波平連軋金屬復(fù)合薄板帶生產(chǎn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]在本發(fā)明屬于金屬復(fù)合板帶材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及波平連乳金屬復(fù)合薄板帶生產(chǎn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，一批高新術(shù)產(chǎn)業(yè)的誕生，對材料的使用性能提出了更高水平的要求，同時為了降低成本、節(jié)省資源、降低能耗、提高產(chǎn)品性能，國內(nèi)外學(xué)者致力于研究和開發(fā)新型的雙金屬或多金屬復(fù)合板材及乳制新工藝。金屬復(fù)合材料技術(shù)可以發(fā)揮組元材料各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)各組元材料資源的最優(yōu)配置，節(jié)約貴重金屬材料，實現(xiàn)單一金屬不能滿足的性能要求，主要應(yīng)用在防腐、壓力容器制造，電建、石化、醫(yī)藥、輕工、汽車、造船、動力、海水淡化等行業(yè)。層狀復(fù)合材料具有遠高于組成物質(zhì)的綜合力學(xué)性能，近年來，這方面的研究日益成為國內(nèi)外新材料研究的熱點之一，其中較為活躍的是金屬層壓板的研究。采用兩種或兩種以上的金屬材料，以各種不同工藝制成的復(fù)合板材，能夠滿足不同工業(yè)應(yīng)用的綜合性能要求。在這種情況下，復(fù)合材料的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用越來越顯示其重要的地位。材料的復(fù)合，尤其是異種金屬材料的復(fù)合，為多功能材料的開發(fā)提供了一個新技術(shù)途徑。
[0003]1956年美國率先提出金屬層壓復(fù)合的三步工藝，S卩:表面處理一乳制復(fù)合一多層金屬復(fù)合理論與技術(shù)、層狀金屬復(fù)合板生產(chǎn)技術(shù)與新工藝退火強化處理，這項技術(shù)使雙金屬室溫固相復(fù)合得到了迅速的發(fā)展。前蘇聯(lián)對層壓復(fù)合材料的研究始于20世紀30年代，主要采用乳制法、鑄造法、爆炸法等方法生產(chǎn)鋁、鈦、鋼等金屬與合金的復(fù)合材料，尤其在冷乳復(fù)合方面的研究比較深入。英、法、德等發(fā)達國家對復(fù)合材料的研究也有相當(dāng)?shù)乃?，其中英國伯明翰大學(xué)在20世紀五、六十年代對固相復(fù)合進行了較為系統(tǒng)的研究，取得了很多成果。目前，金屬復(fù)合材料在這些國家得到了廣泛的應(yīng)用。日本在復(fù)合材料方面的研究起步較晚，但其發(fā)展十分迅速，近年來已成為從事金屬復(fù)合研究最多的國家之一。在20世紀90年代以后，對不銹鋼與鋁的復(fù)合研究取得了很多成果，申請了多項專利，尤其在階梯式加熱復(fù)合及溫乳復(fù)合方面取得了令人矚目的研究成果。
[0004]國內(nèi)對金屬層狀復(fù)合材料的研究始于20世紀60年代初，國內(nèi)異種金屬復(fù)合板主要采用生產(chǎn)方式有包澆(固-液結(jié)合)+乳制復(fù)合法、爆炸復(fù)合法、擴散復(fù)合法、爆炸+乳制(冷乳、熱乳)復(fù)合法以及乳制復(fù)合法等，但在板形、結(jié)合質(zhì)量方面還有一定的差距。1958年重慶鋼鐵公司用熱乳法生產(chǎn)不銹鋼復(fù)合板取得成功，1965年上海金屬研究所開展冷乳固相復(fù)合技術(shù)的研究，1972年建成一條冷乳固相復(fù)合生產(chǎn)線。世界各國廣泛采用的冷乳固相復(fù)合具有產(chǎn)品精度高、性能穩(wěn)定、復(fù)合組元種類選擇不受限制等諸多特點，但也存在固相結(jié)合所需臨界變形程度大和乳制負荷高的缺點，這就是寬幅薄規(guī)格復(fù)合板乳制的一大技術(shù)難題。1986年，中國東北大學(xué)研制出梯度加熱乳制復(fù)合新技術(shù)，為寬幅薄規(guī)格復(fù)合板乳制開創(chuàng)了新路。但是一直沒有解決異種金屬力學(xué)性能差異引起的板形翹曲，殘余應(yīng)力大的問題。
