我國軋制方法生產(chǎn)層狀金屬復合材料的研究現(xiàn)狀

何澤華

（鄭州大學材料科學與工程學院，河南 鄭州 450052）

我國軋制方法生產(chǎn)層狀金屬復合材料的研究現(xiàn)狀

何澤華

（鄭州大學材料科學與工程學院，河南 鄭州 450052）

軋制是生產(chǎn)層狀金屬復合材料的主要手段，該方法價格低廉，性能可靠。文章綜述了軋制方法生成異種金屬復合板的方法工藝及相應機理，總結(jié)了國內(nèi)應用最為廣泛的碳鋼-不銹鋼復合板的軋制生產(chǎn)工藝的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。

層狀金屬；軋制；結(jié)合機理；碳鋼-不銹鋼復合

1　引言

所謂層狀金屬復合材料，是指將兩種金屬材料利用其各自的性能優(yōu)勢進行分層組合的一類金屬材料。盡管各層金屬仍保持各自原有特性，但其物理、化學、力學性能比單一金屬優(yōu)越很多［1］。目前，世界上已有上千種金屬復合材料，按其應用特性可分為熱雙金屬、貴廉復合金屬、導電彈性復合金屬、封裝熱控制用復合金屬、飲具（裝飾）用復合金屬、造幣復合金屬、釬焊用復合金屬等，廣泛地應用在建筑、交通、醫(yī)療、化工、日用產(chǎn)品等領(lǐng)域。

金屬層狀復合材料的生產(chǎn)工藝復雜，其中復合工藝是生產(chǎn)的中心環(huán)節(jié)。生產(chǎn)中應用的比較多的復合方法主要可分為固-固復合和液-固復合兩類。其中固-固復合主要包括軋制復合法、爆炸復合法、爆炸-軋制復合法、擴散復合法等；液-固復合包括鑄造復合法、釬焊法等；而電磁成型復合、自蔓延高溫合成焊接（SHS）、激光熔覆、超聲波焊接、噴射沉積復合、液固相軋制復合、反向凝固復合和高速熱浸鍍等則是一些新興的復合技術(shù)。這些技術(shù)各具優(yōu)點和相應的不足，其中性價比最高，應用最為成熟和廣泛的當屬軋制復合。

2　主要軋制復合工藝

軋制復合方法按照工藝的差別可以分為熱軋、冷軋、粉末軋制、熱噴涂軋制和爆炸軋制等。常規(guī)的軋制復合工藝流程為：覆層結(jié)構(gòu)設計→表面預處理→預復合裝配→軋制復合→冷粗軋→中間退火→冷精軋→成品。

2.1熱軋復合工藝

熱軋復合法是對加熱到一定溫度的待復合金屬坯料施加壓力，在受到熱和力的同時作用下發(fā)生塑性變形，從而使不同金屬復合的一種冶金結(jié)合工藝方法。加熱溫度、變形率和厚度比是熱軋的三個重要因素。熱軋復合法的軋制力較小，對軋機的要求不高；工藝簡單，成本低；界面結(jié)合牢固。但是，當復合活性較強的金屬時，加熱時容易在復合界面形成脆硬組織；如軋制時沒有保溫措施，則能夠復合金屬板的長度有限；復合板的厚度難以控制，生產(chǎn)一致性和穩(wěn)定性差，難以復合薄板。熱軋復合要保證復合金屬的表面潔凈和活化。但金屬加熱時很容易發(fā)生氧化，一般采用惰性氣體保護和利用中間夾層材料的工藝來排除氧氣的影響。其次，熱軋溫度的選擇也直接影響著復合效果。溫度過低則接合面金屬流變性能較差，異種原子擴散動力不足，再結(jié)晶溫度不充分，復合層結(jié)合不緊密。而過高的溫度則導致氧化層快速產(chǎn)生增厚，從而阻礙異種原子間的相互擴散行為，復合結(jié)果亦不理想。

