CN105537859A - 固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法；所述方法包括固液复合铸造制备双金属拉拔坯料的步骤、拉拔制备双金属复合材料的步骤。本发明特征在于利用表面锌层保护后固液连接的工艺手段，解决了传统焊接方法连接钢和其它材料时容易出现的气孔、烧穿、中间化合物层过厚等一系列的问题，克服了钢材在高温下表面易形成氧化膜阻碍钢和其它材料之间冶金结合形成的难题，然后通过拉拔方法成型，破碎固液复合过程中界面上形成的中间化合物，提高了双金属复合材料以及基体材料的力学性能和物理性能。本发明无需气体保护、复合技术简单、工艺条件宽泛易操作、工艺设备要求简单、界面结合强度高、导电和导热性能好。

Description

固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法
技术领域
本发明属于双金属复合材料的制备领域，具体是一种钢材固液复合铸造及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，特别是一种通过固液复合铸造后拉拔组合工艺制备铜钢双金属复合材料的方法。
背景技术
随着现代工业技术的发展，对材料综合性能的要求越来越高，在很多工况条件下，单一组元的金属材料已经很难满足要求。双金属复合材料是通过各种复合技术使两种性能不同的金属复合在一起而制备的一种新型复合材料。与单一组元的金属材料相比，双金属复合材料可以综合利用两种金属材料各自的物理化学特性，获得单一组元金属不能同时具有的综合性能，可以较好地满足工业与科技的快速发展对于材料越来越高的要求。
钢材由于其优良的综合力学性能，被广泛应用于航空、机械、汽车、石油、建筑等行业，是应用最广泛的金属之一。经调研发现，钢材其他材料复合形成的双金属复合材料，如钢铝双金属复合材料、钢镁双金属复合材料等受到了越来越多的关注。不过在使用传统焊接方法制备双金属复合材料时，经常由于两种金属之间相差较大的物理和化学性质导致各种缺陷出现。如钢铝双金属材料，两种金属之间熔点相差接近1000℃，很难实现焊接，同时经常在焊接接头出现气孔、烧穿、中间化合物层过厚等一系列的问题。经对现有技术的检索发现，除焊接方法外钢铝间复合常见的方法按照材料状态的不同可以分为固液复合、固固复合及液液复合。对于固固连接方法，如挤压，生产效率较高，不过由于铝和钛在大气环境下都非常容易氧化，尤其是高温条件下，两种金属之间都会形成致密的氧化膜，氧化膜的存在会阻碍冶金结合的形成。而液液连接则经常受到设备的限制，对于材料的外形、尺寸都有非常严格的要求，这也在一定程度上限制了钢镁、钢铝等双金属材料的推广和应用。相比于固固复合及液液复合，固液复合技术工序简单、受外形条件约束小、工艺设备要求简单、生产效率较高，正受到越来越多的关注。不过固液复合同样存在一定的不足，经检索发现，Dezellus等人在《InternationalJournalofAdhesionandAdhesives》期刊2007,27:417-421上发表的Mechanicaltestingofsteel/aluminium–siliconinterfacesbypushout(钢与铝硅合金界面力学性能研究)提到，在液固复合过程中，浇注温度较高时容易在界面上生成较厚的中间化合物，影响钢铝双金属复合材料的结合强度和物理性能。可见，每一种方法都有其特有的优势，但又有一定的局限性。
进一步对现有技术检索发现，研究人员开始通过两种复合方法组合在一起制备双金属复合材料以克服单一方法的不足。中国专利CN102626854A公布了一种爆炸加轧制生产全包铜铝复合排的方法。该技术利用爆炸焊接加轧制组合的方法制备了铜铝双金属复合材料，工艺中利用两种固固连接方法，表面没有特殊处理，所以两种金属界面上会存在氧化膜，同时对于材料的外形要求较高。中国专利CN101364459A公布了一种铜包铝母线排的生产方法及设备。该技术利用挤压和热轧组合的方法制备铜铝双金属复合材料，不过由于是利用两种固固连接方法，而且为了避免氧化膜的影响，在热处理过程中引入了惰性气体保护，对于设备及制备条件要求较高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种钢材固液复合铸造及挤压组合制备双金属复合材料的方法，解决现有复合技术连接钢材和其它材料时经常导致结合区域形成气孔、氧化夹渣、烧穿等一系列的问题，同时解决氧化膜和中间化合物的存在严重影响两种金属之间的相互作用以及双金属复合材料的性能较低等一系列的问题，使两种合金之间形成冶金结合，具有优良的力学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，所述方法包括固液复合铸造制备双金属拉拔坯料的步骤、拉拔所述坯料制备双金属复合材料的步骤。
