一种钢‑耐磨铜合金复合板材、其制备装置和制备方法与流程

本发明涉及复合板材制备技术，尤其涉及一种钢-耐磨铜合金复合板材、其制备装置和制备方法。

背景技术：

铜铅(cu-pb)合金承载能力强，在高速高压下工作具有较高的疲劳强度和耐磨性，导热性高，摩擦系数低，耐磨耐蚀性能好，是理想的自润滑减摩材料。和钢复合后组成钢-铜铅合金复合材料，兼具了铜铅合金的耐磨性和钢的强度，因此钢-铜铅合金复合材料是发展新型汽车的主导轴瓦材料之一。

目前铜钢复合板材的制备方法主要有两种，热轧复合法和液轧复合法。前者分别对两种金属的铸坯进行铣面、热轧后得到板坯，然后打磨和清洗去除氧化皮，最后进行多道次的热轧变形得到双层金属复合材料。后者先对钢板进行表面处理后预热至600-700℃左右，将熔化好的铜熔体浇铸在钢板上表面进行复合，得到双金属复合板材。但是现有的技术均不适合铜铅合金-钢复合材料的制备：一方面铜铅合金是典型的偏晶合金，元素存在明显的密度差，常规凝固过程中易产生严重的比重偏析；另一方面铜和钢高温下极易氧化，加热时铜和钢的表面会生成大量的氧化皮，严重影响复合效果和复合材料的力学性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有铜钢复合板材生产方法存在的诸多问题，提出一种钢-耐磨铜合金复合板材的制备装置，该装置结构合理、紧凑，采用其制备的钢-耐磨铜合金复合板材能消除铜铅合金的比重偏析和因表面氧化造成的复合质量差的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种钢-耐磨铜合金复合板材的制备装置，包括依次设置的表面处理单元，保护气感应预热单元，感应熔炼单元和半固态轧制复合单元，所述表面处理单元、保护气感应预热单元及半固态轧制复合单元中穿设有供下层钢板穿过的长方形通道，所述表面处理单元、保护气感应预热单元内的长方形通道的尺寸与待处理钢板截面尺寸一致；

所述表面处理单元包括上表面打磨装置、下表面打磨装置、清洗装置和干燥装置；所述上表面打磨装置、清洗装置和干燥装置依次设置在长方形通道上方，所述下表面打磨装置设置在长方形通道下方、且与上表面打磨装置相配合；

所述保护气感应预热单元包括真空罩、预热高频感应线圈、高频磁场电源、和保护气体罐，所述保护气体罐与真空罩连通，所述预热高频感应线圈设置在真空罩内，所述高频磁场电源与预热高频感应线圈电联，所述长方形通道穿设在真空罩的预热高频感应线圈中；

所述感应熔炼单元包括高频感应加热装置，所述感应熔炼单元底部设有用于控制出液口开合的闭合开关，所述闭合开关设置在长方形通道上方；

所述半固态轧制复合单元包括正火高频感应线圈、为正火高频感应线圈供电的高频感应加热电源和上下配合设置两个轧辊，所述两个轧辊为同步热轧轧辊，所述轧辊内部设有冷却水道，所述两个轧辊分别设置在长方形通道上下两侧；所述长方形通道在经过两个轧辊后穿设在正火高频感应线圈中。

