专利名称：通过复合流连铸获得的多层金属复合产品的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种冶金产品，该产品包含一个核心部分，至少在该核心部分的一边，有一中间层与所述核心部分相结合，而且还有一金属覆层与所述中间层结合一起，并且，本发明也涉及一种生产这种冶金产品的方法。尤其是，但不仅仅如此，本发明涉及形式为钎焊片材或钎焊板材的这种冶金产品，而且，也涉及一种所述冶金产品至少作为其一个组件的硬钎焊的装配体。
现有技术描述通过将不同的层轧制包覆一起，已获得一种冶金产品，该产品包含一个核心合金部分，至少在该核心的一边有一中间层，而且，还至少有一与该中间层相结合的金属覆层。US-A-2821014对这一方法和产品作了典型描述。轧制包覆的一个不足之处在于对所有不同类型的层的加工和处理上，例如轧制和表面处理。结果，轧制包覆既费时又费用高。
将包覆层与核心层直接结合，以通过轧制来制成钎焊板也已为人所知，例如，参见EP-A-326337。
US-A-5,476,725描述了一个制造具有一铝核心和至少一个包覆层的复合钎焊产品的方法。将带材形式的一层或多层包覆层与熔化的核心材料同时送入相向动作的轧辊中，该熔化的核心材料在与一层或多层包覆层接触下凝固。据称，尽管包覆层的熔点比核心部分低，但是，当其在辊缝处与熔化的核心材料接触时，包覆层却不会熔化。接着，对所述复合材料进行冷轧。该方法另一变型是，在包覆带材与熔化的核心材料接触之前，在将包覆带材卷展开时，向所述包覆带材上热喷涂锌中间层。一种类似的方法在JP-A-56-091970中作了描述。
JP-A-61-111745介绍了一种制造用来与另一组件钎焊一起，以获得一耐蚀耐磨层的材料的方法。钎料金属在一对轧辊之一个上凝固为带材，形式为含有陶瓷纤维的Co合金的第二种熔化金属在两轧辊的咬入处凝固在所述带材上。
下面进一步讨论总体上与铸造过程有关的某些现有技术。
发明简述本发明的一个目的是提供一种上述类型的冶金产品，与现有产品相比，该产品可以以较低成本进行生产。
本发明的第一个方面是提供一种冶金产品，该产品包含一个核心部分，至少在所述核心的一边，有一中间层与之相结合，而且还有一金属覆层与所述中间层结合一起，其特征在于所述核心和中间层是一种在两者的共同界面处具有一结合作用的复合铸造材料，所述结合作用是在铸造过程中，两种材料各自的熔体相接触时，由于发生同时凝固而形成的。
本发明的第二个方面是提供一种冶金产品，该产品包含一个核心部分，至少在所述核心部分的一边，有一中间层与之相结合，而且还有一金属覆层与所述中间层结合一起，其特征在于所述核心和中间层是一种在两者的共同界面处有一结合区的复合铸造材料，所述结合区是在铸造过程中，两种材料凝固之前，由处于熔化态的核心和中间层各自组成相互混合所形成的。
因此，根据本发明的冶金产品的特征在于在核心和中间层由熔化态同时凝固的铸造过程中，核心部分与中间层相结合以形成一种复合材料。然后，再施加金属包覆层，对在连铸或半连铸期间，核心合金和中间层合金由熔化态同时凝固的方式加以控制，以便在所获得的凝固的核心部分至少之一边，并且优选在整个外表面上，覆盖有所述中间层合金，从而形成一种复合铸造材料。与传统的轧制包覆复合材料相比，这种复合铸造材料的制造成本要低得多，因为对核心合金部分的修整以及在与核心部分结合之前，中间层的铸造、轧制和表面处理等步骤均可省去。
本发明的又一个优点是中间层与核心部分的结合非常牢固，原因是中间层与核心部分相互接触时，二种材料同时凝固。所述两种熔化的材料间的这种接触以及随后在其界面处的混合使得凝固的产品中生成狭窄的界面结合区，此区具有为本发明的产品和方法所特有的冶金特性。这样的界面结合区很容易为所述产品的专家辩认出，而且，它与上述的现有技术的产品不同，对两者很容易加以区分，其中的现有技术的产品中，进行结合之前，两层材料之一或者全部都是固态。
就根据本发明的冶金产品而言，当其形式为板材或片材时，至少在核心部分的一边上，中间层的厚度优选为所述复合铸造材料厚度的1-30％。当本发明产品的形式为棒、细棒或线材时，同样优选中间层为所述复合铸造材料半径(宽度的一半)的1-30％。这就允许中间层的厚度可在很大范围内变化，而这一范围比轧制包覆时要大得多。
