專利名稱：一種鋼-鋁青銅雙金屬材料復(fù)合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬復(fù)合材料制備方法，尤其是鋼-鋁青銅雙金屬板材的軋制復(fù)合方法。
背景技術(shù)：
鋁青銅具有強(qiáng)度高、耐蝕、耐磨減摩等優(yōu)良性能，在機(jī)器零件制造業(yè)具有極其廣泛的應(yīng)用。鋁青銅是一種以鋁為主要合金元素的銅合金。當(dāng)鋁含量小<9.4%，合金為單相α銅基固溶體，主要通過擠壓、軋制等形變強(qiáng)化方式來提高其力學(xué)性能，典型合金有QA15、 QAl7, QA19等牌號(hào)；而當(dāng)鋁含量在9. 4-16. 0%，由于相圖出現(xiàn)β — α + γ共析轉(zhuǎn)變及快速冷卻時(shí)發(fā)生馬氏體相變，使得合金具有可熱處理強(qiáng)化的特性。為了改善鋁青銅的時(shí)效特性、耐蝕性、抗氧化性及鑄造性能等，還在鋁青銅中加入適量鐵、鎳、錳等元素，典型牌號(hào)有QAl 10-4-4 等。但是使用鋁青銅整體制造零部件時(shí)，成本相對(duì)較高。如能和其他材料，例如鋼，制備成復(fù)合材料，不僅節(jié)約材料成本，還可能使零件兼有鋼的部分性能。以往鋼-鋁青銅復(fù)合材料制備主要采用離心鑄造方法，但材料以鑄態(tài)使用，力學(xué)性能不佳且存在嚴(yán)重偏析。何光志等人以紫銅為中間層金屬，通過軋制復(fù)合工藝制備出鋁青銅-鋼雙金屬材料何光志，黃靖文，婁兆云，吳宗云。軸承材料的制造工藝，專利號(hào)200710037589。但是，以紫銅為中間層，由于銅在鋼中溶解度較小，且在后續(xù)800-850°C /30-45min退火時(shí)屬于固相擴(kuò)散，因而難以保證界面處充分?jǐn)U散而使紫銅合金化，造成紫銅層殘留并在退火時(shí)發(fā)生再結(jié)晶軟化，使其強(qiáng)度大大下降而成為薄弱區(qū)域，導(dǎo)致對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度不利。因此，要獲得良好的界面結(jié)合性能，必須選擇在鋼和銅中皆有較高固溶度的過渡層金屬，并通過合適處理工藝使之完全固溶于鋼和銅基體中，從而避免因殘留純金屬層對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度造成的不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一種鋼-鋁青銅雙金屬板材的復(fù)合方法所要解決的技術(shù)問題是消除鋼-鋁青銅雙金屬板材界面處殘留的純金屬層對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的不利影響。為了解決這些技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是(I)對(duì)鋼板和鋁青銅板進(jìn)行充分退火軟化處理，使鋼板和鋁青銅板的伸長率至少要達(dá)到30%以上；目的在于降低鋼、鋁青銅的強(qiáng)度和提高材料塑性變形能力，為后續(xù)單道次大變形量冷軋復(fù)合作準(zhǔn)備。(2)將退火軟化后的鋼板進(jìn)行表面清洗和活化，然后在不超過共析轉(zhuǎn)變溫度(727°C)的鋁液中熱浸鍍一層厚度為20-60 μ m的純鋁層，得到鍍鋁鋼；之所以熱浸鍍鋁溫度不超過共析轉(zhuǎn)變溫度(727°C)，目的在于避免溫度高于共析轉(zhuǎn)變溫度，造成熱浸鍍后鋼板取出冷卻時(shí)發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致強(qiáng)度重新提高而塑性下降，不利于后續(xù)冷軋復(fù)合；
