本發(fā)明涉及復合板材制備技術，尤其涉及一種鋼-耐磨銅合金復合板材、其制備裝置和制備方法。

背景技術：

銅鉛(cu-pb)合金承載能力強，在高速高壓下工作具有較高的疲勞強度和耐磨性，導熱性高，摩擦系數(shù)低，耐磨耐蝕性能好，是理想的自潤滑減摩材料。和鋼復合后組成鋼-銅鉛合金復合材料，兼具了銅鉛合金的耐磨性和鋼的強度，因此鋼-銅鉛合金復合材料是發(fā)展新型汽車的主導軸瓦材料之一。

目前銅鋼復合板材的制備方法主要有兩種，熱軋復合法和液軋復合法。前者分別對兩種金屬的鑄坯進行銑面、熱軋后得到板坯，然后打磨和清洗去除氧化皮，最后進行多道次的熱軋變形得到雙層金屬復合材料。后者先對鋼板進行表面處理后預熱至600-700℃左右，將熔化好的銅熔體澆鑄在鋼板上表面進行復合，得到雙金屬復合板材。但是現(xiàn)有的技術均不適合銅鉛合金-鋼復合材料的制備：一方面銅鉛合金是典型的偏晶合金，元素存在明顯的密度差，常規(guī)凝固過程中易產生嚴重的比重偏析；另一方面銅和鋼高溫下極易氧化，加熱時銅和鋼的表面會生成大量的氧化皮，嚴重影響復合效果和復合材料的力學性能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有銅鋼復合板材生產方法存在的諸多問題，提出一種鋼-耐磨銅合金復合板材的制備裝置，該裝置結構合理、緊湊，采用其制備的鋼-耐磨銅合金復合板材能消除銅鉛合金的比重偏析和因表面氧化造成的復合質量差的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：一種鋼-耐磨銅合金復合板材的制備裝置，包括依次設置的表面處理單元，保護氣感應預熱單元，感應熔煉單元和半固態(tài)軋制復合單元，所述表面處理單元、保護氣感應預熱單元及半固態(tài)軋制復合單元中穿設有供下層鋼板穿過的長方形通道，所述表面處理單元、保護氣感應預熱單元內的長方形通道的尺寸與待處理鋼板截面尺寸一致；

所述表面處理單元包括上表面打磨裝置、下表面打磨裝置、清洗裝置和干燥裝置；所述上表面打磨裝置、清洗裝置和干燥裝置依次設置在長方形通道上方，所述下表面打磨裝置設置在長方形通道下方、且與上表面打磨裝置相配合；

所述保護氣感應預熱單元包括真空罩、預熱高頻感應線圈、高頻磁場電源、和保護氣體罐，所述保護氣體罐與真空罩連通，所述預熱高頻感應線圈設置在真空罩內，所述高頻磁場電源與預熱高頻感應線圈電聯(lián)，所述長方形通道穿設在真空罩的預熱高頻感應線圈中；

所述感應熔煉單元包括高頻感應加熱裝置，所述感應熔煉單元底部設有用于控制出液口開合的閉合開關，所述閉合開關設置在長方形通道上方；

所述半固態(tài)軋制復合單元包括正火高頻感應線圈、為正火高頻感應線圈供電的高頻感應加熱電源和上下配合設置兩個軋輥，所述兩個軋輥為同步熱軋軋輥，所述軋輥內部設有冷卻水道，所述兩個軋輥分別設置在長方形通道上下兩側；所述長方形通道在經過兩個軋輥后穿設在正火高頻感應線圈中。

進一步地，所述真空罩穿設長方形通道的開口處設置有密封圈。

進一步地，所述上表面打磨裝置、下表面打磨裝置為表面粗糙度為ra100-200μm的金剛石磨片；所述干燥裝置包括干燥輪。

本發(fā)明的另一個目的還公開了一種鋼-耐磨銅合金復合板材的制備方法，采用上述鋼-耐磨銅合金復合板材的制備裝置，所述鋼-耐磨銅合金復合板材的制備方法包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)實際使用要求選擇銅鉛合金和鋼板，確定鋼-耐磨銅合金復合板材質、厚度和層厚比，鋼板使用前使用清洗液進行去氧化預處理，經清水沖洗后烘干；

