CN110252806B - 一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双金属复合板制备技术领域，具体是一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法，旨在解决采用现有轧制方法制成的双金属复合板结合强度低的技术问题。采用如下技术方案：将基板和复板从两个垂直方向上进行波平轧制，然后再进行平轧。相比于传统轧制方法，两种不同种类的双金属板之间经历了如此三次局部强不均匀变形的作用之后，可以极大限度地促进结合界面处氧化层的破裂和新鲜、活化的金属原子的挤出，使两种金属原子之间有更大的扩散概率，实现两种金属之间更大范围的冶金结合，有效提高其结合强度。

Description

一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法

技术领域

本发明涉及双金属复合板制备技术领域，具体是一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法。

背景技术

双金属复合板是将两种物理、化学、力学性能不同的金属板材通过特定的制造方法在界面处实现牢固结合而制备成的一种新型复合板。它可以集成组元金属材料高强度、高韧性、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，同时双金属复合板还能够节约贵重金属材料、降低产品成本。目前双金属复合板的制造方法有爆炸复合法、扩散复合法、热/冷轧复合法等。其中爆炸复合法和扩散复合法普遍存在界面结合率低、结合不均匀、污染环境等缺点，相比之下热/冷轧复合法具有生产效率高、尺寸精度高、性能稳定、低污染、低能耗等优点，得到了迅速的发展并且潜力巨大。但是，由于两种不同金属性能上的差异，采用现有轧制方法制成的双金属复合板仍存在结合强度低、容易翘曲、成材率低等问题。

发明内容

本发明旨在解决采用现有轧制方法制成的双金属复合板结合强度低的技术问题。为此，本发明提出一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法，包括以下步骤：

S1、制坯：选取变形抗力相对较小的金属板为基板，选取变形抗力相对较大的金属板为复板（这里的相对较小和相对较大是是将基板和复板的变形抗力进行对比得出的结论），基板与复板的厚度比值为1~10，将复板堆叠放置在基板的正上方压紧并将边缘固连（保证轧制过程中基板和复板受到非均匀的切向力时不会出现错位和跑偏），得到双金属复合板板坯；

S2、一道次波平轧制：采用冷轧方法时直接将步骤S1得到的双金属复合板板坯送入波平轧机进行轧制，采用热轧/温轧方法时将步骤S1得到的双金属复合板板坯送入加热炉加热至指定温度后再送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用波纹辊（即辊面为波纹型），下辊采用平辊，所述波纹辊的辊形曲线的波幅值大于或等于复板的厚度值，本步骤加工得到上表面和结合界面为波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅰ；

S3、旋转：将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ水平旋转90°；

S4、二道次波平轧制：采用冷轧方法时直接将步骤S3旋转后的双金属复合板Ⅰ送入波平轧机进行轧制，采用热轧/温轧方法时将步骤S3旋转后的双金属复合板Ⅰ送入加热炉加热至指定温度后再送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用波纹辊，下辊采用平辊，所述波纹辊的辊形曲线的波幅值大于或等于复板的厚度值，本步骤加工得到上表面和结合界面为交叉波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅱ；

S5、平轧：采用冷轧方法时直接将步骤S4得到的双金属复合板Ⅱ送入平辊轧机（即：上辊和下辊皆采用平辊）进行轧制，采用热轧/温轧方法时将步骤S4得到的双金属复合板Ⅱ送入加热炉加热至指定温度后再送入平辊轧机进行轧制，本步骤加工得到上、下表面为平面而结合界面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅲ；

S6、退火（即采用本领域常见的退火手段：先加热后冷却）；

S7、精整：校直后切边，制成成品。

本发明的有益效果是：

1）本发明提供一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法，从两个垂直方向上对双金属复合板进行波平轧制，然后再进行平轧。一道次波平轧制可以在双金属板之间形成单向的波纹形结合界面，二道次波平轧制可以在双金属板之间形成网状波纹形结合界面，最终的平轧能够在双金属板之间形成复杂的网状波纹结合界面。相比于传统轧制方法，两种不同种类的双金属板之间经历了如此三次局部强不均匀变形的作用之后，可以极大限度地促进结合界面处氧化层的破裂和新鲜、活化的金属原子的挤出，使两种金属原子之间有更大的扩散概率，实现两种金属之间更大范围的冶金结合，有效提高其结合强度。

