专利名称：：一种双金属网络互穿复相型材及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及金属材料
技术领域：
，尤其涉及一种利用碳钢或不锈钢网络结构骨架增强的有色金属镁合金、铝合金、铜合金复相型材，本发明还涉及这种双金属网络互穿复相型材的制造方法。
背景技术：
：铝合金、镁合金以及铝、镁基复合材料，因其重量轻、比强度高等特点，在航空航天、机械、电子、汽车等工业领域得到了较大应用。但因其强度较低等原因而使铝、镁合金及其复合材料的发展受到了限制。铜合金及其复合材料由于具有良好的塑韧性而在航空航天、机械、电子、汽车等工业领域应用广泛，但其强度与钢铁相比仍有局限。发明以有色金属铝、镁、铜及其合金为基体相，以三维编织网络结构的高强度金属骨架为增强相，制造增强相与基体互相贯穿和连通的新型有色金属复合型材，可在航空航天、机械制造及汽车领域替代现有传统材料，成为一种应用前景可观的高强复合型材。例如利用这种方法制造的镁合金复合型材具有比传统镁合金高很多的强度，又具有镁合金质量轻的特点，可在不损失密度优势的情况下大幅度提高材料的强度。近年来，人们以陶瓷为网络结构增强相、以金属为增韧相，制备出一系列网络互穿的有色金属基复合材料，并对其微观结构及其力学性能问题进行了大量研究，在一定程度上取得了可喜进展。由于增强体陶瓷材料的高强度、高硬度、高弹性模量和良好耐热性，使有色金属基复合材料在耐磨性和耐热性等方面发挥了一定优势。但是，陶瓷材料的固有脆性，使金属基复合材料的网络骨架在后续的变形过程(挤压、轧制、热压和锻造等)中会脆断，造成材料性能的下降，不适合作为形变结构材料使用。利用三维编织的碳钢如Q325和不锈钢如302(lCrl8Ni9)、304(0Crl8Ni9)等钢丝作为网络结构增强体，利用液态熔体浸渗法制备的有色金属基复合材料，即网络互穿结构双金属复相型材，可进行后序的冷热挤压、轧制、拉拔及锻造等变形，利用碳钢和不锈钢等钢丝比镁合金强度高很多的优势，制备出一种碳钢和不锈钢等网络骨架宏观增强的以有色合金为基体的有色金属与钢网络互穿的可以塑性变形的双金属复合材料，这种材料具有增强相与有色金属基体相相互交叉，相互贯穿，相互渗透，相互缠结和盘绕的特点，经后序变形后就像多股绳拧结在一起，能够在最大程度上提高镁合金的力学性能。有色金属与钢铁互穿的双金属复相型材的研究，一方面大大提高了材料的力学性能(与有色合金基体比较)，另一方面又保持了有色合金基体的特点和优势，大大拓展了有色金属基复合材料的使用范围，成为一种具有广泛应用前景的新型工程结构材料。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种双金属网络互穿复相型材，该复相材料由强度高的钢与有色金属相互贯穿和交叉而成，既具有常规钢铁材料硬度大、强度高、耐高温、导热系数高的特性，又具有有色金属塑性好，密度低的优势，可实现材料的各种塑性变形加工，获得所需要的各种形状和尺寸。本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种双金属网络互穿复相型材的制造方法，该方法可以通过简单的步骤获得上述复相材料。为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是双金属网络互穿复相型材，成分由下述两部分组成，网络结构增强体成分可以是碳素钢、合金钢包括不锈钢或钛合金等。基体合金成分为铸造有色合金，如铝合金、铜合金、镁合金等。