CN112877565B - 一种铜钢固液双金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铜钢固液双金属复合材料及其制备方法，所述双金属为铜合金和钢，所述铜合金板附着在钢板的一面或两面，铜合金板厚度与钢板厚度之比为1：(3.4～27.9)；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、矫直、热处理；应用本发明生产的复合材料截面硬度260～300HV，截面硬度差≤40HV，Z向抗拉强度Rm≥585MPa，伸长率A≥15％，复合界面剪切强度380～410MPa，热传导率220～230W·m‑1·K‑1，导电率为41％IACS～43％IACS。

Description

一种铜钢固液双金属复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料生产领域，尤其涉及一种铜钢固液双金属复合材料及其制备方法。
背景技术
铜合金具有高导电性能，较强耐腐蚀性，良好的导热性，无磁性等。生产中具有铸造容易，塑性好，可焊性好，方便回收利用等特点。作为一种工业使用率很高的金属，铜合金已被广泛应用于许多领域。但是目前由单一铜合金制成的材料在某些工作条件极端艰苦恶劣的地区，尚未达到预期寿命，随着铜合金在工业生产中的大规模开发利用，其价格逐年上涨，但是铜的强度低，易变形，这些问题使铜合金发展达到了瓶颈。发展铜/钢双金属复合材料能够节省原材料铜，大大降低成本，充分发挥钢的力学性能，因此它具有广泛的应用前景而且节约铜的使用量而降低成本，这也符合资源可持续利用的发展方向。
目前，国内外一些专家学者致力于铜-钢双金属复合材料的研究，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。
申请号为201510100922.4的发明《一种铜钢复合板的轧制方法》中采用铜板、碳钢板预退火，复合轧制，退火的热处理的工艺将两种板材合在一起在2300轧机上单道次冷轧成型成复合板，其生产工序少，加工成本低。但是冷轧复合方法生产的铜/钢复合材料由于原子扩散能力不强，所以结合强度较低而且生产质量不稳定。
申请号为200910162920.2的发明《一种铜钢复合材料及其制备方法》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。其不足之处在于，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。
申请号为01107029.3的发明《生产铜钢复合材料的等温熔接法》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。其不足之处在于，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。
申请号为200910306947.4的发明《铜钢复合构件的感应熔铸连接方法》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；其不足之处在于，应用具有局限性，产品仅用于铜钢复合构件的连接。
申请号为201210188109.3的发明《一种铜钢复合板材的生产方法》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；其不足之处在于，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。
申请号为201710630328.5的发明《一种焊接式铜钢复合冷却壁制作方法》中首先对铜合金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，将铜合金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。其不足之处在于，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。
申请号为201510613785.4的发明《一种钢基铜合金双金属合成新型材料的生产工艺》中公开了一种钢基铜合金双金属合成新型材料的生产工艺，采用二次回火、烧结、浇注合成等工艺使双金属达到抗高压、抗强拉、抗扭曲、耐高温、耐摩擦和耐高速，采用新工艺进行钢基铜合金双金属合成能够复合牢固。但烧结过程中对保护气体要求严格，工艺较为复杂。
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硬度，优异的耐氯盐腐蚀性、热传导性能，较高的剪切强度、高导电性、良好的加工性能及高效的生产流程兼顾成本及使用性能的铜钢固液复合双金属材料为目标。
