CN113020262B - 一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属复合板制备技术领域，具体是一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法，旨在解决采用现有轧制方法制成的金属复合板界面结合强度低、翘曲和边裂严重等技术问题。采用如下技术方案：使用波形为三角形的交叉波纹辊在基板待复合表面上预制波纹，其波幅与基板厚度的比值在1/20和1/10之间，压下率在5%至10%之间，使用波形为正弦曲线的交叉波纹辊在复板待复合表面上预制波纹，其波幅与复板厚度的比值在1/10和1/2之间，道工序压下率在10%至50%之间，随后将基板板坯和复板板坯叠放，并在低于50%压下率的条件下平轧。相比于传统轧制方法，能够提高结合强度，减小残余应力，控制板材翘曲，可以制备出高质量的金属复合板。

Description

一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法
技术领域
本发明涉及金属复合板制备技术领域，具体是一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法。
背景技术
金属复合板是由两层或者多层异质金属经特殊工艺加工叠合在一起，实现界面冶金结合的复合材料。在保持复层金属特性的前提下，显著地增强复合板的机械、物理与化学等综合性能，形成优势互补效应，从而可节约稀贵资源。金属复合板广泛应用于航空航天、石油与天然气管道、建筑、汽车、化工、电力器材、电子仪器等领域。轧制复合因工艺简单、成本低、效率高等优点，普遍用于黑色金属/黑色金属、有色金属/黑色金属、有色金属/有色金属等体系的金属复合板材的制备，常见方法有冷轧、热轧、爆炸-轧制、异步轧制等。但是，由于两种金属性能上的差异，实现其牢固复合困难，还不可避免地存在延伸率不同的问题，进而在轧制后的复合板内部会存在较大的残余应力，导致轧制后复合板会产生严重的翘曲以及边裂等问题，制约了高质量复合板的大规模制备。
发明内容
本发明旨在解决采用现有轧制方法制成的金属复合板结合强度低、翘曲和边裂严重等技术问题。为此，提出一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法，包括以下步骤：
S1、基板和复板准备：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将基板和复板的变形抗力进行对比得出的结论)；
S2、制坯：将基板放入波平轧机轧制，该波平轧机上轧辊为交叉波纹辊a，下轧辊为平辊，轧制后基板的上表面为交叉波纹面，下表面为平面，形成基板板坯；将复板放入波平轧机轧制，该波平轧机上轧辊为交叉波纹辊b，下轧辊为平辊，轧制后复板的上表面为交叉波纹，下表面为平面，形成复板板坯；使用钢丝刷对基板板坯和复板板坯待结合的波纹表面进行打磨，去除表面氧化层和污染物，将基板板坯和复板板坯波纹表面相对堆叠放置，并将边缘固连(保证轧制过程中基板板坯和复板板坯受到非均匀的切向力时不会出现错位和跑偏)，得到金属复合板板坯；
S3、复合板轧制：采用冷轧方法时直接将步骤S2得到的金属复合板板坯送入平辊轧机进行轧制，采用热轧/温轧方法时将步骤S2得到的金属复合板板坯送入加热炉加热至指定温度后再送入平辊轧机进行轧制，所述平辊轧机的上、下轧辊均采用平辊，本工序加工得到结合界面为复杂交叉波纹面而上、下表面为平面的金属复合板；
S4、退火(即采用本领域常见的退火手段：先加热后冷却)；
S5、精整：校直后切边，制成成品。
进一步的，在步骤S2中，预制基板板坯时，交叉波纹辊a的波纹曲线为三角形，其波幅与基板厚度的比值在1/20和1/10之间，本道工序压下率在5％至10％之间，最终保证在基板的上表面形成微小结构的交叉三角形波纹；预制复板板坯时，交叉波纹辊b的波纹曲线为为正弦曲线或抛物线，其波幅与复板厚度的比值在1/10～1/2之间，压下率在10％至50％之间，最终保证在复板的上表面形成交叉波纹结构。
进一步的，在步骤S2中，交叉波纹辊a和交叉波纹辊b的波长比值在1/10～1/5之间。
本发明的有益效果是：
