CN111266421B - 铝钢复合材料及其制备方法和电站空冷设备 - Google Patents

铝钢复合材料及其制备方法和电站空冷设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及铝钢复合材料及其制备方法和电站空冷设备。其中，铝钢复合材料包括：盐浴渗氮处理，将钢板进行盐浴渗氮处理；轧制处理，将经过盐浴渗氮处理的钢板与铝板轧制复合。钢层表面经过盐浴渗氮处理后，在表面形成的微米级化合物层易在后续轧制处理过程中破碎，形成更为牢固的物理咬合。

Description

铝钢复合材料及其制备方法和电站空冷设备
技术领域
本申请涉及层状复合材料领域，具体涉及铝钢复合材料及其制备方法和电站空冷设备。
背景技术
铝钢层状复合材料同时具有铝的质轻、耐腐蚀、良好的导电及导热性能，与钢的高强度、低成本等优点。铝钢复合材料在航空航天、机械、化工、食品等领域获得广泛应用。但由于铝、钢两种金属的物理、化学性能存在较大差异，尤其是熔点和力学性能存在较大差别，以及在高温下可生成金属间化合物的特点，对铝/钢复合带材的生产及600℃以上高温钎焊条件下的应用提出了较高的要去，因此提高铝钢界面结合强度及界面金属间化合物生成的临界温度一直是行业研究的主要方向。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本申请提供一种铝钢复合材料的制备方法，该方法通过对钢板进行盐浴渗氮处理，在钢层形成一层铁氮化合物层，再与铝板进行轧制复合得到的复合板界面结合强度和高温退火形成的界面金属间化合物的临界温度都较高。
根据本申请一个方面，所述铝钢复合材料的制备方法，包括：盐浴渗氮处理，将钢板进行盐浴渗氮处理；轧制处理，将经过盐浴渗氮处理的钢板与铝板轧制复合。
根据本申请一些实施例，所述盐浴渗氮处理之前，包括：打磨处理，用砂带打磨钢板。
根据本申请一些实施例，所述钢板包括低碳钢钢板。
根据本申请一些实施例，所述盐浴渗氮处理的条件包括：温度为580-640℃，时间为30-150分钟。
根据本申请一些实施例，所述盐浴渗氮处理之后还包括：将所述经过渗氮处理的钢板取出，经由降温处理；将所述降温处理过的钢板，经由清洗处理；将所述清洗处理过的钢板，经由干燥处理。
根据本申请一些实施例，所述盐浴渗氮处理后，钢板表面生成Fe-N化合物。
根据本申请一些实施例，所述Fe-N化合物的厚度为2至15微米。
根据本申请一些实施例，所述铝板包括：工业纯铝或低合金化的铝合金板。
根据本申请一些实施例，所述轧制处理包括：单道次冷轧复合。
根据本申请一些实施例，所述单道冷轧复合条件包括：冷轧复合压下量为50-60％。
根据本申请一些实施例，所述轧制复合处理之后，还包括：退火处理，对所述铝钢复合材料进行扩散退火处理。
根据本申请一些实施例，所述扩散退火处理条件包括：退火温度为520-550℃，退火时间为10-24小时。
根据本申请另一方面，还提供一种铝钢复合材料，由如上所述的制备方法制备而成。
根据本申请另一方面，还提供一种电站空冷设备，包括前述铝钢复合材料。
本申请各个实施例的方案的应用能够提高铝钢复合材料界面结合强度，并在高温条件下也不易生成不可逆的金属间化合物。该方法制备的铝钢复合材料使铝钢带材的结合性能相对于未经本方法制备的铝钢复合材料，更为优异，对推广铝钢层状复合材料的应用范围，具有十分重要的意义。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为根据本申请示例性实施例的铝钢复合材料的制备方法流程；
图1-A为根据本申请示例性实施例的待复合钢板经盐浴渗氮处理后生成化合物的X射线衍射(XRD)图谱；
图2为根据本申请另一示例性实施例的铝钢复合材料的制备方法流程；
图3为根据本申请示例性实施例的渗氮后的钢板截面金相照片；
图4A为根据本申请示例性实施例的冷轧后复合材料界面扫描电镜照片；
图4B为根据本申请对比例的未经渗氮处理的钢板与铝板冷轧复合材料界面扫描电镜照片；
图5A为根据本申请示例性实施例的铝钢复合材料经退火处理的200倍放大倍数界面金相照片；
图5B为根据本申请示例性实施例的铝钢复合材料经退火处理的500倍放大倍数界面金相照片；
图6A为根据本申请对比例的铝钢复合材料经退火处理的200倍放大倍数界面金相照片；
图6B为本剧本申请对比例的铝钢复合材料经退火处理的500倍放大倍数界面金相照片；
图7为根据本申请示例性实施例与对对比例的剥离强度柱形图。
附图标记列表：
301 化合物层
401 铝层
403 钢层
405 化合物层
407 铝层
409 钢层
