影响双金属轧制复合结合强度的工艺因素综述★

李晋

（吕梁学院， 山西 吕梁 033000）

影响双金属轧制复合结合强度的工艺因素综述★

李晋

（吕梁学院， 山西 吕梁 033000）

通过实验分析与数值模拟相结合的研究方法，对双层不锈钢复合板与碳钢、不锈钢及其三层板的轧制复合过程的冷轧退火进行研究，阐述了影响轧制工艺的综合性因素，以便于能够提高双金属层状型复合材料的界面结合强度，从而能够提高双金属的复合轧制工艺效率。

复合材料 双金属 工艺技术 轧制复合 界面结合强度

1 双金属复合轧制材料的研究及其发展现状

双金属复合材料是一种由异种或同种金属通过在界面上实施冶金工序而形成的新型材料，其中层状的复合板有轧制复合技术、喷射沉积方法、爆炸焊接、液-固轧制复合、等离子体活化烧结等加工工艺方法，具有组元金属的独有特点。目前，在航天航空、电子电器、机械、冶金等领域内对双金属复合材料的使用频率越来越高，但研究的方向（如缺少材料参数和轧制工艺参数对材料复合的影响、组织均匀性、稳定性、力学性能等研究）和生产技术、轧制工艺（如变形后的热处理制度不完善等）等问题也相继出现。

2 影响双金属轧制复合的工艺因素

2.1 轧制温度

在双金属的轧制过程中，一般有热轧和冷轧两种生产工艺，其中热轧对于不同种类的金属复合中出现的表面凹痕、划痕、表层材料的激活、结合紧密度等质量标准有着极好的效果，能够将金属的塑形、变形能力提高，同时还能降低轧制力。但是由于其温度的影响将会在复合材料的表面形成氧化物（轧制的温度越高，所形成的金属氧化物越厚），而此类型氧化物在后续工艺流程（如退火处理）中不能够充分溶解，削弱了复合金属材料的界面结合效果，从而严重地影响着双金属复合材料的界面强度。而冷轧复合是在热轧复合的基础上演变而来的一种复合加工工艺，其在轧制复合过程中要求温度要低，这样就能够减少在轧制复合过程中的结合相变、脆性金属间的化合物、显微组织变化等现象，让复合后的金属材料的厚度变得均匀、结合面平坦而没有浪形、产品的质量和性能更好。

2.2 轧制变形率

轧制的变形率与界面强度之间在轧制复合的过程中将会形成一种成正比的关系。将两种异种、界面剥离强度不同的金属材料进行轧制复合时，界面强度会随着变形率的增大而增大，但是当变形率达到一定的程度时，界面的结合强度的增速会减缓。通过现有的研究发现，金属变形率在40%以下是不能通过轧制而得到复合金属材料的，一般组元金属需要实现轧制复合的最小压下率（临界变形率）不得少于50%。据研究数据表明，界面强度和金属变形率之间的正比关系所形成的原因在于金属材料在复合轧制过程中的表面处理环节会出现加工硬化层（其塑性比基体金属低），而新鲜金属（界面两侧的）通过越来越大的正面压力作用下会随着变形率的增加被挤出得越来越多，相应的就会出现较多的金属界面激活点，从而促就了界面的结合性能越来越强。

2.3 退火处理

轧制复合一般包括了接触表面的扩散、激活阶段、物理接触阶段三个阶段。在双金属复合轧制过程中，对金属的结合界面进行退火处理，将会消除界面氧化物、空洞等缺陷及其内部的残余应力，从而能够一定程度上地提高复合板材的成形性能。而退火的时间和温度是退火处理工艺的关键性参数，这就在剪切强度与退后处理之间形成了一种较为复杂的曲线关系，即双金属复合材料的界面强度会随着退火的时间变长和温度的升高出现先升高后降低的现象。这种现象的出现是由于界面两侧的金属原子受热激活形成扩散作用，让其在界面处逐渐转变为共晶的晶格类型甚至界面层，而当温度和时间都在不断增加时，再结晶晶粒会因其体积逐渐粗大而在界面处发生Kirkendall效应，产生脆性的氧化物，进而影响着界面的强度［2］。

3 多层不锈钢复合板热复合的有限元模拟试验

3.1 Marc非线性有限元分析方式

在Marc非线性有限元分析方式中，采用数值分析的手段，对三层不锈钢型复合板料进行复合过程的数值（金属材料的轧制复合界面处于弹性状态，应力与应变呈非线性变化，应变与位移产生微小的数值等）模拟分析，在现了轧制复合的过程，通过监测复合界面的再结晶的节点、交叉点等内容，比较分析了此类型的复合板在复合轧制过程中的应力场与温度场的变化。例如，在退火处理过程中，以持续十分钟的400℃退火温度，复合金属材料的拉伸强度和位移成正比的变化；当退火温度以200℃持续1 h时，复合板的拉伸强度有所下降，延伸率少量增加（如图1）。

