一种铝合金/金属层状复合条型材卷料的生产方法

技术领域

本发明涉及金属塑性加工技术领域，尤其涉及一种铝合金/金属层状复合条型材卷料的生产方法。

背景技术

铝基金属层状复合材料具有轻质、高强、良好的导热和耐蚀性能和易于加工成型等特点，为合理选材和降低成本提供了更好的材料选择。随着3C技术的快速发展，铝合金/不锈钢或铝合金/钛合金等层状复合型材正在逐渐替代全不锈钢或全铝合金边框用材，需求量不断快速增加。

目前，3C用6013铝合金/不锈钢层状复合卷条型材主要有条带热轧复合法和板带热轧复合法两种方法，前者为6013铝合金挤压扁条卷材与不锈钢卷条带采用单条热轧方式复合，然后通过修边处理和精拉成型后切成品，最后再进行固溶淬火和人工时效处理，以使铝合金达到其强度或硬度要求；后者则是通过6013铝合金窄卷板材与不锈钢卷带采用热轧方式复合，然后通过精轧和分条处理切成品，最后再进行固溶淬火和人工时效处理，以使铝合金达到其强度或硬度要求。前述两种都采用了热轧复合技术，热轧复合的结合强度受到接合界面加热过程的氧化程度、热轧温度和压下量的影响。对于可热处理强化铝合金层状复合材料，随后还必须进行固溶加热和淬火处理，其工艺操作对于成卷复合材料而言是相当困难的，且层状复合材料在随后固溶淬火处理过程中由于两种金属的线膨胀系数差异极易产生开裂、分离和变形等产品质量问题。为了解决以上问题，申请人提出一项在先发明专利申请CN114231862A，该专利申请公开了一种T4P状态铝合金窄卷板材的生产工艺及其在钢铝热轧复合中的应用，但为防止铝合金加热过程产生析出进而导致其强度或硬度降低的问题，该方案实施过程中，必须对快速加热和快速冷却速度实施严格控制。

连续包复挤压已广泛应用于铝包钢线材生产，然而，这类连续包复挤压方式都是应用于制备层状包复材料或全封闭包复材料，如铝包钢线和铝包不锈钢异形管，详见钟毅著《连续挤压技术及其应用》，冶金工业出版社，2004年。类似地例如CN104722591B或CN203842939U，中间进料口水平输入较粗的金属圆管，通过切向双轮单槽连续包覆挤压机在金属圆管上下侧面挤压包覆铝合金包材。专利CN102794324B提出了一种以连续挤压双金属复合技术制备钢铝复合导电轨的方法，但该方法在实施过程中由于连续挤压过程产生挤压力不足以克服不锈钢带与支撑底板在高压作用下产生的摩擦阻力，因此，通常难以使铝合金型材同步流出模孔形成钢铝复合产品。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于目前铝合金基层状复合材料热轧复合法生产工艺所存在的诸多问题，以及结合3C用铝合金/金属层状复合材料技术要求，本发明提供一种铝合金/金属层状复合条型材卷料的生产方法，可生产出兼具高铝合金/金属接合面剪切强度和高铝合金硬度的铝合金/金属层状复合条型材卷料产品。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种铝合金/金属层状复合条型材卷料的生产方法，其包括：

S1、将两根铝合金盘圆杆坯同步喂入改造的切向双轮单槽连续包覆挤压机，同时将金属叠合条从所述切向双轮单槽连续包覆挤压机的水平进料口引入，并对所述金属叠合条施加水平张力牵引使其在切向双轮单槽连续包覆挤压机内水平移动；所述金属叠合条是将两根金属条叠合在一起所组成；在所述金属叠合条进入切向双轮单槽连续包覆挤压机之前其拟接合面已预先被毛化且采用电感应预加热；

所述改造的切向双轮单槽连续包覆挤压机是通过调整切向双轮单槽连续包覆挤压机的进料口和挤压模具的尺寸和形状，使进料口恰供金属叠合条水平进料，并根据目标产品的形状调整所述挤压模具的截面；

控制切向双轮单槽连续包覆挤压机的挤压模具内部温度为400-450℃(优选为420-430℃)；通过对铝合金盘圆杆坯和所述金属叠合条进行挤压，得到层状复合条型材粗坯；

S2、对从切向双轮单槽连续包覆挤压机出来的层状复合条型材粗坯进行在线水快速冷却淬火处理；

S3、进行拉拔扒皮修边处理，得到层状复合条型材，将层状复合条型材从金属叠合条的叠合面之间一分为二，分开成卷；

S4、人工时效处理。

优选地，S1中，所述两根铝合金盘圆杆坯为通过快冷水平连铸制备的内部组织均匀且晶粒度细小枝晶间偏析小，合金固溶度高的6013铝合金盘圆杆坯。

优选地，S1中，在所述金属叠合条进入切向双轮单槽连续包覆挤压机之前，采用电感应将所述金属叠合条预加热至380-450℃，优选为400-420℃。轮槽内本身不设置加热组件，但对进入轮槽之前的金属叠合条采用电感应进行预加热处理，在轮槽内又通过机械挤压和摩擦使温度保持在400-450℃。

