一种铜/铁双金属复合带材和板材的制造方法与流程

本发明属于金属加工领域，特别涉及一种铜/铁双金属复合带材和板材的制造方法。

背景技术：
双金属复合的现有技术主要包括轧制复合、扩散复合和爆炸复合等固相复合技术、以及熔合区含有疏松及微裂纹等缺陷的电子束焊接等焊接复合技术。铜/铁双金属的复合技术中，由于铜合金与铁合金的热膨胀和熔点等物理性质以及防腐蚀等化学性质之间差异较大，其关键步骤在于后期轧制时或爆炸时铜、铁金属的接触阶段，存在成品率不稳定或者工艺困难的问题。例如对于三步式固相轧制复合技术，具体包括脱脂刷磨等复合表面预处理、轧制复合和扩散退火，经表面处理的清洁金属表面在空气中短时停留便很快生成再生氧化膜或吸附膜，尤其在双金属结合处多夹杂以及硬脆性化合物等缺陷，影响了双金属界面之间的结合强度以及材料的力学性能；在轧制复合时往往需要超过50%以上的一次大变形才能实现界面初结合，而一次大变形复合不仅对复合轧机强度、刚度以及电机能力提出较高的要求，同时对于铁合金和铜合金这样物理力学性能，特别是熔点相差悬殊的金属，造成成材率不稳定，同时采用大变形轧制复合会使金属严重加工硬化，将影响复合板再加工成形性能。

技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种铜/铁双金属复合带材和板材的制造方法，目的是通过对铜/铁双金属复合材料进行轧制、剪切及热处理，制造出铜/铁双金属复合带材和板材。实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：（1）准备铁合金原料：将铁合金原料加工成圆桶状，制成铁桶并去除表面油污，采用硼酸钠为熔剂对铁桶表面处理净化；（2）准备铜合金原料：准备占全部原料重量25~75%的铜合金，并准备占铜合金原料总重量0.5~2%的碳质材料；（3）将铜合金原料与碳质材料混合后放入铁桶中，铜合金原料和碳质材料的总体积为铁桶内部空间总体积的20~80%，将中心带有圆孔的铁盖焊接固定在铁桶上，圆孔与铁桶内部连通，然后将铁桶置于加热炉中，加热至1050~1350℃，保温10~60min，在铁桶内形成熔体；（4）将装有熔体的铁桶置于离心机内，开启离心机以400~1000rpm的速度旋转，熔体逐渐冷却至全部凝固成铜合金，铜合金中部形成液穴，构成双金属圆桶，然后将双金属圆桶放入铸造砂中降温至常温，获得双金属复合筒；（5）将双金属复合桶沿桶对称轴线方向切开，获得两个半圆桶，用轧机沿半圆桶的高度方向，对半圆筒反复轧制，控制总压下率为60~99.7%，得到抗拉强度为480~680MPa，双金属层总厚度为0.09~8mm的铜/铁双金属复合带材，其中铜层厚度占总厚度的5~90%；或者用轧机交替沿半圆桶的高度方向和直径方向反复轧制，控制总压下率为60~99.7%，得到抗拉强度为420~510MPa，双金属层总厚度为0.3~8mm的铜/铁双金属复合带材，其中铜层厚度占总厚度的5~90%。所述的铁合金选用Fe的重量含量≥65%的铁合金。所述的铜合金选用Cu的重量含量≥56%的铜合金。所述的碳质材料选用木炭或石墨。所述的铁桶的壁厚为5~50mm。所述的铁盖的材质选用Fe的重量含量65~99.9%的铁合金。与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：本发明在Cu合金原料中添加一定含量干燥的碳质材料，主要起的作用是制造还原性气氛，防止铁桶的内部严重氧化，减少氧化物夹杂的生成，保护合金性能，从而确保在铁端与铜端的连接处进行紧密结合。