金属学报, 2020, 56(2): 231-239 DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00150

研究论文

感应加热异温轧制制备钢/铝复合板

肖宏, 许朋朋, 祁梓宸,, 吴宗河, 赵云鹏

燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心 秦皇岛 066004

Preparation of Steel/Aluminum Laminated Composites by Differential Temperature Rolling with Induction Heating

XIAO Hong, XU Pengpeng, QI Zichen,, WU Zonghe, ZHAO Yunpeng

National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China

通讯作者: 祁梓宸,qizichen1992@stumail.ysu.edu.cn,主要从事金属层状复合板新方法与新工艺的研究

责任编辑: 肖素红

收稿日期: 2019-05-08   修回日期: 2019-09-01   网络出版日期: 2020-01-19

基金资助: 国家自然科学基金项目.  51474190
河北省研究生创新项目.  CXZZBS2019046

Corresponding authors: QI Zichen, Tel: 13327879682, E-mail:qizichen1992@stumail.ysu.edu.cn

Received: 2019-05-08   Revised: 2019-09-01   Online: 2020-01-19

Fund supported: National Natural Science Foundation of China.  51474190
Postgraduate Innovation Funding Project of Hebei Province.  CXZZBS2019046

作者简介 About authors

肖宏,男,1962年生,教授,博士

摘要

采取感应加热的方法异温轧制制备钢/铝复合板,整个过程处于一种Ar气保护氛围,研究了钢/铝复合板的结合性能和微观组织,并与冷轧工艺进行对比,分析了异温轧制工艺对结合性能的影响。结果表明:异温轧制的复合板由于钢层加热温度高于钢的动态再结晶温度,轧后碳钢组织出现等轴晶粒,发生了动态回复和再结晶,并且在钢侧近界面处产生一层平均晶粒尺寸约为5 μm的等轴细晶区,相比于冷轧复合板,大大降低了复合板的加工硬化现象。异温轧制的钢/铝复合板微观界面贴合紧密,无孔洞和间隙,跨界面的Al和Fe元素扩散宽度达到2.4 μm,复合板达到了良好的冶金结合状态,并且近界面的细晶区改善了板材性能,使得异温轧制复合板的剪切强度远高于冷轧板,在45%压下率下达到了85 MPa,是同等压下率冷轧复合板剪切强度(12 MPa)的7倍,冷轧板断裂发生在钢/铝结合面处,为脆性断裂,而异温轧制的复合板断裂发生在铝合金基体,剪切断面存在大量韧窝,呈现塑性断裂特征。

关键词: 钢/铝复合板 ; 感应加热 ; 异温轧制 ; 剪切强度 ; 显微组织

Abstract

Both cold-rolled and hot-rolled steel/aluminum laminated composites exhibited obvious strain-hardening of steel layer because the rolling temperature, limited by the melting point of aluminum (about 660 ℃), was lower than dynamic recrystallization temperature of steel (about 710 ℃). This led to poor deformation ability of composite plates and subsequent processing cracks. And the initial bonding of cold-rolled steel/aluminum composite plates usually required more than 50% highly first pass reduction, which resulted in high requirement for rolling mill capacity, especially for medium or thick size composite plates. To solve above two problems simultaneously, in this study, the steel/aluminum composite plates were prepared by differential temperature rolling (DTR) with induction heating in an argon atmosphere. The bonding properties and microstructure of the steel/aluminum laminated composites were studied, and the effect of DTR process on the bonding properties was analyzed compared with the cold rolling process. The results show that dynamic recovery and recrystallization occurred with equiaxed grains appearing in the structure of the rolled carbon steel due to the higher heating temperature of the steel layer, and an equiaxed fine grain zone with an average grain size of approximately 5 μm was formed near the interface of the steel side, which greatly reduced the hardening phenomenon of the laminated composites compared with the cold rolled clad plate. The micro-interface of DTR steel/aluminum clad plate was tightly bonded without holes and gaps. The diffusion width of Al and Fe elements across the interface reached 2.4 μm, indicating the clad plate achieved a good metallurgical bonding state, and the fine grained zone near the interface improved the properties of the sheet. The combined effect made the shear strength of the DTR clad plates much higher than that of the cold-rolled plate. At 45% reduction, the shear strength of DTR composite plate reached 85 MPa, which was 7 times of cold-rolled composite plate with the same reduction (12 MPa). The fracture of cold-rolled composite plate occurred at the steel/aluminum interface, showing brittle fracture, while the fracture of DTR clad plates occurred in the aluminum alloy matrix with a large number of dimples in the shear section, showing the characteristics of plastic fracture.

