不銹鋼/碳鋼層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合板生產(chǎn)工藝

【摘要】介紹四種主要的不銹鋼/碳鋼層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合板生產(chǎn)工藝和相應(yīng)的工業(yè)化生產(chǎn)流程：爆炸復(fù)合，熱軋復(fù)合，冷軋復(fù)合，粘接復(fù)合。分析其各自的特點和市場適應(yīng)性。為工程技術(shù)人員選用各種不同的不銹鋼復(fù)合材料實現(xiàn)工程目的提供參考。

【關(guān)鍵詞】不銹鋼/碳鋼復(fù)合板；爆炸復(fù)合；熱軋復(fù)合；冷軋復(fù)合；粘接復(fù)合；擴(kuò)散退火

MANUFACTURING TECHNIQUE OF STAINLESS

STEEL/CARBON STEEL LAMINATED COMPOSITE PLATES

HUANG WEI

（Beijing Metallurgical Equipment Research Design Institute Beijing 100711）

ABSTRACT： The four main types manufacturing technique are Introduced of stainlesssteel/carbon steel laminated composite plates： explosive composite， compound hot rolling， cold rolling composite， adhesive composite. Their respective characteristics are analysed， as well as their market adaptability. Which is helpful for engineering and technical personnel to choose different kinds of stainless steel /carbon steel composite material to achieve project aims.

1、基本概念

復(fù)合材料是一個極其龐大的產(chǎn)品“家族”體系，本文討論的僅為其中一個小小的分支。為了便于理解，將本分支有關(guān)的“家譜”作一簡單介紹。

1.1復(fù)合材料[1]

復(fù)合材料（Composite materials），是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。

復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與非金屬復(fù)合材料。按其結(jié)構(gòu)特點又分為：（1）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。將各種纖維增強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金屬等。（2）夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材（基材）組合而成。通常面材強(qiáng)度高、薄，且價格高；芯材質(zhì)輕、強(qiáng)度低，但具有一定剛度和厚度，成本相對低。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。（3）細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷等。（4）混雜復(fù)合材料。由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)/層間混雜和超混雜復(fù)合材料。

1.2復(fù)合板

復(fù)合板是夾層復(fù)合材料的俗稱。除了上面講到的分為實心夾層和蜂窩夾層兩種以外，按復(fù)合面的形狀，還可以分為層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合板和鑲嵌結(jié)構(gòu)復(fù)合板。前者，兩種材料的結(jié)合面呈平面狀態(tài)，后者兩種材料的結(jié)合面從橫斷面看呈各種折線形狀（參見圖1，圖2，圖3）。

復(fù)合板一般分為金屬復(fù)合板，金屬與非金屬復(fù)合板，非金屬復(fù)合板。

1.3金屬層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合板

金屬層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合板是指在一層金屬板上覆以另外一種金屬板，以達(dá)到在不降低使用效果（防腐性能、機(jī)械強(qiáng)度等）的前提下節(jié)約資源、降低成本的效果。

根據(jù)基材和面材的品種不同，常見的金屬層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合板有銅/鋼復(fù)合，鋁/鋼復(fù)合，鋼/鋼復(fù)合（不同材質(zhì)的鋼材），銅/鋁復(fù)合等。還有鉬/鈦、純銀/銀合金等貴金屬復(fù)合板。

1.4不銹鋼/碳鋼層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合板

不銹鋼/碳鋼層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合板（以下簡稱“不銹鋼復(fù)合板”）是一種以碳鋼為基材，不銹鋼為敷面的復(fù)合板材。常用的基材有08AL，Q315，Q345，45#，鍋爐板等，面板有SS304，SS316，00Cr22Ni5Mo3N，1Cr13等。面板厚度占總厚度的比例為10～30%。

不銹鋼復(fù)合板工業(yè)化生產(chǎn)工藝有4種：（1）爆炸復(fù)合，（2）熱軋復(fù)合，（3）冷軋復(fù)合，（4）粘接復(fù)合。

2、爆炸復(fù)合

爆炸復(fù)合是爆炸焊接技術(shù)在復(fù)合板生產(chǎn)中的應(yīng)用。爆炸焊接是指利用炸藥爆炸的能量驅(qū)動，把不同金屬部件焊接起來的技術(shù)。

