影响双金属轧制复合结合强度的工艺因素综述

影响双金属轧制复合结合强度的工艺因素综述

蔡光涛

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摘要：近年来，随着金属业的快速发展，界面结合强度是双金属层状复合材料的关键技术指标，为了探讨"三步法"轧制复合工艺，本文从表面处理、轧制温度、轧制变形率、轧制速度以及退火温度和退火时间方面，综述了轧制复合工艺因素对复合板结合强度的影响规律，这对双金属复合轧制的生产具有一定的指导意义。

关键词：双金属；轧制复合；结合强度；工艺因素

引言

双金属复合材料是由同种或异种金属在界面上实现牢固冶金结合而成的新型材料，它结合了组元金属各自的优点，可以获得单一金属所不具有的性能，从而在电子电器、冶金、化工、机械、航天航空等领域得到了广泛的应用。层状复合板的加工方法很多，有爆炸焊接法、轧制复合法、液/固轧制复合、喷射沉积法、以及等离子体活化烧结等新型复合技术。在所有的加工方法中，轧制复合技术应用最为广泛。然而，不管采取何种方法，其最终目的就是为了实现金属板之间的牢固结合。界面结合强度是衡量复合效果的关键技术指标，尽管各金属复合板的组元材料不同，但在轧制工艺和退火处理上却有着相似的规律和趋势。剥离强度、剪切强度和弯曲次数是衡量金属复合板结合强度的重要指标，本文从轧制复合的工艺因素出发，探讨表面处理、轧制温度、轧制变形率、退火温度和时间对结合强度的影响规律，这可以为层状复合板的工艺生产提供技术参考，具有一定的理论意义和实践价值。

1双金属复合轧制材料的研究及其发展现状

双金属复合材料是一种由异种或同种金属通过在界面上实施冶金工序而形成的新型材料，其中层状的复合板有轧制复合技术、喷射沉积方法、爆炸焊接、液-固轧制复合、等离子体活化烧结等加工工艺方法，具有组元金属的独有特点。目前，在航天航空、电子电器、机械、冶金等领域内对双金属复合材料的使用频率越来越高，但研究的方向（如缺少材料参数和轧制工艺参数对材料复合的影响、组织均匀性、稳定性、力学性能等研究）和生产技术、轧制工艺（如变形后的热处理制度不完善等）等问题也相继出现。

2影响双金属轧制复合的工艺因素

2.1轧制变形率

轧制的变形率与界面强度之间在轧制复合的过程中将会形成一种成正比的关系。将两种异种、界面剥离强度不同的金属材料进行轧制复合时，界面强度会随着变形率的增大而增大，但是当变形率达到一定的程度时，界面的结合强度的增速会减缓。通过现有的研究发现，金属变形率在40%以下是不能通过轧制而得到复合金属材料的，一般组元金属需要实现轧制复合的最小压下率（临界变形率）不得少于50%。据研究数据表明，界面强度和金属变形率之间的正比关系所形成的原因在于金属材料在复合轧制过程中的表面处理环节会出现加工硬化层（其塑性比基体金属低），而新鲜金属（界面两侧的）通过越来越大的正面压力作用下会随着变形率的增加被挤出得越来越多，相应的就会出现较多的金属界面激活点，从而促就了界面的结合性能越来越强。

2.2退火处理

轧制复合一般包括了接触表面的扩散、激活阶段、物理接触阶段三个阶段。在双金属复合轧制过程中，对金属的结合界面进行退火处理，将会消除界面氧化物、空洞等缺陷及其内部的残余应力，从而能够一定程度上地提高复合板材的成形性能。而退火的时间和温度是退火处理工艺的关键性参数，这就在剪切强度与退后处理之间形成了一种较为复杂的曲线关系，即双金属复合材料的界面强度会随着退火的时间变长和温度的升高出现先升高后降低的现象。这种现象的出现是由于界面两侧的金属原子受热激活形成扩散作用，让其在界面处逐渐转变为共晶的晶格类型甚至界面层，而当温度和时间都在不断增加时，再结晶晶粒会因其体积逐渐粗大而在界面处发生Kirkendall效应，产生脆性的氧化物，进而影响着界面的强度。

