金属复合板复合技术和生产工艺讲解

金属复合板的研究最早是美国于1860 年开始的,工业性生产始于20 世纪30 年代。于此同时,苏联对铝、锡、钢等金属与合金的复合材料也进行了初步研究,所采用的生产工艺主要有铸造法、爆炸法、扩散焊接法等。20 世纪50～60 年代,英国伯明翰大学等单位对固相复合进行了较为系统的研究,取得了很大成就。日本在复合材料方面的研究虽较晚,但进步迅速,近年来成为从事金属复合材料研究最多的国家之一。我国的金属复合板研制始于20世纪60 年代。

　　1、爆炸复合法

爆炸方法生产金属复合板是利用爆炸产生的冲击波推动覆板以高速向基板运动，在排出间隙中气体的同时通过撞击，在接触界面上发生薄层金属的塑性变形、熔化结合，从而使金属板之间焊合，爆炸复合的结合界面呈波浪形。爆炸法有诸多难点不好克服，制约了不锈钢复合钢板的生产与推广。首先是工艺局限性较多，该复合工艺对低塑性低变形能力的覆板和基板，如马氏体不锈钢覆层或马氏体碳钢基层难以实施成功的复合。对铸态组织的材料，如连铸坯等也难以克服炸裂现象。第二，由于“爆炸窗口”的作用，覆层一般厚度在3mm以上、板幅在20平方米以下的工艺较成熟，对于需要薄覆层大幅面金属复合板的行业来说受到极大限制。第三，目前世界不锈钢生产厂家2mm～6mm热、冷带钢的最大宽度一般为2000mm，受此影响爆炸法的复合板宽度受到了限制，覆板拼接后与基板完全结合尚存一定技术难度。第四，爆炸复合法从爆炸力学的机理上是属于高科技的范畴，从实际爆炸作业上却是低效率的劳动密集型作业。此外，从建厂条件看，爆炸法必须远离城市，爆炸中心5km半径内不得有人和建筑，炸药、雷管的保管和运输都有十分严格的要求，且由于爆炸时产生的地震波和冲击波对周围的地质环境及植被生存影响较大。

2、爆炸+轧制复合法

该方法是将爆炸复合的复合板作为原料来进行轧制,最终获大幅面的复合板。此复合方法除具有上述爆炸复合的缺点外，产量、生产率及成材率较低,尺寸精度低也成为其发展制约因素。

3、热轧复合法

3.1复合工艺

热轧复合的基本原理是将两种表面洁净的金属相互接触,通过加热和塑性变形时原子间高度扩散作用达到连续的冶金结合的复合方法。该工艺方法可生产任意基复比的复合钢板，不受基复材料性能和组织的影响。可实施高基复比马氏体组织不锈钢复材的复合，可提供高硬度、抗冲刷、耐磨损及抗高温的特殊不锈钢复合板。并可利用现代钢铁企业的大型化、高速化、连续化的精良装备，高效率、高质量、低成本的生产出各类金属复合板。

3.2复合机理

热轧金属复合板是在“高温、高压、保护气氛”等为主要技术条件下实现冶金结合的，其复合过程可大致分为物理接触、接触表面的激活、扩散及形成冶金结合三个阶段。

第一阶段（如图3-1 a、b）为物理接触阶段，高温下微观不平的表面，在外加压力的作用下，局部接触点首先达到塑性变形，在持续压力的作用下接触面积逐渐扩大，最终使整个接合面达到可靠接触。

第二阶段（如图3-1 c）为相互扩散和反应阶段，在温度和压力的作用下，紧密接触界面上发生的元素扩散、晶界迁移和化学反应等过程，使微孔消除形成新的反应相，并在界面形成牢固的结合层。

第三阶段（如图3-1 d）为结合层的成长阶段，主要是结合层逐渐向体积方向发展，气孔消除并形成可靠的冶金结合。

3.2.1高温条件

根据经验可知，科学选择轧制温度能得到良好的结合强度和机械性能。金属复合板的轧制需要根据两种材料的特性精心设计加热工艺，以获得复合板优良的综合性能。

3.2.2高压条件

热轧复合时单位面积上的压力主要为促使结合表面产生塑性变形及达到紧密接触状态，使界面区原子激活，加速结合与界面孔洞的弥合及消失，防止孔洞的产生。压力越大，紧密接触的面积也越多。一般认为采用大的轧制力有利于分割破碎金属表面氧化膜, 使内部新鲜金属在轧制初期短时间内形成新生界面并在高压下结合,从而提高结合强度。

3.2.3保护气氛

“保护气氛”可以分为三个级别，即：

（1）真空保护气氛

（2）惰性气体保护气氛

（3）一般保护气氛（正常大气环境）

三种保护气氛从（3）级到（1）级级别越高，所能达到的复合率和复合强度越高，但实现的难度也越大。也就是真空保护气氛下的复合效果最好，并且复合坯内真空度越高，其复合强度和复合率也越高。真空保护气氛的主要作用为以下三个方面：

（1）形成无氧环境，防止金属表面氧化而形成氧化膜影响复合；

（2）防止在复合界面无法排除，形成气泡；

（3）防止气体分子在金属复合表面形成非金属的夹杂（微观），影响复合强度。
      通过以上三种工艺对比可以发现，热轧金属复合板复合工艺具有成本低、复合效率高、性能优良及生产安全、无噪音及粉尘污染等特点，符合国家的产业政策。且各项技术指标均达到或超过ASME、JIS标准。另外，薄规格大幅面是热轧复合工艺的优势，热轧复合板是制作石化储罐的理想选材。