Keywords: steel/aluminum composite plate ; induction heating ; differential temperature rolling ; shear strength ; microstructure

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本文引用格式

肖宏, 许朋朋, 祁梓宸, 吴宗河, 赵云鹏. 感应加热异温轧制制备钢/铝复合板. 金属学报[J], 2020, 56(2): 231-239 DOI:10.11900/0412.1961.2019.00150

XIAO Hong, XU Pengpeng, QI Zichen, WU Zonghe, ZHAO Yunpeng. Preparation of Steel/Aluminum Laminated Composites by Differential Temperature Rolling with Induction Heating. Acta Metallurgica Sinica[J], 2020, 56(2): 231-239 DOI:10.11900/0412.1961.2019.00150

钢/铝复合板具有钢的高强度和良好塑性,Al的良好导电性、导热性、耐蚀性和密度小等优点。钢/铝复合板用在轨道交通领域的地铁接触轨[1],汽车、高速列车的车身材料[2],以及发动机的轴瓦材料[3];利用Al的良好导热性,市场上还推出了多种钢/铝复合材质的散热片和锅具。此外,钢/铝复合板在机械、船舶、核能、电力等许多领域也得到了广泛的应用。

钢/铝复合板的制备方法主要有爆炸焊接、轧制复合和固-液铸轧法,相比于爆炸焊接[4,5]和固-液铸轧法[6,7],轧制复合法有许多优点,主要为产品的尺寸精确度高、复合后的各层材料厚度均匀、复合材料性能均匀一致性好、生产连续性高,目前,轧制复合法已成为制备钢/铝复合板的主要趋势。轧制复合法又分为冷轧和热轧(低于板材再结晶温度的称为温轧),对于钢/铝复合板,冷轧复合的研究相对较多,国内外学者对钢/铝[8]、钢/铝合金[9]以及铝/钢/铝[10]的冷轧复合均进行了深入的研究,北京科技大学与无锡银邦公司合作,系统研究了压下量[11]、表面处理[12,13,14]、退火工艺[15]、界面金属间化合物[16]等对钢(08Al)/铝(1060)复合强度的影响,取得了丰富的研究成果。但冷轧钢/铝界面初步结合需要50%以上的首道次压下率[17],存在复合强度不高以及对轧机能力要求高的问题,尤其对于中厚尺寸或者厚尺寸复合板轧制问题更为突出。

为了提高钢/铝复合板的结合强度,降低复合临界压下率,研究人员研究了温轧复合法制备钢/铝复合板。由于受到铝加热温度的限制,钢/铝复合板的热轧温度通常在500 ℃以下。李民权等[18]采用温轧复合方法,研究了轧制温度和变形量对钢/铝复合板的结合强度、界面和厚比分配的影响,表明轧制温度的升高有利于增强铝表面对钢表面的黏接作用并相应增加了金属复合板的结合强度,但轧制温度越高,钢/铝变形越不协调,板材翘曲严重。Nezhad等[19]通过温轧制备了钢/铝复合板,表明复合板结合强度与加热温度和压下率成正比,并且发现结合界面在大压下率下呈现裂口结合机制。于九明等[20]采用只加热铝板的方法异温轧制制备钢/铝复合板,发现轧制变形程度和铝层加热温度是影响复合板初始结合强度的重要因素,但由于单独加热铝板使钢/铝层的变形不协调程度进一步加大。钢/铝复合板温轧温度低于钢的再结晶温度,此时钢的屈服强度变化不大,铝的强度却大幅度下降,钢/铝之间的变形抗力差急剧增大,轧后板材相比于冷轧复合变形更不协调。

