一种双金属复合带材短流程高效生产工艺

摘要

本发明一种双金属复合带材短流程高效生产工艺，将采用连续铸造复合工艺制备出具有冶金结合界面的高质量双金属复合板坯，放在加热炉中进行加热；将加热后的板坯采用轧机，进行多道次轧制，第一道次的道次压下率控制在50%～70%，后续道次压下率控制在25%～45%，总轧制变形量控制在85%～95%；轧制过程无润滑，最终温轧成形；再进行酸洗处理后，在冷轧机上轧制成形，道次压下率控制在15%～30%，总轧制变形量控制在90%以下；轧制速度为1～25m/min；经过冷轧后的复合带材，进行快速感应加热连续热处理，即得到双金属复合带材。采用本发明的方法制备得到板材，工艺流程短，生产效率高，有利于实现大规模生产。

说明书

技术领域

本发明属于金属复合材料领域，具体涉及一种双金属复合带材短流程高效生产工艺。

背景技术

随着科学技术的发展，冶金、石油、化工、航空航天、交通运输、电子通讯、电力、建筑等各个领域对材料的使用要求越来越高，在许多情况下单一材料难以满足实际使用对性能的要求，将具有不同性能的材料复合在一起，以提高其综合使用性能的复合材料日益受到重视。

双金属复合带材是通过一定工艺将两种金属复合在一起、形成具有三明治结构的层状复合材料，其结合了两种金属的优点，具有广泛的用途。例如，钢铝复合带材钢层强度高、易焊接、价格较低，以及铝层导热性能优良、密度低、耐腐蚀、热导率高的特点，可用于航空航天、电站空冷、海洋工程、汽车零部件、热交换器等领域。铜铝复合带材兼具铜层导热快、耐腐蚀、导电性能好等优点，以及铝层热容大、密度低、价格较低的优点，可广泛应用于电力传输、电子封装、建筑装饰、交通运输等领域。

已经公开报道的双金属复合带材的制备方法主要有以下几种：

第一种方法是轧制复合法。轧制复合法又分为热轧复合法(hot roll bonding)和冷轧复合法(cold roll bonding)。热轧复合法[见：马志新，胡捷，李德富等. 层状金属复合板的研究和生产现状[J]. 稀有金属，2003，27(6)：799-802；王旭东，张迎晖，徐高磊. 轧制法制备金属层状复合材料的研究与应用[J]. 铝加工，2008，（3）：22-25]是将待复合的金属坯料加热到一定温度，对其施加大压下量轧制变形，在热和力的同时作用下使不同金属复合在一起的一种工艺方法。热轧的优点是轧制力要求较小，对轧机的要求不高，工艺简单，成本低，界面结合强度较高。缺点是当两种复合金属为易发生反应的金属时，加热时容易在界面形成脆性的金属间化合物；复合带材的厚度不易控制，生产一致性和稳定性差，多适合于生产厚的复合板材。冷轧复合法[见：张胜华，郭祖军. 铝/铜轧制复合板的界面结合机制[J]. 中南工业大学学报，1995，26(4)：509-513]是指在大压下率（通常在70%以上），冷轧重叠的二层或多层金属，使它们产生原子结合，并通过随后的扩散退火，使界面结合强度提高的一种工艺。对于较难复合的材料，可以采用轧制前进行适当加热（低温），轧后在线连续扩散热处理的手段，提高复合材料界面结合强度。冷轧复合的优点是可以避免在加热时所带来的界面氧化问题；不需要加热，节约能源；金属组合的自由度大，适应面广；并且冷轧容易实现大规模的工业化生产。但存在的问题是：由于是固-固复合，界面结合强度较低。

