CN114247748B - 一种两道次组元金属异温轧制钢/铝/铝合金复合板的方法及其产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两道次组元金属异温轧制钢/铝/铝合金复合板的方法及其产品，涉及金属层状复合材料制备技术领域。轧制过程具体为：先将常温钢板与300～550℃的铝板进行一道次轧制，压下率10％～30％，得到钢/铝复合板；将得到的钢/铝复合板加热至400～550℃，然后将钢/铝复合板的铝侧与常温铝合金板接触，轧制，压下率20％～30％，即得钢/铝/铝合金复合板。本发明的双道次异温轧制可协调组元金属变形，在无防氧措施下制备出界面结合性能优异、弯曲性能良好的钢/铝/铝合金复合板，同时制备工艺简单，对设备要求低，可以实现大规模、连续化生产。
Description
技术领域
本发明涉及金属层状复合材料制备技术领域，特别是涉及一种两道次组元金属异温轧制钢/铝/铝合金复合板的方法及其产品。
背景技术
钢/铝复合板兼具了钢的高强度与铝的优异导电性、导热性、耐蚀性等优点，可用于连接钢结构和铝合金结构，广泛应用于船舶、水利水电、石油化工等领域。目前，钢/铝复合板的制备方式主要有爆炸复合、轧制复合、固-液铸轧复合等，产品的厚度规格也从几十微米到几十毫米不等。其中，爆炸复合法在制备厚度10mm以上的钢/铝复合板上具有巨大的优势，获得的板坯广泛应用于船舶用钢-铝过渡接头的制备，取得了良好的经济效益。固-液铸轧复合法是近些年兴起的一种新型复合方法，由于组元金属中有从液态直接成形且界面为固-液态，工艺流程短，更易实现冶金结合，在制备厚度较小的钢/铝复合板方面具有极大的优势。
相较于爆炸复合法和铸轧复合法，轧制复合法以尺寸精度高、复合后层厚比均匀、结合性能均匀且连续性好等优点，成为钢/铝复合板制备的主要趋势。根据轧制过程中组元金属温度的不同，轧制复合法可分为冷轧和热轧两种方式。冷轧主要用于制备厚度5mm以下的钢/铝复合板。热轧复合法从成形原理上不受厚度限制，且更易实现冶金结合。但是，当钢和铝的厚度差异较小，且厚度均超过5mm时，热轧过程中钢和铝升温引起变形抗力差异进一步增大，变形主要集中在铝层，极易出现变形不协调、界面结合强度不高等问题，导致厚规格钢/铝(或钢/铝/铝合金)复合板无法有效制备。为此，亟需开发新工艺，实现厚度10mm以上钢/铝/铝合金层状复合板连续轧制制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种两道次组元金属异温轧制钢/铝/铝合金复合板的方法及其产品，以解决上述现有技术存在的问题，从而解决厚度10mm以上的钢/铝/铝合金复合板在轧制过程中因组元金属变形不协调、界面氧化等原因引起的复合板结合强度低、无法连续生产等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种两道次组元金属异温轧制钢/铝/铝合金复合板的方法，包括以下步骤：
(1)一道次异温轧制：将常温钢板与300～550℃的铝板进行轧制，控制压下率10％～30％，得到钢/铝复合板；
(2)二道次异温轧制：将所述钢/铝复合板加热至400～550℃，然后将所述钢/铝复合板的铝侧与常温铝合金板接触，轧制，控制压下率20％～30％，得到钢/铝/铝合金复合板；
所述钢板厚度为8mm-40mm，所述铝板厚度为0.5-4mm；所述钢板与铝板厚度比大于等于5；
所述铝合金板与所述钢/铝复合板厚度比为1-1.5。
进一步地，所述钢板为普碳钢、不锈钢、船舶及海洋工程用B级钢中的任意一种。
进一步地，所述钢板为双平面钢板或具有单侧波纹面的钢板。
进一步地，所述波纹面的波纹幅值小于等于所述铝板厚度的一半。
进一步地，所述铝板为工业纯铝，牌号为1060、1050或1070。
进一步地，所述铝合金为牌号为3系、5系、6系等。
进一步地，所述钢板宽度与铝合金宽度相同，但小于等于铝板宽度。
进一步地，所述铝合金板与所述钢/铝复合板宽度相等。
进一步地，所述铝合金板与所述钢/铝复合板宽度相等。
本发明还提供采用上述方法轧制得到的钢/铝/铝合金复合板。
本发明公开了以下技术效果：
1、本发明一道次异温轧制，利用钢、铝之间的大厚比、大温差，增强铝和钢界面变形，实现小压下量高界面剪切作用，极大地降低了铝加热引起的界面氧化对复合性能的影响，增强界面结合性能。同时，降低因铝引起的轧制不对称性对复合板板形的影响，防止二道次异温轧制钢-铝界面氧化。
2、本发明利用两道次异温轧制将钢、铝直接轧制复合过程中，因钢-铝结合面接近中性层而出现的界面剪切作用弱、界面结合主要依靠热-压作用等问题转移成大厚比钢-铝轧制复合和铝-铝合金轧制复合问题，降低界面结合难度，减小复合所需压下率，协调变形。同时，二道次轧制过程中钢-铝界面靠近轧制中性层引起的界面剪切作用较小可以有效避免因二道次轧制出现复合界面重新开裂现象，有效地提升了界面结合强度，降低了界面氧化对界面结合强度的影响。
