CN112090961A - 一种层状钛铝钢复合带卷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层状钛铝钢复合带卷材料及其制备方法，包括：以铝带卷作为基材，在所述铝带卷的上表面复合有纯钛带卷，在所述铝带卷的下表面复合有不锈钢带卷；所述铝带卷、纯钛带卷和不锈钢带卷的厚度之比为8∶(1.5～3)∶(2～3)。其生产工艺流程：开卷、表面处理、加热、轧制、卷取、退火、成品卷材，以上工艺流程中的生产工序除退火外都是连续产线式生产。本发明制备的复合卷材具有耐腐蚀、耐磨、无毒、抗菌、导磁、导热性好的特点；且大大提高了复合带卷材料的层间结合力。
Description
技术领域
本发明涉及钛复合材料技术领域，具体涉及一种层状钛铝钢复合带卷材料及其制备方法。
背景技术
金属层状复合板是由两种或者多种性能不同的金属板，通过特殊复合的加工方法制备而成的，金属层状复合板结合了两种或者多种金属组元各自的优点，可以获得任何单一金属所不具备的综合性能。目前，在实际工业生产中常见的金属复合板有：不锈钢复合板、镍/钢复合板、铜/钢复合板、钛/铝复合板和钛/钢复合板等。
钛及钛合金因具有比强度高、密度低、良好的韧性及耐腐蚀性等突出优点，广泛应用于航空航天、石油化工、海洋等领域，但其成本较高，因此如何降低钛合金类层状材料的成本是钛合金类层状材料能否广泛应用的关键。目前应用较多的为钛-钢复合带卷和钛-铝复合带卷，其主要采用爆炸复合、爆炸-轧制复合、热轧复合等方法进行异种层状金属材料的生产复合，工业化生产厚度在4.0mm以上，工艺复杂，无法连续生产，生产效率低，产品质量受环境和其他工艺条件影响大，产品质量不稳定；且对环境造成噪音、震动、烟尘污染等影响。
近年来随着钛基复合带卷在高端厨具、家居装饰、建筑、高端化工等民用行业的广泛应用，复合带材的厚度要求越来越薄，其低成本化成为发展趋势，同时，如何解决复合带材的层间剥离问题，保证产品质量稳定性也是复合层状材料领域亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种层状钛铝钢复合带卷材料及其制备方法，通过材料和工艺设计制备出了钛铝钢复合带卷，其厚度可达到1.4mm，且充分利用了钛、铝、不锈钢各自特点，得到的复合卷材具有耐腐蚀、耐磨、无毒、抗菌、导磁、导热性好的特点；且大大提高了复合带卷材料的层间结合力。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
(一)一种层状钛铝钢复合带卷材料，包括：以铝带卷作为基材，在所述铝带卷的上表面复合有纯钛带卷，在所述铝带卷的下表面复合有不锈钢带卷；所述铝带卷、纯钛带卷和不锈钢带卷的厚度之比为8∶(1.5～3)∶(2～3)。
本发明技术方案的特点和进一步的改进在于：
进一步地，所述层状钛铝钢复合带卷材料的厚度为1.4～4.0mm，其中，所述铝带卷的厚度为0.8～2.2mm，纯钛带卷的厚度为0.3～0.9mm，不锈钢带卷的厚度为0.3～0.9mm。
进一步地，所述铝带卷、纯钛带卷和不锈钢带卷的宽度相等。
进一步地，所述纯钛带卷的材料牌号为TA1或TA2，所述铝带卷的材料牌号为1050、1060、3003或3005，所述不锈钢带卷的材料牌号为430、445、304、310或316。
(二)一种层状钛铝钢复合带卷材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料分别装入对应的开卷设备上，使铝带卷原料位于中间位置，纯钛带卷原料和不锈钢带卷原料分别位于铝带卷原料的上下两侧；
步骤2，对纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料同时进行开卷，三个带卷原料以相同的传输速率同时进入流水处理设备进行复合轧制处理，得到复合带卷初品，对复合带卷初品进行退火处理，得到复合带卷成品，即层状钛铝钢复合带卷材料。
本发明技术方案的特点和进一步的改进在于：
进一步地，所述传输速率为1～10m/min。
进一步地，所述复合轧制处理为：将纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料同时依次进行表面处理、加热和轧制，得复合轧制产品；并将所述复合轧制产品进行卷取，得到复合带卷初品。
更进一步地，所述表面处理为采用打磨机进行打磨处理，所述打磨机的磨头转速为100～1500r/min，压力为0.1～75MPa。