本发明目的是这样实现的：
一种铜钢固液双金属复合材料，所述双金属为铜合金和钢，所述铜合金的成分按重量百分比计如下：Ni：2.8％～4.8％，Si：0.6％～1.0％，Al：0.5％～1.0％，Mg：0.1％～0.2％，Cr：0.1％～0.2％，Mn：0.8％～1.0％，Fe：1.0％～2.0％，P：0.05％～0.10％，Te：0.10％～0.30％，余量为Cu及不可避免杂质；所述钢的成分按重量百分比计如下：C：0.35％～0.45％，Si：0.20％～0.40％，Mn：1.40％～1.60％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：1.90％～2.20％，Zr：0.10％～0.15％，Mg：0.01％～0.05％，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，所述铜合金板附着在钢板的一面或两面，铜合金板厚度与钢板厚度之比为1：(3.4～27.9)。
进一步；所述铜合金中Ni/Si＝4.5～4.8。
所述钢中Zr+Mg＝0.13％～0.18％。
所述复合材料截面硬度260～300HV，截面硬度差≤40HV，Z向抗拉强度Rm≥585MPa，伸长率A≥15％，复合界面剪切强度380～410MPa，热传导率220～230W·m-1·K-1，导电率为41％IACS～43％IACS。
本发明铜合金的成分按重量百分比计如下：
Ni：在铜合金板中Ni具有提高合金强度、韧性，抗腐蚀开裂作用，同时可以改善合金的加工性能，提高合金的耐腐蚀疲劳性能、耐侵蚀腐蚀等性能，本发明在Si的共同作用下，可提高铜合金的强度硬度及耐蚀性能，同时有益于合金的热传导性能，因此本发明选择加入Ni：2.8％～4.8％。
Si：本发明添加Si元素可在不损失其耐蚀性能下提高其强度，同时提高其导热性及热稳定性。但是Si过量会降低其强度和塑性，对合金强度、导电率等性能起主要作用的因素是Ni2Si含量，应使Ni/Si＝4.5～4.8，才能得到较高的强度与导电性能，即Ni2Si相析出最大化。但当合金中Ni/Si含量偏离4.5～4.8时，多余的合金元素将固溶于铜基体中，这对导电性能影响很大。因此本发明控制Si：0.6％～1.0％，Ni/Si＝4.5～4.8。
Al：是本发明铜合金板中的强化元素，不仅提高其强度、硬度、耐磨性和耐蚀性，同时提高高温塑性。在该种铜合金表面形成一层致密的Al2O3惰性保护膜，因此在氯盐及酸性介质中有良好的抗蚀性能。Al元素促进Ni和Si的析出，同时形成Ni3Al强化合金，但Al含量过多会使该种铜合金晶粒粗大，降低热传导性能，因此本发明中控制Al：0.5％～1.0％。
Mg：不仅可以去除熔炼过程中的O和S，还可以提高合金高温抗软化温度，在该种铜合金板中可使热处理过程中析出相密度增加，Mg原子本身对位错运动存在拖曳效应，从而使合金强度硬度增加，但Mg含量不可过高，否则会恶化材料焊接性能。因此本发明选择加入Mg：0.1％～0.2％。
Cr：可使合金化元素形成Cr3Si和Ni2Si相，Cr3Si和Ni2Si相是最佳存在相。Cr3Si相粒子主要在液态结晶过程中形成，尺寸较小，可提高材料高温稳定性。细小的Cr3Si粒子在高温下形成稳定的结构，对位错运动起阻碍作用，具有良好的性能。Ni2S在热处理过程中形成，促进合金在热处理中硬化，强烈影响合金机械性能。但Cr在铜合金中固溶度有限，因此本发明中控制Cr：0.1％～0.2％。
Mn：本发明中适量的Mn起到固溶强化作用，提高合金强度而塑性不下降，此外，Mn加入该种铜合金板中虽能缩小α单相区域，但显著降低β相共析转变温度，从而提高β相的稳定性，抑制铜合金的“缓冷脆性”。同时适量Mn元素还能提高耐蚀性能、机械性能、耐磨性等。因此本发明中Mn为0.8％～1.0％。
Fe：加入适量Fe有利于晶粒细化，并和Ni生成金属化合物析出，有利于提高合金耐腐蚀性能。但Fe含量过高，容易在晶界上出现脆性化合物，会降低腐蚀电位，从而影响合金的耐腐蚀性能。因此本发明中Fe：1.0％～2.0％。
P：本发明的铜合金中加入P可生成大量的夹杂物粒子，阻止了亚晶界的移动，抑制晶粒长大，细化晶粒，提高合金强度，此外少量P原子可分布在基体与沉淀相的界面上，阻碍并降低界面的迁移。但过多P会形成过量夹杂物，因此本发明中P：0.05％～0.10％。
Te：本发明中Te元素以第二相Cu2Te形式存在于Cu-Te合金中，经过热加工后粗大的铸态晶粒破碎，得到微米级的细小晶粒，均匀分布于晶粒中，使导电性能和硬度得到优化，经过冷变形后，强度和硬度进一步提升，第二相沿着变形方向分布，呈现链条或带状，尺寸较大，大面积沿着晶界分布，因此可提高切削性能。但Te含量较低，优先在晶界析出，对强度硬度贡献较小，含量较高时反而恶化合金的导电性。因此本发明中Te：0.10％～0.30％。
