（热能工程专业论文）包al复合钢板制备工艺研究.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 摘要 复合钢板可以降低材料的使用成本，满足某些特殊的机械性能和物理性能指 标，所以在工业生产中得到了广泛的应用。本论文在现有的各种复合钢板制备方法 基础上，采用改变钢板表面形态方法进行了制备包a 1 复合钢板的实验研究。 分别利用冲击法和静压法在常温下制备了覆 a 1复合钢板，研究了这两种复合 钢板的锯齿变形规律，检测界面显微组织和结合强度，找到制备复合钢板的工艺参 数，并分析其对复合钢板结合的影响。结果表明:同种齿型，当压应力大于一定的 值时，压应力和覆板的厚度对齿形的变化影响不大;静压下齿形变化比较规则，锯 齿顶端向一侧弯曲成钩状;冲压下齿形比较凌乱，锯齿的顶端没有明显的变形;后 处理对试样的结合强度影响很大，打底试样由于粘结层的作用，结合强度较高;机 械作用机制是复合钢板的主要复合机理，锯齿弯曲成钩状和铝板形成机械咬合。 模拟静态等辊径等辊速冷扎制备了覆a 1 复合钢板，分析了不同a 1 厚度、静态 轧制、冲击和静压对锯齿变形的影响、锯齿变形规律，检测了试样的显微组织和结 合强度，总结了轧制变形规律。结果表明:压制时间对齿形的变形影响较大，对齿 型的影响很小;模拟轧辊压制的锯齿，根部一段几乎没有变化，是从一段距离开始 变形，然后在顶端向相反的方向弯曲;压制成型后，铝板厚度的变化很小。 先对铝板和钢板进行冷压初复合，再在一定温度下进行热压复合，试图找到合 适的热压温度，消除界面脆化，提高复合钢板的界面力学性能，检测了试样的显微 组织和结合强度。结果表明:温度低，生成的铁铝化合物的量不足;温度过高，则 铁铝化合物层过厚，脆性相增多，结合强度低。 制备了具有打底层的复合钢板，检测了试样的结合强度，分析了拉伸后试样的 显微组织， 进行了金属间化合物的可能性判断。 结果表明: 对基板进行打底处理后， 钢板结合强度有了显著的提高。 关键词:热压，冷压，冲击，模拟轧制，金属复合板 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 abs tract wi t h r e d u c i n g t h e c o s t o f m a t e r i a l s a n d m e e t i n g s o m e s p e c i a l i n d e x e s o f m e c h a n i c a l a n d p h y s i c a l p e r f o r m a n c e , c l a d p l a t e i s a p p l i e d w i d e l y i n i n d u s t r i a l m a n u f a c t u r e . b a s e d o n a l l k i n d s o f e x i s t i n g p r o d u c e m e t h o d s o f c l a d p l a t e , t h i s p a p e r m a d e a r e s e a r c h o f p r o d u c e a l c l a d p l a t e b y t h e m e t h o d o f c h a n g i n g s u r f a c e s h a p e o f s t e e l p l a t e . t h e e x p e r i m e n t s p r o d u c e d r e s p e c t i v e l y a l c l a d p l a t e b y i m p a c t s a w t o o t h d i s t o r t i o n i s w e l l - r e g u l a t e d u n d e r s t a t i c p r e s s , w h i l e i t i s ir r e g u l a r u n d e r i m p a c t p r e s s . b o tt o m c o a t in g m a k e g r e a t i n fl u e n c e o n b o n d s t r e n g t h o f s a m p l e s w h i c h c a n i m p r o v e t h e v a l u e r e m a r k a b l y ; b o n d in g m e c h a n i s m o f c l a d s t e e l i s m e c h a n i s m o f m e c h a n i c a l e ff e c t t h a t s a w t o o t h w h i c h i s h o o k e d o c c l u d e s w i t h a l p l a t e . t h e t e s t s p r o d u c e d a l c l a d p l a t e 勿t h e m e t h o d o f s t a t i c s i m u l a t i n g r o l l i n g . t h i s p a p e r