为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是双金属网络互穿复相型材的制造方法，包括以下步骤，选取直径为00.2-2的型材或称为线材，经酸洗后在含有丙酮的超声波清洗池中清洗5-10分钟，在150200°C烘箱中烘干；将所述原料采用三维五向编织技术编织成空间三维网络骨架，通孔率为100%，形状和尺寸根据设计要求制定，通过控制型材截面尺寸控制编织孔径；将所述网络骨架进行超声波清洗，并进行干燥处理；将提前根据设计要求制造好的模具内腔喷刷涂料(40%钛白粉+20%石墨+40%水)，将所述网络骨架放入模具中一起预热，预热温度根据基体合金而定；将熔炼好的金属溶液浇入到模型中，采用负压浸渗技术制备双金属网络互穿型材，浇注完成后保温20分钟，空冷；将所述型材进行均勻化退火和去应力退火，切除外表面氧化皮，使表面粗糙度达到12.5iim以上；将所述型材放入挤压、轧制或拉拔模具中进行塑性变形，分几道次进行，中间安排预热和热处理，最终获得所需要的形状和尺寸。采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是通过本发明所揭示的方法，可以制造出一种双金属网络互穿复相型材，它与合金铸造成型的工艺不同，是先采用三维五向编织技术制造网络多孔骨架，再通过液态金属熔体浸渗技术制造网络互穿的双金属复合型材毛坯，然后再将毛坯进行轧制、拉拔、挤压以及锻造等塑性变形，最后成为复合设计要求的各种尺寸和形状的型材。具体实施例方式以下实施例是对本发明的进一步说明，其不应被理解成对本发明的限制。实施例11)材料选择根据要求控制增强体的体积分数为5-15%，选取不锈钢丝304(0Crl8Ni9)作为增强体的成分，选取镁合金AZ31作为基体合金；2)钢丝氢退处理选取直径为00.2-2的不锈钢丝304(0Crl8Ni9)，进行氢退处理，在连续全氢退火炉上进行，退火温度为1040°C，氢退的目的是降低硬度，提高塑性，为下一步的塑性变形做准备。氢气的密度为0.0899kg/m3，是氮气的1/14(氮气密度为1.251kg/m3)，导热系数为0.172W/(mk)，是氮气的7倍(氮气导热系数为0.024W/(mk))，氢气的密度低，渗透能力强，可以深入钢管内部，充分发挥导热系数大的特点，显著提高传热效率，提高了退火和冷4却能力；3)酸洗处理经酸洗去掉钢丝表面氧化皮与夹杂，酸洗采用工业盐酸(HCI)，盐酸浓度为120-180g/l，氯化亚铁(FeC12)含量<220g/l，在室温下进行，钢丝经酸洗后表面为亮白色。经过酸洗的钢丝在含有丙酮的超声波清洗池中清洗5-10分钟，在150200°C烘箱中烘干；3)编织骨架将所述原料采用三维五向编织技术编织成直径为040的空间三维网络骨架，三维五向编织是通过运动线锭携带丝线围绕不动线锭有规律的运动，运动丝线和不动丝线在空间彼此相互交织而形成织物的过程。运动丝锭的运动步距不同所形成的结构也就不同，三维五向编织法横向编织角为28.36°，轴向编织角为28.36°，轴向钢丝线数为444，径向钢丝线数为36。所编织成的三维网络骨架的通孔率为100%，形状和尺寸根据设计要求制定，通过控制型材截面尺寸控制编织孔径；4)模具预热将所述网络骨架进行超声波清洗，并进行干燥处理，然后在模具底部放置一铜网，目数为200目，在模具底部连接一真空罐，真空度为10-2Pa;然后将骨架放入模具中，升温，加热到500°C，保温。放入前在模具内腔喷刷涂料(40%钛白粉+20%石墨+40%水)，上面用耐火石棉覆盖；5)基体熔体合金熔炼用工业纯铝、纯镁、纯锌配制合金，锰和铍分别以Al-Mn和Al-Be中间合金的形式加入，AZ31合金的化学成分为:A12.50-3.31%,ZnO.9-1.2%,MnO.2%,FeO.05%,CuO.05%,Ni0.005%，BeO.2%，余量为Mg。6)浸渗将所述熔炼好的熔体合金浇入到准备好的模具中，打开截止阀，熔体在负压作用下被吸入到三维网络骨架中，浸渗温度720-750°C，保温半小时，在模具中冷却到室温。7)加工将所述双金属网络互穿复相型材毛坯进行均勻化退火，退火温度400°C，保温时间12小时，处理后空冷至室温。