為了實(shí)際操作時(shí)便于控溫，作為優(yōu)選熱浸鍍溫度控制在680-710°C范圍內(nèi)。熱浸鍍純鋁層厚度之所以控制在20-60 μ m范圍內(nèi)，是因?yàn)榧冧X層太薄會(huì)造成難以冷軋復(fù)合；純鋁層太厚則需要較長后續(xù)液相擴(kuò)散退火時(shí)間才能使之完全固溶于基體，因而造成不必要的浪費(fèi)，液相擴(kuò)散退火時(shí)間短又會(huì)殘留純鋁層。純鋁層厚度可通過控制浸鍍時(shí)間為O. 5-3. Omin和提升速度為l-10m/min來控制。( 3)將步驟(2)中得到的鍍鋁鋼板和鋁青銅板再次表面清洗及打毛后，進(jìn)行單道次大變形量冷軋復(fù)合；通過單道次大變形量能將鍍鋁鋼和鋁青銅冷軋復(fù)合，單道次冷軋變形量下限以能有效地將鋼和鋁青銅冷軋復(fù)合為準(zhǔn)，而上限以不造成材料開裂即可。作為優(yōu)選單道次冷軋變形量控制在50-80%。
(4)對(duì)于步驟(3)中冷軋復(fù)合后得到的板材，在高于鋁熔點(diǎn)(665°C)且低于鋼共析轉(zhuǎn)變的溫度(727°C)范圍內(nèi)進(jìn)行液相擴(kuò)散退火；在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，熱浸鍍鋁層將熔化成為液相，能迅速擴(kuò)散進(jìn)入兩側(cè)的鋼和銅基體中分別形成鐵基、銅基固溶體，同時(shí)不造成珠光體轉(zhuǎn)變。為了實(shí)際操作時(shí)便于控溫，作為優(yōu)選，液相擴(kuò)散退火溫度控制在680-710°C范圍內(nèi)；退火時(shí)間控制在2-4h，就能將20-60 μ m厚的純鋁層完全固溶于基體。(5)液相擴(kuò)散退火后立即溫軋；液相擴(kuò)散退火時(shí)，有時(shí)會(huì)由于原子擴(kuò)散速度而形成孔洞，同時(shí)液態(tài)鋁擴(kuò)散后會(huì)形成鑄態(tài)組織。溫軋目的是將界面擴(kuò)散孔洞彌合及鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃谓M織，同時(shí)溫軋還會(huì)給鋼和鋁青銅帶來一定形變強(qiáng)化效果。溫軋總變形量選擇需配合冷軋復(fù)合所選的單道次變形量，使之接近最終板材厚度，應(yīng)控制在20-50%之間。(6)將雙金屬板材精軋至成品所需厚度并板面矯平；(7)最后去應(yīng)力退火。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的雙金屬復(fù)合材料避免了殘留的純鋁層對(duì)界面結(jié)合性能的不利影響，大大提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。說明書附I實(shí)施例142CrMo鋼與QA17鋁青銅雙金屬板材界面金相圖；圖2實(shí)施例242CrMo鋼與QA17鋁青銅雙金屬板材界面金相圖；圖3實(shí)施例342CrMo鋼與QA17鋁青銅雙金屬板材界面金相圖；圖4實(shí)施例442CrMo鋼與QA17鋁青銅雙金屬板材界面金相圖；圖5實(shí)施例5的20CrMnTi鋼-QAl 10-4-4鋁青銅雙金屬板材界面金相圖；圖6實(shí)施例6的20CrMnTi鋼-QAl 10-4-4鋁青銅雙金屬板材界面金相圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I 42CrMo鋼與QA17鋁青銅復(fù)合(I)首先將42CrMo鋼板加熱850°C左右并保溫I小時(shí)左右，轉(zhuǎn)移至680°C左右爐中并保溫10h，然后隨爐緩冷至室溫，此時(shí)鋼板伸長率約40%。將QA17鋁青銅加熱至650°C并保溫lh，然后隨爐緩冷至室溫，此時(shí)銅板伸長率約45%。
