CN110614275B - 一种强变形轧制双金属复合板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双金属复合板制备技术领域，具体是一种强变形轧制双金属复合板的方法，旨在解决现有双金属板轧制方法存在的结合强度低、残余应力大和翘曲严重的技术问题。采用如下技术方案：将制作好的双金属复合板板坯，进行两道次的轧制，第一道次采用波平轧机，上辊为交叉波纹辊，下辊为平棍；第二道次采用平棍轧机，上下辊皆为平棍。这样的轧制方法可获得轧向和横向的拉剪强度和抗拉强度综合性能较好的复合板，并且明显可见双金属复合板内部的残余应力分布得到改善。采用本发明提出的新工艺轧制双金属复合板，能达到提高两板的结合强度、改善残余应力分布状态和减小板材翘曲的目的。

Description

一种强变形轧制双金属复合板的方法

技术领域

本发明涉及双金属复合板制备技术领域，具体是一种强变形轧制双金属复合板的方法。

背景技术

随着科学技术的进步和新技术、新产业的出现，特别是高、精、尖技术的迅速崛起和发展，世界各国对工程材料的需求越来越广泛，对材料性能也提出了越来越苛刻的要求。于是，通过特定的方法和技术将两种或多种物理、化学和力学性能不同的金属板材固态复合，以充分利用和发挥各组元的优势，制造出新型层状金属复合材料，成为一个新的技术途径。

双金属复合板，是一种被广泛使用的金属复合材料。目前主要生产方式有包浇+轧制复合法、爆炸复合法、扩散复合法以及轧制复合法等。包浇+轧制复合法，是将基板置于盛有金属液的铸模中，液态金属凝固后形成复合板坯，然后对此板坯进行轧制获得所需规格的复合板。这种方法工艺简单，成本低，可以实现批量生产，但是由于复层金属与基体金属的熔点不同，在两者的结合部位容易产生熔损，因此难以得到质量优良的复合板材。爆炸复合法，是通过强大的爆破力作用实现不同金属原子的紧密结合，通过金属键形成牢固的焊接界面，实现基层和复层牢固的冶金结合。主要适用于单张面积较大、较厚的双层或多层复合板的生产，且仅限于制造平板，存在结合率低，易产生裂纹、缩孔和气孔、机械化程度低、劳动条件差、有危险性、有环境污染问题等缺陷。扩散复合法，有扩散时间长、产品尺寸有限以及界面结合强度低等缺点，不适用于大尺寸复合板的生产。轧制复合法，是借助大的压下量促使两层或多层金属和合金，依靠原子间金属键的相互吸引力而使组元层结合起来的一种复合技术，制备的复合板各金属组元层的厚度均匀，产品尺寸精确、性能稳定、生产效率高、成本低，易于实现工业化生产。

根据轧制温度的不同，轧制复合可以分为冷轧和热轧。冷轧复合是指在常温下，将预先进行过表面处理的两种金属进行轧制复合，并借助退火促进结合界面强化的一种工艺。冷轧复合具有尺寸精准、表面质量优良、组织性能好等优点，但是低温状态下塑性较低，需要较大的轧制压力才能实现金属的冶金结合。相对于冷轧复合而言，热轧复合是在再结晶温度之上进行的轧制，其加热温度范围的选择至关重要，温度过低会导致两金属变形抗力大、塑性流变程度低、结合界面原子扩散运动不活跃、再结晶温度不足等问题；温度过高则会导致复合面上形成厚的氧化层以及脆性化合物，影响结合强度。

