CN1241732C - 金属复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用作建筑材料的金属复合材料的制备方法，所述金属复合材料包括铝核心薄板以及位于所述核心薄板的至少一面上的钛包覆层。通过该方法，所述铝核心薄板与钛包覆层通过轧制结合相互结合一起，其中，在轧制结合之前，仅仅将铝核心薄板预热至50-200℃。本发明还涉及这种金属复合材料的使用以及这种金属复合材料。
Description
本发明涉及特别是用作建筑材料的金属复合材料的制备方法，所述金属复合材料包括铝合金核心薄板以及位于所述核心薄板的一面或两面上的钛包覆层。本发明还涉及这种金属复合材料的使用以及这类金属复合材料。
在本发明的范围内，轧制成型又称作轮廓轧制成型或者冷轧成型，它被认为是一种通过使坯料经过一系列带有仿形轧辊的轧机架，来将金属薄板、带材或者卷曲的坯料加工成厚度基本均匀的要求形状的连续方法，参见ASM International 1988年的第九版的金属手册(Metals Handbook)的第14卷，第624-635页。
金属复合材料包括核心薄片，该薄片与位于其一个表面或者两个表面上的钛或钛合金包覆层结合一起。这种复合材料目前已为人所知。例如，厚的包覆有钛的碳钢薄板或厚板用于各种建筑物，特别是化学厂中的各种建筑物以及热交换器中，在这些场合，利用的是钛包覆层的极佳的腐蚀性能。典型地，铜或铜合金用作碳钢与钛包覆层之间的中间层。
在另一个实例中，采用钛包覆的铝核心薄板可以用作建筑材料，例如屋面和外墙。在这种应用场合，利用了钛的良好的耐腐蚀性。此外，钛具有一种高级(high-tech)且非常有吸引力的外观。
日本公开专利申请(laid open patent publication)JP-A-09-57465公开了一种制备金属复合材料的方法，所述金属复合材料包括铝核心薄板以及位于所述核心薄板的一面或两面上的钛包覆层。该公开方法的本质在于铝与钛通过爆炸结合方法冶金结合一起。在所公开的说明本发明的实施例中，借助爆炸结合法将50mm厚的铝板的一面与5mm厚的钛板结合一起。获得的产品是55mm厚的复合板材。随后在室温下将板材冷轧至1.1mm的最终尺寸。该最终板材产品的其它尺寸为3m×4m。将获得的金属复合薄板产品暴露在海边环境2年之后，钛表面未出现腐蚀。
该已知方法的不足之处在于金属材料借助爆炸结合实现相互结合，而爆炸结合是一种相当复杂的技术。爆炸结合的另一个缺点是该方法仅仅可以分批使用，从而限制了所获得的复合薄板产品的尺寸。该公开方法的又一个缺点在于为了获得薄板产品，需要施加98％的冷轧量。该冷轧变形量只有通过多个轧制步骤才能获得，这就要求对产品进行中间热处理以改善可加工性。该公开方法的再一个缺点在于：由于冷轧引起应变硬化，获得的薄板产品例如进行轧制成形的可成形性受到限制。
美国专利3,711,937公开了一种采用钛薄板包覆铝薄板的方法，该方法借助热轧使所述两薄板的表面在压力下实现瞬间接触，为此，需要将铝薄板和钛薄板预热至500-1000°F(260-538℃)，优选至600-850°F(315-454℃)，并且，在500-1150°F(260-620℃)下对复合薄板进行后热处理0.1-1.0个小时，以形成结合。采用该公开方法制备的复合金属主要用于电化学处理场合以及飞机和航空工业中的结构部件。
日本公开专利申请(laid open patent publication)JP-A-08-336929公开了一种应用于建筑场合的钛-铝包覆产品，该产品中，钛层厚度与整个板材的厚度之比值r1为0.05≤r1≤0.6。据说该比值能够改善该包覆产品的回弹性。该包覆产品借助轧制结合加工而成，其中，至少将铝薄板预热至450℃。
本发明的一个目的是提供一种用作建筑材料的金属复合材料的制备方法，所述金属复合材料包括铝核心薄板以及位于所述核心薄板的一面或两面上的钛包覆层。与前述现有方法相比，该方法需要复杂程度较低的处理步骤。