优选地，固液复合铸造制备双金属拉拔坯料的步骤具体包括：
处理预置：对待连接固态钢预置材料进行表面处理，处理后预置在模具型腔内；
铸造结合：将液态待浇注材料浇注入所述模具型腔内，铸造形成双金属挤压坯料。
优选地，所述浇注材料包括铝、镁、钢等熔点低于或等于固态钢材料的金属或合金。当浇注材料为钢时，因为钢材的种类非常多，虽然都为钢材，但是可以选择不同种类的钢材，同样可以综合不同钢材之间不同的性能优势从而得到具有优良性能的双金属复合材料。
优选地，处理预置的步骤中，所述表面处理具体指镀锌保护层；
优选地，所述镀锌保护层的实现方式包括电镀、化学镀、热浸镀、热喷涂、气相沉积等；所述锌保护层的厚度为0.1～50μm。锌层太薄在浇注前会气化，表面继而氧化，不能起到保护作用。过厚锌层不能完全溶入到浇注材料中去，导致不能形成冶金结合。或者形成冶金结合界面处有锌聚集，锌的聚集会影响双金属复合材料的性能。
优选地，铸造结合的步骤中，所述铸造的方法包括砂型铸造、金属型铸造、低压铸造、高压铸造、真空铸造、挤压铸造、离心铸造等。
优选地，铸造结合的步骤中，所述浇注温度为450～1800℃。浇注温度低于450℃有可能造成充型困难，同时很难熔化表面锌层，不能形成冶金结合。高于1800℃可能会造成预置钢材的严重熔化，失去作为高性能预置材料的意义。进一步优选地，所述浇注温度为680～1800℃；特别优选地，所述浇注温度为1600～1800℃。
优选地，拉拔所述坯料制备双金属复合材料的步骤中，拉拔的方式包括直拔、连续直拔、盘拔、旋压、轧管加工方法中的一种或者几种的组合；拉拔的温度为-100～浇注材料熔点以下100℃；拉拔的缩径比为1/100～90/100；拉拔的缩径速度为10～400m/min。拉拔温度低于-100℃时，成型性能很差，在拉拔过程中会出现裂纹等缺陷。温度高于上限时浇注材料甚至固态钢预置材料有可能熔化。缩径比低于1/100，基本没有变形效果，对于中间化合物的破损效果很弱，得到的材料界面上会存在较厚的中间化合物，影响性能。缩径比高于90/100，对于设备/材料的成型性能要求很高，而且很容易出现裂纹等缺陷。缩径高于400m/min，变形速度较快，很容易出现裂纹等缺陷。而低于10m/min，生产效率较低。进一步优选地，所述拉拔的温度为200～500℃。
优选地，所述拉拔制备双金属复合材料的步骤还包括对所得双金属复合材料进行拉拔后退火处理、收线。
优选地，所述退火处理的温度为100～浇注材料熔点以下100℃，退火处理的时间为5～300min。温度低于100℃或者时间少于5min时，不能起到去除应力效果，并且铜和钢之间作用较弱，很难发生反应，导致铜钢双金属复合材料的性能较差。温度高于上限或者时间长于300min时，两种金属之间剧烈反应，中间化合物层厚度会很厚，中间化合物硬脆的性质会影响双金属复合材料的性能，或者，或者造成浇注材料甚至固态钢预置材料熔化，不能形成所需双金属复合材料。进一步地，所述退火处理的温度为100～500℃。
优选地，拉拔所述坯料制备双金属复合材料的步骤还包括对所得双金属拉拔坯料进行拉拔前退火处理。
优选地，所述退火处理的温度为100～浇注材料熔点以下100℃，退火处理的时间为0～300min。可以不进行拉拔前热处理直接进行拉拔。如进拉拔压前热处理，温度小于100℃时，不能起到去除应力的效果。温度高于上限或者时间长于300min时，两种金属之间剧烈反应，中间化合物层厚度会很厚，可能会出现裂纹等缺陷，同时会影响拉拔过程及得到的双金属复合材料性能，或者造成浇注材料甚至固态钢预置材料熔化，不能形成所需双金属复合材料。
与现有其他技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、与传统焊接方法相比，避免了气孔、氧化夹渣、烧穿、中间化合物层过厚等问题的出现；