爆炸復(fù)合的基本原理，是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的超強(qiáng)瞬時力使金屬之間發(fā)生傾斜碰撞，在碰撞面附近形成幾十萬個大氣壓和有效用的熱效應(yīng)，接觸面被產(chǎn)生的射流自動清洗的同時，表面質(zhì)點間有效作用，接觸面的溫升不超過熔點，形成以波狀界面為特征的冶金結(jié)合。而且，復(fù)合后的板材其各層的化學(xué)成分、力學(xué)性能、防腐耐蝕性、可焊性能和可加工性能均未改變。

爆炸復(fù)合的主要工藝過程：

（1）材料準(zhǔn)備?；男枰蚰ケ砻妫パ趸ず臀酃?；面板需要矯平和清潔表面。

（2）爆炸作業(yè)。分為3個主要步驟：鋪板、布炸藥、引爆。鋪板根據(jù)面積大小，可以直接疊放或兩板內(nèi)表面呈一夾角放置。

（3）復(fù)合后整理。復(fù)合后首先退火，然后對復(fù)合板進(jìn)行矯平，最后超聲波檢測結(jié)合層質(zhì)量，對產(chǎn)品定級。

圖4給出了爆炸復(fù)合的工藝流程框圖

爆炸復(fù)合的特點：爆炸所產(chǎn)生的高溫，使接觸表面的金屬融化，并互相擴(kuò)散使難復(fù)合金屬能夠結(jié)合到一起；易于實現(xiàn)多層復(fù)合，復(fù)合界面呈波紋狀，結(jié)合強(qiáng)度高；適合于小批量多品種生產(chǎn)，不適于大批量生產(chǎn)。不銹鋼復(fù)合層厚度不均，產(chǎn)品精度差；受組配設(shè)備和加工設(shè)備的限制，其產(chǎn)品尺寸范圍?。槐焿m和響聲使周圍環(huán)境惡化。

3、熱軋復(fù)合

熱軋復(fù)合是將基材與面材疊在一起，經(jīng)高溫高壓軋制，實現(xiàn)兩種材料接觸面的冶金結(jié)合。

熱軋復(fù)合的基本原理：金屬塑性成形時在變形性質(zhì)上十分類似于粘滯流體，兩種金屬間接觸表面在剪切變形力的作用下趨向于流體特性。一旦有新生金屬表面出現(xiàn)，它們便產(chǎn)生粘著摩擦行為，利用接觸表面間金屬的固著，以固著點為基礎(chǔ)（或核心），在高溫激活條件下形成較為穩(wěn)定的熱擴(kuò)散，從而形成良好的復(fù)合[2]。

熱軋復(fù)合的典型工藝過程：

（1）組坯。將表面潔凈的兩塊不銹鋼板（面材）疊放在表面經(jīng)打磨的兩塊碳鋼鋼坯中間，兩塊不銹鋼板之間涂有防粘結(jié)的材料（隔離劑）。將鋼坯四周用鋼帶密封焊接，抽真空，形成兩組復(fù)合板坯（參見圖5）

（2）復(fù)合軋制。按碳鋼熱軋工藝對復(fù)合板組坯進(jìn)行軋制，達(dá)到所需厚度。

（3）分卷（或分板）。將兩組復(fù)合板分離。

（4）精整。經(jīng)過退火、矯直、切邊等精整工序，使復(fù)合板滿足交貨條件。

圖6給出了熱軋復(fù)合的工藝流程框圖

熱軋復(fù)合的特點：利用現(xiàn)有熱軋設(shè)備，實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；相比冷軋復(fù)合，結(jié)合強(qiáng)度高；相比爆炸復(fù)合，產(chǎn)品尺寸精度高。組坯時實現(xiàn)表面潔凈度要求難度大，真空度要求高，有可能出現(xiàn)單個不結(jié)合區(qū)超標(biāo)的現(xiàn)象。

4、冷軋復(fù)合

冷軋復(fù)合又稱為固相復(fù)合（Solid Phase Bonding），俗稱“冷焊”，是利用較大的軋制壓力。使兩種以上的不同成分的材料的結(jié)合面接近到原子間的距離，形成大量的結(jié)合點，經(jīng)擴(kuò)散熱處理（燒結(jié)）形成整個接觸面的金屬鍵結(jié)合。這是一種在結(jié)合面上下不出現(xiàn)液相的結(jié)合方法。

