CN104438323B - 一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，步骤如下：采用酸洗法分别将母材金属板表面进行清洗，去除油脂、污渍和氧化膜、烘干；将上述母材金属板在大气条件或氮气或氩气保护条件下预热，预热温度为150‑1700℃；对上述母材金属板或预置低熔点填充材料的母材金属板采用内冷式水冷轧辊轧制，同时连续施加超声波和磁场，直至制得单面金属层状复合板。本发明的优点是：该焊接方法通过施加超声和磁场，有助于控制界面反应和强化传质过程，得到金属间化合物颗粒增强的复合焊缝，细化焊缝晶粒，减小残余应力，有效破除氧化膜，降低或避免钎剂使用，减少对人员的毒副作用以及对结合界面的不良影响，有利于节约能源和降低环境污染。

Description

一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法
技术领域
本发明涉及金属复合材料领域，特别是一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法。
背景技术
层状金属复合板是采用不同的复合连接技术使两种或两种以上性能不同的母材金属板实现牢固结合的新型材料。各层金属母材仍然保持原有各自特性，综合性能比任一单一母材金属优越，因此，新型异种金属复合板材近年来受到普遍重视，在发电设备、汽车、船舶、钢道交通、核能、机械、航天、石油、化工等中有着广泛应用。
层状金属复合板的生产方法，主要包括半固态压力复合法、爆炸复合法、粉末冶金法、轧制复合法、热浸法。
粉末冶金法的生产工艺是：对母材表面进行预处理，配置粉末，将粉末均匀覆在母材表面，随后进行高温烧结，经轧制得到复合板。其特点在于粉末冶金工艺。缺点是生产中耗费能源、污染环境、粉末冶金形成层较为疏松，适用于轴瓦合金带的生产，参见：杨晓林.钢背铜石墨复合板半固态复合研究[M].北京：北京交通大学，2010.6，p7；田冲，陈桂云，杨林，赵九洲，张永昌喷射轧制钢/Al-Pb复合轴瓦带材的组织与性能.材料研究学报,2004,18(1):102-107；
爆炸焊是固相/固相复合方法，适用于制备大厚度金属复合板，该方法利用炸药的高速引爆和冲击作用将两种或两种以上的金属大面积焊接在一起，优点在于大部分金属材料都可以实现爆炸复合，产品性能稳定。缺点在于不适合制备薄膜复合板，不能连续生产带材，焊接界面呈波浪形，界面组织不易控制，参见：布拉齐恩斯基著，李富勤译，爆炸焊接成型与压制，北京，机械工业出版社1988，p70-80。
固-固轧制复合是生产金属复合板广泛应用的技术，通过轧制作用使双金属板达到接触并形成金属界面结合。为提高界面结合强度，需要很大的压下率，进而要求轧机庞大，因此设备投资大，参见：李静媛、赵艳君、任学平.特种金属材料及其加工技术.冶金工业出版社，2010.p294-323。
半固态压力复合法的基本工艺是:制备覆层金属半固态浆料，将其浇注在预先进行过表面处理的母板上，在压力模中加压成形，实现界面凝固复合。该方法不能生产带材，而且存在母板氧化、复合板界面残余应力较大等问题，影响界面结合强度，参见：H.W.Liu,C.Guo,Y.Cheng,X.F.Liu,G.J.Shao.Interfacialstrength and structure of stainless steel–semi-solid aluminum alloy cladmetal.Materials Letters Volume 60,Issue 2,January 2006,Pages 180-184。
液-固轧制法是利用液态金属的高扩散能力和轧制时产生的压力，同时借助钎剂去除二次氧化膜，实现不同金属母材的冶金结合。该方法与固-固复合轧制相比具有成型型好的优势，但在生产过程中有毒性钎剂的大量使用存在在表面、界面析出、清除困难、热稳定性差、腐蚀性强、去除氧化物效果不稳定等缺点，用该方法得到的复合板能满足一般的装饰要求，难以承受大变形的机械加工。(崔建忠、张晓博、路贵民、许光明.液-固相异种金属轧制复合方法及设备，参见：CN1329951A；张鹏,崔建忠,杜云慧,巴立民.钢-铝固液相复合中浸镀助焊剂的应用研究.金属学报,1997,V33(8):869-873。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，该制备方法通过同时施加超声场和磁场双物理场，能有效破除氧化膜，有助于晶粒的细化，降低或避免了钎剂对人员的毒副作用以及对异种材料界面结合的不良影响，有利于提高界面结合强度。
本发明的技术方案：
一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，步骤如下：
1)将纯铝板和纯铁板表面采用酸洗法清洗，去除油脂、污渍和氧化膜，并烘干备用；
2)将上述处理后纯铝板和纯铁板在大气条件下进行加热、熔化或预置填充材料预处理；
3)对上述预热的纯铝板和纯铁板采用内冷式水冷轧辊轧制，同时连续施加超声波和磁场，开启超声波设备连续施加超声作用，超声波施加装置由换能器、变幅杆、工具头组成，可施加横向和纵向超声波，超声频率为3×104Hz，工具头输出振幅为10μm，超声波电源的输出功率为3kW，工作压力3Mpa；开启磁场设备连续施加磁场作用，磁场装置由电磁铁构成能够产生交变磁场，磁场强度为5T，交变磁场频率为10Hz；传输纯铁板并与纯铝板接触，金属板传输速度为100mm/s，经轧辊轧制后，在冷却速度300℃/min下冷却，最终制得单面金属层状纯铝板-纯铁复合板。
所述纯铝板和纯铁板在大气条件下进行预处理的方式包括：
1)将纯铝板和纯铁板在大气条件下预热至温度为350℃；
2)将纯铁板预热至温度为350℃、同时将铝板熔化；
3)在纯铝板和纯铁板之间预置填充材料，成份为Zn-Al低熔点合金或Sn-Zn合金。
所述对预热的纯铝板和纯铁板采用内冷式水冷轧辊轧制在空气中或浓度为99.99％的氮气气氛条件下进行。
所述超声波施加装置的超声头的形状为滚轮型、柱型或倒喇叭型。
本发明的优点是：
该焊接方法通过施加超声和磁场，有助于控制界面反应和强化传质过程，得到金属间化合物颗粒增强的复合焊缝，细化焊缝晶粒，减小残余应力，有效破除氧化膜，降低或避免钎剂使用，减少对人员的毒副作用以及对结合界面的不良影响，有利于节约能源和降低环境污染。
附图说明
图1是外场辅助异种金属材料轧制设备示意图。
图2是采用不同形状超声施加装置的外外场辅助异种金属材料轧制设备示意图。
图3是熔化低熔点金属的外场辅助异种金属材料轧制设备示意图。
图4是熔化填充材料而母材不熔化的外场辅助异种金属材料轧制设备示意图。
图5是气氛保护条件下外场辅助异种金属材料轧制设备示意图。
图6是颗粒增强复合结构焊缝的微观组织示意图。
图中：1.超声波施加装置 2.低熔点母材 3.加热装置 4.磁场5.内冷式水冷轧辊 6.高熔点母材 7.填充材料 8.保护气氛。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明进行说明。
实施例1：
一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，步骤如下：
1)将纯铝板和纯铁板表面采用酸洗法清洗，去除油脂、污渍和氧化膜，并烘干备用；
2)将上述处理后纯铝板和纯铁板在大气条件下预热至温度为350℃；
3)对上述预热的纯铝板和纯铁板采用内冷式水冷轧辊轧制，同时连续施加超声波和磁场，如图1所示：开启超声波设备连续施加超声作用，超声波施加装置由换能器、变幅杆、工具头组成，可施加横向和纵向超声波，超声频率为3×104Hz，工具头输出振幅为10μm，超声波电源的输出功率为3kW，工作压力3Mpa；开启磁场设备连续施加磁场作用，磁场装置由电磁铁构成能够产生交变磁场，磁场强度为5T，交变磁场频率为10Hz；传输纯铁板并与纯铝板接触，金属板传输速度为100mm/s，经轧辊轧制后，在冷却速度300℃/min下冷却，最终制得单面金属层状纯铝板-纯铁复合板，如图6所示。
实施例2：
一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：所使用的超声波施加装置的超声头的形状不同，包括滚轮型、柱型、倒喇叭型，如图2所示。
实施例3：
一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：铝板被加热熔化，如图3所示。
实施例4：
一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：在纯铝板和纯铁板之间预置低熔点填充材料，成份为Zn-Al合金，如图4所示。
实施例5：
一种多物理场辅助异种金属材料的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：在纯铝板和纯铁板之间使用填充材料，成份为Sn-Zn合金，如图4所示。
实施例6：
一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：轧制在氮气气氛条件下进行，氮气浓度为99.99％，如图5所示。