由本发明可获得的一个优点是在核心与中间层的界面处基本上不存在氧化物。与轧制结合的材料相比，这种复合铸造材料的一个重要优点是由于核心与中间层的界面处不存在氧化物或氧化物的复合物，所以二者间的结合状况得以改善。在轧制结合的材料中，即使在轧制结合前进行适当的表面处理后，也可能存在这样的化合物。
在根据本发明的冶金产品中，所述金属覆层可以具有与所述核心部分不同的固相线温度，而且更优选所述金属覆层具有比所述核心部分低的固相线温度。这样的冶金产品非常适于作为钎焊片材使用。
虽然本发明在原则上适于范围广泛的金属，但优选核心部分为铝合金，用来制造适合在众多的应用场合应用的产品，例如钎焊片材。根据在应用或使用所述冶金产品时所要求的最终性能，可以选择可热处理的铝合金作为核心合金，如AA2XXX，AA6XXX或者AA7XXX系列合金，或者选择不可热处理的铝合金，如AA3XXX或AA5XXX系列合金。
当金属覆层是一种钎焊合金时，优选其为一种铝钎焊合金。取决于本发明的冶金产品的最终使用或应用要求，可以采用另一种金属覆层，如AA1XXX系列合金，以获得镜子般的表面光洁度，或者采用锌或锌合金或含锌的铝合金，以改善耐腐蚀性。
优选中间层具有与核心部分不同的腐蚀电位，并且更优选中间层的腐蚀电位比核心部分低。在这种情况下，所述中间层起阳极中间层的作用，并且改善了所述冶金产品的耐腐蚀性。根据核心合金的类型以及所述冶金产品的应用或使用要求，可优选包含可热处理的铝合金，例如AA2XXX，AA6XXX或AA7XXX系列合金的中间层，或者优选包含不可热处理的铝合金，例如AA1XXX，AA3XXX或AA5XXX系列合金的中间层。另外，也可能使用锌或锌合金或者含锌的铝合金。
优选地，所述中间层以一种已知的方式在金属覆层与核心间构成一扩散阻挡层。这样，在钎焊期间，所述中间层保护核心材料不受来自于熔融的钎焊合金的元素的影响，并且，反之亦然。根据核心合金的类型以及所述冶金产品的应用或使用要求，可优选包含可热处理的铝合金，例如AA2XXX，AA6XXX或AA7XX系列合金的中间层，或者优选包含不可热处理的铝合金，例如AA1XXX，AA3XXX或AA5XXX系列合金的中间层。参见US-A-2,821,014，可了解与本发明用于阻挡层衬里有关的进一步信息。
本发明的另一个目的是提供一种生产本发明的冶金产品的方法。
本发明的方法包括如下步骤(i)制备包含所述核心和与核心相结合的中间层的复合铸造材料，所采用的制备方法包括对核心和中间层的铸造方式加以控制，以使二者各自的熔体相互接触时会同时凝固，以及(ii)在所述中间层凝固之后，使金属覆层与所述中间层结合一起。
本方法的一个优点是在一个处理步骤中，所述中间层与核心结合一起，而不必将中间层材料轧制成板材和对核心以及中间层材料进行表面处理。采用这种方法，可使处理成本明显降低。根据本发明的方法的另一个优点是所述核心合金选择上的灵活性。可以对非传统的核心合金进行处理，例如，具有一介于金属覆层与核心之间的功能中间层的高强度AA7XXX系列合金。
在本发明的方法中，可以使用任何适当的铸造方法，特别是连铸和半连铸方法，来形成所述的复合铸造材料，例如，专利公开EP-A-0596134和DE-A-4420697中所述的铸造技术和方法。为完整了解现有技术，此处指出，可将两种金属加以凝固的多种其它的复合铸造技术已为人所知。其实例包括DE-A-884806、US-A-4,567,936，GB-A-2204518和EP-A-596134，但这些实例均未包括相互接触的两种熔化的金属的同时凝固。
更优选的是，使用一种DC铸造方法或者该方法的变型，例如DE-A-4420697中的铸造方法，因为这样，就可以在现有的铸造工位应用本发明的方法，而不需要在新铸机和所要求的基础结构上花费大量投资，这对于金属铸锭和挤压坯均如此。
在本发明的一个优选的方法中，铸造后的复合铸造材料的厚度大于100mm，而且，当所述复合铸造材料为挤压坯时，其直径也大于100mm，虽然采用这种方法可生产出更小直径的坯料(“挤压坯”是本领域中所使用的一个术语，用来典型描述可以进行挤压的一种柱形产品，尽管本发明中，随后所采用的可以是一种不同的处理如轧制)。这就能够使用传统的DC铸造技术或该技术的少许修改的变型来生产所述的复合材料。采用这种方法，成本也可以得到进一步降低。