第二种方法是爆炸焊接-轧制成形法。其工艺过程是通过爆炸焊接法先制备出双金属复合板坯，然后再通过后续轧制成形生产需要厚度的带材。爆炸焊接法[见：郑远谋.爆炸焊接和金属复合材料[J]. 稀有金属，1999(01)：56-61] 是以炸药为能源的一种高能高速成形技术，炸药被引爆后瞬时接合压力可高达100MPa以上，并且双金属接合过程中伴随有塑性变形和较高温度，有利于形成较高的界面结合强度。例如，爆炸焊接法制备铜铝复合板坯的工艺过程为:首先对铜铝复合板坯进行表面处理，使其表面粗糙度Ra≤1.6μm，将铜铝板带叠放在一起，选用膨化炸药引爆使的铜铝板带在爆炸的高温和瞬间压力下复合，制备出铜铝复合板。再将制备的复合板进行冷轧加工，可以生产较薄的复合带材。爆炸复合法虽然可以焊接常规方法不能复合的一些金属，且能得到较高的结合强度。但是，爆炸复合利用炸药的能量，对环境会造成振动、噪声和烟尘等污染，而且生产安全性较差，一般只适合在较空旷环境下进行。其次，爆炸复合还受气候环境和其他工艺条件的限制，因此生产效率较低。更重要的是，在爆炸复合过程中，受冲击波作用的影响，双金属界面波动较大，导致双金属层的厚度存在一定波动，在加工成薄带时影响更加明显。

第三种方法是铸轧复合-冷轧法。该方法先通过铸轧复合法制备双金属复合板带，然后再通过冷轧加工，生产较薄的复合带材。铸轧复合是一种固-液相复合技术。其工艺过程为：首先预制高熔点金属带（基带），然后对基带进行表面处理，再将处理好基带穿过低熔点金属保温槽，并伸入轧辊中；在低熔点金属保温槽中注入低熔点金属液，并启动轧辊，在轧辊的带动下，基带连续通过低熔点金属保温槽，在此过程中，低熔点金属液在基带的冷却作用下，在基带的表面凝固成一定厚度的低熔点金属层，并实现与基带初步复合；通过调节基带的运动速度、低熔点金属液的温度等参数，调节低熔点金属凝固层的厚度；复合带坯随后进入一对轧辊中进行冷却和精确成形，并在轧辊压力作用下使两种金属发生紧密结合[见：路王珂，谢敬佩，王爱琴等. 退火温度对铜铝铸轧复合板界面组织和力学性能的影响[J]. 机械工程材料，2014，38(3): 14-17]。铸轧法的优点是界面可以实现冶金结合，结合强度较高；工艺流程较固相复合法短。存在问题是：需要预先制备高熔点金属带，并需要对带材表面进行清洗，存在环境负担，并且工艺流程也不是最短；复合前高熔点金属带表面容易氧化，容易影响复合质量。

因此，如何解决轧制复合等固-固复合法工序繁多、工艺流程长、界面结合强度较低的问题，以及如何克服铸轧复合法需要预制基板、复合前需要进行界面预处理的问题，从而进一步缩短工艺流程，提高生产效率，提高产品质量，是双金属带材生产需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有双金属复合带材生产方法存在的上述问题，提供一种可实现双金属界面冶金结合、短流程制备双金属复合带材的方法，即，采用连续铸造的方法一步制备具有冶金结合界面的高质量双金属复合板坯，再通过轧制加工，获得需要尺寸的复合带材，最后通过快速感应加热连续退火处理，获得需要的产品性能，从而短流程高效生产高性能双金属复合带材。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种双金属复合带材短流程高效生产工艺，该工艺具体包括以下步骤：

步骤1：将采用连续铸造复合工艺制备出具有冶金结合界面的高质量双金属复合板坯，放在加热炉中进行加热，加热至一定温度；

步骤2：将加热后的板坯采用轧机，在一定的轧制速度，进行多道次轧制，总轧制变形量控制在85%～95%；轧制过程无润滑，最终温轧成形；

步骤3：经过温轧成形的带材经过酸洗处理后，在冷轧机上进行进一步轧制成形，道次压下率控制在15%～30%，总轧制变形量控制在90%以下；轧制速度为1～25m/min；

