一种金属复合板的真空热轧方法与流程

本发明涉及一种复合板的制备方法，尤其是一种金属复合板的真空热轧方法。

背景技术：

金属复合板由多层不同成分、不同性能的金属复合制成，可以兼具复层金属和基层金属的性能，也可以利用廉价基体层金属来替代昂贵复合层金属，以降低成本。因此，市场上对金属复合板具有巨大的需求，包括：不锈钢-钢复合板、耐磨钢-钢复合板等。为了有效的降低成本、节约资源和避免浪费，目前石油化工、海水淡化、发电、造船以及油气输送管线等重大装备行业以及造纸、食品和医疗器械等部门都逐渐采用不锈钢复合板，来代替传统昂贵的不锈钢制品。不锈钢复合板即是以碳钢为基层，不锈钢为覆层的层状金属基复合材料。它能充分发挥不锈钢的耐高温、耐蚀、耐磨、抗磁等特点，又具有碳钢良好的可焊性、成型性、拉延性和导热性；并与纯不锈钢板相比，可节约铬、镍等合金元素70％～80％，节约成本30％～50％。

目前，金属复合板的制备方法主要有钎焊复合法、爆炸复合法和真空轧制复合法。真空热轧目前成为世界上普遍采用的制备工艺，它是在温度和压力的同时作用下，令不锈钢板与碳钢板之间的界面在接近真空的状态下发生微观的塑性流变后相互紧密接触，从而达到完全的冶金结合。与钎焊复合法相比，真空轧制复合法制备的复合板结合强度高，结合面质量好。与爆炸焊接方法相比，具有无噪声，生产效率高，过程可控，对环境影响小，可大面积规模化生产等优势。

目前，实验室或小批量制备时一般采用焊接后留管、采用真空设备抽真空后密封的方法，制备真空热轧的复合坯料。大规模生产的真空轧制复合法是在轧制复合之前，将清理好的复层金属和基层金属夹紧，放入真空室中，抽真空至气压≤1.0×10^-2MPa，并用电子束将待复合板面的四周封焊，然后再进行加热轧制；通过此种方法时，复合界面氧化很少，复合结合强度较高，但生产中需要建设配套的真空室、使用抽真空设备，投资较大，成本较高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、成本低的金属复合板的真空热轧方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的方法工艺为：（1）清理复层金属和基层金属的复合面；

（2）将复层金属和基层金属的复合面相对上下叠放，然后焊接，并留有未焊接口；

（3）通过未焊接口在复合面之间加入吸气药剂，然后将未焊接口焊接，制成复合板坯；

（4）所述复合板坯经加热、轧制及后处理，即可得到所述的金属复合板。

本发明所述步骤（1）中，清理后的复合面的表面粗糙度均为Ra=0.8～50。优选的，所述表面粗糙度均为Ra=3.2～25。

本发明所述步骤（3）中，吸气药剂的主要成分为活性金属粉和活性炭粉，粒度为50～2000目。所述吸气药剂成分的重量含量为：铝锌镁钛混合金属粉30%～60%，活性炭粉10%～20%，其余为粘接剂。所述混合金属粉中镁粉和钛粉均占10wt%～30wt%，余量为铝粉和锌粉。所述吸气药剂中粉料的粒度为100～400目。所述吸气药剂的加入量按复合板的贴合面积算为1～50g/m²。

本发明所述步骤（2）中，在长度方向的一端或两端留有未焊接口。所述未焊接口的长度为10～50mm。

本发明构思为：现有真空复合轧制技术中，多采用焊接后使用真空设备抽真空或者在足够大的真空室焊接，这样会带来抽真空后密封操作技术要求高或者投资大等问题，影响了大面积推广应用。而本发明采用在两层坯料四周焊接后留一小口，然后将吸气药剂加入然后再焊接密封的方式，使吸气药剂在随后的加热过程中将两层坯料残留的空气中的氧气和氮气反应，从而在复层金属间形成了真空环境，避免了金属结合面的氧化，获得的金属复合板具有较高的界面结合强度。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：（1）在复合坯料的组坯过程中，加工好的复层金属和基层金属的焊接是在空气环境下进行的，无需建设真空室和购置抽真空设备，成本低，操作简单。

