层状金属复合板生产技术及新工艺.doc

多层金属复合理论与技术(论文)层状金属复合板生产技术与新工艺层状金属复合板生产技术及新工艺摘 要：本文在对国内外层状金属复合板生产研究文献查阅分析的基础上，综合介绍了目前层状金属复合板生产方法的发展现状，分析了各种生产方法的优缺点。介绍了钎焊热轧法、燃烧合成轧制法、包套轧制法、PPR方法、ARB方法、PIT方法等复合新工艺基本工作原理，以及目前国内外应用各种新工艺所生产研究的新材料复合板。同时分析了金属复合板生产存在的问题，展望了金属复合板生产工艺的发展方向。关键词：层状复板；生产方法；复合新工艺随着科学技术的飞速发展，通过各种不同连接方法将不同金属材料复合为一体，制备成金属复合板，得到单层金属材料所不具有的物理、化学性能以及力学特性，满足高强度、高比刚度、抗疲劳性、尺寸稳定、耐磨、抗振等性能的要求，同时大大节省稀贵材料，降低成本，已广泛应用于化工、电力、机械、船舶、航空等领域。开发研制新型金属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。金属复合材料是由两种或两种以上金属经复合而形成的一种新型材料，由于其工艺的先进性和材料本身的技术特性，因而复合板材具有单种金属材料不可比拟的优点。(1)复合板的结构中，基、复材的比例比较大，节约了贵重金属，显示了价格上的优越性。如钛/钢、镍/钢复合板的价格仅相当于纯钛和纯镍板的1/51/10。(2)良好的综合性能。如不锈钢/碳钢复合材料在弱腐蚀行业的应用既解决了材料的耐蚀性，又解决了其设计强度。(3)解决了材料的可焊性问题。由于其优越的技术特性以及其优越的性价比，也使得复合板的应用前景非常广阔。如不锈钢复合板可广泛应用于石油化工、机械、医药卫生、环境保护等行业。钛复合板在航空工业、宇航、冶金等行业的应用将会有很大的发展空间1956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。特别是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轧复合方面取得了令人瞩目的研究成果。我国对金属层状复合材料的研究始于20世纪60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，但在板形、结合质量方面与国外同类产品有一定的差距。图1 层状复合材料结合方法分类框图1金属层状复合材料加工方法 金属层状复合材料的加上方法有很多种，生产中常用的金属层状复合材料的加工技术如图1所示1。若按金属组元的状态则可分为三大类1，即固-固相复合法，液-固相复合法和液-液相复合法。固-固相复合法包括爆炸复合法、轧制复合法、爆炸焊接+轧制复合法、扩散复合法等；液-固相复合法包括复合浇注法、反向凝固 法、钎焊法、铸轧法等；液-液相复合法有电磁连铸法等。1.1 轧制复合法轧制复合法是在轧机的强大压力作用下，使待复合的两金属表面氧化层破碎，并在整个金属截面内产生塑性变形，洁净活化的新鲜金属在压力作用下形成平面状的冶金结合2，如图2所示。根据轧制复合时是否加热可以分为热轧复合和冷轧复合。热轧复合法是将覆盖材料和基体现实装在一起，周边进行焊合，然后热轧使之复合。冷轧复合近年发晨较快，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尚不成熟，往往需要后续处理，且轧制变形大对轧机功率要求高。2131-材料1 2-材料2 3-轧辊图2 轧制复合法示意图与单金属轧制比较，该法必须施以大的道次压下量，特别是初次道次压下量必须达到一定临界值。轧制复合工艺一般包括三个步骤3：表面处理、轧制复合和扩散退火。轧制复合工艺控制的关键是初次道次压下量和扩散热处理制度的确定。初次道次压下量过低则难以实现复合，轧制变形量过大，则塑性较低的复合层容易破裂。而且变形对复合板的结合性能和后续加工性能也有重要影响。