CN112828040A - 一种以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法，其包括以下步骤：S1、准备铝板、钛板和钢板；S2、在感应加热装置中通入保护气体并对组合在一起的钛板和钢板感应加热；S3、将加热后的钛板和钢板与铝板叠放在一起进行轧制；S4、冷却；S5、切割。本发明以钛为中间层，对钛板和钢板同时加热，使钛板和钢板均处于高温状态，再与室温铝板一起进行轧制，使铝/钛和钛/钢的界面分别处于低温和高温的双温状态下轧制复合，得到变形协调、板形较好、结合性能优良的铝钛钢过渡接头。

Description

一种以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法
技术领域
本发明属于金属复合板制备技术领域，具体涉及一种双温轧制制备铝钛钢复合板的方法。
背景技术
为降低舰船重心增加稳定性并减轻其重量提高航速，舰船上层建筑和围壁采用铝合金结构，主船体采用钢结构，铝合金与钢结构的连接方式现今大部分已由传统的螺栓连接替换为添加铝钢过渡接头为过渡层进行焊接(舰船铝合金结构与过渡接头的铝侧焊接，舰船钢结构与过渡结构的钢侧焊接)。铝钢过渡接头则由铝钢复合板切割加工而成，制备性能优良的铝钢过渡接头是实现舰船铝合金和钢结构之间可靠连接的重要保障。
现今，过渡接头用铝钢复合板大多由爆炸复合法生产，钛板常被用作中间层以提高结合强度和性能。轧制复合法是将不同的金属板材叠层放置后通过旋转的轧辊，在轧制力的作用下相邻金属复合表面发生塑性变形，使表面金属膜破裂，内部金属露出并在强大压力和温度作用下，形成冶金结合。轧制复合法具有高效、连续、污染小和产品质量稳定可靠等优点，已成为国内外生产层状复合板的发展趋势。
但使用传统的轧制复合法生产铝钛钢复合板时存在如下问题：钛/钢的轧制复合温度在760℃以上，而铝/钛的轧制复合温度在500℃以下，这使铝/钛/钢无法在同一温度下进行轧制复合。而若想通过两步法轧制成形，第一种方式：铝/ 钛先在低温下复合后再与钢在高温下复合，这种方式在第二次轧制时温度受到铝熔点的限制，无法达到760℃以上，则钛/钢不能实现高强度复合；第二种方式：钛/钢先在高温下复合后再与铝在低温下复合，在第二次轧制时，由于相同温度下，铝的变形抗力远低于钛和钢，使得铝的变形要远大于钛和钢的变形，则铝/钛/钢三层金属会发生严重的变形不协调，在轧制区域内，铝的前滑变形量远大于钛和钢的前滑变形量，当轧制前部区域的铝堆积量达到一定程度时，就会发生搓裂现象。另外，已经复合的钛钢界面在低温下进行再次轧制也容易使结合强度降低甚至发生开裂。所以采用现有的轧制复合技术很难生产出铝钛钢复合板。
发明内容
为了解决铝/钛和钛/钢各自的轧制复合对温度的要求相差较大，而且铝和钛/钢之间力学性能差异大，无法采用现有的轧制复合法制备出铝钛钢复合板的问题，本发明先将钛/钢加热至高温，然后与室温铝板叠放后同时进行轧制，使铝/钛界面和钛/钢界面分别处于低温和高温的双温状态下形成高强度复合，再通过冷却工艺控制，避免钛/钢侧温度传递至铝侧使铝钛界面温度长时间处于 350℃以上，进而阻止铝钛界面处化合物的生成。
具体地，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法，其包括以下步骤：
S1、准备铝板、钛板和钢板：选取长宽尺寸相同的铝板、钛板和钢板，钢板厚度为15～25mm，铝板厚度为钢板厚度的2/3～1，钛板厚度为钢板厚度的 1/4～1/3；去除铝板、钛板和钢板待复合面的氧化层并清洗干净；
S2、气体保护状态下加热：将钛板和钢板叠放在一起并放置在加热装置中，在保护气体外罩中通入保护气体一定时间t，并将钛板和钢板加热至850℃～900℃；
S3、与铝板叠放后轧制：将加热后的钛板和钢板推出加热装置，并将铝板放置在钛板上，用轧机对叠放后的坯料进行轧制，压下率为30％～50％，得到铝钛钢金属复合板；
S4、冷却：对轧制后复合板进行喷水冷却，减少铝钛界面处化合物的生成，冷却过程中保持铝板正表面中心温度不超过温度阈值T，得到铝钛钢复合板，温度阈值T由下式确定：
Figure RE-GDA0003016716570000021
式中，T0为钛板和钢板的加热温度，单位为℃；h1、h2、h3分别为铝板、钛板、钢板的厚度，单位为mm；λ1、λ2、λ3分别为铝板、钛板、钢板的导热系数，单位为W/(m·℃)；