更进一步地，所述加热的工艺参数为：上层的纯钛带卷原料和下层的不锈钢带卷原料的加热温度分别为100～300℃；中间层的铝带卷原料的加热温度为200～450℃。
更进一步地，所述轧制的变形量为15％～40％，轧制速度为1～10m/min，轧制压力为5～17MN。
更进一步地，所述卷取的张力为10～40KN。
更进一步地，所述退火处理为真空退火，退火温度为400℃～520℃，退火时间为1～4h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明制备的复合带卷材料具有钛的耐腐蚀性、耐磨和良好的生物亲和性、健康属性，同时通过铝中间层来达到良好的导热性和均热性能，再通过外层的不锈钢达到外表面美观、耐腐蚀、且导磁性好，能够适用于电磁加热的环境，同时，铝和不锈钢的加入大大降低了产品的生产成本；因此，本发明的复合带卷材料在高端厨具领域具有广阔的应用前景和市场需求。
(2)本发明的制备工艺能够制备出厚度达到1.4mm的钛铝钢复合带卷，节省原材料的同时，实现了厨具的轻量化。
(3)本发明的制备工艺为流水线式处理，大大提高了产品质量的稳定性，避免传统制备工艺中环境改变带来的产品性能波动，产品一次成型，生产周期短，进一步降低成本。
(4)本发明通过材料和制备工艺的设计，制备的钛铝钢三层复合带卷材料的层间结合力强，复合性能优良。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明实施例的制备工艺流程示意图；
图2为本发明实施例的剥离力测试中的试样示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
实施例1
参考图1，本发明的一种层状钛铝钢复合带卷材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料分别装入对应的开卷设备上，使铝带卷原料位于中间位置，纯钛带卷原料和不锈钢带卷原料分别位于铝带卷原料的上下两侧；原料的规格分别为：纯钛带卷原料：牌号TA1，厚度0.5mm。不锈钢带卷原料，牌号sus430，厚度0.6mm。铝带卷原料：牌号1060，厚度2.3mm。
步骤2，对纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料同时进行开卷，铝带卷原料的开卷张力为30KN，纯钛带卷原料和不锈钢带卷原料的开卷张力为45KN，三个带卷原料以相同的传输速率5m/min同时进入流水处理设备进行复合轧制处理，将纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料同时依次进行表面处理、加热和轧制，得复合轧制产品；并将所述复合轧制产品进行卷取，得到复合带卷初品。其中，表面处理为采用打磨机进行打磨处理，打磨机的磨头转速为600r/min，压力为0.3-0.7MPa；加热的工艺参数为：上层的纯钛带卷原料和下层的不锈钢带卷原料的加热温度分别为180℃；中间层的铝带卷原料的加热温度为280℃；轧制速度为5m/min，轧制压力为14MN；卷取的张力为25KN。对复合带卷初品进行退火处理，退火处理的温度为480℃，退火时间为2h，得到复合带卷成品，即层状钛铝钢复合带卷材料，其厚度为2.3mm，其中，铝层1.5mm，钛层0.35mm，不锈钢层0.45mm。
实施例2
参考图1，一种层状钛铝钢复合带卷材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料分别装入对应的开卷设备上，使铝带卷原料位于中间位置，纯钛带卷原料和不锈钢带卷原料分别位于铝带卷原料的上下两侧；原料的规格分别为：纯钛带卷原料：牌号TA2，厚度0.3mm。不锈钢带卷原料，牌号sus310，厚度0.4mm。铝带卷原料：牌号3003，厚度1.8mm。
步骤2，对纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料同时进行开卷，铝带卷原料的开卷张力为25KN，纯钛带卷原料和不锈钢带卷原料的开卷张力为40KN，三个带卷原料以相同的传输速率8m/min同时进入流水处理设备进行复合轧制处理，将纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料同时依次进行表面处理、加热和轧制，得复合轧制产品；并将所述复合轧制产品进行卷取，得到复合带卷初品。其中，表面处理为采用打磨机进行打磨处理，打磨机的磨头转速为800r/min，压力为0.3-0.6MPa；加热的工艺参数为：上层的纯钛带卷原料和下层的不锈钢带卷原料的加热温度分别为200℃；中间层的铝带卷原料的加热温度为280℃；轧制速度为3m/min，轧制压力为17MN；卷取的张力为20KN。对复合带卷初品进行退火处理，退火处理的温度为420℃，退火时间为3h，得到复合带卷成品，即层状钛铝钢复合带卷材料，其厚度为1.4mm，其中，铝层0.85mm，钛层0.25mm，不锈钢层0.3mm。
