鋁合金釬焊復(fù)合板冷軋工藝分析及軋制力計(jì)算

孫 鵬

(洛陽(yáng)有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南洛陽(yáng)471039)

鋁合金釬焊復(fù)合板是將鋁合金釬料復(fù)合到一塊鋁合金板上，釬焊加熱時(shí)釬料熔化而鋁合金板不熔化，目前市場(chǎng)上的釬焊復(fù)合板主要采用的是4343/3003/4343鋁合金。釬焊復(fù)合材料具有單一金屬材料無(wú)可比擬的優(yōu)異的綜合性能，因而在不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，需求也在不斷增長(zhǎng)。本文將介紹其冷軋復(fù)合的工藝方法及軋制力的計(jì)算結(jié)果。

1 鋁合金釬焊板冷軋復(fù)合工藝方法

目前，冷軋復(fù)合多采用“三步法”軋制，即表面處理→軋制復(fù)合→退火處理。冷軋復(fù)合時(shí)通常采取一個(gè)道次的大變形量軋制，其優(yōu)點(diǎn)是冷軋復(fù)合工藝流程短，能耗低，生產(chǎn)效率高;板帶材料寬度方向包覆層均勻，成材率高;投入資金少，風(fēng)險(xiǎn)低;可以避免金屬間脆性化合物的形成。目前，國(guó)內(nèi)用冷軋復(fù)合方法生產(chǎn)鋁合金釬焊復(fù)合板的生產(chǎn)廠家還很少，此方向的市場(chǎng)潛力巨大，其生產(chǎn)設(shè)備布置見(jiàn)圖1。

圖1 Fig.1

2 鋁合金釬焊板冷軋復(fù)合工藝過(guò)程影響因素

冷軋復(fù)合工藝過(guò)程的三個(gè)主要工序表面處理、軋制復(fù)合和退火處理，同時(shí)也是影響鋁合金釬焊復(fù)合板性能的關(guān)鍵工藝因素。

2.1 表面處理

表面處理的目的是去除板材表面油污，形成硬化層，增大結(jié)合表面積，以提高復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度，為物理接觸的形成階段創(chuàng)造條件。表面處理常用方法是機(jī)械法和化學(xué)法，而機(jī)械法中采用最多的是鋼刷打磨。本公司與某鋁業(yè)公司合作開(kāi)發(fā)的 Φ850×1500mm鋁合金釬焊復(fù)合板冷復(fù)合機(jī)組就采用了鋼刷打磨的機(jī)械法。

2.2 冷軋復(fù)合

冷軋復(fù)合中，軋制加工率和軋制速度的合理配合是關(guān)鍵。針對(duì)不同材料，其臨界變形率ε不同，對(duì)于熱雙金屬而言ε≈60%;而銅鋁復(fù)合板ε≈37%。相關(guān)資料顯示，鋁合金釬焊復(fù)合板的冷軋加工率在50%時(shí)復(fù)合效果最佳，而且道次加工率對(duì)抗下垂性影響很大。軋制速度具有雙重作用，一方面速度高可以提高界面溫度，有利于組元金屬的復(fù)合;同時(shí)高軋制速度縮短了界面結(jié)合的有效時(shí)間，導(dǎo)致界面接觸時(shí)間不足，又不利于金屬間的復(fù)合。雖然低速?gòu)?fù)合有利于增加界面結(jié)合強(qiáng)度，但影響生產(chǎn)效率，本公司與某鋁業(yè)公司合作開(kāi)發(fā)的Φ850×1500mm鋁合金釬焊復(fù)合板冷復(fù)合機(jī)組冷軋速度確定為5～10 m/min。

2.3 退火處理

軋制復(fù)合過(guò)程分為物理接觸、接觸表面的激活和擴(kuò)散三個(gè)階段。軋制復(fù)合后的界面結(jié)合屬于機(jī)械物理結(jié)合，需要進(jìn)行退火處理實(shí)現(xiàn)機(jī)械復(fù)合向冶金結(jié)合的轉(zhuǎn)變。這不僅可消除缺陷(界面空洞、氧化物夾雜)和內(nèi)部殘余應(yīng)力，在兩側(cè)形成一定深度的擴(kuò)散層，還可增強(qiáng)界面的結(jié)合強(qiáng)度，提高板材成形性能。退火溫度和時(shí)間是復(fù)合板退火工藝的關(guān)鍵參數(shù)，本公司與某鋁業(yè)公司合作開(kāi)發(fā)的Φ850×1500mm鋁合金釬焊復(fù)合板冷復(fù)合機(jī)組采用的退火溫度為360～400℃ ，保溫時(shí)間40～60min。

3 4343/3003/4343復(fù)合軋機(jī)帶材軋制力計(jì)算

3.1 材料室溫和高溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)

3003合金(芯材)室溫下的屈服強(qiáng)度約為75～80MPa，50%加工率下加工硬化作用使其屈服強(qiáng)度增大至175 MPa左右。4343合金(皮材)的屈服強(qiáng)度略高于3003合金，在皮材和芯材原始層厚比約為1︰10的復(fù)合過(guò)程中，可忽略皮材的塑性變形，計(jì)算時(shí)按照芯材來(lái)計(jì)算。

3.2 軋制力及力矩計(jì)算

計(jì)算條件為，皮材(4343)0.6×1350 mm，芯材(3003)5.5×1350 mm，軋輥直徑 Ф850mm(兩輥)，室溫軋制，軋制變形率50%，軋制速度10m/min。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算過(guò)程及結(jié)果為:軋前厚度H=6.70mm，軋后厚度 h=3.35mm，平均厚度=H+h/2=5.03mm，絕對(duì)壓下量△h=3.35mm，道次加工率ε=△h/H=50%，軋輥半徑R=425mm，咬入弧長(zhǎng)水平投影=37.73mm，軋件平均寬度B=1350mm，接觸面積水平投影F=B×l=50939.03mm2，變形區(qū)幾何形狀系數(shù) φ==7.51，摩擦系數(shù) μ =0.15，應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)1.77，軋前金屬屈服極限σs1=100MPa，軋后金屬屈服極限σs2=170MPa，平均屈服極限 σs=(σs1+2×σs2)/3=146.67MPa，平均張應(yīng)力 σp=0MPa，平面變型抗力 K=1.15σs－σp=168.67MPa，平均單位壓力=nσ×K=298.55MPa，軋制力 P=×F=15207.84KN，力臂系數(shù) x=0.42，軋制力矩 M=2P ×x×l=481.98KN·m。

經(jīng)與某鋁業(yè)公司相關(guān)工藝人員探討，針對(duì)此次本公司與某鋁業(yè)公司合作開(kāi)發(fā)的Ф850×1500mm鋁合金釬焊復(fù)合板冷復(fù)合機(jī)組最終確定軋制力為P=16000kN。這一主要力學(xué)參數(shù)的確定也為整個(gè)機(jī)組的設(shè)備設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著對(duì)釬焊鋁合金復(fù)合加工工藝及裝備研究的深入，我公司對(duì)冷復(fù)合軋制設(shè)備的研究也將更加深入，國(guó)內(nèi)冷復(fù)合軋制設(shè)備將會(huì)取得更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。

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