本發(fā)明涉及鑄造技術(shù)和新材料領(lǐng)域，特別是一種大面積大厚度雙金屬復(fù)合板材及其制備方法。

背景技術(shù)：

目前雙金屬復(fù)合方法很多，主要有軋制復(fù)合法、爆炸復(fù)合法、鑄造復(fù)合法等。

軋制復(fù)合存在合金元素擴散不充分及化學(xué)反應(yīng)的問題，結(jié)合強度仍然有不足，且工序較多，需清理原料表面，生產(chǎn)效率較低。因此出現(xiàn)了將鑄造與軋制相結(jié)合的技術(shù)，如反向凝固、液態(tài)、半固態(tài)鑄軋、液態(tài)、液態(tài)鑄軋等。反向凝固不能產(chǎn)生基體厚度較大的材料，僅適合生產(chǎn)薄板和帶材。固液鑄軋法雖然不用預(yù)熱基體以及對基體進行鍍層和涂覆助焊劑等表面處理，但是不能生產(chǎn)太厚的金屬板，包覆層也不能太厚，而且設(shè)備昂貴，一次性投入巨大。

爆炸焊接的勞動條件較差，得到的復(fù)層板不平整且生產(chǎn)過程具有一定的危險性。采用鑄造法生產(chǎn)雙金屬復(fù)合材料的成本較低、金屬間結(jié)合強度高，因此發(fā)展很快。常見的雙金屬復(fù)合鑄造方法有鑄滲法、鑲嵌鑄造法、雙液雙金屬復(fù)合鑄造法等。鑄滲法在研究中有很多問題待解決，如夾渣、沖刷、滲透能力差、滲層厚度不均和粘砂等。離心鑄造的缺點是工藝過程繁瑣，澆注時內(nèi)層金屬液對外層有沖刷作用，且制備的復(fù)層管或軋輥的界面易產(chǎn)生一些鑄造缺陷。連續(xù)鑄造法生產(chǎn)雙金屬復(fù)層材料研究和應(yīng)用已成為金屬復(fù)層材料研究領(lǐng)域的熱點之一，目前研究方向有：連續(xù)澆注復(fù)合鑄造技術(shù)、雙結(jié)晶器連續(xù)鑄造技術(shù)、雙流澆注連續(xù)鑄造技術(shù)、電磁制動連續(xù)鑄造技術(shù)等。

連續(xù)澆注復(fù)合鑄造法主要用于復(fù)合軋輥的生產(chǎn)。該工藝的缺點是內(nèi)層需事先處理，如果處理效果欠佳，或處理后不立刻鑄造，則不易制備出結(jié)合良好的軋輥。

novelis公司的novelisfusion技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大厚度雙金屬復(fù)合板。但該技術(shù)對金屬液面高度有嚴(yán)格要求，液面必須低于換熱裝置底部，但與底部距離又不能過大，因此需要采用先進的液面高度控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)。

現(xiàn)有固液復(fù)合技術(shù)存在的問題包括：必須克服基體金屬表面氧化膜對復(fù)合的阻礙作用，需將基體預(yù)熱至足夠的溫度才能進行復(fù)合，需要在保護氣氛下進行復(fù)合過程。為此，現(xiàn)有技術(shù)都需對基體表面進行一系列復(fù)雜的處理，覆層金屬表面清潔后在氣體保護下進行復(fù)合；有的技術(shù)則在清潔后的表面鍍層或涂覆助焊劑；復(fù)合前或復(fù)合過程中需用加熱設(shè)備對基體金屬進行加熱。增加了工藝的流程、生產(chǎn)周期和成本。

目前，復(fù)合金屬的發(fā)展關(guān)鍵是：在實現(xiàn)金屬之間冶金結(jié)合，滿足結(jié)合強度的前提下，尋求更加簡單、經(jīng)濟和高效的一次性多層和多種類金屬復(fù)合的生產(chǎn)方法及設(shè)備。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種大面積大厚度雙金屬復(fù)合板材及其制備方法，解決了背景技術(shù)中所提出的問題。