本发明通过对铁桶进行油污清洗和表面熔剂处理，将高温铁桶放入离心机等，主要起两个方面的作用：一是强化材料，通过离心作用减少并去除铜铁界面连接处的氧化物夹杂，降低材料内部的气体、疏松和杂质元素含量，提高材料的性能；二是增强结合，界面连接处氧化物夹杂的去除，使异种金属间获得最佳的结合强度，提高机械性能。采用中心处有小孔的铁盖焊封到铁桶上，可以防止铜熔体高温时渗出，小孔具有排气、防爆的作用。本发明制备的双金属板带材区别于现有的一般复合产品，结合方式不再是以两种异种板带的面与面之间的靠两金属表面破裂等而互相镶嵌的部分结合，而是铜原子与铁原子的原子互相吸引的全面结合，这种结合是铜金属在液态时通过离心力清洗并充分润湿铁合金的表面并获得的，即可以先通过离心铸造生产出铜/铁双金属圆筒，而后仅通过切开、反复轧制、剪裁成品等简单、易操作的金属加工步骤，就能得到两个面分别为铁合金表面和铜合金表面的铜/铁双金属复合板带材。同利用爆炸复合、轧制复合、焊接复合等技术生产出来的双金属相比较，本发明将传统的性能差异大的铁合金板与铜合金板这两种异种金属板材的面与面之间的难以在大面积上处处紧密结合的复合方式，改换为由于铁合金与铜合金的两种原子之间的相互吸引，而得到接触面相结合非常牢固而不可分的冶金式结合的铜/铁双金属复合薄板带；而由于铜/铁双金属复合薄板带的铜面与铁面之间的不易分离，双金属板带可以方便的通过轧制变形等加工方式生产出不同组合方式的板材、带材、棒材等产品。附图说明图1为本发明实施例1中的铜/铁双金属带材的100倍电镜扫描图；图2为本发明实施例1中的铜/铁双金属带材的高倍电镜扫描图；图3为本发明实施例1中的铜/铁双金属带材的高倍电镜铜元素成份面扫描图；图4为本发明实施例1中的铜/铁双金属带材的高倍电镜铁元素成份面扫描图；图5为本发明实施例1中的铜/铁双金属带材的高倍电镜铜元素成份线扫描图；图6为本发明实施例1中的铜/铁双金属带材的高倍电镜铁元素成份线扫描图；图7为本发明实施例2中的铜/铁双金属带材的高倍电镜扫描图；图8为图2的铜/铁双金属带材电镜扫描白色指示线处的成分分析图；图9为本发明实施例4中的铜/铁双金属板材热处理后的距离-硬度曲线图；图10为本发明实施例4中的铜/铁双金属板材的低倍电镜扫描图；图11为图4的低倍电镜面扫描Cu成分分析图；图12为图4的低倍电镜面扫描Fe成分分析图；图13为本发明实施例4中的铜/铁双金属板带材料金相组织图；图14为本发明实施例4中的铜/铁双金属板带材料扫描电镜图。具体实施方式本发明实施例中采用的铁合金原料为市购产品；本发明实施例中采用的木炭和石墨为市购工业产品；本发明实施例中采用的铜合金原料为电解铜、锡青铜和/或磷铜粉；本发明实施例中采用的离心机为Z2-22型卧式离心机；本发明实施例中采用的切割设备为S-360锯床；本发明实施例中采用的加热炉为SRJX-8-13箱式电阻炉；本发明实施例中测试硬度采用的设备为401MVDTM显微硬度测试仪；本发明实施例中观测金相组织采用的设备为OLYMPUSGX51金相显微镜；本发明实施例中采用的电子扫描设备为SSX-550扫描电子显微镜；本发明实施例中热处理是将异端一体的铁铜复合材料加热至600~850℃，保温0.5~24h。本发明实施例中铁桶的内径为80~180mm，高度为90~280mm。