本发明的另一个目的是提供一种用作建筑材料的金属复合材料的制备方法，所述金属复合材料包括铝核心薄板以及位于所述核心薄板的一面或两面上的钛包覆层。该方法需要较少的轧制步骤便能够获得最终尺寸的复合材料产品。
本发明的再一个目的是提供一种用作建筑材料的金属复合材料的制备方法，所述金属复合材料包括铝核心薄板以及位于所述核心薄板的一面或两面上的钛包覆层。该方法能够获得一种特别是在进行轧制成形时具有优异可成形性的金属复合材料。
本发明的又一个目的是提供一种用作建筑材料，理想地适合作为屋面材料的金属复合材料的制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种理想地适合用作建筑材料的金属复合材料的制备方法，所述金属复合材料包括铝核心薄板以及位于所述核心薄板的至少一面上的钛包覆层，其特征在于所述铝核心薄板与钛包覆层通过轧制结合或者轧制包覆相互结合一起，而且，其中，在轧制结合之前，仅仅将铝核心薄板预热至50-200℃，优选至110-200℃。
本发明的方法获得了无需采用爆炸结合制造金属复合材料的效果。借助轧制结合，能够在铝合金薄板与钛包覆层之间获得优异的冶金结合。通过在所述给定范围仅仅对铝进行预热，能够进一步显著改善所述两种金属薄板之间的冶金结合，这使得材料能够随后借助轧制成形进行成形。本领域技术人员将不会指定刚好在轧制结合之前进行的预热铝核心薄板的温度范围为热轧。应该避免铝核心薄板的预热温度高于200℃，以便在获得的轧制结合的复合材料中，能够充分保持尤其是铝合金的成形性能。
轧制结合能够制备环形薄板材料，例如成卷的薄板材料，而爆炸结合对最终复合薄板产品的尺寸有很大限制。成卷的金属复合材料的优点在于它能够以极低的成本运送至建筑工地，在建筑工地，它可以马上被轧制成形为例如屋面材料，其尺寸为50-100cm宽，长度依据要求可以例如为7-15m甚至更长。已发现：不要求必须也刚好在进行轧制结合之前提高钛包覆薄板的温度。为了避免面对铝核心薄板的钛包覆层表面发生氧化，甚至优选钛包覆层的温度不要明显高于室温。在工业生产线上，可以采用已知的手段将铝合金板加热至所述高温，这时，典型的生产线速度为10-25m/s。加热的位置可以是在与钛包覆层线接触之前的2-5m处。在这种生产线速度下，在与钛包覆层接触之前铝核心薄板的温度几乎保持不变。
在根据本发明的方法的一个实施方案中，实施轧制结合时的总轧制量，即厚度方向的总压下量不大于50％。通过在给定范围内提高铝核心薄板的温度，能够在不要求高的变形量或轧制量的情况下，在铝核心薄板与钛包覆层之间获得极佳的结合。
在根据本发明的方法的一个优选实施方案中，实施轧制结合时的总轧制量不大于45％，更优选不大于40％。为了在铝与钛薄板之间建立良好的冶金结合，合适的轧制量下限约为25％，更优选30％。通过在给定范围内提高铝核心薄板的温度，能够在不要求高的轧制变形量的情况下，在铝核心薄板与钛包覆层之间获得极佳的结合。通过实施给定范围的轧制量，所获得的金属复合材料表面的应变硬化程度显著降低，这使得材料尤其在进行轧制成形时能够具有理想的高成形性。
在根据本发明的方法的一个优选实施方案中，轧制结合采用一个单一轧制步骤进行。通过在一个单一轧制步骤施加给定范围的轧制量，在铝核心薄板与钛包覆层之间能够获得优异的冶金结合，而且，所获得的金属复合材料表面的应变硬化程度显著降低，这使得材料尤其在进行轧制成形时能够具有理想的高成形性。此外，通过在一个单一轧制步骤进行轧制结合，不需要通过在高温下进行中间退火处理来使中间产品恢复具有进一步冷轧至最终尺寸所需的加工性。
在一个实施方案中，根据本发明的方法的特征在于：其包括对面向铝核心薄板的钛包覆层表面进行预处理，所述预处理包括在轧制结合步骤之前对所述表面进行刷擦的步骤。该刷擦操作获得了将所述表面上存在的至少部分氧化物层除掉的效果。已发现：面对钛包覆层的铝核心薄板的表面不需要专门的预处理，但是也可以任选进行刷擦操作。优选这种刷擦预处理在基本上干燥的气氛中进行，优选使用未采取专门预防性措施的通常环境气氛或者惰性气氛。优选不使用冷却流体或者类似物质，以避免刷擦后的表面发生再氧化。通过借助刷擦，例如机械刷擦对钛包覆层进行适当预处理，能够进一步显著改善所获得的铝核心薄板与钛包覆层之间的冶金结合。
