CN106001110A - 一种多层金属耦合变形轧制复合方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多层金属耦合变形轧制复合方法与装置，该装置包括复合坯加热炉、高压水除鳞机、四辊可逆轧机、前后卷取保温炉、前后板面纵横交叉弯曲变形单元、层流冷却装置、成品卷取机。该方法采用单机架四辊可逆轧机前后配备卷曲加热炉，并在轧机前后卷曲炉之间布置张力弯曲单元，张力弯曲辊表面结构为凸凹相间的花辊，每个单元由3个花辊组成反弯变形单元，前后辊面的凸凹结构交叉布置，从而形成施加张力与板面纵横交叉弯曲变形的控温卷曲耦合变形轧制复合机制，显著降低复合界面残余应力，保证板形质量，同时大幅度增强复合界面的结合强度和结合率，提高复合板的组织性能和综合力学性能，显著提高生产效率和成材率。

Description

一种多层金属耦合变形轧制复合方法与装置

技术领域

本发明属于异种金属复合板材制备技术领域，具体涉及一种多层金属材料卷曲控温张力弯曲耦合变形轧制复合的方法与装置。

背景技术

层状金属复合材料能充分发挥各组元材料的性能特长，具有高强、高韧、耐高温、耐腐蚀、耐氧化、性价比高等综合优良特性，是航空航天、石油化工、核能、造船等领域急需的结构材料。

在能源和资源日益紧张的今天，其在资源高效利用方面也显得更加突出，多层金属复合薄板带制备方法及装置的开发是金属复合材料制备领域的一个重点研究方向。

我国层状金属复合板材虽然在国民经济的各个领域得到快速应用，但与世界先进水平差距仍然很大，主要原因是受制于高性能金属复合板加工制备技术，尤其是薄规格(厚度规格3.0-10.0mm、双面覆层厚0.07-1.0mm)的多层金属复合板带的制备还非常困难。

目前多层金属材料轧制复合的生产工艺和技术落后，关于异种金属多层复合板的变形协调及各向异性问题、轧制复合过程中热力学参数对界面结合性能和板形状态的影响规律与控制技术、界面损伤与断裂等问题没有得到很好的解决，导致现有复合材料产品规格单一，复合板产品界面残余应力高、结合强度低、塑韧性差，板形质量差及深加工困难。

目前，爆炸复合和轧制复合是层状异种金属固相复合的主要方法。

爆炸复合法工艺为：基板+复板毛板下料→矫直→纵切→横切→基板+复板+炸药组合→引爆炸药复合连接→后续精整处理等(见附图4)。

它利用炸药作为能源，在炸药的高速引爆和冲击作用下，在十分短暂的过程中使被焊金属表面形成一层薄的具有塑性变形、熔化、扩散以及波形特征的焊接过渡区，从而实现两种或两种以上金属的大面积焊接。

该工艺方法存在一些缺陷和应用上的局限性，表现为复合板存在的爆炸不复、表面烧伤、大面积熔化、爆炸变形、爆炸脆裂等缺陷。

这些缺陷对复合板的表面质量、力学性能、后续加工和使用产生非常不利的影响。同时多数双金属爆炸结合后还要进行交叉轧制减薄和改善板形。

因此，该工艺无法实现异种金属薄板带的生产，同时该方法工作环境差、污染严重、生产场地受限制且具有一定的危险性。

传统轧制复合法工艺为：复合坯加热→高压水除鳞→四辊粗轧(往复除磷)→四辊精轧(往复除磷)→层流冷却→多辊矫直→冷床冷却→后续热处理及精整作业。(见附图5)。

该方法受轧制温度和设备能力的制约，生产复合板的厚度大于6mm，长度小于50m，生产3.0-6.0mm薄规格的复合带材成材率极低，几乎无法生产。

传统轧制复合方法工艺流程冗长，在粗轧和精轧的每个道次，要对复合板表面进行高压水除磷，加速了复合板的温降，会严重影响界面各组元金属原子扩散结合，还易生成脆性金属间化合物，导致复合界面结合强度低、残余应力高、韧性差、板形差(也称龟背缺陷)，复合板分离后的“龟背”缺陷。(见附图6)