1)通过在复板待结合表面上预制出交叉波纹形状，使难变形金属与易变形金属之间延伸率的差异得以补偿，并且交叉波纹辊可在复板表面形成独立的凹凸区，将材料网格化，破坏轧制后残余应力的集中取向，有利于解决板形翘曲问题；另外，交叉波纹辊轧制后会使复板表面积增大，新鲜和活化的金属原子更大范围暴露，促进两种材料的金属原子扩散，结合强度进一步提高；
2)在基板待结合表面上预制出较浅的交叉波纹形状，如此小幅度的交叉波纹不会影响基板的力学性能以及板形的变化，并且该波纹为三角形，这种波纹容易在波峰和波谷处形成应力集中现象，当受到二道次轧制力的作用时，基板表面更容易破裂，在更微小尺度的接触区内两种板材会产生强烈的机械啮合作用，结合效果更好；
3)分别在基板和复板上预制参数尺度不同的交叉波纹，每道次的压下量小、制坯工艺简单、对设备和工艺参数要求低，对板材的翘曲和边裂控制能力强。
附图说明
图1为预制基板板坯示意图；
图2为预制复板板坯示意图；
图3为制备金属复合板板坯示意图；
图4为轧制交叉波纹界面金属复合板方案示意图；
图5为交叉波纹辊a结构示意图；
图6为交叉波纹辊b结构示意图；
图中，1┄基板；2┄复板；3┄交叉波纹辊a；4┄平辊；5┄基板板坯；6┄交叉波纹辊b；7┄复板板坯；8┄金属复合板板坯；9┄加热炉；10┄金属复合板。
具体实施方式
实施例一：
参照图1-6，一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法，包括以下步骤：
S1、基板和复板准备：选取变形抗力相对较小的5052牌号铝合金板为基板1，长宽高分别为100、100、3mm，选取变形抗力相对较大的AZ31牌号镁合金板作为复板2，长宽高分别为100、100、1mm；
S2、制坯：将基板1放入波纹辊轧机轧制，该波平轧机的上轧辊为交叉波纹辊a3，交叉波纹辊3横纵方向上的辊形均为三角形，波幅为0.3mm，波长为2mm，下轧辊为平辊4，上下轧辊的平均半径皆为75mm，压下率为10％，轧制后基板1的上表面为交叉波纹面，下表面为平面，形成基板板坯5；将复板2放入波平轧机轧制，该波平轧机上轧辊为交叉波纹辊b6，交叉波纹辊b6的径向截线方程为
Figure BDA0002991718790000051
其中R为交叉波纹辊b6的半径，0≤t≤1；轴向截线方程为
Figure BDA0002991718790000052
其中0≤t≤1,压下率为20％，上下轧辊线速度均为7.5m/min，轧制后复板2的上表面为交叉波纹面，下表面为平面，形成复板板坯7；使用钢丝刷对基板板坯5和复板板坯7待结合的波纹表面进行打磨，去除表面氧化层和污染物，将基板板坯5和复板板坯7波纹表面相对堆叠放置，并将边缘固连，得到金属复合板板坯8；
S3、复合板轧制：采用热轧，将步骤S2得到的金属复合板板坯8送入加热炉9加热至400℃保温5min，再送入平辊轧机进行轧制，所述平辊轧机的上、下轧辊均采用平辊4，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40％，本工序加工得到上、下表面为平面而结合界面为复杂交叉波纹面的金属复合板10。本工序得到结合界面为复杂交叉波纹面而上、下表面为平面的金属复合板10；
S4、将平轧后的金属复合板10放入加热炉9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。
实施例二：
参照图1-6，一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法，包括以下步骤：
S1、基板和复板准备：选取变形抗力相对较小的5052牌号铝合金板为基板1，长宽高分别为100、100、3mm，选取变形抗力相对较大的AZ31牌号镁合金板作为复板2，长宽高分别为100、100、1mm。
S2、制坯：将基板1放入波纹辊轧机轧制，该波平轧机的上轧辊为交叉波纹辊b6，交叉波纹辊b6的径向截线方程为
Figure BDA0002991718790000061
其中R为交叉波纹辊b6的半径，0≤t≤1；轴向截线方程为
Figure BDA0002991718790000062
其中0≤t≤1,压下率为10％，上下轧辊线速度均为7.5m/min，轧制后基板1的上表面为交叉波纹面，下表面为平面，形成基板板坯5；再将复板2放入上述波纹辊轧机轧制，压下率为20％，其他参数不变，轧制后形成复板板坯7；使用钢丝刷对基板板坯5和复板板坯7待结合的波纹表面进行打磨，去除表面氧化层和污染物，将基板板坯5和复板板坯7波纹表面相对堆叠放置，并将边缘固连，得到金属复合板板坯8；
