專利名稱：一種多層金屬?gòu)?fù)合板的短流程制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬?gòu)?fù)合板的短流程制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種多層金屬?gòu)?fù)合 板的短流程制備方法，針對(duì)于壓力容器、刀具、石油化工等行業(yè)使用的金屬?gòu)?fù)合板。
背景技術(shù)：
金屬?gòu)?fù)合板是由兩種或兩種以上的不同材料(如碳鋼、不銹鋼、銅、鋁、鈦、鎳 等各種合金)，通過(guò)各種連接技術(shù)結(jié)合成一體的，兼具各層材料優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合材料， 與傳統(tǒng)的單層金屬板相比，兩層或者多層金屬?gòu)?fù)合板一方面可以節(jié)省貴重合金的用 量，另一方面也可具有良好的綜合性能。例如，將強(qiáng)度較高的金屬與韌性較好的金屬 進(jìn)行復(fù)合，可以使復(fù)合板的整體強(qiáng)度與韌性之間相統(tǒng)一，可以用于生產(chǎn)壓力容器和刀 具等；將不銹鋼或者耐腐蝕的合金與力學(xué)性能較好的低合金鋼進(jìn)行復(fù)合，可以提高復(fù) 合板的耐腐蝕性，延長(zhǎng)其使用壽命；將導(dǎo)電導(dǎo)熱能力強(qiáng)的鋁、銅等金屬與普通鋼板進(jìn) 行復(fù)合，還可以使復(fù)合板具有獨(dú)特的導(dǎo)電性能。金屬?gòu)?fù)合板己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油、 化工、海水淡化、制鹽、核工業(yè)、食品行業(yè)、水利設(shè)施建設(shè)等行業(yè)。
目前，國(guó)內(nèi)外已見報(bào)道的復(fù)合板生產(chǎn)技術(shù)較多，主要涉及的制備方法有焊接復(fù) 合、軋制復(fù)合、電鍍復(fù)合、粉末冶金法和澆鑄復(fù)合法等。但是，這些復(fù)合板生產(chǎn)方法 難以達(dá)到金屬層之間結(jié)合強(qiáng)度和復(fù)合板整體力學(xué)性能的統(tǒng)一。例如，焊接復(fù)合法包括 釬焊和爆炸悍接等，可以生產(chǎn)規(guī)格較大的復(fù)合板，但是由于存在熱影響區(qū)，而且層與 層之間容易出現(xiàn)未焊合的區(qū)域，影響了其界面強(qiáng)度。邱常義在中國(guó)井礦鹽，33 (4): 31~33， 2002，爆炸金屬?gòu)?fù)合板的生產(chǎn)及在制鹽工業(yè)中的使用中，涉及到了爆炸復(fù)合 工藝制備雙層金屬?gòu)?fù)合板，通過(guò)爆炸產(chǎn)生的瞬間高壓脈沖載荷加載于板材上，加載應(yīng) 力明顯高于金屬材料的屈服強(qiáng)度，在金屬材料結(jié)合面之間形成鋸齒狀冶金結(jié)合，界面 結(jié)合強(qiáng)度較高，但這種方法的工藝參數(shù)難以精確控制，不適合生產(chǎn)層數(shù)較多的復(fù)合管， 并且施工環(huán)境惡劣，容易造成環(huán)境污染。相比之下，熱軋復(fù)合的效率較高，但是軋制 之前要對(duì)各層金屬板進(jìn)行清理、加工，然后點(diǎn)焊成板坯，工藝流程較長(zhǎng)。澆鑄方法生 產(chǎn)的金屬?gòu)?fù)合板，各層金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度高于前兩者，但是鑄態(tài)組織的綜合力學(xué)性 能較差。另外，粉末冶金方法的工藝難度較大，電鍍復(fù)合法生產(chǎn)的復(fù)合層厚度較小， 限制了其推廣應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多層金屬?gòu)?fù)合板的短流程制備方法，克服了復(fù)合板生 產(chǎn)技術(shù)中存在的工藝復(fù)雜、結(jié)合強(qiáng)度不高等缺點(diǎn)，可以用來(lái)制備結(jié)合強(qiáng)度很高的多層 金屬?gòu)?fù)合板，其中的金屬層數(shù)可達(dá)2 5層，并且大大縮短了生產(chǎn)工藝流程。
本發(fā)明用來(lái)生產(chǎn)0.1mm 65mm厚的2 5層金屬組成的復(fù)合板，其生產(chǎn)工藝為-
1、 根據(jù)成品的內(nèi)外層成分和尺寸要求，通過(guò)計(jì)算選擇相應(yīng)的離心澆鑄復(fù)合管坯;
