CN114192600A - 一种交叉波纹辊及制备金属复合板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉波纹辊及制备金属复合板的方法，涉及金属复合板制备技术领域。交叉波纹辊的周面分布若干圈凸起单元，若干圈凸起单元沿着交叉波纹辊的轴向并排布置，相邻两圈凸起单元之间沿周向开设V形槽，每圈凸起单元由若干个锯齿状凸起均匀相接于辊的周向上，同一圈凸起单元中，相邻两个锯齿状凸起之间为尖角过渡；方法为：首先选取n块复板，并采用上述的交叉波纹辊将复板的一个表面轧制成交叉波纹面，形成波纹复板；然后选取n块基板，处理波纹复板和基板的表面后，将基板叠放在波纹复板的交叉波纹面上，形成n块金属复合板坯；最后将金属复合板坯送入平辊轧机进行冷轧复合，得到n块金属复合板，复板的变形抗力大于基板的变形抗力。

Description

一种交叉波纹辊及制备金属复合板的方法

技术领域

本发明涉及金属复合板制备技术领域，更具体地说，涉及一种交叉波纹辊及制备金属复合板的方法。

背景技术

金属复合板是将物理、化学或力学性能不同的两种或两种以上金属材料通过适当的加工工艺在结合界面处实现牢固的冶金结合而制成的复合材料。金属复合板可以充分发挥各组元的优点，节约贵重金属材料，实现单一金属材料不能满足的性能要求，广泛应用于航空航天、交通运输、国防军工、电子信息、石油化工、仪器仪表等领域。

目前金属复合板的制备方法主要有爆炸复合法、铸造复合法、挤压复合法、扩散复合法、轧制复合法等。其中轧制复合法是应用最为广泛的制备方法，与其他方法相比，轧制复合法具有性能稳定、效率高、成本低、能耗低、污染低等优点。但是由于各组元金属材料的延伸率不同，以及其他性能上的差异，实现其牢固的冶金结合困难，导致采用轧制技术制成的金属复合板仍存在结合强度低、容易翘曲、成材率低等问题。

经检索，中国专利申请号为201910731720.8，申请公开日为2019年12月10日的专利申请文件公开了一种预制交叉波纹界面制备铝镁铝三层金属复合板的方法。该专利先将镁板轧制成双面为交叉波纹状，然后将两层铝板覆在镁板的上下面，三层板共同进行平扎，加工后得到上下表面为平面、中间结合面为交叉波纹的三层金属复合板。该发明提供一种预制交叉波纹界面制备铝镁铝三层金属复合板的方法，可以有效弱化镁板的基面织构，提高结合强度。但是，该申请案镁板的交叉波纹面是通过两道不同方向的波纹辊分别轧制而成，并且轧制过程中需要中间退火，交叉波纹镁板制备工艺复杂，所需设备多，能源消耗大。

中国专利申请号为201810711027.X，申请公开日为2018年11月6日的专利申请文件公开了一种波纹界面双金属复合板连续叠轧方法。该专利首先采用波纹辊将坯料轧制波纹形复合板，在复合板波谷处形成应力峰值，促进波谷处的结合，再采用平辊进行叠轧，进而在波纹复合板波峰处形成应力峰值，使波峰处达到较高强度结合，该工艺利用两次不同位置的应力峰值可实现复合板从局部到整个面的高强度结合。波纹复合板采用该叠轧工艺轧平过程中金属的延伸主要是靠波峰位置处金属的压下实现的，波谷处金属的流动很小，这样波纹复合板轧平过程中波谷处就不容易产生断裂，且波峰处金属的压下又会给另一侧复合板波谷处一个反向的挤压应力，从而进一步提高原波谷处的结合强度，得到板形好的双金属复合板。但是，该申请案采用的是单向波平轧制，双金属之间的结合界面是单向的波纹曲面，轧制得到的双金属复合板的层间剪切强度较低或只有单方向的强度优势。

