CN114871417A - 双金属复合板流变印刷铸轧系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双金属复合板流变印刷铸轧系统及工艺，所述系统包括浇包、倾斜板、印刷嘴、柔性热压板、轧机等。本发明将金属基板进行表面处理，形成一层合金元素以增加异种合金的界面润湿性，防止界面氧化。另一金属熔体经过带冷却的多股流倾斜板，形成大量晶核，并在倾斜板的冲刷作用下通过印刷嘴，浇覆到冷的金属基板上迅速冷却到高固相率状态，在凝固潜热和冲刷力作用下破坏基体表层残存的氧化膜，并与基板形成少量扩散或者冶金结合，在保温扩散及冷轧机作用下形成复合板材。本发明能够避免基板氧化、提高基板润湿性，控制结合层厚度，提高生产效率，有效的提高异种金属界面结合质量，且能够实现自动化连续生产，以满足实际生产要求。
Description
技术领域
本发明属于复合板制备技术领域，具体涉及双金属复合板流变印刷铸轧系统，本发明同时还涉及利用前述系统进行双金属复合板流变印刷铸轧的工艺。
背景技术
金属层状复合材料既保持了各层金属各自原有的特性，又具有比单一金属更加优越的物理、化学、力学性能。近几十年来，金属层状复合材料因其多组元优异的性能，被广泛应用于航天、石油、机械、化工、汽车、造船、建筑、电力、电子等各个领域。目前，复合板的加工技术包括铸造、搅拌摩擦焊接、磁脉冲焊接、爆炸焊接、轧制和铸轧等。在这些工艺中，轧制曾是加工层状复合板材最常用的技术，但轧制法加工的复合板是机械结合，结合强度差，必须通过后续长时间扩散退火及其它工艺进行处理，加工流程长、设备要求高、效率低下。因此，铸轧技术成为层状复合板加工进一步研究的重点。然而，液-固铸轧熔体温度高，流动性大，不能用于水平连续铸轧，且液态扩散速度快，金属间化合物生长速度快，不容易控制，对设备的高温冲击性大。而传统的半固态铸轧技术需要对基板进行预热以保证冶金结合，但是预热会导致基板表面氧化，影响界面润湿性，且半固态铸轧技术中传统的浇覆方法比较粗放，熔体的浇覆厚度及浇覆量很难控制，复合板材的界面冶金结合层厚度不能满足实际生产的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决半固态铸轧技术中现有的浇覆方法无法控制熔体的浇覆厚度及浇覆量，导致复合板材的界面冶金结合层厚度不能满足实际生产的要求的技术问题，提供一种双金属复合板流变印刷铸轧系统。
本发明的另一目的是提供一种利用上述系统进行双金属复合板流变印刷铸轧的工艺。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种双金属复合板流变印刷铸轧系统，包括浇包，所述浇包出口与倾斜板一端相接，倾斜板另一端端部设有印刷嘴，印刷嘴与水平设置的传输板相接，传输板上印刷嘴出口设有柔性热压板；传输板靠近浇包一端与穿过第一导轨的金属基板相接，传输板远离浇包一端水平设有轧机。
作为本发明技术方案的进一步优选，所述传输板以柔性热压板为分界，靠近第一导轨一侧为气体保护段，靠近第二导轨一侧为保温扩散段。
进一步地，所述倾斜板角度可调。
进一步地，所述倾斜板为设有水冷系统的多股流倾斜板。
进一步地，所述印刷嘴需经表面处理与浆料没有润湿性，其宽度为1-150mm，出口缝隙0.5-5mm。
进一步地，所述轧机为双辊轧机，双辊轧机出口处设有第二导轨。
本发明利用上述系统进行双金属复合板流变印刷铸轧的工艺，具体包括以下步骤：
步骤一、将第一金属合金铸锭剥皮，在温度高于其液相线50-100℃下熔化，精炼、除渣后待用；
步骤二、将第二金属基板清洁，打磨掉表面氧化皮，冷风吹洗表面；
步骤三、将步骤二中所述冷风吹洗表面后的第二金属基板进行表面处理，然后穿过第一导轨置于传输板上，并进行气体保护；
步骤四、将步骤一中第一金属合金熔体加入浇包，熔体经过倾斜板与印刷嘴后印刷在步骤三中表面处理后的第二金属基板上；
