一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法
2023-05-18 07:52:16 1
一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法
【專利摘要】一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，步驟如下：採用酸洗法分別將母材金屬板表面進行清洗，去除油脂、汙漬和氧化膜、烘乾；將上述母材金屬板在大氣條件或氮氣或氬氣保護條件下預熱，預熱溫度為150-1700℃；對上述母材金屬板或預置低熔點填充材料的母材金屬板採用內冷式水冷軋輥軋制，同時連續施加超聲波和磁場，直至製得單面金屬層狀複合板。本發明的優點是：該焊接方法通過施加超聲和磁場，有助於控制界面反應和強化傳質過程，得到金屬間化合物顆粒增強的複合焊縫，細化焊縫晶粒，減小殘餘應力，有效破除氧化膜，降低或避免釺劑使用，減少對人員的毒副作用以及對結合界面的不良影響，有利於節約能源和降低環境汙染。
【專利說明】一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及金屬複合材料領域，特別是一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法。
【背景技術】
[0002]層狀金屬複合板是採用不同的複合連接技術使兩種或兩種以上性能不同的母材金屬板實現牢固結合的新型材料。各層金屬母材仍然保持原有各自特性，綜合性能比任一單一母材金屬優越，因此，新型異種金屬複合板材近年來受到普遍重視，在發電設備、汽車、船舶、鋼道交通、核能、機械、航天、石油、化工等中有著廣泛應用。
[0003]層狀金屬複合板的生產方法，主要包括半固態壓力複合法、爆炸複合法、粉末冶金法、軋制複合法、熱浸法。
[0004]粉末冶金法的生產工藝是:對母材表面進行預處理，配置粉末，將粉末均勻覆在母材表面，隨後進行高溫燒結，經軋製得到複合板。其特點在於粉末冶金工藝。缺點是生產中耗費能源、汙染環境、粉末冶金形成層較為疏鬆，適用於軸瓦合金帶的生產，參見:楊曉林.鋼背銅石墨複合板半固態複合研究[M].北京:北京交通大學，2010.6，p7 ;田衝，陳桂雲，楊林，趙九洲，張永昌噴射軋制鋼/Al-Pb複合軸瓦帶材的組織與性能.材料研究學報，2004，18(1):102-107 ；
爆炸焊是固相/固相複合方法，適用於製備大厚度金屬複合板，該方法利用炸藥的高速引爆和衝擊作用將兩種或兩種以上的金屬大面積焊接在一起，優點在於大部分金屬材料都可以實現爆炸複合，產品性能穩定。缺點在於不適合製備薄膜複合板，不能連續生產帶材，焊接界面呈波浪形，界面組織不易控制，參見:布拉齊恩斯基著，李富勤譯，爆炸焊接成型與壓制，北京，機械工業出版社1988，p70-80。
[0005]固-固軋制複合是生產金屬複合板廣泛應用的技術，通過軋製作用使雙金屬板達到接觸並形成金屬界面結合。為提高界面結合強度，需要很大的壓下率，進而要求軋機龐大，因此設備投資大，參見:李靜媛、趙豔君、任學平.特種金屬材料及其加工技術.冶金工業出版社，2010.ρ294-323。
[0006]半固態壓力複合法的基本工藝是:製備覆層金屬半固態漿料，將其澆注在預先進行過表面處理的母板上，在壓力模中加壓成形，實現界面凝固複合。該方法不能生產帶材，而且存在母板氧化、複合板界面殘餘應力較大等問題，影響界面結合強度，參見:H.W.Liuj C.Guoj Y.Cheng, X.F.Liuj G.J.Sha0.1nterfacial strength and structure ofstainless steel - sem1-solid aluminum alloy clad metal.Materials Letters Volume60， Issue 2， January 2006， Pages 180-184。
[0007]液-固軋製法是利用液態金屬的高擴散能力和軋制時產生的壓力，同時藉助釺劑去除二次氧化膜，實現不同金屬母材的冶金結合。該方法與固-固複合軋制相比具有成型型好的優勢，但在生產過程中有毒性釺劑的大量使用存在在表面、界面析出、清除困難、熱穩定性差、腐蝕性強、去除氧化物效果不穩定等缺點，用該方法得到的複合板能滿足一般的裝飾要求，難以承受大變形的機械加工。
[0008](崔建忠、張曉博、路貴民、許光明.液-固相異種金屬軋制複合方法及設備，參見:CN1329951A;張鵬，崔建忠，杜雲慧，巴立民.鋼-鋁固液相複合中浸鍍助焊劑的應用研究.金屬學報，1997，V33 (8): 869-873。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，該製備方法通過同時施加超聲場和磁場雙物理場，能有效破除氧化膜，有助於晶粒的細化，降低或避免了釺劑對人員的毒副作用以及對異種材料界面結合的不良影響，有利於提高界面結合強度。
[0010]本發明的技術方案:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，步驟如下:
1)採用酸洗法分別將母材金屬板表面進行清洗，去除油脂、汙潰和氧化膜，並烘乾備用；
2)將上述處理後母材金屬板在大氣條件或氮氣或氬氣保護條件下預熱，預熱溫度為150-1700。。；
3)對上述預熱的母材金屬板或預置低熔點填充材料的母材金屬板採用內冷式水冷軋輥軋制，同時連續施加超聲波和磁場，直至製得單面金屬層狀複合板。
[0011]所述母材金屬板為鋼板、鐵板、鋁板、鈦板或銅板。
[0012]所述超聲波的振動頻率為2X 14-1 X 19Hz,工具頭輸出振幅為0.01_20Mm，超聲波電源的輸出功率為0.01-5kw，工作壓力0.01?5.0MPa0
