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不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板轧制复合工艺

来源期刊:中国有色金属学报2005年第7期

论文作者:祖国胤 冯仁杰 王宁 于九明 温景林

文章页码:1107 - 1111

关键词:不锈钢-3003铝合金; 轧制复合; 蜂窝夹芯板; 裂口机制; 变形率

Key words:stainless steel/3003 aluminum alloy; roll-bonding; honeycomb sandwich panel; split mechanism; deformation rate

摘    要:研究了采用轧制复合方法生产不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板的工艺。 结果表明: 经过表面清理的面板和芯板, 在加热至500~550℃后进行轧制复合, 在变形率为25%以上时即可以实现牢固的初结合, 面板与芯板间的结合主要依靠“裂口机制”; 轧制过程中芯板上的圆孔出现了类似于墩粗的情况, 为使芯板上孔系能够发挥作用, 轧制变形率应当控制在25%~40%之间; 经过退火热处理后, 夹芯板的抗拉强度、 弯曲强度和延伸率等力学性能均达到相关产品标准。

Abstract: The roll-bonding technology of stainless steel/3003 aluminum alloy honeycomb sandwich panel was studied. The results show that the skin and core plate whose surfaces are cleaned can realize excellent interface bonding when deformation rate exceeds 25% and temperature rangs from 500 to 550 ℃. The bonding way between both base metal is typically the split mechanism. And round holes of core plate appear bore-out-of-round during the course of roll-bonding. In order to make full use of the holes in the core plate, deformation rate of 25%-40% is demanded. The tensile strength, flexural strength and elongation of sandwich board all meet the correlative criteria after annealing heat treated.



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2.2 轧制复合过程中的边缘效应和孔系的变形分析

在蜂窝夹芯板的制备工艺中, 由于在芯板上布满圆孔, 在轧制过程中坯料受到轧制力的作用沿轧制方向要发生延展, 同时在两种基体的界面上还存在着摩擦力, 因而在复合后芯板上圆孔的形状会发生明显的变化。 由图1可以看到轧后芯板上圆孔的变化情况, 而通过图3所示的孔周围的背反射图可以更加直观地了解圆孔的形状变化趋势。

图3  圆孔周围的SEM背反射照片

Fig.3  SEM back-reflection photography of round-hole circum

由图3可见, 轧制复合后圆形孔变形为椭圆形, 椭圆的长轴与轧制方向平行。 从厚度方向截面看圆孔周边金属出现了类似于镦粗的单鼓形。 这是由于在轧制压力的作用下, 芯板和面板间的摩擦力很大, 金属的流动存在着部分粘着现象。 轧制压力使芯板沿轧制方向延展, 圆孔内壁的金属比复合界面处的金属更容易流动, 造成芯板圆孔内壁的一部分金属翻平到接触面上, 使孔周边金属出现了类似于镦粗的单鼓形的变化。

对多孔夹芯材料而言, 孔系的控制非常关键。 在轧制工艺中影响圆孔形状变化的主要因素是芯板的变形率, 变形率过大将使孔系消失, 失去蜂窝夹芯板的结构特点; 而变形率过小会降低芯板与面板结合强度, 影响使用性能。 由于圆孔在轧制过程中由圆形变成椭圆形, 因此可以根据椭圆度的变化来分析在轧制过程中圆孔的变化情况, 所谓的椭圆度是指椭圆短轴与长轴的比值。 图4反映了轧制过程中椭圆度与变形率的关系。

图4  夹芯板椭圆度与变形率的关系

Fig.4  Relation between ellipticity and deformation rate of honeycomb sandwich panel

从图4可以看到, 在夹芯板变形率小于40%时, 孔的椭圆度变化较为平缓。 当变形率超过40%后, 孔的椭圆度急剧变小, 表示此时在复合界面处孔周围的金属流动状态发生了突变。 而当变形率达到50%时, 芯板上孔的椭圆度仅为0.43, 此时孔系已经失去其应有的作用。 数据分析表明: 采用轧制复合工艺制备不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板时, 为了保证孔系在轧后能够发挥相应的作用, 应当将变形率控制在40%以下。 后续进行的夹芯板力学性能测试结果显示, 在变形率小于25%时, 夹芯板的初结合强度较低, 将会严重影响到产品的各项力学性能。 因此综合考虑在轧制过程中孔系的形状变化和夹芯板的初结合效果两个影响因素, 不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板的在轧制复合工艺中的变形率应当控制在25%~40%之间。

2.3 不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板的力学性能

对于一种新材料来说, 产品的各项力学性能能否满足使用要求至关重要, 实验中测定了不同工艺条件下制备的不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板的各项主要力学性能, 材料均采用400℃条件下1h的扩散退火处理, 表1列出了检测后所得到的各项数据。 为便于比较, 表中同时列出了不锈钢-3003复合板的相关数据。

由表1可见, 采用轧制复合工艺制备不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板, 在加热温度为520℃时材料的各项力学性能达到最佳, 变形率则控制在30%左右佳, 此时夹芯板的各项力学性能指标均达到或超过GB232-82中的相关标准。 由表1可知, 夹芯板的抗拉强度随变形率的提高而增大, 与文献[13, 14]的研究成果一致, 但随着变形率的提高, 夹芯板的弯折次数和延伸率则先上升后下降, 变形率为30%时, 弯折次数和延伸率达到最大值。 分析认为: 夹芯板的弯折次数和延伸率不仅受复合界面结合强度的影响, 同不锈钢在轧制过程中所产生的加工硬化也有着密切的关系。 另外不锈钢-3003复合板的抗拉强度明显高于相同工艺制度下夹芯板的指标, 其原因在于夹芯板上布满了圆孔, 造成有效的结合面积远小于无孔的实心复合板, 并且夹芯板的圆孔内不可避免地要残留一部分空气, 在加热的过程中会造成不锈钢的氧化, 影响到界面的结合强度。 表中的数据显示夹芯板的弯折次数和延伸率要高于无孔复合板的指标, 这是由夹芯板的结构特点所决定的, 夹芯板中的芯板在承受弯折和剪切等变形时可以很好地传递剪切力, 使夹芯板的变形相比于复合板体现出更加明显的“整体性”特点。 另外比较采用本工艺制备的不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板和不锈钢-3003铝合金复合板的密度, 发现夹芯板质量可以减轻40%~60%, 可见蜂窝夹芯材料在节约材料用量方面具有极大的优势。

表1  蜂窝夹芯板及复合板的主要力学性能

Table 1  Main mechanical properties of steel honeycomb sandwich panel and composite board

3 结论

1) 轧制温度为500~550℃, 变形率为25%以上时, 可以实现不锈钢面板与3003铝合金芯板间牢固的初结合, 两种母材之间的结合主要依靠“裂口机制”。

2) 为了充分发挥孔系的作用并保证初结合强度, 不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板的轧制变形率应当控制在25%~40%之间。

3) 采用本工艺制备的不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板的各项力学性能均可以达到GB232-82中的相关标准, 其弯折次数和延伸率指标明显高于无孔复合板。

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