固態(tài)鋼材固液復(fù)合及軋制組合制備雙金屬復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雙金屬復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，具體是一種固態(tài)鋼材固液復(fù)合及乳制組合制備雙金屬復(fù)合材料的方法，即一種通過固液復(fù)合鑄造后乳制組合工藝制備雙金屬復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對材料綜合性能的要求越來越高，在很多工況條件下，單一組元的金屬材料已經(jīng)很難滿足要求。因此，研究和制備新型復(fù)合材料成了材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。雙金屬復(fù)合材料是通過各種復(fù)合技術(shù)使兩種性能不同的金屬復(fù)合在一起而制備的一種新型復(fù)合材料。與單一組元的金屬材料相比，雙金屬復(fù)合材料可以綜合利用兩種金屬材料各自的物理化學(xué)特性，獲得單一組元金屬不能同時具有的綜合性能，可以較好地滿足工業(yè)與科技的快速發(fā)展對于材料越來越高的要求。相比于單一金屬材料，其優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)在以下三個方面:(I)優(yōu)良的綜合性能；(2)良好的經(jīng)濟(jì)效益；(3)廣泛的可設(shè)計性。
[0003]鋼材由于其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械、汽車、石油、建筑等行業(yè)，是應(yīng)用最廣泛的金屬之一。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋼材其他材料復(fù)合形成的雙金屬復(fù)合材料，如鋼鋁雙金屬復(fù)合材料、鋼鎂雙金屬復(fù)合材料等受到了越來越多的關(guān)注。不過在使用傳統(tǒng)焊接方法制備雙金屬復(fù)合材料時，經(jīng)常由于兩種金屬之間相差較大的物理和化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致各種缺陷出現(xiàn)。如鋼鋁雙金屬材料，兩種金屬之間熔點(diǎn)相差接近1000°C，很難實現(xiàn)焊接，同時經(jīng)常在焊接接頭出現(xiàn)氣孔、燒穿、中間化合物層過厚等一系列的問題。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，除焊接方法外鋼鋁間復(fù)合常見的方法按照材料狀態(tài)的不同可以分為固液復(fù)合、固固復(fù)合及液液復(fù)合。對于固固連接方法，如擠壓，生產(chǎn)效率較高，不過由于鋁和鈦在大氣環(huán)境下都非常容易氧化，尤其是高溫條件下，兩種金屬之間都會形成致密的氧化膜，氧化膜的存在會阻礙冶金結(jié)合的形成。而液液連接則經(jīng)常受到設(shè)備的限制，對于材料的外形、尺寸都有非常嚴(yán)格的要求，這也在一定程度上限制了鋼鎂、鋼鋁等雙金屬材料的推廣和應(yīng)用。相比于固固復(fù)合及液液復(fù)合，固液復(fù)合技術(shù)工序簡單、受外形條件約束小、工藝設(shè)備要求簡單、生產(chǎn)效率較高，正受到越來越多的關(guān)注。不過固液復(fù)合同樣存在一定的不足，經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，Dezellus等人在《Internat1nal Journal of Adhes1n and Adhesives》期刊2007，27:417-421 上發(fā)表的Mechanical testing of steel/aluminium-silicon interfaces bypushout(鋼與鋁硅合金界面力學(xué)性能研究)提到，在液固復(fù)合過程中，澆注溫度較高時容易在界面上生成較厚的中間化合物，影響鋼鋁雙金屬復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度和物理性能?？梢?，每一種方法都有其特有的優(yōu)勢，但又有一定的局限性。
[0004]進(jìn)一步對現(xiàn)有技術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，研究人員開始通過兩種復(fù)合方法組合在一起制備雙金屬復(fù)合材料以克服單一方法的不足。中國專利CN101364459A公布了一種銅包鋁母線排的生產(chǎn)方法及設(shè)備。該技術(shù)利用擠壓和熱乳組合的方法制備銅鋁雙金屬復(fù)合材料，不過由于是利用兩種固固連接方法，而且為了避免氧化膜的影響，在熱處理過程中引入了惰性氣體保護(hù)，對于設(shè)備及制備條件要求較高。中國專利CN101465171A公布了一種包覆焊接及乳制連續(xù)制作銅包鋁母線排的方法。