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西安建筑科技大学硕士学位论文 不锈钢铝( 合金) 不锈钢复合材料轧制复合与性能研究 专业：材料加工工程 硕士生：周俊杰 指导教师：庞玉华副教授 摘要 近年来，随着我国经济的发展，对资源和能源的需求量日益增大，很多自然资 源日渐匮乏。为了节约资源和能源，减轻产品重量，提高产品性能和功能，就需要 开发复合材料来满足生产的需求。不锈钢，铝( 铝合金) 不锈钢多层复合材料就是 一个典型的例子，它结合了不锈钢的光洁表面以及铝( 铝合金) 质轻、价廉的优点， 不仅易清洗、耐腐蚀，而且能够节约稀缺的c r 、n i 元素，在航空、航天、化工、 医疗、食品等领域有广泛的应用前景。 本文采用热轧复合的方法制造不锈钢，铝( 合金) ；f 锈钢复合板，并运用金相、 电子探针等手段对其复合工艺、性能特点、组织结构等方面进行了研究。研究结果 表明：表面处理方法对不锈钢铝( 合金) 不锈钢复合板结合面的结合强度有显著 的影响，钢刷打磨处理的复合板界面复合强度最高，常规化学处理的材料复合强度 较低；复合板在5 0 0 1 2 、一道次变形率4 0 的条件下进行轧制有较好的综合性能； 退火温度对复合板的性能有显著的影响，经4 2 0 0 退火的复合板综合性能较好；在 低于5 0 0 0 的情况下，随着轧制加热温度和退火温度的提高，各组元层的元素向相 邻组元金属层扩散的深度会增加，相应复合板的结合强度也会增加；中间铝层由于 屈服强度小、变形大、流动速度快而受n j i 层不锈钢的约束作用，外层不锈钢受到 附加拉应力，中间铝层受到残余压应力；通过对影响成形性能的指标( 塑性应变比 厂，应变硬化指数 ) 进行对比试验，五层复合板的成形性能优于三层复合板的成 形性能。 关键词：层压复合材料；不锈钢；铝( 铝合金) ；轧制复合；性能研究； 西安建筑科技大学硕士学位论文 s t u d i e so nt h e r o 一f o r m i n ga n dp r o p e r t i e so fs t a i n l e s s s t e e l a l u m i n u m s t a i n l e s ss t e e ll a m i n a t e ds h e e t s p e c i a l t y ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：z h o uj u n j i e i n s t r u c t o r ：p a n gy u h u a a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h er e q u i r e m e n tf o rr e s o n r c e si n c r e a s i n g l y a u g m e n t sa n dm a n y k i n d so fn a t u r a lr e s o u r c e sa l el a c k i n g c o m p o s i t em a t e r i a l sn e e db e e x p l o i t u r e dt om e e tt h er e q u i r e m e n tf o re c o n o m i cr e s o u r c e s ，l i g h t e nw e i g h t , a n di m p r o v e t h ep r o p e r t yo fp r o d u c t i o ns u c h 勰s t a i n l e s ss t e e l a l u m i n u m ( a l u m i n u ma l l o y ) s t a i n l e s s s t e e l n l i sc o m b i n e ds m o o t hs u r f a c e 嬲w e l la sl i g h t , c h e a po fs t a i n l e s ss t e e l n o to n l y e a s yt o c l e a ra n db e i n gc o r r o d e r e s i s t a n c e ，b u ta l s oe c o n o m i cr a r et h ee l e m e n t so f c h r o m i u ma n dn i c k e l c o m p o s i t em a t e r i a l so fs t a i n l e s ss t e e l a l u m i n u m ( a l u m i n u m a l l o y ) s t a i n l e s ss t e e lw i l lb ep r o m i s i n gi nt h ef i e l d so fa v i a t i o n , s p a c e f l i g h t ，c h e m i s t r y , m e d i c a lt r e a t m e n ta n df o o di n d u s t r y