目前，用轧制复合法制备双金属复合板时，由于异种金属本身力学性能的不同，其变形能力也不同，致使轧制过程中变形抗力小的金属延伸率较大，而变形抗力大的金属延伸率小。因此，在轧制后金属复合板内部的残余应力较大，变形大的金属一侧存在附加压应力，变形小的金属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，并且这种不均随两种金属力学性能差异越大表现越为明显，所生产的复合板必然因这种大残余应力的存在而产生严重翘曲，造成轧制复合板不合格，容易开裂。现开发的双金属复合板轧制工艺主要是异步轧制，包括异径异步轧制和同径异步轧制。前者是指上下轧辊直径不一致的轧制方法，一般直径较小的轧辊依靠摩擦传动，可以减小接触面积，进而减小单位压力；后者是指上下轧辊工作表面线速度不一致的轧制方法，该方法改变了变形区的条件，使得轧制过程中变形区金属流动规律及应力、应变分布发生变化，慢速辊一侧的中性点向变形区入口侧偏移，快速辊一侧的中性点向变形区出口侧偏移，使变形区上下两表面的摩擦力方向呈相反态势形成“搓轧区”。但是，因为异种材料在物理、机械、力学性能方面存在差异，依然存在结合强度低、残余应力大和翘曲严重等突出问题。

因此，亟需开发一种新的双金属复合板轧制工艺，解决现有异种金属复合过程中存在的问题，以适应当今工业领域对多功能金属层状复合材料的迫切需求。

发明内容

本发明旨在解决现有双金属板轧制方法存在的结合强度低、残余应力大和翘曲严重的技术问题。为此，本发明提出一种强变形轧制双金属复合板的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种强变形轧制双金属复合板的方法，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1~5，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：采用冷轧工艺时，直接将步骤S1制得的双金属复合板板坯送入波平轧机进行轧制，采用热轧/温轧工艺时将步骤S1制得的双金属复合板板坯先放入加热炉加热至适当温度后再送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用交叉波纹辊、下辊采用平辊，所述交叉波纹辊的表面是由横向波纹和纵向波纹交叉形成的曲面，本工序加工得到上表面和结合界面为交叉波纹面、下表面为平面的双金属复合板I；本步骤中，交叉波纹能够保证轧制复合板金属流动的连续性和平顺性，进而保证复合板的结合质量和强度；本步骤过后，上表面被轧制成大量四周封闭的凸起结构，即轧制压力使难变形材料多向延伸并呈现薄厚不均的形态，保持凸起结构间连接处较薄，从而可以消除残余应力沿轧向分布取向明显而导致翘曲的问题；

S3、二道次轧制：采用冷轧工艺时，直接将步骤S2得到的双金属复合板送入平辊轧机进行轧制，采用热轧/温轧工艺时将步骤S2得到的双金属复合板先放入加热炉加热至适当温度后再送入平辊轧机进行轧制，所述平辊轧机的上辊和下辊均为平辊，本工序加工得到上、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；本步骤过后，使表面大量四周封闭的凸起结构被轧平，保持步骤S2中获得残余应力分布状态和板形；

S4、退火；

S5、精整：校直后切边，制成成品8。

本发明的有益效果是：

1）本发明是通过表面同时具备横向波纹和纵向波纹的交叉波纹辊对双金属复合板进行轧制，轧辊表面的特殊凸起结构使得不改变轧机结构的前提下，同样的轧制力可以在金属板之间形成局部的强变形，促进新鲜金属原子的流出、接触和扩散，使两种金属形成高强度的冶金结合，大大提高了复合板的结合强度；

2）波纹辊设计的交叉波纹结构，避免了难变形金属一侧形成取向明显的残余应力分布状态，通过轧辊结构的特殊性，将金属板表面和结合界面划分为多个离散区域，尽可能使残余应力多向分布，从而减小传统轧制中双金属复合板沿轧向翘曲严重的问题；

3）通常一道次波纹轧制后，轧辊波峰会在结合界面处会形成脆性金属间化合物或硬化层，二道次平轧时该处金属会由于轧向的剧烈拉伸作用而开裂，而采用交叉波纹结构轧辊，能为平轧金属流动预留出横向和轧向两个维度的空间，大大减少了强应力区金属开裂的问题；

4）采用交叉波纹辊结构，可以在第一道次轧制过程中即实现两种金属的高强度结合，尽可能地避免多道次轧制时，后道次对前道次轧制形成界面的破坏，极大保证轧制复合板的结合质量；

