一种大面积大厚度双金属复合板材及其制备方法与流程

本发明涉及铸造技术和新材料领域，特别是一种大面积大厚度双金属复合板材及其制备方法。

背景技术：

目前双金属复合方法很多，主要有轧制复合法、爆炸复合法、铸造复合法等。

轧制复合存在合金元素扩散不充分及化学反应的问题，结合强度仍然有不足，且工序较多，需清理原料表面，生产效率较低。因此出现了将铸造与轧制相结合的技术，如反向凝固、液态、半固态铸轧、液态、液态铸轧等。反向凝固不能产生基体厚度较大的材料，仅适合生产薄板和带材。固液铸轧法虽然不用预热基体以及对基体进行镀层和涂覆助焊剂等表面处理，但是不能生产太厚的金属板，包覆层也不能太厚，而且设备昂贵，一次性投入巨大。

爆炸焊接的劳动条件较差，得到的复层板不平整且生产过程具有一定的危险性。采用铸造法生产双金属复合材料的成本较低、金属间结合强度高，因此发展很快。常见的双金属复合铸造方法有铸渗法、镶嵌铸造法、双液双金属复合铸造法等。铸渗法在研究中有很多问题待解决，如夹渣、冲刷、渗透能力差、渗层厚度不均和粘砂等。离心铸造的缺点是工艺过程繁琐，浇注时内层金属液对外层有冲刷作用，且制备的复层管或轧辊的界面易产生一些铸造缺陷。连续铸造法生产双金属复层材料研究和应用已成为金属复层材料研究领域的热点之一，目前研究方向有：连续浇注复合铸造技术、双结晶器连续铸造技术、双流浇注连续铸造技术、电磁制动连续铸造技术等。

连续浇注复合铸造法主要用于复合轧辊的生产。该工艺的缺点是内层需事先处理，如果处理效果欠佳，或处理后不立刻铸造，则不易制备出结合良好的轧辊。

novelis公司的novelisfusion技术能够实现大厚度双金属复合板。但该技术对金属液面高度有严格要求，液面必须低于换热装置底部，但与底部距离又不能过大，因此需要采用先进的液面高度控制系统才能实现。

现有固液复合技术存在的问题包括：必须克服基体金属表面氧化膜对复合的阻碍作用，需将基体预热至足够的温度才能进行复合，需要在保护气氛下进行复合过程。为此，现有技术都需对基体表面进行一系列复杂的处理，覆层金属表面清洁后在气体保护下进行复合；有的技术则在清洁后的表面镀层或涂覆助焊剂；复合前或复合过程中需用加热设备对基体金属进行加热。增加了工艺的流程、生产周期和成本。

目前，复合金属的发展关键是：在实现金属之间冶金结合，满足结合强度的前提下，寻求更加简单、经济和高效的一次性多层和多种类金属复合的生产方法及设备。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大面积大厚度双金属复合板材及其制备方法，解决了背景技术中所提出的问题。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：一种大面积大厚度双金属复合板材及其制备方法，包括基体和包覆层，其特征在于：所述基体的底部设有移动平台，所述基体设于保温铸型中，所述保温铸型的顶部设有缝隙式浇包，所述缝隙式浇包的内部设有包覆层金属液，所述保温铸型的左侧设有阻流板，所述保温铸型的底部设有金属铸型。

优选的，所述包覆层的过热金属液铸造到所述基体的主表面上，以与基体一起形成双金属板，组成基体的第一种金属可以选择铝、铅、锌、铜、铁、钴、镍及其合金，组成包覆层的第二种金属可以选择铝、铅、锌、铜、铁、钴、镍及其合金，第一种和第二种金属的成分基本相同或紧密相关或不同，于当第一种和第二种金属的成分相同或类似的，可以基于显微结构而获得不同的性质，基体与包覆层合金的结合机理为熔合结合或/和扩散结合，获得的双金属复合板材基体熔化的平均厚度控制在5mm以内。

优选的，具体制作步骤如下，

a，将由作为基体的第一种合金制成的板表面进行处理，以便基体去除所有的氧化物，通过喷砂或喷丸清理，或采用轮式或皮带式研磨机研磨或酸洗来进行。

b，表面处理后的基体置于一个由耐火保温材料组成的开口向后的凵形铸型中，并使基体被处理后的主表面朝上。

c，将作为包覆层的第二种合金的过热金属液铸造到基体的所述主表面上，以与基体一起形成所述的双金属板；耐火保温材料铸型的型腔深度大于基体高度，超出部分的高度用于形成包覆合金层厚度。

