CN1157492C - 一种钢背双金属带材的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种钢背双金属带材的制造方法，先将待复合合金加热熔化再通过高压气体进行充分粉碎和雾化，同时进行快速冷却，最后将已冷却并处于半液态的雾化流沉积在连续移动的钢带上，载有沉积合金层的钢带随即通过轧机轧制以保证足够的界面结合力，合金层厚度和致密度。本发明可以低成本的生产各种双金属带材，尤其适合于制造地球重力场下易于重力偏析的偏晶合金材料，如铝铅轴瓦带材等。
Description
本发明涉及双金属材料的复合技术，特别提供一种钢背双金属带材的制造方法。
双金属复合带材，尤其是钢背与有色金属复合带材(铜基合金，铝基合金，铅基合金，锌基合金等)，是机械制造工程中一类用途广泛的结构材料，它的主要用途是用作轴瓦材料，高效吸振材料，热弹性材料以及新型建筑材料等，其广泛应用于机器制造、船舶、飞机、汽车、仪器仪表以及交通，建筑等最重要的工业部门，是一种关键工业材料。
现代工业中制造成卷双金属带材的主要工艺流程为带形连续浇铸工艺，粉末烧结工艺和带形连续轧制工艺三种，带形连续浇铸工艺又称铸轧工艺，是将熔化的合格的合金均速的浇铸在已预热到指定温度的钢带上，钢带连续移动，并迅速用高闪点稠化油喷射冷却，再用水喷射二次冷却，待合金凝固并粘接在钢带上后，铣去合金多余的厚度，并经轧机进一步轧合、整平，最后连续卷取成双金属带材。这种工艺的优点是生产效率高，合金与钢带一次复合成形，工艺流程较为简单，生产成本相对较低，它的缺点是不适用于具有强烈凝固偏析倾向的合金，如铝铅轴瓦合金等，后者在带形浇铸过程中第二相铅将在合金中产生严重的重力偏析现象，导致双金属带材复合制造失败。
粉末烧结工艺又称粉末冶金法，其主要工艺流程分两种，即带形连续烧结和条形块烧结法，带形连续烧结法的工艺流程是首先进行粉末制备(又分为金属粉末混合法和合金粉雾化法)，将准备好的钢带(镀铜成裸带)连续均匀地通过铺粉机，在其表面上均匀地铺撒一层待复合层的合金粉，再经预烧结炉烧结、快冷、初轧，第二次烧结，冷却后终轧至最后尺寸，这种工艺的优点是可以有效地解决合金比重偏析问题，生产效率高，适用于制备合金层较薄的双金属带材，缺点是由于粉末松散烧结时，合金层孔隙度很高，尽管经过轧制密实化，但由于孔隙处未能充分轧合，复合合金层的力学性能相对较低，同时要求烧结温度不能高于合金中某一组份的熔点，否则低熔点相将在烧结时熔化下沉，导致整个工艺流程失败。
粉末冶金法另一种工艺流程是带形连续轧制法，主要工艺原理是先用粉末冶金法制备合金条块，经多次轧制后先制备待复合合金卷材，然后再与已表面磨毛的钢卷带复合轧制制成双金属带材，为了增加合金与钢带基板的界面结合力，可以在合金带和钢带之间增加一中间层薄膜金属，以调整界面金属层的化学或物理相容性。与此工艺流程相似的还有条形块铸造法，其主要区别是前者用粉末冶金法制备合金条块，后者则采用铸板法制备合金条块，后者的优点是合金组织致密，机械性能好，缺点是易于产生凝固偏析，而粉末冶金法则恰好相反，与前述带形连续烧结法相比，带形连续轧制法的优点是具有较好的合金力学性能，且适于制备合金层较厚的双金属带材，并对合金成份可更好的适应性，缺点是工艺流程十分复杂，尤其是合金条带轧制中要经多次中间退火，最后合金带与钢带的复合轧制需要较高的形变量，以保证界面的结合强度，在这复杂的工艺流程中，只要有一环控制不当，均会导致整个工艺流程失败。
本发明的目的在于提供一种钢背双金属带材的制造方法，通过该方法可以获得成份分布均匀，第二相细小弥散的合金组织，特别适用于制备具有严重重力偏析倾向的偏晶合金。
本发明提供了一种钢背双金属带材的制造方法，其特征在于制备过程如下：
(1)将待复合合金加热熔化，并加热至液相线以上10～300℃，使之成为一种成份均匀的单相合金熔体；
(2)将预先准备好的钢带卷，以均匀的速度，连续移动通过一个封闭的雾化沉积箱；
(3)将已熔炼合格的单相合金熔体注入雾化箱中，随即用高压气体雾化喷嘴将金属液流充分粉碎形成一定空间分布的雾化流；
(4)将已冷却成半固态的金属雾化流沉积在雾化喷嘴下方连续移动的钢带上，移动速度0.5m-10m/min；
(5)载有沉积金属层的钢带连续向轧机一侧运动，同时钢带上沉积金属层完成冷却固化和与钢带初步的粘合；