5）采用交叉波纹辊结构，能够从两个方向上对金属板施力，从而避免轧制过程中金属板跑偏和尾部分叉现象。

附图说明

图1是本发明的交叉波纹辊的结构示意图；

图2是本发明的双金属复合板板坯的加工示意图；

图3是本发明的冷轧工艺的工艺流程图；

图4是本发明的热轧/温轧工艺的工艺流程图；

图5是本发明的双金属复合板

的结构示意图；

图6是本发明的双金属复合板

的结构示意图；

图7是对比例二的波纹轧辊的结构示意图。

图中：

1~基板；2~复板；3~双金属复合板板坯；4~加热炉；5~交叉波纹辊；6~双金属复合板Ⅰ；7~双金属复合板Ⅱ；8~成品；9~波纹辊。

具体实施方式

下面通过两个具体的实施例对本发明的轧制方法进行详细的说明：

实施例一：

参照图1-3、5、6，一种制备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50mm、50mm、3mm，选取纯Cu板作为复板2，长宽高分别为50mm、50mm、1mm，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25mm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，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的方式，其他实施例中，采用粘接、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送入波平轧机进行轧制，该波平轧机的上辊采用交叉波纹辊5，交叉波纹辊5的径向截面方程为R=75+1×sin（100×t），其中R为交叉波纹辊5半径平均值，0≤t≤2π；轴向截面方程为Y=1×sin（100×t），其中0≤t≤2π。上下轧辊的平均半径皆为75mm，上下轧辊线速度均为7.5m/min，压下率为30%，本工序加工得到上表面和结合界面为交叉波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅰ6。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，压下率过小无法形成波纹型结合面，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，只要保证本工序加工得到上表面和结合界面为明显的交叉波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅰ即可。优选的，在本步骤中，形成所述交叉波纹辊5表面的横向波纹和纵向波纹的的波纹形状为正弦曲线或余弦曲线或抛物线或三角形且波幅相等，横向和纵向受力均匀，轧制性能更可靠。

S3、二道次轧制：将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ送入平辊轧机进行轧制，本步骤中的平辊轧机的上平轧辊和下平轧辊尺寸相同，压下率选择20%，本工序加工得到上、下表面为平面而结合界面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅱ7。这里压下率选择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%。

S4、退火：将平轧后的双金属复合板Ⅱ放入加热炉4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8。

实施例二：

参照图1、2、4-6，一种制备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牌号铝合金板作为基板1，长宽高分别为50mm、50mm、3mm，选取AZ31牌号镁合金板作为复板2，长宽高分别为50mm、50mm、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25mm处对称地钻两孔并通过铆钉铆接，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的方式，其他实施例中，采用粘接、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放入加热炉4中，400℃保温15min；随后送入波平轧机进行轧制，该波平轧机的上辊采用交叉波纹辊5，交叉波纹辊5的径向截面方程为R=75+1×sin（100×t），其中R为交叉波纹辊5半径平均值，0≤t≤2π；轴向截面方程为Y=1×sin（100×t），其中0≤t≤2π。上下轧辊的平均半径皆为75mm，上下轧辊线速度均为7.5m/min，压下率为40%，本工序加工得到上表面和结合界面为交叉波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅰ6。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，压下率过小无法形成波纹型结合面，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，只要保证本工序加工得到上表面和结合界面为明显的交叉波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅰ即可。

S3、二道次轧制：将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ6放入加热炉4中，400℃保温5min；随后送入平辊轧机进行轧制，本步骤中的平辊轧机的上平轧辊和下平轧辊尺寸相同，压下率选择30%，本工序加工得到上、下表面为平面而结合界面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅱ7。这里压下率选择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Ⅱ放入加热炉4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8。

下面通过对比例一和对比例二对本轧制方法的轧制效果进行验证，具体如下：

对比例一，采用平辊温轧Mg/Al双金属复合板，包括以下步骤：

S1、制坯：选取5052牌号铝合金板作为基板，长宽高分别为50mm、50mm、3mm，选取AZ31牌号镁合金板作为复板，长宽高分别为50mm、50mm、1mm，基板与复板的厚度比值为3，将复板堆叠放置在基板的正上方，在其轧制咬入端的宽度方向上相距25mm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和复板在尾部的跑偏，得到双金属复合板板坯。

S2、一道次平轧：将步骤S1得到的双金属复合板板坯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，压下率选择40%，本工序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，压下率选择30%，本工序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加热炉进行退火处理，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，采用两向波平温轧方法轧制Mg/Al金属复合板，包括以下步骤：