中国专利申请号为202110316951.X，申请公开日为2021年6月25日的专利申请文件公开了一种预制波纹界面的金属复合板轧制方法。该专利使用单向波纹辊和交叉波纹辊在波纹辊轧机上对基板和复板分别预制波纹，使板坯结合面一侧为单向波纹面，另一侧为交叉波纹面，随后将基板板坯和复板板坯叠放，并在较低的压下率条件下进行平轧。但是，该申请案采用波纹辊轧机对基板和复板分别预制波纹，基板和复板的波纹要相匹配使得波纹辊的制造难度加大，所需设备增多，同时相对于平板基板，对波纹基板进行打磨、去氧化皮更难，增加了生产工序的难度，成本升高，效率降低。

因此，亟需寻求一种交叉波纹辊及制备金属复合板的方法。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的是为了解决现有轧制技术中金属复合板结合强度低、容易翘曲、成材率低的技术问题，为此，本发明提出了一种交叉波纹辊，通过对交叉波纹辊辊面的设计，基于此交叉波纹辊设计一种制备金属复合板的方法，得到的金属复合板结合强度高、不易翘曲、成材率高，更进一步，利用对称性叠轧的方法，还能实现批量生产金属复合板提高产品的产率。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种交叉波纹辊，交叉波纹辊的周面分布若干圈凸起单元，若干圈凸起单元沿着交叉波纹辊的轴向并排布置，相邻两圈凸起单元之间沿周向开设V形槽，其中，每圈凸起单元由若干个锯齿状凸起均匀相接于交叉波纹辊的周向上，同一圈凸起单元中，相邻两个锯齿状凸起之间为尖角过渡。

进一步地，所述锯齿状凸起的尖端为倒圆角结构。

进一步地，所述V形槽以交叉波纹辊的周向截面为对称中心，即V形槽的两槽面关于槽底呈对称结构。

进一步地，所述V形槽两槽面的夹角为30°～60°；所述V形槽的深度为0.3～0.5mm。

本发明通过上述交叉波纹辊在复板待结合表面上轧制出齿形交叉波纹，在增大了基板与复板的接触面积的同时也使得基板表面更容易破裂，异种金属更容易复合，从而提高了界面的结合强度；采用同种金属沿轧向对称性叠装制备异种金属复合板可以有效抑制异种金属复合板的翘曲，改善板形质量，提高成材率。

一种制备金属复合板的方法，包括以下步骤：

(1)制备波纹复板：选取n块金属板，均称为复板，将复板送入波平轧机进行单道次轧制，其中，所述波平轧机的上辊采用上述结构的交叉波纹辊，下辊采用平辊，轧制后形成上表面为交叉波纹面，下表面为平面的波纹复板，所述波纹复板为n块；所述n为正整数；

(2)表面处理：另选取n块金属板，均称为基板，其中，所述基板的变形抗力小于复板的变形抗力，将波纹复板和基板的表面用钢丝刷打磨机进行打磨处理，采用超声波、清洗，冷风机进行吹干；所述n为正整数；

(3)制坯：将基板叠放在波纹复板的交叉波纹面上，形成n块金属复合板坯；

(4)轧制复合：将n块金属复合板坯分别送入平辊轧机进行冷轧复合，得到n块金属复合板，其中，所述平辊轧机的上、下轧辊均采用平辊；

(5)退火：将金属复合板置于真空加热炉内，抽真空，通入氩气或氮气等对其进行保护，在温度为200-1200℃，保温时间为0.5-5h的条件下对其进行退火处理；

(6)精整：矫直、切边，制成成品。如图4所示为n＝1时的工艺流程图，

进一步地，为了批量获得的金属复合板坯，当n为偶数时，其制备方法包括以下步骤：

S1、制备波纹复板：选取n块金属板，均称为复板，将复板送入波平轧机进行单道次轧制，其中，所述波平轧机的上辊采用上述结构的交叉波纹辊，下辊采用平辊，轧制后形成上表面为交叉波纹面，下表面为平面的波纹复板，所述波纹复板为n块；所述n为偶数；