a n a l y z e d s a w t o o t h d i s t o r t i o n u n d e r d i ff e r e n t a l p l a t e s t h i c k n e s s , s t a t i c s im u l a t i n g r o l l i n g , i m p a c t a n d s t a t i c s t r e s s ; i n s p e c t e d t h e f i b r e s t r u c t u r e a n d b o n d s t r e n g t h o f s a m p l e s , s u m m a r i z e d t h e r u l e s o f r o l l i n g . t h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e t i m e o f p r e s s i n fl u e n c e s s a w t o o t h d i s t o r t i o n g r e a t l y , b u t i n f e c t s s a w t o o t h l e s s . r o o t o f t h e s a w t o o t h m a d e 勿t h e m e t h o d o f s t a t i c s i m u l a t i n g r o l l in g h a v e n o c h a n g e s h a r d l y , a n d fr o m t h e u p p e r d i s t a n c e t h e c h a n g e s b e c a m e , t h e n o n t h e t o p t h e s a w t o o t h c u r v e s t o t h e o p p o s i t e d i r e c t i o n . a ft e r c l a d p l a t e i s r o l l e d , t h e t h i c k n e s s o f a l p l a t e h a s a f e w c h a n g e s . t h e t e s t s f i r s t l y p r o d u c e d a l c l a d p l a t e u n d e r c o l d p r e s s , t h e n d e a l e d w i t h i t u n d e r c e r t a i n t e m p e r a t u r e . t e s t s t r i e d t o f i n d a s o u n d t e m p e r a t u r e t o w e a k e n t h e 华北电力大学 北京) 硕士学位论文 b r i tt l e n e s s o f i n t e r f a c e a n d t o i m p r o v e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c l a d p l a t e . t h i s p a p e r i n s p e c t e d t h e f i b r e s t r u c t u r e a n d b o n d s t r e n g t h o f s a m p l e s . t h e r e s u lt s i n d i c a t e t h a t u n d e r l o w e r t e m p e r a t u r e t h e f e - a l c o m p o u n d i n t h e i n t e r f a c e i s n o t e n o u g h , o n t h e c o n t r a r y t h e c o m p o u n d i s e x c e s s i v e , a s a r e s u lt t h e b o n d i n g s t r e n g t h b e c o m e s l o w e r . t h e t e s t s p r o d u c e d a l c l a d p l a t e w i t h b o t t o m c o a t i n g , i n s p e c t e d b o n d s t r e n g t h o f s a m p l e s a n d a n a l y z e d t h e f i b r e s t r u c t u r e o f t e n s i l e t e s t s a m p l e s , e s t i m a t e d t h e c o m p o u n d s i n t h e i n t e r f a c e . t h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e b o n d i n g s t r e n g t h o f c l a d