本发明的双道次异温轧制可协调组元金属变形，且制备工艺简单，对设备要求低，可以实现大规模、连续化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为非波纹面钢板的一道次异温轧制钢/铝复合板示意图；
图2为非波纹面钢板的二道次异温轧制钢/铝/铝合金复合板示意图；
图3为波纹面钢板的一道次异温轧制钢/铝复合板示意图；
图4为波纹面钢板的二道次异温轧制钢/铝/铝合金复合板示意图；
图1-4中的附图标记为：1-待复合铝板，2-铝板辊道，3-钢丝刷，4-步进式加热炉(一)，5-待复合钢板，6-夹送辊，7-平辊轧机(一)，8-钢/铝复合板，9-钢板辊道，10-钢用砂轮，11-步进式加热炉(二)，12-待复合铝合金板，13-平辊轧机(二)，14-钢/铝/铝合金复合板，15-钢/铝复合板辊道，16-单侧波纹面钢板，17-波纹界面钢/铝复合板，18-波纹界面钢/铝/铝合金复合板；
图5为实施例1制备得到的Q235B/1060/5083复合板的外观图，其中，图A为复合板的正面图，图B为复合板的侧面图；
图6为实施例1制备得到的Q235B/1060/5083复合板的结合界面图；
图7为实施例1制备得到的Q235B/1060/5083复合板的90°弯曲结果；其中，图A为复合板的正面图，图B为复合板的背面图；
图8为实施例1制备得到的Q235B/1060/5083复合板的拉剪强度曲线；
图9为实施例1制备得到的Q235B/1060/5083复合板的拉脱强度曲线。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明所用钢板厚度为8mm-40mm，铝板厚度为0.5-4mm，钢板与铝板厚度比大于等于5；铝合金板厚度与钢/铝复合板厚度比为1-1.5。
一种两道次组元金属异温轧钢/铝/铝合金复合板的方法，包括以下步骤：
1)一道次组元金属板坯准备：准备钢板5(或单侧波纹面钢板16)，除去钢板5(或单侧波纹面钢板16)的油污、氧化膜，对钢板5(或单侧波纹面钢板16)待复合面用钢用砂轮10进行打磨粗糙；准备中间层铝板1，除去铝板1的油污、氧化膜，对铝板1用钢丝刷3进行打磨粗糙；
2)一道次异温轧制钢/铝复合板：钢板5(或单侧波纹面钢板16)保持常温在钢板辊道9的作用下前进，中间铝板1经过无防氧措施的步进加热炉(一)4加热至300～550℃，并在铝板辊道2的作用下前进，在步进式加热炉(一)4出口处，钢、铝组元金属板坯的待复合面在夹送辊6的作用下接触，然后进入平辊轧机(一)7，经过轧制，轧制过程中整体压下率10％～30％，制备出钢/铝复合板8(或波纹界面钢/铝复合板17)。
3)二道次轧前表面处理：对一道次轧制出的钢/铝复合板8(或波纹界面钢/铝复合板17)的铝侧用钢丝刷3进行打磨，去除杂物实现表面粗糙；准备组元金属铝合金板12，除去铝合金板12表面的油污、氧化膜，对铝合金板12待复合面用钢丝刷3进行打磨粗糙。
4)二道次异温轧制：经过处理的钢/铝复合板8(或波纹界面钢/铝复合板17)经过步进式加热炉(二)(11)加热至400-550℃，在钢/铝复合板辊道15的作用下前进，在步进式加热炉(二)(11)出口处，铝合金板12和复合板8(或波纹界面钢/铝复合板17)叠放，使铝合金板12的待复合面和复合板8(或波纹界面钢/铝复合板17)的铝侧接触，然后进入平辊轧机(二)(13)，经过轧制，轧制过程压下率20％～30％，制备出钢/铝/铝合金复合板14(或波纹界面钢/铝/铝合金复合板18)，经过矫直、切边处理后，获得高质量钢/铝/铝合金复合板14(或波纹界面钢/铝/铝合金复合板18)。
图1为非波纹面钢板的一道次轧制钢/铝复合板示意图；图2为非波纹面钢板的二道次轧制钢/铝/铝合金复合板示意图。
图3为波纹面钢板的一道次轧制钢/铝复合板示意图；图4为波纹面钢板的二道次轧制钢/铝/铝合金复合板示意图。
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
本实施例所用钢板为Q235B钢(长×宽×高为250×80×10mm3)，所用铝板为1060铝(长×宽×高为270×100×2mm3)，所用铝合金板为5083铝合金(长×宽×高为250×80×12mm3)。
制备方法为：
1)一道次组元金属板坯准备：准备Q235B钢板5，除去钢板5的油污、氧化膜，对Q235B钢板5待复合面用钢用砂轮10进行打磨粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra50；准备中间层1060铝板1，除去1060铝板1的油污、氧化膜，对1060铝板1用钢丝刷3进行打磨粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra50；