廣東工業(yè)大學材料科學與工程學院的袁鴿成研究了溫度對不銹鋼/鋁/不銹鋼層狀材料軋制復合行為的影響。研究表明加熱溫度必須達到一定數(shù)值，當溫度低于523K時，鋁/鋼界面為機械嵌合，強度很低；溫度高于673K后，界面為冶金結(jié)合，結(jié)合強度提高，剝離面在鋁基體。說明界面兩側(cè)金屬剪切流動導致的新表面接觸及擴散行為是促進界面結(jié)合的主要機制［2］。北京科技大學高效軋制國家工程研究中心王小紅等實驗研究了鋁-銅軋制復合工藝及界面結(jié)合機理，試驗中采用了7個不同的壓下率進行軋制，發(fā)現(xiàn)壓下率75%時復合效果較理想。壓下率過小時不足以破壞氧化層，難以復合；壓下率過高時由于兩種金屬延伸率不同，不能很好延展，金屬界面相互搓擦，降低結(jié)合強度，且邊部會出現(xiàn)鋸齒狀裂紋［3］。沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院黃宏軍等研究了銅鋁薄板軋制厚度比的變化規(guī)律，結(jié)果表明：銅鋁復合臨界軋制壓下率隨著銅厚比例的增加而減小，銅鋁組元壓下率與總壓下率之間成正比關(guān)系，隨著壓下率的增大，各組元壓下率也呈增長趨勢［4］。谷坤文等采用累積復合軋制技術(shù)（ARB）成功制備2、4、8、16層不銹鋼鋼板，通過對不同道次金屬材料的測試分析［5］。結(jié)果表明，隨著累積變形量的增加，材料組織顯著得到了細化，材料的抗拉強度、硬度提高，界面結(jié)合強度增強。

2.2冷軋復合工藝

在20世紀50年代初，美國首先成功實現(xiàn)了冷軋復合成型技術(shù)，提出了復合表面清理、軋制復合、退火強化為主要過程的生產(chǎn)工藝［6］。即首先在大壓下率下初步冷軋兩層乃至多層金屬，使之初步產(chǎn)生原子力的結(jié)合，然后通過擴散退火，使結(jié)合面強化的一種工藝。

通?？赏ㄟ^化學清洗、機械物理清理或過程層法處理待復合工件的表面。

化學清洗法用酸液或堿液可有效去除金屬表面的油脂和氧化皮，但會有部分液體和氣體吸附在金屬表面較難去除，且受化學清洗池容積限制，只適合處理小尺寸工件表面。機械法利用旋轉(zhuǎn)鋼刷清理待復合表面。這種方法簡便有效，費用較低，且受尺寸限制較小，能夠處理尺寸較大的復合金屬表面。但這種方法處理后復合金屬表面粗糙度較大，使得結(jié)合界面的強度波動較大，而且處理過程中粉塵較大，危害環(huán)境和工作人員的健康。當待復合的異種金屬界面容易產(chǎn)生金屬間化合物時，通常采用過渡層法。過渡層金屬通常硬而脆，在軋制變形時破碎，不會對結(jié)合強度產(chǎn)生不利影響。

冷軋復合時，復合界面兩側(cè)的內(nèi)部未氧化金屬在很大的壓力作用下擠碎硬化層并相互接觸，從而形成牢固的冶金結(jié)合。要保證結(jié)合強度，需要硬化層開裂充分，有足夠的內(nèi)部金屬相互接觸。只有大的塑性變形量才能獲得足夠的硬化層開裂寬度，因此，冷軋復合的首次壓下量要求比較大，一般在70%左右。軋制的復合材料不同，其屈服強度也不同，在軋制時變形程度不一致，產(chǎn)生相當大的殘余應力，嚴重影響復合材料的使用性能，需要通過合理的熱處理工藝消除應力。不僅如此，通過一段時間一定溫度的保溫處理，復合界面也可以形成一定厚度的擴散層，從而增強界面結(jié)合強度。但若熱處理工藝選取不當，也會在界面上產(chǎn)生脆硬的金屬間化合物。因此，根據(jù)實際情況制定合理的退火強化工藝對保證冷軋復合質(zhì)量非常重要。冷軋復合能夠避免界面高溫氧化，金屬組合較為靈活，適應面廣，加工尺寸精確，但首道壓下率大，對軋機的要求很高。