2）采用传统平轧或单向波平轧制时，两种金属之间的结合界面是平面或者单向的波纹曲面，轧制得到的复合板的层间剪切强度较低或只有单方向的强度优势，而采用本发明方法轧制出的双金属复合板，其结合界面为网状波纹，自然地从结构上可以获得更高的机械互锁力，使双金属复合板层间剪切强度更高。

3）从两个相互垂直的方向上进行波平轧制，能够促进双金属复合板多个方向上的延展和复合，相比于传统轧制方法不但能够提高复合板轧后的面积结合率，还可制造出拥有更好各向综合力学性能的双金属复合板，在拓展复合板应用场合方面更具优势。

4）两道次垂直方向上的波平轧制可以迫使轧后的双金属复合板内部残余应力进行重新分布，应力应变状态的再调整对于板形翘曲严重问题能够起到调控作用。

附图说明

图1为双金属复合板板坯示意图；

图2为本发明中涉及的冷轧双金属复合板工艺流程图；

图3为本发明中涉及的温轧双金属复合板工艺流程图；

图4为双金属复合板Ⅰ的示意图；

图5为双金属复合板Ⅱ的示意图；

图6为双金属复合板Ⅲ的示意图；

图中，1-基板；2-复板；3-双金属复合板板坯；4-波纹辊；5-平辊；6-加热炉；7-双金属复合板Ⅰ；8-双金属复合板Ⅱ；9-双金属复合板Ⅲ。

具体实施方式

实施例一：

参照图1、2、4-6，一种制备Cu/Al双金属复合板的冷轧方法，包括以下步骤：

S1、制坯：选取纯Al板作为基板1，长宽高分别为50、50、3mm，选取纯Cu板作为复板2，长宽高分别为50、50、1mm，Al板的变形抗力较小，Cu板的变形抗力较大，基板1与复板2的厚度比值为3，将复板2堆叠放置在基板1的正上方，在其轧制咬入端的宽度方向上相距15mm处对称地钻两孔并通过铆钉铆接，这样可以保证双金属复合板板坯3各组元板可以同步咬入轧辊，在另一端用捆线捆束，以保证轧制过程中不会出现基板1和复板2在尾部的跑偏，得到双金属复合板板坯3。本实施例中，基板1与复板2的厚度比值为3，在其他实施例中，厚度比值可为1或 5或7或10。本实施例中，边缘的固连采用咬合端铆接，相对端捆绑的结构，其他实施例中，可铆接、粘接、捆绑或其他常用的固连手段随意组合皆可。

S2、一道次波平轧制：将步骤S1得到的双金属复合板板坯3送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用波纹辊4，下辊采用平辊5，所述波纹辊4的辊形曲线的波幅值为1mm，压下率选择35%，保证轧后面积结合率≥80%，翘曲度≤15°，本步骤加工得到上表面和结合界面为波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅰ7。这里，波纹辊4的波幅值选择为10mm，此值是与复板2的厚度相比较设定的，如本实施例中选取的10mm大于复板2的厚度5mm，当然，选取6mm或8mm等皆可，其他实施例中，只需满足波纹辊4的辊形曲线的波幅值大于或等于复板2的厚度值即可。本实施例中采用的压下率为35%，其他实施例中也可选择20%或50%或65%或80%，压下率根据不同的金属材料、不同的轧制波幅等参数而确定，通过调节轧机的滚间距来实现压下率的调节，压下率过大会导致金属板开裂，压下率过小无法在结合面形成波纹型，对于常见金属，本步骤的压下率选择范围为20-80%。轧后面积结合率和翘曲度可通过轧机各参数之间的调节实现，这是本领域人可根据计算或通过有限次试验容易做到的。