2、与单一液液复合方法相比，对设备要求较低，对于材料的外形、尺寸要求较低；
3、与单一固固复合方法相比，解决了表面氧化膜的问题，能够在固态铝预置材料表面形成均匀连续的锌层，使双金属复合材料的物理性能达到较高水平；
4、与单一固液复合方法相比，解决了浇注温度控制不好时界面上会形成较厚的中间化合物的问题，提高了双金属复合材料的力学性能和物理性能，相比于单一固液复合，剪切性能提升非常明显。同时钢及浇注基体材料的性能也得到了提高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为预置固态钢材后固液复合铸造及拉拔组合制备双金属复合材料的示意图；其中，1为固态钢预置材料，2为浇注材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明预置固态钢材后固液复合铸造及拉拔组合制备双金属复合材料的示意图；其中，1为固态钢预置材料，2为浇注材料。
实施例1
本实施例涉及一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤一、对待连接固态Q235A结构钢预置材料进行热喷涂锌表面处理，锌层厚度为0.1μm；
步骤二、将表面处理后的固态Q235A结构钢预置在模具型腔内所需位置；
步骤三、在电阻炉内熔化6101挤压态铝合金模具型腔内，利用金属型铸造的加工工艺，浇注温度为750℃，使钢和铝之间形成冶金结合；
步骤四、将得到的Q235-6101钢铝双金属拉拔坯料进行拉拔前退火处理，退火温度为100℃，退火时间为300min，然后继续进行拉拔加工，工艺为直拔，拉拔温度为200℃，缩径比为60/100，拉拔速度为20m/min；
步骤五、将得到的钢铝双金属复合材料放入退火炉中进行拉拔后退火处理，退火温度为200℃，退火时间为30min，然后进行成品收线。
经检测发现在结合区域没有出现气孔、氧化夹渣、烧穿、中间化合物层过厚等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合。经检测，钢铝双金属复合材料性能良好，剪切强度为88MPa。
实施例2
本实施例涉及一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤一、对待连接固态316L不锈钢预置材料进行热喷涂锌表面处理，锌层厚度为15μm；
步骤二、将表面处理后的固态316L不锈钢预置在模具型腔内所需位置；
步骤三、在电阻炉内熔化A356铸造铝合金后浇入模具型腔内，利用挤压铸造的加工工艺，浇注温度700℃，挤压铸造压力为70MPa，使钢和铝之间形成冶金结合；
步骤四、将得到的316L-A356钢铝双金属拉拔坯料进行拉拔前退火处理，退火温度为300℃，退火时间为50min，然后继续进行拉拔加工，工艺为连续直拔，拉拔温度为200℃，缩径比为30/100，拉拔度为30m/min；
步骤五、将得到的钢铝双金属复合材料放入退火炉中进行拉拔后退火处理，退火温度为100℃，退火时间为100min，然后进行成品收线。
经检测发现在结合区域没有出现气孔、氧化夹渣、烧穿、中间化合物层过厚等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合。经检测，钢铝双金属复合材料性能良好，剪切强度为70MPa。
实施例3
本实施例涉及一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤一、对待连接固态316L不锈钢预置材料进行热喷涂锌表面处理，锌层厚度为50μm；
步骤二、将表面处理后的固态316L不锈钢预置在模具型腔内所需位置；
步骤三、在电阻炉内熔化AZ91镁合金后浇入模具型腔内，利用挤压铸造的加工工艺，浇注温度为680℃，挤压铸造压力为50MPa，使钢和镁之间形成冶金结合；
步骤四、将得到的316L-AZ91钢镁双金属进行拉拔加工，工艺为直拔，拉拔温度为250℃，缩径比为50/100，拉拔速度为20m/min；
步骤五、将得到的钢镁双金属复合材料放入退火炉中进行拉拔后退火处理，退火温度为300℃，退火时间为10min，然后进行成品收线。
经检测发现在结合区域没有出现气孔、氧化夹渣、烧穿、中间化合物层过厚等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合。经检测，钢镁双金属复合材料性能良好，剪切强度为90MPa。
