基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法与流程

1.本发明属于双金属复合材料制备技术领域，涉及一种铜(铝)/钢双金属复合材料的制备方法，特别是涉及一种利用电磁液固成形铸造铜(铝)/钢双金属复合材料的方法。


背景技术：

2.随着工业技术的不断发展，单一金属材料或合金材料的综合性能已经很难满足一些现代化生产的需求。双金属复合材料由于兼具两种金属材料的优良性能，可以解决单一材料无法满足的高强度、高韧性等综合性能问题，在特定制造领域具有广阔的应用前景。
3.目前双金属复合材料的制备技术主要包括焊接复合、扩散复合、轧制复合、爆炸复合等固相复合技术及固液复合铸造等铸造复合技术。
4.其中，固液复合铸造是将覆层金属液浇注到已经预制好的基体金属上或将已经表面处理好的基体金属沉没于覆层金属液中，通过两种金属间的扩散反应形成连续的金属间扩散区，从而形成复合材料的工艺方法。
5.采用传统固液复合铸造技术制备的双金属复合材料构件常常由于复合界面金属间化合物晶粒粗大，复合界面夹杂物多、无法净化等原因，导致复合界面出现气孔、针孔，构件的界面结合性能较差。
6.例如，铜钢双金属复合材料经常出现以下问题：1、中间过渡层固溶体较少；2、铅颗粒粗大，分布不均匀，且偏析现象严重(对于含有pb元素的铅锡青铜)；3、界面处结合强度不高，力学性能偏低。而铝钢双金属复合材料经常出现的问题则主要包括：1、中间过渡层出现较多的金属间化合物；2、界面处结合强度不高，且性能不均匀；3、复合界面无法得到净化，夹杂物居多，常出现气孔、针孔。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法，通过电磁多维剪切方式减少固液复合铸造制备双金属复合材料时的气孔和裂纹，增强双金属界面结合性能，提高双金属复合材料质量。
8.本发明所述的基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法是在采用固液复合铸造技术制备双金属复合材料时，将浇注有覆层金属熔液的基体金属或者浸没有基体金属的覆层金属熔液置于一个由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈内部，在产生的旋转磁场和行波磁场的多维剪切作用下，使覆层金属熔液在基体金属上固化形成双金属复合材料。
9.其中，所述的行波磁场和旋转磁场分别是由施加以频率1～30hz、电流300～500a的交流电的行波磁场线圈和旋转磁场线圈产生。
10.具体地，所述行波磁场线圈产生的行波磁场的磁力线与旋转磁场线圈产生的旋转磁场的磁力线相互垂直。
11.当表面充有覆层金属熔液的基体金属被放入到由行波磁场线圈和旋转磁场线圈
组成的金属线圈内部，并接入交流电时，两组线圈就会分别产生行波磁场以及旋转磁场，产生借助在覆层金属熔液内感生的电磁力。该电磁力的多维剪切力可以起到搅拌的作用，推动覆层金属熔液运动，从而强化覆层金属熔液的对流、传热过程，使得基体金属表面的全部金属熔液能够在非常短的时间内被均匀搅拌，打断枝晶，覆层金属熔液的上下层面浓度和温度均匀化，等轴晶形核生长，减少了金属间化合物的聚集和减少了偏析现象的产生，可以有效减少表面和皮下的气孔、针孔、夹杂物和表面裂纹等缺陷，使界面得到净化，界面处组织均匀细小，提高了产品的内在质量。温度的均匀化还可以进一步防止覆层金属熔液的氧化，提高原料利用率，有利于双金属复合材料较好的液固成形。
12.优选地，本发明基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法适合于制备以钢为基体的铜钢双金属复合材料或铝钢双金属复合材料。
13.更具体地，本发明可用于制备铜(铅锡青铜)钢(42crmo)双金属复合材料或铝(zl114)钢(q235)双金属复合材料。
14.进一步地，本发明还提供了基于电磁液固成形的铜钢双金属复合材料的制备方法。
15.1）、在预热炉中将钢基体预热至1100～1200℃。
16.2）、将铜合金在1100～1200℃熔炼炉中熔炼得到铜熔液。
17.3）、使铜熔液与钢基体的待复合工作面充分接触，放入一个由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈的内部。
18.4）、行波磁场和旋转磁场分别接通电流300～500a，频率1～30hz的交流电。