针对力学性能差别较大的异质金属复合板变形不协调问题,本课题组前期工作[21,22]提出了一种基于协调变形的异温轧制法,即将变形抗力大的金属层单独加热至高温,使变形抗力小的金属层处于室温,以此来提高难变形金属的相对变形量,达到复合板各层金属的协调变形,利用该方法成功制备出协调变形和高结合强度的钛/铝、钛/镁复合板。为了避免长时间加热后板材表面生成氧化层,本工作提出在保护气氛下电磁感应加热异温轧制制备钢/铝复合板的方法,主要是利用涡流加热产生的热效应可使铁磁性材料温度在短时间内迅速提高的原理,设计了一种带间隙的组坯方式,构造出明显的钢-铝温差,从而实现异温轧制,并对比分析了感应加热异温轧制和冷轧制备的钢/铝复合板的结合性能、微观组织和界面形貌。

1 实验方法

1.1 材料准备

实验材料选用厚度均为2 mm的普碳钢Q235和6061铝合金,均沿着初始轧制方向取矩形尺寸为100 mm×60 mm的板材,所用Q235和6061铝合金板材的化学成分列于表1,板材的力学性能如表2所示。将钢板和铝板的待复合面进行表面处理,先用装有180号砂纸的平板打磨机去除金属待复合表面的杂质及氧化物,再用丙酮和酒精反复擦洗表面并立刻用吹风机吹干,以利于轧制时新鲜金属的结合。

表1   普碳钢Q235和6061铝合金的化学成分 (mass fraction / %)

Table 1  Chemical compositions of commercial Q235 sheet and 6061 Al alloy sheet (mass fraction / %)

MaterialCSPMnSiFeTiCrZnCuMgAl
Q2350.050.010.0150.350.12Bal.------
6061---0.150.660.750.120.200.250.151.15Bal.

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表2   普碳钢Q235和6061铝合金的力学性能

Table 2  Mechanical properties of the used materials in the experiment

Material

Ultimate tensile strength

MPa

Yield strength

MPa

Shear strength

MPa

Fracture elongation

%

Q235351±5235±4197±436.5±1.5
6061215±4141±3124±324.7±0.8

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1.2 感应加热异温轧制工艺

1.2.1 组坯方式

实验设计的组坯方式如图1所示。涡流加热产生的热效应可使铁磁性材料温度在短时间内迅速提高,因此普碳钢Q235在电磁感应加热下会快速升温到Curie温度(770 ℃左右),在钢板和铝板待复合面两边放置铝制垫片留出0~1 mm的间隙来控制钢到铝的传热速率,从而构造出明显的钢-铝温差。若间隙过大将不利于板材咬入轧机以及轧制过程的稳定进行,最后将板坯端部进行钻孔并用铝制铆钉铆接固定。

图1

图1   组坯方式示意图

Fig.1   Schematic for the structure of billet plate


1.2.2 异温轧制工艺

图2为钢/铝感应加热异温轧制复合工艺示意图。感应加热设备主要由螺旋式线圈、冷却系统和电控系统3部分组成,将组好的多层板坯放入感应加热炉的正中间位置,施加以合适的感应电流和加热时间,待加热完成后立刻用推杆将板坯推入轧机进行异温轧制,感应加热到轧制整个过程实现了密封和Ar气气体保护,防止加热过程中板材表面的氧化。实验使用KPS-160/2.5晶闸管中频感应加热炉,感应电流可控范围为0~2400 A。

图2

图2   感应加热异温轧制工艺示意图

Fig.2   Schematic of differential temperature rolling (DTR) process with induction heating


