[科普中国]-金属复合板

例子

金属复合板是利用各种复合技术将性能不同的金属在 界面上实现冶金结合而形成的复合材料。通过合适的材料 选择及合理的结构设计，金属复合板能够极大地改善单一金属材料的热膨胀性、强度、韧性、耐磨损性、耐腐蚀性、电性能、磁性能等诸多性能，因而被广泛地应用到石油、化工、船 舶、冶金、电力、水利、交通、环保、食品、制药等工业领域。 金属复合板除了具有结构性和功能性的特征之外，还可以节省贵金属的使用，显著降低各种装备材料的成本。1

常见的金属复合板有：钛钢复合板、铜钢复合板、钛锌复合板、钛镍复合板、镍钢复合板、铜铝复合板、镍铜复合板等。

优点金属复合材料技术可以发挥组元材料各自的优势，实现各组元材料资源的最优配置，节约贵重金属材料，实现单一金属不能满足的性能要求，以压力容器用不锈钢-钢复合板为例，基层用一般的碳钢（Q245R,Q345R等)有很好的机械性能，复层用不锈钢(304，316L等）有很好的耐腐蚀性能，两者通常采用爆炸焊接在一起，只需要几毫米的高价不锈钢，大量节约了成本，并且几乎不改变基材的各种机械性能。它既可以替代进口并填补国内空白，又具有广阔应用范围，具有很好的经济效益和社会效益，容易获得方方面面的扶持和帮助。如发展不锈钢复合材料就一直是国家发改委、科技部积极支持、倡导的高科技项目。

由于异质金属复合材料的性能功能化和较低的成本及应用范围广泛，提高了传统金属复合材料的发展潜力。随着国家环保产业政策实施力度的加强，稀有金属复合材料在电力烟气脱硫设备的应用持续增长，同时化工行业的投资国产化程度大大加快，也为稀有金属材料的发展提供了良好发展机遇。

国家产业政策的支持、较高的技术壁垒、产业升级的需求拉动为行业的发展提供了广阔空间。金属复合板是在一层金属上覆以另外一种金属的板子，已达到在不降低使用效果（防腐性能、机械强度等）的前提下节约资源、降低成本的效果。

制备方法一、直接轧制法

直接轧制法是生产金属复合板的一种较普遍的方法，它又可分为热轧复合法、冷轧复合法、异步轧制复合法及真空轧制复合法。

1、热轧复合法

热轧复合法是将复材和基材重叠，周围焊接，通过热轧使复材与基材结合在一起的方法。在剪切变形力的作用下，两种金属间的接触表面十分类似于粘滞流体，更趋向于流体特性。一旦新生金属表面出现，它们便产生粘着摩擦行为，有利于接触表面问金属的固着，以固着点为基础（或核心），在高温热激活条件下形成稳定的热扩散，从而实现金属间的焊接结合。

2、冷轧复合法

通常人们把等辊径等辊速冷轧复合法简称冷轧复合法。20世纪50年代由美国首先开始研究，提出了以“表面处理+冷轧复合+扩散退火”的三步法生产工艺。与热轧复合法相比，冷轧复合时的首道次变形量更大，一般要达到60%～70%，甚至更高。冷轧复合凭借大的压下量，冷轧重叠的二层或多层金属，使它们产生原子结合或榫扣嵌合，并随后通过扩散退火，使之强化。

3、异步轧制复合法

异步轧制是20世纪60年代开始兴起的一种板带轧制生产技术，它是通过改变上下轧辊轧速使轧辊线速度不同来轧制金属的。70年代异步轧制被用做复合板的生产，称作异步轧制复合法，包括我国在内的许多国家都投入了相当的力量进行基础研究和产业化。异步轧制复合法一般把较硬的金属与快速辊对应，较软的金属与慢速辊对应。异步轧制复合充分利用了“搓轧区”内的相对滑动。一方面，相对滑动的界面摩擦生热，为界面的结合提供能量；另一方面，相对滑动有利于接触表面污染层和氧化膜的破碎和挤出，促进新鲜表面的生成。因此，相对滑动有利于提高界面结合强度，降低平均轧制压力。

4、真空轧制复合法

通常在大气中，金属表面覆盖一层氧化膜、吸着层，表面有凸凹，这种状态阻碍金属间的结合。鉴于这些情况，1953年前苏联首先开始了真空轧制的试验，随后美国、中国、日本也开始研究。真空轧制复合法分为真空中热轧和冷轧两种情况。真空中热轧的最大特征是：由于不含氧化性气氛，金属表面不形成氧化物、氮化物，使在大气中氧化而难以加工的金属变得容易加工，通过塑性加工生成的金属新生面的本来特性能够充分发挥，并因真空中有助于脱气，可获得清洁的精加工金属表面。

二、爆炸制坯一轧制法

爆炸制坯一轧制法是将所需用的基、复材经过爆炸焊接以后，再经过热轧机轧制到所需规格尺寸的复合板带的一种生产方法。此方法是综合爆炸复合技术和轧制技术各自的优点而发展起来的一种新的联合技术，其优点在于：

（1）爆炸复合法制坯，保证了两层或三层金属复合板结合区的质量；

（2）产品尺寸精度高，表面质量好；

（3）增加了生产的灵活性，便于推广。

三、烧结法

烧结法是在保护性气氛下，通过加热，使粉末颗粒与复合基板相互结合的复合方法。保护性气体主要采用氢气和氮气等。复合基板需经过脱脂、除锈和打毛等工序预处理。粉末的制备主要有两种方法：