i nt h i sp a p e r , s t a i n l e s ss t e e l a l u m i n u m ( a l u m i n u ma l l o y s ) s t a i n l e s ss t e e ls a n d w i c h s h e e tw a sp r o d u c e db yh o tr o l l b e n d i n g ，a n dm e a n w h i l et h eb o n d i n gp r o c e s s ，p r o p e r t i e s a n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h i sm a t e r i a lh a db e e ns t u d i e db ym e a n so fs e m o me ta 1 1 1 1 e r e s u l t sa r ei l l u s t r a t e da sf o l l o w s ：s u r f a c ep r e p a r a t i o nb e f o r er o l l i n gh a sa ni m p o r t a n t e f f e c to nt h es t r e n g t ho f b o n d i n go fl a m i n a t e ds h e e t t h eb o n ds t r e n g t ho f t h el a m i n a t e d s h e e tt r e a t e dw i t hb u r n i s h e dm e t h o dh a dt h eh i g h e s tv a l u e s ，a n dt h el a m i n a t e ds h e e t t r e a t e do n l yw i t hn o r m a lc h e m i c a lm e t h o dh a dt h el o w e s ts t r e n g t h 1 1 1 er o l l - b o n d i n g t e m p e r a t u r e sa n dt h ef i r s tr e d u c t i o nh a daf u n d a m e n t a le f f e c to nt h ep r o p e r t i e so ft h e l a m i n a t e ds h e e t s t h el a m i n a t e ds h e e t sh a do p t i m a lp r o p e r t i e sw h e nr o l l e da t5 0 0 cw i m t h ef i r s tr e d u c t i o no f4 0 t h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r eh a da l li m p o r t a n te f f e c to nt h e p r o p e r t i e so ft h ec l a d d i n gs h e e t s t h ec l a d d i n gs h e e t sa n n e a l e da t4 2 0 。ch a dt h eb e s t i n t e g r a t e dp r o p e r t i e s i n c r e a s i n gt h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ea n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ( b e l o w5 0 0 。c ) c o u l de n l a r g et h ed i f f u s i o nl e n g t ho fe l e m e n t s ，w h i c hl e a dt oi m p r o v et h e b o n ds t r e n g t ho fs a n d w i c hs h e e t ，a n dt h eh i g h e rt h et e m p e r a t u r ew a s ，t h eb e t t e rt h eb o n d 西安建筑科技大学硕士学位论文 w a s t h em i d s tl a y e r ( a l u m i n u m ) w a sr e s t r i c t e db yt h eo u t e rl a y e r ( s t a i n l e s ss t e e l ) b e c a u s eo fs m a l ly i e l ds t r e n g t h , l a r g ed e f o r m i n ga n df a s tr a t eo ff l o w t h es t a i n l e s ss t e e l l a y e rw a ss u b j e c t e da d d i t i