CN101825218B - 一种双金属网络互穿复相型材的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双金属网络互穿复相型材的制造方法，通过本发明所揭示的方法，可以制造出一种双金属网络互穿复相型材，它与合金铸造成型的工艺不同，是先采用三维五向编织技术制造网络多孔骨架，再通过液态金属熔体浸渗技术制造网络互穿的双金属复合型材毛坯，然后再将毛坯进行轧制、拉拔、挤压以及锻造等塑性变形，最后成为复合设计要求的各种尺寸和形状的型材。

Description

一种双金属网络互穿复相型材的制造方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种双金属网络互穿复相型材的制造方法。

背景技术

铝合金、镁合金以及铝、镁基复合材料，因其重量轻、比强度高等特点，在航空航天、机械、电子、汽车等工业领域得到了较大应用。但因其强度较低等原因而使铝、镁合金及其复合材料的发展受到了限制。铜合金及其复合材料由于具有良好的塑韧性而在航空航天、机械、电子、汽车等工业领域应用广泛，但其强度与钢铁相比仍有局限。发明以有色金属铝、镁、铜及其合金为基体相，以三维编织网络结构的高强度金属骨架为增强相，制造增强相与基体互相贯穿和连通的新型有色金属复合型材，可在航空航天、机械制造及汽车领域替代现有传统材料，成为一种应用前景可观的高强复合型材。例如利用这种方法制造的镁合金复合型材具有比传统镁合金高很多的强度，又具有镁合金质量轻的特点，可在不损失密度优势的情况下大幅度提高材料的强度。近年来，人们以陶瓷为网络结构增强相、以金属为增韧相，制备出一系列网络互穿的有色金属基复合材料，并对其微观结构及其力学性能问题进行了大量研究，在一定程度上取得了可喜进展。由于增强体陶瓷材料的高强度、高硬度、高弹性模量和良好耐热性，使有色金属基复合材料在耐磨性和耐热性等方面发挥了一定优势。但是，陶瓷材料的固有脆性，使金属基复合材料的网络骨架在后续的变形过程(挤压、轧制、热压和锻造等)中会脆断，造成材料性能的下降，不适合作为形变结构材料使用。利用三维编织的碳钢如Q325和不锈钢如302(1Cr18Ni9)、304(0Cr18Ni9)等钢丝作为网络结构增强体，利用液态熔体浸渗法制备的有色金属基复合材料，即网络互穿结构双金属复合型材，可进行后序的冷热挤压、轧制、拉拔及锻造等变形，利用碳钢和不锈钢等钢丝比镁合金强度高很多的优势，制备出一种碳钢和不锈钢等网络骨架宏观增强的以有色合金为基体的有色金属与钢网络互穿的可以塑性变形的双金属复合材料，这种材料具有增强相与有色金属基体相相互交叉，相互贯穿，相互渗透，相互缠结和盘绕的特点，经后序变形后就像多股绳拧结在一起，能够在最大程度上提高镁合金的力学性能。有色金属与钢铁互穿的双金属复合型材的研究，一方面大大提高了材料的力学性能(与有色合金基体比较)，另一方面又保持了有色合金基体的特点和优势，大大拓展了有色金属基复合材料的使用范围，成为一种具有广泛应用前景的新型工程结构材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提供一种双金属网络互穿复相型材的制造方法，该方法可以通过简单的步骤获得双金属网络互穿复相型材。

一种双金属网络互穿复相型材的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.选取直径为Φ0.2-2的线材经酸洗后在含有丙酮的超声波清洗池中清洗5-10分钟，在150～200℃烘箱中烘干，所述线材的材料为碳素钢或合金钢；