(6)将前述钢带调整至合适的轧制温度，略低于低熔点金属相的熔点，随即送入轧机进行中温轧制，压下量5％～40％；
(7)将轧制双金属复合带进行连续卷取；
(8)将成卷的双金属轴瓦带材进行热处理。
本发明的待复合合金是铝基合金，Al＞50％；铜基合金Cu＞50％，锌基合金Zn＞50％；Sn基合金Sn＞50％；或Pb基合金Pb＞5％之一种，钢背材料为低碳钢。本发明使用限制性雾化喷嘴或非限制式雾化喷嘴，雾化角0.5°～60°，雾化压力4atm-40atm；喷嘴作扫描运动，其与钢带移动方向垂直，扫描方式为机械扫描或气动扫描。本发明钢带轧制前用预热或强制冷却达到预设的温度，低于合金层中出现液相的温度5～300℃，加热方式用电阻炉、高频、中频或自电阻加热。本发明合金在钢带上进行雾化沉积后立即进行中温轧制，以完成沉积层的致密化和提高沉积层与钢带表面的结合力，轧制温度为100～600℃；当沉积层中有低熔点合金时，略低于沉积合金中低熔点相的熔点。本发明轧制速度与钢带在雾化箱中移动速度相同。
本发明所述的合金加热方法可以采用燃料加热，电阻加热，高频或中频电源加热，电弧加热或等离子体加热等任何一种已知的加热技术，加热可以在大气，真空或保护性气氛下进行。本发明所述的液相线指合金相图上划分单相液相区的直线或曲线，对偏晶合金指双结点线对应的温度；本发明所述的钢卷带预热技术可以用直接电阻加热，管式炉热辐射加热或高频线圈直接加热，所述的惰性氛指Ar气或N2；本发明所述的中间包预热可以由电阻加热，中频或高频电源加热，燃料加热等任一种加热技术，预热温度一般在合金的熔点以上，以避免合金熔体在中间包中早期凝固，本发明中所述的雾化器指高压气体雾化喷嘴系统，可以是限制性雾化喷嘴或非限制型气体雾化喷嘴，接喷嘴排列方式可以是线式喷嘴也可以是环式喷嘴，雾化角变化范围1°～90°，雾化喷嘴可以是固定式或机械扫描式，惰性气体指N2或Ar，本发明所述沉积钢带轧前预热可以用管式遂道炉，也可以用高频或中频加热炉加热，加热温度一般低于沉积合金中低熔点相的熔点，例如Al-Pb合金，加热温度应低于铅的熔点(327℃)，本发明所述的轧机可以是一般的双辊轧机，也可以是三辊轧机，轧制速度控制在0.5～10m/min，轧制压下量为5％～40％，压下量过小则不足以完成组织致密化目的和增强界面结合力，压下量过大，则可能使沉积金属沿钢带方向过度形变，后者将导致合金层隆起而使钢带复合失败。
本发明的技术特点在于将液态金属的雾化技术与双金属带材的复合轧制技术有机的结合为一体，使过热的单相液态合金在很短的时间内快速冷却，形成半固态的粘性雾化流粘接在连续移动的沉积钢带上达到抑制重力偏析和细化组织结构的目的，同时在合金层完成凝固，但尚未冷至室温时及时进行中温轧制以减少组织中的孔隙度，提高合金层与界面之间的结合力。
本发明技术上的优点是显而易见的。(1)本发明的工艺流程十分紧凑，它集熔炼，雾化沉积和轧制为一体全部工艺流程在一条生产线上，即可完成，因而有效的简化了原来制备双金属合金带材相对十分复杂的工艺技术，这种短流程工艺路线不但有利于采用计算机技术进行流程控制，而且工艺流程的简化也节省了大量的厂房设备和人工成本。(2)本发明提供的技术利用雾化快冷的原理可以成功的抑制沉积合金中低熔点相可能的凝固偏析，对地球重力场下凝固偏析严重的偏晶合金，本发明技术上的优点尤其突出。(3)借助于控制雾化参数(喷射角、扫描角、沉积距离、雾化气体压力、金属流量等)可以方便地调整雾化液滴的大小，后者导致沉淀合金形成等轴细晶，这种均匀细小的等轴晶组织比铸态组织有更好的塑性加工能力，有利于进一步的中温轧制加工，利用这一特点可以扩大沉积合金的选择范围，综合所述，本发明是建立在快速凝固原理基础上的一种低成本生产优质双金属带材的高新技术路线。
附图1为本发明钢背双金属带材制备的流程示意。
下面通过实施例详述本发明。
实施例1
工艺流程如图1所示，图中(1)保温炉、(2)雾化罐、(3)雾化喷嘴、(4)加热器、(6)钢带、(7)开卷机、(8)收集器、(9)轧机、(10)收卷机、(11)坩埚。