o n a lt e n s i o ns t r e s sa n dt h ea l u m i n u ml a y e rw a ss u b j e c t e d r e s i d u a lc o m p r e s s i o ns t r e s s a c c o r d i n gt om a n yc o m p a r i s o ne x p e r i m e n t st h er e s u l t s h o w e dt h a tt h eg e n e r a lf o r m a b i l i t yo ff i v e - l a y e rl a m i n a t e ds h e e t sw a sh i g h e rt h a to f s a n d w i c hs h e e t k e yw o r d s ：l a m i n a t e dm a t e r i a l ，s t a i n l e s ss t e e l ，a l u m i n u ma n da l u m i n u ma l l o y s ， r o l l - b o n d i n g ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取待的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任。 论文作者签名：i 瓮i 复查 日期：加3 劫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影e p 、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签铡筑i 迅聊签名：磊易何吼彻纠钗、 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1文献综述 1 1 金属基复合材料发展的历史背景 二十世纪以来，随着科学技术的进步和新技术、新产业的出现，特别是二战后 高、精、尖技术的迅速崛起和发展，世界各国对工程材料的需求越来越广泛，对材 料性能也提出了越来越苛刻的要求。在这种情况下，传统的、单一的金属材料，或 受自然资源的局限，或因综合性能不足，其应用领域受到了很大的限制，已越来越 不能满足高新技术的发展要求。2 0 世纪8 0 年代以后，金属基复合材料被广泛应用 于火箭制造、兵器工业、航空航天等科技尖端领域。近些年来，随着社会经济的发 展，人们对能源和资源的消耗量日益增多，许多矿产资源日渐枯竭，广泛使用节能 环保的绿色复合材料已经成为社会生活的发展潮流，世界各国也将研究和制备新型 复合材料作为材料科学领域一个重要的发展方向i l 】。现在，金属基复合材料在石油、 机械、化工、造船、建筑、电力、电子及家用电器、日常生活用品等许多领域得到 更加广泛的应用。为节约能源和资源，减轻产品重量、提高产品的性能，产品的生 产者和消费者也急需科研工作者开发研制出种类更多、成本更低、性能更优的新型 材料来满足生产和使用的要求。所以开发研制新型金属基复合材料具有十分紧迫的 现实意义，也必将带来显著的经济效益和社会效益【2 】。 1 2 金属层状复合材料的定义和性能要求 1 2 1 金属层状复合材料的定义 金属基复合材料根据其特点可以分为三大类：纤维复合材料、颗粒复合材料、 层状复合材料。层压型复合材料是金属基复合材料中的一种，根据国际标准化组织 的定义：层状复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质层合而成的 一种多相固体材料1 3 1 。层状复合材料各组元层保持各自的相对独立性，但其性能并 不是组元材料性能的简单叠加，而是有着重要的改进。合理选择不同的组元层，可 以使该材料具有多种优异性能，以满足抗磨损、抗腐蚀、抗冲击及高导热性、导电 性等多种特殊的应用要求。 1 2 2 金属层状复合材料的性能要求 近些年来，随着科学技术的进步，特别是高精尖技术的发展，对复合材料的品 种和性能提出了更高的要求。要求复合材料性能好、寿命长、安全可靠，具有更高 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 的强度、韧性和更小的比重：有时还需要复合材料具有优良的的耐热性和耐腐蚀性， 而且价格低，能够节约稀贵金属【4 l 。要在单一的金属材料上实现以上的性能要求有 时十分困难，甚至不能实现。通过几种物理性能相异材料的相互复合，实现以上功 能并不困难。层压型复合材料作为复合材料中的一种，可以满足以下要求： ( 1 ) 性能互补：如将高硬度材料与高韧性材料层状复合后制成性能互补的复合板。 ( 2 ) 表面保护作用：用耐热、耐腐蚀、耐磨的材料作复合板的表层起到保护作用。 ( 3 ) 利用材料物理性能的差异：洳利用热膨胀系数不同的材料制作热敏元件。 ( 4 ) 经济作用：稀贵金属与廉价金属复合以节约稀贵元素或贵金属。 1 3 金属层状复合材料的特- 性和应用 1 3 1 金属层状复合材料的特性 金属层状复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学性能不同的金 属层牢固结合在一起而获得的一种新型材料。