经均勻化退火的毛坯到车床进行车削加工，外圆直径060mm，表面粗糙度12.5iim;8)挤压将所述毛坯放入卧式型材挤压机上进行正向挤压变形，挤压之前将坯料加热至400°C并保温3h，模具加热到300°C，挤压筒预热至350°C，挤压比为14-32，挤压杆速度为4.6mm/s。润滑剂采用石墨、动物油或植物油。在出口处对挤压出的型材进行强制风冷。实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于网络骨架成分不同，见表1；采用拉拔变形，工作温度为150300°C，压力为120250MPa，应变速率0.51.5s-l，压缩比为135。拉拔后复相材料的性能参数见表2。实施例3与实施例1基本相同，其不同之处在于网络骨架成分不同，见表1；采用轧制变形，工作温度为150300°C，压力为120250MPa，应变速率0.51.5s_l，25道次。轧制后复相材料的性能参数见表2。实施例4与实施例1基本相同，其不同之处在于网络骨架成分不同，见表1；基体合金成分不同，见表1；所述浸渗温度不同，见表1；所述润滑剂不同，见表1；采用挤压变形，工作温度为250400°C，压力为160260MPa，挤压比为525。挤压后复相材料的性能参数见表2。实施例5与实施例1基本相同，其不同之处在于网络骨架成分不同，见表1；基体合金成分不同，见表1；所述浸渗温度不同，见表1；所述润滑剂不同，见表1；采用拉拔变形，工作温度为250400°C，压力为160250MPa，应变速率0.10.5s_l，压缩比为535。拉拔后复相材料的性能参数见表2。实施例6与实施例1基本相同，其不同之处在于网络骨架成分不同，见表1；基体合金成分不同，见表1；所述浸渗温度不同，见表1；所述润滑剂不同，见表1；采用轧制变形，工作温度为250400°C，压力为160250MPa，应变速率0.10.5s_l，37道次。轧制后复相材料的性能参数见表2。实施例7与实施例1基本相同，其不同之处在于网络骨架成分不同，见表1；基体合金成分不同，见表1；所述浸渗温度不同，见表1；所述润滑剂不同，见表1；采用挤压变形，工作温度为200-400°C，压力为120200MPa，挤压比为145。挤压后复相材料的性能参数见表2。实施例8与实施例1基本相同，其不同之处在于网络骨架成分不同，见表1；基体合金成分不同，见表1；所述浸渗温度不同，见表1；所述润滑剂不同，见表1；采用拉拔变形，工作温度为200400°C，压力为120200MPa，应变速率0.54s-l，压缩比为265。拉拔后复相材料的性能参数见表2。实施例9与实施例1基本相同，其不同之处在于网络骨架成分不同，见表1；基体合金成分不同，见表1；所述浸渗温度不同，见表1；所述润滑剂不同，见表1；采用轧制变形，工作温度为200400°C，压力为120200MPa，应变速率0.54s-l，29道次。轧制后复相材料的性能参数见表2。表1是各个实施例原料的配比。表2是各个实施例所获得的复相陶瓷材料与K418的综合性能参数对照表。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>综上所述，通过本发明所揭示的制造方法制造出的双金属网络互穿复相型材，性能优良、工艺合理，价格适中，强度高，韧性好，可替代现有有色金属型材，可大幅度地提高材料的性能，拓展使用范围，满足实际生产需要。采用的生产工艺简便，投资少，有利于工业化规模生产。权利要求一种双金属网络互穿复相型材，其特征在于该复相型材由两种金属材料组成，一种是已成型的型材，截面形状可为圆形、椭圆形或其他形状，成分可以是碳素钢、合金钢包括不锈钢或钛合金等；另一种是铸造有色合金，成分可以是铝合金、铜合金、镁合金等。两种金属相即增强相与基体相相互交叉，相互贯穿，相互渗透，相互缠结和相互盘绕，经后序变形后就像多股绳拧结在一起，能够在最大程度上提高基体合金的力学性能。2.