CN111014294A - 小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属层状复合板制备技术领域，具体涉及一种小压下量冷‑热连轧制备钢/铝层状复合板的方法及设备。小压下量冷‑热连轧制备钢/铝层状复合板的设备，包括辊道、冷轧机、平板式感应加热装置、冷却装置和热轧机，所述冷轧机、平板式感应加热装置、冷却装置和热轧机从左往右依次设置在辊道中，构成轧制生产线。本发明在待复合钢板的待复合面加工波纹，并进行冷轧，对冷轧形成的啮合钢/铝层状复合板钢侧快速加热，使啮合钢/铝层状复合板的结合面出现微尺度固‑液相现象，然后进行快速冷却并进行热轧，实现了小压下量冷‑热连轧制备钢/铝层状复合板，可以制备出界面空间冶金结合的厚规格钢/铝层状复合板，且产品性能稳定，结合强度高。

Description

小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法及设备
技术领域
本发明属于金属层状复合板制备技术领域，具体涉及一种小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法及设备。
背景技术
钢/铝层状复合板兼具了钢的高强度、强韧性以及铝的质轻、耐腐蚀性好、导热导电性能好等优点，在航空航天、船舶、汽车、家电等领域获得了广泛的应用。然而，钢/铝层状复合板由于组元金属之间性能差异较大，导致该层状复合板相较其他层状复合板的制备更为困难，存在更多问题。近些年，随着工业水平的不断提升，用户对层状复合材料的综合性能需求进一步提升，传统工艺制备的钢/铝层状复合板面临巨大的挑战。
目前，钢/铝层状复合板的制备方法主要有爆炸复合法、铸轧复合法、钎焊复合法以及轧制复合法等。爆炸复合法在厚规格钢/铝层状复合板的制备中占据了主导地位，现有市场上的厚规格钢/铝层状复合板基本都是采用爆炸复合法制备的，该方法在制备组元金属性能差异较大的层状复合板时具有较大的优势，但其制备的产品存在尺寸受限、噪声污染严重、产品质量稳定性不好、无法连续生产等问题。铸轧复合法是一种新兴的层状金属复合板制备方法，该方法具有高效率、短流程、低能耗等优点，但使用该方法制备的钢/铝层状复合板厚度规格较小，且产品质量不高，一般用于家电等性能要求不高的场合。钎焊法在制备厚规格钢/铝层状复合板搭接式过渡接头时具有一定的优势，但制备的产品尺寸和质量受限，无法获得高质量、大尺寸的钢/铝复合板。相比于上述三种方法，轧制复合法制备层状金属复合板具有质量稳定、设备简单、易于大规模和自动化生产等优点。轧制复合法制备层状金属复合板主要分为冷轧和热轧复合法。其中，冷轧复合法制备钢/铝层状复合板时，首道次压下率需要超过50％，对轧制装备的要求极高，目前主要用于制备厚度规格较小的钢/铝层状复合板；热轧复合法制备钢/铝层状复合板时，存在结合界面易氧化、组元金属高温性能差异巨大、钢在轧制过程变形量小等问题，目前可以实现厚度低于5mm钢/铝层状复合板的制备，但在制备厚度规格较大时，组元金属延展性不同和钢变形量小(甚至不变形)的问题进一步突出，导致只能采用单道次大压下率去制备厚规格钢/铝层状复合板，但效果依然不理想，无法实现连续高质量制备。在发明专利“利用电磁感应加热轧制工艺制备钢铝复合板的方法(CN108421825)”中提出了利用异温轧制来解决组元金属轧制过程中变形不协调问题，但依然存在单道次压下量大，且需要对待复合界面进行防氧化处理的问题。
为了解决轧制复合法制备钢/铝层状复合板时存在的问题，获得综合性能更为优异的钢/铝层状复合板，急需开发一种压下量小、不需对界面防氧化处理、连续性高、产品质量高且稳定的钢/铝层状复合板制备方法及设备。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法及设备。
为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法，包括以下步骤：
1)准备待复合钢板和待复合铝板：取长度与宽度相同的待复合钢板和待复合铝板，将待复合铝板退火处理，除去待复合铝板待复合面的油污、氧化膜后打磨，静置烘干；在待复合钢板的待复合面制备出均匀的波纹，然后进行退火处理，除去待复合钢板波纹面的油污和氧化膜，并打磨，静置烘干；
2)将处理好的待复合钢板和待复合铝板对齐叠放，并使待复合钢板的波纹面与待复合铝板的待复合面接触，将待复合钢板和待复合铝板的四角钻孔并铆接，获得组装板坯；