S2、表面处理：另选取n块金属板，均称为基板，其中，所述基板的变形抗力小于复板的变形抗力，将波纹复板和基板的表面用钢丝刷打磨机进行打磨处理，采用超声波、清洗，冷风机进行吹干；所述n为偶数；

S3、对称性叠装制坯：将n块金属复合板坯沿纵向进行叠装，叠装的各接触面之间涂抹隔离剂，叠装后的金属复合板坯沿某隔离剂界面呈对称结构，可以防止后续轧制的翘曲，即按照波纹复板—基板—基板—波纹复板—波纹复板—基板……—基板—波纹复板的顺序进行对称性叠装，并在相邻两个叠装后的金属复合板坯接触界面处均匀涂抹隔离剂，将叠装好的2n层金属板坯固定在一起，形成对称性叠装板坯；

S4、对称性叠轧复合：将对称性叠装板坯送入平辊轧机进行冷轧复合，得到叠装金属复合板，其中，所述平辊轧机的上、下轧辊均采用平辊；

S5、分离：将叠装金属复合板从隔离剂界面处进行分离，得到n块结合界面为交叉波纹面，上、下表面为平面的金属复合板；

S6、退火：将金属复合板置于真空加热炉内，抽真空，通入氩气或氮气等对其进行保护，在温度为200-1200℃，保温时间为0.5-5h的条件下对其进行退火处理；

S7、精整：矫直、切边，制成成品。如图5所示为n＝2时的工艺流程图，

更进一步地，所述复板的弹性模量E₁、基板的弹性模量E₂存在以下关系式：E₂/E₁≤0.6，同时选择的金属基板的塑性变形能力较强，目的是使变形抗力相对较大的金属复板未达到屈服之前就能够将其表面的交叉波纹压入基板，使结合界面处产生强烈的机械啮合作用，从而提高界面的结合强度。

更进一步地，所述步骤S1和步骤(1)中，交叉波纹辊在轧制力的作用下，印到复板表面形成若干圈波纹形状的锯齿，如图7所示；同时，相邻两圈波纹形状的锯齿之间压制形成三角棱，如图8所示。

更进一步地，相邻锯齿间以圆弧角过渡。

更进一步地，如图7所示，所述锯齿状凸起在波纹复板上形成的锯齿顶角α为60°～65°，锯齿前角β为10°～15°，锯齿后角γ为15°，其中α+β+γ＝90°，锯齿的高度h等于三角棱的高度，锯齿的排布周期为2mm。其中：

顶角α起着保持锯齿强度的作用，不能取值过小，以防锯齿未压入基板前就破裂；前角β主要影响锯齿压入基板所需的轧制力，前角取值越大，锯齿越容易压入基板，所需的轧制力越小，一般复板与基板变形抗力较大时，选较大的前角，反之则选较小的前角；后角γ和凹槽处是圆弧形的作用是加快锯齿压入基板的速度以及金属的局部流动的速度。

更进一步地，如图8所示，所述交叉波纹辊上，相邻两圈所述凸起单元之间的V形槽在波纹复板上形成的三角棱的顶角θ为30°～60°，所述波纹复板并列排布的三角棱其排布周期为3mm；

更进一步地，所述步骤S1及步骤(1)中，单道次轧制压下率为5～15％。

更进一步地，所述步骤S3中，隔离剂为石墨，可防止叠轧过程中多块金属复合板间产生粘着现象，以便于之后的分离工序。

更进一步地，所述步骤S3中，n块波纹复板的锯齿前角β均朝向轧向排列。

更进一步地，所述步骤S4及步骤(4)中，冷轧复合压下率为40-85％

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明制备金属复合板的方法，在难变形金属复板待结合表面利用本发明的交叉波纹辊，轧制出较浅的交叉波纹形状，并且该波纹是三角棱和锯齿的组合，这种横向为锯齿形波纹的波峰在复合轧制时更容易压入易变形金属基板内，使异种金属更快更容易产生强烈的机械啮合作用，同时齿形波纹的波谷形状采用圆弧形可加快金属的局部流动，使异种金属原子扩散效果得以加强，从而提高界面的结合强度；

