CN1480276A - 金属复合材料板带及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种金属复合材料板带及其制造方法，它是将粉末轧制成板带坯，然后引入到经加热保温处理的金属浸渗液中浸渗，使金属液浸渗进入粉末板带坯中，填充粉末颗粒之间的间隙，接着将粉末板带坯引出浸渗液后冷却，渗入粉末颗粒间的金属液凝固之后，即形成金属复合材料板带。本发明可以大规模机械化和自动化生产金属合金带料和金属复合材料带料，材料的性能稳定，显微组织特征具有可重复性，能耗低，生产效率高。

Description

金属复合材料板带及其制造方法

(一)技术领域

本发明涉及板带材料技术领域，具体是指一种金属复合材料板带及其制造方法。

(二)背景技术

在板带材料领域中，“复合材料”是指由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的材料，包括合金；“粉末”是指尺寸小于1mm离散颗粒的集合体，粉末颗粒形状可以为针状、角状、树枝状、纤维状、片状、粒状、瘤状、球状、不规则形状等(《粉末冶金标准手册，产品标准》，黄伯云主编，中南工业大学出版社，2000年10月第一版)。

目前，金属板带材料的生产方法主要有连铸连轧或非连续式，其过程是在结晶器一端插入引锭，形成结晶器的底，将合金液不断地浇入结晶器中，达到一定的时间或体积，开动拉坯机构，使铸坯随引锭拉出结晶器。经过二次冷却之后，再经过轧辊对已凝固板坯进行轧制形成板材，薄板坯可直接成卷，有时铸坯成一定长度称为半连续铸造，多数铸坯按一定尺寸切断，在冷却之后进行轧制，制造成冷轧板。铸坯轧制工艺的缺点是：液态合金冷却凝固过程中由液态原子转变成固态的晶体，必须经历晶体的形核长大过程，最后获得的铸态组织，虽然采取各种细化晶粒的措施，也难以保证所有的晶粒细小均匀，而且像气孔、疏松、偏析、粗晶等铸态组织的缺陷也难以避免。铸坯必须通过后续的多道次轧制过程细化晶粒，并减少铸态组织的内部缺陷。由于轧制时铸坯已成固体，要使金属固体产生较大的塑性变形需要消耗很大的能量。如果在铸坯冷却之后再进行冷轧，坯料变形消耗的能量更多，而且轧制设备承受巨大的轧制力，轧辊容易磨损。冷轧完了之后，还需要对板材进行后续退火热处理工序。并且铸坯轧制完了之后，晶粒的细化程度有限，铸坯内部的铸造缺陷也无法全部排除，而只能一定程度上减少部分缺陷组织，因此通过铸坯轧制生产板带材料的工艺也难以控制板带材料的显微组织。

粉末轧制是将粉末送入轧辊之间，轧辊转动时，由于摩擦力的作用，粉末被带入辊缝中，靠轧辊压制粉末，形成板带的一种方法。其工艺过程为：粉末轧成带坯之后进行烧结，再进行冷轧，之后进行退后热处理。当用粉末轧制方法生产复合材料时，其过程是将不同的粉末混和在一起，然后再进行轧制及烧结。对带坯进行烧结是必须经历的一道工序。烧结过程必须在特殊的保护气氛下进行高温烧结，而且持续的时间长，消耗的能源多。在烧结过程中，粉末晶粒之间发生物质的扩散、流动和化学反应，经过烧结过程之后，原始的粉末晶粒不再存在，对于纳米晶粉末，在烧结过程中晶粒很容易长大，以致难于保持纳米晶的性质。通过轧制烧结制得的粉末板材，内部总是存在一定的孔隙，要达到较高的致密度，则需要多道次的轧制和退火热处理，这就造成板料制造成本的上升。

(三)发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种金属复合材料板带及其制造方法。该方法与普通铸坯轧制板带材相比，其显微组织晶粒细小均匀，与粉末轧制烧结材料相比，材料的致密度高，且生产效率高，能耗低，产品具有良好的后续加工性能。

本发明所述的一种金属复合材料板带的制造方法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件：将粉末轧制成板带坯，然后引入到经加热保温处理的金属浸渗液中浸渗，使金属液浸渗进入粉末板带坯中，填充粉末颗粒之间的间隙，接着将粉末板带坯引出浸渗液后冷却，渗入粉末颗粒间的金属液凝固之后，即形成金属复合材料板带。

为了更好地实现本发明，所述板带坯可以先进行烧结，然后再浸渗；所述粉末轧制和板带坯浸渗均在真空环境下进行；所述粉末可以先进行加热保温，热轧制成板带坯之后再进行浸渗；所述粉末采用细小尺寸粉末进行轧制、浸渗，可以为纳米粉末；所述粉末可以是金属粉末、陶瓷粉末或非金属粉末中一种或两种以上混合物；所述金属浸渗液是金属加热熔化后处于保温状态的金属液或合金液。

