影響雙金屬軋制復(fù)合結(jié)合強(qiáng)度的工藝因素綜述★

李晉

（呂梁學(xué)院， 山西 呂梁 033000）

影響雙金屬軋制復(fù)合結(jié)合強(qiáng)度的工藝因素綜述★

李晉

（呂梁學(xué)院， 山西 呂梁 033000）

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對(duì)雙層不銹鋼復(fù)合板與碳鋼、不銹鋼及其三層板的軋制復(fù)合過(guò)程的冷軋退火進(jìn)行研究，闡述了影響軋制工藝的綜合性因素，以便于能夠提高雙金屬層狀型復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度，從而能夠提高雙金屬的復(fù)合軋制工藝效率。

復(fù)合材料 雙金屬 工藝技術(shù) 軋制復(fù)合 界面結(jié)合強(qiáng)度

1 雙金屬?gòu)?fù)合軋制材料的研究及其發(fā)展現(xiàn)狀

雙金屬?gòu)?fù)合材料是一種由異種或同種金屬通過(guò)在界面上實(shí)施冶金工序而形成的新型材料，其中層狀的復(fù)合板有軋制復(fù)合技術(shù)、噴射沉積方法、爆炸焊接、液-固軋制復(fù)合、等離子體活化燒結(jié)等加工工藝方法，具有組元金屬的獨(dú)有特點(diǎn)。目前，在航天航空、電子電器、機(jī)械、冶金等領(lǐng)域內(nèi)對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合材料的使用頻率越來(lái)越高，但研究的方向（如缺少材料參數(shù)和軋制工藝參數(shù)對(duì)材料復(fù)合的影響、組織均勻性、穩(wěn)定性、力學(xué)性能等研究）和生產(chǎn)技術(shù)、軋制工藝（如變形后的熱處理制度不完善等）等問(wèn)題也相繼出現(xiàn)。

2 影響雙金屬軋制復(fù)合的工藝因素

2.1 軋制溫度

在雙金屬的軋制過(guò)程中，一般有熱軋和冷軋兩種生產(chǎn)工藝，其中熱軋對(duì)于不同種類的金屬?gòu)?fù)合中出現(xiàn)的表面凹痕、劃痕、表層材料的激活、結(jié)合緊密度等質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有著極好的效果，能夠?qū)⒔饘俚乃苄巍⒆冃文芰μ岣?，同時(shí)還能降低軋制力。但是由于其溫度的影響將會(huì)在復(fù)合材料的表面形成氧化物（軋制的溫度越高，所形成的金屬氧化物越厚），而此類型氧化物在后續(xù)工藝流程（如退火處理）中不能夠充分溶解，削弱了復(fù)合金屬材料的界面結(jié)合效果，從而嚴(yán)重地影響著雙金屬?gòu)?fù)合材料的界面強(qiáng)度。而冷軋復(fù)合是在熱軋復(fù)合的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的一種復(fù)合加工工藝，其在軋制復(fù)合過(guò)程中要求溫度要低，這樣就能夠減少在軋制復(fù)合過(guò)程中的結(jié)合相變、脆性金屬間的化合物、顯微組織變化等現(xiàn)象，讓復(fù)合后的金屬材料的厚度變得均勻、結(jié)合面平坦而沒(méi)有浪形、產(chǎn)品的質(zhì)量和性能更好。