(2)將表面清洗及活化后的42CrMo鋼在710°C鋁液中熱浸鍍鋁?？刂平儠r(shí)間和提出速度，使得純鋁層厚度約20 μ m。(3)再次表面清洗及打毛后，將鍍鋁42CrMo鋼和QA17鋁青銅疊合，以50%單道次冷軋變形量將鋼和鋁青銅冷軋復(fù)合。(4)將冷軋復(fù)合好的鋼-鋁青銅板材于710°C擴(kuò)散退火2h。(5)擴(kuò)散退火后立即溫軋，控制總變形量為50%。(6)將雙金屬板材精軋至成品所需厚度，矯平板面，并去應(yīng)力退火。從圖I可以看出，經(jīng)實(shí)施例I處理的42CrMo鋼-QA17鋁青銅雙金屬板材復(fù)合界面處無殘留純鋁層。力學(xué)性能測試表明，界面剪切強(qiáng)度為455MPa，界面疲勞強(qiáng)度337MPa。
實(shí)施例2 42CrMo鋼與QAl7鋁青銅復(fù)合(I)首先將42CrMo鋼板加熱850°C左右并保溫Ih左右，轉(zhuǎn)移至680°C左右爐中并保溫10h，然后隨爐緩冷至室溫，此時(shí)鋼板伸長率約40%。將QA17鋁青銅加熱至650°C并保溫lh，然后隨爐緩冷至室溫，此時(shí)銅板伸長率約45%。(2)將表面清洗活化后的42CrMo鋼在680°C鋁液中熱浸鍍鋁。控制浸鍍時(shí)間和提出速度，使得純鋁層厚度約60 μ m。(3)再次表面清洗及打毛后，將鍍鋁42CrMo鋼和QA17鋁青銅疊合，以80%單道次冷軋變形量將鋼和鋁青銅冷軋復(fù)合。(4)將冷軋復(fù)合好的鋼-鋁青銅板材于680°C擴(kuò)散退火4h。(5)擴(kuò)散退火后立即溫軋，控制總變形量為20%。(6)將雙金屬板材精軋至成品所需厚度，矯平板面，并去應(yīng)力退火。從圖2可以看出，經(jīng)實(shí)施例I處理的42CrMo鋼-QA17鋁青銅雙金屬板材復(fù)合界面處無殘留純鋁層。力學(xué)性能測試表明，界面剪切強(qiáng)度為485MPa，界面疲勞強(qiáng)度373MPa。實(shí)施例3 42CrMo鋼與QAl7鋁青銅復(fù)合(I)首先將42CrMo鋼板加熱850°C左右并保溫Ih左右，轉(zhuǎn)移至680°C左右爐中并保溫10h，然后隨爐緩冷至室溫，此時(shí)鋼板伸長率約40%。將QA17鋁青銅加熱至650°C并保溫lh，然后隨爐緩冷至室溫，此時(shí)銅板伸長率約45%。(2)將表面清洗及活化后的42CrMo鋼在690°C鋁液中熱浸鍍鋁?？刂平儠r(shí)間和提出速度，使得純鋁層厚度約40 μ m。(3)再次表面清洗及打毛后，將鍍鋁42CrMo鋼和QA17鋁青銅疊合，以60%單道次冷軋變形量將鋼和鋁青銅冷軋復(fù)合。(4)將冷軋復(fù)合好的鋼-鋁青銅板材于700°C擴(kuò)散退火2h。(5)擴(kuò)散退火后立即溫軋，控制總變形量為40%。(6)將雙金屬板材精軋至成品所需厚度，矯平板面，并去應(yīng)力退火。從圖3可以看出，經(jīng)實(shí)施例3處理的42CrMo鋼-QA17鋁青銅雙金屬板材復(fù)合界面處無殘留純鋁層。力學(xué)性能測試表明，界面剪切強(qiáng)度為455MPa，界面疲勞強(qiáng)度339MPa。實(shí)施例4 42CrMo鋼與QA17鋁青銅復(fù)合(I)首先將42CrMo鋼板加熱850°C左右并保溫Ih左右，轉(zhuǎn)移至680°C左右爐中并保溫10h，然后隨爐緩冷至室溫，此時(shí)鋼板伸長率約40%。將QA17鋁青銅加熱至650°C并保溫lh，然后隨爐緩冷至室溫，此時(shí)銅板伸長率約45%。
