CN112874058A - 一种建筑用铜钢固液复合双金属材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种建筑用铜钢固液复合双金属材料及其制备方法，所述双金属复合材料中基板为钢板，铜合金板附着在钢板表面；所述铜合金中Ni/Fe＝1.4～1.6，所述铜合金板与钢板的厚度比为1：(11.2～16.8)。制备方法包括钢板预处理、预热、固液复合、复合板坯均匀化退火、热轧、热处理；应用本发明生产的双金属材料材料具有209～230HV的截面维氏硬度，截面硬度差≤21HV，Z向抗拉强度Rm≥540MPa，伸长率A≥21％，复合界面剪切强度360～380MPa，弯曲检验均合格，同时具有良好的耐氯离子腐蚀性能和摩擦磨损性能。本发明的双金属复合材料在建筑用钢领域具有广阔的应用前景。

Description

一种建筑用铜钢固液复合双金属材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种建筑用具有良好耐氯离子腐蚀的铜钢固液复合双金属材料及其制备方法。
背景技术
建筑用钢材料是现代建筑必不可少的材料之一。随着科技的进步和建筑要求的提高，传统的建筑材料无法满足市场的需要，常用的铜合金材料虽耐蚀性良好，具有优异的弹性性能，但是强度较低，可加工性差，价格高，若采用铜-钢复合材料不仅强度提高，可加工性好，同时兼顾耐蚀性、强度等，且成本低廉。因此，铜合金及钢的选用及复合方式是建筑材料发展迫切需求的关键。
目前，国内外一些专家学者致力于铜-钢双金属的研究，一方面减少贵重金属Cu的使用，另一方面提高复合材料的性能。
发明《铋青铜-钢复合材料双金属轴承材料及其制造方法》(申请号：200910044854.9)公开的技术方案中基层采用碳素钢为材料，表层为铋青铜合金，铋青铜合金烧结在碳素钢表面。采用粉末冶金烧结法原理把铋青铜合金烧结在碳素钢材料表面。但是烧结的双金属复合材料孔隙率大，力学性能差，承载能力和抗冲击性较差，使用寿命较短。
发明《一种铜钢复合材料及其制备方法》(申请号：200910162920.2)公开的技术方案中化学成分重量比为：Cu 10-15％，钢85-90％，其结构为铜与钢复合为一体。将铜与钢带通过表面处理后，经冷轧轧制成高精度钢带和高精度铜带；经过表面清洗后，去除表面残留物，脱脂，经冷轧机轧制成高精度铜钢复合带，并进行退火，采用冷轧轧制复合的方法生产效率低，且成功率较低，产品易分层。
发明《生产铜钢复合材料的等温熔接法》(申请号：01107029.3)公开的技术方案中首先将保护剂加入没有钢芯棒的复合坯料的钢芯棒与外壁间隙中，然后将电解铜加入复合坯料的料斗内；将加料后的复合坯料放入已经升温的井式电炉内，加热至1130-1150℃，待电解铜全部熔化后，电炉从底部开始逐段断电，使复合坯件从底向上顺序冷却。其生产双金属复合材料受生产装备限制，尺寸有限，且不能大规模生产。
发明《铜钢复合构件的感应熔铸连接方法》(申请号：200910306947.4)公开的技术方案解决了现有钎焊方法焊后工件气密性差、接头抗拉强度低的问题。采用感应熔铸方法，使复合构件中抗拉强度可达232MPa,但应用具有局限性，产品仅用于铜钢复合构件的连接。
发明《一种铜钢复合板材的生产方法》(申请号：201210188109.3)公开的技术方案中采用表面清理-毛化处理-喷涂结合层-轧制-退火-平整、抛光等步骤进行双金属复合材料的生产，该方法对钢和铜表面粗糙度要求较高，且需喷涂结合层，不仅过程繁琐，生产效率低，且易造成结合界面不均匀。
发明《一种焊接式铜钢复合冷却壁制作方法》(申请号：201710630328.5)公开的技术方案中首先对铜板和钢板进行预处理：切割处理、除锈、打磨抛光、整平和弯曲，随后在惰性环境、高温、高压条件下，将铜板和钢板预处理过的板面相对，边轧制边进行跟踪焊接，形成铜钢复合冷却壁坯体，最后进行后续加工。该发明采用边轧制边进行焊接，难度较大，很难在大生产中同步进行，实施困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种具有高耐氯离子腐蚀性、高强度硬度，较高的剪切强度，良好的耐摩擦磨损性能及具有高效生产流程的一种建筑用铜钢固液复合双金属材料及其制备方法。
