选择20%，本步骤加工得到上、下表面为平面而结合界面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅱ8。这里压下率选择为20%，其他实施例中也可采用30%或40%，对于常见金属，本步骤的压下率选择范围为20%-40%。

S6、退火：将平轧后的双金属复合板放入保护气氛加热炉6进行退火处理，退火温度为300℃，时间是30min。

S7、精整：校直后切边，制成成品。

实施例二：

参照图1、3、4、5，一种制备Mg/Al双金属复合板的温轧方法，包括以下步骤：

S1、制坯：选取5052牌号铝合金作为基板1，长宽高分别为100、100、3mm，选取AZ31牌号镁合金板作为复板2，长宽高分别为100、100、1mm，5052牌号铝合金板的变形抗力较小，AZ31牌号镁合金板的变形抗力较大，基板1与复板2的厚度比值为3，将复板2堆叠放置在基板1的正上方，在其轧制咬入端的宽度方向上相距50mm处对称地钻两孔并通过铆钉铆接，这样可以保证双金属复合板板坯3各组元板可以同步咬入轧辊，在另一端用捆线捆束，以保证轧制过程中不会出现基板1和复板2在尾部的跑偏，得到双金属复合板板坯3。本实施例中，基板1与复板2的厚度比值为3，在其他实施例中，厚度比值可为1或2或4或5。本实施例中，边缘的固连采用咬合端铆接，相对端捆绑的结构，其他实施例中，可铆接、粘接、捆绑或其他常用的固连手段或其组合皆可。

S2、一道次轧制：将步骤S1得到的双金属复合板板坯3放入保护气氛加热炉6中，400℃保温15min；随后送入轧机进行轧制，该轧机的上辊采用具有纵向波纹的波纹辊a4，波纹辊a4的截面方程为R=75+1×sin(100×t)，其中R为波纹辊半径平均值，0≤t≤2π；下辊采用具有横向波纹的波纹辊b9，其轴向截面方程为L=1×sin(100×t)，0≤t≤2π；轧辊平均半径为75mm。上下轧辊线速度均为7.5m/min，压下率为40%，本步骤加工得到上表面和下表面为波纹面且波纹方向相互垂直、结合面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅰ7。本实施例中采用的压下率为40%，其他实施例中也可选择30%或35%或45%或50%，压下率根据不同的金属材料、不同的轧制波幅等参数而确定，通过调节轧机的辊间距来实现压下率的调节，压下率过大会导致金属板开裂，压下率过小无法在结合面形成波纹型，对于常见金属，本步骤的压下率选择范围为30%-50%。类似的，本步骤的辊间距及波纹辊的波幅等参数的选择，根据压下率、金属板材料等适应性调节，这是本领域人员工艺确定的，只要保证本步骤加工得到上表面和下表面为波纹面且波纹方向相互垂直、结合面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅰ7即可。

S3、二道次轧制：将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ放入保护气氛加热炉6中，400℃保温5min；随后送入轧机进行轧制，本步骤中的轧机的上辊和下辊皆采用平辊5，压下率选择30%，本步骤加工得到上、下表面为平面而结合界面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅱ8。这里压下率选择为30%，其他实施例中也可采用20%或40%，对于常见金属，本步骤的压下率选择范围为20%-40%。

S6、退火：将平轧后的双金属复合板放入保护气氛加热炉6进行退火处理，退火温度为300℃，时间是30min。

S7、精整：校直后切边，制成成品。

本发明中的波纹辊a4的辊形曲线可以是正弦曲线或抛物线或三角形或其他常见波形。

下面利用现有的平辊冷轧方法和单向波平冷轧方法轧制金属复合板，作为对比例一和对比例二，如下：

对比例一，采用平辊冷轧Cu/Al双金属复合板，包括以下步骤：

S1、制坯：选取纯Al板作为基板1，长宽高分别为100、100、2mm，选取纯Cu板作为复板2，长宽高分别为100、100、2mm，基板1与复板2的厚度比值为1，将复板2堆叠放置在基板1的正上方，在其轧制咬入端的宽度方向上相距50mm处对称地钻两孔并通过铆钉铆接，在另一端用捆线捆束，以保证轧制过程中不会出现基板1和复板2在尾部的跑偏，得到双金属复合板板坯3。

S2、一道次平轧：将步骤S1得到的双金属复合板板坯3送入平辊轧机进行轧制，所述平辊轧机的上、下辊均采用平辊5，压下率选择30%，本步骤加工得到一道次平轧双金属复合板。

S3、二道次平轧：将步骤S2得到的平轧双金属复合板再次送入平辊轧机进行轧制，所述平辊轧机的上、下辊均采用平辊5，压下率选择20%，本步骤加工得到二道次平轧双金属复合板，并达到最终尺寸。

