CN115722670A - 一种双金属复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属复合材料加工技术领域，具体公开了一种双金属复合材料及其制备方法。其中：双金属包括基体金属和喷射沉积金属，喷射沉积金属的熔点是基体金属的熔点的1.1‑2.0倍；制备方法包括以下步骤：金属熔炼：将喷射沉积金属进行熔化，得熔融液；喷射沉积：将熔融液雾化后，在惰性气体保护下喷射沉积至基体金属的表面，得复合金属坯体；压力加工：将复合金属坯体进行轧制或冲压，得双金属复合材料。本发明利用高熔点喷射沉积金属熔融液的过热度和结晶潜热带来的热能以及雾化射流高速冲击动能共同作用于基体金属，以实现两种金属的冶金结合，无需对基体金属进行预热，不仅简化了工艺，且可降低能耗及成本。
Description
技术领域
本发明属于金属复合材料加工技术领域，具体涉及一种双金属复合材料及其制备方法。
背景技术
目前，双金属复合的制备方法主要包括轧制复合法、焊接复合法和铸轧复合法。其中：轧制复合法是将两种金属在一定的压力、温度作用下通过轧辊变形结合成一体。轧制复合法又可分为冷轧复合法和热轧复合法。相比冷轧复合法，热轧复合法的轧制力较小，对轧机的要求不高，工艺简单，成本低，界面结合牢固。但在轧制时如没有保温措施，复合金属板的长度受到限制；复合板的厚度难以控制，生产一致性和稳定性差。
焊接复合法最常用的是爆炸焊接复合法，爆炸焊接复合法工艺简单，结合强度尚好，但该工艺机械化程度低，对环境污染大且具有一定的危险性。且存在表面质量差，无法生产薄板(≤6mm)等缺陷，同时双金属结合界面的电阻率大，导电板发热量大、寿命低、能耗大。
铸轧复合时将熔融态的金属液浇铸到经过预热处理的金属基板上，金属液随着金属基板进入轧机完成热交换形成复合坯。熔体在辊缝间完成凝固和热轧两个过程，它将铸造法和轧制法统一结合，金属锭熔制省去了金属基板的压制，工艺过程得到了优化，但由于金属基板需进行预热处理，同样存在工艺复杂和成本高的缺陷。
对于两种物化性质(如化学性质、熔点、比重等)相差较大的金属材料的复合，目前主要采用上述制备方法，也有采用喷射沉积的方法，但现有采用喷射沉积制备双金属的方法需将被喷射沉积的基体金属预热至其熔点的60-90％的温度，因此，同样存在成本高和效率低的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种双金属复合材料及其制备方法，利用具有较高熔点喷射沉积金属的熔融液射流的过热度和结晶潜热带来的热量，以及熔融液雾化后喷射的冲击动能作用至较低熔点的基体金属上，实现双金属的冶金结合，无需对基体金属进行预热处理，从而大大简化生产工艺、降低生产成本、并提高生产效率。
为克服上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种双金属复合材料的制备方法。
具体地，一种双金属复合材料的制备方法，所述双金属包括基体金属和喷射沉积金属，所述喷射沉积金属的熔点是所述基体金属的熔点的1.1-2.0倍；所述制备方法包括以下步骤：
(1)金属熔炼：将所述喷射沉积金属进行熔化，得熔融液；
(2)喷射沉积：将所述熔融液雾化后，在惰性气体保护下喷射沉积至所述基体金属的表面，得复合金属坯体；
(3)压力加工：将所述复合金属坯体进行轧制或冲压，得所述双金属复合材料。
本发明的双金属复合材料由两种物化性质相差较大的两种金属复合而成，主要表现为喷射沉积金属的熔点大于基体金属的熔点，且喷射沉积金属的熔点是基体金属的熔点的1.1-2.0倍。在制备时，先将高熔点的喷射沉积金属进行熔化，制得熔融液；然后将熔融液脱氧后注入喷射雾化系统，使熔融液雾化后，以一定的雾化射流速度喷射沉积至低熔点的基体金属表面，利用高熔点喷射沉积金属熔融液的过热度和结晶潜热带来的热能以及雾化射流的冲击动能共同作用于基体金属，以实现两种金属的冶金结合，无需对基体金属进行预热，不仅简化了工艺，且可降低能耗及成本；最后对喷射沉积后的金属坯体进行轧制或冲压，以提升双金属复合材料的致密度和光洁度。
同时，若喷射沉积金属相对于基体金属的熔点过低(如喷射沉积金属的熔点小于基体金属的熔点的1.1倍)，喷射沉积金属熔融液的过热度和结晶潜热带来的热能以及雾化射流的冲击动能较低，则无法实现两种金属的冶金结合；若喷射沉积金属相对于基体金属的熔点过高(如喷射沉积金属的熔点大于基体金属的熔点的2.0倍)，则喷射沉积金属熔融液的过热度和结晶潜热带来的热能以及雾化射流的冲击动能较高，易使基体金属击穿，同样无法获得双金属复合材料。此外，喷射沉积金属与基体金属的熔点差还与基体金属的厚度有关，基体金属的厚度越薄，则所需实现冶金结合的双金属的熔点差则越小。