步骤4：经过冷轧后的复合带材，根据需要，进行快速感应加热连续热处理，即得到双金属复合带材。

进一步，所述步骤1中双金属复合板坯的工艺是：将两种金属分别熔化为金属液，然后同时浇铸到一个复合成形装置（1）中进行连续铸造，铸造时的铸造温度为两种金属熔点以上50～300℃，控制较高熔点的金属先凝固成为双金属的一层，较低熔点的金属在刚凝固的高熔点金属层表面后凝固成为双金属的另一层，低熔点金属层与高熔点金属层在复合铸型的后半段复合，形成复合板坯；通过调节两种金属液的铸造温度、一次冷却装置和二次冷却装置的冷却水流量、连铸速度等参数，控制复合过程中界面反应程度，连铸出高质量的双金属复合板坯；所述一次冷却装置的冷却水流量为200～2000L/h；所述二次冷却装置的冷却水流量为50～1000L/；所述复合板坯的连铸速度为20～400mm/min。

进一步，所述复合成形装置包括复合铸型和结晶器，所述复合铸型内部设置有前后两段横断面形状均为矩形、且宽度相同的高熔点金属成形型腔和低熔点金属成形型腔，所述结晶器设置在所述复合铸型的后半段的侧壁上。

进一步，所述步骤1中加热温度为双金属中较低熔点金属熔点的0.25～0.5倍，加热时间为25-35分钟。

进一步，所述步骤2中所述轧机包括平辊轧机、多机架连轧机或单机架往复式轧机。

进一步，所述步骤2中的多道次轧制工艺为：第一道次的道次压下率控制在50%～70%，后续道次压下率控制在25%～45%。

进一步，所述步骤2中轧制速度为1～20m/min。

进一步，所述步骤4中感应加热的温度为低熔点金属熔点的0.45倍到0.7倍，感应加热的时间为10～60s，带材的走料速度为0～10m/min。

本发明提供的双金属复合带材生产方法的优点如下：

（1）采用连铸制备复合板坯，工艺流程短，生产效率高，有利于实现大规模生产；

（2）复合板坯的界面结合质量高，轧制加工变形协调性好，成材率高；

（3）采用大变形轧制，生产效率高；

（4）采用快速感应加热连续热处理，带材在高温下停留的时间短，界面厚度、产品均匀性容易控制，有利于控制产品质量。

附图说明

图1为本发明的所采用复合铸型的结构示意图。

图2为本发明复合铸型的A向剖视示意图。

图中：

1. 复合成形装置，1-1. 复合铸型，1-2. 结晶器,1-21. 高熔点金属成形型腔，1-22,低熔点金属成形型腔，1-23. 高熔点进料口,1-24. 低熔点进料口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明一种双金属复合带材短流程高效生产工艺，该工艺具体包括以下步骤：

步骤1：将采用连续铸造复合工艺制备出具有冶金结合界面的高质量双金属复合板坯，放在加热炉中进行加热，加热至一定温度；

步骤2：将加热后的板坯采用轧机，在一定的轧制速度，进行多道次，总轧制变形量控制在85%～95%；轧制过程无润滑，最终温轧成形；

步骤3：经过温轧成形的带材经过酸洗处理后，在冷轧机上进行进一步轧制成形，道次压下率控制在15%～30%，总轧制变形量控制在90%以下；轧制速度为1～25m/min；

步骤4：经过冷轧后的复合带材，根据需要，进行快速感应加热连续热处理，即得到双金属复合带材。

进一步，所述步骤1中双金属复合板坯的工艺是：将两种金属分别熔化为金属液，然后同时浇铸到一个复合成形装置1中进行连续铸造，铸造时的铸造温度为两种金属熔点以上50～300℃，控制较高熔点的金属先凝固成为双金属的一层，较低熔点的金属在刚凝固的高熔点金属层表面后凝固成为双金属的另一层，低熔点金属层与高熔点金属层在复合铸型的后半段复合，形成复合板坯；通过调节两种金属液的铸造温度、一次冷却装置和二次冷却装置的冷却水流量、连铸速度等参数，控制复合过程中界面反应程度，连铸出高质量的双金属复合板坯；所述一次冷却装置的冷却水流量为200～2000L/h；所述二次冷却装置的冷却水流量为50～1000L/；所述复合板坯的连铸速度为20～400mm/min。