在将薄板产品轧制结合成复合材料之后，可以采用一个或多个加热步骤对所获得的复合材料进行最终退火处理，退火温度范围为350-550℃，优选400-540℃，时间为2-16小时，以便改善所述复合材料的轧制成形性，以及进一步改善铝核心薄板与钛包覆层之间的冶金结合。
尽管在根据本发明的方法中可以使用各种铝合金，其中包括铝协会(AA)1000和AA6000系列的铝合金，但是，在本发明的方法的一个优选实施方案中，铝合金核心薄板的组成处于AA3000系列合金范围内，而且，尤其有用的铝合金是AA3004系列合金。已发现：该铝合金能够很好地轧制结合成钛包覆的铝薄板，同时所获得的复合材料还能够保持优异的轧制成形性。当材料用于建筑系统，特别是用于直立接缝(standing-seam)屋面和墙壁包覆(wall-cladding)结构时，具有优异的轧制成形性是所述复合材料的一个重要特征。
尽管在根据本发明的方法中可以使用各种钛合金薄板，但是，在根据本发明的方法的一个优选实施方案中，所使用的是未合金化的钛薄板，特别是具有如下化学组成范围内的钛薄板，所述化学组成包括，以重量百分比计：
Fe 最多0.35，优选最多0.15，
O 最多0.35，优选最多0.12，
N 最多0.05，
C 最多0.06，
H 最多0.015％，优选最多0.013％，
杂质 每种最多0.1％，总量最多0.4％，
余量为钛。
已发现：特别是当与处于AA3000系列，优选AA3004系列范围内的铝合金一起使用时，这种未合金化的钛可以容易地与铝合金轧制结合一起，同时在所获得的复合材料中又能保持优异的轧制成形性。此外，已发现：特别是当AA3004铝核心薄板与未合金化的钛包覆层结合时，能够允许在轧制结合操作期间通过一个单一的轧制步骤实现最高达50％的冷轧变形量。
在根据本发明的方法的一个实施方案中，铝核心薄板的厚度在轧制结合之后为0.7-1.5mm，优选0.9-1.25mm。每个钛包覆层的厚度在轧制结合之后为0.05-0.4mm，优选0.05-0.3mm。控制每个钛包覆层的厚度为铝核心薄板厚度的5-15％。这意味着铝核心薄板在轧制结合之前的厚度小于3.0mm，这是一种在卷曲机上容易获得的环形材料。而且，厚度不超过0.5mm的钛薄板也很容易从市场上获得。
在本发明的另一个方面，采用本方法获得的金属复合材料可以作为一种建筑体系例如立面和屋面结构使用。通过本发明，可以获得适合应用于建筑体系的铝-钛包覆产品，例如商品名为KAL-ZIP和KAL-BAU的产品。
在本发明的另一个方面，提供了一种薄板形式的金属复合材料，尤其是一种可轧制成形的建筑薄板，其包括一个铝或者铝合金薄板以及位于所述铝薄板一面上的钛包覆层，而且，其中，所述钛包覆层通过轧制结合覆盖在所述核心薄板上，铝核心薄板的厚度为0.7-1.5mm，优选0.9-1.25mm，每个钛包覆层的厚度在0.05-0.3mm，优选0.05-0.15mm。铝薄板的组成处于AA3000系列铝合金的组成范围，优选处于AA3004的范围之内。钛包覆层的组成包含，以重量百分比计：
Fe 最多0.35，优选最多0.15，
O 最多0.35，优选最多0.12，
N 最多0.05，
C 最多0.06，
H 最多0.015％，优选最多0.013％，
杂质 每种最多0.1％，总量最多0.4％，
余量为钛。
现在通过非限制性实施例对本发明进行说明。