(2)本发明制备金属复合板的方法，选择塑性变形能力较强的金属做基板时，相对于波纹基板，对平板基板进行打磨、去氧化皮更容易保证制坯工艺的简便性和稳定性，因为变形抗力相对较大的金属复板未达到屈服之前就能够将其表面的交叉波纹快速容易的压入基板，从基板表面的裂纹处挤压出新鲜金属并在轧制力的作用下促使异种金属间结合界面处形成稳定的结合；

(3)本发明制备金属复合板的方法，采用同种金属沿轧向对称性叠装制备异种金属复合板可以有效抑制异种金属复合板的翘曲，有效改善板形质量，同时由于叠轧法可一次生产多块金属复合板，生产效率高，适合在工业化中进行大规模生产。

附图说明

图1为本发明交叉波纹辊的结构示意图；

图2为本发明交叉波纹辊的主视图；

图3为本发明交叉波纹辊的左视图；

图4为本发明制备金属复合板方法的流程示意图一；

图5为本发明制备金属复合板方法的流程示意图二；

图6为本发明中波纹复板结构示意图；

图7为本发明中波纹复板表面横向波纹三角锯齿形示意图；

图8为本发明中波纹复板表面纵向波纹对称性三角形示意图；

图9为本发明中金属复合板坯结构示意图；

图10为本发明中金属复合板结构示意图；

图11为本发明实施例1中厚度为3.24mm的铜/铝复合板结合界面微观组织图；

图12为本发明实施例3中铜/铝复合板结合界面微观组织图。

示意图中的标号说明：

1、复板；2、交叉波纹辊；21、锯齿状凸起；3、平辊；4、波纹复板；5、基板；6、隔离剂；7、金属复合板坯；8、叠装金属复合板；9、金属复合板。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

具体实施方式中采用的交叉波纹辊，如图1～3所示，其周面分布若干圈凸起单元，若干圈凸起单元沿着交叉波纹辊2的轴向并排布置，相邻两圈凸起单元之间沿周向开设V形槽，其中，每圈凸起单元由若干个锯齿状凸起21均匀相接于交叉波纹辊2的周向上，同一圈凸起单元中，相邻两个锯齿状凸起21之间为尖角过渡。为了可加快被轧制金属的局部流动，提高被轧制金属复合板界面的结合强度，锯齿状凸起21的尖端为倒圆角结构，同时V形槽以交叉波纹辊2的周向截面为对称中心，V形槽的槽面夹角为30°～60°，V形槽的深度为0.3～0.5mm。

实施例1

根据图5所示，一种对称性叠轧制备金属复合板的方法，包括以下步骤：

S1、制备波纹复板：选取变形抗力相对较大的T1铜板为复板，尺寸为100mm×50mm×3mm,将T1铜板送入波平轧机进行压下率为10％的单道次轧制，形成图6所示的波纹复板4，其中，该波平轧机的上辊为交叉波纹辊，下辊为平辊，交叉波纹辊的锯齿状凸起21的高度为0.3mm，周期为2mm，交叉波纹辊的纵向波纹是对称性V形槽，槽深也为0.3mm，周期为3mm，经轧制后得到上表面为横向三角锯齿形与纵向对称性三角棱交叉的波纹面，下表面为平面的波纹铜板，其中波纹铜板横向三角锯齿形截面如图7所示，顶角α为65°，前角β即锯齿压入基板的角为10°，后角γ即锯齿与基板接触面的夹角为15°，三角锯齿高度h为0.3mm，波纹周期为2mm，纵向对称性三角棱截面如图8所示，顶角θ为60°，高度h为0.3mm，周期为3mm；

