一种轧制金属复合板带的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属复合板带的材料加工技术领域，具体涉及一种乳制金属复合板带的方法。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的迅猛发展，一批高新术产业的诞生，对材料的使用性能提出了更高水平的要求，同时为了降低成本、节省资源、降低能耗、提高产品性能，国内外学者致力于研究和开发新型的双金属或多金属复合板材及乳制新工艺。金属复合材料技术可以发挥组元材料各自的优势，实现各组元材料资源的最优配置，节约贵重金属材料，实现单一金属不能满足的性能要求，主要应用在防腐、压力容器制造，电建、石化、医药、轻工、汽车、造船、动力、海水淡化等行业。层状复合材料具有远高于组成物质的综合力学性能，近年来，这方面的研究日益成为国内外新材料研究的热点之一，其中较为活跃的是金属层压板的研究。采用两种或两种以上的金属材料，以各种不同工艺制成的复合板材，能够满足不同工业应用的综合性能要求。在这种情况下，复合材料的研制、生产和应用越来越显示其重要的地位。材料的复合，尤其是异种金属材料的复合，为多功能材料的开发提供了一个新技术途径。
[0003]1956年美国率先提出金属层压复合的三步工艺，S卩:表面处理一乳制复合一多层金属复合理论与技术、层状金属复合板生产技术与新工艺退火强化处理，这项技术使双金属室温固相复合得到了迅速的发展。前苏联对层压复合材料的研究始于20世纪30年代，主要采用乳制法、铸造法、爆炸法等方法生产铝、钛、钢等金属与合金的复合材料，尤其在冷乳复合方面的研究比较深入。英、法、德等发达国家对复合材料的研究也有相当的水平，其中英国伯明翰大学在20世纪五、六十年代对固相复合进行了较为系统的研究，取得了很多成果。目前，金属复合材料在这些国家得到了广泛的应用。日本在复合材料方面的研究起步较晚，但其发展十分迅速，近年来已成为从事金属复合研究最多的国家之一。在20世纪90年代以后，对不锈钢与铝的复合研究取得了很多成果，申请了多项专利，尤其在阶梯式加热复合及温乳复合方面取得了令人瞩目的研究成果。
[0004]国内对金属层状复合材料的研究始于20世纪60年代初，国内异种金属复合板主要采用生产方式有包浇(固-液结合)+乳制复合法、爆炸复合法、扩散复合法、爆炸+乳制(冷车L、热乳)复合法以及乳制复合法等，但在板形、结合质量方面还有一定的差距。1958年重庆钢铁公司用热乳法生产不锈钢复合板取得成功，1965年上海金属研究所开展冷乳固相复合技术的研究，1972年建成一条冷乳固相复合生产线。世界各国广泛采用的冷乳固相复合具有产品精度高、性能稳定、复合组元种类选择不受限制等诸多特点，但也存在固相结合所需临界变形程度大和乳制负荷高的缺点，这就是宽幅薄规格复合板乳制的一大技术难题。1986年，中国东北大学研制出梯度加热乳制复合新技术，为宽幅薄规格复合板乳制开创了新路。但是一直没有解决异种金属力学性能差异引起的板型翘曲，残余应力大的问题。