2、 沿縱軸方向?qū)?fù)合管坯剖分成2 10片的瓦片狀，橫截面為扇形的復(fù)合板坯 料，圓心角a為40° 120°;3、 將切割后的坯料放入加熱爐進(jìn)行加熱，加熱溫度為1050'C 128(TC之間，保溫 時(shí)間為0.5~5h;
4、 通過(guò)熱軋變形，制成各規(guī)格的復(fù)合板；對(duì)于厚度在0.1mm 3mm之間的薄板， 則繼續(xù)進(jìn)行冷軋變形。
本發(fā)明所述的離心澆鑄復(fù)合管坯為2 5層，離心管坯應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)內(nèi)外表層的切削， 切削量分別為內(nèi)層為5mm 8mm;外層為3mm 5mm。復(fù)合管坯的成分應(yīng)當(dāng)與產(chǎn)品 一一對(duì)應(yīng)，規(guī)格和各層的尺寸可以由成品復(fù)合板的各層厚度進(jìn)行估算。 一般情況下， 為了減小剖分后的坯料弧度，通常選擇的離心澆鑄管坯規(guī)格為0600mm O3000mm之 間，厚度為80mm 500mm。
對(duì)于三層金屬組成的復(fù)合板，根據(jù)成品的總厚度H (參照?qǐng)D3)以及設(shè)計(jì)的總變 形量，選擇坯料的整體規(guī)格(坯料外徑R3和內(nèi)徑Ri)。然后，可以根據(jù)下式估算復(fù)合 管坯的尺寸
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Rl、 R2、 R3為復(fù)合管坯料各層界面處對(duì)應(yīng)的半徑(具體見圖l、 2)， h卜h2、 h3 分別是成品復(fù)合板各層的厚度。
對(duì)于多層管(層數(shù)為n)的情況
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Rn為第n層金屬管坯的表面半徑，hn則是復(fù)合板第n層(由心部向外)的厚度。
本發(fā)明所述的軋制變形是指通過(guò)熱軋變形，將橫截面為扇形的坯料輾平并且軋制
成厚度為3mm 65mm的復(fù)合板；對(duì)于鐵基金屬組成的復(fù)合板，軋制溫度在1250°C~750 'C之間；
對(duì)于其它金屬(如銅、鈦等有色金屬)組成的復(fù)合板，其熱變形溫度范圍依據(jù)其
金屬熔點(diǎn)Tr確定，取0.4T廣0.7Tr之間。
所述的坯料輾平，主要是通過(guò)2 4道次可逆的熱軋變形，是將橫截面為扇形的坯 料壓平，并且縱向矯直，其壓下量應(yīng)當(dāng)較小， 一般實(shí)際的壓下量為5%~15%。對(duì)于某 些熱塑性較差的特殊金屬，可以采用鍛造的方法將其壓平，實(shí)際壓下量為5%~15%。
所述的熱軋，前一兩個(gè)道次可以加大變形量，采用40%~70%的壓下量，使鑄態(tài) 組織充分破碎，通過(guò)再結(jié)晶使組織細(xì)化。隨后的2~10個(gè)道次可以適當(dāng)減小壓下量至 30%~50%左右，反復(fù)軋制。最后2 4個(gè)道次壓下量應(yīng)當(dāng)減小，維持在5%~30%，直至板厚達(dá)到要求的尺寸。
對(duì)于中厚板和厚板，為保證板形和滿足寬度要求，在沿著縱向軋制過(guò)1 4個(gè)道次 之后，將板坯調(diào)轉(zhuǎn)90°后，沿著橫向軋制1~4個(gè)道次。最后再將板坯調(diào)轉(zhuǎn)90°，沿著 原來(lái)的縱向軋制到最終尺寸。
所述的冷軋，對(duì)于成品厚度小于3mm左右的情況，可以對(duì)熱軋之后復(fù)合板進(jìn)行 冷軋，以保證表面質(zhì)量和尺寸精度。
冷軋基本上按照普通薄板的生產(chǎn)方式進(jìn)行，只是在選擇冷軋的壓下量時(shí)，不僅要 考慮變形和板材質(zhì)量的要求，還要考慮到金屬板層之間性能差異的影響。對(duì)于兩層金 屬組成的復(fù)合板，由于兩層金屬的強(qiáng)度不同，會(huì)導(dǎo)致軋制變形后沿厚度方向存在殘余 應(yīng)力，殘余應(yīng)力到達(dá)一定臨界值時(shí)板材會(huì)發(fā)生彎曲。根據(jù)上下兩層金屬的力學(xué)性能 (CT-S)曲線，就可以確定殘余應(yīng)力臨界值所對(duì)應(yīng)的變形量s皿x，也就是每道次的最大 變形量。而對(duì)于三層金屬組成的復(fù)合板，尤其是上下兩層成分相同時(shí)，厚度方向的應(yīng) 力分布是對(duì)稱的，相應(yīng)的道次壓下量可以大些。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
