軋制制備大波紋結合面金屬復合板生產工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬復合板帶的材料加工技術領域，具體涉及乳制制備大波紋結合面金屬復合板生產工藝。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的迅猛發展，一批高新術產業的誕生，對材料的使用性能提出了跟高水平的要求，同時為了降低成本、節省資源、降低能耗、提高產品性能，國內外學者致力于研究和開發新型的雙金屬或多金屬復合板材及乳制新工藝。金屬復合材料技術可以發揮組元材料各自的優勢，實現各組元材料資源的最優配置，節約貴重金屬材料，實現單一金屬不能滿足的性能要求，主要應用在防腐、壓力容器制造，電建、石化、醫藥、輕工、汽車、造船、動力、海水淡化等行業。層狀復合材料具有遠高于組成物質的綜合力學性能，近年來，這方面的研究日益成為國內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合板材，能夠滿足不同工業應用的綜合性能要求。在這種情況下，復合材料的研制、生產和應用越來越顯示其重要的地位。材料的復合，尤其是異種金屬材料的復合，為多功能材料的開發提供了一個新技術途徑。
[0003]1956年美國率先提出金屬層壓復合的三步工藝，S卩:表面處理一乳制復合一多層金屬復合理論與技術、層狀金屬復合板生產技術與新工藝退火強化處理，這項技術使雙金屬室溫固相復合得到了迅速的發展。前蘇聯對層壓復合材料的研究始于20世紀30年代，主要采用乳制法、鑄造法、爆炸法等方法生產鋁、鈦、鋼等金屬與合金的復合材料，尤其在冷乳復合方面的研究比較深入。英、法、德等發達國家對復合材料的研究也有相當的水平，其中英國伯明翰大學在20世紀五、六十年代對固相復合進行了較為系統的研究，取得了很多成果。目前，金屬復合材料在這些國家得到了廣泛的應用。日本在復合材料方面的研究起步較晚，但其發展十分迅速，近年來已成為從事金屬復合研究最多的國家之一。在20世紀90年代以后，對不銹鋼與鋁的復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合及溫乳復合方面取得了令人矚目的研究成果。
[0004]國內對金屬層狀復合材料的研究始于20世紀60年代初，國內異種金屬復合板主要采用生產方式有包澆(固-液結合)+乳制復合法、爆炸復合法、擴散復合法、爆炸+乳制(冷乳、熱乳)復合法以及乳制復合法等，但在板形、結合質量方面還有一定的差距。1958年重慶鋼鐵公司用熱乳法生產不銹鋼復合板取得成功，1965年上海金屬研究所開展冷乳固相復合技術的研究，1972年建成一條冷乳固相復合生產線。世界各國廣泛采用的冷乳固相復合具有產品精度高、性能穩定、復合組元種類選擇不受限制等諸多特點，但也存在固相結合所需臨界變形程度大和乳制負荷高的缺點，這就是寬幅薄規格復合板乳制的一大技術難題。1986年，中國東北大學研制出梯度加熱乳制復合新技術，為寬幅薄規格復合板乳制開創了新路。但是一直沒有解決異種金屬力學性能差異引起的板型翹曲，殘余應力大的問題。
[0005]包澆(固-液結合)+乳制復合法，離心澆鑄法的基本原理是將定量的液態放在旋轉的(即模具)中，使其繞單軸高速旋轉，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的鋼板坯、化學成份偏析是其致命的缺點，所生產的鑄坯是環形還需切割、加熱、校直才能熱乳，產品質量差、生產工序多、耗能大、加工成本高。爆炸復合法的基本原理是利用炸藥爆炸產生的能量，在微秒級時間內使兩塊金屬板在碰撞點產生高達106?107/s的應變速率和104MPa的高壓，從而實現異種金屬的焊接復合；爆炸復合法的工藝優點是，可使材料性能差異極為懸殊的金屬組合實現復合，可以避免脆性金屬間化合物的生成，靈活性強，可實現各種異型件的復合，復合材料的結合強度高，適用于大多可塑性金屬或合金，但爆炸復合法界面結合強度不均勻、結合率低，易產生裂紋、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，給環境帶來嚴重的污染，使得爆炸復合法面臨被逐漸淘汰的趨勢。擴散復合法由于具有長擴散時間、有限的產品尺寸以及較低的界面結合強度等缺點，不適用于大尺寸復合板帶的工業化生產。