為解決上述問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種大面積大厚度雙金屬復(fù)合板材及其制備方法，包括基體和包覆層，其特征在于：所述基體的底部設(shè)有移動平臺，所述基體設(shè)于保溫鑄型中，所述保溫鑄型的頂部設(shè)有縫隙式澆包，所述縫隙式澆包的內(nèi)部設(shè)有包覆層金屬液，所述保溫鑄型的左側(cè)設(shè)有阻流板，所述保溫鑄型的底部設(shè)有金屬鑄型。

優(yōu)選的，所述包覆層的過熱金屬液鑄造到所述基體的主表面上，以與基體一起形成雙金屬板，組成基體的第一種金屬可以選擇鋁、鉛、鋅、銅、鐵、鈷、鎳及其合金，組成包覆層的第二種金屬可以選擇鋁、鉛、鋅、銅、鐵、鈷、鎳及其合金，第一種和第二種金屬的成分基本相同或緊密相關(guān)或不同，于當(dāng)?shù)谝环N和第二種金屬的成分相同或類似的，可以基于顯微結(jié)構(gòu)而獲得不同的性質(zhì)，基體與包覆層合金的結(jié)合機理為熔合結(jié)合或/和擴散結(jié)合，獲得的雙金屬復(fù)合板材基體熔化的平均厚度控制在5mm以內(nèi)。

優(yōu)選的，具體制作步驟如下，

a，將由作為基體的第一種合金制成的板表面進行處理，以便基體去除所有的氧化物，通過噴砂或噴丸清理，或采用輪式或皮帶式研磨機研磨或酸洗來進行。

b，表面處理后的基體置于一個由耐火保溫材料組成的開口向后的凵形鑄型中，并使基體被處理后的主表面朝上。

c，將作為包覆層的第二種合金的過熱金屬液鑄造到基體的所述主表面上，以與基體一起形成所述的雙金屬板；耐火保溫材料鑄型的型腔深度大于基體高度，超出部分的高度用于形成包覆合金層厚度。

優(yōu)選的，所述包覆層的鑄造步驟為，在一過熱溫度下澆注該包覆層所需成分的金屬液，從而對基體進行加熱，并在基體溫度升高到固相線溫度的情況下實現(xiàn)與包覆層金屬液發(fā)生熔合結(jié)合或/和擴散結(jié)合，具體如下：

s1，設(shè)置一個在型腔上方的漏斗形縫隙式澆包，縫隙式澆包出流口的寬度方向與基體的寬度方向平行，出流口與基體的一端垂直對齊；

s2，使金屬液通過形成垂直向下的射流進入型腔并沖擊到基體主表面，金屬液通過縫隙式澆包時完全充滿出流口；

s3，由縫隙式澆包澆注到基體表面的包覆層金屬液液流在沖擊表面后沿著表面繼續(xù)流動，流動方向為鑄型的開口方向，在流動過程中，金屬液的過熱熱量以對流換熱的方式傳遞給基體，對基體加熱；

s4，金屬液通過縫隙式澆包形成的液流澆注到基體表面開始后的若干秒時間內(nèi)，基體是靜止的，若干秒后基體開始以一定速度水平運動，基體靜止若干秒是為了能夠在澆注初期利用金屬液的過熱熱量將與澆包出流口垂直對齊的基體端部加熱至固相線溫度至液相線溫度之間，在此溫度范圍內(nèi)基體該端部的強度很低，此時主表面上氧化物薄層在包覆層金屬液射流的沖擊力作用下破裂，基體合金與包覆層合金在沒有氧化物阻礙且溫度都達到至少都達到固相線以上的情況下，可以實現(xiàn)良好的冶金結(jié)合或/和擴散結(jié)合；

s5，基體運動至另一端部與澆包出流口垂直對齊時，基體表面已被包覆層金屬液射流完全掃過，此時用一塊與鑄型高度相同的阻流板封堵鑄型的開口，封堵后繼續(xù)澆注包覆層金屬液，直至鑄型充滿形成具有一定厚度的包覆層。待包覆層金屬液凝固后，從鑄型中取出雙金屬板進行清理。

優(yōu)選的，所述基體主表面上沒有氧化物，無需涂覆涂層或助焊劑或溶劑保護其不被氧化，從表面經(jīng)研磨去除氧化物之后至鑄造包覆層之間的時間間隔短，不超過2小時。