2.3轧制速度

轧制速度也可以用轧辊的角速度大小来表示，在一定的变形率和等辊径下轧辊角速度与剥离强度之间的关系。从图中可以明显的看出，界面剥离强度随着轧制速度的增加而减小。轧制速度快导致复合时间变短，而界面复合强度与从硬化层、氧化膜或者微裂纹中被挤出的新鲜金属有关，短时间内不能实现层状金属板之间的大面积充分接触。接触表面的激活阶段和扩散阶段。金属层状复合材料轧制后的界面结合区需要进行退火处理，这不仅可消除缺陷(界面空洞、氧化物夹杂)和内部残余应力，在两侧形成一定深度的扩散层，而且可以增强界面的结合强度，提高板材的成形性能。退火温度和时间是复合板退火工艺的关键参数，决定着界面层的成分、生长以及界面强度的大小。

2.4轧制温度

热轧可以提高金属塑性变形能力，降低轧制力，两种材料更容易挤入到表面处理后的凹坑和划痕中，激活了表层材料，使结合更加紧密。但是，热轧过程中，容易在待复合面上生成金属氧化物。而金属氧化物严重影响了复合后的界面强度。复合板界面剥离强度与轧制温度之间的关系，尽管两种复合板的材质不同，即界面结合强度随轧制温度的升高而升高，在某一温度下达到峰值，而后降低。分析认为，在热轧过程中，在复合界面处有脆性的金属氧化物生成，当温度增加时金属氧化物的厚度增大，温度越高，氧化物层厚越大，而生成的金属氧化物在后续的退火处理中不能完全溶解，削弱了复合板的界面结合效果。因此，寻求温度与金属氧化物之间的平衡点是确定基体和覆体材料最佳轧制温度的关键。

3复合板轧制工艺的问题及解决办法

3.1复合轧制的工艺问题

目前，不锈钢三层复合板的轧制复合过程中，最关键的问题是工艺流程的问题，如轧制复合的结合界面容易出现不锈钢层增碳、脆性金属化合物、产品质量较差、结合强度不高等现象；在进行退火处理等热处理工艺时，未充分消除的残余应力控制或处理不当极易产生碳化物、金属化合物等；复合板内部产生的内应力将会因碳钢与不锈钢之间的物理性能差异而造成结合界面的开裂、晶粒的扩散效果不佳等。

3.2复合轧制工艺流程的优化设计

在对不锈钢、碳钢等金属材料进行轧制复合时，可以结合传统制备工艺中的爆炸轧制复合等方法与新型的反向凝固、钎焊等方法进行生产线上的有效排列组合，打破制备方法中的传统、固定工艺流程，在传统与新型工艺方法中取长补短、重新规划设计轧制的生产流程，形成一个完善的可持续循环、智能化、自动化的生产流水线。不仅如此，还应积极研发能耗低、结合强度高、界面氧化物减少的工艺方法，将连续性融入进热处理工艺之中，以便于能够降低成本、制造出紧凑的工艺流程，形成良性的连续性循环批量生产模式。

结语

综上所述，实际生产应综合考虑双金属复合板界面结合强度的各工艺影响因素，根据组元金属材料的不同制定最佳的复合工艺。目前，在双金属复合轧制方面取得了一定的成果，生产出的产品有Cu/Al、Steel/Al、Steel/Cu、Ti/Al、Ti/Steel、Mg/Al、Ni/Al等轧制复合板，但是很多工艺和技术问题有待进一步的研究，比如:同步轧制中组元金属层厚比和前后张力大小与界面复合效果之间的关系、异步轧制工艺研究、复合轧制设备的研制以及轧制过程中数值模拟技术的应用等。随着新材料新工艺新装备的研究和发展，双金属层状复合材料的研究和应用将会更加深入和广泛。

参考文献

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