在軋制過程中，軋輥對軋件做功，使軋件金屬產(chǎn)生塑性變形，如圖1，其中大部分變形功轉(zhuǎn)化為熱量，稱為變形熱。對大多數(shù)金屬而言，90%的塑性變形功轉(zhuǎn)化為熱量，熱轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.9。

軋制變形區(qū)產(chǎn)生的熱為：

式中：H、h-----分別為軋制出入口厚度；Pm-----軋制區(qū)平均單位壓力；Vc-----軋縫處體積；ηm----塑性變形功轉(zhuǎn)化為熱的部分。

圖1　軋制變形區(qū)示意圖

由于軋制變形熱的存在，軋制過程可導致軋件升溫。同時，軋輥和軋件相對滑動摩擦也會產(chǎn)生大量熱量，使軋件升溫。熱軋溫度高，這兩個因素對軋制效果影響不大。但冷軋時這種溫升的影響是不可忽略的。首先由于這種機械功引起的溫度升高會造成材料軟化；另外變形熱本身又受應變、應變率和溫度的影響。

3　軋制復合機理

層狀金屬軋制復合機理的探索研究一直在進行，現(xiàn)已有多種理論闡述，各有優(yōu)點和不足。仍有許多機理還不清楚，有待進一步研究。

3.1再結(jié)晶理論

再結(jié)晶理論認為軋制時兩種金屬接觸變形，變形熱效應使得接觸界面局部升溫，界面處兩種金屬的晶格原子重新排列組合形成了新的晶體，從而實現(xiàn)了接觸面的結(jié)合。再結(jié)晶理論用熱力學理論解釋了軋制過程中復合材料截面的組織變化，但對有些金屬的低溫復合現(xiàn)象無法解釋。

3.2金屬鍵理論

金屬鍵理論認為只有當兩種金屬原子距離縮小到能夠產(chǎn)生金屬鍵時才能實現(xiàn)金屬界面的結(jié)合。原子引力存在于任何一個固相金屬晶體內(nèi)的原子之間，當原子處于平衡位置時，接觸原子公用外層自由電子，形成金屬鍵。但該理論不適用于解釋低溫復合領(lǐng)域中的問題。

3.3能量理論

能量理論認為只有當原子獲得足夠的能量而被激活，且被激活原子相互之間縮短到一定距離后才可能形成金屬鍵，實現(xiàn)金屬間的結(jié)合。當兩種金屬表面相互接觸的時候，如果原子能量不夠，即使原子間距到達了晶格參數(shù)級別，仍然不能實現(xiàn)金屬結(jié)合。但該理論難以合理解釋加工硬化現(xiàn)象，因為加工硬化會使金屬原子的能量增加，但金屬間的結(jié)合能力反而變差。

3.4擴散理論

擴散理論認為軋制復合異種金屬時，變形熱效應使接觸區(qū)的溫度升高，金屬原子能量增加，接觸面附近的原子相互擴散，形成一層很薄的過渡層，從而實現(xiàn)兩種金屬之間的復合。兩種原子的相互擴散增加了原子間產(chǎn)生相互作用的機會，促進金屬之間的結(jié)合。但該理論沒有考慮到接觸表面的激活和相互擴散對接觸面實現(xiàn)結(jié)合的影響。

3.5位錯理論

位錯理論認為位錯會在兩種金屬接觸變形的過程中遷移到接觸面，撕裂表面的氧化膜并在表面形成原子級別的臺階形貌，雙金屬接觸面變得粗糙，在溫度和壓力作用下發(fā)生比內(nèi)部金屬大得多的塑性變形。這種半固態(tài)流變過程促成了界面的復合。顯然該理論不適用于液-固復合。

3.6薄膜理論

薄膜理論認為金屬表面的狀態(tài)決定了它們能否實現(xiàn)結(jié)合，該理論適用于異種金屬軋制復合的解釋。該理論認為清除或突破異種金屬接觸面的氧化膜障礙是實現(xiàn)結(jié)合的關(guān)鍵。一般來說脆硬較薄的氧化膜在變形時易于破碎，新鮮金屬容易暴露接觸，實現(xiàn)結(jié)合。而厚且韌性較好的氧化膜在變形時裂紋較少且細微，不利于復合，只有在復合前及時清除氧化膜，在復合工藝過程中使界面處原子接近到一定距離并產(chǎn)生引力，進而實現(xiàn)金屬的結(jié)合。