优选的，所述喷射沉积金属的熔点是所述基体金属的熔点的1.2-2.0倍；更优选的，所述喷射沉积金属的熔点是所述基体金属的熔点的1.2-1.5倍。
作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述熔融液的雾化射流速度为20-300米/秒，一定的雾化射流速度将赋予雾化喷射沉积金属以一定的冲击动能。
优选的，所述雾化射流速度为200-300米/秒。
作为上述方案的进一步改进，所述喷射沉积金属选自钢、铸铁、钛及其合金、铜及其合金中的任一种；所述基体金属选自合金钢、铸铁、铜及其合金、铝及其合金、铅、锡合金中的任一种。
具体地，喷射沉积金属的熔点相对于基体金属更高，如高熔点的钢(熔点为1500℃)与低熔点的铜(熔点为1083.4℃)、高熔点的铜与低熔点的铝(熔点为660℃)、高熔点的钛(熔点为1668℃)与低熔点的铜、高熔点的钢与低熔点的铝、以及他们的合金组合等，本发明所指的高熔点与低熔点均为相对值，一般需保证喷射沉积金属的熔点是基体金属的熔点的1.1-2.0倍即可。
优选的，所述铜合金选自锡青铜、铬锆铜、铝青铜、铜锰镍合金中的任一种。
具体地，铜或铜合金的选择主要由金属复合材料的性能决定，如需铜层有高的导电率，可采用纯铜，而铬锆铜在保持好的电导率前提下具有高强度和耐磨性，例如高铁电网线。喷射沉积还是制备高锡青铜的极佳工艺：铸造工艺生产锡青铜的含锡量很难大于8％，而喷射成形高锡青铜的含锡量可达16％，而且具有好的冷挤压或拉拔成形能力。在应用方面，ITER(国际热核聚变)核聚变发电装置作为锡的载体与Nb反应生成超导项Nb3Sn。其它高端铜合金选项还有喷射成形铜锰镍合金被用作钻杆的结构材料，其机械性能(Rm 1000MPa以上)与高强度钢、钛合金或铜铍合金相当，但因为它是非磁性的，所以可以用于包含传感器和电子元件的杆件，用于定向；喷射成形铝青铜，除了屈服强度接近1000MPa，还具有优异的可焊性、可加工性，已广泛应用于制作弯管工具、深冲工具、注塑模具部件。
优选的，所述铝合金选自6系铝合金或7系铝合金；进一步优选的，所述6系铝合金为6063铝合金，所述7系铝合金为7055铝合金。
具体地，铝或铝合金的选择主要也是由金属复合材料的性能决定，如6063铝合金兼有好的导电、导热、强度和耐蚀性能；而7055铝合金，其拉伸和屈服强度在700MPa左右，与铬锆铜形成复合结构材料可用于高强度导电场合，如高铁网线可做成铬锆铜包覆在喷射成形的7055芯棒上，然后轧制成双金属高铁网线，可实现大幅减重和降低成本。
作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述喷射的距离为300-1000mm。
具体地，一定的喷射距离，可保证喷射沉积金属熔融液雾化射流具有最佳的冲击动能，以利于两种金属的冶金结合。
作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述惰性气体为氮气或氩气，所述雾化的压力为3-10大气压，所述熔融液的雾化射流沉积面温度相对所述基材金属熔点的过热度为100-600℃。熔融液的喷射沉积工艺条件主要依据喷射沉积金属成分及双金属的差异进行设定。
优选的，所述熔融液的雾化射流沉积面温度相对所述基材金属熔点的过热度为300-500℃；更优选的，所述熔融液的雾化射流沉积面温度相对所述基材金属熔点的过热度为380-450℃。
作为上述方案的进一步改进，步骤(3)中，所述轧制或冲压的温度低于所述基体金属的熔点。
优选的，当双金属为铜-铝复合材料时，所述轧制或冲压的温度为400-550℃，所述轧制或冲压的压力为50-500MPa。
具体地，喷射沉积后的双金属材料的自由沉积表面不够平整，如喷射沉积的铜层的致密度一般为98％左右，通过轧制或压制可使其覆层表面光洁平整、致密。在一定的温度和压力下进行轧制或压制，可保证双金属有足够的工艺性能，而不致破坏双金属的冶金结合。同时，还可通过压力加工实现特殊截面或形状的精密成形。
作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述基体金属在被喷射沉积之前还包括对其进行表面铣削加工的步骤，所述铣削的刀痕深度为0.1-5mm。
