CN117444638A - 渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺和辅助装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轧制工艺技术和设备领域，特别是涉及一种渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺和辅助装置，复合工艺包括轧前待结合表面机械打磨，金属表面渗氮处理，脉冲电流加热板材，快速组坯，波纹辊轧制预复合，平辊轧制；辅助装置包括带有脉冲电源加热装置的升降架，传送辊道，可针对不同规格金属板材实现快速加热组坯和送料。本发明可以有效减小异种金属间的塑性变形差异，促进界面结合，实现双金属层合板的形性协同优化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及轧制工艺技术领域，特别是涉及渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺和辅助装置。
背景技术
双层金属层合板是由两种不同材质的金属板材通过轧制等方法制成的一种新型金属材料。该材料不仅具有较高的强度、刚度和耐腐蚀能力，而且重量轻、成本低廉，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、建筑等领域。
双层金属层合板合板轧制工艺通过将两种不同材质的金属板材经过表面清洗、擦拭、预压、成型、均匀加热和轧制等一系列工艺步骤制成。在轧制过程中，通过调整轧辊的尺寸、数量、轧制压力和轧制速度等参数，控制板材的厚度和形状，以达到最终要求的产品性能和质量要求。这种工艺在减小材料成本、扩大材料用途等方面发挥重要作用。
结合面强度是双层金属复合轧制工艺中重要的性能参数。其中，金属表面质量是影响结合面强度的一个重要因素。如果金属表面存在裂纹、氧化或其他缺陷，结合面强度将受到严重影响。尤其是对于一些表面易氧化的金属，在加热条件下进行轧制复合，极易因为界面氧化导致界面结合率下降。另外，对于两种塑性差异较大的金属的轧制复合而言，采用常规轧制复合工艺进行轧制，容易因为两种金属在变形过程中塑性延伸不同步导致板材发生严重翘曲甚至界面开裂。因此，亟需开发一种针对金属表面易氧化或者两种金属塑性差异较大的新型轧制复合工艺和配套装置。
传统双层金属轧制复合工艺存在的问题：
1.金属材料选择受限，传统轧制复合工艺仅适用于延展性好、性质稳定的金属，表面易氧化的金属结合强度不理想；
2.组坯工艺复杂，传统双金属热轧复合前为了减少界面氧化，需进行组坯焊接和抽真空处理，工艺复杂成本高、效率低；
3.板材翘曲严重，由于异种金属间塑性变形能力存在一定差异，传统轧制复合轧后板材会发生翘曲，限制了层合板的工业化应用；
4.界面结合强度低，传统轧制复合法制备双金属层合板过程中界面正应力较小，加热过程中界面易发生氧化，导致层合板界面结合强度低。尤其是对于部分难变形金属组合而言，更是无法实现界面的初步结合。此外，由于金属材料的不同热膨胀系数，使金属材料之间的界面产生很大的应力和应变，导致界面可靠性差。
因此，开发一种适用于多种金属组合，能实现界面高强度结合和轧后板形良好的新型双层金属轧制复合工艺是非常有必要的。
发明内容
针对上述现有的技术问题，本发明的目的是为了解决双金属层合板生产时待结合表面易氧化，导致结合强度低、材料延展性差、机械性能差的技术问题，提供了一种渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺和辅助装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺，其特征在于包括以下步骤：
1）表面打磨：轧前采用配有钢丝刷的角磨机对金属板材待结合表面进行机械打磨至表面呈“磨砂”状；
2）渗氮处理：在渗氮设备中对待结合金属表面进行盐浴渗氮处理至表面形成致密氮化物层；
3） 脉冲电流加热：采用脉冲电流设备对板材进行通电加热处理至目标温度；
4）快速组坯：将两种金属板材待结合面对扣叠放进行快速组坯；
5）波纹辊轧制预复合：将组装好的板坯采用上辊为鼓形波纹辊、下辊为平辊的二辊轧机进行粗轧预复合；
6）平辊轧制：紧接着将波纹层合板进行精轧复合，得到表面平整、结合界面为波纹状的双金属层合板；
7）退火：将轧平的双金属层合板进行退火处理，然后冷却；