S3、旋转：将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ7水平旋转90°。

S4、二道次波平轧制：将步骤S3旋转后的双金属复合板Ⅰ7送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用波纹辊4，下辊采用平辊5，波纹辊4的辊形曲线形状和波幅皆与步骤2中相等，保证轧后面积结合率≥90%，翘曲度≤10°，本步骤加工得到上表面和结合界面为交叉波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅱ8。本实施例中，二道次波平轧制和一道次波平轧制采用的波平轧机是完全相同的，即波纹辊4的辊形曲线形状和波幅皆相等，这是一种优选方案，保证复合板两个垂直方向的强度相等，在其他实施例中，若两次轧制的波纹辊4选取不同也可。

S5、平轧：将步骤S4得到的双金属复合板Ⅱ8送入平辊轧机进行轧制，压下率选择15%，保证轧后面积结合率≥95%，翘曲度≤5°，本步骤加工得到上、下表面为平面而结合界面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅲ9。这里压下率选择为15%，其他实施例中也可采用10%或30%，对于常见金属，本步骤的压下率选择范围为10-30%。

S6、退火：将平轧后的双金属复合板放入保护气氛加热炉6进行退火处理，退火温度为300℃，时间是30min。

S7、精整：校直后切边，制成成品。

实施例二：

参照图1、3、4-6，一种制备Mg/Al双金属复合板的温轧方法，包括以下步骤：

S1、制坯：选取5052牌号铝合金作为基板1，长宽高分别为300、300、25mm，选取AZ31牌号镁合金板作为复板2，长宽高分别为300、300、5mm，5052牌号铝合金板的变形抗力较小，AZ31牌号镁合金板的变形抗力较大，基板1与复板2的厚度比值为5，将复板2堆叠放置在基板1的正上方，在其轧制咬入端的宽度方向上相距200mm处对称地钻两孔并通过铆钉铆接，这样可以保证双金属复合板板坯3各组元板可以同步咬入轧辊，在另一端用捆线捆束，以保证轧制过程中不会出现基板1和复板2在尾部的跑偏，得到双金属复合板板坯3。本实施例中，基板1与复板2的厚度比值为5，在其他实施例中，厚度比值可为1或 3或7或10。本实施例中，边缘的固连采用咬合端铆接，相对端捆绑的结构，其他实施例中，可铆接、粘接、捆绑或其他常用的固连手段或其组合皆可。

S2、一道次波平轧制：将步骤S1得到的双金属复合板板坯3放入保护气氛加热炉6中，400℃保温15min；随后送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用波纹辊4，下辊采用平辊5，所述波纹辊4的辊形曲线的波幅值为10mm，压下率选择50%，保证轧后面积结合率≥80%，翘曲度≤15°，本步骤加工得到上表面和结合界面为波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅰ7。这里，波纹辊4的波幅值选择为6mm，此值是与复板2的厚度相比较设定的，如本实施例中选取的6mm大于复板2的厚度5mm，当然，选取7mm或8mm等皆可，其他实施例中，只需满足波纹辊4的辊形曲线的波幅值大于或等于复板2的厚度值即可。本实施例中采用的压下率为50%，其他实施例中也可选择20%或35%或65%或80%。轧后面积结合率和翘曲度可通过轧机各参数之间的调节实现，这是本领域人可根据计算或通过有限次试验容易做到的。

S3、旋转：将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ7水平旋转90°。

S4、二道次波平轧制：将步骤S3旋转后的双金属复合板Ⅰ7放入保护气氛加热炉6中，400℃保温5min；随后送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用波纹辊4，下辊采用平辊5，参数选择与S3相同，保证轧后面积结合率≥90%，翘曲度≤10°，本步骤加工得到上表面和结合界面为交叉波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅱ8。本实施例中，二道次波平轧制和一道次波平轧制采用的波平轧机是完全相同的，即波纹辊4的辊形曲线形状和波幅皆相等，这是一种优选方案，保证复合板两个垂直方向的强度相等，在其他实施例中，若两次轧制的波纹辊4选取不同也可。