2)一道次异温轧制钢/铝复合板：Q235B钢板5保持常温在钢板辊道9的作用下前进，中间1060铝板1经过无防氧措施的步进加热炉(一)4加热至500℃，在加热炉(一)4出口处，钢、铝组元金属板坯的待复合面在夹送辊6的作用下接触，然后进入平辊轧机(一)7，经过轧制，轧制过程中整体压下率为22.5％，制备出Q235B/1060复合板8。
3)二道次轧前表面处理：对一道次轧制出的Q235B/1060复合板8的铝侧用钢丝刷3进行打磨，去除杂物实现表面粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra50；准备组元金属5083铝合金板12，除去5083铝合金板12表面的油污、氧化膜，对5083铝合金板12待复合面用钢丝刷3进行打磨粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra50。
4)二道次异温轧制：经过处理的Q235B/1060复合板8经过步进式加热炉(二)11加热至550℃，在钢/铝复合板辊道15的作用下前进，在步进式加热炉(二)(11)出口处，5083铝合金板12和复合板8叠放，使5083铝合金板12的待复合面和复合板8的铝侧接触，然后进入平辊轧机(二)13，经过轧制，轧制过程压下率为27％，制备出Q235B/1060/5083复合板14，经过矫直、切边处理后，获得厚度15.6mm的Q235B/1060/5083复合板。
实施例1制备得到的Q235B/1060/5083复合板的外观图如图5所示；其中图A为复合板的正面图，图B为复合板的侧面图。
图6为实施例1制备得到的Q235B/1060/5083复合板的结合界面图。
图7为实施例1制备得到的Q235B/1060/5083复合板的90°弯曲结果，其中，图A为复合板的正面图，图B为复合板的背面图。可以看出，制得的Q235B/1060/5083复合板90°弯曲无缺陷。
图8为实施例1制备得到的Q235B/1060/5083复合板的拉剪强度曲线。
图9为实施例1制备得到的Q235B/1060/5083复合板的拉脱强度曲线。
图8-9结果显示，实施例1制备得到的Q235B/1060/5083复合板的界面剪切强度为77MPa，界面拉脱强度为153MPa。
实施例2
本实施例所用钢板为06Cr19Ni10钢(长×宽×高为10000×400×40mm3)，所用铝板为1050铝(长×宽×高为10000×420×4mm3)，所用铝合金板为3003铝合金(长×宽×高为11000×400×39.6mm3)。
制备方法为：
1)一道次组元金属板坯准备：准备06Cr19Ni10钢板5，除去06Cr19Ni10钢板5的油污、氧化膜，对06Cr19Ni10钢板5待复合面用钢用砂轮10进行打磨粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra25；准备中间层1050铝板1，除去铝板1的油污、氧化膜，对1050铝板1用钢丝刷3进行打磨粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra25；
2)一道次异温轧制钢/铝复合板：钢板5保持常温在钢板辊道9的作用下前进，中间铝板1经过无防氧措施的步进加热炉(一)4加热至300℃，在加热炉(一)4出口处，钢、铝组元金属板坯的待复合面在夹送辊6的作用下接触，然后进入平辊轧机(一)7，经过轧制，轧制过程中整体压下率为10％，制备出06Cr19Ni10/1050复合板8。
3)二道次轧前表面处理：对一道次轧制出的06Cr19Ni10/1050复合板8的铝侧用钢丝刷3进行打磨，去除杂物实现表面粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra25；准备经过热处理的组元金属3003铝合金板12，除去3003铝合金板12表面的油污、氧化膜，对3003铝合金板12待复合面用钢丝刷3进行打磨粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra25。
4)二道次轧制：经过处理的06Cr19Ni10/1050复合板8经过步进式加热炉(二)11加热至500℃，在钢/铝复合板辊道15的作用下前进，在步进式加热炉(二)(11)出口处，3003铝合金板12和复合板8叠放，使3003铝合金板12的待复合面和复合板8的铝侧接触，然后进入平辊轧机(二)13，经过轧制，轧制过程压下率为20％，制备出06Cr19Ni10/1050/3003复合板14，经过矫直和切边处理后，获得厚度66.3mm的06Cr19Ni10/1050/3003复合板。
