一種鈦鋼雙金屬複合坯料的製作方法
2023-04-30 17:26:36 1
本實用新型涉及金屬材料領域，更具體地說，涉及一種鈦鋼雙金屬複合坯料。
背景技術：
生產鈦鋼複合板的主要方法為爆炸複合法、爆炸-軋制複合法。爆炸複合法是用炸藥作能源進行金屬間焊接和生產金屬複合材料的一種技術，優點是生產成本低廉，不需要較複雜的設備，不足是安全係數較低，環境汙染嚴重；採用爆炸複合方法生產的鈦鋼複合板由於受工藝技術的限制，存在成材率相對低、環境汙染、噪音及安全等方面的不足，尺寸也有很大的局限性，尤其是鈦復材厚度尺寸≤2.0mm的大面積雙金屬複合板。爆炸-軋製法，是在爆炸複合法的基礎上，對鈦鋼複合板進行軋制，充分利用了爆炸複合工藝的優點，提高了鈦鋼複合板的表面質量和尺寸精度；爆炸-軋制複合法在一定程度上能夠彌補單獨採用爆炸複合法的不足，但是其帶來的安全、環境汙染、復層尺寸局限性等問題並沒有得到有效解決。
目前，大工業軋制生產鈦鋼複合板材較為鮮見，與爆炸複合法和爆炸-軋制複合法生產鈦鋼複合板相比，軋製法簡單易行，無噪聲、粉塵、地質災害等環境不利因素發生，產品尺寸規格靈活，可以生產更寬幅、更薄復層的複合板材。同時，具有性能穩定，易實現機械化、自動化作業等優點，更能夠實現批量生產的要求，屬於國際提倡的綠色環保生產工藝。
但是，由於鈦和鋼在化學成分和物理性能上存在較大的差異，且鈦屬於活潑金屬，在高溫下易氧化，與鋼發生反應易形成TiFe和TiFe2脆性化合物，影響界面結合強度和界面結合率，單純依靠普通軋制工藝很難滿足實際工程服役條件下鈦鋼複合板的高性能要求。
技術實現要素：
本實用新型目的在於克服現有技術的不足，針對爆炸複合法的缺陷，提供了一種鈦鋼雙金屬複合板的製備方法。
本實用新型目的在於克服現有技術的不足，在鈦鋼雙金屬複合板的製備方法中提供鈦鋼雙金屬複合坯料，以方便利用本實用新型的製備方法得到鈦鋼雙金屬複合板。
本實用新型的技術目的通過下述技術方案予以實現：
一種鈦鋼雙金屬複合坯料，包括第一基板、第二基板、第一復板、第二復板隔離層和密封條，在豎直方向上由下至上依次設置第一基板、第一復板、隔離層、第二復板、第二基板；所述的第一基板和第二基板為鋼板，第一復板和第二復板為鈦板，隔離層設置在第一復板和第二復板之間；所述的密封條與第一基板為同一材質，密封條設置在第一基板上表面的四周，密封條的外側與第一基板的外側平齊，並且密封條位於第一基板和第二基板之間、第一復板和第二復板四周。
而且，所述的隔離層為重量分數1：(0.3～0.5)的粒徑為50～150目氧化鋁與滑石粉粉末加入粘合劑的混合物，所述的氧化鋁和滑石粉的粒徑為100～150目的粉末；所述的粘合劑為乳膠。
而且，所述的密封條寬度為36～49mm，優選40～46mm。
而且，所述的密封條高度，與第一復板、隔離層和第二復板高度總和的偏差範圍為0～2mm，優選0～1mm。
一種鈦鋼雙金屬複合板的製備方法，按照下述步驟進行：
步驟一，採用手工電弧焊在第一基板的上表面沿四周固定密閉條；
步驟二，在第一復板與第二復板的非複合面設置隔離層並烘乾，所述的隔離層為重量分數1：(0.3～0.5)的氧化鋁與滑石粉粉末加入粘合劑的混合物；所述的氧化鋁和滑石粉是粒徑為100～150目的粉末，所述的粘合劑為乳膠；