3)利用冷轧机对组装板坯进行小压下量轧制，制备出啮合钢/铝层状复合板；
4)将啮合钢/铝层状复合板的钢侧快速加热，啮合钢/铝层状复合板钢侧温升，热量同步朝铝侧传输，实现啮合钢/铝层状复合板铝侧界面的微尺度熔化，使啮合钢/铝层状复合板的结合面出现微尺度固-液相现象；结合面微尺度固-液相现象可以减小界面冶金结合难度，降低热轧工序的压下量；
5)对加热后的啮合钢/铝层状复合板的钢侧表面和铝侧表面进行快速降温，在厚度方向上形成温度梯度，然后使用热轧机对啮合钢/铝层状复合板进行热轧，利用啮合钢/铝层状复合板的结合面微尺度固-液相现象和厚度方向温差，实现小压下量热轧制备界面空间冶金结合的钢/铝层状复合板；在厚度方向上形成温度梯度可以增加厚规格层状复合板热轧过程中的界面变形量，实现小压下量热轧制备高质量界面冶金结合钢/铝层状复合板。
6)对钢/铝层状复合板进行矫直、切边处理，获得合格的钢/铝层状复合板。
进一步，所述步骤1)中的待复合钢板为：船舶及海洋工程用钢、不锈钢、普碳钢、合金钢中的任意一种，待复合钢板厚度为3～100mm；待复合铝板为工业纯铝、3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金中的任意一种，厚度为3～100mm；所述步骤1)中在待复合钢板的待复合面制备出均匀的波纹的制备方法为塑性成形法或机械加工法；波纹高度H与宽度B之比为1:1～1:5。
再进一步，所述步骤1)中待复合钢板和待复合铝板打磨后的表面粗糙度为Ra25～200。
更进一步，所述步骤3)中小压下量轧制的压下量为待复合钢板波纹面波纹高度的2～4倍，这样才能保证待复合钢板与待复合铝板轧制时，复合界面能够完全啮合，实现加热过程中隔绝界面氧化的目标。
更进一步，所述步骤4)中啮合钢/铝层状复合板的钢侧加热后的温度为800℃～1100℃。
小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的设备，包括辊道、冷轧机、平板式感应加热装置、冷却装置和热轧机，所述冷轧机、平板式感应加热装置、冷却装置和热轧机从左往右依次设置在辊道中，构成轧制生产线。
进一步，所述冷却装置由对称布置的钢侧冷却装置和铝侧冷却装置组成。
再进一步，所述冷轧机与热轧机水平设置，且冷轧机的轧制线高度与热轧机的轧制线高度一致。
更进一步，所述平板式感应加热装置用于对钢/铝层状复合板的钢侧进行加热。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明在待复合钢板的待复合面加工波纹，并进行冷轧，对冷轧形成的啮合钢/铝层状复合板钢侧快速加热，使啮合钢/铝层状复合板的结合面出现微尺度固-液相现象，然后进行快速冷却并进行热轧，实现了小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板，避免了爆炸复合法噪音污染大、产品性能不稳定的问题；解决了冷轧钢/铝层状复合板厚度受限，且初道次压下率大的问题；解决了热轧厚规格钢/铝层状复合板过程中，钢和铝界面氧化以及钢变形量小的问题；解决了厚规格钢/铝层状复合板无法连续热轧制备的问题，可以制备出界面空间冶金结合的厚规格钢/铝层状复合板，且产品性能稳定，结合强度高。
附图说明
图1为本发明设备的结构示意图；
图2为本发明待复合钢板波纹面波纹放大图；
图3为本发明实施例1中Q235/3003层状复合板示意和实物界面SEM图；
图中：辊道—1、冷轧机—2、平板式感应加热装置—3、冷却装置—4、热轧机—5、钢/铝层状复合板—6、啮合钢/铝层状复合板—7、待复合钢板—8、待复合铝板—9。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
如图1、图2所示，一种小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法，采用该方法制备Q235/3003层状复合板，包括以下步骤：
1)：准备一块长×宽×高为3000×400×14mm的待复合Q235钢板8，利用塑性成形方法将待复合Q235钢板8的待复合面制备出波纹面，波纹高度H＝2mm、波纹宽度B＝4mm，将带有波纹面的待复合Q235钢板8在600℃下退火2小时后空冷，用打磨机打磨待复合Q235钢板8的波纹面，清除波纹面的油污和氧化膜，用丙酮和酒精将波纹面清洗干净，静置烘干；选择长×宽×高为3000×400×14mm的待复合3003铝合金板9，用打磨机打磨待复合3003铝合金板9的待复合面，清除表面油污和氧化膜，用丙酮和酒精将待复合面清洗干净，静置烘干；