本发明中钢的成分按重量百分比计如下：
C：对该种塑料模具钢，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。这种合金碳化物部分残留在基体中，部分在热处理过程中析出以强化模具钢，因此本发明选择加入C含量为0.35％～0.45％。
Si：Si为提高回火抗力的有效元素。Si降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。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，促进偏析，形成带状组织，使横向性能低于纵向。因此，本发明选择加入Si含量为0.20％～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1.40％～1.60％。
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对模具钢耐蚀性能有害，使焊接性能恶化。P虽能适量提高铁素体硬度，改进零件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≤0.015％。
Cr：铬对模具钢的耐磨性、高温强度、热态硬度、韧性和淬透性都有有利的影响。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。因此本发明选择加入Cr含量为1.90％～2.20％。
Zr：本发明中Zr可以在钢中抑制奥氏体长大，起到细化晶粒的作用；在熔炼过程中，Zr元素也可以改善硫化物的形态，起到净化杂质的效果；当本发明中钢处于Cl-等强氧化性离子环境中，Zr元素可先与O元素形成保护性强的Zr的氧化物。同时可明显提高钢的硬度与耐高温能力。当钢中含有适量Zr时，Zr会先与钢中的硫、锰等元素结合，生成球状的Zr(Mn S)夹杂，这种夹杂物能改善长条状MnS的形态，改善钢的性能；同时锆与钢中的碳、氮结合，形成块状Zr(C、N)，若这类块状Zr(C、N)夹杂物较少时对钢的韧性几乎无影响；但当锆的加入量过高时则会生成大量方块状Zr(C、N)夹杂物并在晶界处富集，因此本发明中Zr：0.10％～0.15％。
Mg：本发明中Mg处理能减弱铁素体晶粒间的方位取向关系，使铁素体间的方位差增加，形成大角度晶界，细化晶粒，改善钢的强韧性；同时使钢中存在纳米级Mg-O+(Mn，Mg)S粒子，对原奥氏体晶粒起到钉扎作用，从而达到细化奥氏体晶粒的目的；此外冶炼时Mg的加入可提高凝固组织中的等轴晶比例，细化凝固组织。本发明中Mg：0.01％～0.05％。
本发明中采用Mg、Zr复合处理，对钢强度韧性匹配达到最佳，但Mg、Zr复合加入过多可使夹杂物粒径增大，数量增多，恶化钢的性能，因此钢中Zr+Mg＝0.13％～0.18％。
本发明技术方案之二是提供一种铜钢固液双金属复合材料的制备方法，包括钢板预处理、预热、固液复合、复合板坯均匀化退火、热轧、矫直、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3～8mm，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。浇注复合法成形工艺简单，对设备要求不高，容易操作，但需提高铜、钢两者间的相互润湿性，促进铜、钢之间的原子接触。若直接浇注，难以实现铜-钢复合的冶金结合，因此需在浇注前对钢板进行表面预处理，提高钢板的抗氧化性和原子活性。
(2)预热：将预处理后的钢板加热至850℃～900℃，将其置于石墨模具型腔中。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。优选预热过程处于惰性气体保护或真空保护。
(3)固液复合：在浇注开始前用惰性气体充满石墨模具型腔，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930℃～980℃时，取出浇注后坯料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3～8mm，铜合金与钢的板坯厚度之比为1：(3～25)。
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浇注后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。
本发明中采用该种厚度要求一方面根据铜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；一方面满足该种双金属复合材料使用需求，另一方面采用部分钢替代铜合金，降低成本，价格经济。
