一種軋制高強度金屬復(fù)合板的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬復(fù)合板帶的材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種乳制高強度金屬復(fù)合板的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，一批高新術(shù)產(chǎn)業(yè)的誕生，對材料的使用性能提出了更高水平的要求，同時為了降低成本、節(jié)省資源、降低能耗、提高產(chǎn)品性能，國內(nèi)外學(xué)者致力于研究和開發(fā)新型的雙金屬或多金屬復(fù)合板材及乳制新工藝。金屬復(fù)合材料技術(shù)可以發(fā)揮組元材料各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)各組元材料資源的最優(yōu)配置，節(jié)約貴重金屬材料，實現(xiàn)單一金屬不能滿足的性能要求，主要應(yīng)用在防腐、壓力容器制造，電建、石化、醫(yī)藥、輕工、汽車、造船、動力、海水淡化等行業(yè)。層狀復(fù)合材料具有遠(yuǎn)高于組成物質(zhì)的綜合力學(xué)性能，近年來，這方面的研究日益成為國內(nèi)外新材料研究的熱點之一，其中較為活躍的是金屬層壓板的研究。采用兩種或兩種以上的金屬材料，以各種不同工藝制成的復(fù)合板材，能夠滿足不同工業(yè)應(yīng)用的綜合性能要求。在這種情況下，復(fù)合材料的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用越來越顯示其重要的地位。材料的復(fù)合，尤其是異種金屬材料的復(fù)合，為多功能材料的開發(fā)提供了一個新技術(shù)途徑。
[0003]1956年美國率先提出金屬層壓復(fù)合的三步工藝，S卩:表面處理一乳制復(fù)合一多層金屬復(fù)合理論與技術(shù)、層狀金屬復(fù)合板生產(chǎn)技術(shù)與新工藝退火強化處理，這項技術(shù)使雙金屬室溫固相復(fù)合得到了迅速的發(fā)展。前蘇聯(lián)對層壓復(fù)合材料的研究始于20世紀(jì)30年代，主要采用乳制法、鑄造法、爆炸法等方法生產(chǎn)鋁、鈦、鋼等金屬與合金的復(fù)合材料，尤其在冷乳復(fù)合方面的研究比較深入。英、法、德等發(fā)達(dá)國家對復(fù)合材料的研究也有相當(dāng)?shù)乃?，其中英國伯明翰大學(xué)在20世紀(jì)五、六十年代對固相復(fù)合進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，取得了很多成果。目前，金屬復(fù)合材料在這些國家得到了廣泛的應(yīng)用。日本在復(fù)合材料方面的研究起步較晚，但其發(fā)展十分迅速，近年來已成為從事金屬復(fù)合研究最多的國家之一。在20世紀(jì)90年代以后，對不銹鋼與鋁的復(fù)合研究取得了很多成果，申請了多項專利，尤其在階梯式加熱復(fù)合及溫乳復(fù)合方面取得了令人矚目的研究成果。
[0004]國內(nèi)對金屬層狀復(fù)合材料的研究始于20世紀(jì)60年代初，國內(nèi)異種金屬復(fù)合板主要采用生產(chǎn)方式有包澆(固-液結(jié)合)+乳制復(fù)合法、爆炸復(fù)合法、擴散復(fù)合法、爆炸+乳制(冷車L、熱乳)復(fù)合法以及乳制復(fù)合法等，但在板形、結(jié)合質(zhì)量方面還有一定的差距。1958年重慶鋼鐵公司用熱乳法生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合板取得成功，1965年上海金屬研究所開展冷乳固相復(fù)合技術(shù)的研究，1972年建成一條冷乳固相復(fù)合生產(chǎn)線。世界各國廣泛采用的冷乳固相復(fù)合具有產(chǎn)品精度高、性能穩(wěn)定、復(fù)合組元種類選擇不受限制等諸多特點，但也存在固相結(jié)合所需臨界變形程度大和乳制負(fù)荷高的缺點，這就是寬幅薄規(guī)格復(fù)合板乳制的一大技術(shù)難題。1986年，中國東北大學(xué)研制出梯度加熱乳制復(fù)合新技術(shù)，為寬幅薄規(guī)格復(fù)合板乳制開創(chuàng)了新路。但是一直沒有解決異種金屬力學(xué)性能差異引起的板型翹曲，殘余應(yīng)力大的問題。
[0005]包澆(固-液結(jié)合)+乳制復(fù)合法，離心澆鑄法的基本原理是將定量的液態(tài)放在旋轉(zhuǎn)的(即模具)中，使其繞單軸高速旋轉(zhuǎn)，此時放入的物料即被離心力迫使而分布在模具的近壁部位。工藝特點是離心澆鑄法生產(chǎn)的鋼板坯、化學(xué)成份偏析是其致命的缺點，所生產(chǎn)的鑄坯是環(huán)形還需切割、加熱、校直才能熱乳，產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)工序多、耗能大、加工成本高。