（1）将异种纯金属的粉末均匀混合；

（2）直接制备覆层合金的粉末。烧结法的基本原理是在高温下，原子振幅加大，发生扩散，从而使异种金属原子形成结合。它主要应用于复合基板与合金覆层的复合。由于在烧结过程中，烧结温度低于高熔点纯金属组元的熔点，所以合金覆层的组织性能非常均匀，是轧制法的有益补充。

四、铸轧复合法

铸轧复合法的工艺过程为：将两块钢板叠合，内层涂上剥离剂，四周焊合后放在盛有金属液的铸模中，待液态金属凝固后进行初轧，最后将焊合的边部切掉，即得到复合板。在适当温度及压力下可实现较高的复合强度。此方法工艺简单，成本低，可用于批量生产。

五、反向凝固法

反向凝固工艺是由德国冶金工作者于1989年开发的一种薄带连铸工艺。该工艺是让一定厚度的基带从反向凝固器内的钢液中通过，使基带表面附近的钢水迅速降温，在基带表面凝固形成新生相，并在新生相还处于半凝固状态时进行轧制，得到表面平整、厚度均匀的热轧薄带。该方法是一种生产双金属复合材料的新熔合技术。但同模铸法有所不同，其基板为普通碳素钢（固相），复合层为不锈钢（钢液）。它具有高效率、低能耗的特点，可生产不锈钢复合层小于1mm的复合板，能够实现生产过程的连续化和短流程，工艺简单，产品质量高，利于环保。

六、电磁连铸复合法

电磁连铸生产复合板方法尚处于研究阶段。其基本原理是：两种化学成分不同的钢液通过不同的浸入式水口同时注入结晶器，由于在结晶器的下部安装了水平磁场，作用在钢流上的洛仑磁力垂直穿过水平磁场，抑制了两种钢液的混合，而且水平磁场成为一个分界线，依靠磁流体力的作用把结晶器熔池分为上、下两部分。通过结晶器冷却作用，上部熔池的钢液凝固成复合钢坯的外层，下部熔池的钢液在外壳的里边凝固形成钢坯的内芯。

该方法的优点：（1）由于在结晶器内直接实现不锈钢和其它钢铁材料的复合，可避免出现结合界面的氧化、夹渣等情况；（2）由于是液一液相结合，因此与反向凝固法相比，生产的不锈钢复合板界面结合强度更高，同时也无须对基板表面进行活化处理；（3）无污染，适于大批量生产。2

现有工艺不足金属复合板的工艺方法有很多种，各种制备方法各有优点，而现有报道中并没有一种能够替代其他方法的，因此，在一定时期内仍然是各种制备工艺并存的局面。

（1）直接轧制复合法是目前生产金属板的主要方法之一。对于热轧来说，需要解决的是工序复杂，加工周期长，以及接合界面氧化等问题；对于冷轧来说，要解决的是板型难控制，轧件边裂，首道次压下量大以及变形抗力大时金属的横向断裂和变形不稳定现象等问题；异步轧制经过30多。年的发展取得了大量的科研成果，是一种比较有竞争力的工艺方法，但应尽快解决实际应用的问题；而真空轧制复合法需要克服的是真空度的获得与变更、气体氛围的设计，活性化表面的获取与保持等问题。

（2）爆炸制坯——轧制复合法也是当前生产金属复合板的主要方法之一。由于它是通过爆炸复合法获得坯料，所以它兼具了爆炸法的不足，即爆破地点的选择、噪音的处理、以及产量、生产率比较低等缺点。

（3）烧结法获得的金属复合板孔隙率大，所以此法只能应用于制备孔隙率高的复合金属材料，适用范围非常狭窄。另外，该方法复合工序复杂，能耗大。

（4）铸轧复合法在复合板生产时由于复合温度高，复合基板表面容易发生氧化，形成氧化层；同时由于复层金属与基体金属的熔点不同，结合部位容易产生熔损，因此难以得到质量优良的复合钢板，为了避免被钢水熔化，板厚和板重也因此受到了限制。

（5）反向凝固法制备金属复合板操作难度大、成材率低且其产品的尺寸精度控制也比较困难。

（6）电磁连铸法生产复合板工艺还处在研究阶段。但同反向凝固法一样由于它们界面结合强度好及高效、低耗、环保等优点在未来研究领域具有很强的竞争力。由于它是液一液相结合的，所以对于复合板的厚度不易控制，复合板材的组织和性能较轧制法也相对要差。2

发展方向针对直接轧制法和烧结法不足，寻找一种既能在大气中轧制实现界面良好结合，又能克服由于接合界面氧化而造成的诸多问题的新方法已成为今后材料加工工程领域内一个新的研究方向。

在解决了接合界面氧化问题的同时，克服冷轧复合中首道次压下量大而又有能实现好的界面结合，克服爆炸一轧制法和烧结法不足，找到一种在大气中比较完善的复合方法成为该领域的另个主要的研究方向。
实现了上述两个方向，并在实际生产中做到工艺简单，操作方便，高效低耗可连续化生产将成为未来长期的研究方向。

现有工艺都离不开轧机的轧制，这就意味着轧制确实能保证材料的优良特性，而且有专家预言随着制备技术的不断发展和完善，最终完善的轧制复合法可能就是生产金属复合板的选择，那么直接轧制复合法的完善应该成为我们未来研究领域的一个重要的方向。2