2)：将待复合Q235钢板8和待复合3003铝合金板9对齐叠放在一起，使待复合Q235钢板8的波纹面与待复合3003铝合金板9的待复合面接触，然后将板坯四角钻孔并铆接，获得组装板坯；
3)：利用冷轧机2对组装板坯进行轧制，轧制速度为0.05mm/s，轧制压下量5mm，制备出啮合Q235/3003层状复合板7；
4)：啮合Q235/3003层状复合板7通过辊道1，以0.05m/s的速度沿着轧制方向移动，经过平板式感应加热装置3，啮合Q235/3003层状复合板7的钢侧被平板式感应加热装置3快速加热到900℃，啮合Q235/3003层状复合板7钢侧温升，热量同步朝铝侧传输，啮合Q235/3003层状复合板7啮合界面铝侧出现约2μm厚的熔化层，形成固-液相结合面；
5)：啮合Q235/3003层状复合板7继续沿轧制方向移动，经过冷却装置4，钢侧冷却装置以1kW/(m2·K)的冷却强度对啮合Q235/3003层状复合板7的Q235钢表面进行冷却，铝侧冷却装置以1.5kW/(m2·K)的冷却强度对啮合Q235/3003层状复合板7的3003铝合金表面进行冷却，形成厚度方向温度梯度，3003铝合金表面温度约200℃，Q235钢表面温度约600℃，然后使用热轧机5对啮合Q235/3003层状复合板7进行热轧，轧制速度0.065m/s，轧制压下量3mm，利用啮合Q235/3003层状复合板7的结合面微尺度固-液相现象和厚度方向温差，实现小压下量制备界面空间冶金结合的Q235/3003层状复合板6；
6)：对Q235/3003层状复合板6进行矫直、切边处理，获得合格的Q235/3003层状复合板6。
空间冶金结合的Q235/3003层状复合板6的结合界面如图3所示，可以看出界面呈现明显的波纹界面，界面结合良好，无空洞现象，界面剪切强度达到了85MPa以上。与现有轧制厚规格钢/铝层状复合板工艺相比，该工艺两道次总压下量28.6％，实现了钢/铝层状复合板连续制备，降低了对设备的需求，获得了界面空间冶金结合的钢/铝层状复合板，结合强度满足要求，整个过程无需对界面进行防氧化保护，极大的降低了制备成本。
如图1所示，小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的设备，包括辊道1、冷轧机2、平板式感应加热装置3、冷却装置4和热轧机5，所述冷轧机2、平板式感应加热装置3、冷却装置4和热轧机5从左往右依次设置在辊道1中，构成轧制生产线，所述冷却装置4由对称布置的钢侧冷却装置和铝侧冷却装置组成。所述冷轧机2与热轧机5水平设置，且冷轧机2的轧制线高度与热轧机5的轧制线高度一致。所述平板式感应加热装置3用于对钢/铝层状复合板的钢侧进行加热。
实施例2
如图1、图2所示，一种小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法，采用该方法制备Q235B/5083层状复合板，包括以下步骤：
1)：准备一块长×宽×高为6000×500×100mm的待复合Q235B钢板8，利用塑性成形方法将待复合Q235 B钢板8的待复合面制备出波纹面，波纹高度H＝8mm、波纹宽度B＝8mm，将带有波纹面的待复合Q235B钢板8在600℃下退火2小时后空冷，用打磨机打磨待复合Q235B钢板8的波纹面，清除波纹面的油污和氧化膜，用丙酮和酒精将波纹面清洗干净，静置烘干；选择长×宽×高为6000×500×100mm的待复合5083铝合金板9，用打磨机打磨待复合5083铝合金板9的待复合面，清除表面油污和氧化膜，用丙酮和酒精将待复合面清洗干净，静置烘干；
2)：将待复合Q235B钢板8和待复合5083铝合金板9对齐叠放在一起，使待复合Q235B钢板8的波纹面与待复合5083铝合金板9的待复合面接触，然后将板坯四角钻孔并铆接，获得组装板坯；
3)：利用冷轧机2对组装板坯进行轧制，轧制速度为0.01mm/s，轧制压下量16mm，制备出啮合Q235B/5083层状复合板7；
4)：啮合Q235B/5083层状复合板7通过辊道1，以0.01m/s的速度沿着轧制方向移动，经过平板式感应加热装置3，啮合Q235B/5083层状复合板7的钢侧被平板式感应加热装置3快速加热到800℃，啮合Q235B/5083层状复合板7钢侧温升，热量同步朝铝侧传输，啮合Q235B/5083层状复合板7啮合界面铝侧出现约2μm厚的熔化层，形成固-液相结合面；
