复合板技术

金属复合板工艺技术的发展状况摘要:通过了解国内外金属复合板技术的现状，进而对我国金属复合板的加工原理及其工艺方法进行阐述，说明各工艺的特点，同时讲述复合板轧制和矫平与板形控制所存在的一些问题。关键词：金属复合板；加工原理；工艺方法；工艺特点DevelopmentofTechnologyaboutMetalCladPlateAbstract:Byunderstandingthecurrentsituationofdomesticandforeignaboutmetalcompositeplatetechnology,processingprinciple,theprocessmethodsandthecharacteristicsofeachprocessaboutthemetalcompositeboardinChinaarepresentedinthispaper,whilegivinganaccountaboutsomeproblemsaboutcompositeplaterolling,levelingandshapecontrol.Keywords:metalcompositeplate;workingprinciple;process;processcharacteristics一、引言随着国民经济的迅速发展以及各种新技术、新产业的出现，对具有各种不同性能的工程材料的需求越来越广泛。单一的金属材料或受自然资源的局限，或因综合性能不足，其应用领域受到极大地限制。在这种情况下，复合材料的研制、生产和应用越来越显示其重要的地位。近年来，由于新工艺、新技术的不断涌现，金属复合板材的开发和应用得到了极大的拓展，材料的应用领域不断延伸。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—多层金属复合理论与技术、层状金属复合板生产技术与新工艺退火强化处理，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。在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。二、金属复合板复合原理及其工艺(1)轧制复合法轧制复合法的基本原理：在轧制压力的作用下,使两层或多层金属板同时产生塑性变形,表面金属层破裂、露出洁净而活化的金属,从而使板面之间形成冶金结合,在后续的热处理过程中通过热扩散使界面结合进一步强化和稳固。轧制复合法可分为热轧复合、冷轧复合和异步轧制复合。其工艺一般分为三步：表面处理、轧制复合和热处理。轧制复合法工艺的关键在于：①清洁而有一定粗糙度的界面；②足够大的压力以及塑性变形；③合适的热扩散。工艺特点是：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。(2)离心浇铸法离心浇铸法的基本原理：将定量的液态放在旋转的（即模具）中，使其绕单轴高速旋转。此时放入的物料即被离心力迫使而分布在模具的近壁部位。在旋转的同时，放入的物料经过冷却后取得制品。工艺特点是：离心浇铸法生产的钢板坯、化学成份偏析是其致命的缺点，所生产的铸坯是环形还需切割、加热、校直才能热轧，产品质量差、生产工序多、耗能大、加工成本高。(3)爆炸法爆炸复合法的基本原理是利用炸药爆炸产生的能量,在微秒级时间内使两块金属板在碰撞点产生高达106～107/s的应变速率和104MPa的高压,从而实现异种金属的焊接复合。由于加载压力和界面高温持续时间极短,阻碍了各组元金属之间的化学反应,焊合区的厚度一般在几十微米内,因此适用于大部分金属对之间的焊接。爆炸复合法的工艺是：将制备好的复板放置在基板之上，然后在复板上铺设一层炸药，利用炸药爆炸时产生的瞬时超高压和超高速冲击能实现金属层间的固态冶金结合。爆炸复合法的工艺优点是:①可使材料性能差异极为悬殊的金属组合实现复合;②可以避免脆性金属间化合物的生成;③灵活性强,可实现各种异型件的复合;④复合材料的结合强度高，适用于大多可塑性金属或合金。目前已有340种金属或合金的组合被验证是可焊的,不管材料是变形或铸态，任何规划形状的平面和圆柱面的，处于什么热处理状态都可进行爆炸焊接，在某些程度讲爆炸焊接技术是金属大面积的面连接唯一的焊接方法，即使熔点差别很大的铝(660℃)和钽(2996℃)；热膨胀系数差别很大的钛和不锈钢；硬度差别很大的(HB=4~6)和钢(HB=50)都可实现焊接。爆炸复合法的工艺的缺点是机械化程度低、劳动条件差、有一定的危险性。(4)钎焊轧制法钎焊的原理：钎焊采用比基材熔点低的填充材料作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于基材熔点的温度，借钎料熔化填满基材间的间隙，并使基材和复材相互扩散，实现两种材料的冶金结合。钎焊轧制：在高温下，借助轧机强大的轧制压力使基材和复材的界面充分压合，促使中间钎料流动，并通过钎焊料的润湿性填充基材和复材表面的间隙，同时发生金属原子间的扩散，实现两种材料的冶金结合。钎焊轧制法生产工艺主要有三大环节：制坯、轧制和精整。钎焊轧制法其特点为：生产周期短，可连续生产，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。(5)粘结法粘结法是制造金属复合板的一种化学方法，其原理就是采用高强度碳纤维材料将两种金属板板在高温滚压下粘合在一起，由于是在高温下进行的粘合，碳纤维材料与金属板之间呈现分子结构相互渗透，结合牢固，抗弯曲，折弯，剪切而不开裂。金属复合板化学法是一种新型工艺，目前在国内能够享有这项专业的生产企业极少。它的工艺特点与爆发法完全不同，与热轧法有类似地方。粘结法的工艺优点：①至少三层复合，比其它复合法多出中间碳纤维层；②高温滚压，这点与热轧法类似，只是压缩比和下压率无需那么大；③适合厚度2mm以内的不锈钢复合板制作，其工艺特点限制了不能生产太厚的不锈钢复合板；④环保无污染，相对爆炸法更符合环境要求；⑤不锈钢复合板采用化学法生产，成本较低，相对热轧法的投资成本及生产成本较低，并且相对爆炸法生产效率高很多；⑥采用化学法制作的不锈钢复合板一般多应用与装饰，金属幕墙，电梯等行业。粘结法的工艺缺点为：愈高温粘结法粘结剂失效，不易批量生产。三、金复合板轧制和矫平与板形控制的问题在我国，至今主要是采用爆炸成型来制作。由于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，中间道次复层开裂，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性。由于复合板坯很薄，热容小，温降快，工艺要求进行大加工功率快速轧制。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复层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、轧制后、以及成品处理都需要矫平工序。爆炸用的复层板坯的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。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。结语通过了解国内外金属复合板技术现状，对我国金属复合板的加工原理、工艺方法、各工艺特点以及金属复合板轧制和矫平在板形控制方面所存在问题的阐述，可使读者对金属复合板技术进一步地了解，同时也能对金属复合板的研究者提供一些参考价值。参考文献[1]李龙，张心金，刘会云.不锈钢复合板的生产技术及工业应用[J].轧钢，2013,30（3）：43-47.[2]洪亮，陈刚，黄立新.一种不锈钢复合板及其制造方法：中国201310213211.9[P].2013-08-28.[3]井玉安，王晨宇.不锈钢复合板生产技术综述[J].鞍山科技大学学报，2007,12（6）：590-594.[4]魏立群，刘谋渊.金属压力加工的复合板轧制[M].北京：冶金工业出版社，2011.56-70.[5]Longli,FuxingYin,KotobuNagai.ProgressofLaminatedMaterialsandCladSteelsProduction[J].MaterialsScienceForum,2011,675-677.