步骤五、通过柔性热压板控制印刷浆料厚度，以控制半固态复合板厚度；
步骤六、将半固态复合板经过保温扩散，形成冶金结合，然后通过轧机轧制，即得双金属复合板。
进一步地，所述第一金属选自锡合金、锌合金、铝合金或镁合金中的一种，第二金属选自镁及镁合金、铁及铁合金、铜及铜合金、钛及钛合金或镍及镍合金中的一种，要求第二金属熔点高于第一金属半固态温度，以保证第二金属在扩散过程中不大量溶解。
进一步地，步骤六中，所述双金属复合板厚度为0.5-10mm。
与现有半固态铸轧技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将清洗后的金属基板进行表面处理，在基板表面形成一层合金元素以增加异种合金的界面润湿性，防止界面氧化，扩散冶金结合过程中能够在界面形成连续固溶过渡或者软的中间化合物，并控制扩散。另一金属熔体经过带冷却的多股流倾斜板，形成大量晶核，并在倾斜板的冲刷作用下通过印刷嘴，浇覆到冷的金属基板上，与基板导热迅速冷却到高固相率状态，在凝固潜热和冲刷力的作用下破坏基体表层薄的氧化膜，并与基板形成少量冶金结合，在随后的保温扩散过程中形成所需的冶金结合层，接着在冷轧机的作用下使得界面层（冶金结合层）和高固相材料在压力下快速凝固形成复合板材。
2、本发明通过控制倾斜板长度与角度，从而控制冲刷力，并促进晶粒细化，通过控制印刷嘴开口缝隙能够精确控制带有晶核浆料的流量，使得浆料平稳的覆盖到基板上，并保证一定的厚度，随着基板的传送形成稳定的复合板料。
3、本发明金属熔体经过倾斜板，迅速降温到半固态区间，在到达印刷嘴时具有一定的冲刷对流作用，能够从不同开口缝隙的印刷嘴中印刷到基板上，通过凝固潜热的释放，熔体温度降低，基板温度迅速升高，并发生少量扩散或者冶金结合，熔体经倾斜板及印刷嘴冲刷过程中形成的晶核，能够抑制树枝晶的形成，保证补缩顺畅和一定的流变特性。
4、本发明所述金属基板不需要提前预热；另一高温熔体直接印刷在经表面处理后的基板上，能够避免基板预热时的氧化，并能在一定程度上冲刷、熔化掉基板在空气中的氧化层，形成无缺陷冶金结合界面，避免形成厚的硬脆相，提高复合板综合性能。
综上，本发明解决了异种金属结合的难点问题，能够避免基板氧化、提高基板润湿性，控制结合层厚度，提高生产效率，有效的提高异种金属界面结合质量，且能够实现自动化连续生产，以满足实际生产要求。
附图说明
图1为本发明双金属复合板流变印刷铸轧系统的结构示意图；
图2为本发明改进柔性热压板后的双金属复合板流变印刷铸轧系统结构示意图；
图3为实施例1制备的复合板的光镜检测金相图；
图4为实施例2制备的复合板的光镜检测金相图；
图5为实施例3制备的复合板的光镜检测金相图；
图6为实施例4制备的复合板的光镜检测金相图；
附图标记：1、可控温浇包；2、倾斜板；3、印刷嘴；4、柔性热压板：4-1、压力感应器调控装置，4-2、快速加热冷却装置，4-3、第一高灵敏控温热电偶；5、金属基板；6、第一导轨；7、传输板：7-1、气体保护段，7-2、保温扩散段；8、轧机；9、第二导轨；10、复合板；11、第二高灵敏控温热电偶。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明提供的一种双金属复合板流变印刷铸轧系统，包括浇包，所述浇包为可控温浇包1，可控温浇包1温度通过第二高灵敏控温热电偶11控制。可控温浇包1出口与设有水冷系统（可从现有技术中获得，图中未示出）的多股流倾斜板2一端相接，倾斜板2角度可调，倾斜板2另一端端部设有印刷嘴3，印刷嘴3与水平设置的传输板7相接，传输板7上印刷嘴3出口设有柔性热压板4；传输板7靠近可控温浇包1一端与穿过第一导轨6的金属基板5相接，传输板7远离可控温浇包1一端依次水平设置轧机8和第二导轨9。传输板7以柔性热压板4为分界，靠近第一导轨6一侧为气体保护段7-1，靠近第二导轨9一侧为保温扩散段7-2。