操作簡(jiǎn)單、流程短；無(wú)需進(jìn)行大的設(shè)備改造，可行性大。與傳統(tǒng)的熱軋復(fù)合方法 相比，避免了軋制之前對(duì)各層金屬板的清理、表面處理以及復(fù)合板坯的焊接和預(yù)組裝， 大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程。這種方法利用了鑄造復(fù)合的優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合板各層之間先通過(guò)液相 熔合，再通過(guò)熱軋變形使之結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)一步提高。而與單純的鑄造方法生產(chǎn)的復(fù)合板 相比，這種復(fù)合板的組織更均勻細(xì)小，綜合力學(xué)性能優(yōu)良。同時(shí)，這種方法的生產(chǎn)周 期相對(duì)較短，生產(chǎn)效率較高，具有極大的應(yīng)用和推廣價(jià)值。
而且，本發(fā)明通過(guò)對(duì)鑄坯加熱過(guò)程的控制，消除了澆鑄時(shí)產(chǎn)生的熔合層附近的組 織不均勻區(qū)域(宏觀表現(xiàn)為"亮帶")；利用較大變形量的熱塑性變形，使復(fù)合板的 界面結(jié)合能力和整體的組織性能均得到很大提高(參照?qǐng)D6、 7)。


圖1為復(fù)合管坯的橫截面示意圖(以三層金屬為例)； 圖2為復(fù)合管坯的形狀示意圖(以三層金屬為例)； 圖3為復(fù)合管剖分后的坯料示意圖(以三層金屬為例)； 圖4為復(fù)合板軋制成形后成品示意圖(以三層金屬為例)； 圖5為本發(fā)明的生產(chǎn)工藝流程圖； 圖6為實(shí)施例1中的復(fù)合板橫截面組織圖； 圖7為實(shí)施例1中的復(fù)合板界面組織圖；具體實(shí)施方式
-
本發(fā)明可以用于多種金屬之間組合成的復(fù)合板的生產(chǎn)，具體實(shí)施實(shí)例如下-實(shí)施例1:
外層和內(nèi)層均為2Cr13，中間層為9Crl8MoV的三層金屬?gòu)?fù)合板，其成品中各層 金屬厚度比為hl: h2: h3=2: 1: 2， 熱軋板H=3mm，冷軋板J^0.2mm。具體生產(chǎn)步驟如下
1) 選擇離心澆鑄的復(fù)合管坯。復(fù)合管坯內(nèi)層、外層均為2Crl3，中間層為 9Crl8MoV。采用①700系列的離心鑄坯，外層半徑R3為350mm,內(nèi)徑R;為250mm。 根據(jù)式(1)可以求得，R^313.8mm， R2=294.1mm,復(fù)合管坯的厚度為100mm。根 據(jù)這些成分、尺寸要求，即可選擇相應(yīng)的管坯。
2) 將復(fù)合管坯沿其軸向剖分成三個(gè)部分，每部分的圓心角a約為120° (也可以 剖分成4部分，每部分圓心角a為卯。)。
3) 將切割后的坯料放入加熱爐進(jìn)行加熱，加熱溫度為1080±20°C，保溫時(shí)間為 2.5h。
4) 在軋機(jī)上對(duì)截面為扇形的坯料進(jìn)行多個(gè)道次的熱軋，制成要求規(guī)格的復(fù)合板， 初軋溫度為1080'C，終軋溫度為800'C，包括
① 坯料壓平。通過(guò)4個(gè)道次的縱向可逆軋制，將扇形橫截面矯平，實(shí)際的壓下量
為10%;
② 熱軋。前1個(gè)道次采用50%的壓下量，使鑄態(tài)組織充分破碎，通過(guò)再結(jié)晶使 組織細(xì)化。隨后的3道次中可以適當(dāng)減小壓下量至30%左右，直至板坯厚度為10mm 左右；
③ 最后5個(gè)道次壓下量應(yīng)當(dāng)減小，維持在20%左右，并且適當(dāng)調(diào)整輥縫，直至 板厚達(dá)到3mm;
切邊。按照寬度要求，將復(fù)合板兩側(cè)的不均勻部分切除；
5) 冷軋。將熱軋成3mm后的復(fù)合板繼續(xù)冷軋，冷軋第一道次壓下量40%，第二 道次壓下量30%，隨后逐漸減小輥縫，直至最終厚度0.2mm。
權(quán)利要求
