层状金属复合板生产技术及新工艺

层状金属复合板生产技术及新工艺摘要：本文在对国内外层状金属复合板生产研究文献查阅分析的基础上，综合介绍了目前层状金属复合板生产方法的发展现状，分析了各种生产方法的优缺点。

介绍了钎焊热轧法、燃烧合成轧制法、包套轧制法、PPR方法、ARB方法、PIT方法等复合新工艺基本工作原理，以及目前国内外应用各种新工艺所生产研究的新材料复合板。

同时分析了金属复合板生产存在的问题，展望了金属复合板生产工艺的发展方向。

关键词：层状复板；生产方法；复合新工艺随着科学技术的飞速发展，通过各种不同连接方法将不同金属材料复合为一体，制备成金属复合板，得到单层金属材料所不具有的物理、化学性能以及力学特性，满足高强度、高比刚度、抗疲劳性、尺寸稳定、耐磨、抗振等性能的要求，同时大大节省稀贵材料，降低成本，已广泛应用于化工、电力、机械、船舶、航空等领域。

开发研制新型金属复合材料具有十分紧迫的现实意义，也必将带来显著的经济效益和社会效益。

金属复合材料是由两种或两种以上金属经复合而形成的一种新型材料，由于其工艺的先进性和材料本身的技术特性，因而复合板材具有单种金属材料不可比拟的优点。

(1)复合板的结构中，基、复材的比例比较大，节约了贵重金属，显示了价格上的优越性。

如钛/钢、镍/钢复合板的价格仅相当于纯钛和纯镍板的1/5~1/10。

(2)良好的综合性能。

如不锈钢/碳钢复合材料在弱腐蚀行业的应用既解决了材料的耐蚀性，又解决了其设计强度。

(3)解决了材料的可焊性问题。

由于其优越的技术特性以及其优越的性价比，也使得复合板的应用前景非常广阔。

如不锈钢复合板可广泛应用于石油化工、机械、医药卫生、环境保护等行业。

钛复合板在航空工业、宇航、冶金等行业的应用将会有很大的发展空间1956年美国率先提出金属层压复合的三步工艺，即：表面处理—轧制复合—退火强化处理，这项技术使双金属室温固相复合得到了迅速的发展。

前苏联对层压复合材料的研究始于20世纪30年代，主要采用轧制法、铸造法、爆炸法、扩散焊法等方法生产铝、钛、钢等金属与合金的复合材料，尤其在冷轧复合方面的研究比较深入。

英、法、德等发达国家对复合材料的研究也有相当的水平，其中英国伯明翰大学在20世纪五、六十年代对固相复合进行了较为系统的研究，取得了很多成果。

目前，金属复合材料在这些国家得到了广泛的应用。

日本在复合材料方面的研究起步较晚，但其发展十分迅速，近年来已成为从事金属复合研究最多的国家之一。

特别是20世纪90年代以后，对不锈钢与铝的复合研究取得了很多成果，申请了多项专利，尤其在阶梯式加热复合及温轧复合方面取得了令人瞩目的研究成果。

我国对金属层状复合材料的研究始于20世纪60年代初，主要生产方式有爆炸复合法、爆炸+轧制(冷轧、热轧)复合法、包浇(固-液结合)+轧制复合法等，但在板形、结合质量方面与国外同类产品有一定的差距。

图1 层状复合材料结合方法分类框图1金属层状复合材料加工方法金属层状复合材料的加上方法有很多种，生产中常用的金属层状复合材料的加工技术如图1所示[1]。

若按金属组元的状态则可分为三大类[1]，即固-固相复合法，液-固相复合法和液-液相复合法。

固-固相复合法包括爆炸复合法、轧制复合法、爆炸焊接+轧制复合法、扩散复合法等；液-固相复合法包括复合浇注法、反向凝固法、钎焊法、铸轧法等；液-液相复合法有电磁连铸法等。

1.1 轧制复合法轧制复合法是在轧机的强大压力作用下，使待复合的两金属表面氧化层破碎，并在整个金属截面内产生塑性变形，洁净活化的新鲜金属在压力作用下形成平面状的冶金结合[2]，如图2所示。

