CN112975277B - 轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法，其包括以下步骤：步骤S1、准备待复合钢板和铝板，S2、表面清洁处理，S3、表面氧化处理，S4、工件预装并进行轧制，S5、热处理。本发明不同于现有技术中钢铝双金属复合板在轧前需要进行去除氧化膜处理工艺以期开发有利于初步复合的工艺或提高轧后复合强度的问题，本发明通过轧前对钢板接触面处进行氧化处理，并且将处理后的工件冷却至室温后与铝板实施预装，经冷轧后实现钢铝双金属氧化后的初步复合，并将所获得的复合板进行热处理，通过冷轧前的氧化处理工艺，能够有效的提高钢铝复合界面的界面结合强度。

Description

轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法
技术领域
本发明涉及复合材料及其制备方法的技术领域，具体涉及一种轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法。
背景技术
钢铝双金属板材复合，以钢为基体，铝为增强体，制备成的铝板增强钢基复合材料，在机械、电子电器、航空航天、汽车等行业具有广阔的发展空间及应用前景。由于铝在空气中会瞬间发生氧化生成致密的氧化膜，严重阻碍钢和铝的复合，从而在轧前会对硬化层和氧化层进行打磨等工艺处理，甚至为防止氧化会采用真空处理或立即轧制的方法，现有钢铝冷轧复合法一般采用单道次压下率大于55％轧制，大压下率轧制使钢板和铝板发生较大变形，此时必然存在一个使铝板待结合面氧化膜破碎的临界压下率，当压下率大于此临界压下率，从而让铝侧氧化膜充分破碎，内部新鲜金属露出与钢板发生结合。并且在热处理退火时钢铝复合界面易形成钢铝脆性化合物，导致冷轧复合法生产钢铝复合板得结合强度难以有效提高。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法，本发明通过轧前对钢板接触面处进行氧化处理，将处理后的工件冷却至室温后实施预装，经冷轧后实现钢铝双金属初步复合，并将所获得的复合板进行热处理，充分提高了界面结合强度。
具体地，本发明提供一种轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法，其包括以下步骤：
步骤S1、准备待轧制的铝板和钢板。
步骤S2、对钢板和铝板进行表面洁净处理：清理步骤S1中得到的待轧制钢板和铝板的待复合表面的硬化层、氧化物和油污，得到洁净的钢板和铝板；
步骤S3、对钢板表面进行氧化处理：对步骤S2得到的洁净的钢板待复合界面进行氧化处理；
步骤S3中所述氧化处理为采用钢在空气中加热或直接浸於浓氧化性溶液的方法，氧化处理后钢板的待结合面形成氧化膜，氧化过程中控制氧元素的扩散深度处于4μm～15μm之间；
步骤S4、工件预装并轧制：对步骤S3中氧化处理后的钢板与洁净的铝板进行叠合预装，并将预装后工件进行冷轧实现钢铝双金属板的轧制复合，得到初步复合板；
氧化后的钢板待结合面存在有一个氧化膜破碎的临界压下率，当冷轧压下率大于所述临界压下率时，轧制后钢板待结合界面的氧化物破碎并且会刺透铝侧的氧化膜或基体，进而在钢铝复合界面形成有效的机械啮合，并且刺透过程中会加快铝侧氧化膜的破碎，实现钢板和铝板的高强度复合；
步骤S5、对初步复合板进行热处理：对步骤S4中得到的初步复合板进行热处理工艺，在350℃～600℃温度范围内退火1-2h。
优选地，步骤S1中所述钢板包括带有燕尾槽的钢板和无燕尾槽的钢板。
优选地，步骤S1内嵌式凹槽加工中用铣床或者线切割进行加工。
优选地，步骤S1中用铣床或者线切割加工带有燕尾槽的钢板。
优选地，在步骤S2表面处理中用钢丝刷、砂纸或砂轮去除待复合表面的氧化物和硬化层，并用丙酮和酒精将待复合表面的油污擦拭干净，再用风机吹干备用。
优选地，步骤S3中所述的待轧制钢板氧化处理后需冷却至室温。