（2）本发明利用吸气药剂的加入将复层金属和基层金属接触面所在空间中的空气中氮气和氧气反应掉，形成非氧化的真空环境，有利于避免加热过程中复层金属和基层金属的接触面与空气发生氧化。与传统真空热轧复合法相比，可以解决接触面的氧化问题，提高复层金属和基层金属的结合强度；而且无需抽真空设备及真空室，前期投入较低。

（3）本发明中的吸气药剂加入到复合坯料中的头部或尾部，所以药剂反应后残留的氧化物也位于成品的头或尾，轧制后只需按照普通传统真空轧制法剪切头尾相应尺寸，不影响成材率。

综上所述，本发明具有高效率、低成本、低能耗、操作简单的优点，并可以不使用抽真空设备和真空室，解决了真空设备带来的投资和操作问题；所制备复合板的复合界面的剪切强度远高于相关国标的标准要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明吸气药剂添加前复合板坯的截面结构示意图；

图2是本发明吸气药剂添加后复合板坯的截面结构示意图。

图中：复层金属1、基层金属2、未焊接口3、焊缝4。

具体实施方式

本金属复合板的真空热轧方法采用下述工艺步骤：（1）清理复层金属和基层金属的复合面；清理方式为：使用车或铣或刨或磨的方法，去除复层金属和基层金属的一个面上的锈层及氧化层，清洗去除复合面的油污等杂质，使得复层金属和基层金属的复合面的表面粗糙度Ra=0.8～50，优选Ra=3.2～25。

（2）将复层金属和基层金属的复合面相对上下叠放，然后采用二保焊、氩弧焊或埋弧焊焊接，在长度方向的一端留有一段没有焊接的未焊接口，如图1所示，或长度方向的两端各留有一段没有焊接的未焊接口，未焊接口的长度为10～50mm。

（3）通过未焊接口在复合面之间加入吸气药剂，然后将未焊接口焊接，制成复合板坯，这样复合板坯四周封闭焊接，内部形成封闭空间，如图2所示；吸气药剂的主要成分为活性金属粉和活性炭粉，粒度为50～2000目，最好为100～400目。优选的吸气药剂成分的重量含量为：铝锌镁钛混合金属粉30%～60%，活性炭粉10%～20%，其余为粘接剂。所述混合金属粉中镁粉和钛粉均占10wt%～30wt%，余量为铝粉和锌粉。所述粘接剂可选用常规的金属粉末用粘合剂，例如聚乙二醇、聚乙烯醇等。所述吸气药剂的加入量按复合板的贴合面积算为1～50g/m²。

（4）所述复合板坯放入加热炉中加热，按照复层金属的常规生产加热制度进行加热控制；对加热后的复合板坯进行轧制，轧制的开轧温度、终轧温度及轧后冷却工艺按照复层金属的常规生产工艺进行轧制，轧制速度0.2～5m/s，总压下率≥50%；最后按照复层金属的常规生产工艺进行后处理，即可得到所述的金属复合板。

实施例1：本金属复合板的真空热轧方法的具体工艺如下所述。

本实施例中复层金属的型号为Q420，尺寸厚×宽×长为50mm×200mm×400mm；基层金属为Q235 碳素结构钢，尺寸厚×宽×长为20mm×200mm×400mm。

使用铣床将两种钢需要复合的复合面进行铣削,去除其锈蚀、氧化层和表面油污等；两复合面均为Ra=3.2。将复合面相对上下叠放，用氩弧焊焊接，在长度方向一端留20mm未焊接口。按43.75g/m²贴合面积沿未焊接口加入吸气药剂3.5g，并用氩弧焊将未焊接口焊接。吸气药剂的重量成分为：铝锌镁钛混合金属粉40%，活性炭粉15%，其余为粘接改性剂；粒度为100～200目；所述混合金属粉中镁粉和钛粉均占20wt%，铝粉35wt%和锌粉25wt%。将复合板坯放入加热炉中加热，用2h从室温升温至1150℃，保温1h。对加热后的复合板坯进行轧制，轧制开轧温度1050℃、采用7道次轧至7mm厚度，轧制速度0.8～1.3m/s，总压下率90%，轧后空冷至室温，即可得到所述的金属复合板。