(2)將表面清洗及活化后的42CrMo鋼在700°C鋁液中熱浸鍍鋁?？刂平儠r(shí)間和提出速度，使得純鋁層厚度約95 μ m。(3)再次表面清洗及打毛后，將鍍鋁42CrMo鋼和QA17鋁青銅疊合，以65%單道次冷軋變形量將鋼和鋁青銅冷軋復(fù)合。(4)將冷軋復(fù)合好的鋼-鋁青銅板材于690°C擴(kuò)散退火lh。(5)擴(kuò)散退火后立即溫軋，控制總變形量為35%。(6)將雙金屬板材精軋至成品所需厚度，矯平板面，并去應(yīng)力退火。從圖4可以看出，經(jīng)實(shí)施例4處理的42CrMo鋼-QA17鋁青銅雙金屬板材復(fù)合界面處存在殘留純鋁層。力學(xué)性能測試表明，界面剪切強(qiáng)度為185MPa，界面疲勞強(qiáng)度76MPa?？梢?，由于界面殘留純鋁層，大大降低了界面結(jié)合強(qiáng)度。 實(shí)施例5 20CrMnTi鋼與QA110-4-4鋁青銅復(fù)合(I)首先將20CrMnTi鋼板加熱870°C左右并保溫lh，轉(zhuǎn)移至600°C左右爐中并保溫5h，然后空冷至室溫。將QAl 10-4-4鋁青銅加熱至900°C并保溫2h，油淬后加熱至600°C，并保溫8h，隨后隨爐緩冷至室溫。此時(shí)，20CrMnTi鋼板伸長率約55%，QAl 10-4-4鋁青銅板伸長率約35%。(2)將表面清洗及活化后的20CrMnTi鋼在680°C鋁液中熱浸鍍鋁。控制浸鍍時(shí)間和提出速度，使得純鋁層厚度約110 μ m。(3)將鍍鋁20CrMnTi鋼和QA110_4_4鋁青銅疊合，以70%單道次冷軋變形量將鋼和鋁青銅冷軋復(fù)合。(4)將冷軋復(fù)合好的鋼-鋁青銅板材于700°C擴(kuò)散退火I小時(shí)。(5)擴(kuò)散退火后立即溫軋，控制總變形量為30%。(6)將雙金屬板材精軋至成品所需厚度，矯平板面，并去應(yīng)力退火。從圖5可以看出，經(jīng)實(shí)施例5處理的20CrMnTi鋼-QA110-4-4鋁青銅雙金屬板材復(fù)合界面處，由于熱浸鍍純鋁層太厚，液相擴(kuò)散退火時(shí)間不足而存在殘留純鋁層。力學(xué)性能測試表明，界面剪切強(qiáng)度為228MPa，界面疲勞強(qiáng)度106MPa?？梢姡捎诮缑鏆埩艏冧X層，大大降低了界面結(jié)合強(qiáng)度。實(shí)施例6 20CrMnTi鋼與QAl 10-4-4鋁青銅復(fù)合(I)首先將20CrMnTi鋼板加熱870°C左右并保溫lh，轉(zhuǎn)移至60(TC左右爐中并保溫5h，然后空冷至室溫。將QAl 10-4-4鋁青銅加熱至900°C并保溫2h，油淬后加熱至600°C，并保溫8h，隨后隨爐緩冷至室溫。此時(shí)，20CrMnTi鋼板伸長率約55%，QAl 10-4-4鋁青銅板伸長率約35%。(2)將表面清洗及活化后的20CrMnTi鋼在700°C鋁液中熱浸鍍鋁?？刂平儠r(shí)間和提出速度，使得純鋁層厚度約50 μ m。(3)將鍍鋁20CrMnTi鋼和QA110_4_4鋁青銅疊合，以65%單道次冷軋變形量將鋼和鋁青銅冷軋復(fù)合。(4)將冷軋復(fù)合好的鋼-鋁青銅板材于680°C擴(kuò)散退火4h。(5)擴(kuò)散退火后立即溫軋，控制總變形量為35%。(6)將雙金屬板材精軋至成品所需厚度，矯平板面，并去應(yīng)力退火。從圖6可以看出，經(jīng)實(shí)施例6處理的20CrMnTi鋼-QA110-4-4鋁青銅雙金屬板材復(fù)合界面處不存在純鋁層。力學(xué)性能測試表明，界面剪切強(qiáng)度為512MPa，界面疲勞強(qiáng)度358MPa?？梢?，由于界面處避免了殘留純鋁層，大大提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。由以上實(shí)施例可以看出，當(dāng)步驟(2)中，熱浸鍍得的鋁層厚度太厚，同時(shí)步驟(4)中的液相擴(kuò)散退火時(shí)間太短，雙金屬板材復(fù)合界面處會(huì)殘留純鋁層，使力學(xué)性能不佳；當(dāng)熱 浸鍍招層最佳厚度為20-60 μ m時(shí),相應(yīng)的液相擴(kuò)散退火最佳時(shí)間為2_4h。