步驟三，按照焊有密閉條的第一基板、第一復板、隔離層、第二復板、第二基板的順序由下至上依次疊放，組成雙金屬複合坯料，將雙金屬複合坯料平移運送至真空室內抽真空處理，採用真空電子束焊接密閉條與基板形成的兩條焊縫，真空度達到小於1.5×10-3Pa後進行真空電子束封焊，真空電子束焊接工藝為加速電壓60～150KV，聚焦電流為2210～2330mA，電子束流為291～389mA，焊接速度為4.1～11.1mm/s；所得為真空對稱複合坯料；
步驟四，將真空對稱複合坯料於加熱爐中，進行第一次保溫，然後再將加熱爐的溫度升溫，進行第二次保溫；第一次保溫的溫度範圍為790～870℃，保溫時間為99～119min；第二次保溫的溫度範圍為951～999℃，加熱爐的升溫速度為160～200℃/h，保溫時間為21～29min；
步驟五，採用雙機架軋制模式，粗軋開軋溫度910～989℃，終軋溫度為840℃～949℃，中間坯厚度為成品厚度的3～8倍，精軋開軋溫度830～899℃，終軋溫度701～779℃；
步驟六，軋制後對真空對稱複合坯料進行熱矯直，冷卻至室溫後校平，後續進行四邊切割分板，得到所述鈦鋼雙金屬複合板。
優選地，在步驟三中，所述的真空電子束焊接工藝為加速電壓70～120KV，聚焦電流為2220～2320mA，電子束流為300～380mA，焊接速度為4.5～11mm/s。
優選地，在步驟四中，第一次保溫的溫度範圍為800～850℃，保溫時間為100～115min；第二次保溫的溫度範圍為960～990℃，加熱爐的升溫速度為170～190℃/h，保溫時間為25～28min。
優選地，步驟五中，粗軋開軋溫度為920～980℃，終軋溫度為850℃～899℃，精軋開軋溫度840～890℃，終軋溫度710～770℃。
而且，在步驟一前進行第一基板、第二基板和第一復板、第二復板的表面處理，完全去除氧化物和油汙，直至全部露出新鮮金屬，如採用機械加工的方法對第一基板、第二基板、第一復板和第二復板的待覆合面進行表面處理，直至全部露出新鮮金屬，使用酒精、丙酮和四氯化碳中的至少一種有機溶劑對新鮮金屬面進行清洗，完全去除氧化物和油汙。
本實用新型的優勢在於：
(1)本實用新型為具有高性能、高附加值的鈦鋼複合坯料，生產時工藝能夠全程採用機械自動化流水作業，可以實現大規模批量生產，不受氣候、場地、運輸的影響，生產周期短，交貨周期有保障，無噪聲、粉塵、地質災害等環境不利因素發生，並且在生產過程中採用全軋製法，可以採用靈活多變的縱橫展寬軋制模式，如全縱軋、全橫軋、縱橫軋制等工藝，突破了原材料尺寸的局限(即基板和復板的尺寸沒有限制)，避免了傳統熱軋法製造規格的局限性；
(2)本實用新型在高真空環境下對組合坯料進行密封，與傳統的爆炸複合法和熱軋複合法相比，真空制坯技術出色地解決了鈦鋼複合板製備過程中界面容易氧化的問題，極大提高鈦鋼複合板的結合率及界面剪切強度，進一步拓展鈦鋼雙金屬複合板的應用範圍；
與現有技術相比，本實用新型軋制後獲得的鈦鋼複合板，結合效果良好，界面結合率100％，結合強度高，複合界面剪切強度≥261MPa，遠高於同規格鈦鋼雙金屬複合板的綜合性能(根據GB/T 6396-2008複合鋼板力學及工藝性能試驗方法進行測試)。
附圖說明
圖1為本實用新型中的雙金屬複合坯料橫截面示意圖；
