楊松濤，趙景申，張鵬翼，何中要，孫 鵬

(中色科技股份有限公司，河南洛陽(yáng)471039)

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金屬?gòu)?fù)合板帶材軋制復(fù)合技術(shù)與裝備研發(fā)

楊松濤，趙景申，張鵬翼，何中要，孫 鵬

(中色科技股份有限公司，河南洛陽(yáng)471039)

文章分析了金屬?gòu)?fù)合板帶材熱軋復(fù)合和冷軋復(fù)合的工藝技術(shù)，介紹了國(guó)內(nèi)軋制復(fù)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了冷復(fù)合軋制裝備的工藝要求和研究重點(diǎn)，對(duì)拓展金屬?gòu)?fù)合板帶材的應(yīng)用范圍，轉(zhuǎn)移金屬板帶材過剩產(chǎn)能，推進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整以及加快企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有一定意義。

復(fù)合工藝；金屬?gòu)?fù)合板；復(fù)合軋機(jī)；熱軋；冷軋

當(dāng)前，鋼鐵及有色金屬加工行業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，各單位均致力于開發(fā)新的高附加值產(chǎn)品。用軋制法生產(chǎn)金屬?gòu)?fù)合板帶材，可節(jié)約稀缺貴重金屬，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，備受企業(yè)的青睞。市場(chǎng)上出現(xiàn)的金屬?gòu)?fù)合板帶材品種有鋁合金釬焊板、銅/鋁、鋼/鋁、鋼/銅、碳鋼/不銹鋼、鈦/鋁、鈦/鋼以及熱雙金屬等，這些材料在電子電器、冶金、化工、汽車、航天航空等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

各大高校、科研院所和企業(yè)圍繞軋制復(fù)合法，在表面處理、軋制復(fù)合工藝、退火處理、復(fù)合機(jī)理以及軋制復(fù)合設(shè)備等方面做了大量試驗(yàn)和研究，并取得了一定的研究成果。然而，這些技術(shù)成果和復(fù)合材料在市場(chǎng)上卻很少得以產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，究其原因，一方面因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室工況條件與實(shí)際生產(chǎn)有所不同，生產(chǎn)中的工藝還處于摸索階段；另一方面，與工藝相配套的軋制復(fù)合設(shè)備研究不夠深入，不能完全滿足復(fù)合工藝的需要。

1 金屬?gòu)?fù)合板帶材軋制復(fù)合技術(shù)

1.1 熱軋復(fù)合工藝

熱軋復(fù)合法是將待復(fù)合的金屬坯料加熱到一定溫度，在熱和力的作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)合的一種成形方法，其工藝流程如圖1所示。復(fù)合板來料可分兩種，一種是塊狀板坯，如爆炸焊接坯或鉚接組焊坯；另一種是成卷的熱軋料或冷軋料。熱軋復(fù)合前，首先要將組元金屬待復(fù)合面進(jìn)行表面處理，以達(dá)潔凈、活化的目的[2-3]；然后將來料進(jìn)行加熱、軋制。

圖1 熱軋復(fù)合工藝流程Fig.1 Flow chart of hot-rolling bonding

對(duì)于鉚接組焊的中厚板坯來說，由于軋制道次較多，隨著軋制總加工率的增加會(huì)產(chǎn)生一定的寬展，需進(jìn)行邊部軋制，當(dāng)各層金屬實(shí)現(xiàn)結(jié)合之后允許用乳液等介質(zhì)進(jìn)行大面積潤(rùn)滑與冷卻；而對(duì)于成卷的薄板組元金屬來說，一般只進(jìn)行一個(gè)道次復(fù)合，為避免待復(fù)合面受到污染，復(fù)合過程中不允許乳液噴淋。熱軋所需臨界變形率較冷軋小，速度上比冷軋快，但一般不超過30m/min。

