CN110665969B - 一种高性能钛/钢双金属复合板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高性能钛/钢双金属复合板的制备方法，属于双金属复合板制备技术领域。对纯钛板坯和低碳钢板坯进行退火处理，降低坯料硬度且使二者的硬度接近，然后对坯料待复合表面进行清洗脱脂并打磨成形，打磨条纹方向垂直于轧向，再将纯钛板坯和低碳钢板坯层叠放置获得组合坯料，对组合坯料头部铆接，接着对组合坯料进行单道次冷轧预复合，随后加热，最后进行单道次热轧终复合，获得高性能的钛/钢双金属复合板。本发明设备要求低，工艺流程短，生产效率高，生产成本低，制备的钛/钢双金属复合板的界面结合强度＞230MPa、面积结合率为100％，特别适用于高性能薄厚度钛/钢双金属复合板或薄钛层钛/钢双金属复合板的制备。

Description

一种高性能钛/钢双金属复合板的制备方法
技术领域
本发明属于双金属复合板制备技术领域，特别是提供了一种高性能钛/钢双金属复合板的制备方法。
背景技术
钛板与钢板以层状方式叠合而成的钛/钢双金属复合板不仅具有钛的优良耐腐蚀性，还兼有钢的高强度、低成本等优点，在石油、化工和造船等领域具有广泛用途。
目前，制备钛/钢双金属复合板的方法主要是***复合法和热轧复合法。***复合法因为能量消耗大、环境污染严重以及存在安全隐患等问题已逐渐被热轧复合法所取代。传统的热轧复合法是将钛板和钢板的待复合表面进行机械处理后组坯，接着对待复合界面四周进行焊接抽真空，再将坯料加热到一定温度后保温，最后进行多道次热轧。尽管传统热轧复合法解决了***复合法具有的环境污染、成材率低和无法生产大尺寸大卷重或薄厚度钛/钢双金属复合板等问题，但仍然存在以下主要问题：
(1)钛板和钢板的待复合界面在高温条件下易与空气中的氧反应生成氧化物，影响复合质量，所以传统热轧复合法需要将坯料待复合界面四周焊接并抽真空或者在真空环境下将坯料待复合界面四周焊合以避免加热或热轧时复合界面发生氧化，对设备要求高且工艺繁琐，生产效率低。
(2)传统热轧复合法需要进行多道次热轧，总压下量＞90％，一般要求开轧温度＞900℃且终轧温度不能低于750℃，而当温度达到882℃时，钛将发生α→β的相变，超过882℃时钛和钢的界面处易生成TiC和Ti-Fe相等脆性金属间化合物，特别是Ti-Fe相的生成会严重影响钛/钢双金属复合板的界面结合强度，所以传统热轧复合法有时会在钛和钢之间添加铜、镍或铌等过渡层来阻止钛和钢直接接触，避免界面处生成Ti-Fe相；过渡层的加入提高了原料成本，降低了生产效率，而且过渡层会与钛和钢反应生成新的金属间化合物，导致界面结合强度不稳定。
因此，针对传统钛/钢双金属复合板制备中存在的上述问题，开发一种可低成本、高效率制备出性能优异的钛/钢双金属复合板的方法，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能钛/钢双金属复合板的制备方法，该方法不需要对组合坯料的待复合界面四周进行焊接，也不需要进行抽真空处理，同时也不需要添加过渡层，可以直接采用单张形式的纯钛板坯和低碳钢板坯为原材料，低成本、高效率制备出界面结合强度高的钛/钢双金属复合板。
根据本发明的第一方面，提供一种高性能钛/钢双金属复合板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：对纯钛板坯和低碳钢板坯进行退火处理，使得所述纯钛板坯的硬度＜180HV、所述低碳钢板坯的硬度＜160HV，且所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的硬度差＜20HV。通过退火处理调整板坯硬度可显著降低钛/钢坯料的冷轧临界压下量；
步骤2：采用百叶片、砂轮或磨轮对表面清洗脱脂后的所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的待复合表面进行打磨处理，去除待复合表面的污染物和氧化层，获得洁净、粗糙的待复合表面，打磨处理形成的打磨条纹方向垂直于轧向；