圖2為圖1中的雙金屬複合坯料沿A-A面的剖面圖。
圖中，1為第一基板，2為第二基板，3為第一復板，4為第二復板，5為隔離層，6為焊縫一，7為密閉條，8為焊縫二。
具體實施方式
採用山東鋼鐵集團有限公司提供的鋼板和鈦板進行本實用新型技術方案的實施如下：
如附圖1和2所示，鈦鋼雙金屬複合坯料，包括第一基板、第二基板、第一復板、第二復板隔離層和密封條，在豎直方向上由下至上依次設置第一基板、第一復板、隔離層、第二復板、第二基板；所述的第一基板和第二基板為鋼板，第一復板和第二復板為鈦板，隔離層設置在第一復板和第二復板之間；所述的密封條與第一基板為同一材質，密封條設置在第一基板上表面的四周，密封條的外側與第一基板的外側平齊，並且密封條位於第一基板和第二基板之間、第一復板和第二復板四周；第一基板和第一復板之間、第二基板和第二復板之間形成待覆合面；位於隔離層上下的第一復板上表面和第二復板下表面為非複合面，選擇耐高溫的氧化鋁與滑石粉粉末加乳膠進行均勻塗覆，以保持經過真空電子束焊接、熱處理、雙機架軋制和熱矯直之後，上下兩個複合結構(第一基板和第一復板、第二基板和第二復板)之間的隔離，方便切割分板。
實施例1
本實施例鋼板Q345B原料厚度為100mm，鈦板TA1原料厚度為4mm，複合坯料厚度為208mm，軋制厚度為20.8mm，切割四邊分板後得到兩張0.4+10mm單面鈦鋼雙金屬複合板。
所述的鈦鋼雙金屬複合板的製備方法，包括以下步驟：
a、採用機械加工的方法對兩張鋼板和兩張鈦板的待覆合面進行表面處理，直至全部露出新鮮金屬，使用酒精對新鮮金屬面進行清洗，完全去除氧化物和油汙；
b、根據基板和復板的尺寸製作密閉條，與基板為同一材質，採用手工電弧焊在第一基板的待覆合面上沿四周固定密閉條，使用酒精對該基板待覆合面進行二次清洗；
c、按照焊有密閉條的第一基板、第一復板、隔離層、第二復板、第二基板的順序由下至上依次疊放，組成所述的對稱複合坯料，將對稱複合坯料平移運送至真空室內抽真空處理，採用真空電子束焊接密閉條與基板形成的兩條焊縫，所得為真空對稱複合坯料；
d、將複合坯料置於加熱爐中，加熱到800℃，保溫100min，再以180℃/h的加熱速度加熱到960℃，保溫25min；
e、採用雙機架軋制模式，粗軋開軋溫度920℃，終軋溫度860℃，中間坯厚度等於成品厚度的4倍，精軋開軋溫度840℃，終軋溫度710℃；
f、軋制後對鋼板進行熱矯直，冷卻至室溫後校平，後續進行四邊切割分板，得到兩張單面鈦鋼雙金屬複合板。
其中，步驟b所述密閉條高度等於兩張鈦板及隔離層厚度總和，密閉條寬度等於40mm，密閉條長度等於鋼板的長度或寬度。
在步驟b中，密閉條焊接在第一基板上時，以基板側邊為基準，密閉條外側與基板邊部齊平，最終使第一基板與密閉條形成一個凹槽型盒體。
步驟c所述隔離劑為重量分數1：0.5的粒徑為100目的氧化鋁與滑石粉粉末加乳膠混合組成，塗抹在復板非複合面烘乾後，隔離層厚度300μm，在高溫軋制時，隔離劑可防止復板非複合面發生固相結合，便於分離。
在步驟c中複合坯料在真空室採用機械泵和擴散泵進行抽真空處理，真空度達到1.2×10-3Pa後進行真空電子束封焊。真空電子束焊接工藝為加速電壓120KV，聚焦電流為2230mA，電子束流為300mA，焊接速度為10.9mm/s。
