專利名稱：一種鋼背雙金屬帶材的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙金屬材料的復(fù)合技術(shù)，特別提供一種鋼背雙金屬帶材的制造方法。
雙金屬復(fù)合帶材，尤其是鋼背與有色金屬復(fù)合帶材(銅基合金，鋁基合金，鉛基合金，鋅基合金等)，是機(jī)械制造工程中一類用途廣泛的結(jié)構(gòu)材料，它的主要用途是用作軸瓦材料，高效吸振材料，熱彈性材料以及新型建筑材料等，其廣泛應(yīng)用于機(jī)器制造、船舶、飛機(jī)、汽車、儀器儀表以及交通，建筑等最重要的工業(yè)部門，是一種關(guān)鍵工業(yè)材料。
現(xiàn)代工業(yè)中制造成卷雙金屬帶材的主要工藝流程為帶形連續(xù)澆鑄工藝，粉末燒結(jié)工藝和帶形連續(xù)軋制工藝三種，帶形連續(xù)澆鑄工藝又稱鑄軋工藝，是將熔化的合格的合金均速的澆鑄在已預(yù)熱到指定溫度的鋼帶上，鋼帶連續(xù)移動(dòng)，并迅速用高閃點(diǎn)稠化油噴射冷卻，再用水噴射二次冷卻，待合金凝固并粘接在鋼帶上后，銑去合金多余的厚度，并經(jīng)軋機(jī)進(jìn)一步軋合、整平，最后連續(xù)卷取成雙金屬帶材。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，合金與鋼帶一次復(fù)合成形，工藝流程較為簡單，生產(chǎn)成本相對較低，它的缺點(diǎn)是不適用于具有強(qiáng)烈凝固偏析傾向的合金，如鋁鉛軸瓦合金等，后者在帶形澆鑄過程中第二相鉛將在合金中產(chǎn)生嚴(yán)重的重力偏析現(xiàn)象，導(dǎo)致雙金屬帶材復(fù)合制造失敗。
粉末燒結(jié)工藝又稱粉末冶金法，其主要工藝流程分兩種，即帶形連續(xù)燒結(jié)和條形塊燒結(jié)法，帶形連續(xù)燒結(jié)法的工藝流程是首先進(jìn)行粉末制備(又分為金屬粉末混合法和合金粉霧化法)，將準(zhǔn)備好的鋼帶(鍍銅成裸帶)連續(xù)均勻地通過鋪粉機(jī)，在其表面上均勻地鋪撒一層待復(fù)合層的合金粉，再經(jīng)預(yù)燒結(jié)爐燒結(jié)、快冷、初軋，第二次燒結(jié)，冷卻后終軋至最后尺寸，這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地解決合金比重偏析問題，生產(chǎn)效率高，適用于制備合金層較薄的雙金屬帶材，缺點(diǎn)是由于粉末松散燒結(jié)時(shí)，合金層孔隙度很高，盡管經(jīng)過軋制密實(shí)化，但由于孔隙處未能充分軋合，復(fù)合合金層的力學(xué)性能相對較低，同時(shí)要求燒結(jié)溫度不能高于合金中某一組份的熔點(diǎn)，否則低熔點(diǎn)相將在燒結(jié)時(shí)熔化下沉，導(dǎo)致整個(gè)工藝流程失敗。
粉末冶金法另一種工藝流程是帶形連續(xù)軋制法，主要工藝原理是先用粉末冶金法制備合金條塊，經(jīng)多次軋制后先制備待復(fù)合合金卷材，然后再與已表面磨毛的鋼卷帶復(fù)合軋制制成雙金屬帶材，為了增加合金與鋼帶基板的界面結(jié)合力，可以在合金帶和鋼帶之間增加一中間層薄膜金屬，以調(diào)整界面金屬層的化學(xué)或物理相容性。與此工藝流程相似的還有條形塊鑄造法，其主要區(qū)別是前者用粉末冶金法制備合金條塊，后者則采用鑄板法制備合金條塊，后者的優(yōu)點(diǎn)是合金組織致密，機(jī)械性能好，缺點(diǎn)是易于產(chǎn)生凝固偏析，而粉末冶金法則恰好相反，與前述帶形連續(xù)燒結(jié)法相比，帶形連續(xù)軋制法的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的合金力學(xué)性能，且適于制備合金層較厚的雙金屬帶材，并對合金成份可更好的適應(yīng)性，缺點(diǎn)是工藝流程十分復(fù)雜，尤其是合金條帶軋制中要經(jīng)多次中間退火，最后合金帶與鋼帶的復(fù)合軋制需要較高的形變量，以保證界面的結(jié)合強(qiáng)度，在這復(fù)雜的工藝流程中，只要有一環(huán)控制不當(dāng)，均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工藝流程失敗。