步驟2：閉合感應熔煉單元的下方的閉合開關，在感應熔煉單元內加入銅鉛合金，對銅鉛合金進行電磁感應熔煉；

步驟3：銅鉛合金熔化后通過調節(jié)感應熔煉單元的功率使銅鉛合金保溫；

步驟4：調節(jié)軋輥的轉速和軋輥內冷卻水流量，根據(jù)目標產品(鋼-耐磨銅合金復合板材)層厚調整兩個軋輥間的輥縫，使輥縫距離等于目標產品厚度，軋輥進入空轉待機狀態(tài)；

步驟5：將鋼板推送置表面處理單元內的長方形通道入口，對鋼板依次進行上下表面打磨、上表面清洗、上表面干燥處理；

步驟6：干燥處理后的鋼板推送至保護氣感應預熱單元，在保護氣氛下進行高頻感應預熱；

步驟7：預熱后的鋼板傳送至感應熔煉單元下方時，打開感應熔煉單元的閉合開關，使銅鉛合金均勻鋪展到鋼板表面，銅鉛合金與鋼板接觸迅速冷卻至半固態(tài)狀態(tài)；通過表面處理單元和預熱單元對鋼板進行打磨、清洗和保護氣感應加熱預處理，確保鋼板的復合界面沒有氧化層存在；

步驟8：在鋼板繼續(xù)向前推送的過程中，使銅鉛合金保持半固態(tài)漿料狀態(tài)；

步驟9：保持半固態(tài)漿料狀態(tài)的半固態(tài)銅鉛合金與鋼板進入軋輥腔內進行半固態(tài)-固態(tài)軋制，制成鋼-耐磨銅合金復合板材。

步驟10：感應加熱正火，消除應力，制成鋼-耐磨銅合金復合板材。

進一步地，步驟1中鋼板材質包括但不限于304不銹鋼、q235鋼或10號鋼；所述鋼板厚度為2-50mm；所述銅鉛合金中鉛含量為15-45％wt；所述去氧化預處理浸蝕時間為1-2分鐘。

進一步地，步驟3中銅鉛合金保溫溫度為1100-1300℃。

進一步地，步驟5中打磨時間為0.5-2.5分鐘；清洗采用濃度10％wt的乙醇溶液，清洗掉鋼板上表面的研磨屑；干燥采用干燥輪，所述干燥輪表面采用吸水材料，溫度80-90℃，烘干時間0.5-2.5分鐘。

進一步地，步驟6預熱溫度為800-900℃，保護氣體為氬氣和/或氮氣，流量為5-15l/min，保護氣體能防止預熱過程中鋼板表面發(fā)生氧化。預熱裝置為高頻感應加熱，采用通電銅螺線管。通電線管產生的磁感應強度：

其中，n為單位長度的砸數(shù)，β2和β1為螺線管左端和右端連線與z軸的夾角。磁通量ф為磁通量與加熱部分的截面積的乘積。

φ＝bz·s

因此被加熱的金屬陶瓷復合材料中產生的感應電流:

其中f通電電流頻率，r為加熱部分電阻，可由金屬陶瓷復合材料部分的高度l，截面積s和電阻率ρ求得。

因此此部分金屬陶瓷復合材料內部產生的熱效應為：

q＝i2^rt(4)

由此可計算處通電線圈在鋼板中產生的熱量，此熱量會引起鋼板的溫度變化，從而達到快速預熱效果：

施加高頻磁場時，電磁滲透深度由電流頻率決定，可以由下式計算：

式中，σ是電導率，μ是粘度系數(shù)，f是磁場頻率。

因此高頻感應加熱的電流、頻率均可根據(jù)實際情況利用公式4-6計算得出，感應加熱頻率約在10000-20000hz之間，電流200-500a。

進一步地，步驟7中，銅合金熔體澆鑄到預熱鋼板之后，二者接觸后在界面處發(fā)生熱交換，如圖1所示。

銅合金液與鋼板的熱流可表示為：

qe＝he(tc-tl)

(7)

式中，qe為銅合金液傳遞給鋼板的熱流；he為銅合金液與鋼板的對流換熱系數(shù)；tc為銅合金液澆注溫度；tl為銅合金液液相線溫度。

對流換熱系數(shù)he可借助于流體受迫垂直面的對流傳熱公式計算得到：

式中，he為銅合金液與坯殼的對流換熱系數(shù)；ρ為銅合金密度；c為銅合金熱容；v為凝固前沿銅合金液運動速度；η為銅合金液粘度；λ為銅合金液導熱系數(shù)；l為接觸長度。