进一步地，所述真空罩穿设长方形通道的开口处设置有密封圈。

进一步地，所述上表面打磨装置、下表面打磨装置为表面粗糙度为ra100-200μm的金刚石磨片；所述干燥装置包括干燥轮。

本发明的另一个目的还公开了一种钢-耐磨铜合金复合板材的制备方法，采用上述钢-耐磨铜合金复合板材的制备装置，所述钢-耐磨铜合金复合板材的制备方法包括以下步骤：

步骤1：根据实际使用要求选择铜铅合金和钢板，确定钢-耐磨铜合金复合板材质、厚度和层厚比，钢板使用前使用清洗液进行去氧化预处理，经清水冲洗后烘干；

步骤2：闭合感应熔炼单元的下方的闭合开关，在感应熔炼单元内加入铜铅合金，对铜铅合金进行电磁感应熔炼；

步骤3：铜铅合金熔化后通过调节感应熔炼单元的功率使铜铅合金保温；

步骤4：调节轧辊的转速和轧辊内冷却水流量，根据目标产品(钢-耐磨铜合金复合板材)层厚调整两个轧辊间的辊缝，使辊缝距离等于目标产品厚度，轧辊进入空转待机状态；

步骤5：将钢板推送置表面处理单元内的长方形通道入口，对钢板依次进行上下表面打磨、上表面清洗、上表面干燥处理；

步骤6：干燥处理后的钢板推送至保护气感应预热单元，在保护气氛下进行高频感应预热；

步骤7：预热后的钢板传送至感应熔炼单元下方时，打开感应熔炼单元的闭合开关，使铜铅合金均匀铺展到钢板表面，铜铅合金与钢板接触迅速冷却至半固态状态；通过表面处理单元和预热单元对钢板进行打磨、清洗和保护气感应加热预处理，确保钢板的复合界面没有氧化层存在；

步骤8：在钢板继续向前推送的过程中，使铜铅合金保持半固态浆料状态；

步骤9：保持半固态浆料状态的半固态铜铅合金与钢板进入轧辊腔内进行半固态-固态轧制，制成钢-耐磨铜合金复合板材。

步骤10：感应加热正火，消除应力，制成钢-耐磨铜合金复合板材。

进一步地，步骤1中钢板材质包括但不限于304不锈钢、q235钢或10号钢；所述钢板厚度为2-50mm；所述铜铅合金中铅含量为15-45％wt；所述去氧化预处理浸蚀时间为1-2分钟。

进一步地，步骤3中铜铅合金保温温度为1100-1300℃。

进一步地，步骤5中打磨时间为0.5-2.5分钟；清洗采用浓度10％wt的乙醇溶液，清洗掉钢板上表面的研磨屑；干燥采用干燥轮，所述干燥轮表面采用吸水材料，温度80-90℃，烘干时间0.5-2.5分钟。

进一步地，步骤6预热温度为800-900℃，保护气体为氩气和/或氮气，流量为5-15l/min，保护气体能防止预热过程中钢板表面发生氧化。预热装置为高频感应加热，采用通电铜螺线管。通电线管产生的磁感应强度：

其中，n为单位长度的砸数，β2和β1为螺线管左端和右端连线与z轴的夹角。磁通量ф为磁通量与加热部分的截面积的乘积。

φ＝bz·s

因此被加热的金属陶瓷复合材料中产生的感应电流:

其中f通电电流频率，r为加热部分电阻，可由金属陶瓷复合材料部分的高度l，截面积s和电阻率ρ求得。

因此此部分金属陶瓷复合材料内部产生的热效应为：

q＝i2^rt(4)

由此可计算处通电线圈在钢板中产生的热量，此热量会引起钢板的温度变化，从而达到快速预热效果：

施加高频磁场时，电磁渗透深度由电流频率决定，可以由下式计算：

式中，σ是电导率，μ是粘度系数，f是磁场频率。

因此高频感应加热的电流、频率均可根据实际情况利用公式4-6计算得出，感应加热频率约在10000-20000hz之间，电流200-500a。

进一步地，步骤7中，铜合金熔体浇铸到预热钢板之后，二者接触后在界面处发生热交换，如图1所示。

铜合金液与钢板的热流可表示为：

qe＝he(tc-tl)

(7)