实施例3
参考图1，一种层状钛铝钢复合带卷材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料分别装入对应的开卷设备上，使铝带卷原料位于中间位置，纯钛带卷原料和不锈钢带卷原料分别位于铝带卷原料的上下两侧；原料的规格分别为：纯钛带卷原料：牌号TA1，厚度0.6mm。不锈钢带卷原料，牌号sus430，厚度0.8mm。铝带卷原料：牌号1060，厚度2.6mm。
步骤2，对纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料同时进行开卷，铝带卷原料的开卷张力为35KN，纯钛带卷原料和不锈钢带卷原料的开卷张力为50KN，三个带卷原料以相同的传输速率5m/min同时进入流水处理设备进行复合轧制处理，将纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料同时依次进行表面处理、加热和轧制，得复合轧制产品；并将所述复合轧制产品进行卷取，得到复合带卷初品。其中，表面处理为采用打磨机进行打磨处理，打磨机的磨头转速为700r/min，压力为0.5-0.8MPa；加热的工艺参数为：上层的纯钛带卷原料和下层的不锈钢带卷原料的加热温度分别为220℃；中间层的铝带卷原料的加热温度为300℃；轧制速度为5m/min，轧制压力为17MN；卷取的张力为30KN。对复合带卷初品进行退火处理，退火处理的温度为500℃，退火时间为2h，得到复合带卷成品，即层状钛铝钢复合带卷材料，其厚度为2.8mm，其中，铝层1.8mm，钛层0.4mm，不锈钢层0.6mm。
采用本发明各实施例制备的产品和市售的钛铝钢复合带卷材料分别进行拉伸性能、剥离性能和杯突性能的测试，结果如表2所示。其中，市售样品为河北邯郸某厂生产的钛铝钢复合带卷材料，其中样品1的规格为2.8mm*1000mm，样品2的规格为2.3mm*1000mm的复合带卷材料。本发明的产品规格为：厚度：1.4～4.0mm，宽度：500～1200mm，长度：单卷长度≤2000m，单卷重量：≤10000kg。
本发明中的试样拉伸性能测试按照GB/T228.1-2010进行。
本发明中试样的杯突性能测试按照GB/T4156-2007进行。
本发明试样的剥离力测试按照以下过程进行：
剥离力测试原理为：用拉力以恒定的速率使复合板材中的复材和基材分离。采用拉伸试验装置对各实施例所得样品进行剥离力测试，具体过程为：
试样的制备：试样的长宽采用机加工完成，两层金属材料的分离(钛铝、不锈钢铝)采用线切割完成；制备的试样如图2所示，试样尺寸如表1所示。表1中，L0为试样的总长度，h0为试样总厚度，h1为复材厚度，a0为试样宽度，S0为平行长度的原始横截面积，L1为试样线切割的长度。
表1试样尺寸
| L0/mm | h0/mm | h1/mm | a0/mm | S0/mm | L1/mm |
| 16.0-16.5 | 1.0-3.0 | 0.3-0.5 | 20 | / | 40 |
剥离测试：一般在10℃-35℃的室温范围内进行。把试样薄边夹入上夹头，厚边夹入下夹头，试样夹头的分离速率为(100±5)mm/min；剥离试验中，自动记录力与试验机夹头移动距离的关系曲线(力与剥离长度的关系曲线)，不计最初剥开的25mm的长度，至少要剥开115mm(双向位移230mm)的长度。从自动记录曲线中，在有效剥离长度至少为115mm(除去首先剥开的25mm和末端的20mm)的范围内，计算试样单位宽度的平均剥离力，用N/mm表示。
表2本发明各实施例和市售产品的性能测试结果
从表2结果可以看出，本发明方法制备的产品与市售样品相比，产品的拉伸性能、剥离值和杯突性能都有了一定的改善，特别是产品的剥离值有了显著的提高，说明本发明产品的层间结合力较强，解决了现有的多层复合带卷材的层间剥离问题，且能够制备总厚度为1.4mm的多层复合带卷，满足了市场需求。