熱軋復(fù)合可以降低軋制力，降低臨界變形率，通過控制各層組元金屬的加熱溫度，對(duì)復(fù)合階段基體材料與覆體材料的協(xié)同變形有利。但是，熱軋復(fù)合具有以下缺點(diǎn)：① 工藝流程長(zhǎng)，能耗大，能效低；② 由于熱軋復(fù)合道次多，容易造成復(fù)合板各組元金屬分層厚度不均勻，成材率低； ③ 復(fù)合界面之間容易產(chǎn)生金屬氧化物，對(duì)復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度不利；④ 一次性投入資金較多。為解決以上問題，冷軋復(fù)合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為目前實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)和實(shí)際生產(chǎn)的主導(dǎo)工藝方向。

1.2 冷軋復(fù)合工藝

冷軋生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。包括三個(gè)主要工序(軋制三步法)，表面處理→軋制復(fù)合→退火處理，各工序?qū)ψ罱K產(chǎn)品的質(zhì)量和性能有著重要的影響。

圖2 冷軋復(fù)合工藝流程Fig.2 Flow chart of cold-rolling bonding

表面處理的目的是為了去除板材表面的油污、形成硬化層、增大結(jié)合表面積，提高復(fù)合板的界面結(jié)合強(qiáng)度，為物理接觸的形成階段創(chuàng)造條件，從而達(dá)到復(fù)合板材在軋制過程中良好的界面結(jié)合。表面處理方法主要有機(jī)械法和化學(xué)法，實(shí)際生產(chǎn)中一般采用鋼刷或砂帶打磨處理。表面處理程中會(huì)形成一層加工硬化層，其塑性低于基體金屬，在強(qiáng)烈的金屬塑性變形過程中，塑性差的硬化層會(huì)優(yōu)先破裂露出底層新鮮的基體金屬，界面兩側(cè)的新鮮金屬在巨大的正壓力作用下，通過硬化層的裂縫擠出或擠入并且相互接觸形成牢固的冶金結(jié)合。軋制變形量越大，被擠出的新鮮金屬越多，激活點(diǎn)也越多，相應(yīng)的界面結(jié)合性能就越好[4-5]。

冷軋復(fù)合所需的臨界變形率較熱軋復(fù)合大，為降低軋制力，生產(chǎn)實(shí)踐中也會(huì)采用加熱方式進(jìn)行溫軋。不同材料臨界變形率不同，熱雙金屬ε≈45%；鋁合金釬焊板ε≈25%；銅鋁復(fù)合板ε≈ 37%。冷軋復(fù)合時(shí)，要求加工率在臨界變形率以上，否則基材和覆材將不能實(shí)現(xiàn)復(fù)合。相關(guān)資料顯示，金屬?gòu)?fù)合板帶材的結(jié)合強(qiáng)度隨冷軋復(fù)合加工率的增大而增大。

軋制速度具有雙重作用[5-6]，一方面，速度高可以提高界面溫度，有利于組元金屬的復(fù)合；但是高的

軋制速度縮短界面結(jié)合的有效時(shí)間，導(dǎo)致界面接觸時(shí)間不足，不利于金屬間的復(fù)合。雖然低速?gòu)?fù)合有利于增加界面結(jié)合強(qiáng)度，但影響生產(chǎn)效率。

冷軋復(fù)合后，復(fù)合板帶基材和覆材之間的結(jié)合只處于機(jī)械物理結(jié)合階段，為保證復(fù)合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)物理結(jié)合向冶金結(jié)合的轉(zhuǎn)變，需要對(duì)復(fù)合板帶材進(jìn)行退火處理。不同的復(fù)合板帶材需根據(jù)具體的退火制度合理選擇工藝參數(shù)。

2 金屬?gòu)?fù)合板帶材軋制復(fù)合裝備

2.1 熱復(fù)合軋機(jī)

金屬?gòu)?fù)合板帶材的熱軋復(fù)合，起初是在傳統(tǒng)鋁、銅、鋼鐵材料的熱軋機(jī)機(jī)組上進(jìn)行的，這種設(shè)備在結(jié)構(gòu)上主要由機(jī)前滾道、機(jī)前導(dǎo)尺裝置、軋邊輥裝置、軋機(jī)本體、機(jī)后導(dǎo)尺裝置、機(jī)后滾道、機(jī)后卷取機(jī)等組成，該熱軋機(jī)組與加熱爐分開布置，且局限于厚料的復(fù)合。