优选地，步骤S4中所述的对预装工件的轧制采用轧机进行冷轧，轧制速度为0.1～5m/s，道次累计压下率为55％以上，从而实现钢铝双金属复合板的初步复合。
优选地，步骤S5中复合板退火1-2h后随炉冷却，进而获得钢铝双金属复合板，复合板剪切强度为70MPa以上。
优选地，步骤S3中氧元素扩散深度为10μm。
与现有技术相比，本发明的效果如下：
(1)本发明采用轧前氧化处理，在轧后钢侧界面的氧化物颗粒一方面会在破碎后刺透并嵌入铝侧基体，另一方面会阻碍钢铝在界面处生成脆性化合物，从而有效的提高了冷轧钢铝复合板的结合强度。
(2)本发明中，洁净处理后人为氧化的钢板，包含有一定厚度氧化物，此时必然存在一个使钢板待结合面氧化膜破碎的临界压下率，当压下率大于此临界压下率，轧制后钢板待结合界面的氧化物破碎会刺透铝侧氧化膜或基体，进而可以形成有效的机械啮合，并且刺透过程中会加快铝侧氧化膜的破碎，促进铝基体中更多新鲜金属露出，使轧后钢铝复合板有较好的初步复合状态，再经退火过程中铝板内部新鲜金属与钢互相扩散，进而实现高强度复合。本文采用燕尾槽内嵌式轧制中厚板复合工艺，可以经多道次轧制，实现累计压下率大于55％，提供足够的轧前氧化处理后钢板表面氧化膜充分破碎的条件，针对薄板复合轧制，可以实现单道次压下率在55％以上，也可提供足够的轧前氧化处理后钢板表面氧化膜充分破碎的条件，其氧化物一方面会在破碎后刺透并嵌入铝侧基体，另一方面会阻碍钢铝在界面处生成脆性化合物，从而有效的提高了冷轧钢铝复合板的结合强度。
附图说明
图1为本发明轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法的发明流程图；
图2为本发明轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法的待轧制带有燕尾槽的钢板与待轧制铝板对接嵌装示意图；
图3为本发明轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法的待轧制无燕尾槽的钢板与待轧制铝板叠合预装示意图；
图4为实施例1中总压下率为70％的剪切强度-应变关系图；
图5(a)为实施例1轧后钢侧面扫描原图；
图5(b)为实施例1轧后钢侧面扫描Al元素分布图；
图5(c)为实施例1轧后钢侧面扫描Fe元素分布图；
图5(d)为实施例1轧后钢侧面扫描O元素分布图；
图5(e)为实施例1轧后铝侧面扫描原图；
图5(f)为实施例1轧后铝侧面扫描Al元素分布图；
图5(g)为实施例1轧后铝侧面扫描Fe元素分布图；
图5(h)为实施例1轧后铝侧面扫描O元素分布图；
图6为实施例2中压下率为60％的剪切强度-应变关系图；
图7(a)为实施例2轧后钢侧面扫描原图；
图7(b)为实施例2轧后钢侧面扫描Al元素分布图；
图7(c)为实施例2轧后钢侧面扫描Fe元素分布图；
图7(d)为实施例2轧后钢侧面扫描O元素分布图；
图7(e)为实施例2轧后铝侧面扫描原图；
图7(f)为实施例2轧后铝侧面扫描Al元素分布图；
图7(g)为实施例2轧后铝侧面扫描Fe元素分布图；
图7(h)为实施例2轧后铝侧面扫描O元素分布图；
附图中，主要附图标记：
6061铝板1；Q235钢板2。6061铝板3；Q235钢板4。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
具体地，本发明提供一种轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法，其包括以下步骤：
步骤S1、准备待轧制的铝板和钢板。在具体实施例中，步骤S1钢板包括带有燕尾槽和无燕尾槽两种。步骤S1内嵌式凹槽加工中用铣床或者线切割进行加工。步骤S1中用铣床或者线切割加工带有燕尾槽的钢板。
步骤S2、对钢板和铝板进行表面洁净处理：清理步骤S1中得到的待轧制钢板和铝板的待复合表面的硬化层、氧化物和油污，得到洁净的钢板和铝板。在步骤S2表面处理中用钢丝刷、砂纸或砂轮去除待复合表面的氧化物和硬化层，并用丙酮和酒精将待复合表面的油污擦拭干净，再用风机吹干备用。