(4)复合板坯均匀化退火：均匀化退火温度为900℃～990℃，保温2～5h。浇注复合冷却后，由于较高的冷却速度使枝晶内部的合金元素分布不均匀，结晶开始阶段，冷却速度越高，熔融相和固相成分差异越大，合金元素偏析程度越大，经均匀化处理，合金和钢中偏析元素扩散至化学势稳态以减轻元素偏析。复合材料过渡层可进一步扩散，增强结合强度。优选均匀化处理过程中采用惰性气体保护或真空保护；防止铜合金氧化。
(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。开轧温度控制在800℃～960℃，热轧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坯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，轧制过程中铜合金在上，钢板在下，防止铜合金磨损及划伤。总变形率控制在50％～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。此外经本发明中的热轧变形后可获得铜-钢两侧细化的再结晶晶粒。优选，热轧工艺过程处于惰性气体保护或真空保护。
(6)退火：将热轧后的双金属复合材料进行退火热处理，退火温度600℃～650℃，净保温2～3h，随炉冷却至150℃～200℃，出炉空冷至室温。优选，退火工艺过程处于惰性气体保护或真空保护。
形变带中在热加工过程中积累的畸变能通过退火热处理得到释放，铜侧发生沉淀析出，从而强化铜合金，钢侧发生碳化物析出强化，但发生珠光体组织转变使复合材料两侧强度硬度趋于一致，此外过渡层进一步发生扩散，形成良好的冶金结合。
进一步，所述步骤(2)～(6)任一项工艺过程中采用惰性气体保护或处于真空状态；所述惰性气体为氩气；防止铜合金氧化。
本发明的有益效果在于：
本发明采用Ni、Si共同作用配以Te等微量合金元素控制铜合金析出相形态和数量，纯化合金基体、降低晶格畸变程度，从而提高热传导性能及耐蚀性能，保证导电性能，并提高其强度硬度，钢侧采用Mg、Zr复合处理，对钢强度韧性匹配达到最佳，配合钢板预处理-预热-固液复合-复合板坯均匀化退火-热轧-矫直-热处理的生产工艺，得到一种铜合金-钢双金属复合材料，使该种材料具有260～300HV的截面硬度，截面硬度差≤40HV，Z向抗拉强度Rm≥585MPa，伸长率A≥15％，复合界面剪切强度380～410MPa，弯曲检验均合格，热传导率达到220～230W·m-1·K-1，导电率为41％IACS～43％IACS，同时具有良好的耐氯盐腐蚀性能。本发明的双金属复合材料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、矫直、退火；
(1)钢板预处理：首先在钢板表面铣出凹槽，所述凹槽深度为3～8mm，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，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。
(3)固液复合：在浇注开始前用惰性气体充满模具型腔，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930℃～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，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。
(4)复合板坯均匀化退火：均匀化退火温度为900～990℃，保温2～5h；
(5)热轧：开轧温度控制在800℃～960℃，热轧第一道次压下率控制在15％～20％，总变形率控制在50％～70％；
(6)退火：退火温度600℃～650℃，净保温2～3h，随炉冷却至150℃～200℃，出炉空冷至室温；
所述步骤(3)中双金属复合材料铜合金板坯厚度为3～8mm，铜合金与钢的板坯厚度之比为1：(3～25)。
所述模具型腔为石墨模具型腔。
所述步骤(2)、步骤(4)～(6)任一项工艺过程中采用惰性气体保护或处于真空状态。所述惰性气体为氩气。
本发明实施例复合材料的成分见表1。本发明实施例复合材料预处理及浇铸主要工艺参数见表2。本发明实施例复合材料加热和热轧主要工艺参数见表3。本发明实施例复合材料维氏硬度见表4。本发明实施例复合材料Z向拉伸性能见表5。本发明实施例复合材料复合界面剪切强度及弯曲性能见表6。本发明实施例复合材料的本发明实施例复合材料的热传导、抗腐蚀性能和导电率见表7。
表1本发明实施例复合材料的成分(wt％)
Figure BDA0002893848310000151
表2本发明实施例复合材料预处理及浇铸主要工艺参数
Figure BDA0002893848310000161