本发明目的是这样实现的：
一种建筑用铜钢固液复合双金属材料，所述双金属复合材料中基板为钢板，铜合金板附着在钢板表面；所述铜合金的成分按重量百分比计如下：Al：3.0％～5.0％，Fe：3.0％～3.5％，Ni：4.2％～5.6％，Mn：3.0％～4.0％，Zr：0.04％～0.06％，Ti：0.04％～0.06％，B：0.01％～0.02％，余量为Cu及不可避免杂质；钢的化学成分的重量百分比为：C：0.12％～0.18％，Si：0.30％～0.40％，Mn：1.20％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.025％，Cr：0.60％～0.80％，Nb：0.02％～0.03％，Al：0.01％～0.02％，Sc：0.01％～0.02％，余量为Fe及不可避免杂质。本发明双金属复合材料由铜合金板和基板钢板复合而成。
进一步，所述铜合金中Ni/Fe＝1.4～1.6，所述铜合金板附着在钢板的一面或两面，所述铜合金板与钢板的厚度比为1：(11.2～16.8)。
所述双金属材料截面硬度209～230HV，截面硬度差≤21HV，Z向抗拉强度Rm≥540MPa，伸长率A≥21％，复合界面剪切强度360～380MPa。
本发明铜合金板中Zr、Ti、B三种微量元素共同作用控制铜合金组织中相的形态和分布从而提高合金的耐蚀性能及摩擦磨损等性能，此外控制合金中关键元素Ni和Fe的配比使合金析出相呈细小弥散状态，得到理想金相组织，进而提高合金耐腐蚀性能和力学性能。
本发明中采用Al、Sc共同作用提高钢材耐磨性，改善焊接性能，提高抗氧化性、耐腐蚀性，改善表面质量，可替代贵金属Mo、Ni等元素的添加。
本发明双金属复合材料中铜合金成分设计理由如下：
Al：本发明中Al在铜合金中有较大的固溶度，该种状态下铜合金在固态的时候均为单相的α固溶体，使合金的塑性较高，易于加工成型。在高温状态下会存在β相，随后β相会析出少量γ相，使铜合金的强度硬度提高。该种铜合金中Al含量的多少对合金力学性能有重要影响，随着Al含量增加，合金强度指标增加，但Al过量会导致塑性下降且冷加工困难，因此本发明选择加入Al：3.0％～5.0％。
Fe：本发明中的Fe一部分固溶于α固溶体中，起到强化作用，一部分Fe可与Al形成极细的FeAl3质点，分布于合金溶液中，成为α晶粒的非自发晶核，进而使合金晶粒细化。但Fe元素含量过高，会在合金结晶过程中凝聚富集，降低合金的力学性能和耐蚀性能。因此本发明选择加入Fe：3.0％～3.5％。
Ni：Ni可显著提高本发明铜合金的机械性能、硬度、耐蚀性和热稳定性。Ni可溶于铜合金α固溶体中产生固溶强化，提高铜合金强度。当Ni含量适量超过其在该种铜合金的固溶度时，易产生K相NiAl，分布在α相基体上，在一定程度上改善合金耐磨性。Ni还起到一定的细化晶粒作用。但Ni含量过高会使合金伸长率降低，因此本发明选择Ni为4.2％～5.6％。
本发明铜合金中控制Ni/Fe＝1.4～1.6，这样析出相可呈细小弥散状态，否则高Fe低Ni或者高Ni低Fe均得不到理想的金相组织，进而影响耐腐蚀性和力学性能。
Mn：Mn具有固溶强化作用，可提高合金的耐蚀性、强度，可改善合金的加工性能，且合金的伸长率随Mn含量的上升而提高，该种铜合金中Mn含量达到3.0％～4.0％时伸长率达到最大，继续增加Mn含量，性能变化不大且增加合金成本。本发明中由于添加了适量的Mn，因此可减少Al元素的加入量，提高β相的稳定性。因此本发明选择加入Mn：3.0％～4.0％。