501 铝层
502 钢层
503 化合物层
601 铝层
603 钢层
605 金属间化合物
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本申请的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语"纵向"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个所述特征。在本申请的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"接触"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
金属层状复合材料的生产过程当中，金属表面状态起着非常重要的作用。金属表面从外到内依次存在四层物质，包括有吸附层、氧化层、过渡层和集体层。吸附层和氧化层是影响金属界面复合的主要表面因素。只有将待复合金属表面的吸附层及氧化层清理掉，并在金属表面形成一层硬化层，在轧制复合过程中，硬化层破碎，新鲜组元金属发生直接接触，并通过一定的塑性变形,形成牢固的界面结合。生产铝钢复合带材的同时，通常采用在线表面处理技术，如钢丝刷或砂带打磨表面，制出连续稳定的新鲜待复合界面，从而实现铝钢复合带材中铝钢界面的连续稳定复合。但通过在线打磨处理后的钢层表面的硬化层只有2-3微米，硬化层容易破碎，使得铝钢新鲜金属接触并发生协同塑性变形，导致铝钢界面较为平整，界面结合的强度有限。
目前，4A60铝合金/08Al钢复合带材界面结合强度有限，并且在600℃以上易生成不可逆的、硬而脆的金属间化合物，使铝钢带材的结合性能变差，甚至可能造成铝层的脱落，严重影响铝钢界面的力学性能及产品的使用寿命。本申请针对上述问题，通过对08Al钢板进行盐浴渗氮处理，再与4A60铝板进行冷轧复合。
以下结合附图对本申请的示例性实施例进行说明，应当理解，此处所描述的示例性实施例仅用于说明和解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例
图1为根据本申请示例性实施例的铝钢复合材料的制备方法流程。
图1-A为根据本申请示例性实施例的待复合钢板经盐浴渗氮处理后生成化合物的X射线衍射(XRD)图谱。
参见图1，根据本申请示例性实施例，首先进行S101，对钢板进行打磨处理，用砂带打磨钢板。上述钢板通常会选用低碳钢板，在本实施例中，选用厚度为2.7毫米的退火态08Al钢，并对钢板进行在线砂带打磨，选用80号砂带，去除表面的油膜，并增加钢板表面粗糙度，便于后期轧制复合。打磨处理后的08Al钢板沿打磨方向及垂直于打磨方向的平均粗糙度分别为1.316微米和7.611微米。
在S103，为盐浴渗氮处理，随后转入S105。在本实施例中，将在线打磨过的08Al钢板由线切割成规格为100毫米×250毫米的试样，将试样放入IN-80型QPQ盐浴渗氮炉内进行盐浴渗氮处理。根据本申请示例性实施例，通常，上述盐浴渗氮处理的条件为：温度在580-640℃，时间在30-150分钟。在本实施例中，08Al钢板在盐浴渗氮炉内进行温度为600℃，时长为1小时的渗氮处理，在钢板的表面生成Fe-N化合物。如图1-A所示，上述Fe-N化合物经X射线衍射(XRD)分析，其该化合物所产生的2θ衍射角的衍射峰所反应的晶型与Fe3N很好地对应。
在S105，为轧制处理。轧制处理包括：将经过盐浴渗氮处理的钢板与铝板轧制复合。在本实施例中，将经过渗氮处理的08Al钢板试样与规格为1毫米×100毫米×250毫米的4A60铝合金板在实验轧机上进行单道次冷轧复合。根据本申请一些实施例，铝板可以选择包括工程纯铝或低合金化的铝合金板。在本实施例中，上述冷轧复合的工作辊的直径为φ170mm，支撑辊直径为φ350mm。根据本申请示例性实施例，冷轧复合压下量在50％-60％之间，在本实施例中，冷轧复合压下量为60％，轧制速度为3米/分钟。
图2为根据本申请另一示例性实施例的铝钢复合材料的制备方法流程。
参见图2，根据本申请示例性实施例，首先进行步骤S201，打磨处理，用沙袋打磨钢板。在本实施例中，选用厚度为2.7毫米的退火态08Al钢，并对钢板进行在线砂带打磨，去除表面的油膜，并增加钢板表面粗糙度，便于后期轧制复合。打磨处理后的08Al钢板沿打磨方向及垂直于打磨方向的平均粗糙度分别为1.316微米和7.611微米。