优选的，所述包覆层的铸造步骤为，在一过热温度下浇注该包覆层所需成分的金属液，从而对基体进行加热，并在基体温度升高到固相线温度的情况下实现与包覆层金属液发生熔合结合或/和扩散结合，具体如下：

s1，设置一个在型腔上方的漏斗形缝隙式浇包，缝隙式浇包出流口的宽度方向与基体的宽度方向平行，出流口与基体的一端垂直对齐；

s2，使金属液通过形成垂直向下的射流进入型腔并冲击到基体主表面，金属液通过缝隙式浇包时完全充满出流口；

s3，由缝隙式浇包浇注到基体表面的包覆层金属液液流在冲击表面后沿着表面继续流动，流动方向为铸型的开口方向，在流动过程中，金属液的过热热量以对流换热的方式传递给基体，对基体加热；

s4，金属液通过缝隙式浇包形成的液流浇注到基体表面开始后的若干秒时间内，基体是静止的，若干秒后基体开始以一定速度水平运动，基体静止若干秒是为了能够在浇注初期利用金属液的过热热量将与浇包出流口垂直对齐的基体端部加热至固相线温度至液相线温度之间，在此温度范围内基体该端部的强度很低，此时主表面上氧化物薄层在包覆层金属液射流的冲击力作用下破裂，基体合金与包覆层合金在没有氧化物阻碍且温度都达到至少都达到固相线以上的情况下，可以实现良好的冶金结合或/和扩散结合；

s5，基体运动至另一端部与浇包出流口垂直对齐时，基体表面已被包覆层金属液射流完全扫过，此时用一块与铸型高度相同的阻流板封堵铸型的开口，封堵后继续浇注包覆层金属液，直至铸型充满形成具有一定厚度的包覆层。待包覆层金属液凝固后，从铸型中取出双金属板进行清理。

优选的，所述基体主表面上没有氧化物，无需涂覆涂层或助焊剂或溶剂保护其不被氧化，从表面经研磨去除氧化物之后至铸造包覆层之间的时间间隔短，不超过2小时。

优选的，获得的双金属复合板材基体熔化的平均厚度控制在5mm以内，双金属板材复合后经过一定的热处理，基体和包覆层合金中可热处理强化的部分物理性能或/和化学性能或/和力学性能得到改善。

优选的，从基体的主表面上基本去除氧化物的步骤包括一种选自喷砂清理、喷丸清理，用轮式或带式研磨机研磨或酸洗的处理方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.适用范围广。本发明基本不受所需双金属复合板材的面积和厚度限制，也不受材料限制。可以生产各种规格的大型双金属复合板材及其板形件产品。如用于压力容器、石油化工、造纸等领域的不锈钢/钢双金属复合板、用于火电厂、煤场、水泥厂、装载机械、矿山机械、建筑机械、冶金机械的普通钢板或耐热钢或不锈钢/合金耐磨铸铁双金属复合板。用于舰船的钛或铜/钢双金属复合板及用于电器行业的铜/铝双金属复合板。

2.生产过程便于控制。本发明的双金属复合板材采用冲击射流的方式实施，可以快速加热基体，有效去除基体表面阻碍复合的氧化物，无需对基体表面进行化学清洗及涂覆助焊剂，在复合过程中无需气体保护。工艺简单，可实现半自动和全自动生产作业。

3.生产率高。本发明的方法其复合速度可达1200mm/min，可以连续作业。

4.加工成本低。由于本发明的浇注系统与板材直接接触，形成的板材边角余料少，可实现近净成型，减少机械加工余量，材料利用率可达90％以上，所以加工成本低。

5.产品性能优越。本发明制备的大面积大厚度双金属复合板材复合过程中采用冲击射流强化换热，因而对基体的热输入小，基体热影响区宽度小，结合区均匀，结合强度高，包覆层金属凝固速度快，微观组织为细小的等轴晶或与结合区接近垂直的柱状晶，综合性能良好。

