CN117324415A - 一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，包括以下步骤：通过平辊和带有沟槽的轧辊的相互配合，对纯钛板和钢板进行单道次轧制；对纯钛板和钢板进行退火软化处理；通过机械打磨的方式处理钛板和钢板的复合表面，以实现钛板和钢板之间相互嵌合组坯；将组坯送入轧机进行冷轧预复合；经过单道次热轧，制备得到性能卓越的钛/钢复合板。本发明提出的制备方法仅需相对较小的压下率，即可实现钛板和钢板的互锁，有效增大了钛板和钢板间的界面接触面积，显著提高了钛/钢复合板的界面结合强度。而且本发明方法也适用于大规模工业化生产，为批量制备高质量的钛/钢复合板提供了可行性。
Description
技术领域
本发明涉及金属层状复合材料制备技术领域，尤其涉及一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法。
背景技术
钛/钢复合板是一种重要的复合材料，兼具钛的优良耐腐蚀性能和钢的高强度、低成本的特点，广泛用于航空、汽车、船舶等领域。钛/钢复合板的制备方法有爆炸复合法和轧制复合法等，爆炸复合法制备的钛/钢复合板综合机械强度高、界面连接好，加工过程较为简便、不需要任何特殊设备，适用于同一种或不同种的两层或多层的复合材料。然而缺陷也很明显：生产过程中产生噪音和烟雾，并且只能加工较小规格较厚的复合板坯，不能加工较大规格的板材，产品质量波动大，对天气变化敏感。轧制复合法具有较高的制备效率，对环境影响小，对生产的钛/钢复合板尺寸要求不高等优点。但是在进行热轧复合之前，必须要进行一系列的表面抗氧化处理，对设备和工艺要求较高。
公开号为CN115156330A的专利提供了一种大气环境下热轧制备钛/钢复合板的方法，包括机械打磨钛板和钢板的待复合表面，再将钛板和钢板层叠组坯后两侧用铜箔包覆，送入高频感应加热线圈在线加热，控制钛/钢界面的温度为800-1000℃，最后，单道次热轧获得钛/钢复合板。该方法不需要真空电子束焊接，可在大气环境下热轧制备出高界面结合质量的钛/钢复合板，具有生产成本低，工艺简单，易工业化推广的优点。公开号为CN115255014A的专利提供一种薄规格钛/钢复合板的低成本制备方法，包括对钛板和钢板进行退火处理，退火后的钛板硬度＜150HV，钢板硬度为160-200HV；机械打磨钛板和钢板的待复合表面，获得洁净、粗糙的待复合表面；将机械打磨的钛板和钢板层叠组坯后单道次冷轧复合，冷轧速度为0.1-0.5m/s，冷轧压下量为30％-48％；冷轧复合后对钛/钢复合板进行真空或者保护气氛下的扩散热处理，提高钛/钢复合板的界面结合强度。该方法不需要焊接和热轧即可制备出高界面结合质量的钛/钢复合薄板。公开号为CN107626764A的专利提供了一种钛钢复合板的制备方法，是对钛坯和钢坯进行表面处理，然后在钛坯表面涂刷涂料，进行室温干燥；将表面处理后并涂刷涂料后的钛坯两两对正叠置，中间放入钢坯，对称组坯；将复合坯四周进行焊接密封，并进行抽真空处理；将复合坯放在加热炉内进行热处理，然后进行多道次轧制，轧制完成后复合坯进行空冷，并进行切边、拉矫平整处理，获得钛/钢复合板。
在钛/钢复合板的界面热轧过程中，常会形成金属间化合物，如TiC、FeTi和Fe2Ti。由于钢中碳含量较低，因此在钛/钢界面，TiC生成量相对较少，对界面结合质量的影响较小。在热轧温度超过882℃时，钛/钢界面会生成FeTi和Fe2Ti等金属间化合物，这些金属化合物对界面的结合质量造成严重影响。为了避免在钛/钢界面形成Fe-Ti相，通常需要将钛/钢复合板的热轧温度控制在882℃以下。然而，较低的轧制温度会增加钛和钢的抗变形能力，从而限制了热轧的压下率，这对于提高界面结合质量构成了挑战。此外，传统的热轧复合法通常通过改进设备来控制金属间化合物的生成，例如，在热轧之前对界面进行封焊并创建真空环境，采用电磁感应加热等方法。上述措施不仅对设备要求较高，增加运行成本，而且还会对钛/钢复合板的尺寸范围施加一定的限制。因此，开发一种能够在大气环境下有效控制金属间化合物的生成，且不需要高压下率的钛/钢复合板制备方法具有极其重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，能够解决传统扩散复合法工艺控制要求高、界面处理困难、尺寸受限等问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备用于复合的钛板和钢板；利用平辊和带有沟槽的轧辊相互配合，对纯钛板和钢板进行单道次轧制，轧制形成的纵筋平行或垂直于轧制方向，横截面形状包括锯齿形、矩形、梯形或者三角形；
S2、将轧制结束后的钛板和钢板置于加热炉内进行退火软化处理；
S3、采用机械打磨的方式对板材进行打磨，打磨方向平行于轧制方向；去除材料表面的氧化层和油污等杂质；
S4、将打磨好的钛板和钢板嵌合组坯，送至轧机进行单道次冷轧使界面下充分结合，两者相互嵌套成一体；