由于在爐內(nèi)加熱以及復(fù)合過程中，復(fù)合界面處極易發(fā)生氧化，對(duì)于復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度會(huì)有不利影響。為了改善加熱氧化問題和實(shí)現(xiàn)中厚板及薄板帶材的熱軋復(fù)合，在設(shè)備的配置上，將加熱裝置與軋機(jī)機(jī)組布置在同一生產(chǎn)線上，其中，加熱爐保護(hù)氣氛、各組元金屬帶材張力可控可調(diào)，加熱爐緊挨軋機(jī)本體，使加熱后的帶材能在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入輥縫實(shí)現(xiàn)復(fù)合。

熱復(fù)合軋機(jī)示意圖如圖3所示。該機(jī)組主要由開卷機(jī)、中間帶材矯直機(jī)、可控氣氛加熱爐、軋機(jī)本體、入口導(dǎo)衛(wèi)裝置、清輥器、糾偏裝置和卷取機(jī)等組成。為保證復(fù)合過程摩擦界面的穩(wěn)定性，在機(jī)組功能上還須配置潤(rùn)滑和冷卻裝置。熱復(fù)合后的帶材經(jīng)熱處理后一般要在普通4輥、6輥或20輥軋機(jī)上進(jìn)行冷軋加工。

圖3 熱復(fù)合軋機(jī)示意圖Fig.3 Layout of hot bonding mill

2.2 冷復(fù)合軋機(jī)

冷復(fù)合軋制裝備的設(shè)計(jì)配置是在“冷軋三步法”工藝要求下進(jìn)行的。在機(jī)組配置上與圖3相似，一般冷復(fù)合軋機(jī)不配置加熱裝置(如果待復(fù)合的組元金屬性能差別較大，可保留加熱裝置以實(shí)現(xiàn)溫軋復(fù)合)。根據(jù)冷軋復(fù)合的工藝要求，待復(fù)合的組元層金屬?gòu)?fù)合前要經(jīng)過表面處理，考慮到冷軋復(fù)合速度較低，可將表面處理工序配置在機(jī)組中，也可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，單獨(dú)設(shè)計(jì)表面處理生產(chǎn)線。常見的冷復(fù)合軋機(jī)機(jī)組配置如圖4所示。

圖4 冷復(fù)合軋機(jī)示意圖Fig.4 Layout of cold bonding mill

對(duì)比圖3和圖4可知，冷復(fù)合軋機(jī)與熱復(fù)合軋機(jī)在配置上區(qū)別不大，對(duì)于冷復(fù)合軋機(jī)來說，關(guān)鍵部位在于中間層和上下層的打磨裝置、機(jī)前入口裝置和潤(rùn)滑冷卻裝置，并根據(jù)生產(chǎn)需要，配置了中間基材的剪切焊接裝置和機(jī)后隨動(dòng)液壓剪切裝置。

冷軋復(fù)合與熱軋相比具有工藝流程短，低能耗，生產(chǎn)效率高以及投入資金少，風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，另外，板帶材寬度方向組元金屬分層厚度比較均勻，成材率高，在實(shí)際應(yīng)用中得到了生產(chǎn)廠家的青睞。

3 冷復(fù)合軋機(jī)的工藝要求和研究重點(diǎn)

3.1 冷復(fù)合工藝對(duì)軋制設(shè)備的工藝要求

(1)冷復(fù)合軋機(jī)對(duì)打磨裝置的工藝要求是，鋼刷輥速度、垂直于帶材方向的位移可調(diào)，在斷帶或斷電的情況下能實(shí)現(xiàn)快速遠(yuǎn)離帶材以避免不理想的打磨效果。打磨過程中將產(chǎn)生金屬粉塵，要求打磨裝置配備必要的吸塵裝置；

(2)冷軋復(fù)合不允許待復(fù)合面存在乳液、軋制油等其它污染物，因此，整個(gè)摩擦界面處于干摩擦狀態(tài)。冷軋復(fù)合要求大壓下率，隨著軋制時(shí)間延長(zhǎng)，帶材和軋輥溫度升高，會(huì)造成摩擦界面的惡化，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生粘輥現(xiàn)象，甚至引起軋機(jī)震動(dòng)[7]，這對(duì)金屬?gòu)?fù)合板帶材的生產(chǎn)帶來不利影響。設(shè)計(jì)時(shí)必須配置一定的潤(rùn)滑裝置和軋輥冷卻裝置；