8）精整：进行矫直、切头、切尾、切边处理，最后进行捆绑打包。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤1）表面打磨中，金属表面采用钢丝刷打磨去除金属表面的油污和杂质，使表面呈“磨砂”状。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤2）渗氮处理中，将表面打磨后的金属板材置于渗氮设备中，保持一定的气压和温度条件，使氮气渗透到金属板材待结合面，至表面形成致密氮化物层，防止金属待结合面氧化。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤3）脉冲电流加热中，将板材置于安装有脉冲电流加热装置的升降台上进行通电加热处理。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤4）快速组坯中，控制升降台将基板和复板的打磨面进行快速叠放组装。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤4）快速组坯中，升降台配备滑轨进行宽度调整以适用不同规格板材。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤5）波纹辊轧制预复合中，所述波纹辊为表面刻有一定数量周期式的鼓形波纹辊。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤5）波纹辊轧制预复合中，金属结合面塑性变形，致密氮化物层破碎，双层金属待结合面接触结合。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述步骤6）平辊轧制过程中，金属结合面塑性变形，致密氮化物层进一步破碎，裸露的金属待结合面增加，双层金属待结合面进一步接触结合。
渗氮处理双金属表面波平异温轧制辅助装置，其特征在于：
1）升降架采用链传动实现板材升降以适用低速、重载工况；
2）升降架采用滑轨和丝杠实现宽度调整以适用不同规格板材；
3）通过脉冲电流设备将脉冲电流接入升降台实现板材加热保温；
4）通过传送辊道将组坯后的金属板材送至轧机进行复合。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.对轧前待结合表面打磨后的金属板材进行盐浴渗氮处理，至表面形成致密氮化物层，一方面可以起到保护金属待结合面防止其发生氧化的作用，另一方面金属表面的渗氮层为脆性层，在轧制变形过程中极易破裂，并暴露出底层的新鲜金属，为金属间的结合提供更多的结合区域，提升层合板的结合性能；
2.由于界面形成的渗氮层熔点致密性均很高，在无需抽真空的条件下可实现大部分金属组合在较大温差下的异温轧制，有效降低轧后层合板的翘曲，同时扩大了异温轧制的材料选择范围；
3.由于不需要进行坯料焊接和抽真空处理，大幅简化了制坯流程，提高了工作效率和降低了成本；
4.采用脉冲电流辅助设备加热板材，不仅可以快速将板材加热处理至目标温度，而且脉冲电流可以改善金属材料的塑性和组织的均匀性，有利于促进板材界面的结合和提升轧后层合板力学性能的稳定性；
5.采用波平连轧工艺可以使界面处形成强剪切作用力和局部强应力，能加速金属表面致密氮化物层破碎，促进底层待结合新鲜金属间的接触和结合，降低板材的预结合压下率，降低设备负载。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述渗氮处理双金属层合板坯料的组坯图，图中：1-基板，2-复板，3-渗氮设备，4-致密氮化物层，5-板坯；
图2为本发明所述波纹辊轧制预复合结构示意图，图中：6-鼓形波纹辊，7-普通平辊，8-双金属波纹层合板，9-双金属层合板，10-波纹轧制示意图，11-平辊轧制示意图；
图3为图2中10-波纹轧制示意图的局部放大图，图中：12-致密氮化物层，13-双层金属结合区，14-粗轧预复合阶段；
图4为图2中11-平辊轧制示意图的局部放大图，图中：15-精轧复合阶段；
图5为本发明所述渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺流程示意图，图中：16-脉冲电流设备，17-升降架，18-鼓形波纹辊轧机，19-平辊轧机，20-平辊，21-鼓形波纹辊，22-平辊，23-基板，24-复板，25-传送辊道；
图6为复合工艺流程的辅助装置示意图，图中：26-升降台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺，包括以下步骤：
1）表面打磨：轧前采用配有钢丝刷的角磨机对金属板材待结合表面进行机械打磨至表面呈“磨砂”状；
2）渗氮处理：如图1所示在渗氮设备3中对待结合金属表面进行盐浴渗氮处理，至表面形成图1所示的致密氮化物层4；
3）脉冲电流加热：采用如图5所示的脉冲电流设备16对板材进行通电加热处理至目标温度；
4）快速组坯：采用如图5所示的升降架17将两种金属板材进行叠放，快速组坯；
5）波纹辊轧制预复合：如图5所示将组装好的板坯采用上辊配备鼓形波纹辊21、下辊为平辊22的二辊轧机18进行粗轧预复合14；
6）平辊轧制：紧接着采用如图5所示的平辊轧机19将波纹层合板进行精轧复合15，得到表面平整、结合界面为波纹状的双金属层合板；
7）退火：将轧平的双金属层合板进行退火处理，然后冷却；
8）精整：然后进行矫直、切头、切尾、切边处理，最后进行捆绑打包。