通过科学的选择材料组元，合理的设 计复层结构，可以满足不同的应用需要。通过材料设计，金属层状复合材料比较容 易实现以下性能吼 ( 1 ) 具有高比强度、比模量。 ( 2 ) 具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。 ( 3 ) 耐磨、导热性好、热膨胀小、尺寸稳定。 ( 4 ) 成本低廉，适用于批量生产。 1 3 2 金属层状复合材料的应用 层状复合材料的特点在于能够充分发挥和合理利用各种金属的特殊物理、力学 性能，大大节约稀贵金属以降低成本。通过对层板组分的合理的选择以及适当的加 工工艺，可以获得满足不同需要的层状金属复合材料。目前，层压复合材料已广泛 应用于交通、建筑、化工、核能、电力、海洋工程等多种行业。表1 1 为一些常见 金属层压型复合材料的性质及用途口l 。 铝的蕴藏量丰富，密度小，导电性和导热性优良，而且塑性好，易加工，耐腐 蚀，易焊接，经济实惠，国民经济各个方面得到了广泛的应用。不锈钢通常是指含 铬1 2 3 0 的铁基耐腐蚀合金，其耐腐蚀性、抗氧化性好，强度高，但是其价格较 为昂贵。铝和不锈钢作为两种应用广泛但是性能差异较大的金属材料，若将这两种 金属复合组成二层或多层的复合材料，就可以将两种材料的优点集中起来，使这种 新型材料的性能更为优越、用途更为广泛，而且造价更为低廉。 西安建筑科技大学硕士学位论文 表1 1 常见金属层压型复合材料的性质及用途 1 4 金属层状复合材料的研究现状 1 9 5 6 年美国率先提出金属层压复合的三步工艺，即：表面处理轧制复合一 一退火强化处理，这项技术使双金属室温固相复合得到了迅速的发展1 6 】。 前苏联对层压复合材料的研究始于2 0 世纪3 0 年代，主要采用轧制法、铸造法、 爆炸法、扩散焊法等方法生产铝、钛、钢等金属与合金的复合材料，尤其在冷轧复 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2 0 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1 7 1 。 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。特别是2 0 世纪9 0 年代以后，对不锈钢与铝的复合 研究更是取得了很多成果，而且申请了多项专利，尤其在阶梯式加热复合及温轧复 合方面取得了令人瞩目的研究成果i b l 0 1 。 当i i ，不锈钢复合板的主要生产国是日本。不锈钢复合板方面的专利技术主要 集中在日本、美国、欧洲以及俄罗斯。生产方式主要有固一液相复合法和固相复合 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 法。固一液复合法的工作环境比较恶劣，而且复合温度、各层厚度等方面的控制难 度较大。固相复合法具有生产效率高，生产成本低，无污染，节约能源，成材率高 的特点，因此，采用固相复合技术是我国现阶段层状金属复合板生产的发展趋势。 我国对金属层状复合材料的研究起始于2 0 世纪6 0 年代初，主要生产方式有爆 炸复合法、爆炸+ 轧制( 冷轧、热轧) 复合法、包浇( 固液结合) + 轧制复合法等。 其中“包浇+ 轧制法”在重钢五厂实验并成功生产过，但后来由于技术经济条件制 约而停止生产。热轧复合法在上钢三厂生产过，但产品质量水平与国外产品有一定 的差距，主要表现在界面结合较差，结合面抗剪强度较低以及复层金属厚度不均等。 现阶段我国双金属复合板的生产中，爆炸+ 轧制复合法已经比较成熟。但是爆炸复 合法工艺繁杂，生产效率低，难以实现大规模、连续化生产，而且工作环境恶劣， 噪音大，污染环境。现在用爆炸复合法生产的复合板产品价格较高，而且在板形、 结合质量方面与国外同类产品还有一定的差距【1 1 , 1 2 。 目前，在异种金属复合方面主要有上海钢研所、宝鸡有色金属研究院、东北大学、 北京科技大学、中南大学、长沙矿冶研究院等科研院所与大学从事这方面的研究工作。 北京科技大学在反向凝固法生产不锈钢复合板方面做了很多的研究工作，并取得了许 多成果。东北大学的轧制技术及连轧自动化国家重点实验室对有助复剂温轧不锈钢复 铝板进行了大量的研究工作，近几年在助复剂开发及异种金属复合机理等方面取得了 很多的研究成果。中南工业大学和广东工业大学对不锈钢铝复合板也进行了大量的 研究工作，并且在复合工艺和数值模拟方面取得了很多研究成果。 虽然近几年我国对异种金属层状复合方面进行了大量的研究工作，并且在双金属 复合机理、复合工艺及设备研究方面取得了一定的成果，但与发达国家相比仍有较大 差距。现在主要存在的问题一方面是设备比较落后，生产工艺方法尚需完善，产品质 量和产量还有待进一步提高。另一方面是研究工作比较滞后，对双金属复合机理和复 合理论的研究水平较低，尤其是对高熔点、高硬度金属与低熔点、低硬度金属的复合 机理研究更少，但这种物理特性相差悬殊的金属材料层合而成的复合材料具有广阔的 应用前景。现阶段，在不锈钢铝复合材料的研究方面，尽管许多高校和科研单位进 行了很多的研究工作，但是许多理论研究成果尚未转化为实际生产力。在不锈钢铝 复合材料的生产方面，大部分企业采用工艺成熟但效率较低的爆炸+ 轧制的方法。