一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法
【專利摘要】一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，步驟如下：采用酸洗法分別將母材金屬板表面進(jìn)行清洗，去除油脂、污漬和氧化膜、烘干；將上述母材金屬板在大氣條件或氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)條件下預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150-1700℃；對上述母材金屬板或預(yù)置低熔點(diǎn)填充材料的母材金屬板采用內(nèi)冷式水冷軋輥軋制，同時(shí)連續(xù)施加超聲波和磁場，直至制得單面金屬層狀復(fù)合板。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：該焊接方法通過施加超聲和磁場，有助于控制界面反應(yīng)和強(qiáng)化傳質(zhì)過程，得到金屬間化合物顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫，細(xì)化焊縫晶粒，減小殘余應(yīng)力，有效破除氧化膜，降低或避免釬劑使用，減少對人員的毒副作用以及對結(jié)合界面的不良影響，有利于節(jié)約能源和降低環(huán)境污染。
【專利說明】一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬復(fù)合材料領(lǐng)域，特別是一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]層狀金屬復(fù)合板是采用不同的復(fù)合連接技術(shù)使兩種或兩種以上性能不同的母材金屬板實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合的新型材料。各層金屬母材仍然保持原有各自特性，綜合性能比任一單一母材金屬優(yōu)越，因此，新型異種金屬復(fù)合板材近年來受到普遍重視，在發(fā)電設(shè)備、汽車、船舶、鋼道交通、核能、機(jī)械、航天、石油、化工等中有著廣泛應(yīng)用。
[0003]層狀金屬復(fù)合板的生產(chǎn)方法，主要包括半固態(tài)壓力復(fù)合法、爆炸復(fù)合法、粉末冶金法、軋制復(fù)合法、熱浸法。
[0004]粉末冶金法的生產(chǎn)工藝是:對母材表面進(jìn)行預(yù)處理，配置粉末，將粉末均勻覆在母材表面，隨后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，經(jīng)軋制得到復(fù)合板。其特點(diǎn)在于粉末冶金工藝。缺點(diǎn)是生產(chǎn)中耗費(fèi)能源、污染環(huán)境、粉末冶金形成層較為疏松，適用于軸瓦合金帶的生產(chǎn)，參見:楊曉林.鋼背銅石墨復(fù)合板半固態(tài)復(fù)合研究[M].北京:北京交通大學(xué)，2010.6，p7 ;田沖，陳桂云，楊林，趙九洲，張永昌噴射軋制鋼/Al-Pb復(fù)合軸瓦帶材的組織與性能.材料研究學(xué)報(bào)，2004，18(1):102-107 ；
爆炸焊是固相/固相復(fù)合方法，適用于制備大厚度金屬復(fù)合板，該方法利用炸藥的高速引爆和沖擊作用將兩種或兩種以上的金屬大面積焊接在一起，優(yōu)點(diǎn)在于大部分金屬材料都可以實(shí)現(xiàn)爆炸復(fù)合，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)在于不適合制備薄膜復(fù)合板，不能連續(xù)生產(chǎn)帶材，焊接界面呈波浪形，界面組織不易控制，參見:布拉齊恩斯基著，李富勤譯，爆炸焊接成型與壓制，北京，機(jī)械工業(yè)出版社1988，p70-80。
[0005]固-固軋制復(fù)合是生產(chǎn)金屬復(fù)合板廣泛應(yīng)用的技術(shù)，通過軋制作用使雙金屬板達(dá)到接觸并形成金屬界面結(jié)合。為提高界面結(jié)合強(qiáng)度，需要很大的壓下率，進(jìn)而要求軋機(jī)龐大，因此設(shè)備投資大，參見:李靜媛、趙艷君、任學(xué)平.特種金屬材料及其加工技術(shù).冶金工業(yè)出版社，2010.ρ294-323。
[0006]半固態(tài)壓力復(fù)合法的基本工藝是:制備覆層金屬半固態(tài)漿料，將其澆注在預(yù)先進(jìn)行過表面處理的母板上，在壓力模中加壓成形，實(shí)現(xiàn)界面凝固復(fù)合。該方法不能生產(chǎn)帶材，而且存在母板氧化、復(fù)合板界面殘余應(yīng)力較大等問題，影響界面結(jié)合強(qiáng)度，參見:H.W.Liuj C.Guoj Y.Cheng, X.F.Liuj G.J.Sha0.1nterfacial strength and structure ofstainless steel - sem1-solid aluminum alloy clad metal.Materials Letters Volume60， Issue 2， January 2006， Pages 180-184。
