影響雙金屬軋制復合結合強度的工藝因素綜述★

李晉

（呂梁學院， 山西 呂梁 033000）

影響雙金屬軋制復合結合強度的工藝因素綜述★

李晉

（呂梁學院， 山西 呂梁 033000）

通過實驗分析與數值模擬相結合的研究方法，對雙層不銹鋼復合板與碳鋼、不銹鋼及其三層板的軋制復合過程的冷軋退火進行研究，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合材料的界面結合強度，從而能夠提高雙金屬的復合軋制工藝效率。

復合材料 雙金屬 工藝技術 軋制復合 界面結合強度

1 雙金屬復合軋制材料的研究及其發展現狀

雙金屬復合材料是一種由異種或同種金屬通過在界面上實施冶金工序而形成的新型材料，其中層狀的復合板有軋制復合技術、噴射沉積方法、爆炸焊接、液-固軋制復合、等離子體活化燒結等加工工藝方法，具有組元金屬的獨有特點。目前，在航天航空、電子電器、機械、冶金等領域內對雙金屬復合材料的使用頻率越來越高，但研究的方向（如缺少材料參數和軋制工藝參數對材料復合的影響、組織均勻性、穩定性、力學性能等研究）和生產技術、軋制工藝（如變形后的熱處理制度不完善等）等問題也相繼出現。

2 影響雙金屬軋制復合的工藝因素

2.1 軋制溫度

在雙金屬的軋制過程中，一般有熱軋和冷軋兩種生產工藝，其中熱軋對于不同種類的金屬復合中出現的表面凹痕、劃痕、表層材料的激活、結合緊密度等質量標準有著極好的效果，能夠將金屬的塑形、變形能力提高，同時還能降低軋制力。但是由于其溫度的影響將會在復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工藝流程（如退火處理）中不能夠充分溶解，削弱了復合金屬材料的界面結合效果，從而嚴重地影響著雙金屬復合材料的界面強度。而冷軋復合是在熱軋復合的基礎上演變而來的一種復合加工工藝，其在軋制復合過程中要求溫度要低，這樣就能夠減少在軋制復合過程中的結合相變、脆性金屬間的化合物、顯微組織變化等現象，讓復合后的金屬材料的厚度變得均勻、結合面平坦而沒有浪形、產品的質量和性能更好。

2.2 軋制變形率

軋制的變形率與界面強度之間在軋制復合的過程中將會形成一種成正比的關系。將兩種異種、界面剝離強度不同的金屬材料進行軋制復合時，界面強度會隨著變形率的增大而增大，但是當變形率達到一定的程度時，界面的結合強度的增速會減緩。通過現有的研究發現，金屬變形率在40%以下是不能通過軋制而得到復合金屬材料的，一般組元金屬需要實現軋制復合的最小壓下率（臨界變形率）不得少于50%。據研究數據表明，界面強度和金屬變形率之間的正比關系所形成的原因在于金屬材料在復合軋制過程中的表面處理環節會出現加工硬化層（其塑性比基體金屬低），而新鮮金屬（界面兩側的）通過越來越大的正面壓力作用下會隨著變形率的增加被擠出得越來越多，相應的就會出現較多的金屬界面激活點，從而促就了界面的結合性能越來越強。

2.3 退火處理

軋制復合一般包括了接觸表面的擴散、激活階段、物理接觸階段三個階段。在雙金屬復合軋制過程中，對金屬的結合界面進行退火處理，將會消除界面氧化物、空洞等缺陷及其內部的殘余應力，從而能夠一定程度上地提高復合板材的成形性能。而退火的時間和溫度是退火處理工藝的關鍵性參數，這就在剪切強度與退后處理之間形成了一種較為復雜的曲線關系，即雙金屬復合材料的界面強度會隨著退火的時間變長和溫度的升高出現先升高后降低的現象。這種現象的出現是由于界面兩側的金屬原子受熱激活形成擴散作用，讓其在界面處逐漸轉變為共晶的晶格類型甚至界面層，而當溫度和時間都在不斷增加時，再結晶晶粒會因其體積逐漸粗大而在界面處發生Kirkendall效應，產生脆性的氧化物，進而影響著界面的強度［2］。

3 多層不銹鋼復合板熱復合的有限元模擬試驗

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，采用數值分析的手段，對三層不銹鋼型復合板料進行復合過程的數值（金屬材料的軋制復合界面處于彈性狀態，應力與應變呈非線性變化，應變與位移產生微小的數值等）模擬分析，在現了軋制復合的過程，通過監測復合界面的再結晶的節點、交叉點等內容，比較分析了此類型的復合板在復合軋制過程中的應力場與溫度場的變化。例如，在退火處理過程中，以持續十分鐘的400℃退火溫度，復合金屬材料的拉伸強度和位移成正比的變化；當退火溫度以200℃持續1 h時，復合板的拉伸強度有所下降，延伸率少量增加（如圖1）。

圖1 不同退火條件下的應力應變曲線圖

3.2 增加彎曲單元的方式

通過對增加彎曲單元前后的界面殘余應力進行比較、分析，同時研究相關的軋制速度、壓彎量、輥徑、單元輥距、彎曲降應力等方面的而變化，探討和總結出復合板在熱軋完畢后的最最小殘余力值的方案。例如，將需要復合軋制的金屬材料經過表面處理后疊合固定，進行冷軋復合，每道次壓下量控制在50%左右，然后將所得的復合板材進行切割—重復地工藝軋制。這時，當累積的應變量達到了較大的值時將會獲得極大的壓下量，甚至有可能會突破傳統軋制復合工藝的壓下量限制。