Zr：本发明中Zr和Al联合加入合金中，可形成Al3Zr等高熔点相，在合金凝固过程中对铜合金起到非均质形核作用，细化合金晶粒组织，消除枝状晶区，该相在晶界或者亚晶界析出，对位错的滑移及晶界的移动有较好的钉扎作用，从而稳定变形组织的亚结构，阻碍再结晶行为，细化合金晶粒，改善合金强韧性，但过量的Zr会在晶界处形成粗大的析出相，恶化晶界性能，因此本发明选择加入Zr：0.04％～0.06％。
Ti：Ti在合金凝固过程中对该种铜合金能够起到非均质形核作用，细化晶粒组织，提高合金基体组织硬度，而且Ti在合金凝固后冷却过程中能与Cu形成固溶体强化合金，显著提高合金性能。但Ti含量超过一定范围时，Ti的化合物含量增加，反而会使基体组织硬度下降，因此本发明中Ti含量为0.04％～0.06％。
B：B具有净化、变质以及细化晶粒作用，可以提高合金机械强度以及塑性。本发明将B、Ti复合加入铜合金中，可以形成TiB2等高熔点物相，在合金凝固过程中对铜合金起到非均质形核作用，细化晶粒组织。本发明选择加入B含量为0.01％～0.02％。
本发明采用Zr、Ti、B三者联合作用，由于三种元素的细晶强化作用，使合金硬度得到大幅度提高，Ti元素的固溶强化作用和析出强化作用均可提高材料机械强度。这样可以增大合金在滑移变形时的临界应力，从而提高铜合金抵抗塑性变形的能力，减少复合材料在使用过程中塑性变形及裂纹的产生。Zr、Ti、B三种元素的复合微合金作用下，硬质K相大多变成细小颗粒状，均匀弥散分布在α相上，这种组合对硬质K相可起到很好的镶嵌保护作用。此外，Zr、Ti、B三种元素可促进材料内层生成致密的氧化膜，可使合金保持良好的耐腐蚀性能。
本发明钢中各元素成分设计理由如下：
C：对该种建筑用钢，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化。另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。钢中碳可提高该种建筑用钢的抗拉强度和屈服强度，但是过多的碳会降低其塑性，因此本发明选择加入C含量为0.12％～0.18％。
Si：Si可提高该种建筑用钢屈服强度和疲劳强度。当处在强氧化介质中时，Si可以提高钢的耐蚀性。但随着Si含量的增加，球化的碳化物尺寸变大，间距增加，降低其塑韧性及延展性。因此，本发明选择加入Si含量为0.30％～0.40％。
Mn：是钢中的固溶强化元素，细化晶粒，降低韧脆转变温度，提高淬透性，钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS。但含量过高将影响钢的塑性，因此本发明选择加入Mn含量为1.20％～1.50％。
P、S：S以MnS的形式分布于钢中，MnS在热轧过程中沿着轧制方向伸长，使得硫易切削钢的横向力学性能显著降低，加剧了钢材的各向异性。同时S对耐蚀性能有害，使焊接性能恶化。P虽能适量提高铁素体硬度，改进钢的表面光洁度和切削性能，但钢中P过高会增加冷脆，而且S、P过多会影响钢的均质性及纯净度。因此本发明选择加入P≤0.015％，S≤0.025％。
Cr：铬对建筑用钢的耐磨性、强度硬度、耐火性能、耐蚀性能都有有利的影响。铬一部分固溶到基体起到固溶强化作用，另一部分与碳结合形成碳化物。Cr可提高铁－铬合金的淬透性，能使钢钝化并赋予良好的耐蚀性和不锈性。本发明适量减少Si、Mn添加量，通过增加一定量的Cr元素来提高建筑用钢的强度并增加一定的防火功能，这样既可提高钢材的综合性能又可在一定程度上节约合金元素用量。因此本发明选择加入Cr含量为0.60％～0.80％。
Nb：Nb是建筑用钢常用的重要微合金化元素，本发明对其在轧制和热处理过程中析出行为进行优化，可保证钢板正火后具有良好的力学性能，本发明的钢中的Nb(CN)沿晶界析出抑制高温变形过程的再结晶，形成细化晶粒的效果；控轧后，由于碳、氮在奥氏体中的固溶度远远大于在铁素体中的固溶度，而且在铁素体中的固溶度随温度下降而迅速降低，产生快速析出。相变后铁素体中的固溶铌将会继续析出，但质点很细小，均匀弥散分布于钢中，起到细化晶粒和析出强化作用，过多的Nb添加可使韧性恶化，因此本发明选择加入Nb：0.02％～0.03％。