p l a t e h a s b e e n i m p r o v e d d i s t i n c t l y a ft e r t h e m o t h e r p l a t e i s s p r a y e d b o t t o m c o a t i n g . y a n z h i b i n ( p o w e r e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f e s s o r l i u z o n g d e ke ywor ds : h e a t p r e s s , c o l d p r e s s ,i mp a c t ,s t a t i c s i m u l a t i n g r o l l i n g , m e t a l c l a d p l a t e i i i 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 第一章绪 论 1 . 1 前言 金属复合板是将一种金属覆层( 如铝、不锈钢、镍及合金、锌等) 包覆在基层金 属表面，使它们实现紧密结合的复合金属材料。随着科技进步，金属复合板不仅在 应用范围上愈加广泛，而且在材料性能组合和优化利用方面也突破了传统的认识。 结构和功能一体化己成为这类材料深入发展的潜在优势。 装饰性、 导电性、 导热性、 耐磨耐蚀性和力学性能等的有效组合既促进了材料综合性能的提高，也为合理选材 和降低制造产品的成本提供了更好的条件。复合之后，尽管各层金属仍保持各自原 有特性，但其物理、化学、力学性能比单一金属优越的多。它可以降低材料的使用 成本，满足某些特殊的机械性能、物理性能等指标。因而，金属复合板有十分广阔 的应用前景。 金属的腐蚀，是金属受环境介质的化学或电化学作用而被破坏的现象。金属的 腐蚀遍及国民经济各个领域，给国民经济带来了巨大的损失。据统计，世界钢产量 的 1 / 1 0 是由于腐蚀而损失， 机电产品提前失效的原因 7 0 % 属于腐蚀和磨损。在工业 发达的国家中， 腐蚀造成的直接经济损失占国民经济总产值的1 % -4 % ， 每年腐蚀生 锈的钢铁约占 产量的2 0 % ， 约有3 0 % 的设备因腐蚀而报废 ， ， ; 我国每年因腐蚀造成的 损失至少达到2 0 0 0 亿元，占国民生产总值的2 % - - 4 % z 。此外，腐蚀还危及人身安 全和造成环境污染。因此，为了减少经济损失，保护环境和满足生物过程发展的需 要，防腐材料的开发和新工艺的研究已提到议事日程上来。 对于大型钢结构，如桥梁、水工结构、塔器、化工大罐、压力容器等防腐，现 在常用的是热喷涂铝或锌( 加封闭层) 涂层。这两种有色金属均具有比钢铁低的多的 电极电位，因此在用于腐蚀环境时，只要有电解质存在，锌铝喷涂层就能形成腐蚀 电池中的阳极，对钢铁基体提供有效的电化学保护。铝喷涂层表面还能迅速生成一 层致密强韧的氧化物保护膜，形成 “ 栅栏”保护。挪威从 1 9 8 4年开始就在海上工 业设施热喷涂铝涂层防腐， 1 9 9 1年开始在管道、储水容器和海上平台底部大面积使 用 7 1 ;英国、瑞典、丹麦等许多欧洲国家的桥梁，特别是一些年代很久的桥梁都采 用热喷涂铝或锌( 加封闭层) 涂层防护，经过几十年的风吹雨打仍然完好4 1 ;美国海 军从1 9 7 7 就开始采用热喷涂铝涂层对舰船进行防腐，并制定了d o d - s t d 2 1 3 8 涂层 标准5 1 ;长江葛州坝工程的过船闸门及提升闸门用的大型龙门吊车的钢结构、升船 机的 钢结构都采用了 热喷铝处理5 1 。 铝或锌( 加封闭层) 涂层以 其优越的防腐性能在 世界上正得到广泛的应用。 但这些施工均在现场进行，劳动强度大，生产效率低，质量难以稳定控制，且 不安全，环境污染严重。对于长时间浸在海水里的设备，比如舰船的船体、甲板、 一 1 一 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 海上的钻井平台，还有一些高度大的钢建筑等人不容易接近进行防护和维修的钢结 构，热喷涂还有一定的困难。 在电力行业中己用铜一 铝复合板制作过渡接头，以解决电工产品中以铝代铜后， 突出的接头连接问题;m s f系统中闪蒸器的管板、外壳板、间隔墙板及其内部都采 用了复合板来满足抗腐蚀的要求，同时又减轻了设备的重量;陶瓷一 钢复合板用于 碎煤机的衬板， 不锈钢复合钢板 其耐磨性可达普通碳钢的数十倍到上百倍;凝汽器的管板一般采用 改变钢板表面形态方法制备复合钢板是一种新兴技术，其工序简单，可实现工 业化生产。其制备的覆 a l复合钢板，结合强度高，耐腐蚀性好，能直接用于有防 腐要求的钢结构建筑和设备，免去热喷涂工序，节省人力和财力，有效保护设备， 所以有广阔的应用前景。 1 . 2 金属复合板国内外研究概况 人类对复合金属的研究始于公元前三千年古埃及时期，那时的首饰和恺甲等实 用物品就是用复合金属制成的e - 1 o 随后，经过了几千年漫长的发展，人类逐步实 现了从偶然到必然的过渡，慢慢地奠定了现代科技发展的基础。到了本世纪四十年 代，开始出现了在理论指导下的、系统的、现代的复合金属研究方法。美国的复合 金属发展稍早些，1 8 6 。 