采用传统的轧制包覆技术或者该技术的改进的变型可以实现金属覆层与中间层间的结合。然而，也可以使用其它的技术如浸渍、热喷涂或电弧喷涂，来使金属覆层淀积在中间层上。
在下面的两本书以及该两本书的参考书目中所列的参考文献中，可以发现有关电镀、涂覆和表面处理的基础知识(1)金属手册，第9版，第5卷“表面清洗、精饰和涂覆”，美国金属学会(ASM)，Metals Park，Ohio(1982)；以及(2)ASM手册，第18卷，“摩擦、润滑和磨损技术”，ASMInternational，Metals Park Ohio(1992)。
在包括电镀、涂覆和表面处理的各种选择方案中，优选轧制包覆用于本发明的板材和/或片材产品的生产。
在本发明的方法中，优选对所述复合铸造材料进行均匀化处理，而且优选在步骤(ii)之前进行均匀化处理。根据核心与中间层所选择的合金的类型，或许需要通过均匀化来对所述复合材料进行处理以改善加工性能，比如，改善其轧制期间的可成形性，均匀化是一种已知的处理步骤，它被用来减少铸造过程中所引起的残余应力和降低合金元素的微观偏析。
优选在步骤(ii)之前，对所述复合铸造材料进行热轧。根据所要求的复合铸造材料的厚度，在包覆金属层之前，可以对其进行轧制，而且更优选进行热轧。优选在热轧之前，对所述复合铸造材料均匀化处理。
在步骤(ii)之前，一般对所述复合铸造材料进行表面处理，通过表面处理，例如修整、化学腐蚀和许多其它可能的处理技术或者上述这些方法的组合，可以改善中间层与覆层间的结合状况。
所述方法可以进一步包括将所述产品轧制成片材或板材步骤(iii)。也可以在轧制期间或轧制之后的任意阶段进行热处理，来获得所述板材或片材产品所要求的最终性能，或者用于轧制期间改善加工性能。
本发明进一步涉及一种通过对根据本发明的冶金产品进行处理所获得的或者采用根据本发明的方法所获得的片材产品，其中片材产品的厚度小于3mm，而且更优选小于2mm。更特别是，本发明还涉及一种通过对根据本发明的冶金产品进行处理所获得的或者采用根据本发明的方法所获得的片材产品，其中所述片材产品是一种钎焊片。使用根据本发明的冶金产品，能够获得核心、中间层与金属覆层的各种各样的可能组合，这些组合对于钎焊片和钎焊片的应用非常合适。例如，所述金属覆层包含3-18wt％的Si，或者包含一种源自于AA4XXX系列合金的铝合金。
此外，本发明涉及一种通过对根据本发明的冶金产品进行处理所获得的或采用根据本发明的方法所获得的板材产品，其中所述板材产品的厚度为3-8mm。
本发明也涉及根据本发明的或者由根据本发明的方法获得的冶金产品作为钎焊片的使用，例如作为一组合件的一部分并使组合件结合一起。或者用来作为一组合件的一部分并通过将所述组合件加热至金属覆层的固相线温度以上来使组合件结合一起。或者作为一包含管片式热交换器或者通过机械连结来保持热交换关系的板与片构造的组合件的一部分。或者用来作为一包含管片式热交换器的一部分或者用作包含于另一个具有合适用途的实例的板片构造的组合件的一部分，或者作为一包含管片式热交换器或者通过熔化的金属覆层来保持热交换关系的板片构造的组合件的一部分。
实施例通过中等规模试验，来生产下面的多层产品。
采用DE-A-4420697中铸造技术铸造出长约1500mm和总直径为255mm的坯料，其中核心与中间层的熔体相互接触时发生同时凝固。核心的直径是221mm，余者即为中间层的尺寸。核心合金的化学组成在AA6063的范围以内，中间层的化学组成在AA3003的范围以内并还进一步添加有1.3wt％的锌。将所述铸造复合材料的坯料沿长度方向切成500mm长的棒段，对所述棒段在560-580℃下化处理8-12小时，处理时的加热和冷却速度约为35℃/小时。将所述棒段热轧成具有所要求厚度的矩形段。或者，也可采用锻造方法。对中间层进行修整以使其最终厚度满足要求。对修整后的矩形段进行轧制包覆，以便只在中间层的仅一面上形成一金属覆层。金属覆层的材料组成在AA4004范围以内。将所述多层产品热轧至3.5mm，并且进一步冷轧至0.35mm。在冷轧期间，在360℃的温度下进行一次中间退火。最终的多层片材产品的厚度为0.35mm，其中的约10％为金属覆层厚度，中间层厚度为34-45μm。采用根据ASTMG-85的SWAAT试验对所述多层钎焊片材产品进行试验，发现其不发生穿孔的腐蚀寿命大于25天。此值与对具有类似的组成和厚度的不同层进行传统轧制包覆获得的多层钎焊片材的试验结果相似。