權(quán)利要求
1.一種鋼-鋁青銅雙金屬板材的復(fù)合方法，其特征是所述的復(fù)合方法包括下列工藝步驟 (1)對(duì)鋼板和鋁青銅板分別進(jìn)行合適的退火軟化處理，使鋼板和鋁青銅板的伸長率達(dá)到30%以上即可； (2)將鋼板表面清洗及活化后，在不超過鋼共析轉(zhuǎn)變溫度的鋁液中熱浸鍍O.5-3. Omin,以l-10m/min提升速度在鋼表面形成厚度為20-60 μ m的純鋁層，得到鍍鋁鋼； (3 )將步驟(2 )中得到的鍍鋁鋼和鋁青銅分別表面清洗及打毛后，進(jìn)行單道次大變形量冷軋復(fù)合； (4)對(duì)于步驟(3)中冷軋復(fù)合后的板材，在高于鋁熔點(diǎn)且低于鋼共析轉(zhuǎn)變的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行液相擴(kuò)散退火； (5)液相擴(kuò)散退火后立即溫軋； (6)溫軋后冷卻至室溫，精軋至成品所需厚度并矯平板面； (7)最后去應(yīng)力退火。
2.如權(quán)利要求I所述的鋼-鋁青銅雙金屬板材的復(fù)合方法，其特征在于步驟(2)中所述的熱浸鍍鋁，是在680-710°C范圍的鋁液中進(jìn)行。
3.如權(quán)利要求I所述的鋼-鋁青銅雙金屬板材的復(fù)合方法，其特征在于步驟(3)中所述的冷軋復(fù)合技術(shù)為通過單道次大變形量將鍍鋁鋼和鋁青銅冷軋復(fù)合，軋制變形量控制在50-80% 之間。
4.如權(quán)利要求I所述的鋼-鋁青銅雙金屬板材的復(fù)合方法，其特征在于步驟(4)中所述的液相擴(kuò)散退火溫度控制在680-710°C之間，所述的液相擴(kuò)散退火時(shí)間控制在2-4h。
5.如權(quán)利要求4所述的鋼-鋁青銅雙金屬板材的復(fù)合方法，其特征在于所述的液相擴(kuò)散退火時(shí)間控制以純鋁層完全固溶于鋼和銅基體中為準(zhǔn)。
6.如權(quán)利要求I所述的鋼-鋁青銅雙金屬板材的復(fù)合方法，其特征在于步驟(5)中所述的擴(kuò)散退火后立即溫軋，總軋制變形量控制在20-50%之間，并配合冷軋復(fù)合所選的單道次變形量，使之接近最終板材厚度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鋼-鋁青銅雙金屬板材的復(fù)合方法，包括下列步驟首先通過退火分別降低鋼、鋁青銅的強(qiáng)度，以提高塑性變形能力；以不超過共析轉(zhuǎn)變溫度在鋼表面熱浸鍍一層純鋁；將鍍鋁鋼和鋁青銅以單道次大變形量冷軋復(fù)合；在高于鋁熔點(diǎn)及低于鋼共析轉(zhuǎn)變的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行液相擴(kuò)散退火；擴(kuò)散退火后立即溫軋；精軋至成品所需尺寸后并矯平板面；最后進(jìn)行去應(yīng)力退火。本發(fā)明能夠避免因界面處殘留純鋁層的不利影響，大大提高鋼-鋁青銅雙金屬材料界面結(jié)合性能。
文檔編號(hào)C21D1/26GK102773253SQ20121023408
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者徐一銘, 徐丹, 李海, 王芝秀, 陸海 申請(qǐng)人:常州大學(xué), 張家港市勝達(dá)鋼繩有限公司