轧制后的退火促进界面元素扩散，使轧制复合时形成的点结合转变成面结合，在结合面两侧形成一定深度的互扩散层，提高界面的结合强度，但退火温度过高和时间过长时，因界面中间相的形成使界面强度降低。轧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，适于轧制复合的金属非常多，而且生产成本低、效率高，易于实现人规模工业化生产。但轧制复合往往需要进行表面处理和退火强化处理等工艺。轧件易边裂，易形成脆性金属化合物，且道次轧制变形量大，需要大功率的轧机。1.2 爆炸复合法爆炸焊接4是利用炸药爆炸所产生的能量作为能源，使覆板碰向基板，在双金属间产生瞬间高温和高压，在被焊接的金属间形成牢固结合的一种焊接方法。爆炸焊接的界面具有金属的塑性变形、熔化、扩散等特征。其工艺示意图3如图所示。爆炸焊接以前被认为是压力焊，熔化焊，扩散焊“三位一体”的焊接技术。但进一步研究表明，爆炸焊接是一种特殊的压力焊接。它符合压力焊接过程的三阶段：第一阶段是物理接触的形成阶段，双金属的原子依靠塑性变形在整个接触面上相互接近到能引起物理作用或化学作用的距离。第二阶段是接触表面化学相互作用阶段，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，各组元中的原子通过扩散增进结合强度。爆炸焊接满足压力焊接的三阶段理论，因此是一种特殊的压力焊4。1-炸药 2-复合板 3-基板图3 爆炸复合工艺示意图爆炸焊接与其他常用的金属焊接方法相比较，有其显著的优点4。该方法适用于广泛的金属组合，特别是待复合金属性质相差较大和对结合区易生成脆性中间相的金属组合时更具优势，复合件的尺寸和形状规格不受设备条件的限制，不需要成套复杂设备及特别的表面处理工艺(爆炸复合法具有自清理作用)。爆炸复合材料具有很高的结合强度和再加工性能，但也存在一些问题和缺点，比如爆炸时会产生冲击波、噪声、地震动等环境污染，爆炸场地困难，而且爆炸大多在露天进行，机械化程度低，劳动条件差，不适宜连续生产等。1.3 爆炸+轧制法爆炸焊接复合法可以生产不同金属组合的层状复合板，而且通过调整爆炸工艺参数复合板面积可以达到十几至几十平方米。但是，对于生产较薄的(6mm)和对表面质量要求较高的层状金属复合板则比较困难：轧制复合法虽然可以生产不同厚度和表面质量较高的层状复合板，但是复合板的组元成份和宽度受到轧机轧制能力限制。在综合这两种生产方法的优缺点后，采用先通过爆炸复合法制备较厚的复合板坯，再根据不同的要求，通过热轧或冷轧或热轧+冷轧的工艺轧制成所需的复合板。一般来说，制备3mm以下的层状复合板时，轧制工艺包括热轧和冷轧两个步骤。热轧主要是为了获得要求的板材厚度，总加工量较大；冷轧主要是为了获得最终精确的板材厚度尺寸和理想的表面，总加工最较小5。爆炸复合+轧制法兼有爆炸复合法和轧制复合法生产的优点，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。1.4 挤压复合法挤压复合法6主要用于生产双金属的管、棒、线材及简单断面的型材其方法是将要复合的异种金属表面清理后组装成挤压坯，然后在适当温度、挤压比下进行挤压，在压力作用下使金属紧密接触并达到复台。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。1.5 扩散焊接法扩散焊接7是把要复合的材料加热到一定温度以后再加压，靠原子扩散使其结合的方法。它又分为无助剂自扩散、无助剂异扩散焊接、有助剂扩数焊接、过渡液相扩散焊接、相变超塑性扩散焊接等。此方法可对性能和尺寸相差悬殊的材料实行焊接。其优点在于焊接接合处的显微组织与母材非常接近，不存在过热组织的热影响区，焊接质量均匀。缺点是生产率低，而且对生产设备与厂房条件有较高要求。1.6 浇铸复合法它是将种材料(固相)和另种材料(液相)在铸模内进行组合，液态金属凝固后形成复合材料8。