具体地，基体金属进行表面铣削机械加工的目的主要有两个，一是采用铣床把基体金属待覆层的表面在干净条件下，则可不加切削液，铣削一遍，以清除表面污渍和较严重的氧化皮；二是把基体金属待覆层的表面粗糙化，控制铣削刀痕深度为0.1-5mm，这样较粗糙的表面更利于覆层界面实现冶金结合。
本发明的第二方面提供了一种双金属复合材料。
具体地，一种双金属复合材料，所述双金属复合材料由本发明第一方面所述的制备方法制得，所述双金属包括基体金属和喷射沉积金属，所述喷射沉积金属的熔点是所述基体金属的熔点的1.2-2.0倍；所述基体金属和所述喷射沉积金属的界面形成冶金结合。
本发明的双金属复合材料由两种熔点相差较大的基体金属和喷射沉积金属复合而成，复合后的双金属具有完好的冶金结合界面，具有优异的复合金属性能，如导电性、导热性和散热性等。
作为上述方案的进一步改进，所述双金属的形状包括平板形、圆柱形、圆管形或异形。
具体地，本发明采用喷射沉积法制备的双金属复合材料，不仅适用于平板形，其他形状，如圆柱形、圆管形，甚至异形均适用。
本发明的上述技术方案相对于现有技术，至少具有如下技术效果或优点：
(1)本发明的双金属复合材料在制备时，先将高熔点的喷射沉积金属进行熔化，制得熔融液并使之雾化后，以一定的雾化射流速度喷射沉积至低熔点的基体金属表面，利用高熔点喷射沉积金属熔融液的过热度和结晶潜热带来的热能以及雾化射流冲击动能共同作用于基体金属，以实现两种金属的冶金结合，无需对基体金属进行预热，不仅简化了工艺，且可降低能耗及成本。本发明所制备的双金属复合材料具有完好的冶金结合界面，赋予了复合金属材料良好的导电性、导热性和散热性等。
(2)将本发明的双金属复合材料的制备方法应用于Al-Cu复合板的生产，所制备的Al-Cu复合板，其导电电阻的比率低至0.856，具有良好的界面电导性。
附图说明
图1为实施例1制得的Cu-Al复合板坯体的锯切截面图；
图2为实施例1制得的Cu-Al复合板的抛光横截面图；
图3为实施例1制得的Cu-Al复合板结合层喷射态金相显微结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述发明内容对本发明作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围。同时下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品；未详细提及的工艺步骤或制备方法为均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或制备方法。
实施例1
一种纯铜-6063铝合金复合板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纯铜在石墨坩埚炉衬的感应炉内熔化，熔化温度为1200℃，得铜液；然后加入0.2wt％磷铜(15％P)除气，并进行搅拌以保证磷铜熔化，扒渣；再以钟罩压入0.02wt％金属镁做二次脱氧；最后将铜液注入喷射雾化系统，雾化的气体为氮气，雾化压力为5大气压；铜液雾化射流沉积面温度相对基材熔点的过热度为434℃，喷射沉积金属的熔点是基体金属熔点的1.67倍；
(2)先对6063铝合金基材板(尺寸25mm厚、350mm宽、2000mm长)进行表面铣削机械加工，即采用铣床把6063铝合金基材板待覆层的表面在不加切削液条件下铣削一遍，以清除表面污渍和较严重的氧化皮，同时控制铣削恨痕深度在0.5mm，得处理后的6063铝合金基材板；然后在氮气保护下将其放置于喷射室中的进料端；再由一传动机构将其送至步骤(1)的喷射射流下，开始喷射，雾化射流的速度为280米/秒，喷射距离为500mm；其中：铜液的射流通过一喷嘴摆动机构做相对于6063铝合金基材板运动方向的横向往复摆动，其摆幅可调，使得铜液射流在6063铝合金基材板上均匀沉积并实现冶金结合；同时，6063铝合金基材板的进给速度可调，可根据检测到的喷射覆层厚度来调整基材板的进给速度；
(3)采用辅助机构将待喷射沉积的6063铝合金基材板依次连续送至铜液的喷射射流下连续生产，完成喷射沉积的双金属板送到喷射室(氮气保护下)的另一端停放，但在整炉铜液喷射完成以前不出喷射室，而是在氮气保护下以防止氧化，双金属板冷却后出喷射室，裁成合适尺寸，得Cu-Al复合板坯体；