[0005]包澆(固-液結(jié)合)+乳制復(fù)合法，離心澆鑄法的基本原理是將定量的液態(tài)放在旋轉(zhuǎn)的(即模具)中，使其繞單軸高速旋轉(zhuǎn)，此時放入的物料即被離心力迫使而分布在模具的近壁部位。工藝特點是離心澆鑄法生產(chǎn)的鋼板坯、化學(xué)成份偏析是其致命的缺點，所生產(chǎn)的鑄坯是環(huán)形還需切割、加熱、矯直才能熱乳，產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)工序多、耗能大、加工成本高。爆炸復(fù)合法的基本原理是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量，在微秒級時間內(nèi)使兩塊金屬板在碰撞點產(chǎn)生高達106?107/s的應(yīng)變速率和104MPa的高壓，從而實現(xiàn)異種金屬的焊接復(fù)合；爆炸復(fù)合法的工藝優(yōu)點是，可使材料性能差異極為懸殊的金屬組合實現(xiàn)復(fù)合，可以避免脆性金屬間化合物的生成，靈活性強，可實現(xiàn)各種異型件的復(fù)合，復(fù)合材料的結(jié)合強度高，適用于大多可塑性金屬或合金，但爆炸復(fù)合法界面結(jié)合強度不均勻、結(jié)合率低，易產(chǎn)生裂紋、縮孔和氣孔等缺陷，此外，該工藝還存在機械化程度低、勞動條件差、有一定的危險性，給環(huán)境帶來嚴重的污染，使得爆炸復(fù)合法面臨被逐漸淘汰的趨勢。擴散復(fù)合法由于具有長擴散時間、有限的產(chǎn)品尺寸以及較低的界面結(jié)合強度等缺點，不適用于大尺寸復(fù)合板帶的工業(yè)化生產(chǎn)。爆炸-乳制法，由于爆炸成型很難獲得完美的結(jié)合效果，為避免乳制缺陷，復(fù)合板乳制對乳輥溫度、輥型、潤滑條件、坯料轉(zhuǎn)移時間、道次加工率控制要求嚴格，控制不好會出現(xiàn)邊部開裂，中間道次復(fù)層開裂，板型超差，尺寸超差等缺陷，導(dǎo)致坯料報廢；受爆炸復(fù)合工藝和乳制變形工藝及復(fù)層材料變形特性差異的影響，復(fù)合板在整個生產(chǎn)流程中存在內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生彎曲，瓢曲或卷曲現(xiàn)象；爆炸前板坯處理，爆炸后、乳制后、以及成品處理都需要矯平工序；爆炸用的復(fù)層板坯的不平度差導(dǎo)致爆炸間隙局部超影響爆炸效果，爆炸板坯處理不平難以組坯，導(dǎo)致乳制中坯料不能均勻流動；即使成品板材矯平不能控制橫向凸度，只能反復(fù)大壓下量強力校平強矯，導(dǎo)致局部破裂，同時異種金屬的力學(xué)性能相差大，乳制得到的復(fù)合板帶飄曲嚴重，殘余應(yīng)力大。
[0006]采用乳制工藝生產(chǎn)金屬層狀復(fù)合材料，優(yōu)于爆炸焊、擴散焊等工藝，是一種十分經(jīng)濟實用的方法。目前，乳制復(fù)合法是復(fù)合板制造的發(fā)展趨勢，有較高的生產(chǎn)率、低污染、低能耗等特點。乳制復(fù)合法的基本原理是在乳制壓力的作用下，使兩層或多層金屬板同時產(chǎn)生塑性變形，表面金屬層破裂、露出潔凈而活化的金屬，從而使板面之間形成冶金結(jié)合，在后續(xù)的熱處理過程中通過熱擴散使界面結(jié)合進一步強化和穩(wěn)固；乳制復(fù)合法可分為熱乳復(fù)合、冷乳復(fù)合，其工藝一般分為三步:表面處理、乳制復(fù)合和熱處理，乳制復(fù)合法工藝的關(guān)鍵在于:清潔而有一定粗糙度的界面，足夠大的壓力以及塑性變形，合適的熱擴散；工藝特點是乳制復(fù)合可以進行連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)品尺寸精確，各組元的厚度均勻，性能穩(wěn)定，適于乳制復(fù)合的金屬非常多，而且生產(chǎn)成本低、效率高，易于實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；熱乳復(fù)合法在乳制過程中復(fù)合界面氧化很難避免，易形成脆性金屬化合物，很容易削弱復(fù)合板的界面結(jié)合強度。