将两块钢扳叠合，内层涂上剥离剂，四周焊合后放在盛有金属渡的铸模中，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-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铸法工艺简单，复合板强度大，成本低，可用于批量生产。其缺点是为了避免被钢水荣华复层板需要有一定厚度，因而板厚和板重受到限制。由于复合金属与基体金属熔点不同，在两者的结合部位容易生成熔损，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。1.7 喷镀复合法喷镀复合法7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科技术。喷镀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。1.8 铸轧法铸轧8是固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台起来，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，有待于进步完善。1.9 反向凝固法反向凝固工艺9是由德国冶金工作者于1989年开发的一种薄带连铸工艺，目的在于用一种比目前已有的近终形连铸技术更短的流程、生产成本更低的工艺技术制造薄带。该工艺示意图如图4所示。它是让一定厚度的母带从反向凝固器内的钢液中通过，使母带表面附近的钢水迅速降温，在母带表面凝固形成新生相，并在新生相还处于半凝固状态时进行轧制，得到表面平整、厚度均匀的热轧薄带。该方法工艺简单，产品质量高，利于环保，但是操作难度大。反向凝固技术可用来制造复合钢带。当复合层钢种和母带钢种不同时，如复合层选用不锈钢而母带为碳素钥，则反向凝固工艺可用来连续生产复合薄带。与其它复合板的生产工艺相比，反向凝固复合薄带生产工艺具有如下特点：工艺流程连续、紧凑；从理论上说，复合钢板的种类选择范围大，工艺调整简单方便；生产薄规格的复合板具有明显优势；能量利用率高；近终形连铸工艺，投资少操作成本低。1-热带刚 2-平整 3-钢液注入 4-反向凝固器 5-冷带钢图4 反向凝固法1.10 电磁连铸10借助水平电礁场生产复合钢坯的连铸工艺。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之上和之下的部位。当不采用水平磁场时，分别来自两个水口的钢流将引起结晶器内两种钢液对流混合。采用水平磁场时，作用在钢流上的制动力(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里边凝固形成复台钢坯的内芯。该生产工艺操作容易，无污染，材料复合强度高，适合于大批量生产而且可通过计算机模拟来实现工艺的最佳控制，这是其他方法所无法比拟的。它必会日益受到人们的重视。2 层状复合材料研究生产中的问题2.1 界面金属间化合物的控制研究表明，在焊接的瞬间，双金属之间可能会发生短暂的扩散，形成过渡层，一定温度和时间下会形成金属间化合物，这将会使复合板产生分层现象，使加工和使用性能变坏。在整个复合板工艺过程中，金属界面经历爆炸、中间热处理、热轧加热、热轧、淬火等多重复杂热过程，这些过程必须严加控制，为此在选择爆炸制度、冷热轧工艺、确定退火和淬火工艺和条件时，需要综合考虑避免脆性钛铝金属间化合物的产生。故金属间化合物生成的理论计算是精确控制的关键。2.2 变形机理研究性能差异较大金属由于变形抗力不同，变形过程中相互制约。牵引变形理论定性分析了变形过程中组元的相互作用，但迸一步的研究和工艺优化需要定量给出相互作用力的大小，从而指导工艺参数调整以减少加工缺陷。而目前在这方面的工作做得不多，有学者对轧制复合法过程进行数值模拟的研究，但在对双金属界面有限元的划分时往往比较模糊，未做到像单金属轧制模拟那样给生产给以指导。