b.将所述线材采用三维五向编织技术编织成空间三维网络骨架，编织角为28.36°，通孔率为100％；

c.将所述空间三维网络骨架进行超声波清洗，并进行干燥处理；

d.将提前根据设计要求制造好的模具内腔喷刷涂料，所述涂料成分为：40％钛白粉+20％石墨+40％水，将所述网络骨架放入模具中一起预热，预热温度根据基体合金而定；

e.将熔炼好的金属溶液浇入到模腔中，采用负压浸渗技术，浇注完成后保温20分钟，空冷后得到复相型材，所述的金属溶液为铝合金、铜合金或镁合金；

f.将所述型材进行均匀化退火和去应力退火，切除外表面氧化皮，使表面粗糙度达到12.5μm以上；

g.将所述型材放入挤压、轧制或拉拔模具中进行塑性变形，分几道次进行，中间安排预热和热处理，最终获得所需要的形状和尺寸。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：通过本发明所揭示的方法，可以制造出一种双金属网络互穿复相型材，它与合金铸造成型的工艺不同，是先采用三维五向编织技术制造网络多孔骨架，再通过液态金属熔体浸渗技术制造网络互穿的双金属复合型材毛坯，然后再将毛坯进行轧制、拉拔、挤压以及锻造等塑性变形，最后成为复合设计要求的各种尺寸和形状的型材。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，其不应被理解成对本发明的限制。

实施例1

1)材料选择

根据要求控制增强体的体积分数为5-15％，选取不锈钢丝304(0Cr18Ni9)作为增强体的成分，选取镁合金AZ31作为基体合金；

2)钢丝氢退处理

选取直径为Φ0.2-2的不锈钢丝304(0Cr18Ni9)，进行氢退处理，在连续全氢退火炉上进行，退火温度为1040℃，氢退的目的是降低硬度，提高塑性，为下一步的塑性变形做准备。氢气的密度为0.0899kg/m3，是氮气的1/14(氮气密度为1.251kg/m3)，导热系数为0.172W/(m·k)，是氮气的7倍(氮气导热系数为0.024W/(m·k))，氢气的密度低，渗透能力强，可以深入钢管内部，充分发挥导热系数大的特点，显著提高传热效率，提高了退火和冷却能力；

3)酸洗处理

经酸洗去掉钢丝表面氧化皮与夹杂，酸洗采用工业盐酸(HCI)，盐酸浓度为120-180g/l，氯化亚铁(FeCl2)含量≤220g/l，在室温下进行，钢丝经酸洗后表面为亮白色。经过酸洗的钢丝在含有丙酮的超声波清洗池中清洗5-10分钟，在150～200℃烘箱中烘干；

3)编织骨架

将所述原料采用三维五向编织技术编织成直径为Φ40的空间三维网络骨架，三维五向编织是通过运动线锭携带丝线围绕不动线锭有规律的运动，运动丝线和不动丝线在空间彼此相互交织而形成织物的过程。运动丝锭的运动步距不同所形成的结构也就不同，三维五向编织法横向编织角为28.36°，轴向编织角为28.36°，轴向钢丝线数为444，径向钢丝线数为36。所编织成的三维网络骨架的通孔率为100％，形状和尺寸根据设计要求制定，通过控制型材截面尺寸控制编织孔径；

4)模具预热

将所述网络骨架进行超声波清洗，并进行干燥处理，然后在模具底部放置一铜网，目数为200目，在模具底部连接一真空罐，真空度为10-2Pa；然后将骨架放入模具中，升温，加热到500℃，保温。放入前在模具内腔喷刷涂料(40％钛白粉+20％石墨+40％水)，上面用耐火石棉覆盖；

5)基体熔体合金熔炼

用工业纯铝、纯镁、纯锌配制合金，锰和铍分别以Al-Mn和Al-Be中间合金的形式加入，AZ31合金的化学成分为：Al2.50-3.31％，Zn0.9-1.2％，Mn0.2％，Fe0.05％，Cu0.05％，Ni0.005％，Be0.2％，余量为Mg。

6)浸渗

将所述熔炼好的熔体合金浇入到准备好的模具中，打开截止阀，熔体在负压作用下被吸入到三维网络骨架中，浸渗温度720-750℃，保温半小时，在模具中冷却到室温。

7)加工

将所述双金属网络互穿复相型材毛坯进行均匀化退火，退火温度400℃，保温时间12小时，处理后空冷至室温。经均匀化退火的毛坯到车床进行车削加工，外圆直径Φ60mm，表面粗糙度12.5μm；

8)挤压

将所述毛坯放入卧式型材挤压机上进行正向挤压变形，挤压之前将坯料加热至400℃并保温3h，模具加热到300℃，挤压筒预热至350℃，挤压比为14-32，挤压杆速度为4.6mm/s。润滑剂采用石墨、动物油或植物油。在出口处对挤压出的型材进行强制风冷。