(4)将步骤(3)制得的Cu-Al复合板坯体在氮气保护下进入在线加热炉，加热炉的温度调至550℃，然后在压力为100MPa条件下进行冲压，得本实施例的Cu-Al复合板。
图1为实施例1制得的Cu-Al复合板坯体的锯切截面图和抛光横截面图，尺寸为24mm(Al)+16mm(Cu)厚、100mm宽、150mm长。由图1可知，经喷射沉积后的Cu-Al复合板坯体的横截面呈现出完好的冶金结合。
图2为实施例1制备的Cu-Al复合板的抛光横截面图，由图2可知，经压制后的Cu-Al复合板的致密度相对于图1有了大幅度提升。
图3为实施例1制得的为Cu-Al复合板结合层喷射态金相显微结构图，图中，左下为6063铝合金，右上为纯铜，中间为过渡组织。由图3可知，本发明制得的Cu-Al复合板的Cu-Al界面已达到冶金结合。
实施例2
一种铬锆铜合金-7055铝合金复合板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铬锆铜合金在镁砂坩埚炉衬的感应炉内熔化，熔化温度为1190℃，得铜合金液；然后加入铜镁中间合金脱氧，并进行搅拌扒渣；最后将铜合金液注入喷射雾化系统，雾化的气体为氮气，雾化压力为6大气压；铜液雾化射流沉积面温度相对基材熔点的过热度为448℃，沉积金属的熔点是基体金属熔点的1.71倍；
(2)先对7055铝合金基材板(尺寸25mm厚、350mm宽、2000mm长)进行表面铣削机械加工，即采用铣床把7055铝合金基材板待覆层的表面在不加切削液条件下铣削一遍，以清除表面污渍和较严重的氧化皮，同时控制铣削痕深度在1mm，得处理后的7055铝合金基材板；然后在氮气保护下将其放置于喷射室中的进料端；再由一传动机构将其送至步骤(1)的喷射射流下，开始喷射，雾化射流的速度为250米/秒，喷射距离为550mm；其中：铜合金液的射流通过一喷嘴摆动机构做相对于7055铝合金基材板运动方向的横向往复摆动，其摆幅可调，使得铜液射流在7055铝合金基材板上均匀沉积并实现冶金结合；同时，7055铝合金基材板的进给速度可调，可根据检测到的喷射覆层厚度来调整基材板的进给速度；
(3)采用辅助机构将待喷射沉积的7055铝合金基材板依次连续送至铜液的喷射射流下连续生产，完成喷射沉积的双金属板送到喷射室(氮气保护下)的另一端停放，但在整炉铜合金液喷射完成以前不出喷射室，而是在氮气保护下以防止氧化，双金属板冷却后出喷射室，裁成合适尺寸，得Cu-Al复合板坯体；
(4)将步骤(3)制得的Cu-Al复合板坯体在氮气保护下进入在线加热炉，加热炉的温度调至580℃，然后在压力为100MPa条件下进行冲压，得本实施例的Cu-Al复合板。
实施例3
一种高强钢H13-铬锆铜合金复合板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将高强钢H13在感应炉内熔化，熔化温度为1605℃，得钢液；然后加入0.15wt％FeSi75除气，扒渣；最后将钢液注入喷射雾化系统，雾化的气体为氮气，雾化压力为9大气压；钢液雾化射流沉积面温度相对基材熔点的过热度为398℃，沉积金属的熔点是基体金属熔点的1.37倍；
(2)先对铬锆铜合金基材板(尺寸25mm厚、350mm宽、2000mm长)进行表面铣削机械加工，即采用铣床把铜基材板待覆层的表面在不加切削液条件下铣削一遍，以清除表面污渍和较严重的氧化皮，同时控制铣削恨痕深度在1.5mm，得处理后的铬锆铜合金基材板；然后在氮气保护下将其放置于喷射室中的进料端；再由一传动机构将其送至步骤(1)的喷射射流下，开始喷射，雾化射流的速度为280米/秒，喷射距离为550mm；其中：钢液的射流通过一喷嘴摆动机构做相对于铬锆铜合金基材板运动方向的横向往复摆动，其摆幅可调，使得钢液射流在铬锆铜合金基材板上均匀沉积并实现冶金结合；同时，铬锆铜合金基材板的进给速度可调，可根据检测到的喷射覆层厚度来调整基材板的进给速度；
(3)采用辅助机构将待喷射沉积的铬锆铜合金基材板依次连续送至钢液的喷射射流下连续生产，完成喷射沉积的双金属板送到喷射室(氮气保护下)的另一端停放，但在整炉铜液喷射完成以前不出喷射室，而是在氮气保护下以防止氧化，双金属板冷却后出喷射室，裁成合适尺寸，得高强钢H13-铬锆铜合金复合板坯体；
(4)将步骤(3)制得的高强钢H13-铬锆铜合金复合板坯体在氮气保护下进入在线加热炉，加热炉的温度调至900℃，然后在压力为150MPa条件下进行冲压，得本实施例的高强钢H13-铬锆铜合金复合板。