2.2 軋制變形率

軋制的變形率與界面強(qiáng)度之間在軋制復(fù)合的過(guò)程中將會(huì)形成一種成正比的關(guān)系。將兩種異種、界面剝離強(qiáng)度不同的金屬材料進(jìn)行軋制復(fù)合時(shí)，界面強(qiáng)度會(huì)隨著變形率的增大而增大，但是當(dāng)變形率達(dá)到一定的程度時(shí)，界面的結(jié)合強(qiáng)度的增速會(huì)減緩。通過(guò)現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，金屬變形率在40%以下是不能通過(guò)軋制而得到復(fù)合金屬材料的，一般組元金屬需要實(shí)現(xiàn)軋制復(fù)合的最小壓下率（臨界變形率）不得少于50%。據(jù)研究數(shù)據(jù)表明，界面強(qiáng)度和金屬變形率之間的正比關(guān)系所形成的原因在于金屬材料在復(fù)合軋制過(guò)程中的表面處理環(huán)節(jié)會(huì)出現(xiàn)加工硬化層（其塑性比基體金屬低），而新鮮金屬（界面兩側(cè)的）通過(guò)越來(lái)越大的正面壓力作用下會(huì)隨著變形率的增加被擠出得越來(lái)越多，相應(yīng)的就會(huì)出現(xiàn)較多的金屬界面激活點(diǎn)，從而促就了界面的結(jié)合性能越來(lái)越強(qiáng)。

2.3 退火處理

軋制復(fù)合一般包括了接觸表面的擴(kuò)散、激活階段、物理接觸階段三個(gè)階段。在雙金屬?gòu)?fù)合軋制過(guò)程中，對(duì)金屬的結(jié)合界面進(jìn)行退火處理，將會(huì)消除界面氧化物、空洞等缺陷及其內(nèi)部的殘余應(yīng)力，從而能夠一定程度上地提高復(fù)合板材的成形性能。而退火的時(shí)間和溫度是退火處理工藝的關(guān)鍵性參數(shù)，這就在剪切強(qiáng)度與退后處理之間形成了一種較為復(fù)雜的曲線關(guān)系，即雙金屬?gòu)?fù)合材料的界面強(qiáng)度會(huì)隨著退火的時(shí)間變長(zhǎng)和溫度的升高出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于界面兩側(cè)的金屬原子受熱激活形成擴(kuò)散作用，讓其在界面處逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿У木Ц耦愋蜕踔两缑鎸樱?dāng)溫度和時(shí)間都在不斷增加時(shí)，再結(jié)晶晶粒會(huì)因其體積逐漸粗大而在界面處發(fā)生Kirkendall效應(yīng)，產(chǎn)生脆性的氧化物，進(jìn)而影響著界面的強(qiáng)度［2］。

3 多層不銹鋼復(fù)合板熱復(fù)合的有限元模擬試驗(yàn)

3.1 Marc非線性有限元分析方式

在Marc非線性有限元分析方式中，采用數(shù)值分析的手段，對(duì)三層不銹鋼型復(fù)合板料進(jìn)行復(fù)合過(guò)程的數(shù)值（金屬材料的軋制復(fù)合界面處于彈性狀態(tài)，應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性變化，應(yīng)變與位移產(chǎn)生微小的數(shù)值等）模擬分析，在現(xiàn)了軋制復(fù)合的過(guò)程，通過(guò)監(jiān)測(cè)復(fù)合界面的再結(jié)晶的節(jié)點(diǎn)、交叉點(diǎn)等內(nèi)容，比較分析了此類型的復(fù)合板在復(fù)合軋制過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的變化。例如，在退火處理過(guò)程中，以持續(xù)十分鐘的400℃退火溫度，復(fù)合金屬材料的拉伸強(qiáng)度和位移成正比的變化；當(dāng)退火溫度以200℃持續(xù)1 h時(shí)，復(fù)合板的拉伸強(qiáng)度有所下降，延伸率少量增加（如圖1）。

圖1 不同退火條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

3.2 增加彎曲單元的方式

通過(guò)對(duì)增加彎曲單元前后的界面殘余應(yīng)力進(jìn)行比較、分析，同時(shí)研究相關(guān)的軋制速度、壓彎量、輥徑、單元輥距、彎曲降應(yīng)力等方面的而變化，探討和總結(jié)出復(fù)合板在熱軋完畢后的最最小殘余力值的方案。例如，將需要復(fù)合軋制的金屬材料經(jīng)過(guò)表面處理后疊合固定，進(jìn)行冷軋復(fù)合，每道次壓下量控制在50%左右，然后將所得的復(fù)合板材進(jìn)行切割—重復(fù)地工藝軋制。這時(shí)，當(dāng)累積的應(yīng)變量達(dá)到了較大的值時(shí)將會(huì)獲得極大的壓下量，甚至有可能會(huì)突破傳統(tǒng)軋制復(fù)合工藝的壓下量限制。