該技術(shù)利用包覆焊接及乳制組合的方法制備了銅鋁雙金屬復(fù)合材料，不過，同樣的利用兩種固固連接方法，而且為了避免氧化膜的影響，在熱處理過程中引入了惰性氣體保護(hù)，對于設(shè)備及制備條件要求較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種固態(tài)鋼材固液復(fù)合鑄造及乳制組合制備雙金屬復(fù)合材料的方法，解決現(xiàn)有復(fù)合技術(shù)連接鋼材和其它材料時經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)合區(qū)域形成氣孔、氧化夾渣、燒穿等一系列的問題，同時解決氧化膜和中間化合物的存在嚴(yán)重影響兩種金屬之間的相互作用以及雙金屬復(fù)合材料的性能較低等一系列的問題，使兩種合金之間形成冶金結(jié)合，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明提供一種固態(tài)鋼材固液復(fù)合及乳制組合制備雙金屬復(fù)合材料的方法，所述方法包括固液復(fù)合鑄造制備雙金屬乳制坯料的步驟、乳制所述坯料制備雙金屬復(fù)合材料的步驟。
[0008]優(yōu)選地，固液復(fù)合鑄造制備雙金屬乳制坯料的步驟具體包括:
[0009]處理預(yù)置:對待連接固態(tài)銅預(yù)置材料進(jìn)行表面處理，處理后預(yù)置在模具型腔內(nèi)；
[0010]鑄造結(jié)合:將液態(tài)待澆注材料澆注入所述模具型腔內(nèi)，鑄造形成雙金屬乳制坯料。
[0011]優(yōu)選地，所述澆注材料包括熔點(diǎn)低于或等于固態(tài)鋼材料的金屬或合金;其中，所述金屬或合金包括鋁、鎂、鋼等。當(dāng)澆注材料為鋼時，因為鋼材的種類非常多，雖然都為鋼材，但是可以選擇不同種類的鋼材，同樣可以綜合不同鋼材之間不同的性能優(yōu)勢從而得到具有優(yōu)良性能的雙金屬復(fù)合材料。
[0012]優(yōu)選地，處理預(yù)置的步驟中，所述表面處理具體指鍍鋅保護(hù)層；
[0013]優(yōu)選地，所述鋅保護(hù)層的實現(xiàn)方式包括電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍、熱噴涂、氣相沉積等;所述鋅保護(hù)層的厚度為0.1?50μπι。鋅層太薄在澆注前會氣化，表面繼而氧化，不能起到保護(hù)作用。過厚會造成鋅層不能完全溶入到澆注材料中去，導(dǎo)致不能形成冶金結(jié)合。或者形成冶金結(jié)合界面處有鋅聚集，鋅的聚集會影響雙金屬復(fù)合材料的性能。
[0014]優(yōu)選地，鑄造結(jié)合的步驟中，所述鑄造的方法包括砂型鑄造、金屬型鑄造、低壓鑄造、尚壓鑄造、真空鑄造、擠壓鑄造、尚心鑄造等。
[0015]優(yōu)選地，鑄造結(jié)合的步驟中，所述澆注溫度為450?1800°C;澆注溫度低于450°C充型困難，同時很難熔化表面鋅層，不能形成冶金結(jié)合。高于1800°C可能會造成預(yù)置鋼材的嚴(yán)重熔化，失去作為高性能預(yù)置材料的意義;進(jìn)一步優(yōu)選地，所述澆注溫度為650?1800°C;特別優(yōu)選地，所述澆注溫度為1600?1800°C。
[0016]優(yōu)選地，乳制所述坯料制備雙金屬復(fù)合材料的步驟中，所述乳制的方式為雙層乳制或三層乳制;所述乳制為冷乳、溫乳或熱乳;所述乳制的溫度為-100?澆注材料熔點(diǎn)以下100°C;所述乳制的壓下率為10?75%，乳制的速度為0.01?10m/s。乳制溫度低于-100°C時，成型性能很差，在乳制過程中會出現(xiàn)裂紋等缺陷。溫度高于上限時有可能達(dá)到澆注材料甚至鋼材的熔點(diǎn)，導(dǎo)致材料熔化，不能形成所需雙金屬材料。壓下率低于10%時，基本沒有變形效果，對于中間化合物的破損效果很弱，得到的材料界面上會存在較厚的中間化合物，影響性能。而低于0.0lm/s，生產(chǎn)效率較低。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述乳制的溫度為-100?500°C。
[0017]優(yōu)選地，所述乳制所述坯料制備雙金屬復(fù)合材料的步驟還包括對所得雙金屬復(fù)合材料進(jìn)行乳制后退火處理。
[0018]優(yōu)選的，所述退火處理的溫度為100?澆注材料熔點(diǎn)以下100°C，退火處理的時間為5?300min。溫度低于100°C或者時間少于5min時，不能起到去除應(yīng)力效果，并且兩種金屬之間作用較弱，很難發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致雙金屬復(fù)合材料的性能較差。溫度高于上限或者時間長于300min時，兩種金屬之間劇烈反應(yīng)，中間化合物層厚度會很厚，中間化合物硬脆的性質(zhì)會影響雙金屬復(fù)合材料的性能，或者有可能超過澆注材料甚至鋼材的熔點(diǎn)，導(dǎo)致材料熔化，不能形成雙金屬材料。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述退火處理的溫度為300?400°C。
[0019]優(yōu)選地，所述乳制所述坯料制備雙金屬復(fù)合材料的步驟還包括對所得雙金屬乳制坯料進(jìn)行乳制前退火處理。
[0020]優(yōu)選地，所述乳制前退火處理的