4A60铝/08AL钢层状复合带材冷轧复合工艺及性能的研究

摘要

4A60铝/08AL钢层状复合带材兼备了低碳钢相对较高的强度和塑性，以及4A60铝合金良好的散热性、钎焊性的优点，在工业及家电等领域有着广泛的应用前景。本文以4A60铝合金、08AL低碳钢为研究材料，使用“表面处理—轧制复合—扩散退火”三步法进行双金属层状冷轧复合。通过拉剪强度测试机拉伸强度测试，借助激光共聚焦31D形貌显微镜、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)等多种实验设备，研究了表面处理、轧制变形量及退火工艺对复合带材界面结合强度的影响、变形分配及加工硬化的程度，同时在此基础上探讨了冷轧复合的界面结合机理。本文主要的研究方法和结论如下:
　　1)研究待复合组元层金属表面预处理工艺及表面微观形貌与复合板结合强度、组织和性能的关系，以优化金属表面预处理工艺并获得有利于轧制复合的组元层金属表面微观形貌。本文研究了不同预处理工艺参数（表面粗擦度、表面微观纹路、打磨次数及速度）条件对组元层金属的表面特征及复合板结合强度的影响。研究发现:在待复合组元层金属表面制备凹凸不平的微观结构有利于组元层金属形成机械咬合而有助于随后的轧制复合，且表面粗糙度在Sa在1.65um-3.35um范围内，复合板的结合强度随着粗糙度的增大而增大;在待复合组元层金属表面打磨2～3次、打磨速度6～9mm/s、形成平行于轧制方向的纹理最有利于界面结合。
　　2)研究层状金属冷轧复合的变形规律，包括道次压下量与复合板结合强度的关系、冷轧复合过程中的各组元层金属的形变分配。通过计算机数值模拟得出4A60铝/08Al钢复合带材的初始复合压下量和最小稳定复合压下量分别为15％、50％，并通过实验验证数值模拟结果的正确性。通过研究铝-钢的形变分配发现冷轧复合过程中，铝-钢的变形量不一致，并且随着压下量的增大，各组元的变形量也增大，但铝层跟钢层变形量的差值减小最后保持稳定，使得铝-钢产生协同变形。
　　3)研究了层状金属冷轧复合过程中的组织和性能的变化，并通过金属的显微硬度、晶粒尺寸及力学性能的变化来进行表征。实验结果表明，当轧制复合压下量在25％～60％范围内，随着压下量的增大，复合材料的结合强度和钢表面的粗糙度都逐渐增大，当压下量达到60％时，钢表面的粗糙度Sa达到4um，界面剪切强度达到了56Mpa。同时，由于金属内部产生了严重的加工硬化，材料的显微硬度显著增大，并且，硬度的变化符合Boltzmann方程。
　　4)研究了铝/钢复合材料的热处理工艺的制定，探究了轧制复合压下量、退火温度、退火保温时间对复合材料结合强度、组织和性能的影响，结果表明热处理使复合材料组元层金属之间产生扩散，从而使结合界面形成牢固的冶金结合;退火时间对各元素扩散区域的变化影响不大，基本保持宽度大约为3.5um的“平台”区域，该区域的金属间化合物主要为Fe2Al5相，还有少量的Fe4Al13相;在压下量50％时，复合材料的最佳退火工艺制度为520℃24h。
　　5)通过实验观察轧制过程中的金相及SEM图片，初步探讨了4A60铝/08AL钢冷轧复合的主要机理为三阶段理论，其中包括机械咬合、能量学说、薄膜理论、扩散理论等多种结合机制的共同作用。

目录

摘要

第一章 文献综述

1．1 金属层状复合材料的概述

1．1．1 金属层状复合材料的发展

1．1．2 金属层状复合材料的应用

1．1．3 金属层状复合板的加工方法

1．2 轧制复合的机理

1．2．1 机械啮合理论

1．2．2 表面层裂缝机理

1．2．3 扩散理论

1．2．4 三阶段理论

1．3 轧制变形的基本定律

1．3．1 体积不变定律

1．3．2 最小阻力定律

1．3．3 弹塑性共存定律

1．4 课题研究目的及内容

第二章 实验方法及步骤

2．1 实验材料与试验制备

2．2 实验设备与仪器

2．3 实验的工艺流程

2．3．1 铝／钢表面的预处理

2．3．2 冷轧复合

2．3．3 扩散退火

2．3．4 组织结构分析

2．3．5 结合强度检测

2．3．6 力学性能的检测

第三章 表面预处理的研究

3．1 表面处理打磨机的设计

3．1．1 打磨机的设计意义

3．1．2 基于Solidworks软件的打磨机设计及制造

3．2 影响表面预处理因素的研究

3．2．1 表面粗糙度

3．2．2 表面微观纹路

3．2．3 打磨次数与速度

3．3 本章小结

第四章 冷轧复合工艺及变形规律的研究

4．1 界面结合强度与压下量关系的数学模型

4．2 轧制变形规律的分析

4．2．1 压下量对变形分配的影响

4．2．2 压下量对结合强度的影响

4．3 轧制过程中组织与性能的分析

4．3．1 显微硬度的分析

4．3．2 晶粒尺寸的分析

4．3．3 力学性能的变化

4．4 冷轧复合界面结合机理的分析

4．5 本章小结

第五章 热处理工艺的探究

5．1 退火温度对复合板组织及力学性能的影响

5．2 退火时间对复合带材组织及力学性能的影响

5．3 扩散退火对再结晶及结合强度的影响

5．4 热处理过程中界面的结合机制探讨

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