S5、单道次热轧，得到的钛/钢复合板无开裂现象，界面无Fe-Ti相，界面结合强度大于200MPa；
进一步的，所述步骤S1中，钛板型号为TA1或TA2或TA3或TA10，钢板型号为Q235或Q275或20#。
进一步的，所述步骤S2中，钛板的退火温度为700-800℃，退火时间为1-4h，保证钛板硬度＜150HV；钢板的退火温度为600-700℃，退火时间为1-4h，保证钢板硬度＜200HV。
进一步的，所述步骤S4中，轧机的压下率为10％-30％，轧制速度为0.05-0.2m/s。
进一步的，所述步骤S5中，热轧的压下率为15％-35％。
进一步的，所述钛板的初始厚度为0.5-4.0mm，钢板的初始厚度为1-7mm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明提供的钛/钢复合板的制备方法，在室温状态下即可实现钛/钢复合的完整过程，有效地避免了界面氧化效应的发生。这一方法省去了传统制备中必须进行的界面焊接和真空处理的步骤，因此，在大气环境下即可成功制备钛/钢复合板。此外，由于不需要坯料加热，也消除了由加热引起的界面氧化问题。本发明在材料界面的处理方面具有显著的优势，为制备高质量的钛/钢复合板提供一种更加高效且可行的途径。
2、本发明提供的钛/钢复合板的制备方法通过经历冷轧和热轧工序，使得钛板和钢板的界面相互嵌合，形成一种机械互锁结构，这一结构不仅有助于原子之间的相互扩散，从而形成高强度复合，还能够充分提高界面的接触结合强度。与此同时，本发明对轧制温度的要求较低，不容易在界面生成金属间化合物，因此能够获得质量卓越的钛/钢复合板。
3、本发明提供的钛/钢复合板的制备方法成功克服了现有技术中的一个钛/钢复合板在复合轧制过程中需要经历单道次较大压下率才能实现初步复合的关键问题，相比之下，本发明的方法通过单道次小压下，即可确保钛板和钢板完成机械咬合或预复合，随后能够在小压下率下轧制完成复合。这一创新性的方法降低了对轧机设备轧制能力的要求，因此具有制备技术简单、生产效率高等显著特点。本发明对于钛/钢复合板的制备工艺和性能提升具有重要的学术和工程价值。
附图说明
图1是本发明所提出的一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法的流程示意图；
图2是本发明钛板和钢板板轧制形成的纵筋平行于轧制方向的结构示意图；
图3是本发明钛板和钢板板轧制形成的纵筋垂直于轧制方向的结构示意图；
图4为本发明实施例1制得的钛/钢复合板的复合界面形貌示意图；
图5为本发明实施例1制得的钛/钢复合板材料界面元素扩散示意图。
具体实施方式
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
本发明所提出的一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、准备用于复合的钛板和钢板，钛板型号可以选择TA1或TA2或TA3或TA10，钢板型号可以选择Q235或Q275或20#；
其中，钛板的初始厚度为0.5-4.0mm，钢板的初始厚度为1-7mm；利用平辊和带有沟槽的轧辊相互配合，对纯钛板和钢板进行单道次轧制，轧制形成的纵筋平行或垂直于轧制方向，横截面形状为锯齿形或矩形或梯形或者三角形，如图2和图3所示；
S2、将轧制结束后的钛板和钢板置于加热炉内进行退火软化处理；其中，钛板的退火温度为700-800℃，退火时间为1-4h，保证钛板硬度＜150HV；钢板的退火温度为600-700℃，退火时间为1-4h，保证钢板硬度＜200HV；
S3、采用钢丝刷对板材进行打磨，打磨方向平行于轧制方向；去除材料表面的氧化层和油污等杂质；
S4、将打磨好的钛板和钢板嵌合组坯，送至轧机进行单道次冷轧使界面下充分结合，两者相互嵌套成一体；其中，轧机的压下率为10％-30％，轧制速度为0.05-0.2m/s；
S5、单道次热轧，热轧的压下率为15％-35％，得到的钛/钢复合板无开裂现象，界面无Fe-Ti相，界面结合强度大于200MPa；
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，覆层材料采用TA1纯钛，钛板初始厚度为2.0mm，基层材料为Q275低碳钢，钢板的初始厚度为5.0mm；利用平辊和带有沟槽的轧辊相互配合分别对钛板和钢板进行单道次轧制，轧制形成的纵筋平行于轧制方向，横截面形状为矩形；随后将钛板置于800℃的加热炉内加热2h，将钢板置于650℃的加热炉内加热1h，退火软化后钛板硬度为142HV，钢板硬度177HV。利用钢丝刷磨轮打磨板材表面，清除板材待复合表面的氧化、灰尘和水汽等污染物。然后将钛板和钢板堆叠组坯后送入轧机进行单道次冷轧，冷轧压下率10％，最后，将冷轧结束的预复合板送入轧机进行单道次热轧，热轧压下率20％，获得的钛/钢复合板的界面只有少量TiC，并未生成Fe-Ti相，界面结合强度为230MPa。
