CN102671942A - 一种铜-钢复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双金属复合材料，具体而言为涉及一种在钢材表面复合铜或者铜合金的方法。本发明利用钢和铜均能与低熔点的锌或者锌合金有效结合的特点，通过热浸镀方法在铜板、钢板表面浸镀上一层锌，然后在气体保护下加热至高于锌的熔点，在压力作用下将两种板材压合在一起，通过保温使板材表面液态薄锌层的相互结合、扩散，从而实现钢、铜的复合。

Description

一种铜-钢复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及双金属复合材料，具体而言为涉及一种在钢材表面复合铜或者铜合金的方法。

技术背景

铜及铜合金具有优良的导电、导热及耐磨性能，被广泛的应用于电力、电器、电子、传热、信息、汽车、家电等行业中；在世界资源储藏中，铜资源相对短缺，因此，以其它金属替代铜不失为节约铜资源的一大策略；为了使金属材料最大限度地发挥出其所具有的性能，其方法之一就是把性能不同的材料加以组合制成复合材料；铜-钢复合材料就是在钢表面复铜或铜合金以形成双金属复合材料，由于这种复合材料具有防腐蚀、抗磨损、导电导热性优良、美观、成本低等优点，在军工、电子、造币、炊具及建筑装饰等领域有着广阔的应用前景，其研究也越来越引起国内外的关注。

目前制备铜-钢复合材料的主要方法有热轧复合法、冷轧复合法、爆炸复合法、反向凝固法、液-固相轧制法等；热轧复合法出现于上世纪40年代，其基本原理是，在一定的温度和轧机的强大压力作用下实现异种材料的冶金结合；热轧复合时界面容易结合，但必需注意加热温度和保温时间的控制，以防有害金属化合物的生成；热轧复合法的优点是对轧机的要求不高，容易得到大张复合板，缺点是工艺复杂，产品的厚度及层厚比难以控制，实际生产中常用于生产坯料；20世纪50年代，美国首先开始冷轧复合法的研究，并提出了以“表面处理-冷轧复合-扩散退火”为主要过程的三步法生产工艺，与热轧复合法相比，冷轧复合时的首道次变形量要更大，一般要达到60%~70%，甚至更高，但冷轧复合法可以实现多种组元的结合，并且可以生产复合带卷，尺寸精确，效率高，因此是目前应用最广泛的方法之一；80年代末，东北大学对铜-钢冷轧复合工艺进行了系统的研究，提出了异步轧制复合新工艺和在铜及其合金表面电镀双重易复膜冷轧复合新工艺，在首道次变形量为50%~60%时，成功地实现了铜-钢冷轧复合；爆炸复合法的基本原理是，利用炸药爆炸时产生的高压脉冲载荷实现异种材料的冶金结合，爆炸复合-轧制法是在爆炸复合法的基础上发展起来的，是近年来生产铜/钢复合板带材广泛采用的一种方法，其过程是先采用爆炸复合法制取厚的复合板坯，再根据不同的条件和要求热轧或冷轧到所需的尺寸；爆炸复合法的突出优点是可使性能相差悬殊的异种材料迅速而经济地结合在一起，生产产品的品种多、尺寸范围广，其致命弱点是炸药爆炸时所产生的巨大声响和冲击波给人们心理和周围环境带来的刺激和污染。

反向凝固法的基本过程是：使一定厚度的薄母带以一定的速度垂直通过一有一定高度和过热度的金属熔池，当冷母带被引入金属熔池中时，其表面的温度远低干金属液的温度，因此金属熔体在母带上凝固生长；由于凝固层金属液可以与母带不同，因而此工艺也适用于生产复合材料；液-固相轧制法是东北大学在20世纪80年代末着手开发的一种复合新技术，目前已完成了不锈钢/铝复合带材中试生产线的建设及钢/铜复合带材的实验室研究工作；将液态金属（铜或铜的合金）连续浇铸在钢带上并使其与固态钢带同时进入轧机经受变形，在压力作用下实现界面的冶金结合；液-固相轧制复合技术是以液态金属快速非平衡凝固及半凝固态直接塑性成形为特征的，能有效地控制异种金属复杂界面反应如扩散、溶解、新相的生成和生长等的方向和限度，进而可保证复合界面的良好结合；然而，上述两种新型复合方法由于均存在钢的高温氧化问题，目前尚处于研发阶段；铸造法容易导致界面熔蚀、制造大型板形件时难以均匀结合、组织粗大且不均匀。

本发明希望提出一种新型的复合方法，能够在不发生大的变形的条件下获得有效的复合，同时不使铜板、钢板的原有特性发生明显变化。

发明内容

本发明提出一种铜-钢复合材料的制作方法，其原理是：利用钢和铜均能与低熔点的锌或者锌合金有效结合的特点，通过热浸镀方法在铜板、钢板表面浸镀上一层锌，然后在气体保护下加热至高于锌的熔点，在压力作用下将两种板材压合在一起，通过保温使板材表面液态薄锌层的相互结合、扩散，从而实现钢、铜的复合。

一种铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于：通过常规热浸镀锌方法，在待复合的钢板、铜板表面浸镀一层锌，将镀锌钢板、铜板镀锌面相对在还原性气体保护下加热，然后连续轧制，保温退火，从而获得铜-钢复合材料。