式中，qe为铜合金液传递给钢板的热流；he为铜合金液与钢板的对流换热系数；tc为铜合金液浇注温度；tl为铜合金液液相线温度。

对流换热系数he可借助于流体受迫垂直面的对流传热公式计算得到：

式中，he为铜合金液与坯壳的对流换热系数；ρ为铜合金密度；c为铜合金热容；v为凝固前沿铜合金液运动速度；η为铜合金液粘度；λ为铜合金液导热系数；l为接触长度。

由此可以推算出铜合金熔体与预热钢板接触后的温度变化，通过控制铜合金的浇注温度来控制接触后铜合金的固态率。

进一步地，步骤8中半固态浆料状态中固态率为40-70％；推送过程为10-30s，为铜铅合金和钢板提供充足的扩散时间。

进一步地，步骤9中控制轧制道次压下率为30-60％，轧辊直径300mm，轧辊转速与工艺参数相关。由于轧辊内部通有冷却水，因此此处传热由两部分组成，如图2所示。

假设半固态的铜合金层内部温度梯度为0，且半固态铜合金与轧辊壁间紧密接触，无气隙。则半固态铜合金与轧辊壁之间的传热计算与步骤7一致。

轧辊壁内外侧存在温差，由于温度梯度的作用，热量会从半固态铜合金一侧向冷却水侧传递，轧辊外壁内部的热流密度在一维稳定状态下可以表示为：

式中，qm为轧辊外壁内部的热流密度；δ为轧辊壁的厚度；t1为轧辊壁内表面温度；t2为轧辊壁外表面温度；λm轧辊壁的导热系数，数值可以根据以下公式进行确定λm＝11.45+0.0106t，

轧辊壁与冷却水界面传热为强迫对流换热，由冷却水对流运动带走的热流计算：

qw＝hw(t1-tw)

式中，qw为冷却水对流运动带走的热流；hw为冷却水与轧辊壁的对流换热系数；t1为轧辊壁内表面温度；tw为冷却水平均温度。

一般热轧轧辊使用60crmnmo合金锻钢，可查出其比热容、对流换热等系数，根据以上公式，可计算出轧辊冷却水量为60-240l·h^-1.由此推算出轧辊转速范围约为1-5转/分钟，复合板材的传送速度由v＝2πrn计算得出为0.6-3m/min。

进一步地，对于步骤10，感应加热的原理与步骤6中的计算过程一致。电磁感应加热会减少层状复合材料制备过程中所产生的内应力，减少复合材料的变形程度。在线高频感应正火时，由于钢的相对磁导率为8000，铜的相对磁导率仅为1，因此在同样的感应频率时，单位质量的钢所产生的焦耳热比铜大的多，保证了钢消除因淬火效应引起的硬度增加而且铜也不会发生熔化，从而制备出优良的层状轴瓦复合材料。但正火的电磁频率不宜过大，应为7000-10000hz。

本发明的另一个目的还公开了一种钢-耐磨铜合金复合板材，采用上述钢-耐磨铜合金复合板材的制备方法制备而成。

本发明一种钢-耐磨铜合金复合板材的制备装置科学、合理，钢-耐磨铜合金复合板材的制备方法简单、易行，与现有技术相比较具有以下优点：

(1)防止钢板表面氧化，复合效果好。本发明在进行半固态-固态轧制复合之前，依次对钢板上表面进行打磨、酸洗、清洗处理，并在保护气氛下进行高频感应加热，一方面防止在预热过程中钢板表面产生氧化层，另一方面可将预热温度升至800-900℃，提高复合板材界面复合效果。

(2)抑制铜铅合金比重偏析。本发明使用感应熔炼对铜铅合金进行熔炼，熔炼过程中电磁力对熔体有搅拌作用，促进元素均匀分布。与钢板接触后铜铅合金处于半固态状态，并在轧辊的作用下快速凝固，可消除因密度和熔点差异造成的偏析，提高铜铅合金覆盖层的质量。

(3)适用性强，应用范围广。本发明采用半固态轧制方法实现双层金属复合，铜铅合金中铅含量为15-45％wt，基板材质可选304不锈钢、q235钢、10号钢等，厚度范围2-50mm，也可用于制备其他类型的高质量金属复合板材，如铝-钢，铜-钢，铝-铜等。