S3、复合板轧制：采用热轧，将步骤S2得到的金属复合板板坯8送入加热炉9加热至400℃保温5min，再送入平辊轧机进行轧制，所述平辊轧机的上、下轧辊均采用平辊4，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40％，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金属复合板10；
S4、将平轧后的金属复合板10放入加热炉9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。
对比例一：
参照图1-6，一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法，包括以下步骤：
S1、基板和复板准备：选取变形抗力相对较小的5052牌号铝合金板为基板1，长宽高分别为100、100、3mm，选取变形抗力相对较大的AZ31牌号镁合金板作为复板2，长宽高分别为100、100、1mm。
S2、制坯：将基板1放入平辊轧机轧制，该轧机上下轧辊均为平辊4，压下率为10％，上下轧辊线速度均为7.5m/min，轧制后基板1的上表面为平面，形成基板板坯5；将复板2放入波平轧机轧制，该波平轧机上轧辊为交叉波纹辊b6，交叉波纹辊b6的径向截线方程为
Figure BDA0002991718790000071
其中R为交叉波纹辊b6的半径，0≤t≤1；轴向截线方程为
Figure BDA0002991718790000072
其中0≤t≤1,压下率为20％，上下轧辊线速度均为7.5m/min，轧制后复板2的上表面为交叉波纹面，下表面为平面，形成复板板坯7；使用钢丝刷对基板板坯5和复板板坯7待结合的波纹表面进行打磨，去除表面氧化层和污染物，将基板板坯5和复板板坯7波纹表面相对堆叠放置，并将边缘固连，得到金属复合板板坯8。
S3、复合板轧制：采用热轧，将步骤S2得到的金属复合板板坯8送入加热炉9加热至400℃保温5min，再送入平辊轧机进行轧制，所述平辊轧机的上、下轧辊均采用平辊4，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40％，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金属复合板10。
S4、将平轧后的金属复合板10放入加热炉9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。
对实施例和对比例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 实施例一 实施例二 对比例一
板材翘曲 不明显 不明显 轻微
边裂现象 不明显 不明显 轻微
拉剪强度(轧向) 44.17MPa 37.25MPa 31.27MPa
拉剪强度(横向) 40.42MPa 33.43MPa 28.12MPa
抗拉强度(轧向) 256.65MPa 224.46MPa 202.53MPa
抗拉强度(横向) 273.44MPa 235.41MPa 217.94MPa
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，相比之下实施例一和实施例二能够获得更高质量的轧制Mg/Al复合板，并且实施例一最优，因为其中预制基板板坯时，采用了波幅更大的交叉波纹辊，使得两种板材在复合过程中能够产生更大的塑形变形。实施例二采用两种波纹参数相同的交叉波纹辊，也能够得到质量较高的复合板，但是还可以通过优选和匹配板厚与波纹辊参数，进一步提高轧制Mg/Al复合板的性能参数。对比例一轧制Mg/Al复合板有轻微的翘曲和边裂现象产生，因为预制基板时经过一个道次的轧薄，并且未在基板一侧预制波纹，所以轧制时在结合界面处产生的塑性变形较小。采用本发明中涉及的方法轧制Mg/Al复合板，拉剪强度有明显的提升，说明通过在组元板一侧预制大波幅表面和粗糙表面的方法可以使结合界面结合强度有效增大，还能够达到改善残余应力分布状态和减小板材翘曲的目的。