步骤S3、表面氧化处理：对步骤S2得到的洁净的钢板待复合界面进行氧化处理。步骤S3中所述的钢板的氧化处理为钢在空气中加热或直接浸於浓氧化性溶液的方法，氧化处理后钢板的待结合面形成氧化膜，氧化过程中控制氧元素的扩散深度处于4μm～15μm之间。步骤S3中所述的待轧制钢板氧化处理后需冷却至室温。
步骤S4、工件预装并轧制：对步骤S3中氧化处理后的钢板与洁净的铝板进行叠合预装，并将预装后工件进行冷轧实现钢铝双金属板的轧制复合，得到初步复合板。
步骤S4中所述的对预装工件的轧制采用轧机进行冷轧，轧制速度为0.1～5m/s，道次累计压下率为55％以上，从而实现钢铝双金属复合板的初步复合。
步骤S5、热处理：对步骤S4中得到的初步复合板进行热处理工艺，在350℃～600℃温度范围内退火1-2h。
步骤S5中复合板退火1-2h后随炉冷却，进而获得钢铝双金属复合板，复合板剪切强度为70MPa以上。
具体实施例1
如图2所示，实施例1是待轧制Q235钢板2与待轧制6061铝板1复合轧制的实例；
步骤S1，内嵌式燕尾槽加工：将宽度为30mm的Q235钢板2通过铣床加工出槽角为45°，槽深2mm的燕尾槽，钢板厚度5mm，6061铝板1厚度4mm、宽度15mm，钢板铝板长度均为100mm。
步骤S2，表面洁净处理：用钢丝刷去除步骤S1中得到6061铝板1和的Q235钢板2的钢铝双金属板待复合表面的氧化物和硬化层，并用丙酮和酒精将待复合表面的油污擦拭干净，随后用吹风机吹干备用。
步骤S3，表面氧化处理：采用空气中加热的方法，将洁净的Q235钢板2放置在干燥平台上，使用喷火枪炙烤100s至钢侧实现氧化处理，并将其冷却至室温，经取样，检测到氧元素的扩散深度为10μm。
步骤S4，工件预装并轧制：预装工件第一道次以50％压下率轧制实现Q235钢板2与6061铝板1内嵌式初步机械互锁，再经第二道次40％压下率使累计压下率达到70％，实现钢铝复合板初步复合。
步骤S5，热处理：步骤S4得到的初步复合板在400℃下退火1h，随炉冷却，获得钢铝复合金属板。
实施实例1属于中厚板轧制复合，轧机难以提供单道次70％的压下率对应的轧制力，只能通过带有燕尾槽的轧制复合办法，多道次小压下使得累计压下率达到70％，通过制备剪切试件，在两道次总压下率70％的条件下，通过拉伸试验机测得复合板剪切强度为77MPa(如图4所示)，相比于相同工艺但不进行界面氧化处理的条件下轧制，复合强度提升10MPa。通过EDS分析(如图5所示)，氧化处理过的钢侧剪切断面含有大量分布的韧窝，说明钢与铝基体结合，铝基体产生塑性断裂，在韧窝内部嵌有大量的氧化物刺透颗粒，铝侧剪切断面在韧窝处也附着有部分的氧化物刺透颗粒，进而证实轧制后钢板待结合界面的氧化物破碎会刺透铝侧氧化膜或基体，进而可以形成有效的机械啮合，并且刺透过程中会加快铝侧氧化膜的破碎，促进铝基体中更多新鲜金属露出，有效的提高了钢铝的复合强度，且氧化物的存在对钢铝脆性化合物的生成起到了有效的抑制作用。
具体实施例2
如图3所示，实施例2是待轧制Q235钢板4与待轧制6061铝板3复合轧制的实例。
步骤S1，准备宽度为30mm、厚度2mm的Q235钢板4和宽度30mm、厚度2mm的6061铝板3，钢板铝板长度均为100mm。
步骤S2，表面洁净处理：用砂带去除步骤S1中得到6061铝板3和Q235钢板4的钢铝双金属板待复合表面的氧化物和硬化层，并用丙酮和酒精将待复合表面的油污擦拭干净，随后用吹风机吹干备用。
步骤S3，表面氧化处理：采用空气中加热的方法，将洁净的Q235钢板4放置在干燥平台上，使用喷火枪炙烤100s至钢侧实现氧化处理，并将其冷却至室温，经取样，检测到氧的扩散深度为13μm。
步骤S4，工件预装并轧制：预装工件以单道次60％压下率轧制实现Q235钢板4与6061铝板3的轧制复合并获得钢铝复合金属板。