本实施例所得金属复合板进行剪切试验，其剪切强度为449MPa。

实施例2：本金属复合板的真空热轧方法的具体工艺如下所述。

本实施例中复层金属的型号为410s不锈钢，尺寸厚×宽×长为9mm×450mm×500mm；基层金属为Q235 碳素结构钢，尺寸厚×宽×长为48mm×450mm×500mm。

使用磨床将两种钢需要复合的复合面进行磨削，去除其锈蚀、氧化层和表面油污等；两复合面均为Ra=1.6。将复合面相对上下叠放，用氩弧焊焊接，在长度方向一端留30mm未焊接口。按33.33g/m²贴合面积沿未焊接口加入吸气药剂7.5g，并用氩弧焊将未焊接口焊接。吸气药剂的重量成分为：铝锌镁钛混合金属粉30%，活性炭粉18%，其余为粘接改性剂；粒度为200～300目；所述混合金属粉中镁粉20wt%、钛粉25wt%、铝粉25wt%和锌粉30wt%。将复合板坯放入加热炉中加热，用3h从室温升温至1240℃，保温1.5h。对加热后的复合板坯进行轧制，轧制开轧温度1150℃、采用5道次轧至20mm厚度，轧制速度0.8～1.3m/s，总压下率65%，轧后空冷至室温，即可得到所述的金属复合板。

本实施例所得金属复合板进行剪切试验，其剪切强度为470MPa。

实施例3：本金属复合板的真空热轧方法的具体工艺如下所述。

本实施例中复层金属的型号为304不锈钢，尺寸厚×宽×长为5mm×300mm×400mm；基层金属为Q235 碳素结构钢，尺寸厚×宽×长为25mm×300mm×400mm。

使用牛头刨床将两种钢需要复合的复合面进行刨削，去除其锈蚀、氧化层和表面油污等；两复合面均为Ra=6.3。将复合面相对上下叠放，用氩弧焊焊接，在长度方向一端留25mm未焊接口。按25g/m²贴合面积沿未焊接口加入吸气药剂3g，并用氩弧焊将未焊接口焊接。吸气药剂的重量成分为：铝锌镁钛混合金属粉50%，活性炭粉10%，其余为粘接改性剂；粒度为300～400目；所述混合金属粉中镁粉15wt%、钛粉20wt%、铝粉10wt%和锌粉55wt%。将复合板坯放入加热炉中加热，用2.5h从室温升温至1200℃，保温1h。对加热后的复合板坯进行轧制，轧制开轧温度1120℃、采用5道次轧至5mm厚度，轧制速度1.0m/s，总压下率83%，轧后空冷至室温，即可得到所述的金属复合板。

本实施例所得金属复合板进行剪切试验，其剪切强度为330MPa。

实施例4：本金属复合板的真空热轧方法的具体工艺如下所述。

本实施例中复层金属的型号为Q420，尺寸厚×宽×长为50mm×200mm×400mm；基层金属为Q235 碳素结构钢，尺寸厚×宽×长为20mm×200mm×400mm。

使用铣床将两种钢需要复合的复合面进行铣削,去除其锈蚀、氧化层和表面油污等；两复合面均为Ra=6.3。将复合面相对上下叠放，用埋弧焊焊接，在长度方向一端留40mm未焊接口。按50g/m²贴合面积沿未焊接口加入吸气药剂4g，并用埋弧焊将未焊接口焊接。吸气药剂的重量成分为：铝锌镁钛混合金属粉60%，活性炭粉12%，其余为粘接改性剂；粒度为150～250目；所述混合金属粉中镁粉25wt%、钛粉30wt%、铝粉20wt%和锌粉25wt%。将复合板坯放入加热炉中加热，用2h从室温升温至1150℃，保温1h。对加热后的复合板坯进行轧制，轧制开轧温度1050℃、采用7道次轧至7mm厚度，轧制速度0.8～1.3m/s，总压下率90%，轧后空冷至室温，即可得到所述的金属复合板。