实施例2

与实施例1基本相同，其不同之处在于：网络骨架成分不同，见表1；

采用拉拔变形，工作温度为150～300℃，压力为120～250MPa，应变速率0.5～1.5s-1，压缩比为1～35。

拉拔后复相材料的性能参数见表2。

实施例3

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

网络骨架成分不同，见表1；

采用轧制变形，工作温度为150～300℃，压力为120～250MPa，应变速率0.5～1.5s-1，2～5道次。

轧制后复相材料的性能参数见表2。

实施例4

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

网络骨架成分不同，见表1；

基体合金成分不同，见表1；

所述浸渗温度不同，见表1；

所述润滑剂不同，见表1；

采用挤压变形，工作温度为250～400℃，压力为160～260MPa，挤压比为5～25。

挤压后复相材料的性能参数见表2。

实施例5

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

网络骨架成分不同，见表1；

基体合金成分不同，见表1；

所述浸渗温度不同，见表1；

所述润滑剂不同，见表1；

采用拉拔变形，工作温度为250～400℃，压力为160～250MPa，应变速率0.1～0.5s-1，压缩比为5～35。

拉拔后复相材料的性能参数见表2。

实施例6

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

网络骨架成分不同，见表1；

基体合金成分不同，见表1；

所述浸渗温度不同，见表1；

所述润滑剂不同，见表1；

采用轧制变形，工作温度为250～400℃，压力为160～250MPa，应变速率0.1～0.5s-1，3～7道次。

轧制后复相材料的性能参数见表2。

实施例7

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

网络骨架成分不同，见表1；

基体合金成分不同，见表1；

所述浸渗温度不同，见表1；

所述润滑剂不同，见表1；

采用挤压变形，工作温度为200-400℃，压力为120～200MPa，挤压比为1～45。

挤压后复相材料的性能参数见表2。

实施例8

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

网络骨架成分不同，见表1；

基体合金成分不同，见表1；

所述浸渗温度不同，见表1；

所述润滑剂不同，见表1；

采用拉拔变形，工作温度为200～400℃，压力为120～200MPa，应变速率0.5～4s-1，压缩比为2～65。

拉拔后复相材料的性能参数见表2。

实施例9

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

网络骨架成分不同，见表1；

基体合金成分不同，见表1；

所述浸渗温度不同，见表1；

所述润滑剂不同，见表1；

采用轧制变形，工作温度为200～400℃，压力为120～200MPa，应变速率0.5～4s-1，2～9道次。

轧制后复相材料的性能参数见表2。

表1是各个实施例原料的配比。

表2是各个实施例所获得的复相陶瓷材料与K418的综合性能参数对照表。

表1

表2

综上所述，通过本发明所揭示的制造方法制造出的双金属网络互穿复相型材，性能优良、工艺合理，价格适中，强度高，韧性好，可替代现有有色金属型材，可大幅度地提高材料的性能，拓展使用范围，满足实际生产需要。采用的生产工艺简便，投资少，有利于工业化规模生产。

Claims (1)

1.一种双金属网络互穿复相型材的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.选取直径为Φ0.2-2的线材经酸洗后在含有丙酮的超声波清洗池中清洗5-10分钟，在150～200℃烘箱中烘干，所述线材的材料为碳素钢或合金钢；

b.将所述线材采用三维五向编织技术编织成空间三维网络骨架，编织角为28.36°，通孔率为100％；

c.将所述空间三维网络骨架进行超声波清洗，并进行干燥处理；

d.将提前根据设计要求制造好的模具内腔喷刷涂料，所述涂料成分为：40％钛白粉+20％石墨+40％水，将所述网络骨架放入模具中一起预热，预热温度根据基体合金而定；

e.将熔炼好的金属溶液浇入到模腔中，采用负压浸渗技术，浇注完成后保温20分钟，空冷后得到复相型材，所述的金属溶液为铝合金、铜合金或镁合金；

f.将所述型材进行均匀化退火和去应力退火，切除外表面氧化皮，使表面粗糙度达到12.5μm以上；

g.将所述型材放入挤压、轧制或拉拔模具中进行塑性变形，分几道次进行，中间安排预热和热处理，最终获得所需要的形状和尺寸。