如图2所示，在S203中，盐浴渗氮处理，将经过打磨处理的钢板进行盐浴渗氮处理。在本实施例中，将在线打磨过的08Al钢板由线切割成规格为100毫米×250毫米的试样，将试样放入IN-80型QPQ盐浴渗氮炉内进行盐浴渗氮处理。根据本申请示例性实施例，通常，上述盐浴渗氮处理的条件为：温度在580-640℃，时间在30-150分钟。在本实施例中，08Al钢板在盐浴渗氮炉内进行温度为600℃，时长为1小时的渗氮处理。
图3为根据本申请示例性实施例的渗氮后的钢板截面金相照片。
参见图3，根据本申请示例性实施例的渗氮后的钢板侧面形貌图中可以看出，301为钢板的表面生成Fe3N化合物层，该化合物层的厚度约为2至15微米。
参见图2，根据本申请示例性实施例，在S205中，将经过盐浴渗氮处理的钢板进行降温处理、清洗处理、干燥处理。在本实施例中，将08Al钢板从盐浴渗氮炉内取出，油冷然后用丙酮清洗，再用清水洗净，吹干备用。
如图2所示，在S207中，轧制处理，将经过盐浴渗氮处理的钢板与铝板轧制复合。在本实施例中，将经过渗氮处理的08Al钢板试样与规格为1毫米×100毫米×250毫米的4A60铝合金板在实验轧机上进行单道次冷轧复合。根据本申请一些实施例，铝板可以选择包括工程纯铝或低合金化的铝合金板。在本实施例中，上述冷轧复合的工作辊的直径为φ170mm，支撑辊直径为φ350mm。根据本申请示例性实施例，冷轧复合压下量在50％-60％之间，在本实施例中，冷轧复合压下量为60％，轧制速度为3米/分钟。经过轧制处理，一些钢板试样用于做金相观察实验，观察复合材料的金相照片。
参见图2，根据本申请示例性实施例，在S209中，退火处理，对铝钢复合材料进行扩散退火处理，退火处理的条件包括：温度在520-550℃，退火时间为10-24小时。在本实施例中，冷轧复合后得到的铝钢复合材料样板放置在KBF-1600型箱式炉内进行退火，退火的条件为530℃，退火时间为15小时。升温速率为10℃/分钟。为了确定冷轧复合机扩散退火后的铝钢复合材料的界面结合强度，将试样制成可用于剥离强度测试的试样。为了确定铝钢复合材料的高温下界面金属间化合物的生成情况，将冷轧复合板制成另外的试样放入型号为SK2-4-12管式炉中进行退火处理，退火条件为630℃保温1.5/3-4小时。退火试验前，试样放置区炉膛温度用FLUKE52Ⅱ型热电偶进行温度校准，保证炉膛温度波动在±2℃范围内。同理，对铝钢复合材料界面进行金相观察。
对比例
在对比例中，钢板采用2.7毫米厚的退火态08Al钢，与实施例相同。首先对钢板进行砂带打磨，去除表面油膜，便于后期轧制复合。打磨后的钢板沿打磨方向及垂直于打磨方向的粗糙度与实施例中所提供的钢板一致，此处不再赘述。随后将钢板试样与实施例中规格一样的1mm×100mm×250mm的4A60铝合金板在实验轧机上进行单道次冷轧复合，工作辊直径为φ170mm，支撑辊直径为φ350mm，冷轧复合压下量为60％，轧制速度为3m/min。经冷轧后，再将经冷轧复合的铝钢复合材料试样在KBF-1600型箱式炉内进行退火，退火的条件为530℃，退火时间为15小时，升温速率为10℃/分钟。
为了确定轧制复合及扩散退火后的铝钢界面结合强度，并与实施例中的铝钢复合材料界面结合强度、金相观察界面等对比，制作用于检测的试样。
图4A为根据本申请示例性实施例的冷轧后复合材料界面扫描电镜照片。
参见图4A，根据本申请示例性实施例，经过盐浴渗氮处理的铝钢复合材料界面形貌，不难看出，在铝层401与钢层403之间的铝钢界面间的渗氮化合物层405有较大程度的破裂，铝层401与钢层403之间发生明显的机械嵌合。如图4A的局部放大图所示，局部化合物层破裂程度较小处，铝层也能挤入化合物层405与基体钢层发生咬合。
图4B为根据本申请对比例的未经渗氮处理的钢板与铝板冷轧复合材料界面扫描电镜照片。
参见图4B，根据对比例，可以明显看出，未经盐浴渗氮处理制备的铝钢复合材料界面较为平整，在铝层407和钢层409中间没有发现明显的机械咬合。
图5A为根据本申请示例性实施例的铝钢复合材料经退火处理的200倍放大倍数界面金相照片。
图5B为根据本申请示例性实施例的铝钢复合材料经退火处理的500倍放大倍数界面金相照片。
参见图5A，根据本申请示例性实施例，经过渗氮处理的铝钢复合材料，再经过退火处理(条件为630℃，3小时)后的界面组织形貌，从图中可以看出，铝层501与钢层502中间出现较少的金属间化合物，生成的金属间化合物层最大厚度约20微米。
如图5B所示，为图5A的高倍数界面形貌，根据本申请示例性实施例，可以看出，金属间化合物503出现的位置，主要位于渗氮化合物层附近，对于界面较大裂口处，铝钢界面处几乎没有金属间化合物生成。
图6A为根据本申请对比例的铝钢复合材料经退火处理的200倍放大倍数界面金相照片。