S4、退火：将平轧后的双金属复合板放入保护气氛加热炉6进行退火处理，退火温度为300℃，时间是30min。

S5、精整：校直后切边，制成成品。

对比例二，采用单向波平冷轧Cu/Al双金属复合板，包括以下步骤：

S1、制坯：选取纯Al板作为基板1，长宽高分别为100、100、2mm，选取纯Cu板作为复板2，长宽高分别为100、100、2mm，基板1与复板2的厚度比值为1，将复板2堆叠放置在基板1的正上方，在其轧制咬入端的宽度方向上相距50mm处对称地钻两孔并通过铆钉铆接，在另一端用捆线捆束，以保证轧制过程中不会出现基板1和复板2在尾部的跑偏，得到双金属复合板板坯3。

S2、一道次波平轧制：将步骤S1得到的双金属复合板板坯3送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用波纹辊a4，下辊采用平辊5，压下率选择30%，本步骤加工得到上表面和结合界面为波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅰ7。

S3、旋转：将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ水平旋转90°。

S4、平轧：将步骤S3得到的双金属复合板送入平辊轧机进行轧制，压下率选择20%，本步骤加工得到上、下表面为平面而结合界面为单向波纹面的双金属复合板。

S5、退火：将平轧后的双金属复合板放入保护气氛加热炉6进行退火处理，退火温度为300℃，时间是30min。

S6、精整：校直后切边，制成成品。

对上述对比例1和对比例2轧制成的复合板的特征和性能进行观察和测定，相关项 目和参数见下表：

评价项目	实施例一	对比例一	对比例二
				板材翘曲	轻微	严重	明显
拉剪强度（轧向）	94.68MPa	60.33MPa	76.17MPa
				拉剪强度（横向）	79.32MPa	51.24MPa	55.29MPa
剥离强度（轧向）	38.64N/mm	26.72N/mm	29.30N/mm
				剥离强度（横向）	29.84N/mm	25.04N/mm	22.61N/mm
边裂现象	明显	轻微	轻微

上表中的实验数据是在DNS200电子万能试验机上测得，并且测试采用控制变量法，除加工时采用的轧制方法不同外，其他选择参数皆相同，结果如下：相比于传统轧制方法，交叉波纹轧制Cu/Al双金属复合板时，一个道次即可在基板和复板间形成交叉波纹状结合界面，尽可能地避免了多道次轧制时后道次轧制对前一道次生成结合界面的破坏，提高拉剪强度和剥离强度的同时也从原理上有效抑制了板材翘曲，并且不会引起边裂加重。采用本发明提出的新工艺轧制双金属复合板，获得的板材不结合强度高、翘曲轻微、工艺简单、对设备要求低，还能减小板材残余应力、提高生产效率和成材率。

以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制坯：选取变形抗力相对较小的金属板为基板（1），选取变形抗力相对较大的金属板为复板（2），基板（1）与复板（2）的厚度比值为1~5，将复板（2）堆叠放置在基板（1）的正上方压紧并将边缘固连，得到双金属复合板板坯（3）；

S2、一道次轧制：采用冷轧方法时直接将步骤S1得到的双金属复合板板坯（3）送入轧机进行轧制，采用热轧/温轧方法时将步骤S1得到的双金属复合板板坯（3）送入加热炉（6）加热至指定温度后再送入轧机进行轧制，本步骤中的轧机的上辊采用波纹辊a（4），下辊采用波纹辊b（9），所述波纹辊a（4）和波纹辊b（9）的波纹方向相互垂直，本步骤加工得到上表面和下表面为波纹面且波纹方向相互垂直、结合面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅰ（7）；

S3、二道次轧制：采用冷轧方法时直接将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ送入轧机进行轧制，采用热轧/温轧方法时将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ送入加热炉（6）加热至指定温度后再送入轧机进行轧制，本步骤中的轧机的上辊和下辊皆采用平辊（5），本步骤加工得到上、下表面为平面而结合界面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅱ（8）；

S4、退火；

S5、精整：校直后切边，制成成品。

2.根据权利要求1所述的一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法，其特征在于：在步骤S1中，边缘的固连通过铆接或金属丝捆绑或粘接手段实现。

3.根据权利要求1所述的一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法，其特征在于：在步骤S2中，压下率选择范围为30%-50%。

4.根据权利要求3所述的一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法，其特征在于：在步骤S3中，压下率选择范围为20%-40%。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种双金属复合板的交叉波纹轧制方法，其特征在于：所述波纹辊a（4）的辊形曲线是正弦曲线或抛物线或三角形，所述波纹辊b（9）的辊形曲线是正弦曲线或抛物线或三角形。

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