本發(fā)明的目的在于提供一種鋼背雙金屬帶材的制造方法，通過該方法可以獲得成份分布均勻，第二相細(xì)小彌散的合金組織，特別適用于制備具有嚴(yán)重重力偏析傾向的偏晶合金。
本發(fā)明提供了一種鋼背雙金屬帶材的制造方法，其特征在于制備過程如下
(1)將待復(fù)合合金加熱熔化，并加熱至液相線以上10～300℃，使之成為一種成份均勻的單相合金熔體；(2)將預(yù)先準(zhǔn)備好的鋼帶卷，以均勻的速度，連續(xù)移動(dòng)通過一個(gè)封閉的霧化沉積箱；(3)將已熔煉合格的液態(tài)軸瓦合金注入霧化箱中，隨即用高壓氣體霧化噴嘴將金屬液流充分粉碎形成一定空間分布的霧化流；(4)將已冷卻成半固態(tài)的金屬霧化流沉積在霧化噴嘴下方連續(xù)移動(dòng)的鋼帶上，移動(dòng)速度0.5m-10m/mim；(5)載有沉積金屬層的鋼帶連續(xù)向軋機(jī)一側(cè)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)鋼帶上沉積金屬層完成冷卻固化和與鋼帶初步的粘合；(6)將前述鋼帶調(diào)整至合適的軋制溫度，略低于低熔點(diǎn)金屬相的熔點(diǎn)，隨即送入軋機(jī)進(jìn)行中溫軋制，壓下量5％～40％；(7)將軋制雙金屬復(fù)合帶進(jìn)行連續(xù)卷取；(8)將成卷的雙金屬軸瓦帶材進(jìn)行熱處理。
本發(fā)明所述的合金加熱方法可以采用燃料加熱，電阻加熱，高頻或中頻電源加熱，電弧加熱或等離子體加熱等任何一種已知的加熱技術(shù)，加熱可以在大氣，真空或保護(hù)性氣氛下進(jìn)行。本發(fā)明所述的液相線指合金相圖上劃分單相液相區(qū)的直線或曲線，對偏晶合金指雙結(jié)點(diǎn)線對應(yīng)的溫度；本發(fā)明所述的鋼卷帶預(yù)熱技術(shù)可以用直接電阻加熱，管式爐熱輻射加熱或高頻線圈直接加熱，所述的惰性氛指Ar氣或N2；本發(fā)明所述的中間包預(yù)熱可以由電阻加熱，中頻或高頻電源加熱，燃料加熱等任一種加熱技術(shù)，預(yù)熱溫度一般在合金的熔點(diǎn)以上，以避免合金熔體在中間包中早期凝固，本發(fā)明中所述的霧化器指高壓氣體霧化噴嘴系統(tǒng)，可以是限制性霧化噴嘴或非限制型氣體霧化噴嘴，接噴嘴排列方式可以是線式噴嘴也可以是環(huán)式噴嘴，霧化角變化范圍1°～90°，霧化噴嘴可以是固定式或機(jī)械掃描式，惰性氣體指N2或Ar，本發(fā)明所述沉積鋼帶軋前預(yù)熱可以用管式遂道爐，也可以用高頻或中頻加熱爐加熱，加熱溫度一般低于沉積合金中低熔點(diǎn)相的熔點(diǎn)，例如Al-Pb合金，加熱溫度應(yīng)低于鉛的熔點(diǎn)(327℃)，本發(fā)明所述的軋機(jī)可以是一般的雙輥軋機(jī)，也可以是三輥軋機(jī)，軋制速度控制在0.5～10m/min，軋制壓下量為5％～40％，壓下量過小則不足以完成組織致密化目的和增強(qiáng)界面結(jié)合力，壓下量過大，則可能使沉積金屬沿鋼帶方向過度形變，后者將導(dǎo)致合金層隆起而使鋼帶復(fù)合失敗。
本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)在于將液態(tài)金屬的霧化技術(shù)與雙金屬帶材的復(fù)合軋制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合為一體，使過熱的單相液態(tài)合金在很短的時(shí)間內(nèi)快速冷卻，形成半固態(tài)的粘性霧化流粘接在連續(xù)移動(dòng)的沉積鋼帶上達(dá)到抑制重力偏析和細(xì)化組織結(jié)構(gòu)的目的，同時(shí)在合金層完成凝固，但尚未冷至室溫時(shí)及時(shí)進(jìn)行中溫軋制以減少組織中的孔隙度，提高合金層與界面之間的結(jié)合力。