S1、制坯：选取5052牌号铝合金板作为基板，长宽高分别为50mm、50mm、3mm，选取AZ31牌号镁合金板作为复板，长宽高分别为50mm、50mm、1mm，基板与复板的厚度比值为3，将复板堆叠放置在基板的正上方，在其轧制咬入端的宽度方向上相距25mm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和复板在尾部的跑偏，得到双金属复合板板坯。

S2、一道次波平轧制：将步骤S1得到的双金属复合板板坯送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用波纹辊9，下辊采用平辊，压下率选择40%，本工序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Ⅰ。如图7所示。

S3、旋转：将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ水平旋转90°。

S4、二道次波平轧制：将步骤S3得到的双金属复合板Ⅰ再次送入波平轧机进行轧制，轧机各参数不变，本工序加工得到上表面和结合界面为交叉波纹面、下表面为平面的双金属复合板

。

S5、平轧：将步骤S4得到的双金属复合板送入平辊轧机进行轧制，压下率选择30%，本工序加工得到上、下表面为平面而结合界面为交叉波纹面的双金属复合板III。

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

S7、精整：校直后切边，制成成品。

对实施例二、对比例一和对比例二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	实施例二	对比例一	对比例二
				板材翘曲	不明显	严重	轻微
拉剪强度（轧向）	32.44MPa	28.01MPa	25.22MPa
				拉剪强度（横向）	29.37MPa	21.45MPa	26.71MPa
抗拉强度（轧向）	288.62MPa	279.31MPa	263.54MPa
				抗拉强度（横向）	291.49MPa	283.46MPa	274.32MPa

上表中的实验数据是在DNS200电子万能试验机上测得，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：如上表所示，相比于对比例一和二中列出的轧制方法，采用本发明中涉及的方法轧制Mg/Al双金属复合板，可获得轧向和横向的拉剪强度和抗拉强度综合性能较好的复合板，并且明显可见双金属复合板内部的残余应力分布得到改善。采用本发明提出的新工艺轧制双金属复合板，能达到提高两板的结合强度、改善残余应力分布状态和减小板材翘曲的目的。

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 (6)

1.一种强变形轧制双金属复合板的方法，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：采用冷轧工艺时，直接将步骤S1制得的双金属复合板板坯（3）送入波平轧机进行轧制，采用热轧/温轧工艺时将步骤S1制得的双金属复合板板坯（3）先放入加热炉（4）加热至适当温度后再送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用交叉波纹辊（5）、下辊采用平辊，所述交叉波纹辊（5）的表面是由横向波纹和纵向波纹交叉形成的曲面，本工序加工得到上表面和结合界面为交叉波纹面、下表面为平面的双金属复合板I（6）；

S3、二道次轧制：采用冷轧工艺时，直接将步骤S2得到的双金属复合板I（6）送入平辊轧机进行轧制，采用热轧/温轧工艺时将步骤S2得到的双金属复合板I（6）先放入加热炉（4）加热至适当温度后再送入平辊轧机进行轧制，所述平辊轧机的上辊和下辊均为平辊，本工序加工得到上、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（7）；

S4、退火；

S5、精整：校直后切边，制成成品（8）。

2.根据权利要求1所述的一种强变形轧制双金属复合板的方法，其特征在于：在步骤S2中，形成所述交叉波纹辊（5）表面的横向波纹和纵向波纹的波纹形状为正弦曲线或余弦曲线或抛物线或三角形。

3.根据权利要求2所述的一种强变形轧制双金属复合板的方法，其特征在于：在步骤S2中，形成所述交叉波纹辊（5）表面的横向波纹和纵向波纹的波幅相等。

4.根据权利要求3所述的一种强变形轧制双金属复合板的方法，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。

5.根据权利要求1所述的一种强变形轧制双金属复合板的方法，其特征在于：在步骤S2中，压下率选择范围为30%～50%。

6.根据权利要求5所述的一种强变形轧制双金属复合板的方法，其特征在于：在步骤S3中，压下率选择范围为20%～40%。

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