固態(tài)鋼材固液復合及軋制組合制備雙金屬復合材料的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于雙金屬復合材料的制備領域，具體是一種固態(tài)鋼材固液復合及乳制組合制備雙金屬復合材料的方法，即一種通過固液復合鑄造后乳制組合工藝制備雙金屬復合材料的方法。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，對材料綜合性能的要求越來越高，在很多工況條件下，單一組元的金屬材料已經很難滿足要求。因此，研究和制備新型復合材料成了材料科學與工程領域的一個重要發(fā)展方向。雙金屬復合材料是通過各種復合技術使兩種性能不同的金屬復合在一起而制備的一種新型復合材料。與單一組元的金屬材料相比，雙金屬復合材料可以綜合利用兩種金屬材料各自的物理化學特性，獲得單一組元金屬不能同時具有的綜合性能，可以較好地滿足工業(yè)與科技的快速發(fā)展對于材料越來越高的要求。相比于單一金屬材料，其優(yōu)點具體表現(xiàn)在以下三個方面:(I)優(yōu)良的綜合性能；(2)良好的經濟效益；(3)廣泛的可設計性。
[0003]鋼材由于其優(yōu)良的綜合力學性能，被廣泛應用于航空、機械、汽車、石油、建筑等行業(yè)，是應用最廣泛的金屬之一。經調研發(fā)現(xiàn)，鋼材其他材料復合形成的雙金屬復合材料，如鋼鋁雙金屬復合材料、鋼鎂雙金屬復合材料等受到了越來越多的關注。不過在使用傳統(tǒng)焊接方法制備雙金屬復合材料時，經常由于兩種金屬之間相差較大的物理和化學性質導致各種缺陷出現(xiàn)。如鋼鋁雙金屬材料，兩種金屬之間熔點相差接近1000°C，很難實現(xiàn)焊接，同時經常在焊接接頭出現(xiàn)氣孔、燒穿、中間化合物層過厚等一系列的問題。經對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，除焊接方法外鋼鋁間復合常見的方法按照材料狀態(tài)的不同可以分為固液復合、固固復合及液液復合。對于固固連接方法，如擠壓，生產效率較高，不過由于鋁和鈦在大氣環(huán)境下都非常容易氧化，尤其是高溫條件下，兩種金屬之間都會形成致密的氧化膜，氧化膜的存在會阻礙冶金結合的形成。而液液連接則經常受到設備的限制，對于材料的外形、尺寸都有非常嚴格的要求，這也在一定程度上限制了鋼鎂、鋼鋁等雙金屬材料的推廣和應用。相比于固固復合及液液復合，固液復合技術工序簡單、受外形條件約束小、工藝設備要求簡單、生產效率較高，正受到越來越多的關注。不過固液復合同樣存在一定的不足，經檢索發(fā)現(xiàn)，Dezellus等人在《Internat1nal Journal of Adhes1n and Adhesives》期刊2007，27:417-421 上發(fā)表的Mechanical testing of steel/aluminium-silicon interfaces bypushout(鋼與鋁硅合金界面力學性能研究)提到，在液固復合過程中，澆注溫度較高時容易在界面上生成較厚的中間化合物，影響鋼鋁雙金屬復合材料的結合強度和物理性能。可見，每一種方法都有其特有的優(yōu)勢，但又有一定的局限性。
[0004]進一步對現(xiàn)有技術檢索發(fā)現(xiàn)，研究人員開始通過兩種復合方法組合在一起制備雙金屬復合材料以克服單一方法的不足。中國專利CN101364459A公布了一種銅包鋁母線排的生產方法及設備。該技術利用擠壓和熱乳組合的方法制備銅鋁雙金屬復合材料，不過由于是利用兩種固固連接方法，而且為了避免氧化膜的影響，在熱處理過程中引入了惰性氣體保護，對于設備及制備條件要求較高。中國專利CN101465171A公布了一種包覆焊接及乳制連續(xù)制作銅包鋁母線排的方法。該技術利用包覆焊接及乳制組合的方法制備了銅鋁雙金屬復合材料，不過，同樣的利用兩種固固連接方法，而且為了避免氧化膜的影響，在熱處理過程中引入了惰性氣體保護，對于設備及制備條件要求較高。

【發(fā)明內容】