优选地，S1中，所述金属叠合条中单根金属条的厚度为2-5mm，宽度为5-12mm；经挤压得到的层状复合条型材粗坯中，铝合金厚度为3-8mm，宽度为5-12mm。

优选地，S1中，控制层状复合条型材粗坯从所述切向双轮单槽连续包覆挤压机输出的温度(即切向双轮单槽连续包覆挤压机的产品出口温度)为490-530℃，优选为500-520℃。

优选地，S1中，对所述金属叠合条施加的水平张力大小为金属屈服强度的30-60％(优选为40-50％)。通过设置水平张力牵引金属叠合条，使水平张力为钢的屈服强度的30-50％，既有利于叠合条上下平衡，又有利于钢条的前进和与铝合金盘圆杆的相互挤压。

优选地，S3中，所述拉拔扒皮修边处理包括对层状复合条型材粗坯进行拉拔变形，控制铝合金变形量为1-5％(优选为2-3％)；同时在金属叠合条两侧对称设置刀口，用于剥掉层状复合条型材粗坯侧面的铝合金飞边。

该步骤同时兼顾小变形量拉拔与修边扒皮，在剥掉层状复合条型材粗坯侧面铝合金飞边的同时对铝合金层进行拉拔/挤压变形，以防止拉拔修边导致的铝合金与金属条间的接合处发生拉裂、并进一步提高层状复合条型材的尺寸精度。

优选地，S4中，人工时效处理条件为：在温度120-155℃保温4-12h；优选在温度135-145℃保温6-10h。

优选地，采用砂带对所述金属叠合条的拟接合面进行毛化处理。

根据本发明的较佳实施例，S1中，所述两根铝合金盘圆杆坯为通过快冷水平连铸制备的6013铝合金盘圆杆坯。

根据本发明的较佳实施例，S1中，层状复合条型材粗坯在张力牵引作用下从所述切向双轮单槽连续包覆挤压机连续输出，张力大小为金属屈服强度的30-60％(优选为40-50％)。

根据本发明的较佳实施例，S3中，可根据用户需求重量或长度分开成卷。

在S1之前，需要将金属条卷，通过校直导向压辊将两条金属条合在一起。

所述金属条包括但不限于不锈钢条和其他金属，如钛合金条；所述金属叠合条为两条不锈钢条相叠合组成。

(三)有益效果

(1)为了解决现有技术中连续挤压工艺中，挤压力不足以克服金属带与支撑底板在高压作用下产生的摩擦阻力进而难以使铝合金型材同步流出的技术问题，本发明使用改造的切向双轮单槽连续包覆挤压机，并采用双条叠合在一起的金属条同步在牵引力作用下输入到切向双轮单槽连续包覆挤压机中，两层钢条在挤压过程中互为同步移动的支撑面(相当于模芯)，在挤压力作用下随铝带运动，有效解决钢铝无法同步流出的问题。此外，通过预先在金属条拟接合面进行在线毛化处理和电感应加热，利用切向双轮单槽连续包覆挤压机对铝合金杆坯及金属条的连续挤压、摩擦产生的变形热及大塑性变形等共同作用，有效提高铝合金/金属界面的接合强度。

(2)在本发明的较佳实施例中，从切向双轮单槽连续包覆挤压机中得到铝合金/金属层状复合条型材粗坯后，对粗坯进行在线水冷快速淬火处理，以确保铝合金的固溶度，使随后人工时效处理后可获得更高的铝合金硬度。

(3)在本发明的较佳实施例中，对经过在线水冷淬火处理的铝合金/金属粗坯，对复合后产品金属侧面铝合金飞边进行扒皮修边处理的同时对铝合金部分进行小变形量(1-5％)挤压/拉拔，以确保6013铝合金/金属间的接合强度不受拉拔修边的影响，并提高复合条型材尺寸精度。

(4)本发明使用的铝合金杆坯为通过快冷水平连铸制备出内部组织均匀且晶粒度细小枝晶间偏析小，合金固溶度高的6013铝合金盘圆杆坯，再结合连续热挤压得到铝合金扁条/金属复合层状材料粗坯后，又进行在线水冷快速淬火，保证了铝合金/金属层状复合条型材卷料中铝合金部分的硬度。