[0007]液-固軋制法是利用液態(tài)金屬的高擴(kuò)散能力和軋制時(shí)產(chǎn)生的壓力，同時(shí)借助釬劑去除二次氧化膜，實(shí)現(xiàn)不同金屬母材的冶金結(jié)合。該方法與固-固復(fù)合軋制相比具有成型型好的優(yōu)勢，但在生產(chǎn)過程中有毒性釬劑的大量使用存在在表面、界面析出、清除困難、熱穩(wěn)定性差、腐蝕性強(qiáng)、去除氧化物效果不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，用該方法得到的復(fù)合板能滿足一般的裝飾要求，難以承受大變形的機(jī)械加工。
[0008](崔建忠、張曉博、路貴民、許光明.液-固相異種金屬軋制復(fù)合方法及設(shè)備，參見:CN1329951A;張鵬，崔建忠，杜云慧，巴立民.鋼-鋁固液相復(fù)合中浸鍍助焊劑的應(yīng)用研究.金屬學(xué)報(bào)，1997，V33 (8): 869-873。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，該制備方法通過同時(shí)施加超聲場和磁場雙物理場，能有效破除氧化膜，有助于晶粒的細(xì)化，降低或避免了釬劑對人員的毒副作用以及對異種材料界面結(jié)合的不良影響，有利于提高界面結(jié)合強(qiáng)度。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，步驟如下:
1)采用酸洗法分別將母材金屬板表面進(jìn)行清洗，去除油脂、污潰和氧化膜，并烘干備用；
2)將上述處理后母材金屬板在大氣條件或氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)條件下預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150-1700。。；
3)對上述預(yù)熱的母材金屬板或預(yù)置低熔點(diǎn)填充材料的母材金屬板采用內(nèi)冷式水冷軋輥軋制，同時(shí)連續(xù)施加超聲波和磁場，直至制得單面金屬層狀復(fù)合板。
[0011]所述母材金屬板為鋼板、鐵板、鋁板、鈦板或銅板。
[0012]所述超聲波的振動頻率為2X 14-1 X 19Hz,工具頭輸出振幅為0.01_20Mm，超聲波電源的輸出功率為0.01-5kw，工作壓力0.01?5.0MPa0
[0013]所述磁場為穩(wěn)恒磁場或交變磁場，磁場強(qiáng)度為0.001-15T,交變磁場頻率為0.0l-lOOOHz。
[0014]所述氮?dú)饣驓輾鈿夥盏臐舛葹?9-99.9999%ο
[0015]所述填充材料為Zn-A1、A1-Si或Sn_Zn，填充材料形態(tài)為粉狀、棒狀、帶狀或膏狀。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
該焊接方法通過施加超聲和磁場，有助于控制界面反應(yīng)和強(qiáng)化傳質(zhì)過程，得到金屬間化合物顆粒增強(qiáng)的復(fù)合焊縫，細(xì)化焊縫晶粒，減小殘余應(yīng)力，有效破除氧化膜，降低或避免釬劑使用，減少對人員的毒副作用以及對結(jié)合界面的不良影響，有利于節(jié)約能源和降低環(huán)境污染。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是外場輔助異種金屬材料軋制設(shè)備示意圖。
[0018]圖2是采用不同形狀超聲施加裝置的外外場輔助異種金屬材料軋制設(shè)備示意圖。
[0019]圖3是熔化低熔點(diǎn)金屬的外場輔助異種金屬材料軋制設(shè)備示意圖。
[0020]圖4是熔化填充材料而母材不熔化的外場輔助異種金屬材料軋制設(shè)備示意圖。
[0021]圖5是氣氛保護(hù)條件下外場輔助異種金屬材料軋制設(shè)備示意圖。
[0022]圖6是顆粒增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)焊縫的微觀組織示意圖。
[0023]圖中:1.超聲波施加裝置 2.低熔點(diǎn)母材 3.加熱裝置 4.磁場 5.內(nèi)冷式水冷軋輥 6.高熔點(diǎn)母材 7.填充材料 8.保護(hù)氣氛。

【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行說明。
[0025]實(shí)施例1:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，步驟如下:
1)將純鋁板和純鐵板表面采用酸洗法清洗，去除油脂、污潰和氧化膜，并烘干備用；