(3)冷軋復(fù)合工藝要求基材和覆材進(jìn)入輥縫前要對(duì)齊，不允許有錯(cuò)層和跑偏現(xiàn)象，因此在機(jī)組配置上需考慮各組元層金屬的糾偏機(jī)構(gòu)；

(4)各組元金屬的張力可調(diào)，同時(shí)，為達(dá)到基材和覆材塑性變形的協(xié)調(diào)性，適當(dāng)加熱溫度對(duì)降低軋制變形抗力、增加結(jié)合強(qiáng)度有很大好處。在冷復(fù)合軋機(jī)的機(jī)組配置上，可設(shè)計(jì)在線加熱裝置，以實(shí)現(xiàn)在一定軋制速度下達(dá)到所需溫度，但對(duì)寬度方向上的溫差控制有嚴(yán)格要求。

3.2 冷復(fù)合軋制設(shè)備的研究重點(diǎn)

(1)輥系類型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冷復(fù)合軋機(jī)常見的輥系類型有2輥和4輥。采用2輥形式，因冷復(fù)合需要的加工率大，如果輥徑小，則軋輥剛度不夠；如果軋輥直徑大，雖然剛度有一定改善，但會(huì)造成軋制力偏高。隨著金屬?gòu)?fù)合板帶材朝著寬幅方向發(fā)展，2輥輥系不利于板形控制，但是，2輥輥系有利于軋輥冷卻裝置和潤(rùn)滑裝置的配置與設(shè)計(jì)，對(duì)復(fù)合有利。

相反，如果采用4輥輥系，軋輥剛度可以保證，且工作輥直徑較小，對(duì)應(yīng)的軋制力較??；4輥輥系形式有利于板形控制，但不利于軋輥的冷卻和潤(rùn)滑。因此，合適的輥型和輥徑是冷復(fù)合軋機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)；

(2)冷卻與潤(rùn)滑裝置

冷復(fù)合工藝要求配置冷卻裝置和潤(rùn)滑裝置，有資料顯示，軋輥冷卻可采用中間打孔通水冷卻，也可采取不同材質(zhì)的輥芯輥套結(jié)構(gòu)。在潤(rùn)滑與冷卻裝置方面，寶山鋼鐵股份有限公司的陳忠平[8]等申請(qǐng)了“固相復(fù)合軋機(jī)潤(rùn)滑裝置”的發(fā)明專利，該專利選用了流動(dòng)性差、不易滴落、粘稠的氯化石蠟作為潤(rùn)滑介質(zhì)，在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了自動(dòng)涂刷裝置，可降低人工涂刷的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且可保證潤(rùn)滑界面穩(wěn)定均勻。南方鋁業(yè)(中國(guó))有限公司的林平等人申請(qǐng)了“冷軋復(fù)合生產(chǎn)線的乳化液噴射裝置”，解決了因溫升引起的工作輥過熱或粘鋁問題[9]。針對(duì)不同的金屬?gòu)?fù)合板帶材，應(yīng)將潤(rùn)滑介質(zhì)的選擇、潤(rùn)滑裝置的設(shè)計(jì)、工作輥冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方式作為設(shè)計(jì)和研發(fā)的重點(diǎn)；

(3)在線加熱裝置

一般而言，覆材和基材的層厚比較小，特別是在三層復(fù)合過程中，通常只對(duì)中間層加熱。加熱方式有電阻式加熱和感應(yīng)加熱兩種，不管采用何種方式，要求在帶材寬度上的溫差不能太大，否則將影響復(fù)合后的結(jié)合效果，不利于板形控制?？紤]到溫降和帶材表面氧化程度的差異，在線加熱裝置距離輥縫的距離不要太遠(yuǎn)。如何保證帶材在軋制復(fù)合速度下加熱到預(yù)定的工藝溫度是加熱裝置在設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵性技術(shù)難題；