Claims (4)

1.一种双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)将纯铝板和纯铁板表面采用酸洗法清洗，去除油脂、污渍和氧化膜，并烘干备用；
2)将上述处理后纯铝板和纯铁板在大气条件下进行加热、熔化或预置填充材料预处理；
3)对上述预热的纯铝板和纯铁板采用内冷式水冷轧辊轧制，同时连续施加超声波和磁场，开启超声波设备连续施加超声作用，超声波施加装置由换能器、变幅杆、工具头组成，可施加横向和纵向超声波，超声频率为3×104Hz，工具头输出振幅为10μm，超声波电源的输出功率为3kW，工作压力3Mpa；开启磁场设备连续施加磁场作用，磁场装置由电磁铁构成能够产生交变磁场，磁场强度为5T，交变磁场频率为10Hz；传输纯铁板并与纯铝板接触，金属板传输速度为100mm/s，经轧辊轧制后，在冷却速度300℃/min下冷却，最终制得单面金属层状纯铝板-纯铁复合板。
2.根据权利要求1所述双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，其特征在于：所述纯铝板和纯铁板在大气条件下进行预处理的方式包括：
1)将纯铝板和纯铁板在大气条件下预热至温度为350℃；
2)将纯铁板预热至温度为350℃、同时将铝板熔化；
3)在纯铝板和纯铁板之间预置填充材料，成份为Zn-Al低熔点合金或Sn-Zn合金。
3.根据权利要求1所述双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，其特征在于：所述对预热的纯铝板和纯铁板采用内冷式水冷轧辊轧制在空气中或浓度为99.99％的氮气气氛条件下进行。
4.根据权利要求1所述双物理场辅助单面金属层状复合板的制备方法，其特征在于：所述超声波施加装置的超声头的形状为滚轮型、柱型或倒喇叭型。
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