[0005]包浇(固-液结合)+乳制复合法，离心浇铸法的基本原理是将定量的液态放在旋转的(即模具)中，使其绕单轴高速旋转，此时放入的物料即被离心力迫使而分布在模具的近壁部位。工艺特点是离心浇铸法生产的钢板坯、化学成份偏析是其致命的缺点，所生产的铸坯是环形还需切割、加热、校直才能热乳，产品质量差、生产工序多、耗能大、加工成本高。爆炸复合法的基本原理是利用炸药爆炸产生的能量，在微秒级时间内使两块金属板在碰撞点产生高达106?107/s的应变速率和104MPa的高压，从而实现异种金属的焊接复合;爆炸复合法的工艺优点是，可使材料性能差异极为悬殊的金属组合实现复合;可以避免脆性金属间化合物的生成;灵活性强，可实现各种异型件的复合;复合材料的结合强度高，适用于大多可塑性金属或合金;但爆炸复合法界面结合强度不均匀、结合率低，易产生裂纹、缩孔和气孔等缺陷，此外，该工艺还存在机械化程度低、劳动条件差、有一定的危险性，给环境带来严重的污染，使得爆炸复合法面临被逐渐淘汰的趋势。扩散复合法由于具有长扩散时间、有限的产品尺寸以及较低的界面结合强度等缺点，不适用于大尺寸复合板带的工业化生产。爆炸-乳制法，由于爆炸成型很难获得完美的结合效果，为避免乳制缺陷，复合板乳制对乳辊温度、辊型、润滑条件、坯料转移时间、道次加工率控制要求严格，控制不好会出现边部开裂，中间道次复层开裂，板型超差，尺寸超差等缺陷，导致坯料报废;受爆炸复合工艺和乳制变形工艺及复层材料变形特性差异的影响，复合板在整个生产流程中存在内应力，产生弯曲，瓢曲或卷曲现象;爆炸前板坯处理，爆炸后、乳制后、以及成品处理都需要矫平工序;爆炸用的复层板坯的不平度差导致爆炸间隙局部超著影响爆炸效果，爆炸板坯处理不平难以组坯，导致乳制中坯料不能均匀流动；即使成品板材矫平不能控制横向凸度，只能反复大压下量强力校平强矫，导致局部破裂，同时异种金属的力学性能相差大，乳制得到的复合板带飘曲严重，残余应力大。
[0006]采用乳制工艺生产金属层状复合材料，优于爆炸焊、扩散焊等工艺，是一种十分经济实用的方法。目前，乳制复合法是复合板制造的发展趋势，有较高的生产率、低污染、低能耗等特点。乳制复合法的基本原理是在乳制压力的作用下，使两层或多层金属板同时产生塑性变形，表面金属层破裂、露出洁净而活化的金属，从而使板面之间形成冶金结合，在后续的热处理过程中通过热扩散使界面结合进一步强化和稳固；乳制复合法可分为热乳复合、冷乳复合，其工艺一般分为三步:表面处理、乳制复合和热处理，乳制复合法工艺的关键在于:清洁而有一定粗糙度的界面，足够大的压力以及塑性变形，合适的热扩散。工艺特点是乳制复合可以进行连续生产，产品尺寸精确，各组元的厚度均匀，性能稳定，适于乳制复合的金属非常多，而且生产成本低、效率高，易于实现大规模工业化生产;热乳复合法是将待复合的金属还料加热到一定温度，对其施加大的压下量进行乳制变形，在热和力的同时作用下使不同金属得以复合的一种工艺方法;相对于其他复合工艺，热乳复合法的优点为:乳制力较小，对乳机的要求不高；工艺简单，成本低；界面结合牢固。缺点为:当复合金属为活性金属(如Al，Ti)时，加热时容易在界面形成脆性的金属间化合物;乳制时如没有保温措施，复合金属板的长度受到限制;复合板的厚度难以控制，生产一致性和稳定性差，多适合于生产厚的复合板材及板坯;热乳复合法在乳制过程中复合界面氧化很难避免，易形成脆性金属化合物，很容易削弱复合板的界面结合强度。冷乳复合法，冷乳复合工艺可以结合清洗、刷面、热处理等工艺组合成流水式生产成卷的复合材生产线，生产效率高;复合前，需借助化学或物理的方法清除板材受到污染的表面;冷乳采取一道次大变形率，以达到金属的临界变形率，实现两层金属原子之间的冶金结合，然后通过扩散热处理实现金属原子之间的进一步扩散，增强界面结合力。