專利名稱：金屬復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特別是用作建筑材料的金屬復(fù)合材料的制備方法，所述金屬復(fù)合材料包括鋁合金核心薄板以及位于所述核心薄板的一面或兩面上的鈦包覆層。本發(fā)明還涉及這種金屬復(fù)合材料的使用以及這類金屬復(fù)合材料。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，軋制成型又稱作輪廓軋制成型或者冷軋成型，它被認(rèn)為是一種通過使坯料經(jīng)過一系列帶有仿形軋輥的軋機(jī)架，來將金屬薄板、帶材或者卷曲的坯料加工成厚度基本均勻的要求形狀的連續(xù)方法，參見ASM International 1988年的第九版的金屬手冊(cè)(Metals Handbook)的第14卷，第624-635頁。
金屬復(fù)合材料包括核心薄片，該薄片與位于其一個(gè)表面或者兩個(gè)表面上的鈦或鈦合金包覆層結(jié)合一起。這種復(fù)合材料目前已為人所知。例如，厚的包覆有鈦的碳鋼薄板或厚板用于各種建筑物，特別是化學(xué)廠中的各種建筑物以及熱交換器中，在這些場(chǎng)合，利用的是鈦包覆層的極佳的腐蝕性能。典型地，銅或銅合金用作碳鋼與鈦包覆層之間的中間層。
在另一個(gè)實(shí)例中，采用鈦包覆的鋁核心薄板可以用作建筑材料，例如屋面和外墻。在這種應(yīng)用場(chǎng)合，利用了鈦的良好的耐腐蝕性。此外，鈦具有一種高級(jí)(high-tech)且非常有吸引力的外觀。
日本公開專利申請(qǐng)(laid open patent publication)JP-A-09-57465公開了一種制備金屬復(fù)合材料的方法，所述金屬復(fù)合材料包括鋁核心薄板以及位于所述核心薄板的一面或兩面上的鈦包覆層。該公開方法的本質(zhì)在于鋁與鈦通過爆炸結(jié)合方法冶金結(jié)合一起。在所公開的說明本發(fā)明的實(shí)施例中，借助爆炸結(jié)合法將50mm厚的鋁板的一面與5mm厚的鈦板結(jié)合一起。獲得的產(chǎn)品是55mm厚的復(fù)合板材。隨后在室溫下將板材冷軋至1.1mm的最終尺寸。該最終板材產(chǎn)品的其它尺寸為3m×4m。將獲得的金屬復(fù)合薄板產(chǎn)品暴露在海邊環(huán)境2年之后，鈦表面未出現(xiàn)腐蝕。
該已知方法的不足之處在于金屬材料借助爆炸結(jié)合實(shí)現(xiàn)相互結(jié)合，而爆炸結(jié)合是一種相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)。爆炸結(jié)合的另一個(gè)缺點(diǎn)是該方法僅僅可以分批使用，從而限制了所獲得的復(fù)合薄板產(chǎn)品的尺寸。該公開方法的又一個(gè)缺點(diǎn)在于為了獲得薄板產(chǎn)品，需要施加98％的冷軋量。該冷軋變形量只有通過多個(gè)軋制步驟才能獲得，這就要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行中間熱處理以改善可加工性。該公開方法的再一個(gè)缺點(diǎn)在于由于冷軋引起應(yīng)變硬化，獲得的薄板產(chǎn)品例如進(jìn)行軋制成形的可成形性受到限制。
美國專利3,711,937公開了一種采用鈦薄板包覆鋁薄板的方法，該方法借助熱軋使所述兩薄板的表面在壓力下實(shí)現(xiàn)瞬間接觸，為此，需要將鋁薄板和鈦薄板預(yù)熱至500-1000°F(260-538℃)，優(yōu)選至600-850°F(315-454℃)，并且，在500-1150°F(260-620℃)下對(duì)復(fù)合薄板進(jìn)行后熱處理0.1-1.0個(gè)小時(shí)，以形成結(jié)合。采用該公開方法制備的復(fù)合金屬主要用于電化學(xué)處理場(chǎng)合以及飛機(jī)和航空工業(yè)中的結(jié)構(gòu)部件。