3.3 有限元模擬研究方法

對(duì)雙面不銹鋼的冷軋過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，主要模擬內(nèi)容為小道次壓下界面強(qiáng)度的變化，并將其結(jié)果與實(shí)際相同的壓下率軋制過(guò)程及其效果進(jìn)行宏觀上的對(duì)比。在其他條件相同的情況下，雙金屬?gòu)?fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度一般情況下是與壓下率成反比的，即當(dāng)壓下率越高，結(jié)合強(qiáng)度就越高；但是，如果壓下率過(guò)大將會(huì)導(dǎo)致復(fù)合板出現(xiàn)極大程度上的裂邊。如，將金屬材料的復(fù)合軋制過(guò)程中的溫度控制在410～430℃，壓下率控制在50%～60%左右，這樣軋制出來(lái)的金屬?gòu)?fù)合板的界面強(qiáng)度最佳，在45～50 MPa左右，再經(jīng)過(guò)彎曲實(shí)驗(yàn)后，復(fù)合板沒(méi)有分離或開裂的現(xiàn)象出現(xiàn)（如圖2）。

圖2 軋制溫度對(duì)復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的影響

3.4 采用實(shí)驗(yàn)研究的方式

本文將會(huì)采用母材處理—剪切—表面處理—打孔—吹干疊合—打破口—軋制—復(fù)合板材處理的循環(huán)工藝流程（反向凝固復(fù)合技術(shù)）試驗(yàn)，主要對(duì)不銹鋼、碳鋼二層復(fù)合板、不銹鋼、碳鋼、不銹鋼三層復(fù)合板的軋制過(guò)程和退火工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)軋制前后、退火后界面組織、拉伸斷面等內(nèi)容進(jìn)行觀察，分析復(fù)合板彎曲與拉伸性能、復(fù)合面元素的變化和受影響情況，得出應(yīng)變曲線與拉伸應(yīng)力曲線、材料力學(xué)的性能與不同工藝之間的關(guān)系。在經(jīng)過(guò)基本的處理后，利用透射電子顯微鏡對(duì)完全退火狀態(tài)的碳鋼—不銹鋼各道次軋制后的金屬層進(jìn)行顯微組織分析，測(cè)量其晶粒尺寸、晶界交點(diǎn)數(shù)，并求取其平均數(shù)值。

在進(jìn)行拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試樣的兩端逐漸而緩慢地施加拉伸荷載，得到金屬材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線；然后將經(jīng)過(guò)軋制復(fù)合的試樣用游標(biāo)卡尺測(cè)量出其原始的長(zhǎng)度、厚度和寬度，再在電子拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，這樣就能得到相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變的數(shù)值（如下頁(yè)圖3、圖4）。在進(jìn)行退火處理的實(shí)驗(yàn)時(shí)，退火溫度600℃保持1 h左右，鋼層就會(huì)發(fā)生完全的再結(jié)晶；當(dāng)溫度降到400～600℃并持續(xù)60 min后，不銹鋼—碳鋼—不銹鋼的界面結(jié)合度就會(huì)達(dá)到最大值9個(gè)力/mm；在溫度超過(guò)600℃時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度就會(huì)急速下降為2.7個(gè)力/mm。

圖3 拉伸試樣圖（mm）

圖4 剪切試樣圖（mm）

4 復(fù)合板軋制工藝的問(wèn)題及解決辦法

4.1 復(fù)合軋制的工藝問(wèn)題

目前，不銹鋼三層復(fù)合板的軋制復(fù)合過(guò)程中，最關(guān)鍵的問(wèn)題是工藝流程的問(wèn)題，如軋制復(fù)合的結(jié)合界面容易出現(xiàn)不銹鋼層增碳、脆性金屬化合物、產(chǎn)品質(zhì)量較差、結(jié)合強(qiáng)度不高等現(xiàn)象；在進(jìn)行退火處理等熱處理工藝時(shí)，未充分消除的殘余應(yīng)力控制或處理不當(dāng)極易產(chǎn)生碳化物、金屬化合物等；復(fù)合板內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力將會(huì)因碳鋼與不銹鋼之間的物理性能差異而造成結(jié)合界面的開裂、晶粒的擴(kuò)散效果不佳等。