19.5）、磁场作用5～10min后关闭磁场，取出复合好的铜钢双金属构件。
20.6）、将铜钢双金属构件在200～300℃热处理3～5h。
21.优选的，所述钢基体的预热温度为1150℃。
22.对于铜钢双金属复合材料而言，本发明制备方法中的电磁多维剪切流可以使铜熔液的溶质原子进入到钢基体中的某些节点位置，从而改变晶体结构，使得铜钢中间结合处的厚度增加，形成更多的固溶体，在仍能保证足够高的塑性和韧性的同时，明显提高了材料的强度和硬度。中间结合处厚度的增加还加大了扩散距离，改变了铅锡青铜合金中铅颗粒的形态，成为了细小的圆球状。进而，电磁多维剪切流可以打碎二次枝晶，使其重新长大成为一次枝晶，而枝晶数量的增多也使得复合材料的结合强度更高。
23.更进一步地，本发明也提供了基于电磁液固成形的铝钢双金属复合材料的制备方法。
24.1）、在预热炉中将钢基体预热至250～350℃。
25.2）、将铝合金在750～800℃熔炼炉中熔炼得到铝熔液。
26.3）、使铝熔液与钢基体的待复合工作面充分接触，放入一个由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈的内部。
27.4）、行波磁场和旋转磁场分别接通电流300～500a，频率1～30hz的交流电。
28.5）、磁场作用3～5min后关闭磁场，取出复合好的铝钢双金属构件。
29.6）、将铝钢双金属构件先在400～500℃固溶处理15～18h，再于150～170℃时效处理5～8h。
30.优选的，所述钢基体的预热温度为300℃。
31.对于铝钢双金属复合材料而言，本发明制备方法中的电磁多维剪切流反而可以抑制铝钢中间结合处的厚度，通过破环金属间的离子键与共价键，抑制金属间化合物的生长，从而减少金属间化合物的生成，使得复合材料的结合性能均匀，结合强度更高。
32.传统铸造方法制备的未经过本发明电磁液固成型的铜钢/铝钢双金属复合材料的界面晶粒粗大，有明显裂纹，且容易出现气孔、夹杂等问题。
33.与传统铸造方法制备的双金属复合材料相比，本发明制备双金属复合材料的界面结合性能良好，减少了传统工艺不可避免的气孔、针孔和表面裂纹，减少了中心疏松、缩孔和内裂，且界面组织均匀细小，提高了产品的内在质量。
34.采用本发明电磁液固成形方法制备的铜钢双金属复合材料构件的铜侧布氏硬度可以达到110hbw，提高了约50%，结合强度可以达到235mpa；提高了约65%，铜钢双金属复合材料构件的结合层厚度达到21.69
µ
m。
35.采用本发明电磁液固成形方法制备的铝钢双金属复合材料构件的界面处硬度可以达到715.3hv，提高了80%，结合强度达到61mpa，同时观察到铝钢界面扩散层由两个颜色分明的连续相层组成，扩散层厚度约为8
µ
m，靠近钢基体一侧的扩散层厚度2
µ
m，靠近铝基体一侧的扩散层厚度6
µ
m。
附图说明
36.图1是由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈的结构示意图。
37.图2是实施例1制备铜钢双金属复合材料构件的形貌与金相组织图。
38.图3是实施例1制备铜钢双金属复合材料构件的界面线扫描图。
39.图4是比较例1制备铜钢双金属复合材料构件的形貌与金相组织图。
40.图5是比较例1制备铜钢双金属复合材料构件的界面线扫描图。
41.图6是实施例2制备铝钢双金属复合材料构件的形貌与金相组织图。
42.图7是实施例2制备铝钢双金属复合材料构件的微观组织图。
43.图8是比较例2制备铝钢双金属复合材料构件的形貌与金相组织图。
44.图9是比较例2制备铝钢双金属复合材料构件的微观组织图。
具体实施方式
45.下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，从而使本领域技术人员能很好地理解和利用本发明，而不是限制本发明的保护范围。
46.本发明实施例和对比例中涉及到的实验方法、生产工艺、仪器以及设备，其名称和简称均属于本领域内常规的名称，在相关用途领域内均非常清楚明确，本领域内技术人员能够根据该名称理解常规工艺步骤并应用相应的设备，按照常规条件或制造商建议的条件进行实施。
47.本发明实施例和对比例中使用的各种原料或试剂，并没有来源上的特殊限制，均为可以通过市售购买获得的常规产品。也可以按照本领域技术人员熟知的常规方法进行制备。