实施例2
一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，覆层材料为TA1纯钛，钛板初始厚度为0.5.0mm，基层材料为Q275低碳钢，钢板的初始厚度为7.0mm；利用平辊和带有沟槽的轧辊相互配合对钛板和钢板进行单道次轧制，轧制形成的纵筋平行于轧制方向，横截面形状为三角形；随后将钛板置于750℃的加热炉内加热1h，将钢板置于600℃的加热炉内加热4h，退火软化后钛板硬度为136HV，钢板硬度181HV。利用钢丝刷磨轮打磨板材表面，清除板材待复合表面的氧化、灰尘和水汽等污染物。然后将钛板和钢板堆叠组坯后送入轧机进行单道次冷轧，冷轧压下率20％，最后，将冷轧结束的预复合板送入轧机进行单道次热轧，热轧压下率15％，获得的钛/钢复合板的界面只有少量TiC，并未生成Fe-Ti相，界面结合强度为245MPa。
实施例3
一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，覆层材料为TA1纯钛，钛板初始厚度为4.0mm，基层材料为Q275低碳钢，钢板的初始厚度为1.0mm；利用平辊和带有沟槽的轧辊相互配合对钛板和钢板进行单道次轧制，轧制形成的纵筋平行于轧制方向，横截面形状为梯形；随后将钛板置于700℃的加热炉内加热4h，将钢板置于700℃的加热炉内加热2h，退火软化后钛板硬度为141HV，钢板硬度170HV。利用钢丝刷磨轮打磨板材表面，清除板材待复合表面的氧化、灰尘和水汽等污染物。然后将钛板和钢板堆叠组坯后送入轧机进行单道次冷轧，冷轧压下率30％，最后，将冷轧结束的预复合板送入轧机进行单道次热轧，热轧压下率35％，获得的钛/钢复合板的界面只有少量TiC，并未生成Fe-Ti相，界面结合强度为248MPa。
实施例4
一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，覆层材料为TA1纯钛，钛板初始厚度为2.0mm，基层材料为Q275低碳钢，钢板的初始厚度为5.0mm；利用平辊和带有沟槽的轧辊相互配合对钛板和钢板进行单道次轧制，轧制形成的纵筋平行于轧制方向，横截面形状为锯齿形；随后将钛板置于800℃的加热炉内加热2h，将钢板置于650℃的加热炉内加热1h，退火软化后钛板硬度为135HV，钢板硬度188HV。利用钢丝刷磨轮打磨板材表面，清除板材待复合表面的氧化、灰尘和水汽等污染物。然后将钛板和钢板堆叠组坯后送入轧机进行单道次冷轧，冷轧压下率15％，最后，将冷轧结束的预复合板送入轧机进行单道次热轧，热轧压下率25％，获得的钛/钢复合板的界面只有少量TiC，并未生成Fe-Ti相，界面结合强度为259MPa。
本发明未详尽事宜皆为公知技术。
以上所述的实施例仅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 (6)
1.一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、准备用于复合的钛板和钢板；利用平辊和带有沟槽的轧辊相互配合，对纯钛板和钢板进行单道次轧制，轧制形成的纵筋平行或垂直于轧制方向，横截面形状为锯齿形或矩形或梯形或者三角形；
S2、将轧制结束后的钛板和钢板置于加热炉内进行退火软化处理；
S3、采用机械打磨的方式对板材进行打磨，打磨方向平行于轧制方向；去除材料表面的氧化层和油污等杂质；
S4、将打磨好的钛板和钢板嵌合组坯，送至轧机进行单道次冷轧使界面下充分结合，两者相互嵌套成一体；
S5、单道次热轧，得到的钛/钢复合板无开裂现象，界面无Fe-Ti相，界面结合强度大于200MPa。
2.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，钛板型号为TA1或TA2或TA3或TA10，钢板型号为Q235或Q275或20#。
3.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，钛板的退火温度为700-800℃，退火时间为1-4h，保证钛板硬度＜150HV；钢板的退火温度为600-700℃，退火时间为1-4h，保证钢板硬度＜200HV。
4.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，轧机的压下率为10％-30％，轧制速度为0.05-0.2m/s。
5.根据权利要求4所述的一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中，热轧的压下率为15％-35％。
6.根据权利要求1所述的一种高界面结合强度钛/钢复合板的制备方法，其特征在于：所述钛板的初始厚度为0.5-4.0mm，钢板的初始厚度为1-7mm。
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