这 种情况在很大程度上制约了我国对该材料的生产和应用。为使我国的复合材料研究在 新世纪取得进一步发展，就需要科研部门和技术人员加强对双金属复合理论的研究， 深入探索双金属复合的结合机理，并对现有的复合工艺和技术进行研究和改进，寻求 适和中国企业生产状况的新型生产方法和工艺路线，尽快把科研成果推广到实际生产 工作中去。 西安建筑科技大学硕士学位论文 5 1 。5 金属层状复合材料的制备方法 1 5 1 典型的制备方法 ( 1 ) 轧制复合 轧制复合法是借助大的压下量轧制两层或多层金属和合金，依靠原子间金属键 的相互吸引力而使组元层结合起来的一种复合技术1 3 ，1 4 1 。根据轧制复合时是否加热 可以分为热轧复合和冷轧复合。这种方法一般包括三个步骤：表面处理、轧制复合 和扩散退火。如图1 1 所示。 材 卷取 附 图1 1 双金属轧制示意图 轧制复合可以进行成卷连续生产，各金属组元层的厚度均匀，产品尺寸精确， 性能稳定，生产效率高、成本低，易于实现大规模工业化生产。 ( 2 ) 爆炸复合 爆炸复合法投资少、成本低，不需要复杂的大型设备，只要有爆炸场地即可生 产”】。爆炸复合通过强大的爆破力作用实现不同金属原子的紧密结合，通过金属键 形成牢固的焊接界面，实现基层和复层牢固的冶金结合【1 6 1 。如图1 2 所示。 l 炸药2 一复扳3 基板 图1 2 爆炸复合工艺示意图 爆炸复合法主要适用于单张面积较大、板厚较厚的双层或多层复合板的生产， 如不锈钢钢、不锈钢铝、钛钢、钛铜等。爆炸复合仅限于制造平板，而且由于起 爆位置、间距、装药形式以及爆轰波传播方式的不同，易导致复合率的降低，难以 达到较高的复合质量【1 7 , 1 8 】。 奏 西安建筑科技大学硕士学位论文 6 ( 3 ) 爆炸+ 轧制复合 爆炸复合法生产较薄和对表面要求较高的层状金属复合板比较困难。轧制复合 法可以生产不同厚度和表面质量较高的层状复合板，但复合板的宽度受到轧机能力 的限制。在综合这两种生产方法的优缺点后，可以采用爆炸+ 轧制的方法，先用爆 炸复合制备较厚的复合板坯，再采用热轧或冷轧工艺轧制所需厚度的复合板。这种 方法兼有爆炸复合和轧制复合法生产的优点，增加了生产的灵活性。其缺点是生产 率及成材率都比较低，产品质量较差，无法实现大规模、连续化生产【1 ”。 5 2 新型制备方法 ( 1 ) 反向凝固法 反向凝固法利用冷轧或热轧带作为母带以一定的速度从凝固器内的金属液中 穿过，金属液在母带表面凝固形成新生相。母带穿出凝固器金属液时，新相层和母 带已牢固的结合在一起，形成了一定厚度的铸带。利用在凝固器上方的平整辊对铸 带进行平整初轧，从而得到表面平整、厚度均匀的薄带【弘矧，如图1 3 所示。该方 法工艺简单，产品质量高，利于环保，但是操作难度大。 图1 4 铸模法制备不锈钢复合板工艺示意图 西安建筑科技大学硕士学位论文 7 浇铸复合法工艺简单，成本低，可以实现批量生产，但是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 板材【2 8 , 2 9 1 。 ( 3 ) 电磁连铸法 电磁连铸法是借助水平电磁场生产复合钢坯的连铸工艺【3 0 - - 3 2 1 。水平磁场安装在 结晶器下部，两种化学成分不同的钢水同时分别通过长、短浸入式水口注入水平磁 场的上、下部位。水平磁场作用在钢流上的制动力( 洛仑兹力) 抑制了两种钢液的 混合。而且水平磁场成为一个分界线，依靠磁流体力作用把结晶器熔池分成上、下 两部分。通过水冷铜结晶器的冷却作用，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内部凝固成为复合钢坯的内芯，如图1 5 所示。 水 图1 5 电磁连铸法制备不锈钢复合板示意图 电磁连铸法生产工艺操作简单，无污染，材料复合强度高，适用于大批量生产， 可以通过计算机模拟来实现工艺的最佳控制。而且可以根据需求灵活调整复合板的 尺寸和厚度，可以用于大批量、连续化的复合板生产0 3 - 3 习。 ( 4 ) 液一固相铸轧复合技术 液一固相铸轧复合技术是将液态金属连续浇铸在基带上，使液态金属在半凝固 状态与固态基带同时进入轧机进行加工变形，以实现基材与复材良好的冶金结合 【3 6 l 。利用液固相铸轧复合铝不锈钢板如图1 6 所示。 复合钢带 图1 6 不锈钢铝固一液相铸轧复合 液态、半固态加工复合技术的开发研究反映了层状金属复合材料生产近终态、 西安建筑科技大学硕士学位论文 8 短流程化的特点，是当今复合技术发展的新方向。 ( 5 ) 喷射沉积复合技术 喷射沉积复合技术最早是由英国o s p r e y 金属有限公司开发，如图1 7 所示。该 技术可以生产各种形状的连铸坯，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其形成细的、无宏观偏析、等轴的沉积显微组 织”3 8 1 。该方法的优点在于其生产效率高，能实现大规模、连续化生产。 漏斗 图1 7 喷射沉积复合技术 1 6 层状复合材料的复合机理简介 双金属复合机理极为复杂。尽管长期以来人们为此做了大量的研究探索工作， 但迄今为止，许多机理仍未被人们所揭示和了解。许多学者提出了不同的结合机理， 这些理论促进了复合材料生产的发展。反过来，复合材料生产工艺的不断改进又促 使复合理论日趋完善。