爆炸-乳制法，由于爆炸成型很難獲得完美的結合效果，為避免乳制缺陷，復合板乳制對乳輥溫度、輥型、潤滑條件、坯料轉移時間、道次加工率控制要求嚴格，控制不好會出現邊部開裂，中間道次復層開裂，板型超差，尺寸超差等缺陷，導致坯料報廢，受爆炸復合工藝和乳制變形工藝及復層材料變形特性差異的影響，復合板在整個生產流程中存在內應力，產生彎曲，瓢曲或卷曲現象，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，爆炸用的復層板坯的不平度差導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，只能反復大壓下量強力校平強矯，導致局部破裂，同時異種金屬的力學性能相差大，乳制得到的復合板帶飄曲嚴重，殘余應力大。
[0006]采用乳制工藝生產金屬層狀復合材料，優于爆炸焊、擴散焊等工藝，是一種十分經濟實用的方法。目前，乳制復合法是復合板制造的發展趨勢，有較高的生產率、低污染、低能耗等特點。乳制復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合，在后續的熱處理過程中通過熱擴散使界面結合進一步強化和穩固；乳制復合法可分為熱乳復合、冷乳復合，其工藝一般分為三步:表面處理、乳制復合和熱處理，乳制復合法工藝的關鍵在于，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。工藝特點是乳制復合可以進行連續生產，產品尺寸精確，各組元的厚度均勻，性能穩定，適于乳制復合的金屬非常多，而且生產成本低、效率高，易于實現大規模工業化生產；熱乳復合法是將待復合的金屬坯料加熱到一定溫度，對其施加大的壓下量進行乳制變形，在熱和力的同時作用下使不同金屬得以復合的一種工藝方法；相對于其他復合工藝，熱乳復合法的優點為:乳制力較小，對乳機的要求不高，工藝簡單，成本低，界面結合牢固。缺點為:當復合金屬為活性金屬(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，復合金屬板的長度受到限制，復合板的厚度難以控制，生產一致性和穩定性差，多適合于生產厚的復合板材及板坯，熱乳復合法在乳制過程中復合界面氧化很難避免，易形成脆性金屬化合物，很容易削弱復合板的界面結合強度。冷乳復合法，冷乳復合工藝可以結合清洗、刷面、熱處理等工藝組合成流水式生產成卷的復合材生產線，生產效率高，復合前，需借助化學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，以達到金屬的臨界變形率，實現兩層金屬原子之間的冶金結合，然后通過擴散熱處理實現金屬原子之間的進一步擴散，增強界面結合力。等輥徑等輥速冷乳復合是20世紀50年代由美國首先開始研究，提出以“表面處理+冷乳復合+擴散退火”三步法生產工藝；70年代異步乳制開始用于復合板的生產，稱異步乳制復合法，將較硬的金屬與快速輥對應，較軟的金屬與慢速輥對應，變形區形成搓乳區，增加結合強度；冷乳復合屬于壓力焊接，泛指金屬在再結晶溫度以下進行的焊接過程，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合材，其結合機理有“能量障礙”和“表面層裂縫”兩大類；簡單說來，在正常大氣環境內的大多數金屬表面都由幾層表面層所覆蓋，它們在兩表面互相接觸時會阻止金屬的復合；所以，欲使兩金屬乳制復合，提出了使氧化物層、覆蓋層或污染層破裂的三種機理；對于屈服強度相差較大的兩種金屬，在乳制過程中結合面附近區域將會出現相對滑移，因此，這兩種金屬的塑性形變是不均勻，這就意味著，把兩種相對的表面層假設為如同一層一樣而共同破裂是不能成立的，按照連續介質力學分析，計算出每一種金屬的表面暴露率，顯然，二者的暴露率是有差別的，而結合強度則與表面塑性形變率及壓力之間有著函數關系，生產低強度、高塑性、易氧化、高精度的復合板，采用冷乳法是可行的。
[0007]車L制復合法目前存在的問題:
1)冷乳用于不形成脆性金屬間化合物的復合板乳制，能充分發揮乳機的高效率，勞動條件好，生產規格靈活，特別對于較薄的復合板尤其顯得優越；受乳制技術及條件的限制，乳制件在大變形下常常處于高溫狀態，所以，組合材料因熔點差異、硬度(塑性)差異和厚度比大小的差異帶來嚴重的板形問題；為了達到冷乳的目的，采用異步乳機乳制復合板雖取得了一定成功，但在乳制板迭時，由于上、下輥壓力的不同(單