本发明的产品，无需在复合后进行固溶淬火处理，不但减少了生产工序而且在复合条型材校直过程中调直率更高。

本发明的生产方法可应用于铝合金与金属、或铝合金与其他金属如钛合金的层状复合条型材卷料的生产。

附图说明

图1为使用的改造的切向双轮单槽连续包覆挤压机的结构示意图。

图2为本发明的铝合金/金属层状复合条型材卷料的生产方法的流程图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明的切向双轮单槽连续包覆挤压机包括上下正对且对称的第一挤压轮1和第二挤压轮2，第一挤压轮1与第二挤压轮2之间具有间距；在第一挤压轮1下方切线方向设有第一堵头11，在第二挤压轮2上方切线方向设有第二堵头21，第一堵头11与第二堵头21对称且具有第一间距，该第一间距构成金属叠合条的水平进料口，或者该第一堵头11和第二堵头21为一个整体组件且中间开设有水平通道，该水平通道构成金属叠合条的水平进料口。第一堵头11和第二堵头21都分别与第一加压轮1和第二挤压轮2的转动方向为相向关系。

在第一挤压轮1的另一侧设有第一挤压靴12，第一挤压靴12与第一挤压轮1相对的一面设有弧形面，该弧形面设有槽封块121。第二挤压轮2另一侧设有第二挤压靴22，第二挤压靴22与第二挤压轮2相对的一侧面设有弧形面，该弧形面设有槽封块221。如图1所示，第一挤压靴的槽封块121与第一挤压轮1之间，以及第二挤压靴的槽封块221与第二挤压轮2之间供分别供喂入一根铝合金杆坯。在第一挤压靴12靠近第一挤压轮1的一端设有第一挤压模123，在第二挤压靴22靠近第二挤压轮2的一端设有第二挤压模223，第一挤压模位123于第一挤压轮1下方的切线上，第二挤压模223位于第二挤压轮2上方的切线上。第一挤压模123和第二挤压模223的厚度和长度用于控制铝合金杆坯的受挤压变形程度。第一挤压靴12和第二挤压靴22对称且具有第二间距，第二间距形成挤压模具。金属叠合条的水平进料口与挤压模具连通。

当从第一挤压靴12的槽封块121与第一挤压轮1之间和第二挤压靴22的槽封块221与第二挤压轮2之间同步喂入一根铝合金杆坯80时，同时从水平进料口喂入两条叠合在一起的金属叠合条70，金属叠合条70在前向张力牵引作用下匀速移动。在第一挤压轮1和第二挤压轮2的转动挤压作用下，铝合金杆坯80受到挤压并复合在金属叠合条70的上下表面，从挤压模具输出层状复合条型材粗坯60，该层状复合条型材粗坯60在第一、第二堵头11、21的封堵作用和外部牵引张力下，不断输出。其中，层状复合条型材粗坯60实际是由两层铝合金/金属层状复合条型材组成。其中，在第一挤压轮1和第二挤压轮2的外侧相邻地设有压轮30，该压轮30用于固定铝合金杆坯，使铝合金杆坯被挤压并顺利进入挤压机的挤压模具内。通过将图1与现有技术CN104722591B比较，即可了解二者的区别，主要改进在于对金属管水平进料口和尺寸进行调整，使水平进料口恰可供一组金属叠合条连续水平进料，对挤压模具的形状和尺寸进行调整以适应目标产品的结构和尺寸需求。

如图2所示，为本发明一种铝合金/金属层状复合条型材卷料的生产流程图，包括：通过快冷水平连铸制备出内部组织均匀且晶粒度细小枝晶间偏析小，合金固溶度高的铝合金盘圆杆坯。生产的铝合金盘圆杆坯以2个为一组喂入切向双轮单槽连续包覆挤压机，同时2卷金属条通过放卷、校直导向压辊进行叠合，得到两条叠合在一起的钢条，然后对叠合钢条的上下两个裸露面采用砂带等进行毛化处理以提高其与铝合金层的接合强度。在金属条进入到切向双轮单槽连续包覆挤压机的挤压模具之前，预先已采用感应加热对金属叠合条进行预热至380-450℃，优选为400-420℃。利用切向双轮单槽连续包覆挤压机对铝合金杆坯及金属叠合条的连续挤压过程的摩擦和变形热及其大塑性变形等共同作用，使2根铝合金杆坯变形成两个铝合金扁条，并分别与金属叠合条的上下两个结合面紧密接合成铝合金/金属层状复合条型材粗坯，在粗坯出口处使用水浸/水喷淋等方式进行在线快冷水淬，之后经龙门架收排线机成卷。

之后，对成卷的层状复合条型材粗坯60拉拔扒皮修边处理，在履带式或凸轮式拉热电厂机上，对层状复合条型材粗坯侧面的铝合金飞边进行扒皮修边处理的同时对粗坯的铝合金部分进行小变形量拉拔处理，并控制铝合金变形量在1-5％，优选为2-3％。之后，将型材从两根金属条的叠合面之间一分为二，分别卷收。