下面将对金属固相复合的机理进行综合评述： ( 1 ) 再结晶理论 1 9 5 3 年，j o i nm p a r k s 根据金属在变形量很大时，再结晶温度会显著下降的事 实提出了金属结合的再结晶理论1 3 9 1 。他认为，同相复合时产生金属复合的主要过程 是接触区的再结晶过程。也就是说，在两金属的共同变形过程中，由于变形热的作 用，接触区会出现局部高温而使两金属边界的晶格原子重新排列，形成同属于两种 金属的共同晶体，使得相互接触的两种金属结合在一起。这种理论非常适用于对在 热处理过程中复合材料组织变化进行解释，但是它并不适合于结合过程本身，并且 对有些低温复合现象无法解释。 ( 2 ) 金属键理论 1 9 5 4 年，m s b u r t o n 通过对金属复合的研究提出了金属键理论1 4 0 l 。他认为实现 金属结合的唯一要求是使两种金属的原子足够靠近以使原子间的引力发挥作用。任 西安建筑科技大学硕士学位论文 9 何一个固相金属体内的单个原子之间都有这种引力的作用，同种金属原子之间有这 种作用，不同种金属原子之间也有这种作用。当两种金属原子不断靠近时，它们之 间的吸引力将增加，当两原子间距达到大约正常原子间距的两倍时，引力达到最大 值，继续靠近时，吸引力将减小，并且当达到正常原子间距时，吸引力变为零。相 邻原子则以平衡间距稳定排列，同时两金属原子的外层自由电子成为共同的自由电 子而以金属键结合在一起，实现了金属间的结合。他认为，所有的复合技术都是依 靠这种复合作用完成的，这是实现金属间结合的化学基础。这一理论普遍被人们接 受，但是它不适用于解释某些低温复合领域中的问题。 ( 3 ) 能量理论 1 9 5 8 年a n 谢苗诺夫提出了金属结合的能量观点。他认为两种金属相互接触 时，即使金属原子接近到了晶格参数的数量级，如果原子还没有具备实现结合的最 低能量是不能结合的。该理论运用了原子激活的观点，认为只有获得足够能量而被 激活的原子之间接触到一定距离后才可能形成实现金属问结合的金属键【4 。但是， 该理论也有缺陷：导致金属原子能量增加的加工硬化并没有促进金属之间的结合， 反而使金属间的结合能力变差。 ( 4 ) 扩散理论 7 0 年代，h 0 卡扎柯夫提出了金属结合的扩散理论，他认为在实现金属结合的 变形过程中，由于变形热的作用使金属接触区温度升高，而使得金属原子受到激活， 在界面附近形成一个很薄的互扩散区而实现了金属之问的结合。扩散的作用是使两 金种属原子相互作用的机会增加，因而促进了两种金属之间的结合。该理论从金属 学角度对异种金属界面结合进行了解释，这是其先进的方面，但是它没有考虑到金 属接触表面的激活过程和相互扩散对整个接触区形成结合过程的限制，它不能解释 事实存在的当扩散区厚度达到一定程度时、随后扩散区厚度增加复合材料界面结合 性能降低的现象。 ( 5 ) 位错理论 该理论认为，当两种相互接触的金属产生协调一致的塑性变形时，位错迁移到 金属的接触表面使表面的氧化膜破裂，形成了高度只有一个原予间距的小台阶。这 一方面可以看成是塑性变形阻力的减小；另一方面可以认为是增加了双金属接触表 面的不平度，使接触表面产生比内部金属大得多的塑性变形。这等于说，双金属的 结合过程就是其接触区金属的塑性流动的结果。这一理论无法解释在没产生塑性变 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 0 形时双金属的复合过程，如采用铸造法进行的双金属复合h 2 3 1 。 ( 6 ) 薄膜理论 该理论认为，一种金属之间的结合取决于它们结合表面的状态，只有除掉金属 表面的氧化膜，才能在变形过程中使原子相互接近到原子吸引力能够发生作用的范 围内，进而形成结合。也就是说，金属表面的氧化膜是金属结合的主要障碍，氧化 膜越薄、越硬，在变形时就越容易破裂，异种金属越容易接触、结合，裂纹的大小 和数量直接关系到复合材料的界面结合强度。这种理论主要适合于异种金属固固相 轧制复合l 。 ( 7 ) 三阶段理论 该理论认为，任何在高温加压条件下进行的双金属复合过程都包含三个阶段： 第一阶段是双金属间物理接触的形成阶段，也就是双金属中的原子依靠塑性变形， 在整个接触面上相互接近到能够引起物理作用的距离或足以产生弱化学作用的距 离。第二阶段是化学相互作用阶段，双金属接触表面激活并形成化学键，实现双金 属间的结合。第三阶段是扩散阶段，双金属在完成物理接触实现初步结合后，各组 元金属中的原子通过结合面相互扩散，以增进结合强度，此阶段要根据扩散区及新 相的性质控制扩散过程【4 5 1 。 上述的各种复合机理都在一定程度上揭示了金属结合的规律，但是它们并不相 互排斥，而是相互补充。可以说，对于双金属固相复合机理的认识目前仍在继续。 1 7 本课题的来源、目的、意义和研究设想 铝和不锈钢是两种应用广泛但是性能差异较大的金属材料。铝的密度小，塑性好， 易加工，导电、导热性好而且耐腐蚀、易焊接、经济实惠。不锈钢通常是指含铬1 2 3 0 的铁基耐腐蚀合金，由于其良好的耐腐蚀性、抗氧化性以及高强度等性能被广泛用于 建筑、化工、石油、纺织、轻工、核能、航空航天等许多领域。将这两种金属复合于 一体，组成两层或多层的复合材料，就可以将两者的优点集中起来，使这种新型材料 的性能更为优越、用途更为广泛，造价更为低廉。 