实施例4
本实施例涉及一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤一、对待连接固态16MnL低合金高强度钢预置材料进行热喷涂锌表面处理，锌层厚度为5μm；
步骤二、将表面处理后的固态16MnL低合金高强度钢预置在模具型腔内所需位置；
步骤三、在电阻炉内熔化AZ31镁合金后浇入模具型腔内，利用砂型铸造的加工工艺，浇注温度为720℃，使钢和镁之间形成冶金结合；
步骤四、将得到的16MnL-AZ31钢镁双金属拉拔坯料进行拉拔前退火处理，退火温度为350℃，退火时间为5min，然后继续进行拉拔加工，工艺为直拔，拉拔温度为200℃，缩径比为90/100，拉拔速度为5m/min；
步骤五、将得到的钢镁双金属复合材料放入退火炉中进行拉拔后退火处理，退火温度为100℃，退火时间为50min，然后进行成品收线。
经检测发现在结合区域没有出现气孔、氧化夹渣、烧穿、中间化合物层过厚等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合。经检测，钢镁双金属复合材料性能良好，剪切强度为68MPa。
实施例5
本实施例涉及一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤一、对待连接固态16MnL低合金高强度钢预置材料进行电镀锌表面处理，锌层厚度为0.1μm；
步骤二、将表面处理后的固态16MnL低合金高强度钢预置在模具型腔内所需位置；
步骤三、在电阻炉内熔化Q235结构钢后浇入模具型腔内，利用挤压铸造的加工工艺，浇注温度为1600℃，挤压铸造压力为50MPa，使钢和钢之间形成冶金结合；
步骤四、将得到的16MnL-Q235钢钢双金属拉拔坯料进行拉拔前退火处理，退火温度为200℃，退火时间为20min，然后继续进行拉拔加工，工艺为连续直拔，拉拔温度为500℃，缩径比为1/100，拉拔速度为5m/min；
步骤五、将得到的钢钢双金属复合材料放入退火炉中进行拉拔后退火处理，退火温度为500℃，退火时间为5min，然后进行成品收线。
经检测发现在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种钢材之间没有明显的界面，形成了冶金结合，可见利用表面保护锌层很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经检测，钢钢双金属复合材料力学性能良好，剪切强度为220MPa。
实施例6
本实施例涉及一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤一、对待连接固态304不锈钢预置材料进行热浸镀锌表面处理，锌层厚度为50μm；
步骤二、将表面处理后的固态304不锈钢预置在模具型腔内所需位置；
步骤三、在电阻炉内熔化16MnL低合金高强度钢浇入模具型腔内，利用挤压铸造的加工工艺，浇注温度为1800℃，挤压铸造压力为70MPa，使钢和钢之间形成冶金结合；
步骤四、将得到的304-16Mn钢钢双金属拉拔坯料进行拉拔前退火处理，退火温度为100℃，退火时间为50min，然后继续进行拉拔加工，工艺为直拔，拉拔温度为300℃，缩径比为40/100，拉拔速度为50m/min；
步骤五、将得到的钢钢双金属复合材料放入退火炉中进行拉拔后退火处理，退火温度为250℃，退火时间为30min，然后进行成品收线。
经检测发现在结合区域没有出现氧化夹渣、吸气、热裂等缺陷；两种钢材之间没有明显的界面，形成了冶金结合，可见利用表面保护锌层很好的解决了氧化膜阻碍冶金结合形成的难题。经检测，钢钢双金属复合材料力学性能良好，剪切强度为180MPa。
对比例1
本实施例涉及一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，技术方案与实施例1相同，不同之处仅在于镀锌层厚度为70μm。
经检测发现在结合区域出现了氧化夹渣、气孔、热裂等缺陷。两种材料之间不能形成冶金结合，界面区域没有形成连续均匀的金属间化合物，且锌元素在界面处聚集，在界面上有明显的裂纹出现。经检测，钢铝双金属复合材料力学性能较差，剪切强度为12MPa左右。
对比例2