本发明所述的一种金属复合材料板带，其特征是，它就是通过上述方法制备而成的。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

粉末轧制之后浸渗的工艺路线与传统粉末轧制板带料生产工艺不同之处是可以不对板带坯料进行烧结，而是将板带坯引入熔点低于粉末材料熔点的金属材料熔液中进行浸渗，在浸渗过程中粉末颗粒材料不会熔化，液态金属浸渗液渗入粉末颗粒之间，凝固之后，粉末的原始粒度尺寸被保持下来，形成细晶微观组织的板带材料，因此具有优良的性能。由于压力条件下的轧制、浸渗过程比烧结的时间短得多，消耗的能源少，所以生产粉末板带的效率高、成本低。并且通过浸渗的方法可以把材料中的孔隙率降低到与致密材料相同的程度。粉末材料轧制成板带坯后，板带坯内的孔隙为三维连通的。当排除孔隙内的气体之后，将板带坯浸渗在液体之中时，液体就会渗入板带坯孔隙之间，当板带坯中的孔隙都充满液体之后，其中的液体也是三维连通的。当把板带坯从液体中引出来，液体凝固之后，就形成了三维连通的基体，也就制得基体为三维空间连通的板带材料。当采用陶瓷粉进行轧制，然后浸渗金属液，则生产出金属基陶瓷复合板带材料。由于基体材料为金属，可以对金属陶瓷板带进行塑性变形和机械加工，制成各种形状和尺寸的零件。

(四)附图说明

图1是本发明实施例一的工艺流程和结构示意图；

图2是本发明实施例二的工艺流程和结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步地详细描述。

实施例一

如图1所示，Al₂O₃陶瓷粉末1置于料仓2中，在重力作用下处于轧辊3及轧辊15之间，轧辊3和轧辊15在转动过程中，在轧辊与粉末之间的摩擦力带动下，粉末1连续进入两轧辊之间受到轧制，粉末轧制可以是垂直送粉、水平送粉或在倾斜的方向把粉末送入轧辊之间，水平轧制时，粉末由纸带或由特殊的供料器送至轧辊。在轧辊中可以用螺旋供料器强迫供应粉末，或者采用其他方法来实现。由于强迫供粉提高了粉末颗粒堆积的密度，因此强迫供粉可以提高板带坯的密度与厚度。粉末在浸渗前的轧制过程，可以与现有的轧制过程相同。采用的轧机设备也可以相同。粉末1在高压应力条件下粘结在一起，从辊缝中出来形成具有一定强度的多孔板带坯4，板带坯4在轧辊5和轧辊14的牵引作用力下进入浸渗槽11中的熔化处于保温状态的铝合金液体6里，浸渗槽11有加热器12，用来加热和保温，由于轧辊5和轧辊14在金属浸渗液中转动，轧辊5和轧辊14表层会形成一薄层金属液膜，在轧压粉末板带坯时，在两辊之间形成较高的液体压力，使金属液浸渗进入粉末板带坯粉末颗粒之间的间隙，并牵引板带坯向前运动。轧辊7和轧辊13对板带坯进行第二次浸渗轧制，如有必要，可以有多对轧辊在金属液中对粉末板带坯进行浸渗轧制，达到粉末板带坯中的间隙全部被金属浸渗液填充的目的。轧辊8和轧辊9将浸渗完了的粉末板带坯引出金属浸渗液，并对板带坯进行精轧，使板带坯表面光洁。板带坯冷却过程中，渗入板带坯间隙中的金属浸渗液凝固，从而获得金属陶瓷复合材料10。制造获得的带材可以按一定的长度剪断，从而获得金属复合材料板；当制造获得的带材较薄时可以卷绕收集成品。

本实施例与现有工艺不同之处在于有一个粉末带坯经历浸渗的过程，制造的板带材可以达到致密材料同等的相对密度。由于粉末的熔点高于浸渗液的温度，在浸渗过程中粉末带坯在经历熔化的浸渗液过程中仍保持固态，没有熔化之后再结晶的过程，因此板带材晶粒的大小即为粉末颗粒的大小。由于轧制时采用的粉末具有较为细小的尺寸以及粒径在一定的范围，因此板带材的显微组织晶粒的尺寸大小仍保持细小，从而具有优良的性能。

在本实施例中，粉末轧制和板带坯浸渗轧制均在真空环境下进行。粉末对气体有吸附作用，当在真空环境下，粉末释放出了吸附的气体，在轧制粉末过程中，提高了粉末与轧辊之间的摩擦系数，减小了粉末进入轧辊变形区的气体阻力，因而在真空环境下可轧制出较厚的带坯。在真空环境下，也可以提高金属液体渗入粉末生坯带材粉末颗粒之间间隙的速度，并且使金属液凝固后与粉末界面形成良好的结合，从而保证粉末浸渗轧制的复合材料板带的性能质量。