图1 不同退火条件下的应力应变曲线图

3.2 增加弯曲单元的方式

通过对增加弯曲单元前后的界面残余应力进行比较、分析，同时研究相关的轧制速度、压弯量、辊径、单元辊距、弯曲降应力等方面的而变化，探讨和总结出复合板在热轧完毕后的最最小残余力值的方案。例如，将需要复合轧制的金属材料经过表面处理后叠合固定，进行冷轧复合，每道次压下量控制在50%左右，然后将所得的复合板材进行切割—重复地工艺轧制。这时，当累积的应变量达到了较大的值时将会获得极大的压下量，甚至有可能会突破传统轧制复合工艺的压下量限制。

3.3 有限元模拟研究方法

对双面不锈钢的冷轧过程进行有限元模拟，主要模拟内容为小道次压下界面强度的变化，并将其结果与实际相同的压下率轧制过程及其效果进行宏观上的对比。在其他条件相同的情况下，双金属复合板的界面结合强度一般情况下是与压下率成反比的，即当压下率越高，结合强度就越高；但是，如果压下率过大将会导致复合板出现极大程度上的裂边。如，将金属材料的复合轧制过程中的温度控制在410～430℃，压下率控制在50%～60%左右，这样轧制出来的金属复合板的界面强度最佳，在45～50 MPa左右，再经过弯曲实验后，复合板没有分离或开裂的现象出现（如图2）。

图2 轧制温度对复合板结合强度的影响

3.4 采用实验研究的方式

本文将会采用母材处理—剪切—表面处理—打孔—吹干叠合—打破口—轧制—复合板材处理的循环工艺流程（反向凝固复合技术）试验，主要对不锈钢、碳钢二层复合板、不锈钢、碳钢、不锈钢三层复合板的轧制过程和退火工艺进行实验，对轧制前后、退火后界面组织、拉伸断面等内容进行观察，分析复合板弯曲与拉伸性能、复合面元素的变化和受影响情况，得出应变曲线与拉伸应力曲线、材料力学的性能与不同工艺之间的关系。在经过基本的处理后，利用透射电子显微镜对完全退火状态的碳钢—不锈钢各道次轧制后的金属层进行显微组织分析，测量其晶粒尺寸、晶界交点数，并求取其平均数值。

在进行拉伸强度试验时，对试样的两端逐渐而缓慢地施加拉伸荷载，得到金属材料的应力—应变曲线；然后将经过轧制复合的试样用游标卡尺测量出其原始的长度、厚度和宽度，再在电子拉伸机上进行拉伸试验，这样就能得到相应的应力、应变的数值（如下页图3、图4）。在进行退火处理的实验时，退火温度600℃保持1 h左右，钢层就会发生完全的再结晶；当温度降到400～600℃并持续60 min后，不锈钢—碳钢—不锈钢的界面结合度就会达到最大值9个力/mm；在温度超过600℃时，界面结合强度就会急速下降为2.7个力/mm。

图3 拉伸试样图（mm）

图4 剪切试样图（mm）

4 复合板轧制工艺的问题及解决办法

4.1 复合轧制的工艺问题

目前，不锈钢三层复合板的轧制复合过程中，最关键的问题是工艺流程的问题，如轧制复合的结合界面容易出现不锈钢层增碳、脆性金属化合物、产品质量较差、结合强度不高等现象；在进行退火处理等热处理工艺时，未充分消除的残余应力控制或处理不当极易产生碳化物、金属化合物等；复合板内部产生的内应力将会因碳钢与不锈钢之间的物理性能差异而造成结合界面的开裂、晶粒的扩散效果不佳等。

4.2 复合轧制工艺流程的优化设计

在对不锈钢、碳钢等金属材料进行轧制复合时，可以结合传统制备工艺中的爆炸轧制复合等方法与新型的反向凝固、钎焊等方法进行生产线上的有效排列组合，打破制备方法中的传统、固定工艺流程，在传统与新型工艺方法中取长补短、重新规划设计轧制的生产流程，形成一个完善的可持续循环、智能化、自动化的生产流水线［3］。不仅如此，还应积极研发能耗低、结合强度高、界面氧化物减少的工艺方法，将连续性融入进热处理工艺之中，以便于能够降低成本、制造出紧凑的工艺流程，形成良性的连续性循环批量生产模式。

5 结语

随着复合金属材料的制备工艺和产品性能上的优势与影响，不锈钢—碳钢—不锈钢多层复合板材的应用领域正在不断地拓展开来，且传统的轧制工艺也趋于成熟。但是在现代科学技术的发展和社会的不断进步这一背景下，市场对多层金属复合板材的需求远远超过了现在的制备工艺，这就需要从轧制工艺的流程上入手，如将冷轧复合与液-液复合、爆炸复合与钎焊复合等方式相结合，采用反向凝固、生产设备自动化、智能化循环箱结合的工艺流程，从根本上解决生产规模不够大、产品总体质量不高与市场需求之间的矛盾，进而能够有效地维持市场秩序，促进社会及其经济的可持续循环发展。

［1］ 杨松涛.影响双金属轧制复合结合强度的工艺因素综述［J］.有色金属加工，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，李国平.钛钢不锈钢复合板生产发展及展望.［J］.中国冶金，2011（2）：5-10.

（编辑：苗运平）

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

吕梁学院自然科学基金（ZRQN201507）

李晋（1987—），男，毕业于太原科技大学，硕士学位，助教，研究方向：现代轧制设备设计理论与关键技术。