4.2 復(fù)合軋制工藝流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在對(duì)不銹鋼、碳鋼等金屬材料進(jìn)行軋制復(fù)合時(shí)，可以結(jié)合傳統(tǒng)制備工藝中的爆炸軋制復(fù)合等方法與新型的反向凝固、釬焊等方法進(jìn)行生產(chǎn)線上的有效排列組合，打破制備方法中的傳統(tǒng)、固定工藝流程，在傳統(tǒng)與新型工藝方法中取長(zhǎng)補(bǔ)短、重新規(guī)劃設(shè)計(jì)軋制的生產(chǎn)流程，形成一個(gè)完善的可持續(xù)循環(huán)、智能化、自動(dòng)化的生產(chǎn)流水線［3］。不僅如此，還應(yīng)積極研發(fā)能耗低、結(jié)合強(qiáng)度高、界面氧化物減少的工藝方法，將連續(xù)性融入進(jìn)熱處理工藝之中，以便于能夠降低成本、制造出緊湊的工藝流程，形成良性的連續(xù)性循環(huán)批量生產(chǎn)模式。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著復(fù)合金屬材料的制備工藝和產(chǎn)品性能上的優(yōu)勢(shì)與影響，不銹鋼—碳鋼—不銹鋼多層復(fù)合板材的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地拓展開來(lái)，且傳統(tǒng)的軋制工藝也趨于成熟。但是在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步這一背景下，市場(chǎng)對(duì)多層金屬?gòu)?fù)合板材的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)在的制備工藝，這就需要從軋制工藝的流程上入手，如將冷軋復(fù)合與液-液復(fù)合、爆炸復(fù)合與釬焊復(fù)合等方式相結(jié)合，采用反向凝固、生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化、智能化循環(huán)箱結(jié)合的工藝流程，從根本上解決生產(chǎn)規(guī)模不夠大、產(chǎn)品總體質(zhì)量不高與市場(chǎng)需求之間的矛盾，進(jìn)而能夠有效地維持市場(chǎng)秩序，促進(jìn)社會(huì)及其經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)循環(huán)發(fā)展。

［1］ 楊松濤.影響雙金屬軋制復(fù)合結(jié)合強(qiáng)度的工藝因素綜述［J］.有色金屬加工，2013（6）:42.

［2］ Mohsen Abbasi.Effects of Processing parameters on the bond strength of Cu/Cu roll-bonded strips［J］.Journal of materials processingTechnology，2010（210）：560-563.

［3］ 王立新，李國(guó)平.鈦鋼不銹鋼復(fù)合板生產(chǎn)發(fā)展及展望.［J］.中國(guó)冶金，2011（2）：5-10.

（編輯：苗運(yùn)平）

Review on the Technological Factors Influencing the Composite Strength of Bimetal Roll-bonding

LI Jin
（Luliang University，Lvliang Shanxi 033000）

Combining with the research methods of experimental analysis and numerical simulation，cold rolling and annealing during the roll-bonding process of double layer stainless steel composite plate and carbon steel，stainless steel and three-layered plate are studied，and explains the comprehensive factors influencing the rolling process，in order to improve the interface bonding strength of bimetal layered composite material，and improve efficiency of the composite rolling process of bimetal.

composite materials，bimetal，technological process，roll-bonding，interface bonding strength

TG335.19

A

1672-1152（2016）05-0056-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.21

2016-10-15

呂梁學(xué)院自然科學(xué)基金（ZRQN201507）

李晉（1987—），男，畢業(yè)于太原科技大學(xué)，碩士學(xué)位，助教，研究方向：現(xiàn)代軋制設(shè)備設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)。