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。
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)計要求充分發(fā)揮每個組分的性能特長，以其高強、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，取代很多價格高昂的金屬，廣泛應(yīng)用于建筑、機械、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伸長出現(xiàn)的新表面達到物理接觸而實現(xiàn)結(jié)合，因此首道壓下率必須足夠大[2](一般要達50％以上)。所以軋制力大，所需軋機龐大，軋后依靠退火實現(xiàn)冶金結(jié)合，結(jié)合強度不高。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—鋼復(fù)合軸瓦帶等。
爆炸復(fù)合法[7]該法是利用爆炸時產(chǎn)生的射流清潔表面，利用爆炸時產(chǎn)生的沖擊和瞬時高溫實現(xiàn)結(jié)合。該方法簡單、經(jīng)濟，但僅適用于復(fù)合較厚板材，生產(chǎn)地點受限制，且無法實現(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)點是由于噴鍍時高速冷卻，合金成分不偏析。但由于液態(tài)金屬噴鍍時易氧化，因此，結(jié)合強度不高。同時設(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)濟和高效的生產(chǎn)方法。
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)合強度高、工藝更加簡單、且經(jīng)濟、高效的液一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)方案實現(xiàn)的。該方案是將液態(tài)金屬澆復(fù)在與其不同材質(zhì)的涂復(fù)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，對于氧化較嚴重的基材表面需經(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)金屬基材表面上涂復(fù)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)澆入軋制復(fù)合，將中間包內(nèi)的液體金屬澆入該澆嘴中，與涂復(fù)有焊劑的固態(tài)金屬基材表面接觸復(fù)合，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，送出軋輥后形成復(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6-8％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、焊劑槽、干燥加熱裝置、澆嘴、內(nèi)水冷軋輥、收卷機，在澆嘴上方具有中間包，在澆嘴下方具有底臺。所述澆嘴為槽形件，在其壓邊上裝有加熱體，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、除油槽、水槽、烘干爐、打磨機、收卷機。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)金屬的高擴散能力和軋制時的壓力，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)金屬的流動性，澆嘴要預(yù)熱到高于液態(tài)金屬熔點溫度20～50℃。澆嘴由結(jié)構(gòu)材料(如耐熱鋼、鈦、陶瓷等)建造骨架，外部涂復(fù)保溫的耐火材料。當板面寬、固態(tài)金屬較薄時，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，各部分凝固后單位面積上質(zhì)量相同，才能保證復(fù)合材出口時平整和尺寸精度；同時壓塊與固態(tài)板帶滑動接觸，摩擦表面，可以進一步促進液態(tài)金屬的潤濕。
為保證液態(tài)金屬快速冷卻，本發(fā)明采用帶有強制內(nèi)水冷的軋輥，為保證高速散熱和較高的結(jié)構(gòu)強度，軋輥套采用耐熱沖擊、導(dǎo)熱性好和強度較高的鋼(如5CrMnMo，5CrNiMo，PCr3WmoV等)，同時輥身表面設(shè)有細小，均勻，和致密的水流槽。使通過輥縫時，液態(tài)金屬能快速冷卻，以保持細密均勻的結(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)合層金屬熔點比基材熔點低的復(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。
下面結(jié)合附圖以實施例做具體介紹。


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。
實施例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1上，經(jīng)除油槽2中除油，經(jīng)托輥3進入水槽4中清洗，可直接進入烘干爐7中烘干，如表面氧化較嚴重，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8的單面打磨0.005到0.01mm打磨干凈后，經(jīng)收卷機9將其收卷。(3)涂焊劑，如圖2，將收卷的基材10放在卷機11上經(jīng)裝有焊劑的焊劑槽13及壓輥12涂復(fù)一層焊劑，該焊劑為含6-8％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。本實施例的制品經(jīng)檢測復(fù)合材料結(jié)合強度為40～60Mpa(厚2～4mm剪切)，撕裂強度為1000～1400N/20mm(厚度≤2mm，)實施例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。
其制做工序與實施例1相同，不同之處是工序(4)加熱中，本實施例的固態(tài)金屬加熱溫度為450～550℃，工序(5)中，液態(tài)金屬鋁液溫度為680～720℃，制品經(jīng)檢測其撕裂結(jié)合強度為800～1100N/20mm。
實施例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。
其制做工序與實施例1相同，不同之處是工序(3)涂焊劑中本實施例的焊劑為融鹽，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950～970℃，制品經(jīng)檢測其撕裂強度為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(1)復(fù)合強度高。液—固相軋制復(fù)合可以實現(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間可以設(shè)計和能動的控制，界面結(jié)構(gòu)可以達到最佳效果。因此，結(jié)合強度高，是固一固相復(fù)合的2-3倍；例如本發(fā)明實施例1中，用傳統(tǒng)固相軋制法結(jié)合強度僅為10～20Mpa，采用本技術(shù)達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，其競爭力及獲利能力都強于固—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，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％，軋機的容量大大降低。同時由于工序簡單，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)明實施例1中，最大軋制力為40噸，主電機容量為75KW，年產(chǎn)5000噸時，設(shè)備投資為500萬。而同類產(chǎn)品固相軋制復(fù)合時，最大軋制力為300噸，主電機容量為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，重金屬顆粒細小，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)明實施例2中，用固相軋制時，錫質(zhì)點平均尺寸為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、JAJ54124804，1981
5、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，機械工業(yè)出版社，1988，p78。
8、U.S.3495649，19709、U.S.4333775，198210、GB 159861，197711、JAJ8019522，197812、DT 2928317，1978
權(quán)利要求
1.液—固相異種金屬軋制復(fù)合方法，其特征是將液態(tài)金屬澆復(fù)在與其不同材質(zhì)的涂復(fù)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。
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，對于氧化較嚴重的基材表面需經(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)金屬基材表面上涂復(fù)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)澆入軋制復(fù)合，將中間包內(nèi)的液體金屬澆入該澆嘴中，與涂復(fù)有焊劑的固態(tài)金屬基材表面接觸復(fù)合，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，送出軋輥后形成復(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或2所述的液—固相異種金屬軋制復(fù)合方法，其特征是所述焊劑為水劑，為按重量百分比為6-8％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％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液—固相異種金屬軋制復(fù)合方法，其特征是所述焊劑可為融鹽，其組分按重量百分比為硼酸80％，硼砂16％，磷酸鋁4％。
6.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、焊劑槽、干燥加熱裝置、澆嘴、內(nèi)水冷軋輥、收卷機，在澆嘴上方具有中間包，在澆嘴下方具有底臺。
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，其特征是所述澆嘴為槽形件，在其壓邊上裝有加熱體，在其槽面上具有若干壓塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求2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、除油槽、水槽、烘干爐、打磨機、收卷機。
9.根據(jù)權(quán)利要求8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)明為液一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)金屬澆復(fù)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,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B23K35/362GK1329951SQ0010924
公開日2002年1月9日 申請日期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 申請人:東北大學(xué), 鞍山市三和金屬復(fù)合板制造有限公司