優(yōu)選的，獲得的雙金屬復(fù)合板材基體熔化的平均厚度控制在5mm以內(nèi)，雙金屬板材復(fù)合后經(jīng)過一定的熱處理，基體和包覆層合金中可熱處理強化的部分物理性能或/和化學(xué)性能或/和力學(xué)性能得到改善。

優(yōu)選的，從基體的主表面上基本去除氧化物的步驟包括一種選自噴砂清理、噴丸清理，用輪式或帶式研磨機研磨或酸洗的處理方法。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

1.適用范圍廣。本發(fā)明基本不受所需雙金屬復(fù)合板材的面積和厚度限制，也不受材料限制。可以生產(chǎn)各種規(guī)格的大型雙金屬復(fù)合板材及其板形件產(chǎn)品。如用于壓力容器、石油化工、造紙等領(lǐng)域的不銹鋼/鋼雙金屬復(fù)合板、用于火電廠、煤場、水泥廠、裝載機械、礦山機械、建筑機械、冶金機械的普通鋼板或耐熱鋼或不銹鋼/合金耐磨鑄鐵雙金屬復(fù)合板。用于艦船的鈦或銅/鋼雙金屬復(fù)合板及用于電器行業(yè)的銅/鋁雙金屬復(fù)合板。

2.生產(chǎn)過程便于控制。本發(fā)明的雙金屬復(fù)合板材采用沖擊射流的方式實施，可以快速加熱基體，有效去除基體表面阻礙復(fù)合的氧化物，無需對基體表面進行化學(xué)清洗及涂覆助焊劑，在復(fù)合過程中無需氣體保護。工藝簡單，可實現(xiàn)半自動和全自動生產(chǎn)作業(yè)。

3.生產(chǎn)率高。本發(fā)明的方法其復(fù)合速度可達1200mm/min，可以連續(xù)作業(yè)。

4.加工成本低。由于本發(fā)明的澆注系統(tǒng)與板材直接接觸，形成的板材邊角余料少，可實現(xiàn)近凈成型，減少機械加工余量，材料利用率可達90％以上，所以加工成本低。

5.產(chǎn)品性能優(yōu)越。本發(fā)明制備的大面積大厚度雙金屬復(fù)合板材復(fù)合過程中采用沖擊射流強化換熱，因而對基體的熱輸入小，基體熱影響區(qū)寬度小，結(jié)合區(qū)均勻，結(jié)合強度高，包覆層金屬凝固速度快，微觀組織為細小的等軸晶或與結(jié)合區(qū)接近垂直的柱狀晶，綜合性能良好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明雙金屬復(fù)合板示意圖；