在本发明中，所述步骤1）表面打磨中，金属表面采用钢丝刷打磨去除金属表面的油污和杂质，使表面呈“磨砂”状。具体的，可根据材料选择机械清理、化学清理、电化学清理等表面清理方法进行组合，以达到最佳清理效果。
进一步的，所述步骤2）渗氮处理中，将表面打磨后的金属板材置于渗氮设备3中，保持一定的气压和温度条件，使氮气渗透到金属板材待结合面，至表面形成致密氮化物层4，防止金属待结合面氧化。
进一步的，所述步骤3）脉冲电流加热中，分别将板材置于安装有脉冲电流加热装置的升降架17上进行通电加热处理至目标温度。
进一步的，所述步骤4）快速组坯中，控制升降架将基板23和复板24的待结合面进行快速叠放组装。
进一步的，所述步骤4）快速组坯中，升降架17配备滑轨进行宽度调整以适用不同规格板材。
进一步的，所述步骤5）波纹辊轧制预复合中，所述波纹辊为表面刻有一定数量周期式的鼓形波纹辊21。
进一步的，所述步骤5）波纹辊轧制预复合中，金属结合面塑性变形，致密氮化物层破碎，双层金属待结合面部分接触结合。
进一步的，所述步骤6）平辊轧制过程中，金属结合面塑性变形，致密氮化物层进一步破碎，裸露的金属待结合面增加，双层金属待结合面进一步接触结合。
下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例
采用附图1、2所示方法制备钛/铝层合板：
1）表面打磨：选取长宽分别为200 mm (长) × 50 mm (宽) × 2 mm (高)的TC4钛合金板作为基板1和200 mm (长) × 50 mm (宽) × 2 mm (高) 的1060铝合金作为复板2，采用配有钢丝刷的角磨机对金属板材待结合表面进行机械打磨至表面呈“磨砂”状；
2）渗氮处理：在渗氮设备3中对TC4钛合金待结合金属表面进行盐浴渗氮处理至表面形成致密氮化物层4，处理时间3小时，温度为750℃；
3）脉冲电流加热：将渗氮处理后的TC4钛合金板置于安装有脉冲电流加热装置的升降架17上进行通电加热处理至800℃，将机械打磨后的1060铝合金板置于升降架17上，无需加热；
4）快速组坯：控制升降架17将基板23和复板24的待结合面进行快速对扣叠放组装；
5）波纹辊轧制预复合：采用上辊配备鼓形波纹辊21、下辊为平辊22的二辊轧机18进行粗轧预复合，上下辊的平均直径为：D=150mm，鼓形高H与辊身长L分别为2mm和150mm，轧制压下率为30%，轧得钛/铝波纹层合板8；
6）平辊轧制：将钛/钢波纹层合板8放入上下辊均为普通平辊20的二辊轧机19进行轧平，轧得表面平整、结合面为波纹状的钛/铝层合板9；
7）退火：将轧平的钛/铝层合板9进行退火，退火温度为300℃~600℃，退火时间为60min~120min；
8）精整：然后进行矫直、切头、切尾、切边处理，最后进行捆绑打包。
对比例
1）制坯：选取长宽分别为200 mm (长) × 50 mm (宽) × 2 mm (高) 的TC4钛合金板作为基板和200 mm (长) × 50 mm (宽) × 2 mm (高) 的1060铝合金作为复板，采用配有钢丝刷的角磨机对金属板材待结合表面进行机械打磨至表面呈“磨砂”状，将基板和复板的打磨面进行对扣组坯；
2）加热：将组装好的钛/铝层合板板坯在加热炉中加热至660℃；
3）平辊轧制：将加热后的钛/铝层合板板坯放入装有上下均为普通平辊的二辊轧机进行轧制复合，轧制压下率为30%，轧得第一道次钛/铝层合板；
4）加热：将第一道次钛/铝层合板在加热炉中加热10min，以弥补轧制过程中损失的热量，从而保证金属的塑性变形能力；
5）平辊轧制：将加热后的第一道次钛/铝层合板放入上下均为普通平辊的二辊轧机进行第二道次轧制复合，轧制压下率为30%，得到平轧的钛/铝层合板；
6）退火，将将轧平的钛/铝层合板进行退火，退火温度为400℃~600℃，退火时间为60min~120min；
7）精整：然后进行矫直、切头、切尾、切边处理，最后进行捆绑打包。
本发明进一步的实施例1方法中步骤6）的表面平整、结合界面为波纹状的钛/铝层合板9和对比例中经过两道次轧制得到的层合板的性能分别进行观察，性能参见下表；
由上表可以看出：采用渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺制备的钛/铝层合板结合强度明显高于传统平辊两道次轧制，渗氮处理后的板材界面结合率提升明显，且经脉冲电流处理后的板材塑性提高，有效降低层合板的边裂。
其中，剪切强度的测定方式为：在DNS200电子万能试验机上测试层合板试样的剪切强度，拉伸速度为1mm/min，剪切试验试样的尺寸参照GB/T6396-1995层合板力学及工艺性能试验方法制定，测试结果见上表。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺，其特征在于包括如下步骤：
1）表面打磨：轧前采用配有钢丝刷的角磨机对金属板材待结合表面进行机械打磨至表面呈“磨砂”状；
2）渗氮处理：在渗氮设备（3）中对待结合金属表面进行盐浴渗氮处理至表面形成致密氮化物层（4）；