5)：啮合Q235B/5083层状复合板7继续沿轧制方向移动，经过冷却装置4，钢侧冷却装置以2kW/(m2·K)的冷却强度对啮合Q235B/5083层状复合板7的Q235B钢表面进行冷却，铝侧冷却装置以4kW/(m2·K)的冷却强度对啮合Q235B/5083层状复合板7的5083铝合金表面进行冷却，形成厚度方向温度梯度，5083铝合金表面温度约150℃，Q235钢表面温度约550℃，然后使用热轧机5对啮合Q235B/5083层状复合板7进行热轧，轧制速度0.012m/s，轧制压下量15mm，利用啮合Q235B/5083层状复合板7的结合面微尺度固-液相现象和厚度方向温差，实现小压下量制备界面空间冶金结合的Q235B/5083层状复合板6；
6)：对Q235B/5083层状复合板6进行矫直、切边处理，获得合格的Q235B/5083层状复合板6。
如图1所示，小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的设备，包括辊道1、冷轧机2、平板式感应加热装置3、冷却装置4和热轧机5，所述冷轧机2、平板式感应加热装置3、冷却装置4和热轧机5从左往右依次设置在辊道1中，构成轧制生产线，所述冷却装置4由对称布置的钢侧冷却装置和铝侧冷却装置组成。所述冷轧机2与热轧机5水平设置，且冷轧机2的轧制线高度与热轧机5的轧制线高度一致。所述平板式感应加热装置3用于对钢/铝层状复合板的钢侧进行加热。
实施例3
如图1、图2所示，一种小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法，采用该方法制备304/1060层状复合板，包括以下步骤：
1)：准备一块长×宽×高为12000×1000×3mm的待复合304不锈钢板8，利用塑性成形方法将待复合304不锈钢板8的待复合面制备出波纹面，波纹高度H＝0.3mm、波纹宽度B＝1.5mm，将带有波纹面的待复合304不锈钢板8在600℃下退火2小时后空冷，用打磨机打磨待复合304不锈钢板8的波纹面，清除波纹面的油污和氧化膜，用丙酮和酒精将波纹面清洗干净，静置烘干；选择长×宽×高为12000×1000×3mm的待复合1060工业纯铝板9，用打磨机打磨待复合1060工业纯铝板9的待复合面，清除表面油污和氧化膜，用丙酮和酒精将待复合面清洗干净，静置烘干；
2)：将待复合304不锈钢板8和待复合1060工业纯铝板9对齐叠放在一起，使待复合304不锈钢板8的波纹面与待复合1060工业纯铝板9的待复合面接触，然后将板坯四角钻孔并铆接，获得组装板坯；
3)：利用冷轧机2对组装板坯进行轧制，轧制速度为0.5mm/s，轧制压下量1.2mm，制备出啮合304/1060层状复合板7；
4)：啮合304/1060层状复合板7通过辊道1，以0.5m/s的速度沿着轧制方向移动，经过平板式感应加热装置3，啮合304/1060层状复合板7的钢侧被平板式感应加热装置3快速加热到1100℃，啮合304/1060层状复合板7钢侧温升，热量同步朝铝侧传输，啮合304/1060层状复合板7啮合界面铝侧出现约2μm厚的熔化层，形成固-液相结合面；
5)：啮合304/1060层状复合板7继续沿轧制方向移动，经过冷却装置4，钢侧冷却装置以0.7kW/(m2·K)的冷却强度对啮合304/1060层状复合板7的304不锈钢表面进行冷却，铝侧冷却装置以1kW/(m2·K)的冷却强度对啮合304/1060层状复合板7的1060工业纯铝表面进行冷却，形成厚度方向温度梯度，1060工业纯铝表面温度约400℃，Q235钢表面温度约800℃，然后使用热轧机5对啮合304/1060层状复合板7进行热轧，轧制速度0.7m/s，轧制压下量1.5mm，利用啮合304/1060层状复合板7的结合面微尺度固-液相现象和厚度方向温差，实现小压下量制备界面空间冶金结合的304/1060层状复合板6；
6)：对304/1060层状复合板6进行矫直、切边处理，获得合格的304/1060层状复合板6。
如图1所示，小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的设备，包括辊道1、冷轧机2、平板式感应加热装置3、冷却装置4和热轧机5，所述冷轧机2、平板式感应加热装置3、冷却装置4和热轧机5从左往右依次设置在辊道1中，构成轧制生产线，所述冷却装置4由对称布置的钢侧冷却装置和铝侧冷却装置组成。所述冷轧机2与热轧机5水平设置，且冷轧机2的轧制线高度与热轧机5的轧制线高度一致。所述平板式感应加热装置3用于对钢/铝层状复合板的钢侧进行加热。