配制6％Pb-4Si其余为Al的铝铅轴瓦合金，将合金放入一石墨坩埚中，用电阻炉加热熔化，并升温至1100℃(由Al-Pb二元相图该合金的双结点线临界温度为950℃左右)，保温20min使其充分均匀化后，将其迅速注入一中间保温包中，保温包用电阻炉预热至1000℃，中间包底部有一漏孔，使高温熔融的Al-Pb合金下注形成注流，导流孔为圆形，孔径Φ2.5mm，在导流孔下部装有一非限制性亚音速雾化喷嘴，将已由中间包底孔喷出的液态金属注流雾化粉碎(雾化参数为工业氮气，2MPa、雾化角25°，沉积距离450mm)，并将金属雾化流沉积在预先准备好的一连续移动的钢带上。钢带材料为08F钢，带宽100mm，带厚1.2mm，将钢带表面充分清洗去油后，进行机械打毛，并在卷带机的牵引下以均匀速度通过一高频感应圈，使其加热至200℃并连续通过沉积区，钢带移动速度2m/min，沉积层厚度约1mm；载有沉积金属的钢带移出雾化箱之后，通过一高频感应线圈对钢带进行二次加热，并使沉积层升温至250℃后，进入三辊轧机进行中温轧制，轧制压下量为沉积厚度的30％，最后由卷取机卷取成卷，成形后双金属带在350℃×4h条件下热处理，获得了良好的界面结合和均匀细小的金相组织。
实施例2
将工业纯Al放入一石墨坩埚，用中频感应炉加热熔化、并升温至950℃。(工业纯铝熔点660℃)，加热温度比熔点高290℃并保温20min左右，注入一中间保温包中，然后用实施例1中的步骤将高温熔体雾化后沉积在事先预备好的钢带上，(与实施例1相比一些技术参数变化为导流管直径为Φ3.5mm，雾化气体为工业氩气，雾化压力0.8MPa，钢带移动速度为3m/min，轧制压下量10％)喷轧成形后获得了良好钢/铝界面结合和工业纯Al层具有均匀细小的金相组织。
比较例1
配制同实施例1相同的铝铅合金，按本发明实施例1中的工艺参数进行双金属复合，但雾化沉积后钢带进入三辊轧机前工艺参数改为(1)不加热；(2)加热温度350℃；两种条件下合金层均出现轧裂，前者合金层出现冷裂，后者则出现热裂，二者均导致复合失败。
比较例2
选用工业纯Al，按本发明实施例2中的工艺参数与钢带复合，但雾化沉积后工艺参数改变为(1)不进行中温轧制，直接卷带；(2)轧制压下量为4％，低于本发明规定的最小值5％，两种情况下钢带与铝层的结合力很低，且沉积铝层中组织疏松，界面检查有多处分离孔洞。
Claims (6)
1、一种钢背双金属带材的制造方法，其特征在于：
(1)将待复合合金加热熔化，并加热至液相线以上10～300℃，使之成为一种成份均匀的单相合金熔体；
(2)将预先准备好的钢带卷，以均匀的速度，连续移动通过一个封闭的雾化沉积箱；
(3)将已熔炼合格的单相合金熔体注入雾化箱中，随即用高压气体雾化喷嘴将金属液流充分粉碎形成一定空间分布的雾化流；
(4)将已冷却成半固态的金属雾化流沉积在雾化喷嘴下方连续移动的钢带上，移动速度0.5m-10m/min；
(5)载有沉积金属层的钢带连续向轧机一侧运动，同时钢带上沉积金属层完成冷却固化和与钢带初步的粘合；
(6)将前述钢带调整至合适的轧制温度，略低于低熔点金属相的熔点，随即送入轧机进行中温轧制，压下量5％～40％；
(7)将轧制双金属复合带进行连续卷取；
(8)将成卷的双金属轴瓦带材进行热处理。
2.按权利要求1所述钢背双金属带材的制造方法，其特征在于：待复合合金是铝基合金，Al＞50％；铜基合金Cu＞50％；锌基合金Zn＞50％；Sn基合金Sn＞50％；或Pb基合金Pb＞5％之一种，钢背材料为低碳钢。
3.按权利要求1所述钢背双金属带材的制造方法，其特征在于：使用限制性雾化喷嘴或非限制式雾化喷嘴，雾化角0.5°～60°，雾化压力4atm-40atm；喷嘴作扫描运动，其与钢带移动方向垂直，扫描方式为机械扫描或气动扫描。
4.按权利要求1所述钢背双金属带材的制造方法，其特征在于：钢带轧制前用预热或强制冷却达到预设的温度，低于合金层中出现液相的温度5～300℃，加热方式用电阻炉、高频、中频或自电阻加热。
5.按权利要求1所述钢背双金属带材的制造方法，其特征在于：合金在钢带上进行雾化沉积后立即进行中温轧制，以完成沉积层的致密化和提高沉积层与钢带表面的结合力，轧制温度为100～600℃；当沉积层中有低熔点合金时，略低于沉积合金中低熔点相的熔点。
6.按权利要求1所述钢背双金属带材的制造方法，其特征在于：轧制速度与钢带在雾化箱中移动速度相同。
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