(4)剪切與焊接裝置

基材厚度較覆材大，且要經(jīng)過矯直展平、加熱，為了減少中間穿帶次數(shù)，提高生產(chǎn)效率，保證復(fù)合軋制的連續(xù)化生產(chǎn)，在機(jī)組配置上要設(shè)計(jì)前后帶材的料尾與料頭剪切和焊接裝置，此裝置要求剪切平齊，焊接時(shí)寬度方向要求嚴(yán)格控制，以避免進(jìn)入輥縫前后出現(xiàn)的錯(cuò)層跑偏現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)有專門的公司來研制和生產(chǎn)這種裝備，但大多應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)，如果基材為鋁、銅材料，需采取特有的焊接方式和手段。開發(fā)出適合冷復(fù)合軋制用的剪焊裝置也是研發(fā)的重點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

冷復(fù)合軋機(jī)裝備的研制符合國(guó)家“節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的政策，滿足新工藝、新產(chǎn)品、新技術(shù)的發(fā)展要求。在目前鋼鐵和有色金屬加工行業(yè)產(chǎn)能過剩的情況下，冷復(fù)合軋機(jī)的開發(fā)和金屬?gòu)?fù)合板帶材的生產(chǎn)可以轉(zhuǎn)移過剩產(chǎn)業(yè)，拓展新的產(chǎn)業(yè)鏈，添加新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化組合，具有較大的市場(chǎng)前景。隨著金屬?gòu)?fù)合板帶材寬度和品種的增多，對(duì)冷復(fù)合軋機(jī)的關(guān)鍵工藝技術(shù)和裝備配置還需進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

[1] 王旭東，張迎輝，徐高磊. 軋制法制備金屬層狀復(fù)合材料的研究與應(yīng)用[J]. 鋁加工，2008,3：22-25.

[2] 余珍，劉立東，劉順華，等. Cu/Al雙金屬?gòu)?fù)合材料的界面研究[J]. 鑄造技術(shù)，2008，29(9)：1267-1270.

[3] S A Hosseini，M Hosseini，H Danesh Manesh. Bond strength evaluation of roll bonded bi-layer copper alloy strips in different rolling conditions [J]. Materials and Design 32 (2011)：76-81.

[4] 黃宏軍，張澤偉，王書生，等. 銅鋁薄板軋制復(fù)合工藝[J]. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(5)：531-534.

[5] 楊松濤，趙景申，歐陽(yáng)向榮，等. 影響雙金屬軋制復(fù)合結(jié)合強(qiáng)度的工藝因素概述 [J]. 有色金屬加工，2013，42(3)：5-8.

[6] 張迎暉，王達(dá)，趙鴻金，等. 軋制復(fù)合電纜用Cu/Al復(fù)合材料變形規(guī)律研究 [J]. 特種鑄造及有色合金，2010，30(10)：949-950.

[7] 賈朝光. 貴金屬?gòu)?fù)合材料復(fù)合軋制中軋機(jī)震動(dòng)的分析 [J]. 上海有色金屬，2001，22(2)：65-68.

[8] 陳忠平，張亞彬，沈利坤. 固相復(fù)合軋機(jī)潤(rùn)滑裝置. 中國(guó)，ZL 200720199210.3[P]，2008-12-31.

[9] 林平. 冷軋復(fù)合生產(chǎn)線用的乳化液噴射裝置. 中國(guó)，ZL 200820145710.3[P]，2009-7-1.

Research and Development of Technology and Equipment for Roll-Bonded Clad Plates

YANG Songtao, ZHAO Jingshen, ZHANG Pengyi, HE Zhongyao, SUN Peng

(China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

The paper analyzed technological processes of hot-rolling bonding and cold-rolling bonding in the production of metal clad plates; it presented technological requirements and research focus of cold rolling bonding equipment based on the analysis of structure characteristics of domestic roll bonding equipment; it provided reference for expanding the application scope of metal clad plates, addressing aluminum processing overcapacity, promoting product structure adjustment, and accelerating the transformation and upgrading of enterprises.

roll bonding technology; metal clad plates; bonding mill; hot rolling; cold rolling

2015-05-08

楊松濤(1983-)男，碩士，工程師，主要從事有色金屬加工工藝及裝備技術(shù)研發(fā)工作。

TG335.8+1

A

1671-6795(2015)05-0033-04