年就取得了 热轧的专利1 0 0 1 9 4 8 年，英国的a . b . s o w t e r 实现了异种金属的冷压复合;1 9 5 0 年，美国的s i d n e y s i e g e l 实现了异种金属的热 轧复合;1 9 5 6年，美国的 m e t a l 1 9 7 0 年，英国的 b c r o s s l a n d实现了异种金属的爆炸复合。八十年代初期，随着人类文 明的不断发展，为满足一次次技术革命的需要，日本的日新制钢和板神制造所首先 成功地利用热浸镀法，开发出了一种新型的钢铝复合金属 i ! 现在制造包铝锌复合钢板最成熟的技术是热浸镀方法。美国伯利恒钢铁公司 ( b e t h l e h e m s t e e l c o r p o r a t i o n ) 于1 9 7 2 年开发并投入生产了 5 5 % a 1 - z n 合金热浸镀 层钢板，并为这项专利产品注册了 g a l v a l u m e 商标 1 3 ) 。到2 0 0 0 年4 月，己有4 2 个公司 先后成为该产品生产许可证持有者，包括日本的n k k ,韩国的d o n g b u s t e e l ,美国 的国家钢铁公司等许多大公司。日本n k k 公司在这基础上，为了提高钢板的可变行 性，美化表面的颜色和图案，在涂层表面涂覆聚合物薄膜，生产了s u p e r g e n 工 u s 和 g a l f l e x - c o l o r 两种产品 ， 。日 本的n i s s h i n 公司开发了自己的热浸镀钢板，s t a r g a l f a n ( 5 % a l u m i n u m - z i n c - a l l o y - c o a t e d s t e e l ) ，和g a l v a s t a r ( 5 5 % a l u m i n u m - z i n c - a l l o y - c o a t e d s t e e l ) e 5 5 % a 1 - z n 合金 热 浸镀 层钢 板国 外主 要 用于 建 筑、 铁路、 汽车工业等，2 0 0 。 年的产量己达8 0 0 万吨1 5 。但它还有很大的不足之处，只能生产 薄的复合钢板( 一般是6 m m 以下) ，而且钢板大小受到很大的限制，镀层一般只有2 0 11 m ，涂层和基体的结合强度很低，不会超过l o m p a i s - 1 7 ;此外它的设备投资大，工 艺要求高，投产困难，此法目前不宜在我国推广。 一2 一 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 我国金属复合钢板的研究起步较晚，六十年代才开始，上海钢研所用5 0 0 吨固 相复合轧机生产出热双金属板，并建立了较为成熟的冷轧复合生产工艺 ; 8 0 年代 末，东北大学在国内率先开展了液态、半固态加工复合技术的研究，先后开发了铝 一 不锈钢液、固相轧制复合技术、铝包钢丝连续铸挤复合技术和铜包钢终形铸轧复 合技术: 1 5 ) 。武钢、宝钢、本钢等己能够生产镀锌复合钢板，年产1 3 5 万吨，只是钢 材总量的1 % u 5 7 ;太钢现在已能利用爆炸和轧制的方法，生产一些不锈钢复合钢板， 但产量低，品种很少，跟发达国家还有很大的差距 19 。大连爆炸研究所虽已生产出 1 4 m 的爆炸复合钢板，但对爆炸机理还缺乏深入的试验性研究s a , 。昆明理工大学的 张曙红等开发研究了金属粉末一 板带复合轧制法( p p r ) 。国内还不能大规模的生产 用作防腐的包铝和不锈钢复合钢板，几乎是一片空白。复合板带材作为众多制造工 业基本原材料，市场容量大，我国对复合钢板的需求日益增加，尤其是高质量的冷 车 l 板带材。国内生产的复合钢板己不能满足要求，只能从国外大量进口。 复合金属材料最大特点是相补效应，即两组分复合以后可以相互补充并弥补各 自的弱点，因此形成了优异的综合性能，需求领域非常广泛，所以，钢铝复合金属 的研究是当今的热点。目 前，世界各国的研究焦点主要集中在开发研制新方法，以 便在简单、方便、经济前提下，生产出能够满足各个领域需要的复合金属材料。 1 . 2 金属复合板研究的综述 夸 1 . 2 . 1 金属复合板的制造方法 夸 1 . 2 . 1 . 1 金属复合板的主要制造方法3 2 本世纪五十年代以来，世界各国科技工作者创造了许多复合钢板的制造方法， 从总体上可以分为三大类:固一 固相复合法、液一 固相复合法和液一 液相复合法。固- 固相复合法包括轧制复合法、爆炸复合法、爆炸焊接一 热轧法、挤压复合法、扩散 焊接法、烧结法等;液一 固相复合法包括复合浇铸法、反向凝固法、喷镀复合法、 铸轧法、热浸镀法等。液一 液相复合法目前仅有电磁连铸生产复合板法。 1 轧 $ l1 复 合法【z1 - 26 1 轧制复合法是通过轧机的压力使金属复合的方法，是生产复合板的一种较普遍 的方法，如图1 - 1 所示。目前世界上8 0 % 的复合板是采用轧制复合法生产的。 图1 - 1 轧制复合法 - 3 一 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 我国金属复合钢板的研究起步较晚，六十年代才开始，上海钢研所用5 0 0 吨固 相复合轧机生产出热双金属板，并建立了较为成熟的冷轧复合生产工艺“；8 0 年代 末，东北大学在国内率先开展了液态、半固态加工复合技术的研究，先后开发了铝 一不锈钢液、固相轧制复合技术、铝包钢丝连续铸挤复合技术和铜包钢终形铸轧复 合技术“。