日本公開專利申請(qǐng)(laid open patent publication)JP-A-08-336929公開了一種應(yīng)用于建筑場(chǎng)合的鈦-鋁包覆產(chǎn)品，該產(chǎn)品中，鈦層厚度與整個(gè)板材的厚度之比值r1為0.05≤r1≤0.6。據(jù)說該比值能夠改善該包覆產(chǎn)品的回彈性。該包覆產(chǎn)品借助軋制結(jié)合加工而成，其中，至少將鋁薄板預(yù)熱至450℃。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用作建筑材料的金屬復(fù)合材料的制備方法，所述金屬復(fù)合材料包括鋁核心薄板以及位于所述核心薄板的一面或兩面上的鈦包覆層。與前述現(xiàn)有方法相比，該方法需要復(fù)雜程度較低的處理步驟。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用作建筑材料的金屬復(fù)合材料的制備方法，所述金屬復(fù)合材料包括鋁核心薄板以及位于所述核心薄板的一面或兩面上的鈦包覆層。該方法需要較少的軋制步驟便能夠獲得最終尺寸的復(fù)合材料產(chǎn)品。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種用作建筑材料的金屬復(fù)合材料的制備方法，所述金屬復(fù)合材料包括鋁核心薄板以及位于所述核心薄板的一面或兩面上的鈦包覆層。該方法能夠獲得一種特別是在進(jìn)行軋制成形時(shí)具有優(yōu)異可成形性的金屬復(fù)合材料。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種用作建筑材料，理想地適合作為屋面材料的金屬復(fù)合材料的制備方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種理想地適合用作建筑材料的金屬復(fù)合材料的制備方法，所述金屬復(fù)合材料包括鋁核心薄板以及位于所述核心薄板的至少一面上的鈦包覆層，其特征在于所述鋁核心薄板與鈦包覆層通過軋制結(jié)合或者軋制包覆相互結(jié)合一起，而且，其中，在軋制結(jié)合之前，僅僅將鋁核心薄板預(yù)熱至50-200℃，優(yōu)選至110-200℃。
本發(fā)明的方法獲得了無需采用爆炸結(jié)合制造金屬復(fù)合材料的效果。借助軋制結(jié)合，能夠在鋁合金薄板與鈦包覆層之間獲得優(yōu)異的冶金結(jié)合。通過在所述給定范圍僅僅對(duì)鋁進(jìn)行預(yù)熱，能夠進(jìn)一步顯著改善所述兩種金屬薄板之間的冶金結(jié)合，這使得材料能夠隨后借助軋制成形進(jìn)行成形。本領(lǐng)域技術(shù)人員將不會(huì)指定剛好在軋制結(jié)合之前進(jìn)行的預(yù)熱鋁核心薄板的溫度范圍為熱軋。應(yīng)該避免鋁核心薄板的預(yù)熱溫度高于200℃，以便在獲得的軋制結(jié)合的復(fù)合材料中，能夠充分保持尤其是鋁合金的成形性能。
軋制結(jié)合能夠制備環(huán)形薄板材料，例如成卷的薄板材料，而爆炸結(jié)合對(duì)最終復(fù)合薄板產(chǎn)品的尺寸有很大限制。成卷的金屬復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠以極低的成本運(yùn)送至建筑工地，在建筑工地，它可以馬上被軋制成形為例如屋面材料，其尺寸為50-100cm寬，長度依據(jù)要求可以例如為7-15m甚至更長。已發(fā)現(xiàn)不要求必須也剛好在進(jìn)行軋制結(jié)合之前提高鈦包覆薄板的溫度。為了避免面對(duì)鋁核心薄板的鈦包覆層表面發(fā)生氧化，甚至優(yōu)選鈦包覆層的溫度不要明顯高于室溫。在工業(yè)生產(chǎn)線上，可以采用已知的手段將鋁合金板加熱至所述高溫，這時(shí)，典型的生產(chǎn)線速度為10-25m/s。加熱的位置可以是在與鈦包覆層線接觸之前的2-5m處。在這種生產(chǎn)線速度下，在與鈦包覆層接觸之前鋁核心薄板的溫度幾乎保持不變。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方案中，實(shí)施軋制結(jié)合時(shí)的總軋制量，即厚度方向的總壓下量不大于50％。通過在給定范圍內(nèi)提高鋁核心薄板的溫度，能夠在不要求高的變形量或軋制量的情況下，在鋁核心薄板與鈦包覆層之間獲得極佳的結(jié)合。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，實(shí)施軋制結(jié)合時(shí)的總軋制量不大于45％，更優(yōu)選不大于40％。為了在鋁與鈦薄板之間建立良好的冶金結(jié)合，合適的軋制量下限約為25％，更優(yōu)選30％。通過在給定范圍內(nèi)提高鋁核心薄板的溫度，能夠在不要求高的軋制變形量的情況下，在鋁核心薄板與鈦包覆層之間獲得極佳的結(jié)合。通過實(shí)施給定范圍的軋制量，所獲得的金屬復(fù)合材料表面的應(yīng)變硬化程度顯著降低，這使得材料尤其在進(jìn)行軋制成形時(shí)能夠具有理想的高成形性。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，軋制結(jié)合采用一個(gè)單一軋制步驟進(jìn)行。通過在一個(gè)單一軋制步驟施加給定范圍的軋制量，在鋁核心薄板與鈦包覆層之間能夠獲得優(yōu)異的冶金結(jié)合，而且，所獲得的金屬復(fù)合材料表面的應(yīng)變硬化程度顯著降低，這使得材料尤其在進(jìn)行軋制成形時(shí)能夠具有理想的高成形性。此外，通過在一個(gè)單一軋制步驟進(jìn)行軋制結(jié)合，不需要通過在高溫下進(jìn)行中間退火處理來使中間產(chǎn)品恢復(fù)具有進(jìn)一步冷軋至最終尺寸所需的加工性。