Al、Sc：Sc的原子序数为21，它不仅是3d型过渡族元素，而且是稀土元素。在该种钢中不仅有稀土的净化钢液、细化晶粒、改善铸态组织作用，而且有过渡族金属元素的抑制再结晶作用。Sc能够降低碳、氮在钢液中的活度系数，增加碳、氮在钢液中的溶解度，降低其脱溶量，避免杂质元素进入到晶体缺陷或内应力区，减小了钉扎位错的间隙原子数，因此提高了建筑用钢的塑韧性。本发明中还添加了适量Al元素，使材料塑性提高，易于加工成型，同时与Sc共同作用，结合生成细小弥散的Al3Sc质点相，该相有钉扎亚晶界和位错作用，可以抑制再结晶，提高组织稳定性。两者共同配合提高钢材耐磨性，改善焊接性能，提高抗氧化性、耐腐蚀性，改善表面质量，在本发明钢中可替代合金元素Mo、Ni等元素作用。因此本发明选择加入Al：0.01％～0.02％，Sc：0.01％～0.02％。
本发明技术方案之二是提供一种建筑用铜钢固液复合双金属材料的制备方法，包括钢板预处理、预热、固液复合、复合板坯均匀化退火、热轧、热处理；
(1)钢板预处理：首先在钢板表面铣出凹槽，所述凹槽深度为5～8mm，将凹槽表面进行机械打磨、酸洗、水洗、干燥，使凹槽表面铁锈打磨掉使其露出光亮的新鲜金属面，同时也使钢板表面变得毛化粗糙，大大增加了铜合金和基体钢板之间的有效接触面积，有利于提高复合材料过渡界面的力学性能。随后对钢板进行脱脂处理，为了有效去除钢板表面的油污，将脱脂液加热至60℃～70℃对钢板表面进行脱脂处理，随后进行丙酮清洗，涂抗氧化剂后烘干备用。
(2)预热：将预处理后的钢板加热至850℃～900℃，将其置于模具型腔中。钢板预热可保证铜合金在浇注过程中，液态铜合金与固态钢板之间存在一定的热量体积比，因为铜合金与钢板在复合时会发生元素扩散现象，较高的预热温度能够改善铜合金与基体钢板复合过程中的扩散反应条件，使得界面结合处原子具有足够的能量进行互扩散。优选所述预热过程处于在氩气保护或真空保护下。
(3)固液复合：在浇注开始前用惰性气体充满模具型腔，降低含氧量，减少氧化。随后迅速将熔炼好的铜合金金属液浇注到预处理的钢板表面，浇注温度为1150℃～1200℃，之后空冷，空冷至铜合金侧温度为950℃～980℃时，取出浇注后坯料并立即在钢板底部喷冷却水冷却，直至浇注后坯料冷却至200℃～250℃，立即在铜合金侧涂抗氧化剂，防止铜合金氧化，随后空冷至室温，经后续机械加工制得铜钢双金属复合板坯。双金属复合材料铜合金板坯厚度为5～8mm，铜合金与钢的板坯厚度之比为1：(10～15)。本发明中采用该种厚度要求一方面根据铜合金/钢双金属的流动变形行为，在后续轧制过程中以获得较为均匀的金属流动；一方面满足了建筑用钢使用厚度需求，发挥铜合金良好的耐蚀性，优异的弹性性能又提高了强度同时节约贵重金属材料铜合金，成本低廉。
温度对促进原子扩散起主要作用，温度越高原子的热运动越激烈，原子在高温热源作用下被激活而进行迁移的几率就越大，在高温状态下原子在短时间内就可以获得足够的能量，偏离平衡位置进行迁移。本发明采用较高的铜合金浇注温度，使原子偏离平衡位置数目增多，各原子之间键合的几率越大，界面有效结合点迅速增加，使板坯复合界面宽度增加，界面结合强度增加。
本发明在浇注复合后对双金属坯料采用分段冷却的方法，一方面防止浇注复合后铜合金与钢板冷却速度慢，长时间处于高温段，使得晶粒长大，对材料剪切强度及抗拉强度产生不利影响，一方面提高冷却速度以减少氧化，减少复合板坯结合面处氧化物的产生同时提高生产效率，缩短复合材料制备周期。
(4)复合板坯均匀化退火：本发明复合板坯均匀化退火温度为940℃～960℃，保温4～5h。经均匀化退火后铜/钢两侧内枝晶偏析组织可基本消除，晶界上非平衡凝固第二相也可得到部分溶解，复合材料过渡层可进一步扩散，增强结合强度。优选所述预均匀化退火处于在氩气保护或真空保护下。