根据轧制复合时是否加热可以分为热轧复合和冷轧复合。

热轧复合法是将覆盖材料和基体现实装在一起，周边进行焊合，然后热轧使之复合。

冷轧复合近年发晨较快，这种方法生产成本低，适合批量生产。

且能生产较大长度、宽度的制品，但此方法的轧制工艺尚不成熟，往往需要后续处理，且轧制变形大．对轧机功率要求高。

1-材料1 2-材料2 3-轧辊图2 轧制复合法示意图与单金属轧制比较，该法必须施以大的道次压下量，特别是初次道次压下量必须达到一定临界值。

轧制复合工艺一般包括三个步骤[3]：表面处理、轧制复合和扩散退火。

轧制复合工艺控制的关键是初次道次压下量和扩散热处理制度的确定。

初次道次压下量过低则难以实现复合，轧制变形量过大，则塑性较低的复合层容易破裂。

而且变形对复合板的结合性能和后续加工性能也有重要影响。

轧制后的退火促进界面元素扩散，使轧制复合时形成的点结合转变成面结合，在结合面两侧形成一定深度的互扩散层，提高界面的结合强度，但退火温度过高和时间过长时，因界面中间相的形成使界面强度降低。

轧制复合可以进行连续生产，产品尺寸精确，各组元的厚度均匀，性能稳定，适于轧制复合的金属非常多，而且生产成本低、效率高，易于实现人规模工业化生产。

但轧制复合往往需要进行表面处理和退火强化处理等工艺。

轧件易边裂，易形成脆性金属化合物，且道次轧制变形量大，需要大功率的轧机。

1.2 爆炸复合法爆炸焊接[4]是利用炸药爆炸所产生的能量作为能源，使覆板碰向基板，在双金属间产生瞬间高温和高压，在被焊接的金属间形成牢固结合的一种焊接方法。

爆炸焊接的界面具有金属的塑性变形、熔化、扩散等特征。

其工艺示意图[3]如图所示。

爆炸焊接以前被认为是压力焊，熔化焊，扩散焊“三位一体”的焊接技术。

但进一步研究表明，爆炸焊接是一种特殊的压力焊接。

它符合压力焊接过程的三阶段：第一阶段是物理接触的形成阶段，双金属的原子依靠塑性变形在整个接触面上相互接近到能引起物理作用或化学作用的距离。

第二阶段是接触表面化学相互作用阶段，双金属接触表面激活并形成化学键，实现双金属间的结合。

第三阶段是扩散阶段，双金属在完成物理接触实现初步结合后，各组元中的原子通过扩散增进结合强度。

爆炸焊接满足压力焊接的三阶段理论，因此是一种特殊的压力焊[4]。

1-炸药2-复合板3-基板图3 爆炸复合工艺示意图爆炸焊接与其他常用的金属焊接方法相比较，有其显著的优点[4]。

该方法适用于广泛的金属组合，特别是待复合金属性质相差较大和对结合区易生成脆性中间相的金属组合时更具优势，复合件的尺寸和形状规格不受设备条件的限制，不需要成套复杂设备及特别的表面处理工艺(爆炸复合法具有自清理作用)。

爆炸复合材料具有很高的结合强度和再加工性能，但也存在一些问题和缺点，比如爆炸时会产生冲击波、噪声、地震动等环境污染，爆炸场地困难，而且爆炸大多在露天进行，机械化程度低，劳动条件差，不适宜连续生产等。

1.3 爆炸+轧制法爆炸焊接复合法可以生产不同金属组合的层状复合板，而且通过调整爆炸工艺参数复合板面积可以达到十几至几十平方米。

但是，对于生产较薄的(≤6mm)和对表面质量要求较高的层状金属复合板则比较困难：轧制复合法虽然可以生产不同厚度和表面质量较高的层状复合板，但是复合板的组元成份和宽度受到轧机轧制能力限制。