[0005]針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種固態(tài)鋼材固液復合鑄造及乳制組合制備雙金屬復合材料的方法，解決現(xiàn)有復合技術連接鋼材和其它材料時經常導致結合區(qū)域形成氣孔、氧化夾渣、燒穿等一系列的問題，同時解決氧化膜和中間化合物的存在嚴重影響兩種金屬之間的相互作用以及雙金屬復合材料的性能較低等一系列的問題，使兩種合金之間形成冶金結合，具有優(yōu)良的力學性能。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明提供一種固態(tài)鋼材固液復合及乳制組合制備雙金屬復合材料的方法，所述方法包括固液復合鑄造制備雙金屬乳制坯料的步驟、乳制所述坯料制備雙金屬復合材料的步驟。
[0008]優(yōu)選地，固液復合鑄造制備雙金屬乳制坯料的步驟具體包括:
[0009]處理預置:對待連接固態(tài)銅預置材料進行表面處理，處理后預置在模具型腔內；
[0010]鑄造結合:將液態(tài)待澆注材料澆注入所述模具型腔內，鑄造形成雙金屬乳制坯料。
[0011]優(yōu)選地，所述澆注材料包括熔點低于或等于固態(tài)鋼材料的金屬或合金;其中，所述金屬或合金包括鋁、鎂、鋼等。當澆注材料為鋼時，因為鋼材的種類非常多，雖然都為鋼材，但是可以選擇不同種類的鋼材，同樣可以綜合不同鋼材之間不同的性能優(yōu)勢從而得到具有優(yōu)良性能的雙金屬復合材料。
[0012]優(yōu)選地，處理預置的步驟中，所述表面處理具體指鍍鋅保護層；
[0013]優(yōu)選地，所述鋅保護層的實現(xiàn)方式包括電鍍、化學鍍、熱浸鍍、熱噴涂、氣相沉積等;所述鋅保護層的厚度為0.1?50μπι。鋅層太薄在澆注前會氣化，表面繼而氧化，不能起到保護作用。過厚會造成鋅層不能完全溶入到澆注材料中去，導致不能形成冶金結合?；蛘咝纬梢苯鸾Y合界面處有鋅聚集，鋅的聚集會影響雙金屬復合材料的性能。
[0014]優(yōu)選地，鑄造結合的步驟中，所述鑄造的方法包括砂型鑄造、金屬型鑄造、低壓鑄造、尚壓鑄造、真空鑄造、擠壓鑄造、尚心鑄造等。
[0015]優(yōu)選地，鑄造結合的步驟中，所述澆注溫度為450?1800°C;澆注溫度低于450°C充型困難，同時很難熔化表面鋅層，不能形成冶金結合。高于1800°C可能會造成預置鋼材的嚴重熔化，失去作為高性能預置材料的意義;進一步優(yōu)選地，所述澆注溫度為650?1800°C;特別優(yōu)選地，所述澆注溫度為1600?1800°C。
[0016]優(yōu)選地，乳制所述坯料制備雙金屬復合材料的步驟中，所述乳制的方式為雙層乳制或三層乳制;所述乳制為冷乳、溫乳或熱乳;所述乳制的溫度為-100?澆注材料熔點以下100°C;所述乳制的壓下率為10?75%，乳制的速度為0.01?10m/s。乳制溫度低于-100°C時，成型性能很差，在乳制過程中會出現(xiàn)裂紋等缺陷。溫度高于上限時有可能達到澆注材料甚至鋼材的熔點，導致材料熔化，不能形成所需雙金屬材料。壓下率低于10%時，基本沒有變形效果，對于中間化合物的破損效果很弱，得到的材料界面上會存在較厚的中間化合物，影響性能。而低于0.0lm/s，生產效率較低。進一步優(yōu)選地，所述乳制的溫度為-100?500°C。
[0017]優(yōu)選地，所述乳制所述坯料制備雙金屬復合材料的步驟還包括對所得雙金屬復合材料進行乳制后退火處理。
[0018]優(yōu)選的，所述退火處理的溫度為100?澆注材料熔點以下100°C，退火處理的時間為5?300min。溫度低于100°C或者時間少于5min時，不能起到去除應力效果，并且兩種金屬之間作用較弱，很難發(fā)生反應，導致雙金屬復合材料的性能較差。溫度高于上限或者時間長于300min時，兩種金屬之間劇烈反應，中間化合物層厚度會很厚，中間化合物硬脆的性質會影響雙金屬復合材料的性能，或者有可能超過澆注材料甚至鋼材的熔點，導致材料熔化，不能形成雙金屬材料。進一步優(yōu)選地，所述退火處理的溫度為300?400°C。
[0019]優(yōu)選地，所述乳制所述坯料制備雙金屬復合材料的步驟還包括對所得雙金屬乳制坯料進行乳制前退火處理。
[0020]優(yōu)選地，所述乳制前退火處理的