专利名称：液－固相异种金属轧制复合方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种异种金属轧制复合方法及设备，特别是一种液—固相异种金属轧制复合方法及设备。
复合金属板是通过温度和压力将两种或多种性质不同的金属结合在一起的新型材料。它可以按设计要求充分发挥每个组分的性能特长，以其高强、耐磨、防蚀……等力学、物理、化学等工程性能和低成本，综合性能高等一系列优点，取代很多价格高昂的金属，广泛应用于建筑、机械、炊餐具，家具、化工、装潢、汽车、航天、航空等工业，复合金属板的制造方法可以分成五类轧制法、粉末法、爆炸法、铸造法和喷镀法。
轧制复合是应用最广泛的复合金属板生产方法[1]，可以分成热轧和冷轧两种方法，由于该方法是依靠金属轧制时伸长出现的新表面达到物理接触而实现结合，因此首道压下率必须足够大[2](一般要达50％以上)。所以轧制力大，所需轧机庞大，轧后依靠退火实现冶金结合，结合强度不高。近年该类技术也有所发展，例如连轧复合，异步轧制复合和差温轧制复合等，但设备投资大，能耗高，成本高的问题没有根本变化。
粉末复合法[3][4][5][6]，该方法是将粉末布在基材上，在保护气氛中烧结后轧制成材。该方法工序复杂，流程长，能耗高。适合于制造一些特殊复合材。如铜、铅—钢复合轴瓦带等。
爆炸复合法[7]该法是利用爆炸时产生的射流清洁表面，利用爆炸时产生的冲击和瞬时高温实现结合。该方法简单、经济，但仅适用于复合较厚板材，生产地点受限制，且无法实现连续生产。
铸造复合法，[8]该方法是将复合金属液浇铸到固态基材的表面，形成冶金结合。该方法简单，可生产毛坯和部件，但是基材表面易氧化，毛坯需加工后再成型，界面残余应力大，结合强度不高，生产成本也高。
喷镀法[9-12]，该方法是将液态合金用喷枪热喷到固态钢板上、该方法的优点是由于喷镀时高速冷却，合金成分不偏析。但由于液态金属喷镀时易氧化，因此，结合强度不高。同时设备复杂，投资也大。因此，复合金属的发展关键是寻求更加简单、经济和高效的生产方法。
本发明的目的是提供一种结合强度高、工艺更加简单、且经济、高效的液一固相异种金属轧制复合方法及设备。
本发明的目的是按如下技术方案实现的。该方案是将液态金属浇复在与其不同材质的涂复有焊剂的固态金属基材表面上，将二种材料加压轧制，使液态金属在快速轧制冷却下，固化附着于固态金属基材表面上，形成二种或多种金属的冶金结合。它包括以下工序(1)清洗，洗去固态金属基材表面的油污，对于氧化较严重的基材表面需经酸洗，(2)打磨，将固态金属基材表面的氧化物打磨干净，(3)涂焊剂，在待复合的固态金属基材表面上涂复一层焊剂，(4)加热，将涂有焊剂的固态金属基材加热到预定温度后送入浇嘴，(5)浇入轧制复合，将中间包内的液体金属浇入该浇嘴中，与涂复有焊剂的固态金属基材表面接触复合，将液态金属和固态金属基材共同送入到带内冷系统的两轧辊之间的辊缝中，加以轧制，在轧辊缝内将该液态金属冷却，并与固态金属基材形成冶金结合，送出轧辊后形成复合金属板。在所述工序(5)中，所述中间包内的液体金属是在熔炼炉内熔化并经出气造渣后置于中间包内的。所述焊剂为水剂，为按重量百分比为6-8％的复合盐水溶液，其中，复合盐的组分按重量百分比为KF、NaF、KI、NaI、LiI各占20％。所述焊剂可为融盐，其组分按重量百分比为硼酸80％，硼砂16％，磷酸铝4％。所用的轧制设备包括依次排列的放卷机、焊剂槽、干燥加热装置、浇嘴、内水冷轧辊、收卷机，在浇嘴上方具有中间包，在浇嘴下方具有底台。