工业规模生产制造出一种金属复合产品，该产品包括在一面与钛薄板轧制结合一起的铝薄板，其中，0.5mm厚的钛薄板与2.5mm厚的铝薄板轧制结合一起。钛薄板由在II-B状态(冷轧、退火并酸洗)下的TRIKUTAN RT12(3.7025gem DIN 17860)制成，铝薄板是一种处于0回火态的AA3004系列的铝合金。通过刷擦对这两种金属薄板相对的表面进行预处理，以便至少部分去除存在的表面氧化物。钛薄板的温度为室温，而铝薄板被加热至120℃，以便有助于结合。在一种quatro包覆轧机上，采用一个单一冷轧步骤，以47％的轧制量，使所述两种金属薄板结合一起，结果，在所获得的金属复合产品中，铝和钛薄板的厚度分别为1.13mm和0.36mm。在具有通常大气气氛的炉中，在535℃下，对所述轧制结合产品的子试样退火处理5个小时，并且，其中，在将试样从退火炉中取出之后，使之冷至室温。退火处理之后，所获得的两种金属薄板之间的结合状况极佳。另外，根据DIN-1624确定了退火前后的拉伸性能，在此引入DIN-1624作为参考。结果列于表1中，所示结果是6个试验试样的平均值，并且，其中，“Rp0.2”代表屈服强度，“Rm”代表抗拉强度，“Ag”是均匀延伸率，“A80”是总延伸率。
由表1结果可以看出。退火之后的金属复合产品具有非常高的延伸率和相对较低的屈服强度，从而使其能够成功地被轧制成形为面板例如直立接缝的屋面。由于机械结合性能良好，因此，实施轧制成形操作时包覆产品不会出现剥离。
表1
| 退火前 | 退火后 | |
| Rp0.2[MPa] | 260 | 127 |
| Rm[MPa] | 305 | 194 |
| Ag[％] | 2.4 | 14.6 |
| A80[％] | 5.3 | 27.8 |
现在已对本发明进行了充分介绍，但是，对于本领域的普通专业人员显而易见的是：只要不偏离此处介绍的本发明的精神或范围，可以进行多种变化和修正。
Claims (11)
1.一种用作建筑材料的金属复合材料的制备方法，所述金属复合材料包括铝核心薄板以及位于所述核心薄板的至少一面上的钛包覆层，其特征在于所述铝核心薄板与钛包覆层通过轧制结合相互结合一起，其中，在轧制结合之前，仅仅将铝核心薄板预热至110-200℃，所述铝核心薄板的组成在AA3000系列合金范围内，钛包覆层的组成包含，以重量计：
Fe 最多0.35％，
O 最多0.35％，
N 最多0.05％，
C 最多0.06％，
H 最多0.015％，
杂质 每种最多0.1％，总量最多0.4％，
余量为钛，
实施所述轧制结合时的总轧制量在25％至50％之间，在轧制结合之后，所述铝核心薄板的厚度为0.7-1.5mm，所述一个钛包覆层或者两个钛包覆层中的每一个的厚度均为0.05-0.4mm。
2.根据权利要求1的方法，其中，实施所述轧制结合时的总轧制量不大于45％。
3.根据权利要求2的方法，其中，实施所述轧制结合时的总轧制量不大于40％。
4.根据权利要求1-3中之任何一项的方法，其中，所述轧制结合采用一个单一轧制步骤进行。
5.根据权利要求1-3中之任何一项的方法，其中，所述方法包括对面向铝核心薄板的钛包覆层表面进行预处理，所述预处理包括在结合步骤之前对所述表面进行刷擦的步骤。
6.根据权利要求1-3中之任何一项的方法，其中，所述铝核心薄板是AA3004系列铝合金。
7.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中，钛包覆层的组成中，以重量计，Fe最多0.15％，O最多0.12％，H最多0.013％。
8.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中，以轧制结合之后所述铝核心薄板厚度为0.9-1.25mm。
9.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中，轧制量的下限为30％。
10.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中，在轧制结合之后所述的一个钛包覆层或两个钛包覆层中的每一个的厚度均为0.05-0.3mm。
11.根据前述权利要求1-3中之任何一项的方法，其中，在将薄板产品轧制结合成复合材料之后，对该复合材料进行最终退火处理，其中，退火温度范围为400-540℃，时间为2-16小时。
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