本發(fā)明技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。(1)本發(fā)明的工藝流程十分緊湊，它集熔煉，霧化沉積和軋制為一體全部工藝流程在一條生產(chǎn)線上，即可完成，因而有效的簡化了原來制備雙金屬合金帶材相對十分復(fù)雜的工藝技術(shù)，這種短流程工藝路線不但有利于采用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行流程控制，而且工藝流程的簡化也節(jié)省了大量的廠房設(shè)備和人工成本。(2)本發(fā)明提供的技術(shù)利用霧化快冷的原理可以成功的抑制沉積合金中低熔點(diǎn)相可能的凝固偏析，對地球重力場下凝固偏析嚴(yán)重的偏晶合金，本發(fā)明技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)尤其突出。(3)借助于控制霧化參數(shù)(噴射角、掃描角、沉積距離、霧化氣體壓力、金屬流量等)可以方便地調(diào)整霧化液滴的大小，后者導(dǎo)致沉淀合金形成等軸細(xì)晶，這種均勻細(xì)小的等軸晶組織比鑄態(tài)組織有更好的塑性加工能力，有利于進(jìn)一步的中溫軋制加工，利用這一特點(diǎn)可以擴(kuò)大沉積合金的選擇范圍，綜合所述，本發(fā)明是建立在快速凝固原理基礎(chǔ)上的一種低成本生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雙金屬帶材的高新技術(shù)路線。
附

圖1為本發(fā)明鋼背雙金屬帶材制備的流程示意。
下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明實(shí)施例1工藝流程如圖1所示，圖中(1)保溫爐、(2)霧化罐、(3)霧化噴嘴、(4)加熱器、(6)鋼帶、(7)開卷機(jī)、(8)收集器、(9)軋機(jī)、(10)收卷機(jī)、(11)坩堝。
配制6％Pb-4Si其余為Al的鋁鉛軸瓦合金，將合金放入一石墨坩堝中，用電阻爐加熱熔化，并升溫至1100℃(由Al-Pb二元相圖該合金的雙結(jié)點(diǎn)線臨界溫度為950℃左右)，保溫20min使其充分均勻化后，將其迅速注入一中間保溫包中，保溫包用電阻爐預(yù)熱至1000℃，中間包底部有一漏孔，使高溫熔融的Al-Pb合金下注形成注流，導(dǎo)流孔為園形，孔徑Φ2.5mm，在導(dǎo)流孔下部裝有一非限制性亞音速霧化噴嘴，將已由中間包底孔噴出的液態(tài)金屬注流霧化粉碎(霧化參數(shù)為工業(yè)氮?dú)猓?MPa、霧化角25°，沉積距離450mm)，并將金屬霧化流沉積在預(yù)先準(zhǔn)備好的一連續(xù)移動(dòng)的鋼帶上。鋼帶材料為08F鋼，帶寬100mm，帶厚1.2mm，將鋼帶表面充分清洗去油后，進(jìn)行機(jī)械打毛，并在卷帶機(jī)的牽引下以均勻速度通過一高頻感應(yīng)圈，使其加熱至200℃并連續(xù)通過沉積區(qū)，鋼帶移動(dòng)速度2m/min，沉積層厚度約1mm；載有沉積金屬的鋼帶移出霧化箱之后，通過一高頻感應(yīng)線圈對鋼帶進(jìn)行二次加熱，并使沉積層升溫至250℃后，進(jìn)入三輥軋機(jī)進(jìn)行中溫軋制，軋制壓下量為沉積厚度的30％，最后由卷取機(jī)卷取成卷，成形后雙金屬帶在350℃×4h條件下熱處理，獲得了良好的界面結(jié)合和均勻細(xì)小的金相組織。
實(shí)施例2將工業(yè)純Al放入一石墨坩堝，用中頻感應(yīng)爐加熱熔化、并升溫至950℃。(工業(yè)純鋁熔點(diǎn)660℃)，加熱溫度比熔點(diǎn)高290℃并保溫20min左右，注入一中間保溫包中，然后用實(shí)施例1中的步驟將高溫熔體霧化后沉積在事先預(yù)備好的鋼帶上，(與實(shí)施例1相比一些技術(shù)參數(shù)變化為導(dǎo)流管直徑為Φ3.5mm，霧化氣體為工業(yè)氬氣，霧化壓力0.8MPa，鋼帶移動(dòng)速度為3m/min，軋制壓下量10％)噴軋成形后獲得了良好鋼/鋁界面結(jié)合和工業(yè)純Al層具有均勻細(xì)小的金相組織。
比較例1配制同實(shí)施例1相同的鋁鉛合金，按本發(fā)明實(shí)施例1中的工藝參數(shù)進(jìn)行雙金屬復(fù)合，但霧化沉積后鋼帶進(jìn)入三輥軋機(jī)前工藝參數(shù)改為(1)不加熱；(2)加熱溫度350℃；兩種條件下合金層均出現(xiàn)軋裂，前者合金層出現(xiàn)冷裂，后者則出現(xiàn)熱裂，二者均導(dǎo)致復(fù)合失敗。