S2、表面处理：选取变形抗力相对较小的1060铝板为基板，尺寸11120mm×55mm×3mm,用钢丝刷打磨机对2块波纹铜板和2块铝板的表面进行除锈和毛化处理；利用高频超声仪脱油脂，超声波频率设置为50～150kHz，清洗液温度为20～35℃；利用冷风机对波纹铜板和铝板表面进行吹干，风温为-10～10℃；

S3、制坯：如图9所示，将处理好的4块金属板按照波纹铜板—铝板—铝板—波纹铜板的顺序进行对称性叠装，并在2块铝板的接触界面处均匀涂抹石墨，其中波纹铜板的交叉波纹面与铝板的平面结合，2块波纹铜板的三角锯齿形的前角β均朝向轧向排列，将叠装好的4块金属板用钢丝捆绑在一起，形成厚度为12mm的铜/铝复合板坯；

S4、轧制复合：将铜铝复合板坯送入平辊轧机进行压下率为46％的单道次冷轧复合，得到厚度为6.48mm的4层的铜/铝复合板；

S5、分离：将4层铜/铝复合板从隔离剂界面处进行分离，如图10所示得到2块厚度均为3.24mm的铜/铝复合板，其轧向结合界面微观组织如图11所示，结合界面处无孔洞、裂纹及脆性相的生成，界面处结合良好；

S6、退火：将铜/铝复合板置于真空加热炉内，抽真空，通入氩气或氮气等对其进行保护，在温度为350℃，保温时间为1h的条件下对其进行退火处理；

S7、精整：矫直、切边，制成成品。

实施例2

根据图5，一种对称性叠轧制备金属复合板的方法，包括以下步骤：

S1、制备波纹复板：选取变形抗力相对较大的Q235钢板为复板，尺寸为100mm×50mm×5mm,将Q235钢板送入波平轧机进行压下率为10％的单道次轧制，该波平轧机的上辊为交叉波纹辊，下辊为平辊，交叉波纹辊的锯齿状凸起21的高度为0.5mm，周期为2mm，交叉波纹辊的纵向波纹是对称性V形槽，槽深也为0.5mm，周期为3mm，经轧制后得到上表面为横向三角锯齿形与纵向对称性三角形交叉的波纹面，下表面为平面的波纹铜板，其中波纹铜板横向三角锯齿形截面如图7所示，顶角α为60°，前角β即锯齿压入基板的角为15°，后角γ即锯齿与基板接触面的夹角为15°，三角锯齿高度h为0.5mm，波纹周期为2mm，纵向对称性三角棱截面如图8所示，顶角θ为60°，高度h为0.5mm，周期为3mm；

S2、表面处理：选取变形抗力相对较小的T2铜板为基板，尺寸120mm×55mm×5mm,用钢丝刷打磨机对2块波纹钢板和2块铜板的表面进行除锈和毛化处理；利用高频超声仪脱油脂，超声波频率设置为50～150kHz，清洗液温度为20～35℃；利用冷风机对波纹钢板和铜板表面进行吹干，风温为-10～10℃；

S3、制坯：如图9所示，将处理好的4块金属板按照波纹钢板—铜板—铜板—波纹钢板的顺序进行对称性叠装，并在同种金属板接触界面处均匀涂抹石墨，其中波纹钢板的交叉波纹面与铜板的平面结合，2块波纹钢板的三角锯齿形的前角β均朝向轧向排列，将叠装好的4块金属板用钢丝捆绑在一起，形成厚度为20mm的铜/铜复合板坯；

S4、轧制复合：将钢铜复合板坯送入平辊轧机进行压下率为57％的单道次冷轧复合，得到厚度为8.60mm的4层钢/铜复合板；

S5、分离：将4层钢/铜复合板从隔离剂界面处进行分离，如图10所示，得到2块厚度均为4.30mm的钢/铜复合板；

S6、退火：将钢/铜复合板置于真空加热炉内，抽真空，通入氩气或氮气等对其进行保护，在温度为500℃，保温时间为1h的条件下对其进行退火处理；

S7、精整：矫直、切边，制成成品。

实施例1和2所制备的铜/铝和钢/铜复合板均无明显翘曲，观察界面结合良好。对实施例1所制备的铜/铝复合板进行拉剪实验测试界面结合强度，其中铜/铝复合板轧向界面结合强度为96.6Mpa，横向结合强度为92.1MPa。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于：锯齿状凸起21的尖端为尖角结构。对制得的金属复合板成品的轧向结合界面微观组织如图12所示，与实施例1的图11相比，分析得到：锯齿状凸起21的尖端为尖角结构时，在后续的轧制过程中会出现局部材料流动受限，难以实现原子间的冶金结合，同时还出现了图12所示的孔隙和裂纹，导致界面结合强度整体下降，成形率降低。

本发明创造并不限于所述实施例，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种交叉波纹辊，其特征在于：交叉波纹辊(2)的周面分布若干圈凸起单元，若干圈凸起单元沿着交叉波纹辊(2)的轴向并排布置，相邻两圈凸起单元之间沿周向开设V形槽，其中，每圈凸起单元由若干个锯齿状凸起(21)均匀相接于交叉波纹辊(2)的周向上，同一圈凸起单元中，相邻两个锯齿状凸起(21)之间为尖角过渡。

2.根据权利要求1所述的一种交叉波纹辊，其特征在于：所述锯齿状凸起(21)的尖端为倒圆角结构。

3.根据权利要求1所述的一种交叉波纹辊，其特征在于：所述V形槽以交叉波纹辊(2)的周向截面为对称中心。

4.根据权利要求3所述的一种交叉波纹辊，其特征在于：所述V形槽的槽面夹角为30°～60°；所述V形槽的深度为0.3～0.5mm。

5.一种制备金属复合板的方法，其特征在于：包括以下步骤：首先选取n块复板(1)，并采用权要1～4任意一项所述的交叉波纹辊(2)将复板(1)的一个表面轧制成交叉波纹面，形成波纹复板(4)；然后选取n块基板(5)，处理波纹复板(4)和基板(5)的表面后，将基板(5)叠放在波纹复板(4)的交叉波纹面上，形成n块金属复合板坯(7)；最后将金属复合板坯(7)送入平辊轧机进行冷轧复合，得到n块金属复合板(9)，其中，n为正整数，所述复板(1)的变形抗力大于基板(5)的变形抗力。

6.根据权利要求5所述的一种制备金属复合板的方法，其特征在于：所述n为偶数时，将n块金属复合板坯(7)沿纵向进行叠装，叠装的各接触面之间涂抹隔离剂(6)，再将叠装后的n块金属复合板坯(7)送入平辊轧机进行冷轧复合，得到叠装金属复合板(8)，最后将叠装金属复合板(8)从隔离剂(6)界面处进行分离，得到n块金属复合板(9)。

7.根据权利要求5或6所述的一种制备金属复合板的方法，其特征在于：所述复板(1)的弹性模量E₁与基板(5)的弹性模量E₂存在以下关系式：E₂/E₁≤0.6。

8.根据权利要求5或6所述的一种制备金属复合板的方法，其特征在于：所述交叉波纹辊(2)上，相邻两圈所述凸起单元之间的V形槽在波纹复板(4)上形成的三角棱的顶角θ为30°～60°，所述波纹复板(4)并列排布的三角棱其排布周期为3mm；所述锯齿状凸起(21)在波纹复板(4)上形成的锯齿顶角α为60°～65°，锯齿前角β为10°～15°，锯齿后角γ为15°，其中α+β+γ＝90°，锯齿的高度h等于三角棱的高度，锯齿的排布周期为2mm。

9.根据权利要求5或6所述的一种制备金属复合板的方法，其特征在于：复板(1)进行单道次轧制，其压下率为5～15％，金属复合板坯(7)或叠装后的n块金属复合板坯(7)进行冷轧复合的压下率为40-85％。

10.根据权利要求5或6所述的一种制备金属复合板的方法，其特征在于：将得到的金属复合板(9)经过退火、矫直、切边，制成成品。

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