图6B为根据本申请对比例的铝钢复合材料经退火处理的500倍放大倍数界面金相照片。
参见图6A及6B，根据本申请对比例，钢板未经渗氮处理的铝钢复合材料不同放大倍数的界面组织形貌，从图中可以看出，在退火处理条件为630℃，1.5小时后，铝钢界面形成了一层明显的金属间化合物层，经过测量，该金属间化合物的平均厚度约为30微米，与本申请实施例中退火处理3小时后仍未出现明显金属化合物的铝钢复合材料形成鲜明的对比。
图7为根据本申请示例性实施例与对对比例的剥离强度柱形图。
参见图7，根据本申请示例性实施例与对比例，为了确定渗氮轧制复合处理及扩散退火处理对铝钢界面结合强度的性能影响，并将实施例与对比例进行对比，将上述实施例与对比例制备的试样分别切取成10毫米×120毫米的剥离拉伸试样，每个试样取三个，测得的剥离强度取三个结果的平均值。
如图7所示，实施例中钢板经过渗氮处理的铝钢复合材料的界面剥离强度17.8N/mm，高于钢板未经渗氮处理制成的铝钢复合材料14.6N/mm。实施例中的经过退火处理并且钢板经过渗氮处理的铝钢复合材料的剥离强度为20.1N/mm，高于经过退火处理并且未经渗氮处理的铝钢复合材料强度为16.3N/mm。在本申请实施例中，对于钢板经过渗氮处理的铝钢复合材料，进一步经过退退火处理的铝钢复合材料的界面剥离强度也是高于未经退货处理的铝钢复合材料。
综合本申请实施例与对比例，不难看出，钢板经过表面盐浴渗氮处理后，在表面形成的微米级Fe3N化合物层在铝钢冷轧复合过程中会发生破碎，并沿轧制方向扩展，促进新鲜的铝层更多的与钢层接触，形成更为牢固的物理咬合结构。同时，在高温模拟钎焊条件下，经过渗氮处理的钢层，由于氮原子的渗入，提高了晶格的饱和度，抑制了铁原子的扩散，使得铝钢界面不易生成铝铁金属间化合物。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
最后应说明的是：以上所述仅为本申请的示例性实施例而已，并不用于限制本申请，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种铝钢复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
盐浴渗氮处理，将钢板进行盐浴渗氮处理；
轧制处理，将经过盐浴渗氮处理的钢板与铝板轧制复合；
其中，所述盐浴渗氮处理的条件包括：温度为580-640℃，时间为30-150分钟；所述盐浴渗氮处理在IN-80型QPQ盐浴渗氮炉内进行；
所述盐浴渗氮处理后，钢板表面生成Fe3N。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述盐浴渗氮处理之前，包括：打磨处理，用砂带打磨钢板。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钢板包括低碳钢钢板。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述盐浴渗氮处理之后还包括：
将所述经过渗氮处理的钢板取出，进行降温处理；
将所述降温处理过的钢板，经由清洗处理；
将所述清洗处理过的钢板，经由干燥处理。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Fe3N的厚度为2至15微米。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝板包括：工业纯铝或低合金化的铝合金板。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述轧制处理包括：单道次冷轧复合。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述单道次冷轧复合条件包括：冷轧复合压下量为50-60%。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述轧制处理之后，还包括：退火处理，对所述铝钢复合材料进行扩散退火处理。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述扩散退火处理条件包括：退火温度为520-550℃，退火时间为10-24小时。
11.一种铝钢复合材料，其特征在于，由如权利要求1-10中任一项所述的制备方法制备而成。
12.一种电站空冷设备，其特征在于，包括如权利要求11所述的铝钢复合材料。
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