就炊具材料而言，不锈钢铝多层复合材料有其独特的优势。我国现阶段制造的 炊具基本上都是采用铝、铝合金、生铁、不锈钢等单一材料来制作。由于材料固有的 物理、化学特性的局限，由单一材料制作的炊具在内在品质和外观方面与进口的高档 炊具相比存在着很大的差距。而不锈钢铝复合板将性能上互补的两种金属材料组合 在一起，不仅可以改善了炊具外观形貌和使用性能，而且可以明显的提高炊具产品的 西安建筑科技大学硕士学位论文 档次和市场竞争力。现在不锈钢复合材料制品发展十分迅速，有取代铝或铝合金制品 的趋势。近年来，在国内外市场上出现了使用不锈钢复合材料制成的高档不锈钢炊具， 这些炊具的外观与普通不锈钢炊具无异，但重量却减轻了一半，而且导热性优良，接 近于铝合金制品，这种产品在市场上很受欢迎，价格很高。当前世界上只有美、日等 几个发达国家批量生产不锈钢复合材料及其制品。对于此类材料，在国内只有一些高 等院校、研究所进行过一些试验研究，但成果仍停留在实验室阶段。为获得成熟的生 产工艺，促进新产品的投产应用，仍需对此类产品进行深入研究。现在金属复合板的 组配层数有二层、三层、五层等，但一般来说，如果对材料后续深加工性能的要求不 是十分苛刻，三层金属组成的复合板基本上能够满足不同功能的需要。作为建筑材料 和装饰材料，将不锈钢和铝组合成新型复合材料，其重量约为不锈钢装饰板的4 0 6 0 ；若以相同厚度、相同重量的装饰材料计，复合板的装饰面积约为不锈钢装饰面 积的l 2 5 倍，这样不仅大大降低了装饰成本和工艺难度，而且更加安全合理。因 此西安市科技局将不锈钢铝多层复合板的研制作为科技攻关项目，由西安建筑科技 大学承担这项科研课题。该项目旨在利用小规模实验研究，优化工艺参数，研发出一 种具有良好深冲性能、承载能力和使用稳定性的多层不锈钢铝金属复合板，促进该 产品在医疗、食品、建筑装潢等领域的应用，满足市场的需求。 对于不锈钢与铝的复合，主要存在以下问题： ( 1 ) 铝与不锈钢复合时需要很大的轧制变形量才能获得良好的结合性能，而 增大变形量又会使复合板产生比较严重的加工硬化而影响其后续深加工性能。 ( 2 ) 铝与不锈钢的物理性能相差很大( 铝的熔点为6 6 0 ，而不锈钢的熔点为 1 5 0 0 以上) ，在c l n 后的退火工艺中，退火温度过高或保温时间过长都会产生脆 性f e - a i 金属间化合物而影响该复合板的结合强度1 , 1 6 。尤其是退火温度在5 5 0 以 上时，复合板会因为金属间化合物会大量迅速生成而使结合性能急剧下降。但是要 完全消除不锈钢层在复合过程中产生的加工硬化就必须使退火温度在1 0 5 0 以上， 如何调节这一矛盾尚需要寻找更好的解决办法。 针对以上问题，本文的主要研究内容有： ( 1 ) 采用小规模试验确定生产不锈钢铝不锈钢三层复合板的最佳工艺方法。 ( 2 ) 通过对三层复合板性能及复合机理的研究，优化生产工艺参数。 ( 3 ) 合理设计五层复合板的结构，利用三层复合扳的生产工艺试制五层复合 板。 ( 4 ) 通过技术检测手段，对比三层和五层复合板的综合力学性能和成形性能， 对该产品的后续深加工提供可靠的数据支持。 ( 5 ) 根据试验结果，定性、定量的分析工艺参数与组织性能的关系，对比三 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 2 层和五层结构各自的优缺点，为该产品的生产和应用提供指导。 1 8 本章小结 本章对金属层状复合材料发展的历史背景，金属层状复合材料特性、应用以及 研究现状、制备方法、复合机理进行了简要的介绍，并且介绍了本课题的来源、研 究目的和意义。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 实验目的 2 实验及分析 不锈钢具有良好的耐腐蚀性、高温强度、韧性和焊接性能，冷加工性能也很好， 被广泛的应用于防腐器具的生产，但其导热性较差，价格比较昂贵。铝的导热性好， 质量轻，价格低廉。不锈钢铝复合板可以兼备两者的优越性能，在装饰材料领域和 餐厨用具方面具有广阔的应用前景。在国外最早用来生产炊具的不锈钢复合材料大 都为三层结构，即以不锈钢为表层，以铝或其他金属为中间层。但现在市场上出现 的一些进口高档餐厨用具是以不锈钢为表层的五层复合板制成。这一发展趋势说明 了五层结构的复合材料比三层复合板在某些方面具有更好的性能。为了解不锈钢 铝不锈钢多层复合材料的特性，对比三层和五层结构在性能方面的优缺点，促进这 种新型材料的生产和应用，本项目在充分研究三层复合板的生产工艺、性能特点的 基础上开发研制五层结构的不锈钢复合板，探索其生产工艺过程，研究其性能特点。 因而本实验的主要目的在于： ( 1 ) 通过试验确定三层复合板的最佳工艺。 ( 2 ) 研制不锈钢，铝( 合金) ，不锈钢五层复合板。 ( 3 ) 对三层、五层复合板的变形规律、组元硬度、力学性能、金相组织进行 对比分析研究。 ( 4 ) 对三层和五层复合板的残余应力进行分析研究。 ( 5 ) 研究对比三层和五层复合板的成形性能。 ( 6 ) 探索改善复合板深加工性能的方法。 2 2 实验原料 ( 1 ) 不锈钢0 c r l 8 n i 9 ( s u s 3 0 4 ) ：常用于建筑、炊具材料，抗晶间腐蚀能力 强、强度高、冷热加工性能优良1 4 ”l 。 ( 2 ) t 业纯铝1 1 0 0 ( 旧l 5 1 ) ：具有高的塑性、耐蚀性、导电性和导热性， 焊接性能优良，易承受压力加工和拉伸、弯曲，适于制作各种深冲压制品1 4 1 1 。 ( 3 ) 防锈铝5 a 4 3 ( 旧l f 4 3 ) ：是铝、镁、锰合金，成本低，塑性高，耐蚀性、 焊接性好，易于冲压加工成形，多用于制造民用制品如铝质餐具、厨具，是一种应 用最为广泛的防锈铝i 晒5 l 】。 根据市场调查，用于厨具制作的复合板一般为2 g r a m ，因此本课题中研制的三 层和五层复合板成品厚度定为2 8 m m 。在保证成品材料强度的前提下，要尽量减少 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 4 不锈钢的厚度比例以降低成本、减轻重量。因而根据市场供货情况和实验要求，选 用不锈钢( o c r l 8 n i 9 ) 板材的厚度为0 3 m m ，纯铝1 1 0 0 选用厚度分别为4 m m 和l m m 两种规格，防锈铝5 a 4 3 选用厚度分别为4 m m 和2 m m 两种规格。以上材料的化学 成分和力学性能均复合国家标准，材料成分见表2 1 。将不锈钢板裁剪为 4 5 0 m m x l 5 0 m m ，铝板裁剪为4 0 0 m m x l 5 0 m m 的长方形待用。 表2 1实验用材料的主要成分表 材料化学成分( 质量份数) 0 4 1 7 1 9 c r ，8 l l n i ，c o 0 8 ，s i 1 0 0 ，m n 2 0 0 ，s 0 0 3 ，p o 0 3 5 ， s u $ 3 0 4 f e 余量 1 1 0 0 s i + f e ：o 9 5 ，c u 一 0 0 5 o 2 0 ，m n 一 0 0 5 ，m g 一 0 0 3 ，z n 5 0 ) 才能实现复合，这就对生产设备和生产条件提出了很高的要求。与 冷轧法相比，热轧复合对设备的要求相对较低，但是热轧复合的一个缺点是表面质 量较差。本文采用热轧的方法来实现复合板的轧制复合，本节对轧前加热工艺进行 西安建筑科技塞学硕i 学位论文 _ = j _ _ - _ _ t = ! = j _ j _ - j _ _ = = _ - _ _ e = = = ! = ，= ! ! ! = = d b = - e e _ - = = | e = = = = t j e j = = j _ - _ - _ - | | | | 目e e e = _ - = _ - 研究，以确定加热气氛、加热温度等工艺参数。 3 2 1 加热气氛对结合强度的影响 为确定加热气氛对复合的影响，本实验对以下三种加热方法进行对比研究： ( 1 ) 无保护气氛直接加热。 ( 2 ) 组料后的板坯先在压力机下平整，然后在无保护气氛条件下加热。 ( 3 ) 在n 2 保护气氛下加热。 分别通过以上三种途径对坯料进行轧前加热，在其他工艺条件相同的条件下试 制复合板，然后制作金相试样进行观察分析，并按照规范要求制作试样进行反复弯 曲试验，通过对比分析来研究加热气氛对复合板性能的影响。不同加热气氛轧制的 复合板界面组织如图3 4 所示，反复弯曲次数见表3 3 。 ( a ) 无气体保护加热轧制 ( b ) 压力平警后无气体保护加热轧制 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( c ) n 2 保护下加热轧制 图3 , 4 不同加热气氛对复合板界面组织的影响 表3 3 不同加热气氛复合板反复弯曲试验结果 从图3 , 4 ( a ) 可以看到，在无保护气氛下加热，复合板界面处形成了一层数微 米厚的黑色物质，通过对该试样的弯曲试验发现，经过2 次的弯曲就在复合界面处 出现了分层。图3 4 ( b ) 是坯料经压力平整后在无保护气氛下加热后轧制的复合板 试样。从照片上可以看到，在复合板界面处也有一层黑色物质，但黑色物质厚度明 显比图3 4 ( a ) 所示试样界面处的黑色物质薄的多，而且界面上部分位置无黑色物 质。通过反复弯曲试验检测，平均弯曲3 次后复合界面出现了分层，这说明压力平 整工艺并不能显著提高复合板的结合强度。图3 4 ( c ) 是在n 2 保护气氛下加热后 轧制的复合板界面照片，其两种材料的复合界面之间几乎没有图3 , 4c a ) 和图3 4 ( b ) 中所显示的黑色物质层。而且经过反复弯曲试验检测，其平均反复弯曲次数 达到6 次，明显高于无保护气氛环境下加热后轧制的复合板，也就是说，经n 2 保 护气氛加热所生产的复合板较其他两种工艺生产的复合板具有更高的结合强度。 分析其原因，虽然铝板和不锈钢板经过表面处理工艺去除了大部分表面杂物及 氧化层，但铝是一种化学活性很高的元素，在室温下就容易与氧发生反应形成牢固 致密的氧化膜，在加热气氛下其活性比室温时更高，更容易与氧发生反应生成氧化 膜。同样，虽然不锈钢的熔点较高，但在无保护气氛下加热仍会使其表面发生氧化 西安建筑科技大学硕士学位论文 现象。因此，无保护气氛加热后轧制的复合板其复合界面有一层数微米厚的黑色氧 化物，这些氧化物严重影响了复合板的结合强度。 对压力平整后再加热的工艺来说，料坯中的铝层在压力作用下发生了一定的塑 性变形，在复合面的局部区域与不锈钢发生相互的