2.3 复合板轧制和矫平与板形控制的问题复合板轧制中，为保证金属均匀流动，热轧采用双板对称组坯轧制方法。由下爆炸成型很难获得完美的结合效果，为避免轧制缺陷，复合板轧制对轧辊温度、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，中间道次钛层开裂，板型超差，尺寸超差等缺陷，导致坯料报废。生产中的问题主要集中在热轧辊控制上。热轧辊是靠升高辊温形成凸辊控制板型和轧制宽度方向的均匀流动的。由于复合板坯很薄，热容小，温降快，工艺要求进行大加工率快速轧制。终轧厚度已经达到热轧机出料极限，生产中辊温变化很快，目前依靠浇水降温控制辊型的方法很不可靠，辊温低使得轧制温度不够，容易出现板材开裂，温度不均匀会使流动不均匀，板型变差甚至局部撕裂。受爆炸复合工艺和轧制变形工艺及钛铝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、熟轧后、以及成品处理都需要矫平工序。爆炸用钛铝板坯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热轧中坯料不能均匀流动，冷轧喂料困难导致轧制尺寸超差。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。2.4 使用性能目前，金属层状复合材料的研究偏重于其复合过程，而对复合材料的使用性能研究较少。如用作压力容器的层状复合材料须研究它的深冲性能，包括多层板的变形协调及各向异性等问题。某些复合材料在使用过程中由于外力、温度、电磁场等环境因素的作用，界面微观组织结构及力学、电学和磁学性能的变化，将影响复合材料的使用寿命，因而有必要对环境因素与材料的州二能关系进行深入研究11。2.5 再生问题层状复合材料的生产与回收是一对矛盾，生产时希望界面结合强度越高越好，而回收时又希望界面强度越低越好。因而合理设计和控制材料的界面结构，以利于回收，将是影响层状复合材料再生的关键，也是21世纪材料科学可持续发展战略指定的“谁生产，谁回收”原则的要求。3 层状复合板轧制新工艺3.1 钎焊热轧法钎焊热轧法12生产不锈钢复合板带首先进行组坯焊接，然后进行热轧复合。焊接时采用一种钎料，即所谓的助焊剂，置于基层和覆层之间。钎料的主要作用是提高两层之间的润湿性熔化界面，使两表层间达到原子间结合，从而大大提高复合材料的结合强度。热轧时可适当降低首道次压下量。连续钎焊热轧法工艺流程：基坯、复坯下料磨削加钎焊料组坯、真空处理加热轧制剪切矫直探伤取样检验剪切定尺标识入库。我国利用钎焊轧制法生产厚度30 mm以下、复合层不超过3mm的复合钢板完全达到了国家标准，关键性指标如剪切强度远远高于国家标准，保证了在设备制造过程中不会出现分层，设备运行过程安全可靠。同时这种方法具有爆炸法无法比拟的优越性，如生产周期短，可连续生产等，所以钎焊轧制法具有很大的推广价值。但对于厚度超过30mm、复合层超过3mm的复合板，钎焊轧制法生产就难以保证复合板的界面剪切强度，我国应用于不锈钢复合板、Al-Zn/Al-Mn/Al-Zn复合板等；日本、德国等还广泛应用于汽车用铝热交换器及其它工业产品。3.2 燃烧合成轧制法燃烧合成(CS)也称自蔓延高温合成(SHS)复合法是上世纪80年代发展起来的一种利用化学反应自身放热制备材料的新技术12。燃烧合成轧制法的基本原理是前期将待复金属如不锈钢熔化后平敷在准备就绪的基板上，实现金属结合，后期在一定温度气氛下进行轧制处理，从而达到高强度复合。这种方法比其它方法制造复合板的结合力强，拉伸、弯曲、腐蚀等检验的效果在理论上应提高。后期轧制在加热炉加热时，消除结合应力，互渗层和过渡层会增加。该方法燃烧合成快、温度高，能消除低熔点的合金元素，使低熔点的硫、磷气化，燃烧合成的物质纯度高。采用燃烧合成方法制造复合板，工艺简单过程快，并且是冶金结合。