附图说明

图1为钢板与铜合金液界面处温度分布一维简化图，横坐标为距离，纵坐标为温度。

图2为半固态铜合金与轧辊接触后界面处温度分布一维简化图，横坐标为距离，纵坐标为温度。

图3为本发明钢-耐磨铜合金复合板材的制备装置结构示意图。

图4为常规固液法制备的钢-耐磨铜合金复合板材微观形貌。

图5为实施例1钢-耐磨铜合金复合板材的微观形貌。

附图标号：1-保护气体罐；2-干燥装置；3-清洗装置；4-上表面打磨装置；5-钢板；6-下表面打磨装置；7-高频磁场电源；8-真空罩；9-闭合开关；10-铜铅合金；11-高频感应加热装置；12-轧辊；13-保温浇道；14-已凝固包覆层；15-钢-耐磨铜合金复合板材；16-高频感应加热电源；17-正火高频感应线圈；18-预热高频感应线圈；19-密封圈。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

本实施例公开了一种钢-耐磨铜合金复合板材的制备装置，如图3所示，包括依次设置的表面处理单元，保护气感应预热单元，感应熔炼单元和半固态轧制复合单元，所述表面处理单元、保护气感应预热单元及半固态轧制复合单元中穿设有供下层钢板穿过的长方形通道，所述表面处理单元、保护气感应预热单元内的长方形通道的尺寸与待处理钢板截面尺寸一致；

所述表面处理单元包括上表面打磨装置4、下表面打磨装置6、清洗装置3和干燥装置2；所述上表面打磨装置4、清洗装置3和干燥装置2依次设置在长方形通道上方，所述下表面打磨装置6设置在长方形通道下方、且与上表面打磨装置4相配合；所述上表面打磨装置4、下表面打磨装置6为表面粗糙度为ra100-200μm的金刚石磨片；所述干燥装置包括干燥轮。

所述保护气感应预热单元包括真空罩8、预热高频感应线圈18、高频磁场电源7和保护气体罐1，所述保护气体罐1与真空罩8连通，所述预热高频感应线圈18设置在真空罩1内，所述高频磁场电源7与预热高频感应线圈18电联，所述长方形通道穿设在真空罩8的预热高频感应线圈18中；所述真空罩8穿设长方形通道的开口处设置有密封圈19。

所述感应熔炼单元包括高频感应加热装置11，所述感应熔炼单元底部设有用于控制出液口开合的闭合开关9，所述闭合开关9设置在长方形通道上方，所述闭合开关9通过保温浇道13与长方形通道连通。

所述半固态轧制复合单元包括正火高频感应线圈17、为正火高频感应线圈17供电的高频感应加热电源16和上下配合设置两个轧辊12，所述两个轧辊12为同步热轧轧辊，所述轧辊12内部设有冷却水道，所述两个轧辊12分别设置在长方形通道上下两侧；所述长方形通道在经过两个轧辊后穿设在正火高频感应线圈17中。

本实施例还公开了采用上述装置制备钢-耐磨铜合金复合板材的方法，以cu-30pb和45号钢为例，制备厚度4mm(钢板2mm，铜合金2mm)的复合板材。该方法包括以下步骤：

步骤1：钢板5使用前使用清洗液进行去氧化预处理，浸蚀时间2分钟，经清水冲洗后烘干，烘干温度100℃，时间20分钟；

步骤2：闭合感应熔炼单元的下方的闭合开关，按cu-30％pb比例放入原料，开启电源对铜铅合金进行电磁感应熔炼；

步骤3：铜铅合金10熔化后调节感应熔炼单元的功率使熔体保温至1200℃；

步骤4：调节铸轧辊的速度3转/分钟和轧辊内冷却水流量120l/h，铸轧机进入空转待机状态；

步骤5：将钢板推送置表面处理单元内的长方形通道入口，对上下表面进行打磨处理，上表面为粗糙度ra100μm的金刚石磨片，打磨时间1分钟；之后使用10％的乙醇溶液清洗掉钢板上表面的研磨屑；经干燥轮进行干燥处理，干燥轮表面采用吸水材料，温度90℃，烘干时间1分钟；

步骤6：干燥处理后的钢板推送至保护气感应预热单元，在氩气下进行高频感应加热，气体流量为10l/min，感应频率12000hz，感应电流200a，使钢板预热至900℃；

步骤7：预热后的钢板传送至感应熔炼单元下方时，打开感应熔炼单元的闭合开关，使cu-30％pb通过保温浇道13均匀铺展到钢板表面，通过控制流速使铜铅合金厚度层保持在4mm，铜合金与钢板接触会迅速冷却至半固态状态；

步骤8：在钢板继续向前推送的过程中，使铜铅合金保持半固态浆料状态，固态率约40％，传送过程10s，为铜铅合金和钢板提供充足的扩散时间；

步骤9：半固态铜铅合金与钢板进入轧辊腔内进行半固态-固态轧制，控制轧制道次压下率为50％；

步骤10：感应加热正火，磁场频率8000hz，消除应力，制成钢-耐磨铜合金复合板材15，钢-耐磨铜合金复合板材15上层为已凝固包覆层14。

常规固液法直接将高温铜合金熔体浇注到钢板上，接触面的温度分布不均匀，温差导致钢板变形，部分铜合金和钢板结合不佳，界面处存在气孔、开裂等铸造缺陷。常规液固法取宏观界面结合情况良好的部位进行观察，其结果如图4所示，放大后微观界面存在明显的氧化层。

本实施例方法在相同浇注温度情况下，界面处结合良好，无明显的气孔、夹杂等铸造缺陷，铜合金熔体和钢板接触时温度基本保持一直，产品较平直。本实施例钢-耐磨铜合金复合板材的微观形貌如图5所示，钢-耐磨铜合金复合板材制备过程中界面的冷却条件基本保持不变，因此样品界面平直良好，另外由于本实施例使用了保护气感应预热法，界面处无氧化现象。

实施例2

本实施例公开了一种钢-耐磨铜合金复合板材的制备方法，采用实施例1所述钢-耐磨铜合金复合板材的制备装置。

以cu-20pb和45号钢为例，制备厚度9mm(钢板3mm，铜合金6mm)的复合板材。钢-耐磨铜合金复合板材的制备方法包括以下步骤：

步骤1：钢板使用前使用清洗液进行去氧化预处理，浸蚀时间2分钟，经清水冲洗后烘干，烘干温度100℃，时间20分钟；

步骤2：闭合感应熔炼单元的下方的闭合开关，按cu-20％pb比例放入原料，开启电源对铜铅合金进行电磁感应熔炼；

步骤3：铜合金熔化后调节感应熔炼单元的功率使熔体保温至1150℃；

步骤4：调节铸轧辊的速度1.5转/分钟和轧辊内冷却水流量180l/h，铸轧机进入空转待机状态；

步骤5：将钢板推送置表面处理单元内的长方形通道入口，对上下表面进行打磨处理，上表面为粗糙度ra100μm的金刚石磨片，打磨时间1.5分钟；之后使用10％的乙醇溶液清洗掉钢板上表面的研磨屑；经干燥轮进行干燥处理，干燥轮表面采用吸水材料，温度90℃，烘干时间1.5分钟；

步骤6：干燥处理后的钢板推送至保护气感应预热单元，在氩气下进行高频感应加热，气体流量为10l/min，感应频率12000hz，感应电流250a，使钢板预热至900℃；

步骤7：预热后的钢板传送至感应熔炼单元下方时，打开感应熔炼单元的闭合开关，使cu-20％pb均匀铺展到钢板表面，通过控制流速使铜铅合金厚度层保持在10mm，铜合金与钢板接触会迅速冷却至半固态状态；

步骤8：在钢板继续向前推送的过程中，使铜铅合金保持半固态浆料状态，固态率约50％，传送过程15s，为铜铅合金和钢板提供充足的扩散时间；

步骤9：半固态铜铅合金与钢板进入轧辊腔内进行半固态-固态轧制，控制轧制道次压下率为40％，制成钢-耐磨铜合金复合板材；

步骤10：感应加热正火，磁场频率8400hz，消除应力，制成钢-耐磨铜合金复合板材。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。