双辊铸轧钢/铝复合板坯工艺及理论研究

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不锈钢/铝复合板坯结合了不锈钢和铝合金各自的优点,具有低密度、高强度、高导热导电性、良好的耐蚀性和美观的外表,被广泛应用在各种工业领域。轧制法是目前生产不锈钢/铝复合板坯最常用的方法,工艺较成熟。但此法对轧机能力要求高,工序繁多,成本高。与轧制法不同,铸轧法能够直接从铝熔体生产出板坯,具有工序短、能耗低、成本低等优势;铸轧复合过程中的固-液短时接触可以形成冶金结合,使得复合板坯获得更高的结合强度。另外,我国是铝合金铸轧大国,目前国内保有的铸轧机在2000台以上。因此用铸轧法取代轧制法生产钢/铝复合板坯具有十分明显的社会经济效益。但铸轧工艺窗口窄,覆层带坯的加入改变了铸轧区内的冷却条件,使得铸轧过程对工艺参数的敏感性增加,过程稳定性进一步降低。目前对水平铸轧法生产钢/铝复合板坯的研究还非常少,复合过程中的界面反应和结合机理尚不清楚。在上述背景下,本文对水平铸轧钢/铝复合板坯的工艺及性能进行了研究。采用数值模拟+铸轧实验的方法确定出能稳定获得良好板形的铸轧工艺参数;对铸轧复合过程中的界面反应和结合机理进行了探讨;设定不同的后续退火和冷轧工艺研究了其对复合板坯界面反应和结合强度的影响规律,确定出最佳的后续处理工艺;采用拉伸试验和三点弯曲试验对不同后续处理条件下复合板坯的力学性能进行了研究。得到了以下结论:(1)Kiss点之前钢带与上辊面间较小的换热系数使得铸轧区内铝合金的温度场不再沿x轴对称。铸轧区上表面固液两相区向铸轧出口方向移动使得复合铸轧过程的稳定性与普通铸轧相比下降,工艺窗口进一步减小;(2)铸轧速度过低时,热输出成为控制铸轧区内温度场的关键因素;铸轧速度升高以后,浇注温度较高时,热输入对铸轧区内温度场的影响显著增加。铸轧区内熔体压力可以通过铸嘴内部中央流道尺寸来控制。熔体压力过高或过低都会使铸轧稳定性下降。中等熔体压力下的最佳铸轧速度为1.25 m/min,浇注温度为700℃;(3)铸轧复合板坯结合界面上的元素互扩散取决于固/半固态接触时间,接触时间越长,互扩散区域越宽。复合板坯结合强度取决于元素互扩散区域宽度和轧制压下量,二者的适当组合可以产生相同的结合强度。钢带表面打磨以后板坯结合强度降低。高熔体压力条件下可以获得更高的结合强度。电磁场对铸轧复合过程稳定性没有影响,但可以提高铸轧复合板坯的结合强度且电磁振荡场的效果更加明显;(4)退火过程中界面元素互扩散区域变化和化合物生成对结合强度有重要影响。金属间化合物相出现前结合强度随退火温度和时间的增加而增加;界面一旦生成金属间化合物相,结合强度立即下降。510℃×1.5 h为获得较高结合强度的最佳退火制度。铸轧复合板坯的结合强度随着冷轧压下量的增加而升高。退火和冷轧顺序对铸轧复合板坯界面反应和结合强度也有影响。冷轧可以促进元素互扩散且轧制压下量必须达到一定数值。510℃×1.5 h退火后进行40%冷轧条件下具有最高结合强度28 N/mm。(5)铸轧1100/409L复合板坯的强度接近铝基体强度并主要受钢层强度的影响,后者主要受冷轧和退火顺序的影响。铸轧复合板坯的塑性主要取决于钢层的塑性和板坯结合强度。不同后续处理条件下铝层向上时的弯曲强度差异较大并主要受钢层强度的影响。综合来看,510℃×1.5h退火后进行40%冷轧条件下的板材成型性能较好。
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