步骤3：将待复合表面处理后的所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯以上下层叠方式放置，用铝铆钉对所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的头部两侧进行铆接固定，获得组合坯料，所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的长度和宽度相等，所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的厚度匹配由所需制备钛/钢双金属复合板的层厚比确定；
步骤4：对所述组合坯料进行单道次冷轧预复合，获得钛/钢双金属冷轧预复合板；
步骤5：对所述钛/钢双金属冷轧预复合板进行加热并保温；
步骤6：对加热后的所述钛/钢双金属冷轧预复合板进行单道次热轧终复合，随后空冷至室温，获得所述钛/钢双金属复合板。
进一步的，所述步骤4中，冷轧速度＜0.1m/s、冷轧压下量为35％～60％。轧速＜0.1m/s可显著降低所述钛/钢坯料冷轧预复合的临界压下量，同时根据坯料初始厚度控制冷轧压下量为35％～60％，保证所述钛/钢坯料实现冷轧预复合且界面具有一定结合强度。
进一步的，所述步骤5中，加热温度为840～880℃、保温时间为10～40min。加热温度控制在840～880℃不仅可避免钛发生β相变，防止界面生成Ti-Fe相损害界面结合质量，还可以使所述钛/钢双金属预复合板界面软化，促进界面原子扩散，提高界面结合强度。保温10～40min的目的是保证所述钛/钢双金属冷轧预复合板温度均匀的同时防止界面生成大量TiC损害界面结合质量。
进一步的，所述步骤6中，热轧速度＞0.2m/s、热轧压下量为20％～60％。考虑所述钛/钢双金属冷轧预复合板厚度较小，热轧时温降较快，为避免温降影响界面结合质量，要求热轧速度＞0.2m/s，同时尽量提高热轧压下量，促进界面原子扩散，提高所述钛/钢双金属复合板的界面结合强度。
进一步的，所述低碳钢为Q235、Q275或20#，厚度为1～10mm；所述纯钛为TA1、TA2、TA3或TA10，厚度为0.2～3mm。通过合理匹配钛复层和钢基层的厚度，可以保证所述钛/钢双金属复合板的耐腐蚀性能和力学性能的同时降低成本。
进一步的，所述钛/钢双金属冷轧预复合板的界面微观形貌为相互嵌合的锯齿状结构，锯齿高度为1～5μm，不仅有利于钛/钢界面机械啮合，同时增大界面接触面积，有利于热轧时钛/钢界面的原子扩散。
进一步的，所述钛/钢双金属复合板的厚度为0.3～5mm，所述纯钛的厚度与所述钛/钢双金属复合板的厚度之比为1％～50％，所述低碳钢的厚度与所述钛/钢双金属复合板的厚度之比为50％～99％。保证所述钛/钢双金属复合板的综合性能的同时降低了厚度，扩展所述钛/钢双金属复合板的应用领域。
进一步的，所述钛/钢双金属复合板的复合界面没有Ti-Fe相，仅有少量TiC，复合界面原子扩散层厚度为3～5μm，界面实现了良好的冶金结合。所述钛/钢双金属复合板的界面结合强度＞230MPa、面积结合率为100％，达到国家标准GB/T8547-2006《钛-钢复合板》中0类钛/钢复合板的要求。
进一步的，对所述钛/钢双金属复合板进行矫直、切边和表面修磨。
根据本发明的第二方面，提供一种高性能钛/钢双金属复合板，其特征在于，所述高性能钛/钢双金属复合板采用根据以上任一方面所述的制备方法获得。
根据国家标准GB/T 6396-2008《复合钢板力学及工艺性能试验方法》检测所述TA2钛/Q235钢双金属复合板的界面结合强度；根据国家标准GB/T 8547-2006《钛-钢复合板》，采用水浸法进行超声波探伤，检测所述TA2钛/Q235钢双金属复合板的面积结合率。
本发明的有益效果为：
(1)本发明首先通过退火处理降低坯料的硬度和变形抗力，降低了钛/钢坯料冷轧预复合的临界压下量。然后通过单道次冷轧预复合使钛/钢界面紧密贴合，隔绝了空气，防止界面在后续单道次热轧终复合过程中氧化。由于单道次冷轧预复合制备的钛/钢双金属预复合板的界面结合强度不高，最后再通过单道次热轧终复合可显著提高钛/钢双金属复合板的界面结合强度。通过退火处理、单道次冷轧预复合和单道次热轧终复合的巧妙组合，简单高效制备获得钛/钢双金属复合板。