採用本實用新型所述方法製備兩張單面鈦鋼雙金屬複合板，鈦復層厚度0.4mm，複合板寬度900mm，鈦鋼界面結合率100％，複合界面剪切強度273MPa。
實施例2
本實施例鋼板Q345B原料厚度為96mm，鈦板TA1原料厚度為6.4mm，複合坯料厚度為204.8mm，軋制厚度為25.6mm，切割四邊分板後得到兩張0.8+12mm單面鈦鋼雙金屬複合板。
所述的鈦鋼雙金屬複合板的製備方法，包括以下步驟：
a、採用機械加工的方法對兩張鋼板和兩張鈦板的待覆合面進行表面處理，直至全部露出新鮮金屬，使用丙酮對新鮮金屬面進行清洗，完全去除氧化物和油汙；
b、根據基板和復板的尺寸製作密閉條，與基板為同一材質，採用手工電弧焊在第一的待覆合面上沿四周固定密閉條，使用丙酮對該基板待覆合面進行二次清洗；
c、按照焊有密閉條的第一基板、第一復板、隔離層、第二復板、第二基板的順序由下至上依次疊放，組成所述的對稱複合坯料，將對稱複合坯料平移運送至真空室內抽真空處理，採用真空電子束焊接密閉條與基板形成的兩條焊縫，所得為真空對稱複合坯料；
d、將複合坯料置於加熱爐中，加熱到827℃，保溫103min，再以179℃/h的加熱速度加熱到964℃，保溫26min。
e、採用雙機架軋制模式，粗軋開軋溫度928℃，終軋溫度859℃，中間坯厚度等於成品厚度的4倍，精軋開軋溫度846℃，終軋溫度716℃。
f、軋制後對鋼板進行熱矯直，冷卻至室溫後校平，後續進行四邊切割分板，得到兩張單面鈦鋼雙金屬複合板。
其中，步驟b所述密閉條高度等於兩張鈦板及隔離層厚度總和+1mm，密閉條寬度等於39mm，密閉條長度等於鋼板的長度或寬度。
在步驟b中，密閉條焊接在第一基板上時，以基板側邊為基準，密閉條外側與基板邊部齊平，最終使第一基板與密閉條形成一個凹槽型盒體。
步驟c所述隔離劑為重量分數1：0.4的粒徑為120目的氧化鋁與滑石粉粉末加乳膠混合組成，塗抹在復板非複合面烘乾後，隔離層厚度290μm，在高溫軋制時，隔離劑可防止復板非複合面發生固相結合，便於分離。
在步驟c中複合坯料在真空室採用機械泵和擴散泵進行抽真空處理，真空度達到1.4×10-3Pa後進行真空電子束封焊。真空電子束焊接工藝為加速電壓100KV，聚焦電流為2257mA，電子束流為308mA，焊接速度為9.2mm/s。
採用本實用新型所述方法製備兩張單面鈦鋼雙金屬複合板，鈦復層厚度0.8mm，複合板寬度1200mm，鈦鋼界面結合率100％，複合界面剪切強度278MPa。
實施例3
本實施例鋼板Q345B原料厚度為75mm，鈦板TA2原料厚度為8mm，複合坯料厚度為166mm，軋制厚度為33.2mm，切割四邊分板後得到兩張1.6+15mm單面鈦鋼雙金屬複合板。
所述的鈦鋼雙金屬複合板的製備方法，包括以下步驟：
a、採用機械加工的方法對兩張鋼板和兩張鈦板的待覆合面進行表面處理，直至全部露出新鮮金屬，使用四氯化碳對新鮮金屬面進行清洗，完全去除氧化物和油汙；
b、根據基板和復板的尺寸製作密閉條，與基板為同一材質，採用手工電弧焊在第一基板的待覆合面上沿四周固定密閉條，使用四氯化碳對該基板待覆合面進行二次清洗；
c、按照焊有密閉條的第一基板、第一復板、隔離層、第二復板、第二基板的順序由下至上依次疊放，組成所述的對稱複合坯料，將對稱複合坯料平移運送至真空室內抽真空處理，採用真空電子束焊接密閉條與基板形成的兩條焊縫，所得為真空對稱複合坯料；