进一步，所述复合成形装置包括复合铸型和结晶器，所述复合铸型内部设置有前后两段横断面形状均为矩形、且宽度相同的高熔点金属成形型腔和低熔点金属成形型腔，所述高熔点金属成形型腔与高熔点进料口连接，所述低熔点金属成形型腔与低熔点进料口连接，所述结晶器设置在所述复合铸型的后半段的侧壁上。

进一步，所述步骤1中加热温度为双金属中较低熔点金属熔点的0.25～0.5倍，加热时间为25-35分钟。

进一步，所述步骤2中所述轧机包括平辊轧机、多机架连轧机或单机架往复式轧机。

进一步，所述步骤2中的多道次轧制工艺为：第一道次的道次压下率控制在50%～70%，后续道次压下率控制在25%～45%。

进一步，所述步骤2中轧制速度为1～20m/min。

进一步，所述步骤4中感应加热的温度为低熔点金属熔点的0.45倍到0.7倍，感应加热的时间为10～60s，带材的走料速度为0～10m/min。

实施例1：

宽度100mm、厚度0.3mm的铜铝复合带材的短流程生产工艺，带材的铜层厚度占总厚度的25%。

（1）采用T2纯铜和1070纯铝为原料，采用连续铸造复合工艺，一步制备出宽度100mm、厚度25mm、具有冶金结合界面的铜铝复合板坯，其中，铜液和铝液的铸造温度分别为1150℃和750℃，一次冷却水流量设定为800L/h，二次冷却水流量为200L/h，连铸速度为100mm/min；

（2）将连铸制备的铜铝复合板坯放在加热炉中进行加热，加热温度为250℃，加热时间为30分钟；

（3）将加热后的板坯采用单机架往复式平辊轧机进行温轧成形，第一道次的道次压下率控制在55%，后续道次压下率控制在25%～45%，总轧制变形量控制在85%；轧制过程无润滑；轧制速度为5m/min；

步骤4：经过温轧的复合带材经过酸洗处理后，在冷轧机上进行进一步轧制成形，道次压下率控制在15%～30%，总轧制变形量控制在90%以下；轧制速度为5m/min；

步骤5：经过冷轧后的复合带材，进行快速感应加热连续热处理，感应加热的温度为450℃，感应加热的时间为10s，带材的走料速度为2m/min。

实施例2：

宽度200mm、厚度0.4mm的3003/4004双铝复合带材的短流程生产工艺，带材的3003厚度占总厚度的20%。

（1）采用3003和4004为原料，采用连续铸造复合工艺，一步制备出宽度200mm、厚度20mm、具有冶金结合界面的双铝复合板坯，其中，3003和4004的铸造温度均为750℃，一次冷却水流量设定为1000L/h，二次冷却水流量为500L/h，连铸速度为120mm/min；

（2）将连铸制备的双铝复合板坯放在加热炉中进行加热，加热温度为200℃，加热时间为30分钟；

（3）将加热后的板坯采用单机架往复式平辊轧机进行温轧成形，第一道次的道次压下率控制在50%，后续道次压下率控制在25%～45%，总轧制变形量控制在90%；轧制过程无润滑；轧制速度为6m/min；

步骤4：经过温轧的复合带材经过酸洗处理后，在冷轧机上进行进一步轧制成形，道次压下率控制在15%～30%，总轧制变形量控制在90%以下；轧制速度为10m/min；

步骤5：经过冷轧后的复合带材，进行快速感应加热连续热处理，感应加热的温度为350℃，感应加热的时间为20s，带材的走料速度为5m/min。