1.2.3 轧制工艺参数的确定

为了实现钢/铝复合板的协调变形,需要构造尽可能大的钢-铝温差。因此有必要通过实验手段确定最佳的加热电流、加热时间和钢-铝间隙参数,以实现温差的最大化。使用Flank F-8855热电偶测温仪同时测量钢板和铝板在加热过程中的温度变化,先在板材边部的中间位置分别钻一个直径为1 mm、深度为30 mm的孔,然后将热电偶丝(K型,范围-200~1372 ℃,误差±1 ℃)一端插入孔中,另一端与测温仪连接。图3是不同感应电流和钢-铝间隙下各层板的实测温度变化情况。可以看到,随着感应电流增大,板材加热速率升高,温差增大;并且间隙增大有利于形成更明显的温差,当感应电流为1800 A、钢-铝间隙为1 mm、加热时间为7 s时,钢板温度为743 ℃,铝板温度为110 ℃,此时温差最大值达到633 ℃。所以组坯时选择在钢-铝之间通过铝垫片留出1 mm的间隙、施加1800 A的电流并加热板材7 s后立即推入轧机进行轧制,轧制压下率为45% (由于间隙的存在,压下率大于45%时板材错位严重,轧制不稳定,所以不进行大压下率轧制);并进行45%、55%和67.5%压下率的冷轧实验,便于异温轧制工艺与冷轧工艺形成直接对比,均为单道次压下。实验中二辊轧机的参数为:轧辊尺寸为直径200 mm×200 mm,轧制速率50 mm/s,无润滑。

图3

图3   不同感应电流和钢-铝间隙下各层板的温度变化

Fig.3   Temperature variations in individual laminated plates under different induction currents and clearances between Q235 and 6061 (∆Tmax—maximum temperature difference)

(a) 300 A, 0.5 mm (b) 300 A,1 mm (c) 1800 A, 0.5 mm (d) 1800 A, 1 mm


1.3 结合性能测试和微观组织观察

将每块复合板平行于轧制方向切割3个剪切试样做拉剪实验,取3个试样的平均值作为该复合板的剪切强度,强度计算公式[21]τb= F/A,其中τbFA 分别为剪切强度、峰值剪切力和结合面积。拉剪实验在室温下INSPEKT Table 100kN电子万能试验机上进行,拉剪速率为0.2 mm/min,拉剪试样几何尺寸和两侧拉剪断口如图4a~c所示,其中h0为轧后板材的总厚度,h1为轧后6061板材的厚度。

图4

图4   复合板拉剪测试和界面观察

Fig.4   Tensile-shear test and interface observation of the laminated composites

(a) schematic of the sample (h0—total thickness, h1—Al thickness)

(b) real image of tensile-shear sample (F—maximum shear stress)

(c) fractured specimen

(d) polished interface


平行于轧制方向取金相试样,先用砂纸由粗到细打磨至5000号,接着用1.5 μm粒度的金刚石研磨膏进行抛光,抛光面如图4d所示,最后用4% (质量分数)的硝酸酒精溶液对复合板钢层进行腐蚀,用 Scope A1 型光学显微镜(OM)观察钢的组织,用JSM-IT500型扫描电子显微镜(SEM)观察钢/铝复合板结合界面附近和拉剪件断口的微观形貌,用能量色散谱仪(EDS)分析结合界面附近及拉剪件断口的元素分布。

2 实验结果及讨论

2.1 复合板结合性能

图5为不同压下率下感应加热异温轧制和冷轧钢/铝复合板的剪切强度。可见,冷轧复合板在45%压下率下只有12 MPa,随着压下率的增大,钢/铝复合板的剪切强度逐步增加,这与很多学者的研究规律[23,24]是一致的,并且在67.5%的压下率下,剪切强度达到了65 MPa。但是异温轧制的复合板在45%压下率下,平均剪切强度达到了85 MPa,是相同压下率的冷轧板剪切强度的7倍,甚至超过了67.5%压下率冷轧板的剪切强度,也高于焦宏等[23]两道次温轧法和李龙等[24]冷轧热处理制备的钢/铝复合板的剪切强度。在冷轧工艺下,钢/铝复合板需要超过65%的单道次压下率才能获得较高的剪切强度,这对于中厚尺寸和厚尺寸的复合板而言,往往超出了轧机的能力要求,而在电磁感应加热异温轧制工艺下只需要45%甚至更小的压下率就能达到较高的剪切强度,这在实际生产中具有重要意义。