d、將複合坯料置於加熱爐中，加熱到849℃，保溫106min，再以182℃/h的加熱速度加熱到973℃，保溫28min；
e、採用雙機架軋制模式，粗軋開軋溫度937℃，終軋溫度862℃，中間坯厚度等於成品厚度的3倍，精軋開軋溫度854℃，終軋溫度721℃；
f、軋制後對鋼板進行熱矯直，冷卻至室溫後校平，後續進行四邊切割分板，得到兩張單面鈦鋼雙金屬複合板。
其中，步驟b所述密閉條高度等於兩張鈦板及隔離層厚度總和+2mm，密閉條寬度等於36mm，密閉條長度等於鋼板的長度或寬度。
在步驟b中，密閉條焊接在第一基板上時，以基板側邊為基準，密閉條外側與基板邊部齊平，最終使第一基板與密閉條形成一個凹槽型盒體。
步驟c所述隔離劑為重量分數1：0.46的粒徑為150目的氧化鋁與滑石粉粉末加乳膠混合組成，塗抹在復板非複合面烘乾後，隔離層厚度240μm，在高溫軋制時，隔離劑可防止復板非複合面發生固相結合，便於分離。
在步驟c中複合坯料在真空室採用機械泵和擴散泵進行抽真空處理，真空度達到9×10-4Pa後進行真空電子束封焊。真空電子束焊接工藝為加速電壓80KV，聚焦電流為2304mA，電子束流為371mA，焊接速度為6.3mm/s。
採用本實用新型所述方法製備兩張單面鈦鋼雙金屬複合板，鈦復層厚度1.6mm，複合板寬度2280mm，鈦鋼界面結合率100％，複合界面剪切強度293MPa。
實施例4
本實施例鋼板Q345B原料厚度為140mm，鈦板TA2原料厚度為20mm，複合坯料厚度為320mm，軋制厚度為40mm，切割四邊分板後得到兩張2.5+17.5mm單面鈦鋼雙金屬複合板。
所述的鈦鋼雙金屬複合板的製備方法，包括以下步驟：
a、採用機械加工的方法對兩張鋼板和兩張鈦板的待覆合面進行表面處理，直至全部露出新鮮金屬，使用酒精對新鮮金屬面進行清洗，完全去除氧化物和油汙；
b、根據基板和復板的尺寸製作密閉條，與基板為同一材質，採用手工電弧焊在第一基板的待覆合面上沿四周固定密閉條，使用酒精對該基板待覆合面進行二次清洗；
c、按照焊有密閉條的第一基板、第一復板、隔離層、第二復板、第二基板的順序由下至上依次疊放，組成所述的對稱複合坯料，將對稱複合坯料平移運送至真空室內抽真空處理，採用真空電子束焊接密閉條與基板形成的兩條焊縫，所得為真空對稱複合坯料；
d、將複合坯料置於加熱爐中，加熱到835℃，保溫112min，再以186℃/h的加熱速度加熱到987℃，保溫27min；
e、採用雙機架軋制模式，粗軋開軋溫度955℃，終軋溫度873℃，中間坯厚度等於成品厚度的4倍，精軋開軋溫度861℃，終軋溫度746℃；
f、軋制後對鋼板進行熱矯直，冷卻至室溫後校平，後續進行四邊切割分板，得到兩張單面鈦鋼雙金屬複合板。
其中，步驟b所述密閉條高度等於兩張鈦板及隔離層厚度總和+1.5mm，密閉條寬度等於43mm，密閉條長度等於鋼板的長度或寬度。
在步驟b中，密閉條焊接在第一基板上時，以基板側邊為基準，密閉條外側與基板邊部齊平，最終使第一基板與密閉條形成一個凹槽型盒體。
步驟c所述隔離劑為重量分數1：0.41的粒徑為110目的氧化鋁與滑石粉粉末加乳膠混合組成，塗抹在復板非複合面烘乾後，隔離層厚度270μm，在高溫軋制時，隔離劑可防止復板非複合面發生固相結合，便於分離。
