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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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文章编号: 1004-0609(2005)07-1107-05

不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板轧制复合工艺

祖国胤1, 冯仁杰2, 王宁2, 于九明2, 温景林1

(1. 东北大学 材料与冶金学院, 沈阳 110004; 2. 东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 沈阳 110004)

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。

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 中图分类号: TB321

文献标识码: A

Roll-bonding technology of stainless steel/3003 aluminum alloy honeycomb sandwich panel

ZU Guo-yin1, FENG Ren-jie2, WANG Ning2, YU Jiu-ming2, WEN Jing-lin1

(1. School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China;

2. State Key Laboratory of Rolling Technology and Automation, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

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.

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

钢质蜂窝夹芯板是由两层厚度薄但强度高的面板材料, 中间夹一层较厚而质量轻的蜂窝夹芯组成的复合板[1]。 这种材料具有质量轻、 强度高、 减震、 耐冲击等突出的优点, 是一种高效的结构材料, 在航空、 造船、 汽车等领域具有广阔的应用前景[2-5]。 目前我国在航空航天领域应用的高性能钢质蜂窝夹芯板主要依赖进口, 产品的开发和研究较为分散, 尚未形成规模化生产, 在生产工艺方面多采用胶接、 热压等方法, 轧制复合制备技术的研究尚处于摸索阶段[6-8]

在采用轧制复合工艺制备钢质蜂窝夹芯板的研究中发现, 轧制变形率等工艺参数对产品的力学性能有着很大的影响[9, 10], 本文作者以不锈钢-3003铝合金蜂窝夹芯板为研究对象, 通过系统实验得出轧制复合工艺中最佳的变形率条件, 探讨了材料的结合机制, 分析了复合过程中的轧件边缘效应和孔系的变形规律。

1 实验

1.1 实验材料

3003铝合金板规格为: 长120mm, 宽50mm, 厚3mm。 主要成分(质量分数, %)为Si≤0.20, Mn1.20, Mg0.20, Cu0.20, Zn≤1.50, Al余量。

不锈钢带采用奥氏体不锈钢304, 规格为: 长120mm, 宽50mm, 厚0.27mm。 主要成分(质量分数, %)为C0.05, Si0.47, Mn1.22, Cr18.19, Ni8.34, Fe余量。

1.2 实验工艺

在夹芯板的芯材孔系设计中, 目前较为常用的有正六角形、 菱形、 圆形和矩形等[11]。 考虑到3003铝合金板的变形特点及加工的经济性, 本实验采用圆形孔系, 圆孔的的直径为4mm, 孔之间的最短圆心距为7mm。

实验采用传统的表面清理、 轧制复合、 扩散退火的“三步法”复合工艺。 采用铁刷手工清刷的方式将不锈钢与3003铝合金板的表面刷至理想洁净的“砂面”效果, 用丙酮清洗后烘干。 清理过的不锈钢及3003铝合金板在点焊机上进行点焊定位后送入加热炉中加热, 在加热的过程中向炉中通入足量的氩气以防止不锈钢发生氧化。 加热温度设定为470、 500、 520和550℃, 轧制复合的变形率设定为20%~50%。 轧后的夹芯板采用400℃退火1h的热处理工艺, 使两种基体进行充分的元素互扩散, 形成牢固的冶金结合, 进一步提高材料的结合强度。

实验中检测了蜂窝夹芯板的主要力学性能指标。 采用反复弯曲次数来反映材料的冷弯加工性能, 根据GB2073-93双金属弯曲性能的测试标准制备试样, 试样宽度为35~40mm , 夹口圆弧半径为13mm。 在Instron4206电子材力试验机上测定了夹芯板的抗拉强度和延伸率等指标。

2 结果及分析

2.1 金相组织观察及扫描电镜分析

在夹芯板的制备中, 复合界面结合的好坏直接影响到产品的各项力学性能。 实验发现当加热温度为500~550℃时, 25%的变形率即可实现不锈钢面板与3003铝合金芯板良好的初结合。 图1所示为在加热温度为520℃, 变形率为30%的工艺条件下轧后未经退火的夹芯板不同位置的显微组织。 从图中可以看到坯料在经过轧制实现复合后, 在整个界面上不锈钢面板与3003铝合金芯板结合情况良好, 复合界面平直、 连续, 为典型的轧制态形貌, 复合界面上没有明显的缺陷存在。 芯板上圆孔的形状发生了明显的变化, 孔的边缘同不锈钢面板的结合处复合的效果也较为理想。

图1  夹芯板不同位置的显微组织

Fig.1  Microstructures on different positions of sandwich panel

对于不锈钢-3003铝合金夹芯板而言, 由于不锈钢的变形抗力值远大于3003铝合金, 并且这种差别在加热后体现得更加明显, 因此在轧制复合过程中变形主要集中于3003铝合金芯板上。 实验结果显示: 当坯料的变形率达到50%时, 不锈钢面板的变形率仅约为6%。 由于不锈钢面板变形很小, 其表面致密的氧化膜(主要成分为Cr2O3)很难被破坏。 图2所示为加热温度为520℃, 变形率为50%条件下轧后未经退火的夹芯板剥离后的背反射照片。 图2(a)中白色区域为铝元素, 由图可见在不锈钢基体上分布有大量的铝。 造成这种现象的主要原因在于: 轧制过程中3003铝合金表面脆性的氧化膜被破坏后, 新鲜的金属大量被挤出并与不锈钢基体接触形成“粘和点”, “粘和点”占整个结合面的比例以及结合的牢固程度决定了复合效果。 将复合板进行剥离时, 由于“粘和点”附近的3003铝合金同不锈钢的结合较之其同3003铝合金芯板的结合更为牢固, 所以剥离后在不锈钢面板上“粘”有大量的铝。 图2(b)中所显示的白色区域为不锈钢, 由图2可知, 在剥离后3003铝合金板一侧“粘”有不锈钢的面积就要少的多, 并且分布较为分散。 分析认为这部分被“粘”到3003铝合金板上的不锈钢的来源主要是在清刷过程中在不锈钢表面形成的一些硬化块, 硬化块在轧制过程中被破坏, 同基体分离并与3003铝合金板结合, 但这种结合的强度较低, 并且只占结合面的很小一部分。 通过以上的分析可见, 在不锈钢面板与3003铝合金芯板的轧制复合工艺中, 主要的结合方式为 “裂口机制” [12]

图2  夹芯板剥离后的SEM背反射照片

Fig.2  SEM back-reflection photographies of honeycomb sandwich panel after stripped

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