本实施例所得金属复合板进行剪切试验，其剪切强度为405MPa。

实施例5：本金属复合板的真空热轧方法的具体工艺如下所述。

本实施例中复层金属的型号为304不锈钢，尺寸厚×宽×长为5mm×300mm×400mm；基层金属为Q235 碳素结构钢，尺寸厚×宽×长为25mm×300mm×400mm。

使用刨床将两种钢需要复合的复合面进行刨削，去除其锈蚀、氧化层和表面油污等；复层金属复合面为Ra=25，基层金属为Ra=12.5。将复合面相对上下叠放，用二保焊焊接，在长度方向一端留50mm未焊接口。按10g/m²贴合面积沿未焊接口加入吸气药剂1.2g，并用二保焊将未焊接口焊接。吸气药剂的重量成分为：铝锌镁钛混合金属粉45%，活性炭粉20%，其余为粘接改性剂；粒度为250～350目；所述混合金属粉中镁粉10wt%、钛粉25wt%、铝粉35wt%和锌粉30wt%。将复合板坯放入加热炉中加热，用2.5h从室温升温至1200℃，保温1h。对加热后的复合板坯进行轧制，轧制开轧温度1120℃、采用5道次轧至5mm厚度，轧制速度1.0m/s，总压下率60%，轧后空冷至室温，即可得到所述的金属复合板。

本实施例所得金属复合板进行剪切试验，其剪切强度为350MPa。

实施例6：本金属复合板的真空热轧方法的具体工艺如下所述。

本实施例中复层金属的型号为410s不锈钢，尺寸厚×宽×长为9mm×450mm×500mm；基层金属为Q235碳素结构钢，尺寸厚×宽×长为48mm×450mm×500mm。

使用刨床将两种钢需要复合的复合面进行刨削，去除其锈蚀、氧化层和表面油污等；复合面均为Ra=50。将复合面相对上下叠放，用埋弧焊焊接，在长度方向一端留30mm未焊接口。按50g/m²贴合面积沿未焊接口加入吸气药剂11.25g，并用埋弧焊将未焊接口焊接。吸气药剂的重量成分为：铝锌镁钛混合金属粉35%，活性炭粉15%，其余为粘接改性剂；粒度为50～90目；所述混合金属粉中镁粉30wt%、钛粉10wt%、铝粉50wt%和锌粉10wt%。对加热后的复合板坯进行轧制，轧制开轧温度1150℃、采用5道次轧至20mm厚度，轧制速度0.8～1.3m/s，总压下率65%，轧后空冷至室温，即可得到所述的金属复合板。

本实施例所得金属复合板进行剪切试验，其剪切强度为460MPa。

实施例7：本金属复合板的真空热轧方法的具体工艺如下所述。

本实施例中复层金属的型号为Q420，尺寸厚×宽×长为50mm×200mm×400mm；基层金属为Q235 碳素结构钢，尺寸厚×宽×长为20mm×200mm×400mm。

使用磨床将两种钢需要复合的复合面进行磨削，去除其锈蚀、氧化层和表面油污等；复层金属复合面为Ra=0.8，基层金属为Ra=1.6。将复合面相对上下叠放，用二保焊焊接，在长度方向一端留10mm未焊接口。按1g/m²贴合面积沿未焊接口加入吸气药剂0.08g，并用二保焊将未焊接口焊接。吸气药剂的重量成分为：铝锌镁钛混合金属粉55%，活性炭粉14%，其余为粘接改性剂；粒度为1800～2000目；所述混合金属粉中镁粉25wt%、钛粉25wt%、铝粉30wt%和锌粉20wt%。将复合板坯放入加热炉中加热，用2h从室温升温至1150℃，保温1h。对加热后的复合板坯进行轧制，轧制开轧温度1050℃、采用7道次轧至7mm厚度，轧制速度0.8～1.3m/s，总压下率90%，轧后空冷至室温，即可得到所述的金属复合板。

本实施例所得金属复合板进行剪切试验，其剪切强度为380MPa。