武钢、宝钢、本钢等已能够生产镀锌复合钢板，年产1 3 5 万吨，只是钢 材总量的1 “；太钢现在已能利用爆炸和轧制的方法，生产一些不锈钢复合钢板， 但产量低，品种很少，跟发达国家还有很大的差距“。大连爆炸研究所虽已生产出 1 4 m 2 的爆炸复合钢板，但对爆炸机理还缺乏深入的试验性研究”0 3 。昆明理工大学的 张曙红等开发研究了金属粉术一板带复合轧制法( p p r ) “。国内还不能大规模的生产 用作防腐的包铝和不锈钢复合钢板，几乎是一片空白。复合板带材作为众多制造工 业基本原材料，市场容量大，我国对复合钢板的需求f 1 益增加，尤其是高质量的冷 轧板带材。国内生产的复合钢板已不能满足要求，只能从国外大量进口。 复合金属材料最大特点是相补效应，即两组分复合以后可以相互补充并弥补各 自的弱点，因此形成了优异的综合性能，需求领域非常广泛，所以，钢铝复合金属 的研究是当今的热点。目前，世界各国的研究焦点主要集中在开发研制新方法，以 便在简单、方便、经济前提下，生产出能够满足各个领域需要的复合金属材料。 1 2 金属复合板研究的综述 1 2 1 金属复合板的制造方法 1 2 1 1 金属复合板的主要制造方法” 本世纪五十年代以来，世界各国科技工作者创造了许多复合钢板的制造方法， 从总体上可以分为三大类：固固相复合法、液一固相复合法和液一液相复合法。固一 固相复合法包括轧制复合法、爆炸复合法、爆炸焊接一热轧法、挤压复合法、扩散 焊接法、烧结法等；液一固相复合法包括复合浇铸法、反向凝固法、喷镀复合法、 铸轧法、热浸镀法等。液一液相复合法目前仅有电磁连铸生产复合板法。 1 轧制复合法”3 轧制复合法是通过轧机的压力使金属复合的方法，是生产复合板的一种较普遍 的方法，如图卜1 所示。目前世界上8 0 的复合板是采用轧制复合法生产的。 图1 - 1 轧制复合法 一3 一 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 轧制复合方法成本低，产量高，而且工艺技术及装备较为成熟，作为一种金属 复合板的工艺方法在本世纪3 0 年代就引起了一些研究者的关注。轧制工艺不仅用 于实现复合的坯料的进一步加工，而且也用作为一种有效的复合制备技术。轧制技 术易于实现大规模工业化生产，同时不存在像电镀和物理化学方法所带来的环境污 染问题，它将是一种具有非常良好发展潜力的金属层状复合材料制各加工技术。 ( 1 ) 热轧复合法 热轧复合法是将覆盖材料和基体实现在一起，周边进行焊合，在高温高压下进 行轧制变形，受热和力的同时作用而使不同金属进行焊合的一种工艺方法。它的基 本特点是单块组装热轧复合，可以用现有设备，简单易行，可以复合大型复合板材。 由于两种金属的变形抗力不同，使得两层金属的厚度不能是任意比例的，且变形不 均匀，轧后材料的软化问题很严重，而且对某些金属间脆性化合物的生成难以控制。 热轧复合变形过程及其类似于单种金属热轧时，由于坯料加热不均匀而产生的 变形现象，但它更规则更典型。高温金属塑性成性时在变形性质上十分类似于粕滞 流体。由此推知，两种金属间接触表面在剪切变形力的作用下应该更趋向于流体特 性。一旦新生余属表面出现，他们便产生黏着摩擦行为，利于接触表面间金属的固 着，以固着点为基础( 或核心) ，在高温热激活条件下形成较为稳定的热扩散从而 实现金属间的焊接结合。轧后的余热将使两种金属间的原子扩散更加充分，从而形 成良好的结合，有关研究已经证明了这种扩散的有效性。不过如果两种金属趋向于 形成脆性化合物，对于复合过程的实现将是致命的。 对于热轧来说，温度合适的复合及扩散可使材料基体具有充分的再结晶组织、 较低的硬度致密的界面结合形态，因而能使材料具有较优良的结合性能。但是，温 度过高的复合及扩散处理可导致界面上存在较厚的氧化层及较多的空洞，基体内也 会形成粗大晶粒，这些均会明显损害结合性能。7 。2 “。 ( 2 ) 冷轧复合及其关键参数 鉴于热轧在工艺上的一些困难，5 0 年代，冷轧复合方法应运而生。美国首先提 出了表面清理，大变形复合，复合界面的热扩散处理的工艺路线。冷轧法是采用大 压下量冷轧重叠起来的两层金属。冷轧复合可防止脆性化合物的生成，其工艺理论 的研究主要集中在以下几个方面。： 复合变形率。由于冷轧变形过程中被复合金属间的接触状态区别于热轧过 程，同时冷变形的热激活较之热轧要弱得多，极大的一次变形率构成了该工艺的基 本特点，在一般情况下往往需要高达6 0 一7 0 的变形率。 变形过程中的接触变形。两金属间的接触变形直接制约着复合的发生和发 展。两金属的接触表面间存在着适当的相对剪切移动变形，将形成有利的复合变形 条件。 轧制力和轧制力矩。它们是轧制工艺的基本参数，工程法、上限法和实验法 一4 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 等对轧制力、轧制力矩与复合过程及复合效果的解析，为改进工艺和选择工艺参数 提供了一些有益的探索。 复合界面的热扩散处理及复合效果。复合表面的热扩散处理是保证复合界面 获得稳定的结构和性能的基本方法。一般认为，大于某一临界变形程度能保证有效 的复合，而低温长时间的扩散退火处理是获得理想复合界面结构的最佳工艺。 轧制复合后的热扩散处理。一般的说，冷轧复合后的轧件虽然已经实现了较好 的复合，但是复合界面的过渡结构在很大程度上并未完全实现。