在综合这两种生产方法的优缺点后，采用先通过爆炸复合法制备较厚的复合板坯，再根据不同的要求，通过热轧或冷轧或热轧+冷轧的工艺轧制成所需的复合板。

一般来说，制备3mm以下的层状复合板时，轧制工艺包括热轧和冷轧两个步骤。

热轧主要是为了获得要求的板材厚度，总加工量较大；冷轧主要是为了获得最终精确的板材厚度尺寸和理想的表面，总加工最较小[5]。

爆炸复合+轧制法兼有爆炸复合法和轧制复合法生产的优点，增加了生产的灵活性，便于推广。

缺点是产量、生产率及成材率都比较低，产品质量差，尺寸精度低。

1.4 挤压复合法挤压复合法[6]主要用于生产双金属的管、棒、线材及简单断面的型材．其方法是将要复合的异种金属表面清理后组装成挤压坯，然后在适当温度、挤压比下进行挤压，在压力作用下使金属紧密接触并达到复台。

此方法特别适用于生产连续的长方形与矩形断面的复合型材。

缺点是挤压复合的材料范围受限制，要求大功率的挤压机，而且不能连续化生产。

1.5 扩散焊接法扩散焊接[7]是把要复合的材料加热到一定温度以后再加压，靠原子扩散使其结合的方法。

它又分为无助剂自扩散、无助剂异扩散焊接、有助剂扩数焊接、过渡液相扩散焊接、相变超塑性扩散焊接等。

此方法可对性能和尺寸相差悬殊的材料实行焊接。

其优点在于焊接接合处的显微组织与母材非常接近，不存在过热组织的热影响区，焊接质量均匀。

缺点是生产率低，而且对生产设备与厂房条件有较高要求。

1.6 浇铸复合法它是将—种材料(固相)和另—种材料(液相)在铸模内进行组合，液态金属凝固后形成复合材料[8]。

将两块钢扳叠合，内层涂上剥离剂，四周焊合后放在盛有金属渡的铸模中，待液态金属凝固后进行初轧，最后将焊合的边部切掉，即得到两块复合板。

目前，此方法已经应用于生产。

连续铸挤法也是与此类似的液-固相复合方法。

在适当温度及压力下可实现较高的复合强度．此铸法工艺简单，复合板强度大，成本低，可用于批量生产。

其缺点是为了避免被钢水荣华复层板需要有一定厚度，因而板厚和板重受到限制。

由于复合金属与基体金属熔点不同，在两者的结合部位容易生成熔损，因此难以得到质量优良的复合钢板．只有在复层金属和基体金属为同种金属的情况下，才能进行工业性生产。

1.7 喷镀复合法喷镀复合法[7]是一种用专用设备把某种固体材料融化并加速喷射到基件表面上，形成—特制薄层，经热处理后达到复合，以提高基件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的新兴材科技术。

喷镀复合法的技术特点是取材范围广，可用于多种基体，被喷涂物件大小—般不受限制。

涂层厚度较易控制，具有成本低，经济效益显著等优点。

1.8 铸轧法铸轧[8]是固相金属与固相金属在轧机上实现复合的方法。

此方法是将铸造法与轧制法结台起来，既有液相高温，又有轧制压力，能够实现较高的复合强度。

铸轧可以连续生产、效率高、成本低。

但此方法的工艺条件还不成熟，有待于进—步完善。

1.9 反向凝固法反向凝固工艺[9]是由德国冶金工作者于1989年开发的一种薄带连铸工艺，目的在于用一种比目前已有的近终形连铸技术更短的流程、生产成本更低的工艺技术制造薄带。

该工艺示意图如图4所示。

它是让一定厚度的母带从反向凝固器内的钢液中通过，使母带表面附近的钢水迅速降温，在母带表面凝固形成新生相，并在新生相还处于半凝固状态时进行轧制，得到表面平整、厚度均匀的热轧薄带。

该方法工艺简单，产品质量高，利于环保，但是操作难度大。

反向凝固技术可用来制造复合钢带。

当复合层钢种和母带钢种不同时，如复合层选用不锈钢而母带为碳素钥，则反向凝固工艺可用来连续生产复合薄带。

与其它复合板的生产工艺相比，反向凝固复合薄带生产工艺具有如下特点：工艺流程连续、紧凑；从理论上说，复合钢板的种类选择范围大，工艺调整简单方便；生产薄规格的复合板具有明显优势；能量利用率高；近终形连铸工艺，投资少操作成本低。