因此可以合成多种合金的复合层，如普通不锈钢、铝铁合金等。在配料中加人钨、钛、碳等可以同时形成耐磨的碳化钨和碳化钛。2006年俄罗斯ISMAN实验室利用SHS方法轧制复合出Al2O3ZrB2高性能耐高温板材；韩国则复合出Al/Al2O3-TiC新型材料应用于工程机械生产。3.3 包套轧制法包套轧制复合就是选用一种与待复合金属力学性能相近的金属材料做成包套，把表面处理过的待复合金属置于其中然后焊接封口，通过包套边部预留的抽气孔抽真空到一定程度后密封保持内部负压，然后把包套置于炉中加热一定时间后采取大的加工量进行轧制的一种复合工艺。包套内部待复合金属一般采取多层对称布置，对称布置不仅可以提高生产率、避免二层非对称轧制时的弯曲包辊现象，而且改善了中间较难变形金属层的延展性，使得两种金属在轧制过程中尽可能地保持同步流动变形(见图5)。包套轧制复合工艺既能避免热轧复合中的待复合表面氧化问题，又能解决冷轧复合中一些金属表面开裂的问题，是一种有效的制备金属复合板的工艺方法。从20世纪70年代世界许多国家利用此法研制新型复合材料。目前，我国利用包套轧制法生产的由TA1和LY12组成的复合板在航空航天、石油化工、冶金机械等领域具有十分广阔的发展和应用前景。图5 包套轧制复合法装配示意图3.4 PPR(powder plating and rolling)方法PPR工艺是一种低能耗、环保的复合板生产新技术12。其工作原理是将一种待复金属(金属粉末)平敷至另一经过处理后的基板的表面上，将其二者置于一特定的模具中，在设定的环境中对其进行轧制复合(见图6)。图6 PPR轧制原理图 与其它传统的复合方式相比较具有最明显优点：待覆金属在复合前不需要任何形式的机械加工处理，易形成工业化和大规模化生产。且操作简便，费用相对低廉，生产过程较环保。由于待覆金属是粉末而非以往的板带，其粉末态轧制方式使其产品具有一些自身独特的性能。影响产品质量的最主要因素轧制力与模具中粉末变形量之间的关系，也是能否实现大规模生产的关键因素。目前我国已成功地开发出铜-钢、黄铜-钢、铝-钢、钛-钢、不锈钢-钢、银-钢等复合板带材。3.5 ARB(accumulative roll bonding)与母材相当，将轧制后的试样从中间切成两块，重新叠合并轧制，重复上面的工艺过程，这个过程理论上可以无限次重复下去，这样就使材料发生了通过一般技术难以实现的大变形(见图7)。为了在轧制过程中实现很好的连接，叠合前需进行表面处理，如除脂、去氧化膜，有些材料在轧制前还需要加热。累积叠轧焊是一种有效的形变强化方法，但强度增加的同时，塑性急剧下降，寻找一种既可以保留强度，又可以在一定程度上恢复塑性的方法，对累积叠轧焊的应用是非常有益的。图7 累积叠轧焊实验过程示意图ARB方法强化机理是利用大变形的方法来细化晶粒以提高金属的力学性能和抗腐蚀能力12。目前西班牙、日本、印度、捷克等国已经利用ARB技术成功开发研制出Mg/Al/Zn合金；Al/Mn合金(AA3103)；Al-Fe-Mn-Si合金等系列板材；我国和韩国合作利用叠轧方法研制出Al/Ni复合材料。3.6 PIT(powder in tube)轧制方法PIT(powder in tube)轧制复合方法是将金属粉末填充到套管内轧制成复合带材的方法，是一种新的轧制复合工艺。一般用于复合带材的生产工艺中，也是探索复合板制造的一种新的生产工艺。图8 PIT工作原理示意图目前应用于生产的基本方法是使待复合的金属粉末化，其中加入焊接剂，然后按照一定的化学配比和数量填充在一个与之匹配的金属管中，在一定温度和保护气氛中，使一种或多种金属粉末处于熔融状态后发生化学反应并与金属管界面有效的发生焊接，从而形成复合(见图8)。目前韩国、以色列通过PIT冷轧实现了超导材料MgB2/304不锈钢和其它钢种的复合。德国和日本东京超导研究所则用PIT方法研制出MgB2/Cu、MgB2/Ni等复合超导材料。4 结语复合钢板的