S5、平轧：将步骤S4得到的双金属复合板Ⅱ8放入保护气氛加热炉6中，400℃保温5min；随后送入平辊轧机进行轧制，压下率选择20%，保证轧后面积结合率≥95%，翘曲度≤5°，本步骤加工得到上、下表面为平面而结合界面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅲ9。这里压下率选择为20%，其他实施例中也可采用10%或30%。

S6、退火：将平轧后的双金属复合板放入保护气氛加热炉6进行退火处理，退火温度为300℃，时间是30min。

S7、精整：校直后切边，制成成品。

本发明中的波纹辊4的辊形曲线是正弦曲线或抛物线或三角形或其他常见波形。

下面利用现有的平辊冷轧方法和单向波平冷轧方法轧制金属复合板，作为对比例一和对比例二，如下：

对比例一，采用平辊冷轧Cu/Al双金属复合板，包括以下步骤：

S1、制坯：选取纯Al板作为基板1，长宽高分别为50、50、3mm，选取纯Cu板作为复板2，长宽高分别为50、50、1mm，基板1与复板2的厚度比值为3，将复板2堆叠放置在基板1的正上方，在其轧制咬入端的宽度方向上相距15mm处对称地钻两孔并通过铆钉铆接，在另一端用捆线捆束，以保证轧制过程中不会出现基板1和复板2在尾部的跑偏，得到双金属复合板板坯3。

S2、一道次平轧：将步骤S1得到的双金属复合板板坯3送入平辊轧机进行轧制，所述平辊轧机的上、下辊均采用平辊4，压下率选择35%，本步骤加工得到一道次平轧双金属复合板。

S3、二道次平轧：将步骤S2得到的平轧双金属复合板再次送入平辊轧机进行轧制，所述平辊轧机的上、下辊均采用平辊4，压下率选择15%，本步骤加工得到二道次平轧双金属复合板，并达到最终尺寸。

S4、退火：将平轧后的双金属复合板放入保护气氛加热炉6进行退火处理，退火温度为300℃，时间是30min。

S5、精整：校直后切边，制成成品。

对比例二，采用单向波平冷轧Cu/Al双金属复合板，包括以下步骤：

S1、制坯：选取纯Al板作为基板1，长宽高分别为50、50、3mm，选取纯Cu板作为复板2，长宽高分别为50、50、1mm，基板1与复板2的厚度比值为3，将复板2堆叠放置在基板1的正上方，在其轧制咬入端的宽度方向上相距15mm处对称地钻两孔并通过铆钉铆接，在另一端用捆线捆束，以保证轧制过程中不会出现基板1和复板2在尾部的跑偏，得到双金属复合板板坯3。

S2、一道次波平轧制：将步骤S1得到的双金属复合板板坯3送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用波纹辊4，下辊采用平辊5，所述波纹辊4的辊形曲线的波幅值为1mm，压下率选择35%，本步骤加工得到上表面和结合界面为波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅰ7。

S3、旋转：将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ7水平旋转90°。

S4、平轧：将步骤S3得到的双金属复合板Ⅰ7送入平辊轧机进行轧制，压下率选择15%，本步骤加工得到上、下表面为平面而结合界面为单向波纹面的双金属复合板。

S5、退火：将平轧后的双金属复合板放入保护气氛加热炉6进行退火处理，退火温度为300℃，时间是30min。

S6、精整：校直后切边，制成成品。

对上述对比例1和对比例2轧制成的复合板的特征和性能进行观察和测定，相关项目和参数见下表：

评价项目	实施例一	对比例一	对比例二
				板材翘曲	轻微	严重	较明显
拉剪强度（轧向）	82.39MPa	61.73MPa	73.64MPa
				拉剪强度（横向）	63.24MPa	48.91MPa	51.33MPa
剥离强度（轧向）	29.15N/mm	25.82N/mm	27.36N/mm
				剥离强度（横向）	26/74N/mm	22.39MPa	20.81N/mm
边裂现象	轻微	轻微	轻微