在一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于其包括對(duì)面向鋁核心薄板的鈦包覆層表面進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括在軋制結(jié)合步驟之前對(duì)所述表面進(jìn)行刷擦的步驟。該刷擦操作獲得了將所述表面上存在的至少部分氧化物層除掉的效果。已發(fā)現(xiàn)面對(duì)鈦包覆層的鋁核心薄板的表面不需要專門的預(yù)處理，但是也可以任選進(jìn)行刷擦操作。優(yōu)選這種刷擦預(yù)處理在基本上干燥的氣氛中進(jìn)行，優(yōu)選使用未采取專門預(yù)防性措施的通常環(huán)境氣氛或者惰性氣氛。優(yōu)選不使用冷卻流體或者類似物質(zhì)，以避免刷擦后的表面發(fā)生再氧化。通過借助刷擦，例如機(jī)械刷擦對(duì)鈦包覆層進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理，能夠進(jìn)一步顯著改善所獲得的鋁核心薄板與鈦包覆層之間的冶金結(jié)合。
在將薄板產(chǎn)品軋制結(jié)合成復(fù)合材料之后，可以采用一個(gè)或多個(gè)加熱步驟對(duì)所獲得的復(fù)合材料進(jìn)行最終退火處理，退火溫度范圍為350-550℃，優(yōu)選400-540℃，時(shí)間為2-16小時(shí)，以便改善所述復(fù)合材料的軋制成形性，以及進(jìn)一步改善鋁核心薄板與鈦包覆層之間的冶金結(jié)合。
盡管在根據(jù)本發(fā)明的方法中可以使用各種鋁合金，其中包括鋁協(xié)會(huì)(從)1000和AA6000系列的鋁合金，但是，在本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，鋁合金核心薄板的組成處于AA3000系列合金范圍內(nèi)，而且，尤其有用的鋁合金是AA3004系列合金。已發(fā)現(xiàn)該鋁合金能夠很好地軋制結(jié)合成鈦包覆的鋁薄板，同時(shí)所獲得的復(fù)合材料還能夠保持優(yōu)異的軋制成形性。當(dāng)材料用于建筑系統(tǒng)，特別是用于直立接縫(standing-seam)屋面和墻壁包覆(wall-cladding)結(jié)構(gòu)時(shí)，具有優(yōu)異的軋制成形性是所述復(fù)合材料的一個(gè)重要特征。
盡管在根據(jù)本發(fā)明的方法中可以使用各種鈦合金薄板，但是，在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所使用的是未合金化的鈦薄板，特別是具有如下化學(xué)組成范圍內(nèi)的鈦薄板，所述化學(xué)組成包括，以重量百分比計(jì)Fe 最多0.35，優(yōu)選最多0.15，O 最多0.35，優(yōu)選最多0.12，N 最多0.05，C 最多0.06，H 最多0.015％，優(yōu)選最多0.013％，雜質(zhì) 每種最多0.1％，總量最多0.4％，余量為鈦。
已發(fā)現(xiàn)特別是當(dāng)與處于AA3000系列，優(yōu)選AA3004系列范圍內(nèi)的鋁合金一起使用時(shí)，這種未合金化的鈦可以容易地與鋁合金軋制結(jié)合一起，同時(shí)在所獲得的復(fù)合材料中又能保持優(yōu)異的軋制成形性。此外，已發(fā)現(xiàn)特別是當(dāng)AA3004鋁核心薄板與未合金化的鈦包覆層結(jié)合時(shí)，能夠允許在軋制結(jié)合操作期間通過一個(gè)單一的軋制步驟實(shí)現(xiàn)最高達(dá)50％的冷軋變形量。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方案中，鋁核心薄板的厚度在軋制結(jié)合之后為0.7-1.5mm，優(yōu)選0.9-1.25mm。