本实施例涉及一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，技术方案与实施例1相同，不同之处仅在于固液复合铸造之后不进行拉拔工序。
经检测发现在结合区域没有出现氧化夹渣、气孔、热裂等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有连续分布的金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合，但是两种金属之间形成硬厚的中间化合物，严重影响连接性能。经检测，钢铝双金属复合材料力学性能较差，剪切强度为28MPa左右。
对比例3
本实施例涉及一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，技术方案与实施例1相同，不同之处仅在于拉拔坯料是未经固液复合铸造连接的钢材和镁材，机械拼合在一起进行拉拔工序。
经检测发现在结合区域没有出现氧化夹渣、气孔、热裂等缺陷。两种材料之间形成冶金结合，界面区域有金属间化合物，说明两金属间形成了冶金结合，但是金属间化合物并不连续，且两种金属之间存在氧化皮，正是由于氧化皮的存在影响了两种金属之间形成连续的金属间化合物，导致连接性能及导电性能比实施例一中结果差。经检测，钢镁双金属复合材料力学性能较差，剪切强度为10MPa。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括固液复合铸造制备双金属拉拔坯料的步骤、拉拔所述坯料制备双金属复合材料的步骤。
2.根据权利要求1所述的固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，固液复合铸造制备双金属拉拔坯料的步骤具体包括：
处理预置：对待连接固态钢预置材料进行表面处理，处理后预置在模具型腔内；
铸造结合：将液态待浇注材料浇注入所述模具型腔内，铸造形成双金属挤压坯料。
3.根据权利要求2所述的固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，所述浇注材料包括熔点低于或等于固态钢材料的金属或合金。
4.根据权利要求2所述的固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，处理预置的步骤中，所述表面处理具体指镀锌保护层。
5.根据权利要求2所述的固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，铸造结合的步骤中，所述铸造的方法包括砂型铸造、金属型铸造、低压铸造、高压铸造、真空铸造、挤压铸造或离心铸造；所述浇注温度为450～1800℃。
6.根据权利要求1所述的固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，拉拔所述坯料制备双金属复合材料的步骤中，拉拔的方式包括直拔、连续直拔、盘拔、旋压、轧管加工方法中的一种或者几种的组合；
拉拔的温度为-100～浇注材料熔点以下100℃；
拉拔的缩径比为1/100～90/100；
拉拔的缩径速度为10～400m/min。
7.根据权利要求1或6所述的固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，拉拔所述坯料制备双金属复合材料的步骤还包括对所得双金属复合材料进行拉拔后退火处理、收线。
8.根据权利要求7所述的固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，所述退火处理的温度为100～浇注材料熔点以下100℃，退火处理的时间为5～300min。
9.根据权利要求1或6所述的固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，拉拔所述坯料制备双金属复合材料的步骤还包括对所得双金属拉拔坯料进行拉拔前退火处理。
10.根据权利要求9所述的固态钢材固液复合及拉拔组合制备双金属复合材料的方法，其特征在于，所述退火处理的温度为100～浇注材料熔点以下100℃，退火处理的时间为0～300min。
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