2)將上述處理后純鋁板和純鐵板在大氣條件下預(yù)熱至溫度為350°C；
3)對上述預(yù)熱的純鋁板和純鐵板采用內(nèi)冷式水冷軋輥軋制，同時(shí)連續(xù)施加超聲波和磁場，如圖1所示:開啟超聲波設(shè)備連續(xù)施加超聲作用，超聲波施加裝置由換能器、變幅桿、工具頭組成，可施加橫向和縱向超聲波，超聲頻率為3X 14Hz,工具頭輸出振幅為lOMm，超聲波電源的輸出功率為3kW,工作壓力3Mpa ;開啟磁場設(shè)備連續(xù)施加磁場作用,磁場裝置由電磁鐵構(gòu)成能夠產(chǎn)生交變磁場，磁場強(qiáng)度為5T，交變磁場頻率為1Hz ;傳輸純鐵板并與純鋁板接觸，金屬板傳輸速度為100mm/s,經(jīng)軋棍軋制后,在冷卻速度300°C /min下冷卻,最終制得單面金屬層狀純鋁板-純鐵復(fù)合板，如圖6所示。
[0026]實(shí)施例2:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，步驟與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于:所使用的超聲波施加裝置的超聲頭的形狀不同，包括滾輪型、柱型、倒喇叭型，如圖2所示。
[0027]實(shí)施例3:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，步驟與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于:鋁板被加熱熔化，如圖3所示。
[0028]實(shí)施例4:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，步驟與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于:在純鋁板和純鐵板之間預(yù)置低熔點(diǎn)填充材料，成份為Zn-Al合金，如圖4所示。
[0029]實(shí)施例5:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于:在純鋁板和純鐵板之間使用填充材料，成份為Sn-Zn合金，如圖4所示。
[0030]實(shí)施例6:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，步驟與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于:軋制在氮?dú)鈿夥諚l件下進(jìn)行，氮?dú)鉂舛葹?9.99%，如圖5所示。
【權(quán)利要求】
1.一種雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，其特征在于步驟如下: 1)采用酸洗法分別將母材金屬板表面進(jìn)行清洗，去除油脂、污潰和氧化膜，并烘干備用； 2)將上述處理后母材金屬板在大氣條件或氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)條件下預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150-1700。。； 3)對上述預(yù)熱的母材金屬板或預(yù)置低熔點(diǎn)填充材料的母材金屬板采用內(nèi)冷式水冷軋輥軋制，同時(shí)連續(xù)施加超聲波和磁場，直至制得單面金屬層狀復(fù)合板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，其特征在于:所述母材金屬板為鋼板、鐵板、鋁板、鈦板或銅板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，其特征在于:所述超聲波的振動頻率為2 X 14-1 X 19Hz,工具頭輸出振幅為0.01-20Mm,超聲波電源的輸出功率為0.01-5kW，工作壓力0.01?5.0MPa0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，其特征在于:所述磁場為穩(wěn)恒磁場或交變磁場，磁場強(qiáng)度為0.001-15T，交變磁場頻率為0.01-1OOOHz0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，其特征在于:所述氮?dú)饣驓鍤鈿夥盏臐舛葹?9-99.9999%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙物理場輔助單面金屬層狀復(fù)合板的制備方法，其特征在于:所述填充材料為Zn-Al、Al-Si或Sn-Zn,填充材料形態(tài)為粉狀、棒狀、帶狀或膏狀。
【文檔編號】B21B1/38GK104438323SQ201410591155
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】王謙, 李云濤, 褚亮, 張行 申請人:天津理工大學(xué)