权利要求1所述的双金属网络互穿复相型材的制造方法，其特征在于包括以下步骤，选取直径为Φ0.2-2的型材或称为线材，经酸洗后在含有丙酮的超声波清洗池中清洗5-10分钟，在150200°C烘箱中烘干；将所述原料采用三维五向编织技术编织成空间三维网络骨架，编织角为28.36°，5-12芯，通孔率为100%，形状和尺寸根据设计要求制定(一般将直径范围控制在Φ40-100πιπι)，通过控制型材截面尺寸控制编织孔径；将所述网络骨架进行超声波清洗，并进行干燥处理；将提前根据设计要求制造好的模具内腔喷刷涂料(40%鈦白粉+20%石墨+40%水)，将所述网络骨架放入模具中一起预热，预热温度根据基体合金而定；将熔炼好的金属溶液浇入到模型中，浇注时的温度为铝合金720780°C，铜合金9501090°C，镁合金680720°C。采用负压浸渗技术制备双金属网络互穿型材，浇注完成后保温20分钟，空冷；将所述型材进行均勻化退火和去应力退火，切除外表面氧化皮，使表面粗糙度达到12.5μπι以上；将所述型材放入挤压、轧制或拉拔模具中进行塑性变形，分几道次进行，中间安排预热和热处理，最终获得所需要的形状和尺寸。3.如权利要求1、2所述的双金属网络互穿复相型材可以经过挤压、轧制和拉拔等形变工艺进行强化处理，并根据设计要求获得实际生产所需要的各种形状和尺寸。其特征在于在所述的塑性变形步骤中，所述的润滑剂为天然超细石墨加多种添加剂。4.如权利要求3所述的双金属网络互穿铝合金复相型材的制造方法，其特征在于在所述的挤压变形步骤中，工作温度为150-300°C，压力为160250MPa，挤压比为135；在所述的拉拔变形步骤中，工作温度为150300°C，压力为120250MPa，应变速率0.51.5s-l，压缩比为135；在所述的轧制变形步骤中，工作温度为150300°C，压力为120250MPa，应变速率0.51.5s_l，25道次。5.如权利要求3所述的双金属网络互穿镁合金复相型材的制造方法，其特征在于在所述的挤压变形步骤中，工作温度为250400°C，压力为160260MPa，挤压比为525；在所述的拉拔变形步骤中，工作温度为250400°C，压力为160250MPa，应变速率0.10.5s-l，压缩比为535；在所述的轧制变形步骤中，工作温度为250400°C，压力为160250MPa，应变速率0.10.5s_l，37道次。6.如权利要求3所述的双金属网络互穿铜合金复相型材的制造方法，其特征在于在所述的挤压变形步骤中，工作温度为200-400°C，压力为120200MPa，挤压比为145；在所述的拉拔变形步骤中，工作温度为200400°C，压力为120200MPa，应变速率0.54s-l，压缩比为265；在所述的轧制变形步骤中，工作温度为200400°C，压力为120200MPa，应变速率0.54s_l，29道次。全文摘要本发明公开了一种双金属网络互穿复相型材，由高强度的钢与有色合金组成，两种金属相相互交叉，相互贯穿，相互渗透，相互缠结和相互盘绕，经后序变形后就像多股绳拧结在一起，能够在最大程度上提高基体合金的力学性能；本发明还公开了该复相型材的制造方法，步骤如下，首先采用三维五向编织技术将型材制造成网络多孔骨架，再通过液态金属熔体浸渗技术制造网络互穿的双金属复合型材毛坯，然后对毛坯进行挤压变形处理，获得所需要的各种形状和尺寸，最后对毛坯进行相应的热处理得到所述复相材料。利用本发明制造的复相型材既具有常规钢铁材料硬度大、强度高、耐高温、导热系数高的特性，又具有有色金属塑性好，密度低的优势，并能实现材料的各种塑性变形加工，获得所需要的各种形状和尺寸，可用于飞机制造，航空航天，汽车领域以及机械制造业。文档编号F16S5/00GK101825218SQ20101015718公开日2010年9月8日申请日期2010年4月27日优先权日2010年4月27日发明者崔敏,王勇,王守仁,马茹申请人:济南大学