(5)热轧：由于铜合金和钢的熔点差别较大，钢的热轧温度几乎接近铜合金的熔化温度，所以应合理选择轧制加热温度。由于钢和铜合金的热膨胀系数和延伸率不同，所以应合理确定压下量，以保证复合强度及设备安全。轧制过程中铜合金在上，钢板在下，防止铜合金磨损及划伤。一阶段开轧温度控制在910℃～930℃，生产时第一道次采用大变形量压下，压下率控制在15％～20％，铜/钢板坯厚度比、热变形温度及压下率综合作用对双金属复合材料的流动差异产生较大影响，采用该种厚度比、热轧温度及较大的首道次压下率可使结合界面变得平直，两侧金属间元素相互扩散增多，扩散距离较大，远离难变形区，进入易变形区，有利于金属间的协调变形，且首道次采用较大压下率可破碎铸态组织中的树枝晶，使复合处新生的结合界面增加，使结合处的夹杂减少并破碎分离，为后续轧制做准备。由于钢板和铜合金的延展性不同，经过轧制，势必会引起铜合金向四周铺展，铜合金在向四周铺展的同时，势必产生一个挤压力和横向撕力，因此为防止铜合金表面及结合界面开裂，并使界面结合处和基体组织均匀细小，后续采用小变形量多道次轧制生产，二阶段轧制温度控制在780℃～830℃；热轧总变形率控制在60％～70％。一方面可使界面处脆性夹杂物和氧化物分布更加弥散，复合界面形成冶金结合；一方面晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，使金属塑性变形抗力增大，因此使得抗剪强度和抗拉强进一步提升度。若进一步增加变形率对结合界面扩散层厚度几乎无影响，即结合界面性能几乎不变，且由于铜合金与钢的机械性能差异在轧制过程中易产生不相容的变形，因此进一步增加变形率对复合材料易产生不利影响；此外经热轧变形后可获得铜/钢两侧细化的再结晶晶粒。优选所述热轧处于在氩气保护或真空保护下。
(6)热处理：采用正火处理，正火时通入氩气保护，防止铜合金氧化，双金属复合材料于840℃～880℃，保温3～4h，出炉空冷至室温。正火温度过高会造成基体晶粒长大，粗大的基体晶粒不利于后续处理和优异的综合性能的获得。本发明的正火热处理有利于延伸率和韧性增加。由于复合材料结合层中金属原子扩散程度有限，且轧制过程中存在一定内应力，会导致复合材料强度降低。因此采用正火热处理使元素发生扩散有利于结合界面强度提高，降低复合界面原子间的内应力，进一步提升原子扩散效率，同时还可有效清除轧制导致的应力残余，确保产品具有良好的综合力学性能及良好的冶金结合。优选所述热处理处于在氩气保护或真空保护下。
所述模具型腔为石墨模具型腔。
所述步骤(2)、步骤(4)～步骤(6)任一生产工艺中可采用惰性气体保护或真空保护，防止铜氧化；所述惰性气体为氩气。
本发明的有益效果在于：本发明双金属复合材料由铜合金板和基板钢板复合而成。本发明采用Zr、Ti、B三种微量元素共同作用控制铜合金组织中相的形态和分布从而提高合金的耐蚀性能及摩擦磨损等性能，此外控制合金中关键元素Ni和Fe的配比使合金析出相呈细小弥散状态，得到理想金相组织，进而提高合金耐腐蚀性能和力学性能。钢侧采用Al、Sc共同作用提高钢材耐磨性，改善焊接性能，提高抗氧化性、耐腐蚀性，改善表面质量，可替代贵金属Mo、Ni等元素的添加。配合钢板预处理—预热—固液复合—复合板坯均匀化退火—热轧—正火热处理的生产工艺，得到建筑用铜钢双金属复合材料，使该种材料具有209～230HV的截面维氏硬度，截面硬度差≤21HV，Z向抗拉强度Rm≥540MPa，伸长率A≥21％，复合界面剪切强度360～380MPa，弯曲检验均合格，同时具有良好的耐氯离子腐蚀性能和摩擦磨损性能。本发明的双金属复合材料在建筑用钢领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行钢板预处理、预热、固液复合、复合板坯均匀化退火、热轧、热处理。
(1)钢板预处理：首先在钢板表面铣出凹槽，所述凹槽深度为5～8mm，将凹槽表面进行机械打磨、酸洗、水洗、干燥，使凹槽表面铁锈打磨掉使其露出光亮的新鲜金属面，随后对钢板进行脱脂处理；将脱脂液加热至60～70℃对钢板表面进行脱脂处理，随后进行丙酮清洗，涂抗氧化剂后烘干备用；
(2)预热：钢板加热至850～900℃，将其置于模具型腔中；