所述浇嘴为槽形件，在其压边上装有加热体，在其槽面上具有若干压块。所用的打磨设备包括依次排列的放卷机、除油槽、水槽、烘干炉、打磨机、收卷机。本发明采用方法是将金属的热浸镀和液态轧制技术有机地结合，使液体金属与涂有焊剂的固态金属基材接触将焊剂分解，液态金属在固态金属基材表面润湿，利用液态金属的高扩散能力和轧制时的压力，使液态金属快速冷却、结晶、变形，并与固态金属基材形成冶金结合，轧成复合金属板。本发明中润湿是实现冶金结合的先决条件，为确保充分润湿，固态金属表面必须彻底清除油污和氧化物，打磨到露出新鲜金属表面。同时为保证固态金属表面在后续的加热等工序中表面不再氧化，尤其是为了促进液态金属在固态金属表面的润湿，该表面必须涂焊剂。根据复合材料的基材和复合层金属种类不同，采用的焊剂的种类亦不同，焊剂可以选择水剂，也可以采用融盐。
为保证液态金属的流动性，浇嘴要预热到高于液态金属熔点温度20～50℃。浇嘴由结构材料(如耐热钢、钛、陶瓷等)建造骨架，外部涂复保温的耐火材料。当板面宽、固态金属较薄时，固态板、带在和液态金属接触后，受热变形翘曲，复合带中部容易跑汤(不凝固)。因此浇嘴内部可设各种类型的压块，防止固态金属板翘曲，同时控制各部分液态金属的流量；确保液态金属与轧辊接触时，各部分凝固后单位面积上质量相同，才能保证复合材出口时平整和尺寸精度；同时压块与固态板带滑动接触，摩擦表面，可以进一步促进液态金属的润湿。
为保证液态金属快速冷却，本发明采用带有强制内水冷的轧辊，为保证高速散热和较高的结构强度，轧辊套采用耐热冲击、导热性好和强度较高的钢(如5CrMnMo，5CrNiMo，PCr3WmoV等)，同时辊身表面设有细小，均匀，和致密的水流槽。使通过辊缝时，液态金属能快速冷却，以保持细密均匀的结晶组织。
本发明可以取代传统的固态轧制复合，生产各类复合金属板带材。尤其适合于生产复合层金属熔点比基材熔点低的复合金属。如钢—铝(合金)，钢—铜(合金)，钢—锌(合金)，钢—铅、锡(合金)，钢—合金钢，铜—锌，铜—铝，铝—锌等，以及钛、镍、钼等高熔点金属与各类有色金属及其合金。
上述的钢可以是碳素钢、合金钢、不锈钢等各类钢种。
下面结合附图以实施例做具体介绍。
图1为本发明采用的打磨设备示意图，图2为本发明采用的轧制设备示意图，图3为图2中浇嘴7的结构示意图，图4为图3中的A向视图。
实施例1固态金属基材为304不锈钢带，厚0.5mm，宽300～500mm，复合层为纯铝，产品复合材总厚度0.8～4.0mm。
按如下工序进行加工如图1，(1)清洗，将成卷的固态金属基材10在放卷机1上，经除油槽2中除油，经托辊3进入水槽4中清洗，可直接进入烘干炉7中烘干，如表面氧化较严重，则还需经酸洗槽5、水槽6再送入烘干炉7中，(2)打磨，烘干后的基材10经砂带打磨机8的单面打磨0.005到0.01mm打磨干净后，经收卷机9将其收卷。(3)涂焊剂，如图2，将收卷的基材10放在卷机11上经装有焊剂的焊剂槽13及压辊12涂复一层焊剂，该焊剂为含6-8％复合盐水溶液，复合盐的组分按重量百分比为KF、NaF、KI、NaI、LiI各占20％。水温80-90℃，浸涂时间5-10秒，(4)加热，然后送至加热装置15中加热，加热装置15包括低温烘干炉15A和高温加热炉15B，加热至200-300℃，进入浇嘴17，浇嘴17的上方装有中间包16，在其中盛有的金属铝液体，是先在溶炼炉内熔化炼制并经出气造渣后送入该中间包16中的，温度为720℃-750℃，送料速度可为2.5-5.5米/分，(5)浇入轧制复合，将中间包16内的液体金属浇入到该浇嘴17中与涂有焊剂的固态金属基材10的表面接触，该浇嘴17事先预热到高于液态金属熔点温度20-50℃，将液态金属和固态金属基材10共同送入到带内水冷却轧辊18之间加以轧制，在浇嘴17下方用底台21将浇嘴17托住，复合金属层经轧辊18轧制后，形成复合金属带19送出到收卷机20。