附图说明

图1为本发明双金属复合板示意图；

图2为本发明简单生产工艺示意图。

如图：1-包覆层，2-基体，3-移动平台，4-保温铸型，5-缝隙式浇包，6-包覆层金属液，7-阻流板，8-金属铸型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明的方法择优地利用以上特征，因此，根据本发明，提供了一种用于生产大面积大厚度的双金属复合板材的方法，其中，该方法包括以下步骤：将由第一种金属制成的板材(以下称为“基体”)的表面进行处理，以便基本去除所有的氧化物，例如可以通过喷砂或喷丸清理；采用轮式或皮带式研磨机研磨或酸洗来进行。表面处理后的基体置于一个由耐火保温材料组成的开口向后的凵形铸型中，并使基体被处理后的主表面朝上。将第二种金属(以下称为“包覆层”)铸造到基体的所述主表面上，以与基体一起形成所述的双金属板；耐火保温材料铸型的型腔深度大于基体高度，超出部分的高度用于形成包覆合金层厚度。该方法还包括，在铸造包覆层的步骤之前，所述主表面基本上没有氧化物，无需涂覆涂层或助焊剂或溶剂保护其不被氧化；但从表面经研磨去除氧化物之后至铸造包覆层之间的时间间隔要尽量短，不要超过2小时，否则需要对主表面重新研磨。铸造所述包覆层的步骤为，在一过热温度下浇注该包覆层所需成分的金属液，从而对基体进行加热，并在基体温度升高到固相线温度的情况下实现与包覆层金属液发生熔合结合或/和扩散结合。同时，完成铸造上述包覆层的步骤还包括设置一个在型腔上方的漏斗形缝隙式浇包，缝隙式浇包出流口的宽度方向与基体的宽度方向平行，出流口与基体的一端垂直对齐；使金属液通过形成垂直向下的射流进入型腔并冲击到基体主表面，金属液通过缝隙式浇包时完全充满出流口。由缝隙式浇包浇注到基体表面的包覆层金属液液流在冲击表面后沿着表面继续流动，流动方向为铸型的开口方向，在流动过程中，金属液的过热热量以对流换热的方式传递给基体，对基体加热。包覆层金属液通过缝隙式浇包形成的液流浇注到基体表面开始后的若干秒时间内，基体是静止的，若干秒后基体开始以一定速度水平运动。基体静止若干秒是为了能够在浇注初期利用金属液的过热热量将与浇包出流口垂直对齐的基体端部加热至固相线温度至液相线温度之间，在此温度范围内基体该端部的强度很低，此时基体主表面上氧化物薄层在包覆层金属液射流的冲击力作用下破裂，基体合金与包覆层合金在没有氧化物阻碍且温度都达到至少都达到固相线以上的情况下，可以实现良好的熔合结合或/和扩散结合。完成铸造上述包覆层的步骤还包括当基体运动至另一端部与浇包出流口垂直对齐时，基体表面已被包覆层金属液射流完全扫过。此时用一块与铸型高度相同的阻流板封堵铸型的开口，封堵后继续浇注包覆层金属液，直至铸型充满形成具有一定厚度的包覆层。待包覆层金属液凝固后，从铸型中取出双金属板进行清理。双金属板材复合后经过一定的热处理，基体和包覆层合金中可热处理强化的部分物理性能或/和化学性能或/和力学性能得到改善。

一、制备

制备基体材料为7075-t651热轧铝合金厚板，包覆层铝合金选用7075铝合金，采用原材料为工业纯铝、工业纯镁、工业纯锌、电解铜。其成分(重量百分比)范围是：2.1～2.9mg，5.1～6.1zn，1.2～2.0cu，余量al。配料成分取各成分的上限。在冲击射流半连续铸造装置上进行铝/铝双金属复合材料的制备，为了保证复合材料的质量，严格控制铸造工艺参数，本实施例所采用的铸造工艺参数见如下表格。

主要铸造工艺参数

参照上表的工艺参数可制备出结合良好的高强度塑料模具用铝/铝双金属复合材料。其熔化层厚度在10mm左右。

二、热处理

固溶+时效处理。固溶温度470℃，固溶时间1h，水淬，时效温度120℃，时效时间2小时。经过热处理后，基体铝合金7075-t651一侧的布氏硬度从复合后的的98hb提升至150hb，恢复到了原始7075-t651铝合金板材的硬度，包覆铝合金7075一侧的硬度从复合后的80hb提升至130hb。因此，本发明的方法制备的高强度塑料模具用铝/铝双金属复合材料在保持原7075-t651铝合金厚板硬度的基础上增加了其厚度，为塑料模具的设计和加工提供了更大的空间。

工作原理：需要说明的是，本发明可以生产各种规格的大型双金属复合板材及其板形件产品，生产范围广，生产过程便于控制，生产成本低，效率高且产品性能优越。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。