对比例1
市售的Cu-Al复合板，型号为：25x100x150mm，该复合板由6063铝合金与纯铜爆炸成形，尺寸为15mm(Al)+10mm(Cu)厚、100mm宽、150mm长。
性能测试
将实施例1制得的Cu-Al复合板与对比例1的Cu-Al复合板裁切成相同的测试样品尺寸9mm(Al)+7mm(Cu)厚、60mm宽、73mm长，在检测电流为100A的条件，测试两块复合板的界面导电电阻，测试结果如表1所示。
表1：实施例1和对比例1的Cu-Al复合板的界面导电电阻对比表
| 测试样品 | Al-Al(μΩ) | Cu-Al(μΩ) | 比率X |
| 实施例1 | 3.67 | 3.14 | 0.856 |
| 对比例1 | 3.72 | 3.30 | 0.888 |
表1中比率X＝(Cu-Al，μΩ)/(Al-Al，μΩ)，且X值越小，说明Cu-Al界面的电阻越小，由表1可知，本发明采用喷射沉积方法所制得的Cu-Al复合板的界面电导性能明显优于常规爆炸成形的Cu-Al复合板的界面电导性能。
对于本发明所属技术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简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。上述实施例为本发明的优选实施例，凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化，均应属于本发明的保护范畴。
Claims (10)
1.一种双金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述双金属包括基体金属和喷射沉积金属，所述喷射沉积金属的熔点是所述基体金属的熔点的1.1-2.0倍；所述制备方法包括以下步骤：
(1)金属熔炼：将所述喷射沉积金属进行熔化，得熔融液；
(2)喷射沉积：将所述熔融液雾化后，在惰性气体保护下喷射沉积至所述基体金属的表面，得复合金属坯体；
(3)压力加工：将所述复合金属坯体进行轧制或冲压，得所述双金属复合材料。
2.根据权利要求1所述的双金属复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述熔融液的雾化射流速度为20-300米/秒。
3.根据权利要求1所述的双金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述喷射沉积金属选自钢、铸铁、钛及其合金、铜及其合金中的任一种；所述基体金属选自合金钢、铸铁、铜及其合金、铝及其合金、铅、锡合金中的任一种。
4.根据权利要求1所述的双金属复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述喷射的距离为300-1000mm。
5.根据权利要求1所述的双金属复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述惰性气体为氮气或氩气；所述雾化的压力为3-10大气压。
6.根据权利要求1所述的双金属复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述熔融液的雾化射流沉积面温度相对所述基材金属熔点的过热度为100-600℃。
7.根据权利要求1所述的双金属复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述轧制或冲压的温度低于所述基体金属的熔点。
8.根据权利要求1所述的双金属复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述基体金属在被喷射沉积之前还包括对其进行表面铣削加工的步骤，所述铣削的刀痕深度为0.1-5mm。
9.一种双金属复合材料，其特征在于，所述双金属复合材料由权利要求1至8任意一项所述的制备方法制得，所述双金属包括基体金属和喷射沉积金属，所述喷射沉积金属的熔点是所述基体金属的熔点的1.1-2.0倍；所述基体金属和所述喷射沉积金属的界面形成冶金结合。
10.根据权利要求9所述的双金属复合材料，其特征在于，所述双金属复合材料的形状包括平板形、圆柱形、圆管形或异形。
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