如图3浇嘴17为槽形件，在其压边173上装有加热体172，在其槽顶面171上具有若干个压块174，固态金属基材10的上表面从压块底端175滑过。用压块174均匀该液态金属使其均布于固态金属基材10上，在槽顶上具有浇口176，中间包16中的液态金属从此浇入。本实施例的制品经检测复合材料结合强度为40～60Mpa(厚2～4mm剪切)，撕裂强度为1000～1400N/20mm(厚度≤2mm，)实施例2固态金属基材为08Al低碳钢，厚1.2mm，宽100～300mm，复合层为铝合金Al-20Sn-1Cu，复合材总厚2.0mm。
其制做工序与实施例1相同，不同之处是工序(4)加热中，本实施例的固态金属加热温度为450～550℃，工序(5)中，液态金属铝液温度为680～720℃，制品经检测其撕裂结合强度为800～1100N/20mm。
实施例3固态金属基材为08Al低碳钢，厚2.5mm，宽100～300mm，复合层为62黄铜。复合材总厚度3mm。
其制做工序与实施例1相同，不同之处是工序(3)涂焊剂中本实施例的焊剂为融盐，其组分按重量百分比为硼酸80％，硼砂16％，磷酸铝4％，工序(4)加热中，加热温度为600℃，工序(5)浇入轧制复合中62黄铜的加热温度为950～970℃，制品经检测其撕裂强度为1500～1650N/20mm。
综上所述，本发明由于采用将液相金属经焊剂与固相金属浇合，并经轧制冷却使二种不同材质的金属冶金结合在一起。与现有技术固相与固相轧制复合技术相比，具有以下优点(1)复合强度高。液—固相轧制复合可以实现两种金属的冶金结合，由于液体金属和固态基材的温度和接触时间可以设计和能动的控制，界面结构可以达到最佳效果。因此，结合强度高，是固一固相复合的2-3倍；例如本发明实施例1中，用传统固相轧制法结合强度仅为10～20Mpa，采用本技术达40～60Mpa。
(2)生产成本低。由于工序少，能耗低，液—固相轧制复合技术单位成本比固—固相轧制复合降低20-30％，成材率却提高10-20％，因此产品的生产成本低，其竞争力及获利能力都强于固—固相轧制复合技术；(3)设备投资少。液—固相轧制复合时，待复合的液态金属在轧辊中，约50～70％为固液两相状态，因此轧制力大大降低，仅为固态轧制复合的25～30％，轧机的容量大大降低。同时由于工序简单，需要设备少。因此，设备投资比固—固相轧制复合要减少50％-70％左右。本发明实施例1中，最大轧制力为40吨，主电机容量为75KW，年产5000吨时，设备投资为500万。而同类产品固相轧制复合时，最大轧制力为300吨，主电机容量为250KW，设备投资为1500万。
(4)生产效率高。液—固相轧制复合可以实现带式连续生产，比固—固相块式生产提高生产效率1倍至2倍以上；(5)能源消耗低。液—固相轧制复合的轧制力比固—固轧制减少50～75％设备载荷小，同时工序少，其能源消耗可降低30-50％左右；(6)产品质量好。液—固相轧制复合可以使液态金属在轧辊区快速冷却，因此，金属结晶速度快，晶粒细，重金属颗粒细小，密度大且均匀，从而提高了产品的外观和内在的质量。本发明实施例2中，用固相轧制时，锡质点平均尺寸为20～50μm，而固液相轧制复合后，为5～15μm，且分布均匀。