轧制表层为较薄的贵金属覆层材料时上述缺陷会更加严重。因此，提高层状金属复合板材的界面结合强度和塑韧性及大幅度降低界面残余应力等问题是急需解决的一项关键技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种多层金属耦合变形轧制复合方法与装置，通过控温张力卷取和板面纵横交叉弯曲及轧制的耦合变形进行多层金属的轧制复合。

本方法的流程为复合坯加热→高压水除鳞→四辊轧机→卷取保温+张力+板面纵横交叉弯曲变形单元+轧制(即：前控温卷取+张力弯曲单元←(往复)→四辊轧机←(往复)→后控温卷取+张力弯曲单元)→层流冷却→成品卷取→成品卷后续热处理或冷轧重卷精整。

本发明中的多层金属耦合变形轧制复合装置包括复合坯1，加热炉2，前张力弯曲单元3，四辊可逆轧机4，后张力弯曲单元5，后卷曲加热炉6，前卷曲加热炉7，层流冷却装置8，导向夹送辊9，卷取机10。

复合坯1，加热炉2，前张力弯曲单元3，前卷曲加热炉7在四辊可逆轧机左侧，后张力弯曲单元5，后卷曲加热炉6，层流冷却装置8，导向夹送辊9，地下成品卷取机10在四辊可逆轧机右侧。

前张力弯曲单元3、后张力弯曲单元5对复合板施加往复的，沿板材宽度和厚度方向的弯曲变形，有效降低界面内应力、改善组织性能，保证良好板形。

前卷曲加热炉7和后卷曲加热炉6用于对复合坯进行卷曲保温，加热炉采用电阻装置加热，可以根据轧制复合的工艺温度，根据复合板的厚度、宽度和运行速度及实测温度进行实时反馈控制补热制度，能够有效降低轧制过程中的温降，并在卷筒和轧机之间建立张力提高复合界面的结合强度和结合率。

四辊可逆轧机4用于对复合坯进行若干道次的轧制，该轧制为工作辊单独传动，通过对上下辊速的调节可实现剪切变形的搓轧作用，有利于提高界面复合率、结合强度和板面的光洁度。

层流冷却装置8对轧后的复合板坯进行在线控制冷却，导向夹送辊9引导板坯转向、辅助地下成品卷取机10进行卷曲制备成品卷。

前后张力弯曲辊表面结构和板带纵横方向的弯曲变形状态如图3所示，板材在进入前弯曲辊时板宽方向受上弯曲作用，而在进入后弯曲辊时板宽方向相同部位则受下弯曲作用，同时板材在纵向也受到连续弯曲，进而形成了对板材纵横方向的交叉弯曲变形机制。

本发明中所制备的七层组合复合板坯如附图2所示，是用上下两层碳钢/稀有金属包覆中间稀有金属/碳钢/稀有金属复合板，一次可以复合出2张单面稀有金属/碳钢复合板带和1张双面稀有金属/碳钢复合板带。

本发明的优点及积极效果

制备七层复合坯，可以对双面复合板稀有金属表面起到保护，避免烧损和轧制过程表面损伤等缺陷，提高成材率和板形质量。

轧机采用工作辊单独传动的变速轧制技术，结合界面处形成“搓轧区”，能有效降低轧制复合所需要的临界变形力，可以显著提高轧制的复合强度和表面光洁度。

本发明采用前后卷曲加热炉配合轧机进行控温轧制复合，减少了传统轧制工艺的轧机数量，节省投资，降低能耗，提高了生产效率。

轧制复合过程中，由前后卷取炉进行补热控温，可解决因轧制温度不可控出现多层复合薄板带长宽方向温差大、变形不协调、界面结合性能低和各向异性的难题。

能够解决传统轧制复合工艺为了保证终轧温度，而提高复合坯的炉内加热温度和时间，造成复合界面出现大量脆性金属间化合物，界面塑韧性降低的缺陷。

能够进行中低速多道次累积大压下量轧制复合，能提高界面结合的有效时间，利于新鲜活性金属从硬化层、氧化膜、微裂纹中挤出，大面积充分接触，同时促使金属间化合物发生破碎、分散提高界面结合性能。