3.3 有限元模擬研究方法

對雙面不銹鋼的冷軋過程進行有限元模擬，主要模擬內容為小道次壓下界面強度的變化，并將其結果與實際相同的壓下率軋制過程及其效果進行宏觀上的對比。在其他條件相同的情況下，雙金屬復合板的界面結合強度一般情況下是與壓下率成反比的，即當壓下率越高，結合強度就越高；但是，如果壓下率過大將會導致復合板出現極大程度上的裂邊。如，將金屬材料的復合軋制過程中的溫度控制在410～430℃，壓下率控制在50%～60%左右，這樣軋制出來的金屬復合板的界面強度最佳，在45～50 MPa左右，再經過彎曲實驗后，復合板沒有分離或開裂的現象出現（如圖2）。

圖2 軋制溫度對復合板結合強度的影響

3.4 采用實驗研究的方式

本文將會采用母材處理—剪切—表面處理—打孔—吹干疊合—打破口—軋制—復合板材處理的循環工藝流程（反向凝固復合技術）試驗，主要對不銹鋼、碳鋼二層復合板、不銹鋼、碳鋼、不銹鋼三層復合板的軋制過程和退火工藝進行實驗，對軋制前后、退火后界面組織、拉伸斷面等內容進行觀察，分析復合板彎曲與拉伸性能、復合面元素的變化和受影響情況，得出應變曲線與拉伸應力曲線、材料力學的性能與不同工藝之間的關系。在經過基本的處理后，利用透射電子顯微鏡對完全退火狀態的碳鋼—不銹鋼各道次軋制后的金屬層進行顯微組織分析，測量其晶粒尺寸、晶界交點數，并求取其平均數值。

在進行拉伸強度試驗時，對試樣的兩端逐漸而緩慢地施加拉伸荷載，得到金屬材料的應力—應變曲線；然后將經過軋制復合的試樣用游標卡尺測量出其原始的長度、厚度和寬度，再在電子拉伸機上進行拉伸試驗，這樣就能得到相應的應力、應變的數值（如下頁圖3、圖4）。在進行退火處理的實驗時，退火溫度600℃保持1 h左右，鋼層就會發生完全的再結晶；當溫度降到400～600℃并持續60 min后，不銹鋼—碳鋼—不銹鋼的界面結合度就會達到最大值9個力/mm；在溫度超過600℃時，界面結合強度就會急速下降為2.7個力/mm。

圖3 拉伸試樣圖（mm）

圖4 剪切試樣圖（mm）

4 復合板軋制工藝的問題及解決辦法

4.1 復合軋制的工藝問題

目前，不銹鋼三層復合板的軋制復合過程中，最關鍵的問題是工藝流程的問題，如軋制復合的結合界面容易出現不銹鋼層增碳、脆性金屬化合物、產品質量較差、結合強度不高等現象；在進行退火處理等熱處理工藝時，未充分消除的殘余應力控制或處理不當極易產生碳化物、金屬化合物等；復合板內部產生的內應力將會因碳鋼與不銹鋼之間的物理性能差異而造成結合界面的開裂、晶粒的擴散效果不佳等。

4.2 復合軋制工藝流程的優化設計

在對不銹鋼、碳鋼等金屬材料進行軋制復合時，可以結合傳統制備工藝中的爆炸軋制復合等方法與新型的反向凝固、釬焊等方法進行生產線上的有效排列組合，打破制備方法中的傳統、固定工藝流程，在傳統與新型工藝方法中取長補短、重新規劃設計軋制的生產流程，形成一個完善的可持續循環、智能化、自動化的生產流水線［3］。不僅如此，還應積極研發能耗低、結合強度高、界面氧化物減少的工藝方法，將連續性融入進熱處理工藝之中，以便于能夠降低成本、制造出緊湊的工藝流程，形成良性的連續性循環批量生產模式。

5 結語

隨著復合金屬材料的制備工藝和產品性能上的優勢與影響，不銹鋼—碳鋼—不銹鋼多層復合板材的應用領域正在不斷地拓展開來，且傳統的軋制工藝也趨于成熟。但是在現代科學技術的發展和社會的不斷進步這一背景下，市場對多層金屬復合板材的需求遠遠超過了現在的制備工藝，這就需要從軋制工藝的流程上入手，如將冷軋復合與液-液復合、爆炸復合與釬焊復合等方式相結合，采用反向凝固、生產設備自動化、智能化循環箱結合的工藝流程，從根本上解決生產規模不夠大、產品總體質量不高與市場需求之間的矛盾，進而能夠有效地維持市場秩序，促進社會及其經濟的可持續循環發展。

［1］ 楊松濤.影響雙金屬軋制復合結合強度的工藝因素綜述［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，李國平.鈦鋼不銹鋼復合板生產發展及展望.［J］.中國冶金，2011（2）：5-10.

（編輯：苗運平）

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

呂梁學院自然科學基金（ZRQN201507）

李晉（1987—），男，畢業于太原科技大學，碩士學位，助教，研究方向：現代軋制設備設計理論與關鍵技術。