本发明还可以对粉末进行热轧浸渗，在真空环境下把粉末加热到一定的温度，然后进行轧制。粉末被加热到一定的温度后，粉末材料的屈服应力会相应降低，从而易于塑性变形，有利于提高轧制板带坯的密度。同时由于粉末被加热后，金属浸渗液更容易浸渗进入粉末颗粒之间的间隙，从而可减少浸渗时间，提高生产效率。

本发明还可以采用纳米尺寸的粉末在真空环境下进行轧制，然后将带坯引入金属液中进行真空浸渗，使金属液体进入带坯粉末颗粒的间隙，然后将带坯引出金属液，带坯冷却过程中渗入的金属液凝固之后获得的板带材料的显微组织的晶粒为纳米尺寸，从而制造得到纳米复合材料板带。

在本发明中，粉末进行轧制后，可以采用常温下具有超塑性的金属材料熔化之后进行浸渗，浸渗液为锌、铅或锡。由于这些材料或其合金形成了三维连通的基体，因而此种方法制得的金属合金或金属基复合材料在常温下具有超塑性。

本实施例的粉末轧制浸渗板带材料制造设备主要由一对粉末轧制轧辊、一个浸渗槽、一对液体浸渗轧辊(也可以多对)、一对精整轧辊、粉末料斗和板带材料成品收集装置等组成。浸渗槽上有加热保温器，可以设定在一定的温度加热保温，槽中的金属浸渗液维持为液体状态，而不会冷却凝固。浸渗槽是可以上下左右转动的，当粉末轧制设备全部调试好轧出连续带坯之后，再把浸渗槽置于工作的相应位置。在生产线上可以在精轧结束后对带材采用快速冷却的措施。

实施例二

如图2所示，与实施例一相比的不同之处在于，粉末1通过一对轧辊3、15轧成板带坯后，板带坯进入烧结炉16中进行烧结，然后被板带坯导轮17引入浸渗槽11中，经一对浸渗轧辊5、14进行浸渗轧制。

具体的说，铁粉1置于料仓2中，在轧辊3、15转动过程中，在轧辊与粉末之间摩擦力的带动下，铁粉进入两轧辊之间受到高压力的轧制，铁粉之间相互粘结形成具有一定孔隙率的板带坯。板带坯在经历烧结炉16的过程中完成烧结，经导轮17，由浸渗轧辊5、14将烧结完了的粉末冶金带材引入熔化处于保温的锌液中进行浸渗、轧制，使锌液充填在铁粉带中的孔隙中，轧辊8、9将带材引出锌液并进行精整轧制，带材冷却之后，获得致密的渗锌铁合金带材10，可按一定的长度剪断，获得铁锌合金板；当制造的合金带材较薄时，可以卷绕收集成品18。由于锌耐腐蚀，而铁粉晶粒都为渗入的锌所包覆，因而制得的铁锌合金还具有防锈的功能。本实施例制备的合金显微组织铁相与锌相各自存在，铁晶粒之间相互有物理接触，而锌相存在于铁晶粒之间，锌相与铁晶粒的界面通过冶金结合，两相均匀分布。

Claims (8)

1.一种金属复合材料板带的制造方法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件：将粉末轧制成板带坯，然后引入到经加热保温处理的金属浸渗液中浸渗，使金属液浸渗进入粉末板带坯中，填充粉末颗粒之间的间隙，接着将粉末板带坯引出浸渗液后冷却，渗入粉末颗粒间的金属液凝固之后，即形成金属复合材料板带。

2.根据权利要求1所述的一种金属复合材料板带的制造方法，其特征是，所述板带坯可以先进行烧结，然后再浸渗。

3.根据权利要求1所述的一种金属复合材料板带的制造方法，其特征是，所述粉末轧制和板带坯浸渗均在真空环境下进行。

4.根据权利要求1所述的一种金属复合材料板带的制造方法，其特征是，所述粉末可以先进行加热保温，热轧之后再进行浸渗。

5.根据权利要求1所述的一种金属复合材料板带的制造方法，其特征是，所述粉末采用细小尺寸粉末进行轧制、浸渗，包括纳米粉末。

6.根据权利要求1或4或5所述的一种金属复合材料板带的制造方法，其特征是，所述粉末可以是金属粉末、陶瓷粉末或非金属粉末中一种或两种以上混合物。

7.根据权利要求1所述的一种金属复合材料板带的制造方法，其特征是，所述浸渗液是金属加热熔化后处于保温状态的金属液或合金液。

8.一种金属复合材料板带，其特征是，它就是通过权利要求1所述方法制备而成的。