爆炸復(fù)合法的基本原理是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，在微秒級時間內(nèi)使兩塊金屬板在碰撞點產(chǎn)生高達(dá)106?107/s的應(yīng)變速率和104MPa的高壓，從而實現(xiàn)異種金屬的焊接復(fù)合;爆炸復(fù)合法的工藝優(yōu)點是，可使材料性能差異極為懸殊的金屬組合實現(xiàn)復(fù)合;可以避免脆性金屬間化合物的生成;靈活性強，可實現(xiàn)各種異型件的復(fù)合;復(fù)合材料的結(jié)合強度高，適用于大多可塑性金屬或合金;但爆炸復(fù)合法界面結(jié)合強度不均勻、結(jié)合率低，易產(chǎn)生裂紋、縮孔和氣孔等缺陷，此外，該工藝還存在機械化程度低、勞動條件差、有一定的危險性，給環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染，使得爆炸復(fù)合法面臨被逐漸淘汰的趨勢。擴散復(fù)合法由于具有長擴散時間、有限的產(chǎn)品尺寸以及較低的界面結(jié)合強度等缺點，不適用于大尺寸復(fù)合板帶的工業(yè)化生產(chǎn)。爆炸-乳制法，由于爆炸成型很難獲得完美的結(jié)合效果，為避免乳制缺陷，復(fù)合板乳制對乳輥溫度、輥型、潤滑條件、坯料轉(zhuǎn)移時間、道次加工率控制要求嚴(yán)格，控制不好會出現(xiàn)邊部開裂，中間道次復(fù)層開裂，板型超差，尺寸超差等缺陷，導(dǎo)致坯料報廢;受爆炸復(fù)合工藝和乳制變形工藝及復(fù)層材料變形特性差異的影響，復(fù)合板在整個生產(chǎn)流程中存在內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生彎曲，瓢曲或卷曲現(xiàn)象;爆炸前板坯處理，爆炸后、乳制后、以及成品處理都需要矯平工序;爆炸用的復(fù)層板坯的不平度差導(dǎo)致爆炸間隙局部超著影響爆炸效果，爆炸板坯處理不平難以組坯，導(dǎo)致乳制中坯料不能均勻流動；即使成品板材矯平不能控制橫向凸度，只能反復(fù)大壓下量強力校平強矯，導(dǎo)致局部破裂，同時異種金屬的力學(xué)性能相差大，乳制得到的復(fù)合板帶飄曲嚴(yán)重，殘余應(yīng)力大。
[0006]采用乳制工藝生產(chǎn)金屬層狀復(fù)合材料，優(yōu)于爆炸焊、擴散焊等工藝，是一種十分經(jīng)濟實用的方法。目前，乳制復(fù)合法是復(fù)合板制造的發(fā)展趨勢，有較高的生產(chǎn)率、低污染、低能耗等特點。乳制復(fù)合法的基本原理是在乳制壓力的作用下，使兩層或多層金屬板同時產(chǎn)生塑性變形，表面金屬層破裂、露出潔凈而活化的金屬，從而使板面之間形成冶金結(jié)合，在后續(xù)的熱處理過程中通過熱擴散使界面結(jié)合進(jìn)一步強化和穩(wěn)固；乳制復(fù)合法可分為熱乳復(fù)合、冷乳復(fù)合，其工藝一般分為三步:表面處理、乳制復(fù)合和熱處理，乳制復(fù)合法工藝的關(guān)鍵在于:清潔而有一定粗糙度的界面，足夠大的壓力以及塑性變形，合適的熱擴散。工藝特點是乳制復(fù)合可以進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)品尺寸精確，各組元的厚度均勻，性能穩(wěn)定，適于乳制復(fù)合的金屬非常多，而且生產(chǎn)成本低、效率高，易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn);熱乳復(fù)合法是將待復(fù)合的金屬還料加熱到一定溫度，對其施加大的壓下量進(jìn)行乳制變形，在熱和力的同時作用下使不同金屬得以復(fù)合的一種工藝方法;相對于其他復(fù)合工藝，熱乳復(fù)合法的優(yōu)點為:乳制力較小，對乳機的要求不高;工藝簡單，成本低；界面結(jié)合牢固。缺點為:當(dāng)復(fù)合金屬為活性金屬(如Al，Ti)時，加熱時容易在界面形成脆性的金屬間化合物;乳制時如沒有保溫措施，復(fù)合金屬板的長度受到限制;復(fù)合板的厚度難以控制，生產(chǎn)一致性和穩(wěn)定性差，多適合于生產(chǎn)厚的復(fù)合板材及板坯;熱乳復(fù)合法在乳制過程中復(fù)合界面氧化很難避免，易形成脆性金屬化合物，很容易削弱復(fù)合板的界面結(jié)合強度。冷乳復(fù)合法，冷乳復(fù)合工藝可以結(jié)合清洗、刷面、熱處理等工藝組合成流水式生產(chǎn)成卷的復(fù)合材生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率高;復(fù)合前，需借助化學(xué)或物理的方法清除板材受到污染的表面;冷乳采取一道次大變形率，以達(dá)到金屬的臨界變形率，實現(xiàn)兩層金屬原子之間的冶金結(jié)合，然后通過擴散熱處理實現(xiàn)金屬原子之間的進(jìn)一步擴散，增強界面結(jié)合力。等輥徑等輥速冷乳復(fù)合是20世紀(jì)50年代由美國首先開始研究，提出以“表面處理+冷乳復(fù)合+擴散退火”三步法生產(chǎn)工藝;70年代異步乳制開始用于復(fù)合板的生產(chǎn)，稱異步乳制復(fù)合法，將較硬的金屬與快速輥對應(yīng)，較軟的金屬與慢速輥對應(yīng)，變形區(qū)形成搓乳區(qū)，增加結(jié)合強度;冷乳復(fù)合屬于壓力焊接，泛指金屬在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的焊接過程，原則上說，所有具有足夠延展性的金屬都可以通過冷乳獲得復(fù)合材，其結(jié)合機理