由此可以推算出銅合金熔體與預熱鋼板接觸后的溫度變化，通過控制銅合金的澆注溫度來控制接觸后銅合金的固態(tài)率。

進一步地，步驟8中半固態(tài)漿料狀態(tài)中固態(tài)率為40-70％；推送過程為10-30s，為銅鉛合金和鋼板提供充足的擴散時間。

進一步地，步驟9中控制軋制道次壓下率為30-60％，軋輥直徑300mm，軋輥轉速與工藝參數(shù)相關。由于軋輥內部通有冷卻水，因此此處傳熱由兩部分組成，如圖2所示。

假設半固態(tài)的銅合金層內部溫度梯度為0，且半固態(tài)銅合金與軋輥壁間緊密接觸，無氣隙。則半固態(tài)銅合金與軋輥壁之間的傳熱計算與步驟7一致。

軋輥壁內外側存在溫差，由于溫度梯度的作用，熱量會從半固態(tài)銅合金一側向冷卻水側傳遞，軋輥外壁內部的熱流密度在一維穩(wěn)定狀態(tài)下可以表示為：

式中，qm為軋輥外壁內部的熱流密度；δ為軋輥壁的厚度；t1為軋輥壁內表面溫度；t2為軋輥壁外表面溫度；λm軋輥壁的導熱系數(shù)，數(shù)值可以根據(jù)以下公式進行確定λm＝11.45+0.0106t，

軋輥壁與冷卻水界面?zhèn)鳠釣閺娖葘α鲹Q熱，由冷卻水對流運動帶走的熱流計算：

qw＝hw(t1-tw)

式中，qw為冷卻水對流運動帶走的熱流；hw為冷卻水與軋輥壁的對流換熱系數(shù)；t1為軋輥壁內表面溫度；tw為冷卻水平均溫度。

一般熱軋軋輥使用60crmnmo合金鍛鋼，可查出其比熱容、對流換熱等系數(shù)，根據(jù)以上公式，可計算出軋輥冷卻水量為60-240l·h^-1.由此推算出軋輥轉速范圍約為1-5轉/分鐘，復合板材的傳送速度由v＝2πrn計算得出為0.6-3m/min。

進一步地，對于步驟10，感應加熱的原理與步驟6中的計算過程一致。電磁感應加熱會減少層狀復合材料制備過程中所產生的內應力，減少復合材料的變形程度。在線高頻感應正火時，由于鋼的相對磁導率為8000，銅的相對磁導率僅為1，因此在同樣的感應頻率時，單位質量的鋼所產生的焦耳熱比銅大的多，保證了鋼消除因淬火效應引起的硬度增加而且銅也不會發(fā)生熔化，從而制備出優(yōu)良的層狀軸瓦復合材料。但正火的電磁頻率不宜過大，應為7000-10000hz。

本發(fā)明的另一個目的還公開了一種鋼-耐磨銅合金復合板材，采用上述鋼-耐磨銅合金復合板材的制備方法制備而成。

本發(fā)明一種鋼-耐磨銅合金復合板材的制備裝置科學、合理，鋼-耐磨銅合金復合板材的制備方法簡單、易行，與現(xiàn)有技術相比較具有以下優(yōu)點：

(1)防止鋼板表面氧化，復合效果好。本發(fā)明在進行半固態(tài)-固態(tài)軋制復合之前，依次對鋼板上表面進行打磨、酸洗、清洗處理，并在保護氣氛下進行高頻感應加熱，一方面防止在預熱過程中鋼板表面產生氧化層，另一方面可將預熱溫度升至800-900℃，提高復合板材界面復合效果。

(2)抑制銅鉛合金比重偏析。本發(fā)明使用感應熔煉對銅鉛合金進行熔煉，熔煉過程中電磁力對熔體有攪拌作用，促進元素均勻分布。與鋼板接觸后銅鉛合金處于半固態(tài)狀態(tài)，并在軋輥的作用下快速凝固，可消除因密度和熔點差異造成的偏析，提高銅鉛合金覆蓋層的質量。

(3)適用性強，應用范圍廣。本發(fā)明采用半固態(tài)軋制方法實現(xiàn)雙層金屬復合，銅鉛合金中鉛含量為15-45％wt，基板材質可選304不銹鋼、q235鋼、10號鋼等，厚度范圍2-50mm，也可用于制備其他類型的高質量金屬復合板材，如鋁-鋼，銅-鋼，鋁-銅等。