比較例2選用工業(yè)純Al，按本發(fā)明實(shí)施例2中的工藝參數(shù)與鋼帶復(fù)合，但霧化沉積后工藝參數(shù)改變?yōu)?1)不進(jìn)行中溫軋制，直接卷帶；(2)軋制壓下量為4％，低于本發(fā)明規(guī)定的最小值5％，兩種情況下鋼帶與鋁層的結(jié)合力很低，且沉積鋁層中組織疏松，界面檢查有多處分離孔洞。
權(quán)利要求
1.一種鋼背雙金屬帶材的制造方法，其特征在于(1)將待復(fù)合合金加熱熔化，并加熱至液相線以上10～300℃，使之成為一種成份均勻的單相合金熔體；(2)將預(yù)先準(zhǔn)備好的鋼帶卷，以均勻的速度，連續(xù)移動(dòng)通過一個(gè)封閉的霧化沉積箱；(3)將已熔煉合格的液態(tài)軸瓦合金注入霧化箱中，隨即用高壓氣體霧化噴嘴將金屬液流充分粉碎形成一定空間分布的霧化流；(4)將已冷卻成半固態(tài)的金屬霧化流沉積在霧化噴嘴下方連續(xù)移動(dòng)的鋼帶上，移動(dòng)速度0.5m-10m/mim；(5)載有沉積金屬層的鋼帶連續(xù)向軋機(jī)一側(cè)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)鋼帶上沉積金屬層完成冷卻固化和與鋼帶初步的粘合；(6)將前述鋼帶調(diào)整至合適的軋制溫度，略低于低熔點(diǎn)金屬相的熔點(diǎn)，隨即送入軋機(jī)進(jìn)行中溫軋制，壓下量5％～40％；(7)將軋制雙金屬復(fù)合帶進(jìn)行連續(xù)卷??；(8)將成卷的雙金屬軸瓦帶材進(jìn)行熱處理。
2.按權(quán)利要求1所述鋼背雙金屬帶材的制造方法，其特征在于待復(fù)合合金是鋁基合金，Al＞50％；銅基合金Cu＞50％，鋅基合金Zn＞50％；Sn基合金Sn＞50％；或Pb基合金Pb＞5％之一種，鋼背材料為低碳鋼。
3.按權(quán)利要求1所述鋼背雙金屬帶材的制造方法，其特征在于使用限制性霧化噴嘴或非限制式霧化噴嘴，霧化角0.5°～60°，霧化壓力4atm-40atm；噴嘴作掃描運(yùn)動(dòng)，其與鋼帶移動(dòng)方向垂直，掃描方式為機(jī)械掃描或氣動(dòng)掃描。
4.按權(quán)利要求1所述鋼背雙金屬帶材的制造方法，其特征在于鋼帶軋制前用預(yù)熱或強(qiáng)制冷卻達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度，低于合金層中出現(xiàn)液相的溫度5～300℃，加熱方式用電阻爐、高頻、中頻或自電阻加熱。
5.按權(quán)利要求1所述鋼背雙金屬帶材的制造方法，其特征在于合金在鋼帶上進(jìn)行霧化沉積后立即進(jìn)行中溫軋制，以完成沉積層的致密化和提高沉積層與鋼帶表面的結(jié)合力，軋制溫度為100～600℃；當(dāng)沉積層中有低熔點(diǎn)合金時(shí)，略低于沉積合金中低熔點(diǎn)相的熔點(diǎn)。
6.按權(quán)利要求1所述鋼背雙金屬帶材的制造方法，其特征在于軋制形變量為5％～40％，軋制速度與鋼帶在霧化箱中移動(dòng)速度相同。
全文摘要
一種鋼背雙金屬帶材的制造方法,先將待復(fù)合合金加熱熔化再通過高壓氣體進(jìn)行充分粉碎和霧化,同時(shí)進(jìn)行快速冷卻,最后將已冷卻并處于半液態(tài)的霧化流沉積在連續(xù)移動(dòng)的鋼帶上,載有沉積合金層的鋼帶隨即通過軋機(jī)軋制以保證足夠的界面結(jié)合力,合金層厚度和致密度。本發(fā)明可以低成本的生產(chǎn)各種雙金屬帶材,尤其適合于制造地球重力場下易于重力偏析的偏晶合金材料,如鋁鉛軸瓦帶材等。
文檔編號(hào)C23C4/12GK1334357SQ00110680
公開日2002年2月6日 申請日期2000年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月19日
發(fā)明者張永昌, 謝贊華, 王國志, 田沖, 徐映坤, 陳桂云, 冼愛平 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所