上述实施例1-3的步骤1)中的待复合Q235钢板、待复合Q235 B钢板、待复合304不锈钢板、待复合3003铝合金板、待复合5083铝合金板、待复合1060工业纯铝板用打磨机打磨后的表面粗糙度为Ra25～200。
上述实施例1-3所采用的待复合钢板还可以为合金钢，待复合铝板还可以为6系铝合金。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)准备待复合钢板和待复合铝板：取长度与宽度相同的待复合钢板和待复合铝板，将待复合铝板退火处理，除去待复合铝板待复合面的油污、氧化膜后打磨，静置烘干；在待复合钢板的待复合面制备出均匀的波纹，然后进行退火处理，除去待复合钢板波纹面的油污和氧化膜，并打磨，静置烘干；
2)将处理好的待复合钢板和待复合铝板对齐叠放，并使待复合钢板的波纹面与待复合铝板的待复合面接触，将待复合钢板和待复合铝板的四角钻孔并铆接，获得组装板坯；
3)利用冷轧机对组装板坯进行小压下量轧制，制备出啮合钢/铝层状复合板；
4)将啮合钢/铝层状复合板的钢侧快速加热，啮合钢/铝层状复合板钢侧温升，热量同步朝铝侧传输，实现啮合钢/铝层状复合板铝侧界面的微尺度熔化，使啮合钢/铝层状复合板的结合面出现微尺度固-液相现象；
5)对加热后的啮合钢/铝层状复合板的钢侧表面和铝侧表面进行快速降温，在厚度方向上形成温度梯度，然后使用热轧机对啮合钢/铝层状复合板进行热轧，利用啮合钢/铝层状复合板的结合面微尺度固-液相现象和厚度方向温差，实现小压下量热轧制备界面空间冶金结合的钢/铝层状复合板；
6)对钢/铝层状复合板进行矫直、切边处理，获得合格的钢/铝层状复合板。
2.根据权利要求1所述的小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法，其特征在于：所述步骤1)中的待复合钢板为：船舶及海洋工程用钢、不锈钢、普碳钢、合金钢中的任意一种，待复合钢板厚度为3～100mm；待复合铝板为工业纯铝、3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金中的任意一种，厚度为3～100mm；所述步骤1)中在待复合钢板的待复合面制备出均匀的波纹的制备方法为塑性成形法或机械加工法；波纹高度H与宽度B之比为1:1～1:5。
3.根据权利要求1所述的小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法，其特征在于：所述步骤1)中待复合钢板和待复合铝板打磨后的表面粗糙度为Ra25～200。
4.根据权利要求1所述的小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法，其特征在于：所述步骤3)中小压下量轧制的压下量为待复合钢板波纹面波纹高度的2～4倍。
5.根据权利要求1所述的小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的方法，其特征在于：所述步骤4)中啮合钢/铝层状复合板的钢侧加热后的温度为800℃～1100℃。
6.小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的设备，其特征在于：包括辊道、冷轧机、平板式感应加热装置、冷却装置和热轧机，所述冷轧机、平板式感应加热装置、冷却装置和热轧机从左往右依次设置在辊道中，构成轧制生产线。
7.根据权利要求6所述的小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的设备，其特征在于：所述冷却装置由对称布置的钢侧冷却装置和铝侧冷却装置组成。
8.根据权利要求6所述的小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的设备，其特征在于：所述冷轧机与热轧机水平设置，且冷轧机的轧制线高度与热轧机的轧制线高度一致。
9.根据权利要求6所述的小压下量冷-热连轧制备钢/铝层状复合板的设备，其特征在于：所述平板式感应加热装置用于对钢/铝层状复合板的钢侧进行加热。
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