图5

图5   不同压下率下感应加热异温轧制和冷轧钢/铝复合板的剪切强度

Fig.5   Shear strengths of the laminated composites prepared by DTR and cold rolling (CR) under different reductions


2.2 复合板结合界面和显微组织

图6为异温轧制和冷轧制备复合板结合界面的SEM像。从图6a可以看到,冷轧制备复合板在45%压下率下,结合界面处有大量孔洞和间隙,说明复合板存在大面积的未结合区域。图6b和c显示随着压下率的增大,孔洞和间隙逐步减少,但是在67.5%大压下率下仍可看到明显的未结合区域,这是由于在冷轧工艺下碳钢和铝板变形抗力大,金属流动性差,钢/铝界面较难实现紧密贴合。由图6d可见,感应加热异温轧制制备的钢/铝复合板结合界面贴合紧密,未发现明显的孔洞和间隙,达到了良好的结合效果。对比图6a和d可见,在45%压下率下,异温轧制的复合界面远远好于冷轧的界面,因为异温工艺下碳钢在743 ℃、铝板在110 ℃时,板材变形抗力变小,金属流动性好。从图6a~c还可以看出,随着冷轧压下率的增加,钢侧的晶粒越来越扁长,组织呈现明显的轧制态,冷轧使复合板钢层产生严重加工硬化,Manesh和Taheri[25]发现,加工硬化导致了钢/铝复合板再加工成形时易出现裂纹,Al的熔点(约660 ℃)低于钢的再结晶退火温度(710 ℃),经过退火处理可以使铝层得到再结晶软化,但是钢的加工硬化难以消除,通过高温长时间退火可以使钢层部分再结晶以改善加工硬化现象,但这会在钢/铝复合板结合界面处生成大量脆性的FeAl、FeAl3和Fe2Al5等中间化合物[8,15],严重降低复合板结合强度和冲压成形性能。

图6

图6   不同工艺下钢/铝复合板结合界面的SEM像

Fig.6   SEM images showing bonding interfaces of laminated composites under different processes

(a) CR, 45% reduction (b) CR, 55% reduction (c) CR, 67.5% reduction (d) DTR, 45% reduction


图7为异温轧制制备的复合板钢层显微金相组织。从图7a可以看到,钢层组织发生了动态回复再结晶,部分组织呈现等轴晶粒,这是由于感应加热时钢层达到了743 ℃,高于动态再结晶温度710 ℃。从图7b可以发现形成了一层细晶粒区,平均晶粒尺寸约为5 μm,这是由于感应加热的集肤效应使钢板表层温度高于心部温度,从而形成了温度梯度,使得钢板近界面处在剪切作用下产生相对于基体更大的变形量,在更高温度与大变形的共同作用下,使得钢层近界面处晶粒充分破碎再结晶产生细化,组织细化能增强钢基体强度,进而提高复合板的结合性能,并且异温轧制工艺在不产生中间化合物的前提下,使钢层发生了动态再结晶,大大降低了冷轧产生的加工硬化现象,提高了复合板的成形性能。

图7

图7   异温轧制制备的复合板钢层显微金相组织

Fig.7   Low (a) and locally high (b) magnified metallographic structures of steel layer of the DTR composite plate