冷乳復(fù)合法，等輥徑等輥速冷乳復(fù)合是20世紀50年代由美國首先開始研究，提出以“表面處理+冷乳復(fù)合+擴散退火”三步法生產(chǎn)工藝；70年代異步乳制開始用于復(fù)合板的生產(chǎn)，稱異步乳制復(fù)合法，將較硬的金屬與快速輥對應(yīng)，較軟的金屬與慢速輥對應(yīng)，變形區(qū)形成搓乳區(qū)，增加結(jié)合強度；冷乳復(fù)合屬于壓力焊接，泛指金屬在再結(jié)晶溫度以下進行的焊接過程，原則上說，所有具有足夠延展性的金屬都可以通過冷乳獲得復(fù)合材，其結(jié)合機理有“能量障礙”和“表面層裂縫”兩大類；簡單說來，在正常大氣環(huán)境內(nèi)的大多數(shù)金屬表面都由幾層表面層所覆蓋，它們在兩表面互相接觸時會阻止金屬的復(fù)合；所以，欲使兩金屬乳制復(fù)合，提出了使氧化物層、搜蓋層或污染層破裂的三種機理；對于屈服強度相差較大的兩種金屬，在乳制過程中結(jié)合面附近區(qū)域?qū)霈F(xiàn)相對滑移，因此，這兩種金屬的塑性形變是不均勻，這就意味著，把兩種相對的表面層假設(shè)為如同一層一樣而共同破裂是不能成立的，按照連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析，計算出每一種金屬的表面暴露率，顯然，二者的暴露率是有差別的，而結(jié)合強度則與表面塑性形變率及壓力之間有著函數(shù)關(guān)系，生產(chǎn)低強度、高塑性、易氧化、高精度的復(fù)合板，采用冷乳法是可行的。
[0007]乳制復(fù)合法主要特點概述如下:
1)用于不形成脆性金屬間化合物的復(fù)合板乳制，能充分發(fā)揮乳機的高效率，勞動條件好，生產(chǎn)規(guī)格靈活，特別對于較薄的復(fù)合板尤其顯得優(yōu)越；受乳制技術(shù)及條件的限制，乳制件在大變形下常常處于高溫狀態(tài)，所以，組合材料因熔點差異、硬度(塑性)差異和厚度比大小的差異帶來嚴重的板形問題；為了達到冷乳的目的，采用異步乳機乳制復(fù)合板雖取得了一定成功，但在乳制板疊時，由于上、下輥壓力的不同(單驅(qū)動機)，則上下復(fù)合板組合形變不均，嚴重時會導(dǎo)致厚度超出公差；
2)乳制復(fù)合的原理基本相似于壓力加工，在未復(fù)合前，兩金屬在表面上由于力學(xué)性能不同而導(dǎo)致塑性形變率的差異，線膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致了結(jié)合區(qū)的殘余應(yīng)力等缺陷，這是不同于單金屬乳制的；由于異種金屬本身力學(xué)性能的不同，其變形能力也不同，致使變形抗力小的金屬的變形程度大于變形抗力大的金屬的變形程度，因此，變形區(qū)內(nèi)的變形不一致，使得乳制后的復(fù)合板帶材內(nèi)存在附加應(yīng)力，變形程度大的一側(cè)存在附加壓應(yīng)力，變形程度小的一側(cè)存在附加拉應(yīng)力，使乳制變形區(qū)內(nèi)，應(yīng)力分布嚴重不均勻，所生產(chǎn)的復(fù)合板必然產(chǎn)生嚴重飄曲和很大的殘余應(yīng)力，造成乳制復(fù)合板不合格，容易開裂。
[0008]公開號為CN103464505A的專利申請“高頻焊乳多層復(fù)合板生產(chǎn)機組及方法”公開了一種高頻焊乳多層復(fù)合板的方法，該方法利用高頻電流在帶材表面淺層進行在線快速加熱，帶材互相接觸使熱量達到最高，形成焊接的條件，多層帶材經(jīng)焊接后進入乳機進行一次乳制復(fù)合。高頻電流的加熱對金屬來說是點狀加熱，也就是使復(fù)合金屬的表面產(chǎn)生點狀熔融，金屬不均勻的熱變形不能有效增加復(fù)合板的結(jié)合強度，反而使復(fù)合后的板型更差，復(fù)合板帶內(nèi)部存在大量熱殘余應(yīng)力，也不能解決飄曲問題。
[0009]綜上所述，異種金屬乳制復(fù)合問題上，都存在著因異種