附圖說明

圖1為鋼板與銅合金液界面處溫度分布一維簡化圖，橫坐標為距離，縱坐標為溫度。

圖2為半固態(tài)銅合金與軋輥接觸后界面處溫度分布一維簡化圖，橫坐標為距離，縱坐標為溫度。

圖3為本發(fā)明鋼-耐磨銅合金復合板材的制備裝置結構示意圖。

圖4為常規(guī)固液法制備的鋼-耐磨銅合金復合板材微觀形貌。

圖5為實施例1鋼-耐磨銅合金復合板材的微觀形貌。

附圖標號：1-保護氣體罐；2-干燥裝置；3-清洗裝置；4-上表面打磨裝置；5-鋼板；6-下表面打磨裝置；7-高頻磁場電源；8-真空罩；9-閉合開關；10-銅鉛合金；11-高頻感應加熱裝置；12-軋輥；13-保溫澆道；14-已凝固包覆層；15-鋼-耐磨銅合金復合板材；16-高頻感應加熱電源；17-正火高頻感應線圈；18-預熱高頻感應線圈；19-密封圈。

具體實施方式

以下結合實施例對本發(fā)明進一步說明：

實施例1

本實施例公開了一種鋼-耐磨銅合金復合板材的制備裝置，如圖3所示，包括依次設置的表面處理單元，保護氣感應預熱單元，感應熔煉單元和半固態(tài)軋制復合單元，所述表面處理單元、保護氣感應預熱單元及半固態(tài)軋制復合單元中穿設有供下層鋼板穿過的長方形通道，所述表面處理單元、保護氣感應預熱單元內的長方形通道的尺寸與待處理鋼板截面尺寸一致；

所述表面處理單元包括上表面打磨裝置4、下表面打磨裝置6、清洗裝置3和干燥裝置2；所述上表面打磨裝置4、清洗裝置3和干燥裝置2依次設置在長方形通道上方，所述下表面打磨裝置6設置在長方形通道下方、且與上表面打磨裝置4相配合；所述上表面打磨裝置4、下表面打磨裝置6為表面粗糙度為ra100-200μm的金剛石磨片；所述干燥裝置包括干燥輪。

所述保護氣感應預熱單元包括真空罩8、預熱高頻感應線圈18、高頻磁場電源7和保護氣體罐1，所述保護氣體罐1與真空罩8連通，所述預熱高頻感應線圈18設置在真空罩1內，所述高頻磁場電源7與預熱高頻感應線圈18電聯(lián)，所述長方形通道穿設在真空罩8的預熱高頻感應線圈18中；所述真空罩8穿設長方形通道的開口處設置有密封圈19。

所述感應熔煉單元包括高頻感應加熱裝置11，所述感應熔煉單元底部設有用于控制出液口開合的閉合開關9，所述閉合開關9設置在長方形通道上方，所述閉合開關9通過保溫澆道13與長方形通道連通。

所述半固態(tài)軋制復合單元包括正火高頻感應線圈17、為正火高頻感應線圈17供電的高頻感應加熱電源16和上下配合設置兩個軋輥12，所述兩個軋輥12為同步熱軋軋輥，所述軋輥12內部設有冷卻水道，所述兩個軋輥12分別設置在長方形通道上下兩側；所述長方形通道在經過兩個軋輥后穿設在正火高頻感應線圈17中。

本實施例還公開了采用上述裝置制備鋼-耐磨銅合金復合板材的方法，以cu-30pb和45號鋼為例，制備厚度4mm(鋼板2mm，銅合金2mm)的復合板材。該方法包括以下步驟：

步驟1：鋼板5使用前使用清洗液進行去氧化預處理，浸蝕時間2分鐘，經清水沖洗后烘干，烘干溫度100℃，時間20分鐘；

步驟2：閉合感應熔煉單元的下方的閉合開關，按cu-30％pb比例放入原料，開啟電源對銅鉛合金進行電磁感應熔煉；

步驟3：銅鉛合金10熔化后調節(jié)感應熔煉單元的功率使熔體保溫至1200℃；

步驟4：調節(jié)鑄軋輥的速度3轉/分鐘和軋輥內冷卻水流量120l/h，鑄軋機進入空轉待機狀態(tài)；

步驟5：將鋼板推送置表面處理單元內的長方形通道入口，對上下表面進行打磨處理，上表面為粗糙度ra100μm的金剛石磨片，打磨時間1分鐘；之后使用10％的乙醇溶液清洗掉鋼板上表面的研磨屑；經干燥輪進行干燥處理，干燥輪表面采用吸水材料，溫度90℃，烘干時間1分鐘；

步驟6：干燥處理后的鋼板推送至保護氣感應預熱單元，在氬氣下進行高頻感應加熱，氣體流量為10l/min，感應頻率12000hz，感應電流200a，使鋼板預熱至900℃；