复合板带在轧制力、板面纵横交叉弯曲应力、张力卷曲机制的共同作用下，加大了界面金属组织相对剪切移动变形量，利于界面摩擦生热，增强界面结合能量，促使界面原子被激活，克服势垒，形成金属键，实现界面金属冶金结合。同时能够增大界面微观凸起塑性变形量，增强界面“破裂与嵌入”的能力，促进凸凹不平的薄层表面硬化层、氧化膜加速破裂、错动，使界面两侧新鲜金属大面积结合，提高界面结合率和性能。还能够大幅降低和均匀化多层异种金属薄板带界面间的内应力，实现界面的强韧化，提高界面的损伤容限，提升其使用过程中界面的抗高应力和深加工变形能力。

附图说明

图1为一种多层金属耦合变形轧制复合方法与装置的工艺流程，

其中，1—复合坯，2—加热炉，3—前张力弯曲单元，4—四辊可逆轧机，5—后张力弯曲单元，6—后卷取加热炉，7—前卷取加热炉，8—层流冷却装置，9—导向夹送辊，10—地下成品卷取机。

图2为多层复合板坯示意图。

图3为前后弯曲辊表面结构示意图。

图4为传统爆炸复合工艺流程。

图5为传统轧制复合工艺流程。

图6为某不锈钢复合板厂钢板“龟背”缺陷照片,其中(a)为整体板形，(b)为最大变形量。

实施方式

复合坯1由运输辊道送入加热炉2进行加热，出炉后经过高压水除磷，进入四辊可逆轧机4，进行多道次可逆轧制，轧到中间坯尺寸后，通常为20mm，经过后张力弯曲单元5变形后进入后卷曲加热炉6进行保温卷取，此过程的板尾不能脱离前弯曲单元3和轧机4，这样做是为了便于反向轧制时在卷曲炉内能够顺利穿带卷取。

完成卷取的第一道次轧制后，四辊可逆轧机4、后张力弯曲单元5和后卷曲加热炉6进行反向旋转，开始反向轧制。第一道次轧制后的带尾进入前卷曲加热炉7内进行卷取保温。板带在前卷曲加热炉7、四辊可逆轧制4和后卷曲加热炉6间根据设定的辊缝等工艺参数进行往复轧制，直至轧制到设定目标厚度，完成成品的轧制。

板材轧制完成后经层流冷却装置8进行冷却，当生产薄规格卷板时，冷却后的带坯经导向夹送辊9进入地下成品卷取机10，进行成品卷，而后再进行后续热处理或冷轧重卷精整。

Claims (2)

1.本发明提供一种多层金属耦合变形轧制复合方法与装置，其特征包括，用于多层异种金属薄板带的轧制复合；四辊轧机前后布置弯曲变形单元和卷取保温炉；轧制复合过程中通过控温张力卷取和板面纵横交叉弯曲及轧制耦合变形实现多层金属的界面结合。

2.权利要求1中的前后张力弯曲变形辊表面为凸凹相间的花辊结构，每个单元由3个花辊组成弯曲变形单元，同时前后辊面的凸凹结构交叉布置，板材在进入前弯曲辊时板宽方向受上弯曲变形作用，而在进入后弯曲辊时板宽方向相同部位则受下弯曲变形作用，同时板材在三辊变形辊的压下作用下，板材在纵向也受到连续弯曲，进而形成了对板材纵横方向的交叉弯曲变形机制，有利于复合材料的界面结合，同时消减界面残余应力。