(3)固液复合：在铜合金金属液浇注开始前用惰性气体充满模具型腔，之后迅速将熔炼好的铜合金金属液浇注到预处理的钢板表面，浇注温度为1150～1200℃，之后空冷，空冷至铜合金侧温度为950～980℃时，取出浇注后坯料并立即在钢板底部喷冷却水冷却，直至浇注后坯料冷却至200～250℃，立即在铜合金侧涂抗氧化剂，空冷至室温，经后续机械加工制得铜钢双金属复合板坯；
(4)复合板坯均匀化退火：均匀化退火温度为940～960℃，保温4-5h；
(5)热轧：一阶段开轧温度控制在910～930℃，且第一道次采用大变形量压下，第一道次压下率控制在15％～20％；二阶段轧制温度控制在780～830℃；总变形率控制在60％～70％；
(6)热处理：采用正火处理，正火温度：840～880℃，保温3～4h。
所述步骤(2)中，双金属复合板坯中铜合金金属层厚度为5～8mm，铜合金金属层厚度与钢板厚度之比为1：(10～15)。
所述模具型腔为石墨模具型腔。
所述步骤(2)、步骤(4)～步骤(6)任一生产工艺中可采用惰性气体保护或真空保护；所述惰性气体为氩气。
本发明实施例钢双金属复合材料的成分见表1。本发明实施例双金属复合材料的预热和浇注的主要工艺参数见表2。本发明实施例双金属复合材料的主要轧制和热处理工艺参数见表3。本发明实施例钢的硬度见表4。本发明实施例双金属复合材料Z向拉伸性能和摩擦系数见表5。本发明双金属复合材料复合界面剪切强度及弯曲性能见表6。本发明双金属复合材料的腐蚀性能见表7。
表1本发明实施例钢双金属复合材料的成分(wt％)
Figure BDA0002893839100000151
表2本发明实施例双金属复合材料的预热和浇注的主要工艺参数
Figure BDA0002893839100000161
表3本发明实施例双金属复合材料的主要轧制和热处理工艺参数
Figure BDA0002893839100000162
表4本发明实施例钢的硬度
Figure BDA0002893839100000171
表5本发明实施例双金属复合材料Z向拉伸性能和摩擦系数
实施例 Rm(MPa) A(％) 摩擦系数
1 542 21.2 0.0198
2 549 21.9 0.0189
3 545 21.5 0.0200
4 540 22.0 0.0195
5 552 21.0 0.0190
6 550 21.1 0.0188
7 548 21.2 0.0192
8 546 21.8 0.0196
9 545 21.6 0.0193
10 554 21.3 0.0197
备注：摩擦磨损系数测定参数：实施例在润滑介质为3.5％NaCl溶液，载荷1N，时间30min下的摩擦磨损系数。
表6本发明双金属复合材料复合界面剪切强度及弯曲性能
Figure BDA0002893839100000181
表7本发明双金属复合材料的腐蚀性能
实施例 腐蚀后失重(g) 平均腐蚀速率(mm/a) 最大点蚀深度(mm)
1 0.00191 0.0192 0.068
2 0.00200 0.0199 0.069
3 0.00189 0.0195 0.066
4 0.00192 0.0189 0.061
5 0.00188 0.0193 0.065
6 0.00194 0.0197 0.070
7 0.00195 0.0191 0.067
8 0.00193 0.0188 0.063
9 0.00187 0.0196 0.064
10 0.00185 0.0198 0.062
备注:腐蚀试验参数：各实施例铜侧(规格20×20×5mm)在20℃于5.0％NaCl中浸泡180h的试样失重及平均腐蚀速率。
最大点蚀深度测试参数：各实施例铜侧(规格20×20×10mm)在微沸的42％MgCl2溶液中腐蚀10h的最大点蚀深度。
由上可知：本发明双金属复合材料具有209～230HV的截面维氏硬度，截面硬度差≤21HV，Z向抗拉强度Rm≥540MPa，A≥21％，复合界面剪切强度360～380MPa，弯曲检验均合格，同时具有良好的耐氯离子腐蚀性能和摩擦磨损性能。