上述柔性热压板4可从现有技术中获得，也可进一步对其进行改进（图2），具体包括：压力感应调控装置4-1，其能够上下高频震动，对打印在基板上的半固态浆料进行压实，控制打印层厚度并感应压力，根据压力大小柔性微调浇包流量；快速加热冷却装置4-2，能够对压板进行加热或者冷却，控制打印在基板上的半固态浆料温度；第一高灵敏控温热电偶4-3，测量打印在基板上的半固态浆料温度并柔性调控快速加热装置与倾斜板冷却系统的温度。改进后的柔性热压板4可在一定高频下上下运动，保证高固相浆料在基板宽度方向具有均匀一致的高度；当浆料流量发生变化时，柔性热压板可以在感应力（柔性热压板4安装压力感应仪，当浆料不足时，压板压到设定位置感应的力将小于设定的压力，此时柔性压板将在控制器的作用下将上下震动压实的震动中心稍微上移使得更多的浆料留到压实位置，反之减少浆料留到压实位置）的作用下调节高度，保证高固相浆料能够顺利流动不至于横向缺料或者浆料积攒，于此同时当浆料不足时，压板压到设定位置感应的力将小于设定的压力，经过计算机差算法的到相应的数据传输到浇包流量控板控制流量增加，反之则控制流量减少。柔性热压板具有一定的加热与冷却作用，还可防止浆料凝固，控制浆料流动性与扩散速率。
上述印刷嘴3需经表面处理与浆料没有润湿性，其宽度为1-150mm，出口缝隙0.5-5mm。轧机8为双辊轧机，双辊轧机出口处设有第二导轨9，复合板10从第二导轨9中穿出。
以下对利用上述系统进行双金属复合板流变印刷铸轧的工艺进行举例：
实施例1
采用流变印刷铸轧工艺制备6061铝合金/AZ31B镁合金复合板，包括下列步骤：
（1）将6061铝锭剥皮、去除表面杂质后，在720℃条件下进行熔炼、精炼、除渣，形成铝液；
（2）将经过打磨、冷风吹洗进行表面清理的厚4mm的镁基板在氩气保护下穿过第一导轨6以7r/min的速度在传输板7上匀速传送；
（3）将步骤（1）所得铝液倒入浇包，控温到680 ℃后倒入倾斜板2，经印刷嘴3印刷在匀速传送的镁基板上；
（4）通过柔性热压板4将浆料均匀的压实在基板上总厚度控制在8.5±0.1mm；
（5）经扩散（640℃保温10s）和轧制后制备出厚度为8mm的6061铝合金/AZ31B镁合金复合板。其金相图如图3所示，结合层厚度及剪切性能数据见表1。
实施例2
采用流变印刷铸轧工艺制备6061铝合金/表面改性AZ31B镁合金复合板，包括下列步骤：
（1）将6061铝锭剥皮、去除表面杂质后，在720℃条件下进行熔炼、精炼、除渣，形成铝液；
（2）电弧喷涂镁基板的制备：电压为25V，电流为30A，喷涂距离为100mm，氩气流速为80L/h，喷涂厚度约为100μm；
（3）将经过打磨、冷风吹洗进行表面清理的厚4mm的镁基板在氩气保护下穿过第一导轨6以7r/min的速度在传输板7上匀速传送；
（4）将步骤（1）所得铝液倒入浇包，降温到680 ℃后倒入倾斜板2，经印刷嘴3印刷在匀速传送的电弧喷涂镁基板上；
（5）通过柔性热压板4将浆料均匀的压实在基板上总厚度控制在8.5±0.1mm；
（6）经扩散（640℃保温10s）和轧制后制备出厚度为8mm的6061铝合金/AZ31B镁合金复合板。其金相图如图4所示，结合层厚度及剪切性能数据见表1。
实施例3
采用流变印刷铸轧工艺制备6061铝合金/表面改性Q235低碳钢复合板，包括下列步骤：
（1）将6061铝锭剥皮、去除表面杂质后，在720℃条件下进行熔炼、精炼、除渣，形成铝液；
（2）将经清洗、冷风吹洗进行表面清理的厚1mm的商用镀锌Q235钢基板在氩气保护下穿过第一导轨6以7r/min的速度在传输板7上匀速传送；
（4）将步骤（1）所得铝液倒入浇包，降温到680 ℃后倒入倾斜板2，经印刷嘴3印刷在匀速传送的商用镀锌Q235钢基板上；
（5）通过柔性热压板4将浆料均匀的压实在基板上总厚度控制在6.5±0.1mm；
（6）经645℃保温1min和轧制后制备出厚度为6mm的6061铝合金/Q235低碳钢复合板。其金相图如图5所示，结合层厚度及剪切性能数据见表1。