3.7三階段理論

三階段理論吸收整合了多種理論，認為在高溫加壓條件下的金屬復合都不可避免第經(jīng)過三個階段。首先，在大塑性變形作用下，異種金屬原子在接觸面上互相接近到產(chǎn)生物理作用弱化學作用的距離，即形成物理接觸。然后異種金屬接觸表面處原子的繼續(xù)接近并受到激活，形成化學鍵合。最后，在完成物理接觸和實現(xiàn)初步的化學鍵合后，異種金屬接觸面的原子在熱和力的作用下繼續(xù)相互擴散，并形成一定厚度的過渡層，從而提高的界面結(jié)合強度。

以上理論從不同角度揭示了金屬實現(xiàn)結(jié)合的規(guī)律，這些理論并不矛盾，而是相互補充。其中薄膜理論和三階段理論是金屬層狀復合軋制的主流理論。

4　軋制法制備不銹鋼/碳鋼層狀金屬復合材料

不銹鋼/碳鋼復合板是一種需求量比較大的新型復合材料。它兼有不銹鋼耐腐蝕、美觀和碳鋼高強度、價格低廉的優(yōu)點，綜合性能優(yōu)良。目前已經(jīng)廣泛應用于石油化工、核能發(fā)電、遠洋船舶等對耐蝕性要求較高的領(lǐng)域，另外在橋梁、建筑等民用方面的應用也日益增多［7］。

4.1冷軋制備法

東北大學軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室的祖國胤等通過對不銹鋼/碳鋼復合板軋制工藝的研究，提出了不銹鋼/碳鋼冷軋復合的結(jié)合機理。分析了影響不銹鋼與碳鋼復合的主要因素，指出擴散退火可以明顯提高復合界面的結(jié)合性能［7］。

冷軋前首先需要對碳鋼及不銹鋼進行表面清理。不銹鋼板在冷軋復合前應首先清除掉附著在表面的油脂和污物，然后進行酸洗，酸液清除干凈后用機械滾刷進行物理清洗， 最終獲得干燥、潔凈，表面有一定粗糙度的不銹鋼板。碳鋼表面的清理與之類似， 主要有堿液除油、酸洗活化、鈍化處理、機械打磨等工序。清理后將碳鋼和不銹鋼板兩種整齊疊放，對首先軋制的一端點焊固定，然后送入軋機進行軋制。由于冷軋界面不存在氧化的問題，故不需要抽真空或制造保護性軋制氛圍。首道次的壓下率控制在40%～60%之間。

冷軋復合一般分為兩種情況。一種是軋制材料塑性較好，軋制時復合表面的污染層和氧化層由于軋制而延伸變薄，在被擦破之后形成金屬接觸的粘合點；另一種是清洗后軋制金屬表面硬化層硬脆，軋制時冷加工硬化層破裂，潔凈的金屬由裂口擠出而形成粘合，這種粘合的強度較前者高。但是不銹鋼和碳鋼不具備以上兩種復合條件。首先不銹鋼塑形好，加工硬化后金屬表面仍不會產(chǎn)生寬大的裂口，只會產(chǎn)生大量的細微裂紋，且加工硬化層的韌性較強。在這種條件下變形抗力很大的基體金屬難以突破硬化層，從微小裂紋中擠出，也就不能與碳鋼相遇而形成粘合點。另外，低碳鋼的表面即沒有硬而脆的氧化薄膜，也沒有類似于銅那樣較軟易破的氧化亞銅薄膜， 因而就不會產(chǎn)生金屬表面氧化膜破裂或延伸變薄的情況，新鮮金屬也就無法接觸形成粘合點。且由于軋機強度的限制，加大變形量來加強復合也是不可行的。

綜上所述，單依靠冷軋工藝難以實現(xiàn)不銹鋼與碳鋼的良好復合。實驗表明，復合板在500℃的溫度下擴散退火1.5h可以消除殘余應力，提高復合板的剝離強度，優(yōu)化復合板的力學性能。