1、一種多層金屬?gòu)?fù)合板的短流程制備方法，用來(lái)生產(chǎn)0.1mm～65mm厚的2～5層金屬組成的復(fù)合板，其工藝為(1)根據(jù)成品的內(nèi)外層成分和尺寸要求，通過(guò)計(jì)算選擇相應(yīng)的離心澆鑄復(fù)合管坯；(2)沿縱軸方向?qū)?fù)合管坯剖分成2～10片的瓦片狀，橫截面為扇形的復(fù)合板坯料，圓心角α為40～120°；(3)將切割后的坯料放入加熱爐進(jìn)行加熱，加熱溫度為1050℃～1280℃之間，保溫時(shí)間為0.5h～5h；(4)通過(guò)熱軋變形，制成各規(guī)格的復(fù)合板；對(duì)于薄板，則繼續(xù)進(jìn)行冷軋變形生產(chǎn)厚度在0.1imm～3mm之間的薄板。
2、 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的離心澆鑄復(fù)合管坯為2 5層，離 心管坯應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)內(nèi)外表層的切削，切削量分別為內(nèi)層為5mm 8mm;外層為3mm 5mm 。
3、 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的軋制變形是通過(guò)熱軋變形，將橫截 面為扇形的坯料輾平并且軋制成厚度為3mm 65mm的復(fù)合板；對(duì)于鐵基金屬組成的復(fù)合板， 軋制溫度在125(TC 750。C之間。
4、 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對(duì)于其它金屬組成的復(fù)合板，其熱變形溫 度范圍依據(jù)其金屬熔點(diǎn)Tr確定，取0.4TV 0.71V之間；所述的其它金屬為銅或鈦。
5、 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的坯料輾平是通過(guò)2 4道次可逆的 熱軋變形，將橫截面為扇形的坯料壓平，并且縱向矯直，壓下量為5% 15%。對(duì)于某些熱塑 性較差的特殊金屬，采用鍛造的方法將其壓平，實(shí)際壓下量為5%~15%。
6、 按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的熱軋，前1~2個(gè)道次為40% 70% 的壓下量，隨后的2~10個(gè)道次壓下量為30% 50%，反復(fù)軋制；最后2~4個(gè)道次壓下量維持 在5% 30%，直至板厚達(dá)到要求的尺寸。
7、 按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，對(duì)于中厚板和厚板，為保證板形和滿足寬 度要求，在沿著縱向軋制過(guò)1 4個(gè)道次之后，將板坯調(diào)轉(zhuǎn)90。后，沿著橫向軋制1 4個(gè)道 次；最后再將板坯調(diào)轉(zhuǎn)90。，沿著原來(lái)的縱向軋制到最終尺寸。
8、 按照權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述的冷軋是對(duì)于成品厚度小于3mm的 情況，對(duì)熱軋之后復(fù)合板進(jìn)行冷軋，以保證表面質(zhì)量和尺寸精度；冷軋按照普通薄板的生產(chǎn)方式進(jìn)行，根據(jù)各層金屬的力學(xué)性能CT-S曲線，確定殘余應(yīng)力臨界值所對(duì)應(yīng)的變形量Smax，就是每道次的最大變形量。
全文摘要
一種多層金屬?gòu)?fù)合板的短流程制備方法，屬于金屬?gòu)?fù)合板的短流程制備技術(shù)領(lǐng)域。其工藝為根據(jù)成品的內(nèi)外層成分和尺寸要求，通過(guò)計(jì)算選擇相應(yīng)的離心澆鑄復(fù)合管坯；沿縱軸方向?qū)?fù)合管坯剖分成2～10片的瓦片狀，橫截面為扇形的復(fù)合板坯料，圓心角α為40～120°；將切割后的坯料放入加熱爐進(jìn)行加熱，加熱溫度為1050℃～1280℃之間，保溫時(shí)間為0.5～5h；通過(guò)熱軋變形，制成各規(guī)格的復(fù)合板；對(duì)于薄板，則繼續(xù)進(jìn)行冷軋變形生產(chǎn)厚度在0.1mm～3mm之間的薄板。這種工藝的流程短，操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)的復(fù)合板各層之間結(jié)合強(qiáng)度高，而且通過(guò)加熱和變形工藝，消除了界面組織的不均勻現(xiàn)象。
文檔編號(hào)B22D13/02GK101417387SQ20081023904
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者王黎輝, 解國(guó)良, 韓大京, 韓靜濤, 鮑善勤 申請(qǐng)人:韓靜濤