所涉及的在待复合的钢板、铜板表面浸镀一层锌，是指通过表面脱脂、除锈、上浸镀液、烘干、浸镀和冷却步骤，在待复合的钢板、铜板的一个表面上浸镀一层厚度为3~10μm的锌或者锌合金，非浸镀面通过在浸镀前喷涂水基或者醇基石墨涂料保护。

所涉及的在还原性气体保护下加热，是指在含氢0.2~0.5vol%的静态加氢氮气保护下加热到450~550℃，并保温5~10min。

所涉及的连续轧制，是指待复合的钢板、铜板在压下量为5~10%的情况先后通过两个轧辊轧制。

所涉及的保温退火，是指在550~ 600℃，保温时间1.0~2.0h。

本发明所提出的铜-钢复合材料的制作方法，具有如下特点：

1、复合温度低，对铜板、钢板的原有特性影响小，处理过程能耗小。

2、界面结合好，由于锌层与铜板、钢板有良好的结合，薄锌层相互结合并进一步向铜板、钢板中扩散后促进了钢板与铜板的有效结合。

3、工艺适应性强，由于复合时钢板、铜板压下量小，因此适应不同类型的铜及铜合金在钢板上的复合。

附图说明

图1为铜-钢复合材料的照片；图2为铜-钢复合材料界面的SEM照片。

具体实施方式

本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例。在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例1

通过常规热浸镀锌方法，将待复合的钢板、铜板各一个表面脱脂、除锈、上浸镀液、烘干，在450℃锌液中浸镀一层厚10μm的锌，浸镀前在非浸镀面喷涂水基石墨涂料并烘干进行保护；将镀锌钢板、铜板镀锌面相对在含氢0.2 vol.%的静态加氢氮气保护下加热到450℃，并保温10min，然后在压下量为5%的情况先后通过两个轧辊轧制，在550℃保温时间2.0h从而获得铜-钢复合材料。

图1为铜-钢复合材料的照片，图2为铜-钢复合材料界面的SEM照片；从图中可以看出，铜-钢界面结合良好，界面结合强度的检测表明，铜-钢复合材料界面的拉伸强度达86MPa。

实施例2

通过常规热浸镀锌方法，将待复合的钢板、铜板各一个表面脱脂、除锈、上浸镀液、烘干，在440℃的锌铝合金（Zn-5wt%）熔体中浸镀一层厚8μm的锌铝合金，浸镀前在非浸镀面喷涂水基石墨涂料并烘干进行保护；将镀锌铝合金钢板、铜板镀锌铝合金面相对在含氢0.3 vol.%的静态加氢氮气保护下加热到500℃，并保温8min，然后在压下量为5%的情况先后通过两个轧辊轧制，在550℃保温时间1.5h从而获得铜-钢复合材料，分析表明，铜-钢界面结合良好，铜-钢复合材料界面的拉伸强度达90MPa。

实施例3

通过常规热浸镀锌方法，将待复合的钢板、铜板各一个表面脱脂、除锈、上浸镀液、烘干，在460℃锌熔体中浸镀一层厚3μm的锌，浸镀前在非浸镀面喷涂醇基石墨涂料保护；将镀锌钢板、铜板镀锌面相对在含氢0.5vol.%的静态加氢氮气保护下加热到550℃，并保温5min，然后在压下量为10%的情况先后通过两个轧辊轧制，在600℃保温时间1.0h从而获得铜-钢复合材料，分析表明，铜-钢界面结合良好，铜-钢复合材料界面的拉伸强度达95MPa。

实施例4

通过常规热浸镀锌方法，将待复合的钢板、铜板各一个表面脱脂、除锈、上浸镀液、烘干，在450℃锌铝合金（Zn-5wt%）熔体中浸镀一层厚6μm的锌铝合金，浸镀前在非浸镀面喷涂醇基石墨涂料保护；将镀锌铝合金钢板、铜板镀锌铝合金面相对在含氢0.4vol.%的静态加氢氮气保护下加热到450℃，并保温8min，然后在压下量为8%的情况先后通过两个轧辊轧制，在580℃保温时间1.5h从而获得铜-钢复合材料，分析表明，铜-钢界面结合良好，铜-钢复合材料界面的拉伸强度达92MPa。

Claims (5)

1.一种铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于：通过常规热浸镀锌方法，在待复合的钢板、铜板表面浸镀一层锌，将镀锌钢板、铜板镀锌面相对在还原性气体保护下加热，然后连续轧制，保温退火，从而获得铜-钢复合材料。

2.如权利要求1所述的一种铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于：所述的在待复合的钢板、铜板表面浸镀一层锌，是指通过表面脱脂、除锈、上浸镀液、烘干、浸镀和冷却步骤，在待复合的钢板、铜板的一个表面上浸镀一层厚度为3~10μm的锌或者锌合金，非浸镀面通过在浸镀前喷涂水基或者醇基石墨涂料保护。

3.如权利要求1所述的一种铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于：所述的在还原性气体保护下加热，是指在含氢0.2~0.5vol%的静态加氢氮气保护下加热到450~550℃，并保温5~10min。

4.如权利要求1所述的一种铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于：所述的连续轧制，是指待复合的钢板、铜板在压下量为5~10%的情况先后通过两个轧辊轧制。

5.如权利要求1所述的一种铜-钢复合材料的制备方法，其特征在于：所述的保温退火，是指在550~ 600℃，保温时间1.0~2.0h。

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