实施实例2属于薄板轧制复合，轧机可以提供单道次60％的压下率所对应的轧制力，通过制备剪切试件，在单道次压下率60％并不进行热处理的条件下，通过拉伸试验机测得复合板剪切强度为108MPa(如图6所示)，通过EDS分析(如图7所示)，氧化处理过的钢侧剪切断面含有大量分布的韧窝和裂口，说明钢与铝基体结合，铝基体产生塑性断裂，在钢侧经轧制后氧化膜破裂产生的裂口内部嵌有大量的铝基体，铝侧剪切断面在韧窝处也附着有部分的钢的氧化物刺透颗粒，进而证实轧制后钢板待结合界面的氧化物破碎会刺透铝侧氧化膜或基体，铝侧新鲜金属也会挤入钢侧裂口，进而可以形成有效的机械啮合，并且刺透过程中会加快铝侧氧化膜的破碎，促进铝基体中更多新鲜金属露出，有效的提高了钢铝的复合强度。该强度是现有氧化处理后复合的钢铝复合板在相同的压下率的情况下，无法达到的，因此，冷轧前进行氧化处理能够大大提高相同压下率情况下的复合界面的界面强度，从而达到了意想不到的技术效果。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤S1、准备待轧制的铝板和钢板，步骤S1中所述钢板包括带有燕尾槽的钢板和无燕尾槽的钢板；
步骤S2、对钢板和铝板进行表面洁净处理：清理步骤S1中得到的待轧制钢板和铝板的待复合表面的硬化层、氧化物和油污，得到洁净的钢板和铝板；
步骤S3、对钢板表面进行氧化处理：对步骤S2得到的洁净的钢板待复合界面进行氧化处理；
所述氧化处理为采用钢在空气中加热或直接浸於浓氧化性溶液的方法，氧化处理后钢板的待结合面形成氧化膜，氧化过程中控制氧元素的扩散深度处于4μm～15μm之间；
步骤S4、工件预装并轧制：对步骤S3中氧化处理后的钢板与洁净的铝板进行叠合预装，并将预装后工件进行冷轧实现钢铝双金属板的轧制复合，得到初步复合板；
氧化后的钢板待结合面存在有一个氧化膜破碎的临界压下率，当冷轧压下率大于所述临界压下率时，轧制后钢板待结合界面的氧化物破碎并且会刺透铝板侧的氧化膜或基体，进而在钢铝复合界面形成有效的机械啮合，阻碍钢铝在界面处生成脆性化合物，并且刺透过程中会加快铝侧氧化膜的破碎，实现钢板和铝板的高强度复合；
步骤S4中所述的对预装工件的轧制采用轧机进行冷轧，轧制速度为0.1～5m/s，轧制累计压下率为55％以上，从而实现钢铝双金属复合板的初步复合；
步骤S5、对初步复合板进行热处理：对步骤S4中得到的初步复合板进行热处理工艺，在350℃～600℃温度范围内退火1-2h。
2.根据权利要求1所述的轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法，其特征在于：步骤S1内嵌式凹槽加工中用铣床或者线切割进行加工。
3.根据权利要求1所述的轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法，其特征在于：步骤S1中用铣床或者线切割加工带有燕尾槽的钢板。
4.根据权利要求1所述的轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法，其特征在于：在步骤S2表面处理中用钢丝刷、砂纸或砂轮去除待复合表面的氧化物和硬化层，并用丙酮和酒精将待复合表面的油污擦拭干净，再用风机吹干备用。
5.根据权利要求1所述的轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法，其特征在于：步骤S3中所述的待轧制钢板氧化处理后需冷却至室温。
6.根据权利要求1所述的轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法，其特征在于：步骤S5中复合板退火1-2h后随炉冷却，进而获得钢铝双金属复合板，复合板剪切强度为70MPa以上。
7.根据权利要求1所述的轧前氧化处理的钢铝双金属轧制复合方法，其特征在于：步骤S3中氧元素的扩散深度为10μm。
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