(2)本发明采用冷轧方式进行纯钛板坯和低碳钢板坯的预复合，排出纯钛和低碳钢待复合界面中的空气，避免了后续加热和热轧过程中纯钛和低碳钢之间的界面发生氧化，前处理简单方便，设备要求低，生产效率高，界面更洁净。
(3)本发明采用冷轧制备的钛/钢双金属冷轧预复合板的复合界面为锯齿状结构，增大了纯钛和低碳钢复合界面的接触面积，有利于后续加热和热轧时复合界面间原子扩散，提高热轧时复合界面间的相互作用，并且通过控制热轧之前的加热温度和保温时间，避免了纯钛和低碳钢复合界面处Ti-Fe相的生成，仅采用轧制的方式制备出界面结合强度＞230MPa、面积结合率为100％的高性能钛/钢双金属复合板。
(4)本发明制备钛/钢双金属复合板时，不需要在纯钛和低碳钢之间添加过渡层，不用进行多道次热轧，无需后续扩散热处理，生产工艺简单，生产流程短，节约能源，原材料利用率高，生产成本低。
(5)本发明制备的钛/钢双金属复合板的层厚比和纯钛层的厚度均匀性易于控制，钛/钢双金属复合板的质量高。
(6)本发明能获得传统方法难以制备的钛/钢双金属复合板，特别适用于高性能薄厚度钛/钢双金属复合板或薄钛层钛/钢双金属复合板的制备。
附图说明
图1为根据本发明的高性能钛/钢双金属复合板的制备方法流程图。
图2为TA2钛/Q235钢冷轧预复合板界面相互嵌合的锯齿状结构形貌图。
图3为TA2钛/Q235钢热轧复合板界面的组织形貌图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，根据本发明的高性能钛/钢双金属复合板的制备方法，包括如下步骤：
步骤101：对纯钛板坯和低碳钢板坯进行退火处理，使得所述纯钛板坯的硬度＜180HV、所述低碳钢板坯的硬度＜160HV，且所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的硬度差＜20HV；
步骤102：采用百叶片、砂轮或磨轮对表面清洗脱脂后的所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的待复合表面进行打磨处理，去除待复合表面的污染物和氧化层，获得洁净、粗糙的待复合表面，打磨处理形成的打磨条纹方向垂直于轧向；
步骤103：将待复合表面处理后的所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯以上下层叠方式放置，用铝铆钉对所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的头部两侧进行铆接固定，获得组合坯料，所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的长度和宽度相等，所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的厚度匹配由所需制备钛/钢双金属复合板的层厚比确定；
步骤104：对所述组合坯料进行单道次冷轧预复合，冷轧速度＜0.1m/s、冷轧压下量为35％～60％，获得钛/钢双金属冷轧预复合板；
步骤105：对所述钛/钢双金属冷轧预复合板进行加热，加热温度为840～880℃、保温时间为10～40min；
步骤106：对加热后的所述钛/钢双金属冷轧预复合板进行单道次热轧终复合，热轧速度＞0.2m/s、热轧压下量为20％～60％，随后空冷至室温，获得所述钛/钢双金属复合板。
低碳钢为Q235、Q275或20#，厚度为1～10mm；纯钛为TA1、TA2、TA3或TA10，厚度为0.2～3mm。钛/钢双金属冷轧预复合板的界面微观形貌为相互嵌合的锯齿状结构(如图2所示)，锯齿高度为1～5μm。
钛/钢双金属复合板的厚度为0.3～5mm，纯钛层厚比(所述纯钛的厚度与所述钛/钢双金属复合板的厚度之比)为1％～50％，低碳钢层厚比(所述低碳钢的厚度与所述钛/钢双金属复合板的厚度之比)为50％～99％。
钛/钢双金属复合板的复合界面没有Ti-Fe相，仅有少量TiC，复合界面原子扩散层厚度为3～5μm，所述钛/钢双金属复合板的界面结合强度＞230MPa、面积结合率为100％(如图3所示)。对钛/钢双金属复合板进行矫直、切边和表面修磨。
实施例1
制备TA2钛/Q235钢双金属复合板。
对1mm厚的TA2纯钛板坯和4.5mm厚的Q235低碳钢板坯进行退火处理，TA2纯钛板坯的退火制度为750℃保温0.5h后炉冷，退火后硬度为148HV，Q235低碳钢板坯的退火制度为870℃保温0.5h后炉冷，退火后硬度为136HV；采用百叶片对退火且表面清洗脱脂后的TA2纯钛板坯和Q235低碳钢板坯的待复合表面进行机械打磨处理，去除待复合表面的污染物和氧化层，获得洁净、粗糙的待复合表面，打磨处理形成的打磨条纹方向垂直于轧向；将待复合表面处理后的TA2纯钛板坯和Q235低碳钢板坯以上下层叠方式放置，用铝铆钉对TA2纯钛板坯和Q235低碳钢板坯的头部两侧进行铆接固定，获得组合坯料，TA2纯钛板坯和Q235低碳钢板坯的长度和宽度相等；对组合坯料进行单道次冷轧预复合，冷轧速度为0.04m/s、冷轧压下量为49％，获得TA2钛/Q235钢双金属冷轧预复合板(如图2所示)；对TA2钛/Q235钢双金属冷轧预复合板进行加热，加热温度为850℃、保温时间为15min；对加热后的TA2钛/Q235钢双金属冷轧预复合板进行单道次热轧终复合，热轧速度为0.5m/s、热轧压下量为30％，随后空冷至室温，获得纯钛层厚比为18％的TA2钛/Q235钢双金属复合板。根据国家标准GB/T6396-2008《复合钢板力学及工艺性能试验方法》测得所述TA2钛/Q235钢双金属复合板的界面结合强度为234MPa；根据国家标准GB/T 8547-2006《钛-钢复合板》，采用水浸法进行超声波探伤，测得所述TA2钛/Q235钢双金属复合板的面积结合率为100％。
实施例2
制备TA1钛/Q235钢双金属复合板。
对2mm厚的TA1纯钛板坯和4mm厚的Q235低碳钢板坯进行退火处理，TA1纯钛板坯的退火制度为750℃保温0.5h后炉冷，退火后硬度为140HV，Q235低碳钢板坯的退火制度为920℃保温0.5h后炉冷，退火后硬度为132HV；采用砂轮对退火且表面清洗脱脂后的TA1纯钛板坯和Q235低碳钢板坯的待复合表面进行机械打磨处理，去除待复合表面的污染物和氧化层，获得洁净、粗糙的待复合表面，打磨处理形成的打磨条纹方向垂直于轧向；将待复合表面处理后的TA1纯钛板坯和Q235低碳钢板坯以上下层叠方式放置，用铝铆钉对TA1纯钛板坯和Q235低碳钢板坯的头部两侧进行铆接固定，获得组合坯料，TA1纯钛板坯和Q235低碳钢板坯的长度和宽度相等；对组合坯料进行单道次冷轧预复合，冷轧速度为0.04m/s、冷轧压下量为51％，获得TA1钛/Q235钢双金属冷轧预复合板；对TA1钛/Q235钢双金属冷轧预复合板进行加热，加热温度为865℃、保温时间为30min；对加热后的TA1钛/Q235钢双金属冷轧预复合板进行单道次热轧终复合，热轧速度为1.7m/s、热轧压下量为32％，随后空冷至室温，获得纯钛层厚比为36％的TA1钛/Q235钢双金属复合板。根据国家标准GB/T 6396-2008《复合钢板力学及工艺性能试验方法》测得所述TA1钛/Q235钢双金属复合板的界面结合强度为232MPa；根据国家标准GB/T 8547-2006《钛-钢复合板》，采用水浸法进行超声波探伤，测得所述TA1钛/Q235钢双金属复合板的面积结合率为100％。
实施例3
制备TA1钛/Q275钢双金属复合板。
对1mm厚的TA1纯钛板坯和3mm厚的Q275低碳钢板坯进行退火处理，TA1纯钛板坯的退火制度为750℃保温0.5h后炉冷，退火后硬度为146HV，Q275低碳钢板坯的退火制度为900℃保温0.5h后炉冷，退火后硬度为140HV；采用磨轮对退火且表面清洗脱脂后的TA1纯钛板坯和Q275低碳钢板坯的待复合表面进行机械打磨处理，去除待复合表面的污染物和氧化层，获得洁净、粗糙的待复合表面，打磨处理形成的打磨条纹方向垂直于轧向；将待复合表面处理后的TA1纯钛板坯和Q275低碳钢板坯以上下层叠方式放置，用铝铆钉对TA1纯钛板坯和Q275低碳钢板坯的头部两侧进行铆接固定，获得组合坯料，TA1纯钛板坯和Q275低碳钢板坯的长度和宽度相等；对组合坯料进行单道次冷轧预复合，冷轧速度为0.04m/s、冷轧压下量为49％，获得TA1钛/Q275钢双金属冷轧预复合板；对TA1钛/Q275钢双金属冷轧预复合板进行加热，加热温度为870℃、保温时间为25min；对加热后的TA1钛/Q275钢双金属冷轧预复合板进行单道次热轧终复合，热轧速度为0.5m/s、热轧压下量为45％，随后空冷至室温，获得纯钛层厚比为28％的TA1钛/Q275钢双金属复合板。根据国家标准GB/T 6396-2008《复合钢板力学及工艺性能试验方法》测得所述TA1钛/Q275钢双金属复合板的界面结合强度为245MPa；根据国家标准GB/T 8547-2006《钛-钢复合板》，采用水浸法进行超声波探伤，测得所述TA1钛/Q275钢双金属复合板的面积结合率为100％。
根据本发明的技术方案，不需要对组合坯料的待复合界面四周焊合并抽真空处理，不需要添加过渡层，设备要求低，工艺流程短，生产效率高，生产成本低，制备的钛/钢双金属复合板的界面结合强度＞230MPa、面积结合率为100％，特别适用于高性能薄厚度钛/钢双金属复合板或薄钛层钛/钢双金属复合板的制备。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种高性能钛/钢双金属复合板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对纯钛板坯和低碳钢板坯进行退火处理，使得所述纯钛板坯的硬度＜180HV、所述低碳钢板坯的硬度＜160HV，且所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的硬度差＜20HV；
步骤2：采用百叶片、砂轮或磨轮对表面清洗脱脂后的所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的待复合表面进行打磨处理，去除待复合表面的污染物和氧化层，获得洁净、粗糙的待复合表面，打磨处理形成的打磨条纹方向垂直于轧向；
步骤3：将待复合表面处理后的所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯以上下层叠方式放置，用铝铆钉对所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的头部两侧进行铆接固定，获得组合坯料，所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的长度和宽度相等，所述纯钛板坯和所述低碳钢板坯的厚度匹配由所需制备钛/钢双金属复合板的层厚比确定；
步骤4：对所述组合坯料进行单道次冷轧预复合，冷轧速度＜0.1m/s、冷轧压下量为35％～60％，获得钛/钢双金属冷轧预复合板，所述钛/钢双金属冷轧预复合板的界面微观形貌为相互嵌合的锯齿状结构，锯齿高度为1～5μm；
步骤5：对所述钛/钢双金属冷轧预复合板进行加热，加热温度为840～880℃、保温时间为10～40min；
步骤6：对加热后的所述钛/钢双金属冷轧预复合板进行单道次热轧终复合，热轧速度＞0.2m/s、热轧压下量为20％～60％，随后空冷至室温，获得钛/钢双金属复合板，所述钛/钢双金属复合板的厚度为0.3～5mm，复合界面没有Ti-Fe相，仅有少量TiC，复合界面原子扩散层厚度为3～5μm，所述钛/钢双金属复合板的界面结合强度＞230MPa、面积结合率为100％。
2.如权利要求1所述的一种高性能钛/钢双金属复合板的制备方法，其特征在于，低碳钢为Q235、Q275或20#，所述低碳钢板坯的厚度为1～10mm；纯钛为TA1、TA2、TA3或TA10，所述纯钛板坯的厚度为0.2～3mm。
3.如权利要求1所述的一种高性能钛/钢双金属复合板的制备方法，其特征在于，对所述钛/钢双金属复合板进行矫直、切边和表面修磨。
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