3）脉冲电流加热：采用脉冲电流设备（16）对板材进行通电加热处理至目标温度；
4）快速组坯：将两种金属板材待结合面对扣叠放进行快速组坯；
5）波纹辊轧制预复合：将组装好的板坯采用上辊为鼓形波纹辊（21）、下辊为平辊（22）的二辊轧机（18）进行粗轧预复合（14）；
6）平辊轧制：紧接着将波纹层合板进行精轧复合（15），得到表面平整、结合界面为波纹状的双金属层合板；
7）退火：将轧平的双金属层合板进行退火处理，然后冷却；
8）精整：进行矫直、切头、切尾、切边处理，最后进行捆绑打包。
2.根据权利要求1所述渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺，其特征在于：所述步骤1）表面打磨中，金属表面采用钢丝刷打磨去除金属表面的油污和杂质，使表面呈“磨砂”状。
3.根据权利要求1所述渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺，其特征在于：所述步骤2）渗氮处理中，将表面打磨后的金属板材置于渗氮设备（3）中，保持一定的气压和温度条件，使氮气渗透到金属板材待结合面，至表面形成致密氮化物层（4），防止金属待结合面氧化。
4.根据权利要求1所述渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺，其特征在于：所述步骤3）脉冲电流加热中，分别将板材置于安装有脉冲电流加热装置的升降架（17）上进行通电加热处理至目标温度。
5.根据权利要求1所述渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺，其特征在于：所述步骤4）快速组坯中，控制升降架（17）将基板（23）和复板（24）的待结合面进行快速对扣，叠放组装。
6.根据权利要求1所述渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺，其特征在于：所述步骤4）快速组坯中，升降架（17）配备滑轨进行宽度调整以适用不同规格板材。
7.根据权利要求1所述渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺，其特征在于：所述步骤5）波纹辊轧制预复合中，所述波纹辊为表面刻有一定数量周期式的鼓形波纹辊（21）。
8.根据权利要求1所述渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺，其特征在于：所述步骤5）波纹辊轧制预复合中，金属结合面塑性变形，致密氮化物层破碎，双层金属待结合面接触结合。
9.根据权利要求1所述渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺，其特征在于：所述步骤6）平辊轧制过程中，金属结合面塑性变形，致密氮化物层进一步破碎，裸露的金属待结合面增加，双层金属待结合面进一步接触结合。
10.渗氮处理双金属表面波平异温轧制辅助装置，其特征在于：
1）升降架（17）采用链传动实现板材升降以适用低速、重载工况；
2）升降架（17）采用滑轨和丝杠实现宽度调整以适用不同规格板材；
3）通过脉冲电流设备（16）将脉冲电流接入升降台（26）实现板材加热保温；
4）通过传送辊道（25）将组坯后的金属板材送至轧机进行复合。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311458042.5A Pending CN117444638A (zh) | 2023-11-04 | 2023-11-04 | 渗氮处理双金属表面波平异温轧制复合工艺和辅助装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117444638A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117773304A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-03-29 | 太原理工大学 | 一种预制波纹电磁成形复合板的装置及方法 |
-
2023
- 2023-11-04 CN CN202311458042.5A patent/CN117444638A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117773304A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-03-29 | 太原理工大学 | 一种预制波纹电磁成形复合板的装置及方法 |
| CN117773304B (zh) * | 2024-02-27 | 2024-05-14 | 太原理工大学 | 一种预制波纹电磁成形复合板的装置及方法 |
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