实施例2制得的06Cr19Ni10/1050/3003复合板的界面剪切强度为70MPa，界面拉脱强度为130MPa。
实施例3
本实施例所用钢板为304钢(长×宽×高为4000×600×8mm3)，一侧带有波纹，波纹幅值0.1mm，单个波纹宽度0.5mm，所用铝板为1070铝(长×宽×高为4000×600×0.2mm3)，所用铝合金板为6061铝合金(长×宽×高为5200×600×8.6mm3)。
制备方法为：
1)一道次组元金属板坯准备：准备304钢板16，除去304钢板16的油污、氧化膜，对304钢板16波纹面用钢用砂轮10进行打磨粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra100；准备中间层1070铝板1，除去铝板1的油污、氧化膜，对铝板1用钢丝刷3进行打磨粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra100；
2)一道次异温轧制钢/铝复合板：304钢板16保持常温在钢板辊道9的作用下前进，中间1070铝板1经过无防氧措施的步进加热炉(一)4加热至550℃，在加热炉(一)4出口处，304钢板16的波纹面与1070铝板1的带复合面在夹送辊6的作用下接触，然后进入平辊轧机(一)7，经过轧制，轧制过程中整体压下率为30％，制备出波纹界面304/1070复合板17。
3)二道次轧前表面处理：对一道次轧制出的304/1070复合板17的铝侧用钢丝刷3进行打磨，去除杂物实现表面粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra100；准备组元金属6061铝合金板12，除去6061铝合金板12表面的油污、氧化膜，对6061铝合金板12待复合面用钢丝刷3进行打磨粗糙，打磨后的表面粗糙度为Ra100。
4)二道次异温轧制：经过处理的304/1070复合板17经过步进式加热炉(二)11加热至400℃，在钢/铝复合板辊道15的作用下前进，在步进式加热炉(二)(11)出口处，6061铝合金板12和复合板17叠放，使6061铝合金板12的待复合面和复合板17的铝侧接触，然后进入平辊轧机(二)13，经过轧制，轧制过程压下率为30％，制备出波纹界面钢/铝/铝合金复合板18，经过矫直和切边处理后，获得厚度12.0mm的304/1070/6061复合板。
实施例3制得的304/1070/6061复合板的界面剪切强度为71MPa，界面拉脱强度为135MPa。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，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 (8)
1.一种两道次组元金属异温轧制钢/铝/铝合金复合板的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)一道次异温轧制：将常温钢板与300～550℃的铝板进行轧制，控制压下率10％～30％，得到钢/铝复合板；
(2)二道次异温轧制：将所述钢/铝复合板加热至400～550℃，然后将所述钢/铝复合板的铝侧与常温铝合金板接触，轧制，控制压下率20％～30％，得到钢/铝/铝合金复合板；
所述钢板厚度为8mm-40mm，所述铝板厚度为0.5-4mm；所述钢板与铝板厚度比大于等于5；
所述铝合金板与所述钢/铝复合板厚度比为1-1.5。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢板为普碳钢或不锈钢。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢板为双平面钢板或具有单侧波纹面的钢板。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述波纹面的波纹幅值小于等于所述铝板厚度的一半。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝板为1系铝板。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钢板宽度与铝合金宽度相同，但小于等于铝板宽度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金板与所述钢/铝复合板宽度相等。
8.如权利要求1-7任一项所述方法轧制得到的钢/铝/铝合金复合板。
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