表3本发明实施例复合材料加热和热轧主要工艺参数
Figure BDA0002893848310000162
表4本发明实施例复合材料维氏硬度
Figure BDA0002893848310000171
表5本发明实施例复合材料Z向拉伸性能
实施例 Rm(MPa) A(％)
1 586 15.7
2 588 16.2
3 590 16.0
4 585 16.4
5 594 15.3
6 592 15.4
7 591 15.5
8 593 15.6
9 595 15.2
10 596 15.0
表6本发明实施例复合材料复合界面剪切强度及弯曲性能
Figure BDA0002893848310000181
表7本发明实施例复合材料的热传导和抗腐蚀性能
Figure BDA0002893848310000191
备注：腐蚀试验：实施例铜侧(规格20×20×5mm)在30℃于3.5wt.％NaCl中浸泡30天的平均腐蚀速率。
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 (9)

1.一种铜钢固液双金属复合材料，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：Ni：2.8%~4.8%，Si：0.6%~1.0%，Al：0.5%~1.0%，Mg：0.1%~0.2%，Cr：0.1%~0.2%，Mn：0.8%~1.0%，Fe：1.0%~2.0%，P：0.05%~0.10%，Te：0.10%~0.30%，余量为Cu及不可避免杂质；所述钢的成分按重量百分比计如下：C：0.35%~0.45%，Si：0.20%~0.40%，Mn：1.40%~1.60%，P≤0.015%，S≤0.015%，Cr：1.90%~2.20%，Zr：0.10%~0.15%，Mg：0.01%~0.05%，余量为Fe及不可避免杂质；
所述的铜钢固液双金属复合材料的制备方法，具体工艺包括：
（1）钢板预处理：首先在钢板表面铣出凹槽，所述凹槽深度为3~8mm，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，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；
（3）固液复合：在浇注开始前用惰性气体充满模具型腔，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930~980℃时，取出浇注后坯料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℃，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；
（4）复合板坯均匀化退火：均匀化退火温度为900~990℃，保温2~5h；
（5）热轧：开轧温度控制在800~960℃，热轧第一道次压下率控制在15%~20%，总变形率控制在50%~70%；
（6）退火：退火温度600~650℃，净保温2~3h，随炉冷却至150~200℃，出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种铜钢固液双金属复合材料，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所述的一种铜钢固液双金属复合材料，其特征在于，所述铜合金中Ni/Si=4.5~4.8。
4.根据权利要求1所述的一种铜钢固液双金属复合材料，其特征在于，所述钢中Zr+Mg=0.13%~0.18%。
5.根据权利要求1所述的一种铜钢固液双金属复合材料，其特征在于，所述铜合金板与钢板的厚度比为1：（3.4~27.9）。
6.根据权利要求1所述的一种铜钢固液双金属复合材料，其特征在于，所述复合材料截面硬度260~300HV，截面硬度差≤40HV，Z向抗拉强度Rm≥585MPa，伸长率A≥15%，复合界面剪切强度380~410MPa，热传导率220~230 W·m-1·K-1，导电率为41%IACS~43%IACS。
7.根据权利要求1所述的一种铜钢固液双金属复合材料，其特征在于，所述步骤（3）中双金属复合材料铜合金板坯厚度为3~8mm，铜合金与钢的板坯厚度之比为1：（3~25）。
8.根据权利要求1所述的一种铜钢固液双金属复合材料，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1所述的一种铜钢固液双金属复合材料，其特征在于，所述步骤（2）、步骤（4）~（6）任一项工艺过程中采用惰性气体保护或处于真空状态；所述惰性气体为氩气。
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