图8为异温轧制复合板跨界面的元素扩散曲线图,图9为冷轧和异温轧制不同工艺下元素的扩散宽度。从图8可见,Al元素和Fe元素均从各自基体扩散到另一基体中,形成了明显的元素扩散层,说明复合板达到了冶金结合状态。图9显示冷轧制备的钢/铝复合板在45%、55%和67.5%压下率下元素扩散宽度分别为1.7、1.9 和2.2 μm,随着压下率的增加,Al和Fe元素的相互扩散层宽度也随之增大。Al和Fe之间由变形促进的扩散是通过3种基本的机制形成的[26,27]:机械诱发的原子位移、沿位错管道扩散和塑性变形引起的空缺。然而,严重塑性变形所产生的位错大多位于晶界处[28],由于轧制过程中的高应变率,它们在移动时很难拖动原子。塑性变形诱导的空位在高应变率下连续产生,并且消除了晶体缺陷[29]。这些空位由于试样施加的高压而具有低的跃迁能量,因此,塑性变形引起的空位会导致合金元素在界面上的扩散程度增加[30],此外,塑性变形增大,金属内部产生的热量也会增加,所以综合起来导致了Al和Fe元素扩散宽度随着压下率增大而增大。但是异温轧制的复合板在45%压下率下元素扩散宽度达到了2.4 μm,要比同等压下率的冷轧板扩散宽0.7 μm,甚至比67.5%压下率的冷轧板扩散宽度还要宽0.2 μm,这是由于温度是影响元素扩散的主要因素,随着轧制温度的升高,金属原子的跃迁能量越高,原子就越容易跃迁,因此,即使在较小压下率下异温轧制复合板也比大压下率的冷轧板元素扩散宽度大,说明异温轧制复合板在钢板743 ℃、铝板110 ℃时达到了更好的冶金结合状态,在宏观上使得异温轧制的钢/铝复合板界面剪切强度高于冷轧板。

图8

图8   异温轧制复合板跨界面元素扩散曲线图

Fig.8   Interface element diffusion curves of the DTR composite plate


图9

图9   异温轧制和冷轧工艺下元素扩散宽度

Fig.9   Element diffusion widths of the DTR and cold-rolled composite plates


2.3 复合板拉剪断口形貌

图10为45%压下率下异温轧制和冷轧复合板的拉剪断口形貌及EDS面扫描图,表3图10中的点1~6的EDS结果。由图10a和b可以看出,冷轧钢/铝复合板两侧断口显示为脆性断裂,在两侧仍存在板坯初始打磨的痕迹,EDS分析表明,钢侧的点1和点2含有95.9%和95.8%的Fe元素,铝侧的点3和点4含有99.0%和98.7%的Al元素,推测断裂主要发生在钢/铝结合面处。在45%相同的压下率下,异温轧制复合板宏观剪切强度远高于冷轧复合板,对应在微观上也产生变化,由图10c和d显示异温轧制复合板的断口两侧均出现大量的剪切韧窝,断裂形式为塑性断裂特征,EDS分析显示,两侧韧窝点5和点6处Al元素含量分别达到了97.5%和99.7%,结合图10c和d插图中EDS面扫描结果显示韧窝处均100%分布着Al元素,判定剪切韧窝是由铝基体断裂形成的,复合板断裂发生在铝基体一侧,说明复合板的钢/铝结合面达到了牢固的结合,由以上分析可知,感应加热异温轧制工艺有利于大幅提高钢/铝复合板的结合性能。

图10

图10   45%压下率下异温轧制和冷轧复合板的拉剪断口形貌及EDS面扫描图

Fig.10   Tensile-shear fracture morphologies and EDS maps (insets) of the laminated composites with 45% reduction

(a) CR, steel side (b) CR, Al side (c) DTR, steel side (d) DTR, Al side


表3   图10中点1~6的EDS分析 (mass fraction / %)

Table 3  EDS analysis of points 1~6 in Fig.10 (mass fraction / %)

PositionFeAlC
195.92.91.2
295.83.40.8
30.699.00.4
40.898.70.5
52.397.50.2
60.299.70.1

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3 结论

(1) 通过设计组坯方式和加热方式,提出了一种保护气氛下感应加热异温轧制钢/铝复合板的方法,并成功制备出钢/铝复合板。

(2) 感应加热异温轧制的钢/铝复合板钢侧组织发生了动态回复和再结晶,在近界面处产生一层平均晶粒尺寸约为5 μm的细晶区,大大降低了冷轧复合板的加工硬化现象,有利于提高复合板材的成形性能。

(3) 异温轧制的钢/铝复合板界面贴合紧密,元素扩散宽度大,板材达到了更好的冶金结合状态,同时近界面的细晶区有利于改善板材性能,综合使得宏观上异温轧制的复合板剪切强度要远高于冷轧板,在45%压下率下达到了85 MPa,复合板断裂发生在铝合金基体,剪切断面呈现明显的塑性断裂特征。

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