上表中的实验数据是在DNS200电子万能试验机上测得，并且测试采用控制变量法，除加工时采用的轧制方法不同外，其他选择参数皆相同，结果如下：相比于传统轧制方法，Cu/Al双金属复合板经历了三次局部强不均匀变形作用之后，不但板形翘曲问题得到了较大改善，而且沿轧向和横向的拉剪强度和剥离强度均有一定程度的提高，采用新轧制工艺还能够较大地减小双金属复合板内部的残余应力，并且不会引起边裂加重。采用本发明提出的新工艺轧制双金属复合板，不仅能有效提高两板的结合强度、降低板材翘曲，还能减小板材残余应力、提高生产效率和成材率。

以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制坯：选取变形抗力相对较小的金属板为基板（1），选取变形抗力相对较大的金属板为复板（2），基板（1）与复板（2）的厚度比值为1~10，将复板（2）堆叠放置在基板（1）的正上方压紧并将边缘固连，得到双金属复合板板坯（3）；

S2、一道次波平轧制：采用冷轧方法时直接将步骤S1得到的双金属复合板板坯（3）送入波平轧机进行轧制，采用热轧/温轧方法时将步骤S1得到的双金属复合板板坯（3）送入加热炉（6）加热至指定温度后再送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用波纹辊（4），下辊采用平辊（5），所述波纹辊（4）的辊形曲线的波幅值大于或等于复板（2）的厚度值，本步骤加工得到上表面和结合界面为波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅰ（7）；

S3、旋转：将步骤S2得到的双金属复合板Ⅰ（7）水平旋转90°；

S4、二道次波平轧制：采用冷轧方法时直接将步骤S3旋转后的双金属复合板Ⅰ（7）送入波平轧机进行轧制，采用热轧/温轧方法时将步骤S3旋转后的双金属复合板Ⅰ（7）送入加热炉（6）加热至指定温度后再送入波平轧机进行轧制，所述波平轧机的上辊采用波纹辊（4），下辊采用平辊（5），所述波纹辊（4）的辊形曲线的波幅值大于或等于复板（2）的厚度值，本步骤加工得到上表面和结合界面为交叉波纹面、下表面为平面的双金属复合板Ⅱ（8）；

S5、平轧：采用冷轧方法时直接将步骤S4得到的双金属复合板Ⅱ（8）送入平辊轧机进行轧制，采用热轧/温轧方法时将步骤S4得到的双金属复合板Ⅱ（8）送入加热炉（6）加热至指定温度后再送入平辊轧机进行轧制，本步骤加工得到上、下表面为平面而结合界面为交叉波纹面的双金属复合板Ⅲ（9）；

S6、退火；

S7、精整：校直后切边，制成成品。

2.根据权利要求1所述的一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法，其特征在于：在步骤S1中，边缘的固连通过铆接或金属丝捆绑或粘接手段实现。

3.根据权利要求1所述的一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法，其特征在于：所述步骤S4和S2中的波纹辊（4）的辊形曲线形状相同且波幅相等。

4.根据权利要求3所述的一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法，其特征在于：在步骤S2中，压下率选择范围为20%～80%，保证轧后面积结合率≥80%，翘曲度≤15°。

5.根据权利要求4所述的一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法，其特征在于：在步骤S4中，压下率与步骤S2的压下率相同，保证轧后面积结合率≥90%，翘曲度≤10°。

6.根据权利要求5所述的一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法，其特征在于：在步骤S5中，压下率选择范围为10%～30%，保证轧后面积结合率≥95%，翘曲度≤5°。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种提高双金属复合板结合强度的轧制方法，其特征在于：所述波纹辊（4）的辊形曲线是正弦曲线或抛物线或三角形。

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