要保证材料的使用 效果，采用轧制后界面的热扩散处理是必不可少的”。轧制复合后可通过适当的扩 散或烧结处理使结合面由机械结合状态过渡到冶金结合状态，进而提高界面的结合 强度。表面有氧化层则结合强度下降，有不连续金属化合物相的形成，但氧化层并 不是阻碍冶金结合的因素。扩散时原子通过结合面的相对迁移可使界面由轧制后的 机械结合方式向冶金结合方式过渡。这些均是有利于增加结合性能的因素。扩散温 度较低，界面空洞形成有限，不足以对结合产生影响。扩散温度升高超过某一临界 值时，虽原子的更充分扩散可使冶金结合程度加强，但界面形成空洞的可能性增加 会削弱这种冶金结合的有利作用。 轧制速度的选择。从复合变形的角度来看，控制好车l , i n 速度有利于复合变形， 但当轧制速度过高时，工艺控制的难度增大。而轧制速度的选择直接关系到前滑率 的值。它是影响复合强度的重要因素，可通过适当控制压下率，采用低速轧制来降 低前滑的影响。随轧制速度的提高，前滑值增加很快，尤其是相对较硬金属o “。 冷轧复合近年发展较快，这种方法生产成本低，适合批量生产，且能生产较大 长度、宽度的制品。但此方法的轧制工艺还不成熟，存在板型的控制难和轧件边裂 问题，所以往往需要后续处理，对轧机功率要求高。另外，当两层金属的硬度、强 度、变形抗力等机械性能相差很大，而要求变形抗力大的金属层较薄时，轧制中变 形抗力大的金属会发生横向断裂和变形不稳定现象。 ( 3 ) 异步轧制复合 异步轧制工艺是一种6 0 年代才开始兴起的新兴的板带材轧制生产技术，它是 通过改变上下轧辊辊径或上下轧辊轧速从而使轧辊线速度不同来轧制金属，自从它 问世以来就引起了人们极大的兴趣。利用异步轧制变形区较大的剪切变形，对薄板 进行冷复合加工，在大幅度降低轧制压力的情况下，可以生产出复合强度高、表面 光洁的冷轧复合薄板。由于轧辊线速度不同，轧制变形区存在一个与摩擦力方向相 反的搓轧区，使轧件处于大的剪切变形区中，可以大幅度降低轧制压力，从而增大 轧制变形量，它正好可以解决等辊径等辊速轧制方法完成大变形方面能力的不足。 异步轧制复合机理：根据硬化层破裂机制，通常情况下金属表面具有一定厚 度的氧化膜、水膜、有机物及其它物质。这些膜的总厚度大约为零点几到几个纳米， 即使在轧制复合前进行钢丝刷清理而显露出加工硬化层，金属表面也会很快生成新 一s 一 华北电力大学o p , 京) 硕士学位论文 的非金属膜。因此，轧制复合前的金属表面总是已加工硬化并覆有非金属膜的凹凸 不平的表面。而异步轧制复合时，由于轧辊线速度不同，变形区中存在一与摩擦力 方向相反的剪切变形区，当轧件处在大的剪切变形区中时，凹凸不平的薄层表面硬 化层破裂、错动，内部新鲜金属在短时间内暴露并以较大压力结合。这与以往模型 所描述的两者都挤出了裂口是不同的。复合界面原子间要达到牢固结合，必须使处 在金属界面接触处的原予或离子具有最低能量级，当原子或离子达到这个能量级 时，原子键的方向性就会减弱，界面处的原子就会形成金属键，相互接触的两金属 表面就实现完全结合。 2 爆炸复合法”2 。 爆炸复合法是世界上广泛应用的一种方法。它是利用炸药作能源，在炸药的高 速引爆和冲击作用下( 速度7 8 k m s ，碰撞应力高达数千兆帕) 将两种或两种以上 金属大面积焊接在一起。爆炸焊接法如图卜2 所示。 图卜2 爆炸复合法 当均匀分布在复合板上面的炸药被雷管引爆之后，爆轰波和爆炸产生的能量便 在其上开始传播，并将一部分能量传递给复合板，使其向下运动并加速，随后高速 向基板撞击。借助撞击过程，将高速运动的动能在撞击面上转变成金属之间的焊接 能，使它们牢固地结合在一起。 微观机制：碰撞过程中，在金属表面产生应力波，并产生塑性变形，表层金属 薄膜的展开和撕裂使连接成为可能。碰撞使两种金属的原子链打开，相互渗透，两 种原子重新结合，牢固地焊接在一起。由于爆炸力很强，加之在爆炸中产生的冲击 波，使结合面产生波纹状的结合。 按双金属板放置方式不同，爆炸焊接法又分为平行间隔式和角度间隔式两种。 此方法适用范围较广：( 1 ) 能实现大面积、大厚度金属板的复合；( 2 ) 能实现熔 点、热膨胀系数以及硬度等性能差别较大的两种复合材料的复合；( 3 ) 能适应大小 不同批量的生产。其优点在于：( 1 ) 能满足表面清洁及清洁表面紧密结合的条件； 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 ( 2 ) 该方法生产的复合材的结合强度高于其它方法；( 3 ) 复合界面上看不到明显的扩 散层，不会生成脆性的金属间化合物；( 4 ) 速度快；( 5 ) 产品性能稳定。缺点是由于 射流的作用使复合界面呈波浪形，同时由于炸药的存放、爆破地点的选择、噪音的 处理、人身安全的保障及污染严重等一系列问题而使得该法不易被推广使用。 目前采用爆炸复合法可以实现3 0 0 多种金属的复合。 3 爆炸焊接一热轧法。”1 为了满足用户对复合板的复合率、不平度的要求，因此对爆炸复合法提出改进 一目前大多采用爆炸复合一轧制法。 它是将经爆炸焊合的复合板作为原料来进行热轧，最终获得大幅面的复合板带 的方法。此方法兼有爆炸焊接法和热轧法生产的优点，增加了生产的灵活性，便于 推广。缺点是产量、生产率及成材率都比较低，产品质量差，尺寸精度低。 