本发明各实施例中，参考图1，1#开卷使用铝带卷，张力5-60KN；2#开卷使用钛带卷，张力10-90KN；3#开卷使用不锈钢带卷，张力10-90KN，使原材料在整个产线生产过程中不易跑偏。表面处理：利用表面处理设备分别对钛带下表面、铝带上下表面、不锈钢上表面用连续在线打磨机进行打磨处理，使各复合界面露出新鲜金属，粗糙度Ra＝0.5～4.0；加热：对钛带、不锈钢带进行100-300℃加热、铝带200-450℃加热，降低金属变形抗力，更易复合。复合轧制：按照15％-40％的总变形量，1-10m/min的轧制速度，5-17MN的轧制力进行复合轧制，从而使三种金属达到初步复合，得到半成品卷材。以10-40KN的张力进行卷取，张力过小使半成品卷材易松层，张力过大易造成金属之间的摩擦，从而产生擦划伤，影响成品表面质量。最后，对轧制出的半成品进行成品真空退火，使复合强度得到大幅度的提高，消除应力，减小加工硬化，从而获得成品钛铝钢复合带卷。
本发明制备工艺中，在轧制之前的表面处理、加热等处理过程三个带卷材料是同时且分开进行的，即各处理设备内分为三个封闭处理模块分别进行。本发明将多个带卷分别进行轧制前处理的同时，又能使多个带卷同步进行流水线式处理，大大加快了生产效率。
本发明生产的产品的钛面耐腐蚀、抗菌、无重金属、良好的生物亲和性、耐磨性，可使本产品应用于高端厨具、医疗、化工等行业；中间铝层导热快、密度小，可使本产品导热均匀，重量轻；不锈钢面光洁、具有金属质感、导磁性好，可使外观好看，可使用电磁加热。而三种原材料的结合使该产品同时具有三种原材料的优异性能，且大幅降低成本。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种层状钛铝钢复合带卷材料，其特征在于，包括：以铝带卷作为基材，在所述铝带卷的上表面复合有纯钛带卷，在所述铝带卷的下表面复合有不锈钢带卷；所述铝带卷、纯钛带卷和不锈钢带卷的厚度之比为8∶(1.5～3)∶(2～3)。
2.根据权利要求1所述的一种层状钛铝钢复合带卷材料，其特征在于，所述层状钛铝钢复合带卷材料的厚度为1.4～4.0mm，其中，所述铝带卷的厚度为0.8～2.2mm，纯钛带卷的厚度为0.3～0.9mm，不锈钢带卷的厚度为0.3～0.9mm。
3.根据权利要求1所述的一种层状钛铝钢复合带卷材料，其特征在于，所述纯钛带卷的材料牌号为TA1或TA2，所述铝带卷的材料牌号为1050、1060、3003或3005，所述不锈钢带卷的材料牌号为430、445、304、310或316。
4.一种层状钛铝钢复合带卷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料分别装入对应的开卷设备上，使铝带卷原料位于中间位置，纯钛带卷原料和不锈钢带卷原料分别位于铝带卷原料的上下两侧；
步骤2，对纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料同时进行开卷，三个带卷原料以相同的传输速率同时进入流水处理设备进行复合轧制处理，得到复合带卷初品，对复合带卷初品进行退火处理，得到复合带卷成品，即层状钛铝钢复合带卷材料。
5.根据权利要求4所述的一种层状钛铝钢复合带卷材料的制备方法，其特征在于，所述传输速率为1～10m/min。
6.根据权利要求4所述的一种层状钛铝钢复合带卷材料的制备方法，其特征在于，所述复合轧制处理为：将纯钛带卷原料、铝带卷原料和不锈钢带卷原料同时依次进行表面处理、加热和轧制，得复合轧制产品；并将所述复合轧制产品进行卷取，得到复合带卷初品。
7.根据权利要求6所述的一种层状钛铝钢复合带卷材料的制备方法，其特征在于，所述表面处理为采用打磨机进行打磨处理，所述打磨机的磨头转速为100～1500r/min，压力为0.1～75MPa。
8.根据权利要求6所述的一种层状钛铝钢复合带卷材料的制备方法，其特征在于，所述加热的工艺参数为：上层的纯钛带卷原料和下层的不锈钢带卷原料的加热温度分别为100～300℃；中间层的铝带卷原料的加热温度为200～450℃。
9.根据权利要求6所述的一种层状钛铝钢复合带卷材料的制备方法，其特征在于，所述轧制的变形量为15％～40％，轧制速度为1～10m/min，轧制压力为5～17MN。
10.根据权利要求4所述的一种层状钛铝钢复合带卷材料的制备方法，其特征在于，所述退火处理为真空退火，退火温度为400℃～520℃，退火时间为1～4h。
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