48.实施例1。
49.一个圆柱形的电磁搅拌装置，在装置内设置有图1所示的由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈。其中，旋转磁场线圈为每隔60
°
放置一组线圈，总共六组，行波磁场一组，线圈均采用集中短距绕组。
50.在装置的底部设有自动升降平台，放入金属线圈内的试样可以通过平台上下移动至需要的位置。在装置的底部还设有冷却水管路。
51.将一个圆柱形的42crmo钢基试样放入预热炉中预热75min，预热至1150℃。
52.在熔炼炉中1150℃下，将铅锡青铜合金熔炼成铜熔液。
53.将预热的钢基试样浸没到熔炼好的铜熔液中，随后放入金属线圈的中心位置。
54.将行波磁场接通电流300a、频率30hz的交流电，旋转磁场接入电流300a、频率30hz的交流电，磁场作用8min。
55.断电关闭磁场，取出构件，250℃下热处理4h，制备得到铜钢双金属复合材料构件。
56.图2给出了构件的形貌和金相组织图。形貌图显示构件表面铜层光滑、无缺陷；金相组织图中铅颗粒组织细小，分布均匀，铜层与钢层界面结合良好，无裂缝及夹杂物。
57.进而，通过图3的界面线扫描图可以显示出铜钢双金属复合材料构件的结合层厚度为21.69
µ
m，证明了通过电磁的多维剪切流，加大扩散距离，溶质原子进入钢基体中的某些节点位置，形成了更多的固溶体。
58.比较例1。
59.除未将试样置于金属线圈内施加磁场作用外，其他条件与实施例1相同，采用传统固液复合铸造法制备得到铜钢双金属复合材料构件。
60.从图4可以看出，构件的铜层表面有明显的孔洞等缺陷，而金相组织图显示内部铅颗粒粗大，偏析现象严重，界面结合处有黑色裂纹。
61.图5的界面线扫描图也显示，采用传统方法得到的构件结合处厚度只有8.71
µ
m。
62.实施例2。
63.将一个圆环形的q235钢基试样放入预热炉中预热5min，预热至300℃。
64.在熔炼炉中780℃下，将zl114铝合金锭熔炼成铝熔液。
65.将钢基试样固定在预先制好的砂型的孔洞上，将熔炼好的铝熔液浇注在砂型中，使其与预热的钢基试样的环形内壁接触，随后一体放入在金属线圈的中心偏下部位置。
66.将行波磁场接通电流400a、频率15hz的交流电，旋转磁场接入电流400a、频率15hz的交流电，磁场作用3min。
67.断电关闭磁场，取出构件，500℃下固溶处理16h，再165℃时效处理6h，制备得到铝钢双金属复合材料构件。
68.图6的构件形貌和金相组织图显示，铝层表面光滑，无气孔、针孔等缺陷，铝钢双金属界面结合处组织细小，分布均匀，铝层与钢层界面结合处结合良好，无裂缝。
69.从图7的铝钢双金属复合材料构件微观组织图观察到，铝钢界面扩散层由两个颜色分明的连续相层组成，扩散层厚度约为8
µ
m。靠近铁基体一侧扩散层为τ
1-al2fe3si3和fe3al相共存，厚度2
µ
m，靠近铝基体一侧扩散层（τ5–
al8fe2si和fe2al5相）厚度6
µ
m。
70.比较例2。
71.除未将试样置于金属线圈内施加磁场作用外，其他条件与实施例2相同，采用传统固液复合铸造法制备得到铝钢双金属复合材料构件。
72.从图8可以看出，铝钢双金属界面结合处有黑色裂纹产生，还伴随着一些气孔等。形貌图可以看出结合处有明显缺陷，以及气孔、夹杂物等。
73.进而，图9的微观组织图中，铝钢界面扩散层由两个颜色分明的连续相层组成，扩散层厚度约为35
µ
m。靠近铁基体一侧的扩散层为τ
1-al2fe3si3和fe3al相共存，厚度2
µ
m，靠近铝基体一侧扩散层（τ5–
al8fe2si和fe2al5相）厚度为27
µ
m，扩散层有大量黑色裂纹产生。
74.分别针对以上4个构件进行表面硬度和结合强度测试，具体测试结果列于表1中。
75.上述测试结果证明，采用本发明电磁液固成形双金属复合材料制备方法，制备的双金属构件的硬度和界面结合强度均较传统固液复合铸造方法有明显提高，提高率达到50%以上。
76.本发明以上实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制本发明仅为以上所述实施例。本领域普通技术人员在不脱离本发明原理和宗旨的情况下，针对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和变型，均应包含在本发明的保护范围之内。