4 挤压复合法 1 一模子2 一导块3 一挤压缸 4 一包覆层5 一柱塞6 一挤压方向7 一芯材 图卜3 挤压复合法 挤压复合法是先把界面清洁的组元金属组装成挤压坯，选定合适的挤压比和温 度等参数挤压成型，使清洁金属表面在压力的作用下实现界面的冶金结合。如图卜3 所示，它主要用于生产双金属的管、棒、线材及简单断面的型材。 此方法特别适用于生产连续的长方形与矩形断面的复合型材。缺点是挤压复合 的材料范围受限制，要求大功率的挤压机，而且不能连续化生产。 5 扩散焊接法”7 3 扩散焊接是把表面清洁的金属叠放在一起，然后加热到一定温度，同时加压， 通过原子间互扩散使界面结合在一起。它又分为无助剂自扩散、无助剂异扩散焊接、 有助剂扩散焊接、过渡液相扩散焊接、相变超塑性扩散焊接等。扩散焊接没有金属 宏观变形，接头很少有残余应力。此方法可对性能和尺寸相差悬殊的材料实行焊接。 此种方法可以焊接绝大多数材料，就是性质差别较大的种金属也可以用扩散焊来 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 实现。扩散焊的主要工艺参数主要有：( 1 ) 材料表面状；( 2 ) 压力；( 3 ) 温度；( 4 ) 时 间；( 5 ) 真空度。 扩散焊的特点：( 1 ) 由于扩散焊是固相结合，不存在熔化液态相，保持了原有 金属的固有属性，这对于热敏感的材料是十分有利的。它不会使材料变质，更不会 时焊缝内产生夹渣、气孔、缩孔、粗大铸造结晶组织等缺陷；( 2 ) 可以进行复杂的 面与面的焊接，也不受工件厚度的限制，可以把很薄和很厚的两件焊接起来；( 3 ) 焊件变形很小。 6 烧结法1 烧结法是在保护性气氛下，通过加热，使粉术颗粒与复合母板形成相互结合的 复合方法。保护性气体主要采用氢气和氮气等。复合母板需经过脱脂、除锈和打毛 等工序预处理。粉末的制备主要有两种方法： i ) 将异种纯金属的粉末均匀混合： 2 ) 直接制备覆层合金的粉末。 烧结法的基本原理是在高温下，原子振幅加大，发生扩散，从而异种金属原子 形成结合。它主要应用于复合母板与合金覆层的复合。由于在烧结过程中，烧结温 度低于高熔点纯金属组元的熔点，所以合金覆层的组织性能非常均匀，是轧制法的 有益补充。但烧结复合材料的孔隙率大，所以此法只能应用于制备孔隙率高的复合 金属材料，适用范围非常狭窄。另外，由于需要制备烧结粉末，这样使得复合工序 复杂，能耗很大。 7 浇铸复合法”4 ” 铸造复合法是应用最早的制备层状金属复合材料的一种方法。它是将一种材料 ( 固相) 和另一种材料( 液相) 在铸模内进行组合，液态金属凝固后形成复合材料，如 图卜4 所示。将两块钢板叠合，内层涂上剥离剂，四周焊合后放在盛有金属液的铸 模中，待液态金属凝固后进行初轧，最后将焊合的边部切掉，即得到两块复合板。 目前，此方法已经应用于生产。连续铸挤法也是与此类似的液一固相复合方法。在 适当温度及压力下可实现较高的复合强度。 此方法工艺简单，成本低，可用于批量生产。目前铸造法存在的主要问题是： ( 1 ) 复合时，由于复合温度高，复合母板表面容易发生氧化，形成氧化层，因 此严重地破坏了母板金属与覆层金属之间的结合； ( 2 ) 由于母板金属与覆层金属之间的热膨胀系数存在差异，所以复合后的冷却凝 固过程中，在复合界面上，形成较大的残余应力，使得界面结合性能降低，甚至导 致复合材料界面开裂； ( 3 ) 由于复层金属与基体金属的熔点不同，在两者的结合部位容易产生熔损，因 此难以得到质量优良的复合钢板，只有在复层金属和基体金属为同种金属的情况 下，才能进行工业性生产。 一r 一 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 1 一组元12 一组元23 一铸模 图1 4 浇铸复合法 还有就是两种组元均是液态，根据其熔点不同进行复合，即双浇法：把两种需 要复合的金属分别熔化然后顺序把两种金属液浇注在同一个模子中，冷却凝固后， 形成双金属材料。此方法虽然设备简单、成本低，但劳动强度大、工作环境恶劣、 两层金属接合强度低。双浇法可以应用于平板状的铸件，由于双液的特点，这一工 艺无法应用于其他形状的铸件上，因此有其局限性。 在生产实践方面“，日本川琦钢铁公司开发的k a p 复合钢板，就是采用铸造复 合方法生产的。其制造工艺是先把钢坯( 含碳0 1 3 ) 表面清理干净，垂直的悬挂 在铸模内，通过下注法向铸模铸满高碳钢水( 含碳约0 8 5 ) 。钢水凝固后先得到复 合钢坯，在热轧成一定厚度的板带。通过低碳和高碳钢的复合而获得的复合板其强 韧性和耐磨性都非常优越。乌克兰科学院巴顿焊接研究所研制成功的电渣熔铸复合 技术，是先将作为基层的板坯置于模具中，然后往板坯表面浇铸熔炼好的耐蚀钢液。 它是利用电渣重熔技术在板坯表面熔铸一层耐蚀钢为覆层，从而实现基体和覆层间 牢固的结合。 1 2 1 2 金属复合板制造方法的新进展“” 2 0 世纪8 0 年代以来，冶金技术发展的主要特点是以节能、降耗为中心，促进 生产过程的连续化和短流程化。异种金属液一固相复合技术是在连铸技术日益成熟 基础上发展起来的，是金属复合技术发展的新领域，反映了金属复合板生产高效、 低耗、短流程化的新特点。 1 喷涂复合法 喷涂复合法是一种用专用设备把某种固体材料融化并加速喷射到基件表面上， 形成一特制薄层，经热处理后达到复合，以提高基件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的 新兴材料技术，如图卜5 所示。 