S5、切割：对铝钛钢金属复合板进行切割加工，得到成品铝钛钢过渡接头。
优选地，步骤S1中的去除待复合界面氧化层的方法为使用弹性磨盘或钢丝刷打磨。
优选地，步骤S2中的通入保护气体的时间t为4～6min。
优选地，步骤S3中的加热装置为中频感应加热装置。
优选地，步骤S4中的轧制速度为0.05m/s～0.2m/s。
优选地，步骤S5中的切割方式为锯条切割或线切割。
与现存工艺相比，本发明具有如下优点：
1.本发明以钛为中间层，通过热轧复合法制备出铝钛钢过渡接头，并通过冷却工艺控制减少铝钛界面化合物的生成，提高过渡接头的性能。
2.本发明通过只加热钛板和钢板，使铝板处于室温状态下，实现了铝钛钢过渡接头在轧制过程中的协调变形，极大地提升了过渡接头的结合强度和板形质量。
3、本发明在轧制后，需要冷却处理，通过冷却温度的控制，能够减少铝钛界面处化合物的生成，得到的铝钛钢复合板变形协调，不同金属组元之间沿轧制方向伸长量近似，板形平直，板材各层组织相对均匀。利用本发明轧制得到的铝钛钢过渡接头变形协调，不同金属组元之间沿轧制方向伸长量近似，成型板材曲率半径为989mm以上，并且仅需30％的压下率就实现了界面的有效结合，复合板界面拉脱强度为72MPa以上。
附图说明
图1为本发明实施例中以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的示意图。
图2是本发明的流程示意图。
图中部分附图标记如下：
通气管—1、保护气体外罩—2、感应加热装置—3、钛板—4、钢板—5、铝板—6、轧辊—7、喷水口—8、冷却室—9。
具体实施方式
以下将借助实施例进一步描述本发明一种以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法的工艺，如图2所示，包括以下步骤：
S1、准备铝板、钛板和钢板：选取长宽尺寸相同的铝板、钛板和钢板，钢板厚度为15～25mm，铝板厚度为钢板厚度的2/3～1，钛板厚度为钢板厚度的 1/4～1/3；去除铝板、钛板和钢板待复合面的氧化层并清洗干净；
S2、气体保护状态下加热：将钛板和钢板叠放在一起并放置在加热装置中，在保护气体外罩中通入保护气体，并将钛板和钢板加热至850℃～900℃；
S3、与铝板叠放后轧制：将加热后的钛板和钢板推出加热装置，并将铝板放置在钛板上，用轧机对叠放后的坯料进行轧制，压下率为30％～50％，得到金属复合板。
S4、冷却：为减少铝钛界面处化合物的生成，对轧制后复合板进行喷水冷却，冷却过程中保持铝板正表面中心温度不超过T℃，得到铝钛钢复合板，T由下式确定：
Figure RE-GDA0003016716570000041
式中，T0为钛板和钢板的加热温度，单位℃；h1、h2、h3分别为铝板、钛板、钢板的厚度，单位mm；λ1、λ2、λ3分别为铝板、钛板、钢板的导热系数，单位 W/(m·℃)。
S5、切割：对铝钛钢复合板进行切割加工，得到成品铝钛钢过渡接头。
图1为实施例中的一种以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法示意图，通过通气管1在保护气体外罩2内通入保护气体，启动感应加热装置3对钢板5和钛板4进行加热，到达指定时间或指定温度后将加热好的坯料送往轧机，并在途中与室温铝板6叠放后进行轧制，轧制后的复合接头在冷却室9中经出水口8喷水冷却后成型。
实施例1
1.准备铝、钛、钢厚度分别为10mm、5mm、15mm，长宽分别为150mm和 100mm的6061铝合金板，TA1钛合金板，Q235钢板。用钢丝刷对待复合界面的氧化层和表面杂质进行清理，用酒精清洗表面，再用丙酮去除表面残留油脂，随后用酒精清洗掉残留丙酮，最后用烘干机立刻干燥备用；
2.将钛板和钢板组坯放入图1所示的感应加热装置中，在保护气体外罩内部填充氩气5min，开启感应加热装置，电流频率为10kHz，用红外测温仪实时测量， 48s后钛板/钢板温度达到850℃；
3.立即将钛板/钢板推至铝板下方后和铝板叠放后进行轧制，选择轧制速度为0.2m/s，压下率为30％；
4.对轧制后复合板进行喷水冷却，冷却过程中保持铝板正表面中心温度不超过T＝53℃，得到铝钛钢复合板，T由下式计算得出：
Figure RE-GDA0003016716570000051