实施例1（1）准备铁合金原料：选用Fe的重量纯度99%的铁合金为原料，将铁合金加工成圆桶状，制成壁厚为5mm的铁桶并去除表面油污，采用硼酸钠为熔剂对铁桶表面处理净化；（2）准备铜合金原料：选用Cu的重量含量56%的铜合金，准备占全部原料重量25%的铜合金，并准备占铜合金原料总重量0.5%的碳质材料木炭；（3）将铜合金原料与碳质材料混合后放入铁桶中，铜合金原料和碳质材料的总体积为铁桶内部空间总体积的20%，将中心带有圆孔的铁盖焊接固定在铁桶上，圆孔与铁桶内部连通，然后将铁桶置于加热炉中，加热至1050℃，保温60min，在铁桶内形成熔体；铁盖的材质为Fe的重量含量99%的铁合金；（4）将装有熔体的铁桶置于离心机内，开启离心机以400rpm的速度旋转，熔体逐渐冷却至全部凝固成铜合金，铜合金中部形成液穴，构成双金属圆桶，然后将双金属圆桶放入铸造砂中降温至常温，获得双金属复合筒；（5）将双金属复合桶沿桶对称轴线方向切开，获得两个半圆桶，用轧机沿半圆桶的高度方向，对半圆筒反复轧制，控制总压下率为99.7%，得到双金属层总厚度为0.09mm的铜/铁双金属复合带材，其中铜层厚度占总厚度的5%，其100倍电镜扫描图如图1所示，高倍电镜扫描图如图2所示，铜/铁双金属带材高倍电镜铜元素成份面扫描图如图3所示，线扫描图如图5所示，铁元素成份面扫描图如图4所示，线扫描图如图6所示，从图中可以看出两种金属通过界面处铜原子和铁原子的原子间作用力结合在一起。将制成的铁铜双金属复合带材加热至600℃，保温24h进行热处理，然后测量其结合处及结合处附近的硬度，结合处的硬度高于附近部分的硬度。铜/铁双金属复合带材的两个表面，其中一个表面成分为金属重量纯度99%的铁，另一个表面为按重量百分比含Cu56%的铜合金；两种金属通过界面处铜原子和铁原子的原子间作用力结合在一起；抗拉强度为700MPa。实施例2（1）准备铁合金原料：选用Fe的重量纯度88%的铁合金为原料，将铁合金加工成圆桶状，制成壁厚为10mm的铁桶并去除表面油污，采用硼酸钠为熔剂对铁桶表面处理净化；（2）准备铜合金原料：选用Cu的重量含量72%的铜合金，准备占全部原料重量40%的铜合金，并准备占铜合金原料总重量1%的碳质材料石墨；（3）将铜合金原料与碳质材料混合后放入铁桶中，铜合金原料和碳质材料的总体积为铁桶内部空间总体积的40%，将中心带有圆孔的铁盖焊接固定在铁桶上，圆孔与铁桶内部连通，然后将铁桶置于加热炉中，加热至1150℃，保温40min，在铁桶内形成熔体；铁盖的材质为Fe的重量含量88%的铁合金；（4）将装有熔体的铁桶置于离心机内，开启离心机以600rpm的速度旋转，熔体逐渐冷却至全部凝固成铜合金，铜合金中部形成液穴，构成双金属圆桶，然后将双金属圆桶放入铸造砂中降温至常温，获得双金属复合筒；（5）将双金属复合桶沿桶对称轴线方向切开，获得两个半圆桶，用轧机交替沿半圆桶的高度方向和直径方向反复轧制，控制总压下率为80%，得到抗拉强度为550MPa，双金属层总厚度为1.2mm的铜/铁双金属复合板材，其中铜层厚度占总厚度的45%。铁铜双金属复合板材的两面分别为由两种金属组成一体，一面金属为Fe的重量含量88%的铁合金，另一面金属为按重量百分比含Cu72%的铜合金；两种金属通过铜原子和铁原子的原子间作用力结合在一起；抗拉强度为630MPa；将制成的异端一体的铁铜复合材料加热至600℃，保温24h进行热处理，然后测量其结合处及结合处附近的硬度，结合处的硬度明显高于附近部分的硬度。