华北电力人学( 北京) 硕士学位论文 1 一丝材或燃料气2 焰流3 一基板4 一喷涂枪 图卜5 喷涂复合法 喷涂复合法的技术特点是取材范围广，可用于多种基体。被喷涂物件大小一一般 不受限制，涂层厚度较易控制，具有成本低，经济效益显著等优点。 随着热喷涂技术的发展，采用电弧喷涂的方法制备复合钢板成为一种行之有效 的方法。武汉钢铁学院的黄宁和武汉材料保护研究所的邓世均等人进行了热喷涂 z n a l 合金涂层复合钢板防腐蚀性能的研究“。 2 高速热浸镀法 热浸镀是将待镀件含浸于熔融的金属液( 或合金液) 中保持一段时间，通过待镀 件表面和金属液一系列复杂的物理化学反应，以镀上一层合金金属。待镀件一般要 经过喷砂、脱脂、酸洗、助熔剂、预热等前处理，最后还要进行退火或水淬处理。 现在最常用的热浸镀铝或锌。 早在2 0 世纪6 0 年代，美国通用电器公司( g e 公司) 就己率先开发出无氧铜杆 浸入成型技术，简称d f p 法。在此基础上美国g e 公司、日本藤仓电线株式会社及 瑞士的b a t t e l l e 研究中心近年又研制出高速热浸镀技术。此技术以钢丝为种子线， 使其连续穿过熔融的铜液，经固、液相间热交换使铜液凝结在钢丝表面，从而获得 铜包钢复合坯，再经轧制获得不同规格的复合线，如图卜6 所示。 图卜6 高速热浸镀法 目前热浸镀法存在的主要问题除了第一节提到的，还有以下几点m ， 一1 0 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 ( 1 ) 镀层和基体结合强度低，对待镀件的要求很高，与金属液要有很好的润湿性， 才能形成比较致密的镀层； ( 2 ) 镀层不均匀，经常出现漏镀、假镀、结疤和小疙瘩。 3 铸轧法 铸轧是液相金属与固相金属在轧机上实现复合的方法。此方法是将铸造法与轧 制法结合起来，既有液相高温，又有轧制压力，能够实现较高的复合强度。铸轧可 以连续生产、效率高、成本低。但此方法的工艺条件还不成熟，有待于进一步完善。 2 0 世纪8 0 年代末，东北大学在国内率先开展了液态，半固态加工复合技术的 研究，这里主要介绍复合带材的研究，即铝一不锈钢液固相铸轧复合技术，如图卜7 所示。 图卜7 铝一不锈钢液、固相铸轧复合 铝一不锈钢液、固相铸轧复合技术是将液态铝( 铝合金) 连续浇铸在不锈钢带 上，使液态铝与半凝固状态与固态不锈钢带同时进入轧机经受加工变形，实现固态 不锈钢和半固态铝良好的界面冶金结合。为了有效的解决钢板表面氧化这一固液 相结合的难题，提高钢板表面与铝液间的浸润能力，在铝一钢固、液相复合过程中 采用了钢板表面浸涂助焊剂工艺。 4 反向凝固法 反向凝固工艺是由德国冶金工作者于2 0 世纪9 0 年代初开发的一种薄带连铸工 艺。该工艺示意图如图卜8 所示。 反向凝固制备复合带的基本原理是将一定厚度的冷轧带或热轧带作为母带，将 低温母带以一定速度由上而下穿过凝固器中一定高度的钢液，母带使附近的钢水降 温，钢液在低温母带的两个表面凝固生长，形成新生相凝固层( 简称新相层) ，形成 数倍于母带厚度的铸态薄带。因为凝固面是自内向外推进的，与传统的凝固方向相 反，故称为反向凝固。钢带离开凝固器钢液表面时，新相层和母带牢固的结合在一 起，可形成一定厚度的铸带，刚刚离开凝固器的铸带表面还处于半凝固状态时，置 于凝固器上部的平整轧辊就对此铸带进行平整初轧，从而得到表面平整、厚度均匀 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 的薄带。 图卜8 反向凝固法 国内外已进行了用反向凝固法制各不锈钢复合带实验室研究“，取得了良好的 效果。用反向凝固法制备复合不锈钢薄带有以下优点：( 1 ) 制备的不锈钢复合带界 面结合强度高；( 2 ) 可以实现连续化生产，生产成本低，竞争力强；( 3 ) 生产流程紧 凑，能耗低：( 4 ) 可以生产不锈钢复合层小于l m m 的复合板。 该方法工艺简单，产品质量高，利于环保，但是操作难度大。 5 喷射沉积复合法“” 喷射沉积过程基本原理是：在高速惰性气体( 氩气或氮气) 的作用下将熔融金属 或合金液流雾化成弥散的液态颗粒，并将其喷射到金属沉积器上，迅速形成预成形 毛坯。 图卜9 喷射沉积复合法 英国o s p r e y 金属有限公司成功的开发出喷射沉积连铸技术( n n s c c ) ，应用此技 术可以生产各种形状的连铸坯( 型、板、管) 。在喷射成型时，每个雾化液滴高速 率凝固和随后高速固态冷却以及液滴的撞击作用使之形成细的、无宏观偏析的、等 轴的沉积显微组织。目前它们正将此项技术应用于层状金属复合材料生产，并已试 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 生产出不锈钢复合钢板，如图1 9 所示。 6 电磁连铸法“ 电磁连铸法尚处于研究阶段，其制备复合钢板的原理如图卜1 0 所示。两种化 学成分不同的钢液同时分别通过不同的浸入式水口注入结晶器。由于在结晶器的下 部安装了水平磁场，作用在钢流上的洛仑兹力垂直穿过水平磁场，抑制了两种钢液 的混合，而且水平磁场成为一个分界线，依靠磁流体力的作用把结晶器熔池分为上、 下两部分。通过结晶器冷却作用，上部熔池的钢液凝固成为复合钢坯的外层，下部 熔池的钢液在外壳的里边凝固形成复合钢坯的内芯。 3