步驟7：預熱后的鋼板傳送至感應熔煉單元下方時，打開感應熔煉單元的閉合開關，使cu-30％pb通過保溫澆道13均勻鋪展到鋼板表面，通過控制流速使銅鉛合金厚度層保持在4mm，銅合金與鋼板接觸會迅速冷卻至半固態(tài)狀態(tài)；

步驟8：在鋼板繼續(xù)向前推送的過程中，使銅鉛合金保持半固態(tài)漿料狀態(tài)，固態(tài)率約40％，傳送過程10s，為銅鉛合金和鋼板提供充足的擴散時間；

步驟9：半固態(tài)銅鉛合金與鋼板進入軋輥腔內進行半固態(tài)-固態(tài)軋制，控制軋制道次壓下率為50％；

步驟10：感應加熱正火，磁場頻率8000hz，消除應力，制成鋼-耐磨銅合金復合板材15，鋼-耐磨銅合金復合板材15上層為已凝固包覆層14。

常規(guī)固液法直接將高溫銅合金熔體澆注到鋼板上，接觸面的溫度分布不均勻，溫差導致鋼板變形，部分銅合金和鋼板結合不佳，界面處存在氣孔、開裂等鑄造缺陷。常規(guī)液固法取宏觀界面結合情況良好的部位進行觀察，其結果如圖4所示，放大后微觀界面存在明顯的氧化層。

本實施例方法在相同澆注溫度情況下，界面處結合良好，無明顯的氣孔、夾雜等鑄造缺陷，銅合金熔體和鋼板接觸時溫度基本保持一直，產品較平直。本實施例鋼-耐磨銅合金復合板材的微觀形貌如圖5所示，鋼-耐磨銅合金復合板材制備過程中界面的冷卻條件基本保持不變，因此樣品界面平直良好，另外由于本實施例使用了保護氣感應預熱法，界面處無氧化現(xiàn)象。

實施例2

本實施例公開了一種鋼-耐磨銅合金復合板材的制備方法，采用實施例1所述鋼-耐磨銅合金復合板材的制備裝置。

以cu-20pb和45號鋼為例，制備厚度9mm(鋼板3mm，銅合金6mm)的復合板材。鋼-耐磨銅合金復合板材的制備方法包括以下步驟：

步驟1：鋼板使用前使用清洗液進行去氧化預處理，浸蝕時間2分鐘，經清水沖洗后烘干，烘干溫度100℃，時間20分鐘；

步驟2：閉合感應熔煉單元的下方的閉合開關，按cu-20％pb比例放入原料，開啟電源對銅鉛合金進行電磁感應熔煉；

步驟3：銅合金熔化后調節(jié)感應熔煉單元的功率使熔體保溫至1150℃；

步驟4：調節(jié)鑄軋輥的速度1.5轉/分鐘和軋輥內冷卻水流量180l/h，鑄軋機進入空轉待機狀態(tài)；

步驟5：將鋼板推送置表面處理單元內的長方形通道入口，對上下表面進行打磨處理，上表面為粗糙度ra100μm的金剛石磨片，打磨時間1.5分鐘；之后使用10％的乙醇溶液清洗掉鋼板上表面的研磨屑；經干燥輪進行干燥處理，干燥輪表面采用吸水材料，溫度90℃，烘干時間1.5分鐘；

步驟6：干燥處理后的鋼板推送至保護氣感應預熱單元，在氬氣下進行高頻感應加熱，氣體流量為10l/min，感應頻率12000hz，感應電流250a，使鋼板預熱至900℃；

步驟7：預熱后的鋼板傳送至感應熔煉單元下方時，打開感應熔煉單元的閉合開關，使cu-20％pb均勻鋪展到鋼板表面，通過控制流速使銅鉛合金厚度層保持在10mm，銅合金與鋼板接觸會迅速冷卻至半固態(tài)狀態(tài)；

步驟8：在鋼板繼續(xù)向前推送的過程中，使銅鉛合金保持半固態(tài)漿料狀態(tài)，固態(tài)率約50％，傳送過程15s，為銅鉛合金和鋼板提供充足的擴散時間；

步驟9：半固態(tài)銅鉛合金與鋼板進入軋輥腔內進行半固態(tài)-固態(tài)軋制，控制軋制道次壓下率為40％，制成鋼-耐磨銅合金復合板材；

步驟10：感應加熱正火，磁場頻率8400hz，消除應力，制成鋼-耐磨銅合金復合板材。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍。