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      液-固相異種金屬軋制復(fù)合方法及設(shè)備的制作方法

      文檔序號(hào):3070141閱讀:291來源:國知局
      專利名稱:液-固相異種金屬軋制復(fù)合方法及設(shè)備的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種異種金屬軋制復(fù)合方法及設(shè)備,特別是一種液-固相異種金屬軋制復(fù)合方法及設(shè)備。
      背景技術(shù)
      復(fù)合金屬板是通過溫度和壓力將兩種或多種性質(zhì)不同的金屬結(jié)合在一起的新型材料。它可以按設(shè)計(jì)要求充分發(fā)揮每個(gè)組分的性能特長,以其高強(qiáng)、耐磨、防蝕等力學(xué)、物理、化學(xué)等工程性能和低成本,綜合性能高等一系列優(yōu)點(diǎn),取代很多價(jià)格高昂的金屬,廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、炊餐具,家具、化工、裝潢、汽車、航天、航空等工業(yè),復(fù)合金屬板的制造方法可以分成五類軋制法、粉末法、爆炸法、鑄造法和噴鍍法。
      軋制復(fù)合是應(yīng)用最廣泛的復(fù)合金屬板生產(chǎn)方法[1],可以分成熱軋和冷軋兩種方法,由于該方法是依靠金屬軋制時(shí)伸長出現(xiàn)的新表面達(dá)到物理接觸而實(shí)現(xiàn)結(jié)合,因此首道壓下率必須足夠大[2](一般要達(dá)50%以上)。所以軋制力大,所需軋機(jī)龐大,軋后依靠退火實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合,結(jié)合強(qiáng)度不高。近年該類技術(shù)也有所發(fā)展,例如連軋復(fù)合,異步軋制復(fù)合和差溫軋制復(fù)合等,但設(shè)備投資大,能耗高,成本高的問題沒有根本變化。
      粉末復(fù)合法[3][4][5][6],該方法是將粉末布在基材上,在保護(hù)氣氛中燒結(jié)后軋制成材。該方法工序復(fù)雜,流程長,能耗高。適合于制造一些特殊復(fù)合材。如銅鉛合金-鋼復(fù)合軸瓦帶等。
      爆炸復(fù)合法[7]該法是利用爆炸時(shí)產(chǎn)生的射流清潔表面,利用爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊和瞬時(shí)高溫實(shí)現(xiàn)結(jié)合。該方法簡單、經(jīng)濟(jì),但僅適用于復(fù)合較厚板材,生產(chǎn)地點(diǎn)受限制,且無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。
      鑄造復(fù)合法,[8]該方法是將復(fù)合金屬液澆鑄到固態(tài)基材的表面,形成冶金結(jié)合。該方法簡單,可生產(chǎn)毛坯和部件,但是基材表面易氧化,毛坯需加工后再成型,界面殘余應(yīng)力大,結(jié)合強(qiáng)度不高,生產(chǎn)成本也高。
      噴鍍法[9-12],該方法是將液態(tài)合金用噴槍熱噴到固態(tài)鋼板上、該方法的優(yōu)點(diǎn)是由于噴鍍時(shí)高速冷卻,合金成分不偏析。但由于液態(tài)金屬噴鍍時(shí)易氧化,因此,結(jié)合強(qiáng)度不高。同時(shí)設(shè)備復(fù)雜,投資也大。
      因此,復(fù)合金屬的發(fā)展關(guān)鍵是尋求更加簡單、經(jīng)濟(jì)和高效的生產(chǎn)方法。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)合強(qiáng)度高、工藝更加簡單、且經(jīng)濟(jì)、高效的液-固相異種金屬軋制復(fù)合方法及設(shè)備。
      本發(fā)明的目的是按如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。該方案是將液態(tài)金屬澆覆在與其不同材質(zhì)的涂覆有焊劑的固態(tài)金屬基材表面上,將二種材料加壓軋制,使液態(tài)金屬在快速軋制冷卻下,固化附著于固態(tài)金屬基材表面上,形成二種或多種金屬的冶金結(jié)合。它包括以下工序(1)清洗,洗去固態(tài)金屬基材表面的油污,對(duì)于氧化較嚴(yán)重的基材表面需經(jīng)酸洗,(2)打磨,將固態(tài)金屬基材表面的氧化物打磨干凈,(3)涂焊劑,在待復(fù)合的固態(tài)金屬基材表面上涂覆一層焊劑,(4)加熱,將涂有焊劑的固態(tài)金屬基材加熱到預(yù)定溫度后送入澆嘴,(5)澆注軋制復(fù)合,將中間包內(nèi)的液體金屬澆入該澆嘴中,與涂覆有焊劑的固態(tài)金屬基材表面接觸、潤濕,將液態(tài)金屬和固態(tài)金屬基材共同送入到帶內(nèi)冷系統(tǒng)的兩軋輥之間的輥縫中,加以軋制,在軋輥縫內(nèi)將該液態(tài)金屬冷卻,并與固態(tài)金屬基材形成冶金結(jié)合,出軋輥后形成復(fù)合金屬板。在所述工序(5)中,所述中間包內(nèi)的液體金屬是在熔煉爐內(nèi)熔化并經(jīng)出氣造渣后置于中間包內(nèi)的。所述焊劑為水劑,為按重量百分比為6-12%的復(fù)合鹽水溶液,其中,復(fù)合鹽的組分按重量百分比為KF、NaF、KI、NaI、LiI各占20%。所述焊劑可為融鹽,其組分按重量百分比為硼酸80%,硼砂16%,磷酸鋁4%。所用的軋制設(shè)備包括依次排列的放卷機(jī)、焊劑槽、干燥加熱裝置、澆嘴、內(nèi)水冷軋輥、收卷機(jī),在澆嘴上方具有中間包,在澆嘴下方具有底臺(tái)。所述澆嘴為槽形件,裝有加熱體,在其槽面上具有若干壓塊。所用的打磨設(shè)備包括依次排列的放卷機(jī)、除油槽、水槽、烘干爐、打磨機(jī)、收卷機(jī)。本發(fā)明采用方法是將金屬的熱浸鍍和液態(tài)軋制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合,使液體金屬與涂有焊劑的固態(tài)金屬基材接觸將焊劑分解,液態(tài)金屬在固態(tài)金屬基材表面潤濕,利用液態(tài)金屬的高擴(kuò)散能力和軋制時(shí)的壓力,使液態(tài)金屬快速冷卻、結(jié)晶、變形,并與固態(tài)金屬基材形成冶金結(jié)合,軋成復(fù)合金屬板。本發(fā)明中潤濕是實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的先決條件,為確保充分潤濕,固態(tài)金屬表面必須徹底清除油污和氧化物,打磨到露出新鮮金屬表面。同時(shí)為保證固態(tài)金屬表面在后續(xù)的加熱等工序中表面不再氧化,尤其是為了促進(jìn)液態(tài)金屬在固態(tài)金屬表面的潤濕,該表面必須涂焊劑。根據(jù)復(fù)合材料的基材和復(fù)合層金屬種類不同,采用的焊劑的種類亦不同,焊劑可以選擇水劑,也可以采用融鹽。
      為保證液態(tài)金屬的流動(dòng)性,澆嘴要預(yù)熱到高于液態(tài)金屬熔點(diǎn)溫度20~50℃。澆嘴由結(jié)構(gòu)材料(如耐熱鋼、鈦、陶瓷等)建造骨架,外部涂覆保溫的耐火材料。當(dāng)板面寬、固態(tài)金屬較薄時(shí),固態(tài)板、帶在和液態(tài)金屬接觸后,受熱變形翹曲,復(fù)合帶中部容易跑湯(不凝固)。因此澆嘴內(nèi)部可設(shè)各種類型的壓塊,防止固態(tài)金屬板翹曲,同時(shí)控制各部分液態(tài)金屬的流量;確保液態(tài)金屬與軋輥接觸時(shí),各部分凝固后單位面積上質(zhì)量相同,才能保證復(fù)合材出口時(shí)平整和尺寸精度;同時(shí)壓塊與固態(tài)板帶滑動(dòng)接觸,摩擦表面,可以進(jìn)一步促進(jìn)液態(tài)金屬的潤濕。
      為保證液態(tài)金屬快速冷卻,本發(fā)明采用帶有強(qiáng)制內(nèi)水冷的軋輥,為保證高速散熱和較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,軋輥套采用耐熱沖擊、導(dǎo)熱性好和強(qiáng)度較高的鋼(如5CrMnMo,5CrNiMo,PCr3WmoV等),同時(shí)輥身表面設(shè)有細(xì)小,均勻,和致密的水流槽。使通過輥縫時(shí),液態(tài)金屬能快速冷卻,以保持細(xì)密均勻的結(jié)晶組織。
      本發(fā)明可以取代傳統(tǒng)的固態(tài)軋制復(fù)合,生產(chǎn)各類復(fù)合金屬板帶材。尤其適合于生產(chǎn)復(fù)合層金屬熔點(diǎn)比基材熔點(diǎn)低的復(fù)合金屬。如鋼-鋁(合金),鋼-銅(合金),鋼-鋅(合金),鋼-鉛、錫(合金),鋼-合金鋼,銅-鋅,銅-鋁,鋁-鋅等,以及鈦、鎳、鉬等高熔點(diǎn)金屬與各類有色金屬及其合金。
      上述的鋼可以是碳素鋼、合金鋼、不銹鋼等各類鋼種。


      圖1為本發(fā)明采用的打磨設(shè)備示意圖,圖2為本發(fā)明采用的軋制設(shè)備示意圖,圖3為圖2中澆嘴7的結(jié)構(gòu)示意圖,圖4為圖3中的A向視圖。
      具體實(shí)施例方式
      下面結(jié)合附圖以實(shí)施例做具體介紹。
      實(shí)施例1固態(tài)金屬基材為304不銹鋼帶,厚0.5mm,寬300~500mm,復(fù)合層為純鋁,產(chǎn)品復(fù)合材總厚度0.8~4.0mm。
      按如下工序進(jìn)行加工如圖1,(1)清洗,將成卷的固態(tài)金屬基材10在放卷機(jī)1上,經(jīng)除油槽2中除油,經(jīng)托輥3進(jìn)入水槽4中清洗,可直接進(jìn)入烘干爐7中烘干,如表面氧化較嚴(yán)重,則還需經(jīng)酸洗槽5、水槽6再送入烘干爐7中,(2)打磨,烘干后的基材10經(jīng)砂帶打磨機(jī)8的單面打磨0.005到0.01mm打磨干凈后,經(jīng)收卷機(jī)9將其收卷。(3)涂焊劑,如圖2,將收卷的基材10放在卷機(jī)11上經(jīng)裝有焊劑的焊劑槽13及壓輥12涂覆一層焊劑,該焊劑為含6-12%復(fù)合鹽水溶液,復(fù)合鹽的組分按重量百分比為KF、NaF、KI、NaI、LiI各占20%。水溫80-90℃,浸涂時(shí)間5-10秒,(4)加熱,然后送至加熱裝置15中加熱,加熱裝置15包括低溫烘干爐15A和高溫加熱爐15B,加熱至200-300℃,進(jìn)入澆嘴17,澆嘴17的上方裝有中間包16,在其中盛有的金屬鋁液體,是先在溶煉爐內(nèi)熔化、精煉制并經(jīng)出氣造渣后送入該中間包16中的,溫度為720℃-750℃,送料速度可為2.5-5.5米/分,(5)澆入軋制復(fù)合,將中間包16內(nèi)的液體金屬澆入到該澆嘴17中與涂有焊劑的固態(tài)金屬基材10的表面接觸,該澆嘴17事先預(yù)熱到高于液態(tài)金屬熔點(diǎn)溫度20-50℃,將液態(tài)金屬和固態(tài)金屬基材10共同送入到帶內(nèi)水冷卻軋輥18之間加以軋制,在澆嘴17下方用底臺(tái)21將澆嘴17托住,復(fù)合金屬層經(jīng)軋輥18軋制后,形成復(fù)合金屬帶19送出到收卷機(jī)20。如圖3澆嘴17為槽形件,在其壓邊173上裝有加熱體172,在其槽頂面171上具有若干個(gè)壓塊174,固態(tài)金屬基材10的上表面從壓塊底端175滑過。用壓塊174均勻該液態(tài)金屬使其均布于固態(tài)金屬基材10上,在槽頂上具有澆口176,中間包16中的液態(tài)金屬從此澆入。本實(shí)施例的制品經(jīng)檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度為40~60Mpa(厚2~4mm剪切),撕裂強(qiáng)度為1000~1400N/20mm(厚度≤2mm,)實(shí)施例2固態(tài)金屬基材為08Al低碳鋼,厚1.2mm,寬100~300mm,復(fù)合層為鋁合金Al-20Sn-1Cu,復(fù)合材總厚2.0mm。
      其制做工序與實(shí)施例1相同,不同之處是工序(4)加熱中,本實(shí)施例的固態(tài)金屬加熱溫度為450~550℃,工序(5)中,液態(tài)鋁合金液溫度為680~720℃,制品經(jīng)檢測(cè)其撕裂結(jié)合強(qiáng)度為800~1100N/20mm。
      實(shí)施例3固態(tài)金屬基材為08Al低碳鋼,厚2.5mm,寬100~300mm,復(fù)合層為62黃銅。復(fù)合材總厚度3mm。
      其制做工序與實(shí)施例1相同,不同之處是工序(3)涂焊劑中本實(shí)施例的焊劑為融鹽,其組分按重量百分比為硼酸80%,硼砂16%,磷酸鋁4%,工序(4)加熱中,加熱溫度為600℃,工序(5)澆入軋制復(fù)合中62黃銅的加熱溫度為1060~1100℃,制品經(jīng)檢測(cè)其撕裂強(qiáng)度為1500~1650N/20mm。
      綜上所述,本發(fā)明由于采用將液相金屬經(jīng)焊劑與固相金屬澆合,并經(jīng)軋制冷卻使二種不同材質(zhì)的金屬冶金結(jié)合在一起。與現(xiàn)有技術(shù)固相與固相軋制復(fù)合技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)復(fù)合強(qiáng)度高。液-固相軋制復(fù)合可以實(shí)現(xiàn)兩種金屬的冶金結(jié)合,由于液體金屬和固態(tài)基材的溫度和接觸時(shí)間可以設(shè)計(jì)和能動(dòng)的控制,界面結(jié)構(gòu)可以達(dá)到最佳效果。因此,結(jié)合強(qiáng)度高,是固-固相復(fù)合的2-3倍;例如本發(fā)明實(shí)施例1中,用傳統(tǒng)固相軋制法結(jié)合強(qiáng)度僅為10~20Mpa,采用本技術(shù)達(dá)40~60Mpa.
      (2)生產(chǎn)成本低。由于工序少,能耗低,液-固相軋制復(fù)合技術(shù)單位成本比固-固相軋制復(fù)合降低20-30%,成材率卻提高10-20%,因此產(chǎn)品的生產(chǎn)成本低,其競(jìng)爭力及獲利能力都強(qiáng)于固-固相軋制復(fù)合技術(shù);(3)設(shè)備投資少。液-固相軋制復(fù)合時(shí),待復(fù)合的液態(tài)金屬在軋輥中,約50~70%為固液兩相狀態(tài),因此軋制力大大降低,僅為固態(tài)軋制復(fù)合的25~30%,軋機(jī)的容量大大降低。同時(shí)由于工序簡單,需要設(shè)備少。因此,設(shè)備投資比固-固相軋制復(fù)合要減少50%-70%左右。本發(fā)明實(shí)施例1中,最大軋制力為40噸,主電機(jī)容量為75KW,年產(chǎn)5000噸時(shí),設(shè)備投資為500萬。而同類產(chǎn)品固相軋制復(fù)合時(shí),最大軋制力為300噸,主電機(jī)容量為250KW,設(shè)備投資為1500萬。
      (4)生產(chǎn)效率高。液-固相軋制復(fù)合可以實(shí)現(xiàn)帶式連續(xù)生產(chǎn),比固-固相塊式生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率1倍至2倍以上;(5)能源消耗低。液-固相軋制復(fù)合的軋制力比固-固軋制減少50~75%設(shè)備載荷小,同時(shí)工序少,其能源消耗可降低30-50%左右;(6)產(chǎn)品質(zhì)量好。液-固相軋制復(fù)合可以使液態(tài)金屬在軋輥區(qū)快速冷卻,因此,金屬結(jié)晶速度快,晶粒細(xì),重金屬顆粒細(xì)小,密度大且均勻,從而提高了產(chǎn)品的外觀和內(nèi)在的質(zhì)量。本發(fā)明實(shí)施例2中,用固相軋制時(shí),錫質(zhì)點(diǎn)平均尺寸為20~50μm,而固液相軋制復(fù)合后,為5~15μm,且分布均勻。
      參考文件1、U.S.345649,19702、U.S.3545943,19703、JPJ8667705A,19844、JAJ54124804,19815、JAJ8021518,19786、U.S.4308321,19817、布拉齊思斯基著,李富勤譯,爆炸焊接成形與壓制,機(jī)械工業(yè)出版社,1988,p78。
      8、U.S.3495649,19709、U.S.4333775,198210、GB159861,197711、JAJ8019522,197812、DT2928317,1978
      權(quán)利要求
      1.一種液—固相異種金屬軋制復(fù)合方法,包括將液態(tài)金屬澆覆在與其不同材質(zhì)的涂覆有焊劑的固態(tài)金屬基材表面上,將二種材料加壓軋制,使液態(tài)金屬在快速軋制冷卻下,固化附著于固態(tài)金屬基材表面上,形成二種或多種金屬的冶金結(jié)合,其特征在于所述焊劑為含有硼酸、硼砂、磷酸鋁的可融鹽。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液—固相異種金屬軋制復(fù)合方法,其特征是它包括以下工序(1)清洗,洗去固態(tài)金屬基材表面的油污,對(duì)于氧化較嚴(yán)重的基材表面需經(jīng)酸洗,(2)打磨,將固態(tài)金屬基材表面的氧化物打磨干凈,(3)涂焊劑,在待復(fù)合的固態(tài)金屬基材表面上涂覆一層焊劑,(4)加熱,將涂有焊劑的固態(tài)金屬基材加熱到預(yù)定溫度后送入澆嘴,(5)澆注、軋制復(fù)合,將中間包內(nèi)的液體金屬澆入該澆嘴中,與涂覆有焊劑的固態(tài)金屬基材表面接觸、潤濕,液態(tài)金屬和固態(tài)金屬基材共同進(jìn)入到帶內(nèi)冷系統(tǒng)的兩軋輥之間的輥縫中,進(jìn)行軋制,在軋輥縫內(nèi)將該液態(tài)金屬冷卻、變形,并與固態(tài)金屬基材形成冶金結(jié)合,出軋輥后形成復(fù)合金屬板。
      3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液—固相異種金屬軋制復(fù)合方法,其特征是在所述工序(5)中,所述中間包內(nèi)的液體金屬是在熔煉爐內(nèi)熔化并經(jīng)出氣造渣后置于中間包內(nèi)的。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液—固相異種金屬軋制復(fù)合方法,其特征是所述可融鹽中各組分的含量按重量百分比分別為硼酸80%,硼砂16%,磷酸鋁4%。
      5.一種用于權(quán)利要求1所述方法的液—固相異種金屬軋制復(fù)合設(shè)備,其特征是所述的軋制復(fù)合設(shè)備包括依次排列的放卷機(jī)、焊劑槽、干燥加熱裝置、澆嘴、內(nèi)水冷軋輥、收卷機(jī),在澆嘴上方具有中間包,在澆嘴下方具有底臺(tái);其中所述澆嘴為槽形件,裝有加熱體,在其槽面上具有若干壓塊。
      6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液—固相異種金屬軋制復(fù)合設(shè)備,其特征是所用的打磨設(shè)備包括依次排列的放卷機(jī)、除油槽、水槽、烘干爐、打磨機(jī)、收卷機(jī)。
      7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的液—固相異種金屬軋制復(fù)合設(shè)備,其特征是在所述打磨設(shè)備中,在水槽與烘干爐之間還依次裝有酸洗槽、水槽。
      全文摘要
      本發(fā)明為液—固相異種金屬軋制復(fù)合方法及設(shè)備,該方法是將液態(tài)金屬澆覆在其不同材質(zhì)的涂覆有焊劑的固態(tài)金屬基材表面上,將二種材料加壓軋制,使液態(tài)金屬在快速軋制冷卻下,固化附著于固態(tài)金屬基材表面上,形成二種或多種金屬的冶金結(jié)合,該方法具有復(fù)合強(qiáng)度高,生產(chǎn)成本低,生產(chǎn)效率高,產(chǎn)品質(zhì)量好,設(shè)備投資少,能源消耗低的優(yōu)點(diǎn),本發(fā)明可取代固態(tài)軋制復(fù)合,適于生產(chǎn)各類復(fù)合金屬板、帶材。
      文檔編號(hào)B23K35/36GK1628916SQ200410074298
      公開日2005年6月22日 申請(qǐng)日期2000年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月19日
      發(fā)明者崔建忠, 張曉博, 路貴民, 許光明 申請(qǐng)人:東北大學(xué), 鞍山市三和金屬復(fù)合板制造有限公司
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