优选的，在步骤S2中，预制基板板坯5时，交叉波纹辊a的波纹曲线为三角形，其波幅与基板1厚度的比值在1/20和1/10之间，本道工序压下率在5％至10％之间，最终保证在基板1的上表面形成微小结构的交叉三角形波纹；预制复板板坯7时，交叉波纹辊b的波纹曲线为正弦曲线或抛物线，其波幅与复板2厚度的比值在1/10～1/2之间，压下率在10％至50％之间，最终保证在复板2的上表面形成交叉波纹结构。实施例一中，预制基板板坯5时的压下率选择10％，其他实施例中也可采用5％或7％等，根据具体板材情况而定即可；交叉波纹辊a的波幅与基板1厚度的比值为1/10，其他实施例中，也可为1/15或1/20；预制基板板坯7时的压下率选择20％，其他实施例中也可采用10％、30％或50％等，根据具体板材情况而定即可；交叉波纹辊b的波幅与复板2厚度的比值为1/2，其他实施例中，也可为1/10或1/5。
进一步的，在步骤S2中，交叉波纹辊a3和交叉波纹辊b6的波长比值在1/10～1/5之间。这样更利于在基板上形成小波纹，在复板上形成大波纹，从而进一步提高结合强度。
进一步的，在步骤S3中，金属复合板板坯8送入平辊轧机轧制时，单道次压下率选择范围为20％～50％，通过多个道次将复合板轧制到要求厚度。
本发明不只适用于双层金属板的复合，三层金属板的复合亦可，即：在步骤S1中准备一块基板板坯5和两块复板板坯7，在步骤S2中，在基板1的上下表面预制相同的交叉波纹面形成基板板坯5，将两块复板板坯7分别堆叠放置在基板板坯5的正上方和正下方，使基板板坯5和复板板坯7波纹表面相对，然后将边缘固连，得到金属复合板板坯8。
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 (3)

1.一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法，包括以下步骤：
S1、基板和复板准备：选取变形抗力相对较小的5052牌号铝合金板为基板（1），选取变形抗力相对较大的AZ31牌号镁合金板为复板（2）；
S2、制坯：将基板（1）放入波平轧机轧制，该波平轧机的上轧辊为交叉波纹辊a（3），下轧辊为平辊（4），轧制后基板（1）的上表面为交叉波纹面，下表面为平面，形成基板板坯（5）；将复板（2）放入波平轧机轧制，该波平轧机的上轧辊为交叉波纹辊b（6），下轧辊为平辊（4），轧制后复板（2）的上表面为交叉波纹，下表面为平面，形成复板板坯（7）；使用钢丝刷对基板板坯（5）和复板板坯（7）待结合的波纹表面进行打磨，去除表面氧化层和污染物，将基板板坯（5）和复板板坯（7）波纹表面相对堆叠放置，并将边缘固连，得到金属复合板板坯（8）；
预制基板板坯（5）时，交叉波纹辊a的波纹曲线为三角形，其波幅与基板（1）厚度的比值在1/20和1/10之间，本道工序压下率在5%至10%之间，最终保证在基板（1）的上表面形成微小结构的交叉三角形波纹；预制复板板坯（7）时，交叉波纹辊b的波纹曲线为正弦曲线，其波幅与复板（2）厚度的比值在1/10~1/2之间，压下率在10%至50%之间，最终保证在复板（2）的上表面形成交叉波纹结构；
交叉波纹辊a（3）和交叉波纹辊b（6）的波长比值在1/10~1/5之间；
S3、复合板轧制：采用热轧/温轧方法，将步骤S2得到的金属复合板板坯（8）送入加热炉（9）加热至指定温度后再送入平辊轧机进行轧制，所述平辊轧机的上、下轧辊均采用平辊（4），本工序加工得到结合界面为复杂交叉波纹面而上、下表面为平面的金属复合板（10）；
S4、退火；
S5、精整：校直后切边，制成成品。
2.根据权利要求1所述的一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法，其特征在于：在步骤S3中，金属复合板板坯（8）送入平辊轧机轧制时，单道次压下率选择范围为20%～50%，通过多个道次将复合板轧制到要求厚度。
3.根据权利要求2所述的一种预制交叉波纹界面的金属复合板轧制方法，其特征在于：在步骤S1中准备一块基板板坯（5）和两块复板板坯（7），在步骤S2中，在基板（1）的上下表面预制相同的交叉波纹面形成基板板坯（5），将两块复板板坯（7）分别堆叠放置在基板板坯（5）的正上方和正下方，使基板板坯（5）和复板板坯（7）波纹表面相对，然后将边缘固连，得到金属复合板板坯（8）。
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