实施例3（1）准备铁合金原料：选用Fe的重量纯度76%的铁合金为原料，将铁合金加工成圆桶状，制成壁厚为20mm的铁桶并去除表面油污，采用硼酸钠为熔剂对铁桶表面处理净化；（2）准备铜合金原料：选用Cu的重量含量87%的铜合金，准备占全部原料重量55%的铜合金，并准备占铜合金原料总重量1.5%的碳质材料石墨；（3）将铜合金原料与碳质材料混合后放入铁桶中，铜合金原料和碳质材料的总体积为铁桶内部空间总体积的60%，将中心带有圆孔的铁盖焊接固定在铁桶上，圆孔与铁桶内部连通，然后将铁桶置于加热炉中，加热至1250℃，保温20min，在铁桶内形成熔体；铁盖的材质为Fe的重量含量76%的铁合金；（4）将装有熔体的铁桶置于离心机内，开启离心机以800rpm的速度旋转，熔体逐渐冷却至全部凝固成铜合金，铜合金中部形成液穴，构成双金属圆桶，然后将双金属圆桶放入铸造砂中降温至常温，获得双金属复合筒；（5）将双金属复合桶沿桶对称轴线方向切开，获得两个半圆桶，用轧机沿半圆桶的高度方向，对半圆筒反复轧制，控制总压下率为90%，得到抗拉强度为580MPa，双金属层总厚度为1mm的铜/铁双金属复合板材，其中铜层厚度占总厚度的70%。双金属复合带材的两面分别由两种金属组成一体，一面为金属为Fe的重量含量76%的铁合金，另一面为金属为按重量百分比含Cu87%的铜合金；两种金属通过铜原子和铁原子的原子间作用力结合在一起。将制成的双金属复合带材加热至800℃，保温5h进行热处理，然后测量其结合处及结合处附近的硬度，结合处的硬度明显高于附近部分的硬度。实施例4（1）准备铁合金原料：选用Fe的重量纯度65%的铁合金为原料，将铁合金加工成圆桶状，制成壁厚为50mm的铁桶并去除表面油污，采用硼酸钠为熔剂对铁桶表面处理净化；（2）准备铜合金原料：选用Cu的重量含量99%的铜合金，准备占全部原料重量75%的铜合金，并准备占铜合金原料总重量2%的碳质材料石墨；（3）将铜合金原料与碳质材料混合后放入铁桶中，铜合金原料和碳质材料的总体积为铁桶内部空间总体积的80%，将中心带有圆孔的铁盖焊接固定在铁桶上，圆孔与铁桶内部连通，然后将铁桶置于加热炉中，加热至1350℃，保温10min，在铁桶内形成熔体；铁盖的材质为Fe的重量含量65%的铁合金；（4）将装有熔体的铁桶置于离心机内，开启离心机以1000rpm的速度旋转，熔体逐渐冷却至全部凝固成铜合金，铜合金中部形成液穴，构成双金属圆桶，然后将双金属圆桶放入铸造砂中降温至常温，获得双金属复合筒；（5）将双金属复合桶沿桶对称轴线方向切开，获得两个半圆桶，用轧机交替沿半圆桶的高度方向和直径方向反复轧制，控制总压下率为99.7%，得到抗拉强度为680MPa，双金属层总厚度为0.4mm的铜/铁双金属复合板材，其中铜层厚度占总厚度的90%。其低倍电镜扫描如图10所示，铜元素成份面扫描图如图11所示，铁元素成份面扫描图如图12所示，金相组织如图13所示，扫描电镜结果如图14所示，从图中可以看出两种金属通过铜原子和铁原子的原子间作用力结合在一起。铁铜双金属复合板材由两种金属组成一体，一个表面金属为Fe的重量含量65%的铁合金，另一表面金属为按重量百分比含Cu99%的铜合金，抗拉强度为510MPa；将制成的铁铜双金属复合板材取样分成三组，每组均加热至700℃，分别保温2h、4h、6h进行热处理，然后测量其结合处及结合处附近的硬度，距离-硬度曲线如图9所示，由图9可见，结合处的硬度明显高于附近部分的硬度。