等辊径等辊速冷乳复合是20世纪50年代由美国首先开始研究，提出以“表面处理+冷乳复合+扩散退火”三步法生产工艺;70年代异步乳制开始用于复合板的生产，称异步乳制复合法，将较硬的金属与快速辊对应，较软的金属与慢速辊对应，变形区形成搓乳区，增加结合强度;冷乳复合属于压力焊接，泛指金属在再结晶温度以下进行的焊接过程，原则上说，所有具有足够延展性的金属都可以通过冷乳获得复合材，其结合机理有“能量障碍”和“表面层裂缝”两大类;简单说来，在正常大气环境内的大多数金属表面都由几层表面层所覆盖，它们在两表面互相接触时会阻止金属的复合;所以，欲使两金属乳制复合，提出了使氧化物层、搜盖层或污染层破裂的三种机理;对于屈服强度相差较大的两种金属，在乳制过程中结合面附近区域将会出现相对滑移，因此，这两种金属的塑性形变是不均匀，这就意味着，把两种相对的表面层假设为如同一层一样而共同破裂是不能成立的，按照连续介质力学分析，计算出每一种金属的表面暴露率，显然，二者的暴露率是有差别的，而结合强度则与表面塑性形变率及压力之间有着函数关系，生产低强度、高塑性、易氧化、高精度的复合板，采用冷乳法是可行的。
[0007]目前存在的问题:
1)冷乳用于不形成脆性金属间化合物的复合板乳制，能充分发挥乳机的高效率，劳动条件好，生产规格灵活，特别对于较薄的复合板尤其显得优越;受乳制技术及条件的限制，乳制件在大变形下常常处于高温状态，所以，组合材料因熔点差异、硬度(塑性)差异和厚度比大小的差异带来严重的板形问题;为了达到冷乳的目的，采用异步乳机乳制复合板虽取得了一定成功，但在乳制板迭时，由于上、下辊压力的不同(单驱动机)，则上下复合板组合形变不均，严重时会导致厚度超出公差；
2)乳制复合的原理基本相似于压力加工，在未复合前，两金属在表面上由于力学性能不同而导致塑性形变率的差异，线膨胀系数的不同，导致了结合区的残余应力等缺陷，这是不同于单金属乳制的；由于异种金属本身力学性能的不同，其变形能力也不同，致使变形抗力小的金属的变形程度大于变形抗力大的金属的变形程度，因此，变形区内的变形不一致，使得乳制后的复合板带材内存在附加应力，变形程度大的一侧存在附加压应力，变形程度小的一侧存在附加拉应力，使乳制变形区内，应力分布严重不均匀，所生产的复合板必然产生严重飘曲和很大的残余应力，造成乳制复合板不合格，容易开裂。
[0008]公开号为CN10327842A的专利申请“啮合式真空乳制制备金属复合板的方法”公开了一种啮合式真空乳制制备金属复合板的方法，该方法复合坯为在基板和覆板的复合面上分别加工出相互配合的基板凸起和覆板凸起，要机加工才能获得，机加工齿需要提前对金属进行热处理，否则机加工产生齿会有裂纹，这不仅增加了成本，而且也不符合热乳板复合板制坯的工艺;机加工的产生的齿的表面会因及加工温度高而在金属表面产生金相组织变化且有很大的残余应力，这样的齿表面会严重影响复合板复层和基层的结合能力和结合强度，在金属板坯上机加工齿，金属板坯尺寸受到限制，以目前的齿加工中心，尚不能完成，是不可实现的，并且这种齿状突起对要进行批量生产的乳钢工艺来说，极难加工，甚至无法加工互相啮合的齿状突起;这种复合坯在结合面上啮合，乳后与不开槽的的复合板相比，没有有效地解决两种屈服强度不同的金属的复合过程中的变形不均匀问题、应力分布严重不均匀状况，乳后必然产生严重瓢曲和很大的残余应力，造成乳制复合板不合格;这种带尖角的齿状突起，在金属充形过程中容易产生空隙，通过理论分析和试验知