在步驟c中複合坯料在真空室採用機械泵和擴散泵進行抽真空處理，真空度達到7×10-4Pa後進行真空電子束封焊。真空電子束焊接工藝為加速電壓100KV，聚焦電流為2289mA，電子束流為372mA，焊接速度為8.7mm/s。
採用本實用新型所述方法製備兩張單面鈦鋼雙金屬複合板，鈦復層厚度2.5mm，複合板寬度3000mm，鈦鋼界面結合率100％，複合界面剪切強度312MPa。
實施例5
本實施例鋼板Q345B原料厚度為300mm，鈦板TA2原料厚度為49mm，複合坯厚度為698mm，軋制厚度為69.8mm，切割四邊分板後得到兩張4.9+30mm單面鈦鋼雙金屬複合板。
所述的鈦鋼雙金屬複合板的製備方法，包括以下步驟：
a、採用機械加工的方法對兩張鋼板和兩張鈦板的待覆合面進行表面處理，直至全部露出新鮮金屬，使用丙酮對新鮮金屬面進行清洗，完全去除氧化物和油汙；
b、根據基板和復板的尺寸製作密閉條，與基板為同一材質，採用手工電弧焊在第一的待覆合面上沿四周固定密閉條，使用丙酮對該基板待覆合面進行二次清洗；
c、按照焊有密閉條的第一基板、第一復板、隔離層、第二復板、第二基板的順序由下至上依次疊放，組成所述的對稱複合坯料，將對稱複合坯料平移運送至真空室內抽真空處理，採用真空電子束焊接密閉條與基板形成的兩條焊縫，所得為真空對稱複合坯料；
d、將複合坯料置於加熱爐中，加熱到840℃，保溫109min，再以174℃/h的加熱速度加熱到979℃，保溫28min；
e、採用雙機架軋制模式，粗軋開軋溫度969℃，終軋溫度896℃，中間坯厚度等於成品厚度的4倍，精軋開軋溫度889℃，終軋溫度749℃；
f、軋制後對鋼板進行熱矯直，冷卻至室溫後校平，後續進行四邊切割分板，得到兩張單面鈦鋼雙金屬複合板。
其中，步驟b所述密閉條高度等於兩張鈦板及隔離層厚度總和+2mm，密閉條寬度等於49mm，密閉條長度等於鋼板的長度或寬度。
在步驟b中，密閉條焊接在第一基板上時，以基板側邊為基準，密閉條外側與基板邊部齊平，最終使第一基板與密閉條形成一個凹槽型盒體。
步驟c所述隔離劑為重量分數1：0.3的粒徑為100目的氧化鋁與滑石粉粉末加乳膠混合組成，塗抹在復板非複合面烘乾後，隔離層厚度280μm，在高溫軋制時，隔離劑可防止復板非複合面發生固相結合，便於分離。
在步驟c中複合坯料在真空室採用機械泵和擴散泵進行抽真空處理，真空度達到5×10-4Pa後進行真空電子束封焊。真空電子束焊接工藝為加速電壓110KV，聚焦電流為2318mA，電子束流為359mA，焊接速度為4.9mm/s。
採用本實用新型所述真空全軋制方法製備兩張單面鈦鋼雙金屬複合板，鈦復層厚度4.9mm，複合板寬度3800mm，鈦鋼界面結合率100％，複合界面剪切強度337MPa。
根據本
技術實現要素：
記載的工藝參數進行製備方法的調整，均可製備鈦鋼複合板並表現出與上述實施例基本一致的性質。以上對本實用新型做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本實用新型的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本實用新型的保護範圍。