在对层状复合条型材粗坯进行小变形量拉拔的同时，在金属叠合条两侧对称设置刀口、用于剥掉层状复合条型材粗坯侧面的铝合金飞边，以防止剥掉铝合金飞边的过程中对铝合金主体部分形成拉扯，进而影响铝合金层与金属层(不锈钢条)间的接合强度。

最后，对铝合金/金属层状复合条型材进行人工时间处理，在温度120-155℃保温4-12h；优选为135-145℃保温6-10h，以强化获得更高的铝合金硬度。

以下结合本发明的具体实施例进行说明。

实施例1

本实施例提供一种6013铝合金/不锈钢层状复合条型材卷料的生产方法，其采用图2所示的生产系统进行生产。生产单卷重不小于500Kg，以用于CNC加工成手机边框，要求6013铝合金厚度为5mm，硬度不小于120Hv，不锈钢厚度为2mm，钢铝复合条型材宽度为10mm，接合面剪切强度大于70MPa。该层状复合条型材卷料的生产工艺如下：

(1)6013铝合金水平连续铸造：采用99.7％铝锭、速溶Si、镁锭以及Al-5Mn、Al-5Cr、Al-10Cu中间合金，根据6013铝合金的化学成份范围计算各合金加入的重量比例，按此比例配料，在双1000Kg容量燃气熔炼炉内经熔化、精炼、保温和在线过滤后取样进行合金化学成份检测，如表1。采用水平连续铸造方式连续铸造成直径为10mm的杆坯，连续铸造温度控制在710-720℃，铸造速度设定为800mm/min。

表1本发明6013铝合金的主要化学成份(重量百分比，％)

(2)双条不锈钢叠合及表面在线毛化处理和在线感应加热：市购2×10mm退火316L不锈钢条卷，通过校直导向压辊将两条不锈钢合在一起组成不锈钢叠合条，进入砂带打毛机对其上下两个拟结合面进行在线毛化处理，以及穿过200Kw感应加热器，引至收排机上并形成张力牵引，张力大小设为140MPa(316L不锈钢屈服强度约为280MPa)。

(3)双轮单槽双带连续复合挤压成形：将两根水平连铸得到直径为10mm的6013铝合金盘圆杆坯喂入315型切向连续包复机的上下两个挤压轮槽，同时对不锈钢叠合条进行加热，调整加热功率使不锈钢叠合条表面温度达400-410℃。通过双轮单槽连续复合挤压成型，如图1所示，挤压轮槽温度为420℃，挤压复合产品出口温度为510℃。

(4)在线水淬冷却与收排成卷：通过设置于距双轮单槽双带连续复合挤压的出料口端面80cm的冷却水并对复合产品水快速冷却淬火处理，以及龙门架收排线机上成卷约1286Kg，得到铝合金/不锈钢层状复合条型材粗坯。

(5)拉拔扒皮修边处理：在履带式或凸轮式拉热电厂机上，对层状复合条型材粗坯进行扒皮修边处理的同时对6013铝合金材料层进行拉拔变形，控制6013铝合金的变形量为2.5％，然后从不锈钢叠合条的叠合面处一分为二，分开成587Kg和579Kg的两卷。

(6)人工时效处理：对成卷6013铝合金/不锈钢层状复合卷条型材进行人工时效处理，时效温度为135℃保温8h(峰值时效工艺)。取头尾样品实测复合条型材铝合金断面三点硬度平均值，采用国标测量钢铝复合条型材接合面剪切强度，结果如表2。

作为对比，本发明采用水平连铸得到直径为10mm的6013铝合金盘圆杆坯连续挤压成10×10mm扁条，然后与市购2×10mm退火316L不锈钢条进行热轧复合，轧制温度为350℃，压下率为41.7％。将复合后的6013铝合金/不锈钢层状复合条型材进行540℃保温1小时固溶淬火处理，以及随后190℃保温4小时人工时效处理(峰值时效工艺)，取样实测复合条型材铝合金断面三点硬度平均值，采用国标测量钢铝复合条型材接合面剪切强度，结果如表2。

表2本发明与热轧复合6013铝合金/不锈钢层状复合条型材性能检验结果对比

从表2可以看出：运用本发明生产方法制备的6013铝合金/不锈钢层状复合条型材卷料，铝合金断面三点硬度平均值为131.5Hv，钢铝接合面剪切强度达98.6MPa，均优于热轧方法制备的6013铝合金/不锈钢层状复合条型材，虽然两种方法都超过了关联公司CNC加工成手机边框采购技术协议要求。更关键的是，本发明制备的6013铝合金/不锈钢层状复合条型材无需在复合后进行固溶淬火处理，不但减少了生产工序而且在复合条型材校直过程中调直率更高，成为一种6013铝合金/不锈钢层状复合条型材卷料新的生产工艺方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。