冷軋復(fù)合工藝過程：

（1）材料準(zhǔn)備。不銹鋼冷軋復(fù)合的材料一般是成卷狀態(tài)的基板和面板。材料準(zhǔn)備分為開卷、表面清潔、合帶3個連貫的步驟。

（2）復(fù)合軋制。采用一次性60%以上的壓下量對合帶進(jìn)行超強(qiáng)度、大壓下量軋制。

（3）擴(kuò)散退火。對復(fù)合板進(jìn)行連續(xù)退火。

（4）精整。通過平整或拉矯改善板形、通過裁剪滿足供貨需要。

圖7給出了冷軋復(fù)合的工藝流程框圖

冷軋復(fù)合的主要優(yōu)點是：在結(jié)合面上幾乎沒有中間合金化層；總厚度和厚度比均勻，尺寸精度高，性能穩(wěn)定；對熔點或屈服極限相差很大的不同材料也可以實現(xiàn)固相結(jié)合；結(jié)合可以連續(xù)進(jìn)行，大大地提高生產(chǎn)效率，降低成本。

5、粘接復(fù)合和其他復(fù)合工藝

粘接復(fù)合是將基板和面板用粘接劑結(jié)合起來。其工藝過程是：（1）板面清潔，（2）結(jié)合面刷涂粘結(jié)劑，（3）加溫壓實。

粘接復(fù)合的特點是：工藝簡單，材料表面保持原有光亮度，產(chǎn)品平整度好。但不能實施大角度折彎、不能焊接；不能用于高溫或溫差大的場合。

其他不銹鋼/碳鋼復(fù)合工藝還有鑄造軋制法[3]，逆向凝固法[4～7]等。目前尚在實驗室研究階段，無工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)品上市。

6、不同工藝過程形成的不銹鋼/碳鋼復(fù)合板的工程應(yīng)用

粘接復(fù)合板只能用于室內(nèi)裝飾。

爆炸、熱軋、冷軋三種復(fù)合板具有良好的折彎、焊接性能，可以運用于絕大多數(shù)純不銹鋼板工程運用的場合。由于三種工藝復(fù)合的機(jī)理有差異，一般而言，爆炸復(fù)合適合于生產(chǎn)厚板，產(chǎn)品用于高壓高溫容器，如核反應(yīng)堆的殼體、化工行業(yè)的反應(yīng)釜等。熱軋復(fù)合適合于生產(chǎn)中板，產(chǎn)品適應(yīng)中低壓容器和壁厚較大的常壓設(shè)備，如煙氣脫硫裝置、中低壓反應(yīng)釜、工業(yè)罐槽等；冷軋復(fù)合板適合于生產(chǎn)高精度的薄板，用于常壓容器和裝飾面板，如電梯轎廂、機(jī)場行李輸送帶、食品機(jī)械、醫(yī)藥機(jī)械、日用櫥柜等。冷軋復(fù)合板還具有良好的深沖性能，可以用來生產(chǎn)日用器皿，如水壺、炒鍋等。這類器皿可以在電磁爐上使用（純不銹鋼制品沒有這個功能）。

不銹鋼/碳鋼復(fù)合板目前在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要是門窗。隨著不銹鋼/碳鋼復(fù)合板的生產(chǎn)能力的提高，成本會進(jìn)一步下降，其在建筑主結(jié)構(gòu)用鋼上的應(yīng)用也是指日可待。

參考文獻(xiàn)

[1]依據(jù)百度百科《復(fù)合材料》詞條摘編.

[2]吳成.《Q235/304不銹鋼復(fù)合熱軋板有限元模擬研究》

[3]劉耀輝，劉海峰，于思榮.液固結(jié)合雙金屬復(fù)合材料界面研究[J].機(jī)械工程學(xué)報 2000（7）

[4]張健，張立君，王萬君.反向凝固鋼法生產(chǎn)復(fù)合奧氏體不銹鋼薄帶的研究，2000（05）

[5]趙紅亮，齊克敏，高德福，溫景林，張健，許中波，王新華.反向凝固復(fù)合不銹鋼帶的軋制工藝及界面結(jié)合[期刊論文]-鋼鐵研究學(xué)報 2000（1）

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[7]竹內(nèi)榮一，桅罔博辛，漱夕昌文.Continuous Casting of Bimetallic Slab with Level Magnetic field1994（07）