4.2熱軋制備法

不銹鋼與碳鋼的熱軋復合較冷軋所需的軋制力較小，易于實現(xiàn)，但要想取得理想的效果，必須解決如何去除覆蓋在不銹鋼表面的致密的氧化膜和防止在加熱過程中的重復氧化這兩大難題。為此可配備合適的中間夾層作為釬料，同時在軋制時通入惰性保護氣體（如Ar）。首先，高溫和低氧分壓條件下使得母材表面氧化物失穩(wěn)，其次，液態(tài)釬料對氧化層有一個吸附力作用，再次，金屬和氧化膜熱膨脹系數(shù)不一致，在熱應力作用下氧化膜極易破碎，溶解于液態(tài)釬料中，最終從母材表面脫落而被去除。加入中間夾層同時可以減小因為不銹鋼和碳鋼硬度值差異帶來的軋制變形殘余應力。

軋制時單位壓力越大，復合板間隙越小，此時中間層在母體金屬間的毛細作用增大，對間隙填充型越好，復合充分，復合板的強度越高。在使用中間夾層后，可以在25%～40%的首道次變形率下軋制出性能符合相關(guān)標準的不銹鋼/碳鋼復合板。軋制溫度不宜過高，保溫時間不宜過長。否則會造成母材金屬的溶蝕現(xiàn)象，同時造成晶粒長大，降低結(jié)合強度［8］。

上海寶鋼工程技術(shù)公司的程挺宇研究了首次壓下率和熱處理溫度對不銹鋼-碳鋼復合軋制結(jié)合界面強度的影響。結(jié)果表明當首次壓下率為50%，退火熱處理工藝為900℃×1h時復合界面結(jié)合理想，結(jié)合強度達到了97N/mm，滿足了材料的使用性能要求［9］。對復合板進行拉伸試驗，可見斷裂為韌性斷裂。宏觀上能看到塑性變形，微觀上可看到韌窩，如圖2所示。

圖2　退火后拉伸斷口SEM照片

大連交通大學材料科學與工程學院的陳汝淑等人參考單晶材料、先進陶瓷材料的連接方法，將瞬間液相擴散復合法（TLP）應用于制造碳鋼-不銹鋼復合棒材和管材。采用黃銅作為中間層，從外向內(nèi)依次套裝碳鋼管、中間層、不銹鋼棒（管），然后拉拔使金屬間達到初步結(jié)合，隨后再在電阻爐中進行擴散退火。這種方法分拉拔和擴散退火兩步，與擴散焊類似，同樣可以取得較好的復合效果［10］。

5　結(jié)束語

目前，在功能要求、節(jié)能環(huán)保等諸多因素的推動下，復合材料的發(fā)展方興未艾，其制備方法也不斷創(chuàng)新。這種創(chuàng)新不僅體現(xiàn)在新科技手段的應用，更體現(xiàn)在傳統(tǒng)方法在材料復合上的整合和改進。作為重要的傳統(tǒng)方法，軋制復合具有成熟的、可直接應用于生產(chǎn)的產(chǎn)線和設備，軋制產(chǎn)品的復合界面也比較牢固可靠，諸如不銹鋼/碳鋼復合板等很多產(chǎn)品已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，社會需求量很大。相較于其他復合方法具有明顯的成本優(yōu)勢。目前關(guān)于軋制復合已有相當研究，但仍然存在很多不很明了的地方。通過與先進的計算機模擬技術(shù)相結(jié)合，對軋制機理進行模型模擬和理論數(shù)值分析，獲得更深刻和全面的認識，對推動以軋制工藝的改進以及在金屬材料復合領(lǐng)域的進一步應用具有重要的意義。

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The domestic research status on rolling layered metal composite material

Rolling complex， with low-cost and reliable performance， is the main method of producing layered metal composite material. This paper reviewed the rolling method and the mechanism to generate dissimilar metal composite panels， summarized the current situation and development direction of rolling process of the carbon steel - stainless steel clad plate， which is most widely used domestically.

Layered metal； rolling； bonding mechanism； carbon steel and stainless steel composite template

Q813.11

A

1008-1151（2016）04-0059-04

2016-03-06

何澤華（1994－），男（蒙古族），河南鎮(zhèn)平人，鄭州大學材料科學與工程學院學生，從事材料科學研究。