参考文件1、U.S.345649，19702、U.S.3545943，19703、JPJ8667705A，19844、JAJ54124804，1981
5、JAJ8021518，19786、U.S.4308321，19817、布拉齐思斯基著，李富勤译，爆炸焊接成形与压制，机械工业出版社，1988，p78。
8、U.S.3495649，19709、U.S.4333775，198210、GB 159861，197711、JAJ8019522，197812、DT 2928317，1978
权利要求
1.液—固相异种金属轧制复合方法，其特征是将液态金属浇复在与其不同材质的涂复有焊剂的固态金属基材表面上，将二种材料加压轧制，使液态金属在快速轧制冷却下，固化附着于固态金属基材表面上，形成二种或多种金属的冶金结合。
2.根据权利要求1所述的液—固相异种金属轧制复合方法，其特征是它包括以下工序(1)清洗，洗去固态金属基材表面的油污，对于氧化较严重的基材表面需经酸洗，(2)打磨，将固态金属基材表面的氧化物打磨干净，(3)涂焊剂，在待复合的固态金属基材表面上涂复一层焊剂，(4)加热，将涂有焊剂的固态金属基材加热到预定温度后送入浇嘴，(5)浇入轧制复合，将中间包内的液体金属浇入该浇嘴中，与涂复有焊剂的固态金属基材表面接触复合，将液态金属和固态金属基材共同送入到带内冷系统的两轧辊之间的辊缝中，加以轧制，在轧辊缝内将该液态金属冷却，并与固态金属基材形成冶金结合，送出轧辊后形成复合金属板。
3.根据权利要求2所述的液—固相异种金属轧制复合方法，其特征是在所述工序(5)中，所述中间包内的液体金属是在熔炼炉内熔化并经出气造渣后置于中间包内的。
4.根据权利要求1或2所述的液—固相异种金属轧制复合方法，其特征是所述焊剂为水剂，为按重量百分比为6-8％的复合盐水溶液，其中，复合盐的组分按重量百分比为KF、NaF、KI、NaI、LiI各占20％。
5.根据权利要求1或2所述的液—固相异种金属轧制复合方法，其特征是所述焊剂可为融盐，其组分按重量百分比为硼酸80％，硼砂16％，磷酸铝4％。
6.液—固相异种金属轧制复合设备，其特征是所述的轧制复合设备包括依次排列的放卷机、焊剂槽、干燥加热装置、浇嘴、内水冷轧辊、收卷机，在浇嘴上方具有中间包，在浇嘴下方具有底台。
7.根据权利要求6所述的液—固相异种金属轧制复合设备，其特征是所述浇嘴为槽形件，在其压边上装有加热体，在其槽面上具有若干压块。
8.根据权利要求2所述的液—固相异种金属轧制复合设备，其特征是所用的打磨设备包括依次排列的放卷机、除油槽、水槽、烘干炉、打磨机、收卷机。
9.根据权利要求8所述的液—固相异种金属轧制复合设备，其特征是在所述打磨设备中，在水槽与烘干炉之间还依次装有酸洗槽、水槽。
全文摘要
本发明为液一固相异种金属轧制复合方法及设备,该方法是将液态金属浇复在其不同材质的涂覆有焊剂的固态金属基材表面上,将二种材料加压轧制,使液态金属在快速轧制冷却下,固化附着于固态金属基材表面上,形成二种或多种金属的冶金结合,该方法具有复合强度高,生产成本低,生产效率高,产品质量好,设备投资少,能源消耗低的优点,本发明可取代固态轧制复合,适于生产各类复合金属板、带材。
文档编号B23K35/362GK1329951SQ0010924
公开日2002年1月9日 申请日期2000年6月19日 优先权日2000年6月19日
发明者崔建忠, 张晓博, 路贵民, 许光明 申请人:东北大学, 鞍山市三和金属复合板制造有限公司