[0013]所述磁場為穩恆磁場或交變磁場，磁場強度為0.001-15T,交變磁場頻率為0.0l-lOOOHz。
[0014]所述氮氣或気氣氣氛的濃度為99-99.9999%ο
[0015]所述填充材料為Zn-A1、A1-Si或Sn_Zn，填充材料形態為粉狀、棒狀、帶狀或膏狀。
[0016]本發明的優點是:
該焊接方法通過施加超聲和磁場，有助於控制界面反應和強化傳質過程，得到金屬間化合物顆粒增強的複合焊縫，細化焊縫晶粒，減小殘餘應力，有效破除氧化膜，降低或避免釺劑使用，減少對人員的毒副作用以及對結合界面的不良影響，有利於節約能源和降低環境汙染。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是外場輔助異種金屬材料軋制設備示意圖。
[0018]圖2是採用不同形狀超聲施加裝置的外外場輔助異種金屬材料軋制設備示意圖。
[0019]圖3是熔化低熔點金屬的外場輔助異種金屬材料軋制設備示意圖。
[0020]圖4是熔化填充材料而母材不熔化的外場輔助異種金屬材料軋制設備示意圖。
[0021]圖5是氣氛保護條件下外場輔助異種金屬材料軋制設備示意圖。
[0022]圖6是顆粒增強複合結構焊縫的微觀組織示意圖。
[0023]圖中:1.超聲波施加裝置 2.低熔點母材 3.加熱裝置 4.磁場 5.內冷式水冷軋輥 6.高熔點母材 7.填充材料 8.保護氣氛。
【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖，對本發明進行說明。
[0025]實施例1:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，步驟如下:
1)將純鋁板和純鐵板表面採用酸洗法清洗，去除油脂、汙潰和氧化膜，並烘乾備用；
2)將上述處理後純鋁板和純鐵板在大氣條件下預熱至溫度為350°C；
3)對上述預熱的純鋁板和純鐵板採用內冷式水冷軋輥軋制，同時連續施加超聲波和磁場，如圖1所示:開啟超聲波設備連續施加超聲作用，超聲波施加裝置由換能器、變幅杆、工具頭組成，可施加橫向和縱向超聲波，超聲頻率為3X 14Hz,工具頭輸出振幅為lOMm，超聲波電源的輸出功率為3kW,工作壓力3Mpa ;開啟磁場設備連續施加磁場作用,磁場裝置由電磁鐵構成能夠產生交變磁場，磁場強度為5T，交變磁場頻率為1Hz ;傳輸純鐵板並與純鋁板接觸，金屬板傳輸速度為100mm/s,經軋棍軋制後,在冷卻速度300°C /min下冷卻,最終製得單面金屬層狀純鋁板-純鐵複合板，如圖6所示。
[0026]實施例2:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在於:所使用的超聲波施加裝置的超聲頭的形狀不同，包括滾輪型、柱型、倒喇叭型，如圖2所示。
[0027]實施例3:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在於:鋁板被加熱熔化，如圖3所示。
[0028]實施例4:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在於:在純鋁板和純鐵板之間預置低熔點填充材料，成份為Zn-Al合金，如圖4所示。
[0029]實施例5:
一種多物理場輔助異種金屬材料的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在於:在純鋁板和純鐵板之間使用填充材料，成份為Sn-Zn合金，如圖4所示。
[0030]實施例6:
一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在於:軋制在氮氣氣氛條件下進行，氮氣濃度為99.99%，如圖5所示。
【權利要求】
1.一種雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，其特徵在於步驟如下: 1)採用酸洗法分別將母材金屬板表面進行清洗，去除油脂、汙潰和氧化膜，並烘乾備用； 2)將上述處理後母材金屬板在大氣條件或氮氣或氬氣保護條件下預熱，預熱溫度為150-1700。。； 3)對上述預熱的母材金屬板或預置低熔點填充材料的母材金屬板採用內冷式水冷軋輥軋制，同時連續施加超聲波和磁場，直至製得單面金屬層狀複合板。
2.根據權利要求1所述雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，其特徵在於:所述母材金屬板為鋼板、鐵板、鋁板、鈦板或銅板。
3.根據權利要求1所述雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，其特徵在於:所述超聲波的振動頻率為2 X 14-1 X 19Hz,工具頭輸出振幅為0.01-20Mm,超聲波電源的輸出功率為0.01-5kW，工作壓力0.01?5.0MPa0
4.根據權利要求1所述雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，其特徵在於:所述磁場為穩恆磁場或交變磁場，磁場強度為0.001-15T，交變磁場頻率為0.01-1OOOHz0
5.根據權利要求1所述雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，其特徵在於:所述氮氣或氬氣氣氛的濃度為99-99.9999%。
6.根據權利要求1所述雙物理場輔助單面金屬層狀複合板的製備方法，其特徵在於:所述填充材料為Zn-Al、Al-Si或Sn-Zn,填充材料形態為粉狀、棒狀、帶狀或膏狀。
【文檔編號】B21B1/38GK104438323SQ201410591155
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】王謙, 李雲濤, 褚亮, 張行 申請人:天津理工大學