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种建筑用铜钢固液复合双金属材料，其特征在于，所述双金属复合材料中基板为钢板，铜合金板附着在钢板表面；所述铜合金的成分按重量百分比计如下：Al：3.0％～5.0％，Fe：3.0％～3.5％，Ni：4.2％～5.6％，Mn：3.0％～4.0％，Zr：0.04％～0.06％，Ti：0.04％～0.06％，B：0.01％～0.02％，余量为Cu及不可避免杂质；钢的化学成分的重量百分比为：C：0.12％～0.18％，Si：0.30％～0.40％，Mn：1.20％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.025％，Cr：0.60％～0.80％，Nb：0.02％～0.03％，Al：0.01％～0.02％，Sc：0.01％～0.02％，余量为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的一种建筑用铜钢固液复合双金属材料，其特征在于，所述铜合金板附着在钢板的一面或两面。
3.根据权利要求1所述的一种建筑用铜钢固液复合双金属材料，其特征在于，所述铜合金中Ni/Fe＝1.4～1.6。
4.根据权利要求1所述的一种建筑用铜钢固液复合双金属材料，其特征在于，所述铜合金板与钢板的厚度比为1：(11.2～16.8)。
5.根据权利要求1所述的一种建筑用铜钢固液复合双金属材料，其特征在于，所述双金属材料截面硬度209～230HV，截面硬度差≤21HV，Z向抗拉强度Rm≥540MPa，伸长率A≥21％，复合界面剪切强度360～380MPa。
6.一种权利要求1—5任一项所述的一种建筑用铜钢固液复合双金属材料的制备方法，其特征在于：具体工艺包括钢板预处理、预热—固液复合、复合板坯均匀化退火、热轧、热处理；
(1)钢板预处理：首先在钢板表面铣出凹槽，所述凹槽深度为5～8mm，将凹槽表面进行机械打磨、酸洗、水洗、干燥，使凹槽表面铁锈打磨掉使其露出光亮的新鲜金属面，随后对钢板进行脱脂处理；将脱脂液加热至60～70℃对钢板表面进行脱脂处理，随后进行丙酮清洗，涂抗氧化剂后烘干备用；
(2)预热：钢板加热至850～900℃，将其置于模具型腔中；
(3)固液复合：在铜合金金属液浇注开始前用惰性气体充满模具型腔，之后迅速将熔炼好的铜合金金属液浇注到预处理的钢板表面，浇注温度为1150～1200℃，之后空冷，空冷至铜合金侧温度为950～980℃时，取出浇注后坯料并立即在钢板底部喷冷却水冷却，直至浇注后坯料冷却至200～250℃，立即在铜合金侧涂抗氧化剂，空冷至室温，经后续机械加工制得铜钢双金属复合板坯；
(4)复合板坯均匀化退火：均匀化退火温度为940～960℃，保温4-5h；
(5)热轧：一阶段开轧温度控制在910～930℃，且第一道次采用大变形量压下，第一道次压下率控制在15％～20％；二阶段轧制温度控制在780～830℃；热轧总变形率控制在60％～70％；
(6)热处理：采用正火处理，正火温度：840～880℃，保温3～4h。
7.根据权利要求6所述的一种建筑用铜钢固液复合双金属材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，双金属复合板坯中铜合金金属层厚度为5～8mm，铜合金金属层厚度与钢板厚度之比为1：(10～15)。
8.根据权利要求6所述的一种建筑用铜钢固液复合双金属材料的制备方法，其特征在于：所述模具型腔为石墨模具型腔。
9.根据权利要求6所述的一种建筑用铜钢固液复合双金属材料的制备方法，所述步骤(2)、步骤(4)—步骤(6)任一生产工艺中可采用惰性气体保护或真空保护。
10.根据权利要求9所述的一种建筑用铜钢固液复合双金属材料的制备方法，所述惰性气体为氩气。
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