每個(gè)鈦包覆層的厚度在軋制結(jié)合之后為0.05-0.4mm，優(yōu)選0.05-0.3mm?？刂泼總€(gè)鈦包覆層的厚度為鋁核心薄板厚度的5-15％。這意味著鋁核心薄板在軋制結(jié)合之前的厚度小于3.0mm，這是一種在卷曲機(jī)上容易獲得的環(huán)形材料。而且，厚度不超過0.5mm的鈦薄板也很容易從市場(chǎng)上獲得。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，采用本方法獲得的金屬復(fù)合材料可以作為一種建筑體系例如立面和屋面結(jié)構(gòu)使用。通過本發(fā)明，可以獲得適合應(yīng)用于建筑體系的鋁-鈦包覆產(chǎn)品，例如商品名為KAL-ZIP和KAL-BAU的產(chǎn)品。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種薄板形式的金屬復(fù)合材料，尤其是一種可軋制成形的建筑薄板，其包括一個(gè)鋁或者鋁合金薄板以及位于所述鋁薄板一面上的鈦包覆層，而且，其中，所述鈦包覆層通過軋制結(jié)合覆蓋在所述核心薄板上，鋁核心薄板的厚度為0.7-1.5mm，優(yōu)選0.9-1.25mm，每個(gè)鈦包覆層的厚度在0.05-0.3mm，優(yōu)選0.05-0.15mm。鋁薄板的組成處于AA3000系列鋁合金的組成范圍，優(yōu)選處于AA3004的范圍之內(nèi)。鈦包覆層的組成包含，以重量百分比計(jì)Fe 最多0.35，優(yōu)選最多0.15，O 最多0.35，優(yōu)選最多0.12，N 最多0.05，C 最多0.06，H 最多0.015％，優(yōu)選最多0.013％，雜質(zhì) 每種最多0.1％，總量最多0.4％，余量為鈦。
現(xiàn)在通過非限制性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。
工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)制造出一種金屬復(fù)合產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括在一面與鈦薄板軋制結(jié)合一起的鋁薄板，其中，0.5mm厚的鈦薄板與2.5mm厚的鋁薄板軋制結(jié)合一起。鈦薄板由在II-B狀態(tài)(冷軋、退火并酸洗)下的TRIKUTAN RT12(3.7025gem DIN 17860)制成，鋁薄板是一種處于0回火態(tài)的AA3004系列的鋁合金。通過刷擦對(duì)這兩種金屬薄板相對(duì)的表面進(jìn)行預(yù)處理，以便至少部分去除存在的表面氧化物。鈦薄板的溫度為室溫，而鋁薄板被加熱至1202，以便有助于結(jié)合。在一種quatro包覆軋機(jī)上，采用一個(gè)單一冷軋步驟，47％的軋制量，使所述兩種金屬薄板結(jié)合一起，結(jié)果，在所獲得的金屬復(fù)合產(chǎn)品中，鋁和鈦薄板的厚度分別為1.13mm和0.36mm。在具有通常大氣氣氛的爐中，在535℃下，對(duì)所述軋制結(jié)合產(chǎn)品的子試樣退火處理5個(gè)小時(shí)，并且，其中，在將試樣從退火爐中取出之后，使之冷至室溫。退火處理之后，所獲得的兩種金屬薄板之間的結(jié)合狀況極佳。另外，根據(jù)DIN-1624確定了退火前后的拉伸性能，在此引入DIN-1624作為參考。結(jié)果列于表1中，所示結(jié)果是6個(gè)試驗(yàn)試樣的平均值，并且，其中，“Rp0.2”代表屈服強(qiáng)度，“Rm”代表抗拉強(qiáng)度，“Ag”是均勻延伸率，“A80”是總延伸率。
由表1結(jié)果可以看出。退火之后的金屬復(fù)合產(chǎn)品具有非常高的延伸率和相對(duì)較低的屈服強(qiáng)度，從而使其能夠成功地被軋制成形為面板例如直立接縫的屋面。由于機(jī)械結(jié)合性能良好，因此，實(shí)施軋制成形操作時(shí)包覆產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)剝離。
表1
現(xiàn)在已對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了充分介紹，但是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通專業(yè)人員顯而易見的是只要不偏離此處介紹的本發(fā)明的精神或范圍，可以進(jìn)行多種變化和修正。
權(quán)利要求
1.一種用作建筑材料的金屬復(fù)合材料的制備方法，所述金屬復(fù)合材料包括鋁核心薄板以及位于所述核心薄板的至少一面上的鈦包覆層。其特征在于所述鋁核心薄板與鈦包覆層通過軋制結(jié)合相互結(jié)合一起，其中，在軋制結(jié)合之前，僅僅將鋁核心薄板預(yù)熱至50-200℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，實(shí)施所述軋制結(jié)合時(shí)的總軋制量不大于50％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，實(shí)施所述軋制結(jié)合時(shí)的總軋制量不大于45％，優(yōu)選不大于40％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中之任何一項(xiàng)的方法，其中，所述軋制結(jié)合采用一個(gè)單一軋制步驟進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中之任何一項(xiàng)的方法，其中，所述方法包括對(duì)面向鋁核心薄板的鈦包覆層表面進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括在結(jié)合步驟之前對(duì)所述表面進(jìn)行刷擦的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中之任何一項(xiàng)的方法，其中，所述鋁核心薄板具有處于AA3000系列鋁合金范圍內(nèi)的組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中之任何一項(xiàng)的方法，其中，鈦包覆層的組成包含，以重量百分比計(jì)Fe 最多0.35，優(yōu)選最多0.15，O 最多0.35，優(yōu)選最多0.12，N 最多0.05，C 最多0.06，H 最多0.015％，優(yōu)選最多0.013％，雜質(zhì) 每種最多0.1％，總量最多0.4％，余量為鈦。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中之任何一項(xiàng)的方法，其中，在軋制結(jié)合之后所述鋁核心薄板的厚度為0.7-1.5mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中之任何一項(xiàng)的方法，其中，在軋制結(jié)合之后所述一個(gè)鈦包覆層或者兩個(gè)鈦包覆層中的每一個(gè)的厚度均為0.05-0.3mm。
10.采用根據(jù)權(quán)利要求1-9中之任何一項(xiàng)的方法獲得的金屬復(fù)合材料作為建筑材料，特別是作為屋面材料或者立面材料的應(yīng)用。
11.一種薄板形式的金屬復(fù)合材料，尤其是一種建筑薄板，其包括一個(gè)鋁或者鋁合金薄板以及位于所述鋁薄板一面上的鈦包覆層，其特征在于所述鈦包覆層通過軋制結(jié)合覆蓋在所述核心薄板上，鋁核心薄板的厚度為0.7-1.5mm，每個(gè)鈦包覆層的厚度為0.05-0.3mm，鋁薄板的組成處于AA3000系列鋁合金的組成范圍，優(yōu)選處于AA3004的范圍之內(nèi)，鈦包覆層的組成包含，以重量百分比計(jì)Fe 最多0.35，優(yōu)選最多0.15，O 最多0.35，優(yōu)選最多0.12，N 最多0.05，C 最多0.06，H 最多0.015％，優(yōu)選最多0.013％，雜質(zhì) 每種最多0.1％，總量最多0.4％，余量為鈦。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用作建筑材料的金屬復(fù)合材料的制備方法，所述金屬復(fù)合材料包括鋁核心薄板以及位于所述核心薄板的至少一面上的鈦包覆層。通過該方法，所述鋁核心薄板與鈦包覆層通過軋制結(jié)合相互結(jié)合一起，其中，在軋制結(jié)合之前，僅僅將鋁核心薄板預(yù)熱至50－200℃。本發(fā)明還涉及這種金屬復(fù)合材料的使用以及這種金屬復(fù)合材料。
文檔編號(hào)C22C14/00GK1498163SQ02806749
公開日2004年5月19日 申請(qǐng)日期2002年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月27日
發(fā)明者G·O·茲維克爾, K·F·費(fèi)克, G O 茲維克爾, 費(fèi)克 申請(qǐng)人:特里爾人軋鋼技術(shù)有限公司, 科魯斯建筑系統(tǒng)有限公司