圖2為本發(fā)明簡單生產(chǎn)工藝示意圖。

如圖：1-包覆層，2-基體，3-移動平臺，4-保溫鑄型，5-縫隙式澆包，6-包覆層金屬液，7-阻流板，8-金屬鑄型。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1-2，本發(fā)明的方法擇優(yōu)地利用以上特征，因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于生產(chǎn)大面積大厚度的雙金屬復(fù)合板材的方法，其中，該方法包括以下步驟：將由第一種金屬制成的板材(以下稱為“基體”)的表面進行處理，以便基本去除所有的氧化物，例如可以通過噴砂或噴丸清理；采用輪式或皮帶式研磨機研磨或酸洗來進行。表面處理后的基體置于一個由耐火保溫材料組成的開口向后的凵形鑄型中，并使基體被處理后的主表面朝上。將第二種金屬(以下稱為“包覆層”)鑄造到基體的所述主表面上，以與基體一起形成所述的雙金屬板；耐火保溫材料鑄型的型腔深度大于基體高度，超出部分的高度用于形成包覆合金層厚度。該方法還包括，在鑄造包覆層的步驟之前，所述主表面基本上沒有氧化物，無需涂覆涂層或助焊劑或溶劑保護其不被氧化；但從表面經(jīng)研磨去除氧化物之后至鑄造包覆層之間的時間間隔要盡量短，不要超過2小時，否則需要對主表面重新研磨。鑄造所述包覆層的步驟為，在一過熱溫度下澆注該包覆層所需成分的金屬液，從而對基體進行加熱，并在基體溫度升高到固相線溫度的情況下實現(xiàn)與包覆層金屬液發(fā)生熔合結(jié)合或/和擴散結(jié)合。同時，完成鑄造上述包覆層的步驟還包括設(shè)置一個在型腔上方的漏斗形縫隙式澆包，縫隙式澆包出流口的寬度方向與基體的寬度方向平行，出流口與基體的一端垂直對齊；使金屬液通過形成垂直向下的射流進入型腔并沖擊到基體主表面，金屬液通過縫隙式澆包時完全充滿出流口。由縫隙式澆包澆注到基體表面的包覆層金屬液液流在沖擊表面后沿著表面繼續(xù)流動，流動方向為鑄型的開口方向，在流動過程中，金屬液的過熱熱量以對流換熱的方式傳遞給基體，對基體加熱。包覆層金屬液通過縫隙式澆包形成的液流澆注到基體表面開始后的若干秒時間內(nèi)，基體是靜止的，若干秒后基體開始以一定速度水平運動?；w靜止若干秒是為了能夠在澆注初期利用金屬液的過熱熱量將與澆包出流口垂直對齊的基體端部加熱至固相線溫度至液相線溫度之間，在此溫度范圍內(nèi)基體該端部的強度很低，此時基體主表面上氧化物薄層在包覆層金屬液射流的沖擊力作用下破裂，基體合金與包覆層合金在沒有氧化物阻礙且溫度都達到至少都達到固相線以上的情況下，可以實現(xiàn)良好的熔合結(jié)合或/和擴散結(jié)合。完成鑄造上述包覆層的步驟還包括當(dāng)基體運動至另一端部與澆包出流口垂直對齊時，基體表面已被包覆層金屬液射流完全掃過。此時用一塊與鑄型高度相同的阻流板封堵鑄型的開口，封堵后繼續(xù)澆注包覆層金屬液，直至鑄型充滿形成具有一定厚度的包覆層。待包覆層金屬液凝固后，從鑄型中取出雙金屬板進行清理。雙金屬板材復(fù)合后經(jīng)過一定的熱處理，基體和包覆層合金中可熱處理強化的部分物理性能或/和化學(xué)性能或/和力學(xué)性能得到改善。

一、制備

制備基體材料為7075-t651熱軋鋁合金厚板，包覆層鋁合金選用7075鋁合金，采用原材料為工業(yè)純鋁、工業(yè)純鎂、工業(yè)純鋅、電解銅。其成分(重量百分比)范圍是：2.1～2.9mg，5.1～6.1zn，1.2～2.0cu，余量al。配料成分取各成分的上限。在沖擊射流半連續(xù)鑄造裝置上進行鋁/鋁雙金屬復(fù)合材料的制備，為了保證復(fù)合材料的質(zhì)量，嚴(yán)格控制鑄造工藝參數(shù)，本實施例所采用的鑄造工藝參數(shù)見如下表格。

主要鑄造工藝參數(shù)

參照上表的工藝參數(shù)可制備出結(jié)合良好的高強度塑料模具用鋁/鋁雙金屬復(fù)合材料。其熔化層厚度在10mm左右。

二、熱處理

固溶+時效處理。固溶溫度470℃，固溶時間1h，水淬，時效溫度120℃，時效時間2小時。經(jīng)過熱處理后，基體鋁合金7075-t651一側(cè)的布氏硬度從復(fù)合后的的98hb提升至150hb，恢復(fù)到了原始7075-t651鋁合金板材的硬度，包覆鋁合金7075一側(cè)的硬度從復(fù)合后的80hb提升至130hb。因此，本發(fā)明的方法制備的高強度塑料模具用鋁/鋁雙金屬復(fù)合材料在保持原7075-t651鋁合金厚板硬度的基礎(chǔ)上增加了其厚度，為塑料模具的設(shè)計和加工提供了更大的空間。

工作原理：需要說明的是，本發(fā)明可以生產(chǎn)各種規(guī)格的大型雙金屬復(fù)合板材及其板形件產(chǎn)品，生產(chǎn)范圍廣，生產(chǎn)過程便于控制，生產(chǎn)成本低，效率高且產(chǎn)品性能優(yōu)越。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。