式中，T0为钛板和钢板的加热温度，为850℃；h1、h2、h3分别为铝板、钛板、钢板的厚度，10mm、5mm、15mm；λ1、λ2、λ3分别为铝板、钛板、钢板的导热系数，分别为176W/(m·℃)、20W/(m·℃)、26W/(m·℃)。
5.使用锯条切割方式对铝钛钢复合板进行切割加工，长宽分别为210mm、 20mm，得到成品铝钛钢过渡接头。
本实施例得到的铝钛钢过渡接头变形协调，不同金属组元之间沿轧制方向伸长量近似，成型板材曲率半径为989mm，并且仅需30％的压下率就实现了界面的有效结合，复合板界面拉脱强度为72MPa。
实施例2
1.切取铝、钛、钢厚度分别为25mm、7mm、25mm，长宽分别为200mm和 120mm的6061铝合金板，TA1钛合金板，Q235钢板。用弹性磨盘对待复合界面的氧化层和表面杂质进行清理，用酒精清洗表面，再用丙酮去除表面残留油脂，随后用酒精清洗掉残留丙酮，最后用烘干机立刻干燥备用；
2.将钛板和钢板组坯放入图1所示的感应加热装置中，在保护气体外罩内部填充二氧化碳气体6min，开启感应加热装置，电流频率为2kHz，用红外测温仪实时测量，60s后钛板/钢板温度达到900℃；
3.立即推动推杆将钛/钢板和铝板组坯并进行轧制，选择轧制速度为 0.05m/s，压下率为50％；
4.对轧制后复合板进行喷水冷却，冷却过程中保持铝板正表面中心温度不超过T＝94℃，得到铝钛钢复合板，T由下式计算得出：
Figure RE-GDA0003016716570000061
式中，T0为钛板和钢板的加热温度，为900℃；h1、h2、h3分别为铝板、钛板、钢板的厚度，分别为25mm、7mm、25mm；λ1、λ2、λ3分别为铝板、钛板、钢板的导热系数，分别为176W/(m·℃)、20W/(m·℃)、26W/(m·℃)。
本实施例得到的铝钛钢复合板变形协调，不同金属组元之间沿轧制方向伸长量近似，成型板材曲率半径为1033mm，板材各层组织相对均匀，复合板界面拉脱强度为79MPa。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、准备铝板、钛板和钢板：选取长宽尺寸相同的铝板、钛板和钢板，钢板厚度为15～25mm，铝板厚度为钢板厚度的2/3～1倍，钛板厚度为钢板厚度的1/4～1/3倍；去除铝板、钛板和钢板待复合面的氧化层并清洗干净；
S2、气体保护状态下加热：将钛板和钢板叠放在一起并放置在加热装置中，在保护气体外罩中通入保护气体一定时间t，并将钛板和钢板加热至850℃～900℃；
S3、与铝板叠放后轧制：将加热后的钛板和钢板推出加热装置，并将铝板放置在钛板上，用轧机对叠放后的坯料进行轧制，压下率为30％～50％，得到铝钛钢金属复合板；
S4、冷却：对轧制后复合板进行喷水冷却，减少铝钛界面处化合物的生成，冷却过程中保持铝板正表面中心温度不超过温度阈值T，得到铝钛钢复合板，温度阈值T由下式确定：
Figure FDA0002957174080000011
式中，T0为钛板和钢板的加热温度，单位为℃；h1、h2、h3分别为铝板、钛板、钢板的厚度，单位为mm；λ1、λ2、λ3分别为铝板、钛板、钢板的导热系数，单位为W/(m·℃)；
S5、切割：对铝钛钢金属复合板进行切割加工，得到成品铝钛钢过渡接头。
2.根据权利要求1所述的以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法，其特征在于，步骤S1中的去除待复合界面氧化层的方法为使用弹性磨盘或钢丝刷打磨。
3.根据权利要求1所述的以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法，其特征在于，步骤S2中的通入保护气体的时间t为4～6min。
4.根据权利要求1所述的以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法，其特征在于，步骤S3中的加热装置为中频感应加热装置。
5.根据权利要求1所述的以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法，其特征在于，步骤S4中的轧制速度为0.05m/s～0.2m/s。
6.根据权利要求1所述的以钛为中间层热轧制备铝钢过渡接头的方法，其特征在于，步骤S5中的切割方式为锯条切割或线切割。
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