实施例4
采用流变印刷铸轧工艺制备6061铝合金/表面改性Q235低碳钢复合板，包括下列步骤：
（1）将6061铝锭剥皮、去除表面杂质后，在720℃条件下进行熔炼、精炼、除渣，形成铝液；
（2）将经清洗、冷风吹洗进行表面清理的厚1mm的商用镀锌Q235钢基板在氩气保护下穿过第一导轨6以7r/min的速度在传输板7上匀速传送；
（4）将步骤（1）所得铝液倒入浇包，降温到680 ℃后倒入倾斜板2，经印刷嘴3印刷在匀速传送的电弧喷涂镁基板上；
（5）通过柔性热压板4将浆料均匀的压实在基板上总厚度控制在6.5±0.1mm；
（6）经645℃保温2min和轧制后制备出厚度为6mm的6061铝合金/Q235低碳钢复合板。其金相图如图6所示，结合层厚度及剪切性能数据见表1。
表1 各实施例复合板结合层厚度及剪切性能
本发明提供的双金属复合板流变印刷铸轧技术能够制备出多种异种合金复合板，将半固态浆料与基板打印在一起经过轧制制备出无铸造缺陷（缩松、缩孔、夹杂、组织粗大）的复合铸造板。通过高温浆料冲刷提高基板温度，基板不需要预热避基板氧化，倾斜板激冷破碎浆料获得细小的初生晶粒提高力学能能，加上氩气保护段，使得基板表面无氧化物，因此界面层均匀。保温扩散阶段能够控制元素扩散形成不同厚度扩散层适应各类异种金属的制备要求。从表1中数据可以看出，4个实例制备的复合板都形成连续的冶金结合层，且界面无铸轧缺陷，剪切强度较高能够满足使用要求。
Claims (9)
1.一种双金属复合板流变印刷铸轧系统，其特征在于，包括浇包，所述浇包出口与倾斜板一端相接，倾斜板另一端端部设有印刷嘴，印刷嘴与水平设置的传输板相接，传输板上印刷嘴出口设有柔性热压板；传输板靠近浇包一端与穿过第一导轨的金属基板相接，传输板远离浇包一端设有轧机。
2.根据权利要求1所述的一种双金属复合板流变印刷铸轧系统，其特征在于，所述传输板以柔性热压板为分界，靠近第一导轨一侧为气体保护段，靠近第二导轨一侧为保温扩散段。
3.根据权利要求1或2所述的一种双金属复合板流变印刷铸轧系统，其特征在于，所述倾斜板角度可调。
4.根据权利要求3所述的一种双金属复合板流变印刷铸轧系统，其特征在于，所述倾斜板为设有水冷系统的多股流倾斜板。
5.根据权利要求3所述的一种双金属复合板流变印刷铸轧系统，其特征在于，所述印刷嘴需经表面处理与浆料没有润湿性，其宽度为1-150mm，出口缝隙0.5-5mm。
6.根据权利要求3所述的一种双金属复合板流变印刷铸轧系统，其特征在于，所述轧机为双辊轧机，双辊轧机出口处设有第二导轨。
7.一种双金属复合板流变印刷铸轧工艺，其特征在于，利用权利要求1中所述系统进行流变印刷铸轧，包括以下步骤：
步骤一、将第一金属合金铸锭剥皮，在温度高于其液相线50-100℃下熔化，精炼、除渣后待用；
步骤二、将第二金属基板清洁，打磨掉表面氧化皮，冷风吹洗表面；
步骤三、将步骤二中所述冷风吹洗表面后的第二金属基板进行表面处理，然后穿过第一导轨置于传输板上，并进行气体保护；
步骤四、将步骤一中第一金属合金熔体加入浇包，熔体经过倾斜板与印刷嘴后印刷在步骤三中表面处理后的第二金属基板上；
步骤五、通过柔性热压板控制印刷浆料厚度，以控制半固态复合板厚度；
步骤六、将半固态复合板经过保温扩散，形成冶金结合，然后通过轧机轧制，即得双金属复合板。
8.如权利要求7所述的一种双金属复合板流变印刷铸轧工艺，其特征在于，所述第一金属为锡合金、锌合金、铝合金或镁合金中的一种，第二金属为镁及镁合金、铁及铁合金、铜及铜合金、钛及钛合金或镍及镍合金中的一种，第二金属熔点高于第一金属半固态温度。
9.如权利要求7所述的一种铝镁双金属复合板流变印刷铸轧工艺，其特征在于，步骤六中，所述双金属复合板厚度为0.5-10mm。
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