这样，就获得了具有下述优点的多层产品-具有与传统的轧制包覆材料类似的腐蚀和机械性能；-在合金组成上具有很大的灵活性；-可以以现有生产设备进行生产；-生产成本较低；-核心与界面层间的结合得以改善。
权利要求
1.一种冶金产品，其包含一核心，至少在所述核心的一边上有一与之相结合的中间层，而且还有一与所述中间层相结合的金属覆层，其特征在于所述核心和中间层是一种在二者的共同界面处具有一结合作用的复合铸造材料，所述结合作用是在铸造过程中，所述核心与中间层各自的熔体相接触时同时凝固而形成的。
2.一种冶金产品，其包含一核心，至少在所述核心的一边上有一与之相结合的中间层，而且还有一与所述中间层相结合的金属覆层，其特征在于所述核心和中间层是一种在二者的共同界面处存在一结合区的复合铸造材料，所述结合区是在铸造过程中，处于熔化态的所述核心与中间层凝固之前，二者各自的组成共同混合而形成的。
3.一种根据权利要求1或2的冶金产品，所述产品为板材或片材，而且其中，至少在所述核心的一边上，沿所述板材或片材的厚度方向，所述中间层的厚度为所述复合铸造材料厚度的1-30％。
4.一种根据权利要求1或2的冶金产品，其中在与所述棒、细棒或线材长度方向相垂直的横截面上，所述中间层的厚度为所述复合铸造材料半径的1-30％。
5.一种根据权利要求1-4中任一项的冶金产品，其中所述的核心和中间层在二者的界面上基本上不存在氧化物。
6.一种根据权利要求1-5中任一项的冶金产品，其中所述金属覆层具有与所述核心不同的固相线温度。
7.一种根据权利要求6的冶金产品，其中所述金属覆层具有比所述核心低的固相线温度。
8.一种根据权利要求6或7的冶金产品，其中所述金属覆层是一种钎焊合金。
9.一种根据权利要求8的冶金产品，其中所述金属覆层是一种铝钎焊合金。
10.一种根据权利要求1-9中任一项的冶金产品，其中所述合金是一种铝合金。
11.一种根据权利要求10的冶金产品，其中所述的核心包含一种可热处理的铝合金。
12.一种根据权利要求11的冶金产品，其中所述核心包含一种不可热处理的铝合金。
13.一种根据权利要求1-12中任一项的冶金产品，其中所述中间层具有与所述核心不同的腐蚀电位。
14.一种根据权利要求1-13中任一项的冶金产品，其中所述中间层具有比所述核心低的腐蚀电位。
15.一种根据权利要求1-14中任一项的冶金产品，其中所述中间层在所述金属覆层与核心之间起扩散阻挡层的作用。
16.一种根据权利要求13-15中任一项的冶金产品，其中所述中间层包含一种可热处理的铝合金。
17.一种根据权利要求13-15中任一项的冶金产品，其中所述中间层包含一种不可热处理的铝合金。
18.一种片材或板材形式的冶金产品，其包含一种复合铸造材料，该复合铸造材料包括通过同时凝固而结合一起的一个核心和一个中间层，以及一个在所述复合铸造材料凝固后，与所述中间层结合一起的金属覆层。
19.一种生产根据权利要求1-18中任一项的冶金产品的方法，包括如下步骤(i)制备包含所述核心和与之相结合的所述中间层的所述复合铸造材料，对所采用的包括铸造所述核心与所述中间层的制备方法加以控制，以使所述核心与所述中间层各自的熔体相互接触时发生同时凝固，以及(ii)在所述中间层凝固后，实现所述金属覆层与所述中间层的结合。
20.一种根据权利要求19的方法，其中，在铸造之后，所述复合铸造材料的厚度至少为100mm。
21.一种根据权利要求19或20的方法，其中在步骤(ii)之前，对所述复合铸造材料进行均匀化热处理。
22.一种根据权利要求19-20中任一项的方法，其中在步骤(ii)之前，对所述复合铸造材料进行热轧。
23.一种根据权利要求19-22中任一项的方法，其中在步骤(ii)之前，对所述复合铸造材料进行表面处理。
24.一种根据权利要求19-23中任一项的方法，其中，在步骤(ii)之后，将所获产品轧制成一种片材或板材产品。
25.一种根据权利要求1的形式为片材产品的冶金产品，其厚度小于3mm。
26.一种根据权利要求1或25的形式为钎焊片材的冶金产品。
27.一种根据权利要求26的冶金产品，其中所述铝合金覆层中的Si含量为3-18wt％。
28.一种根据权利要求1的形式为板材产品的冶金产品，其厚度范围为3-8mm。
29.一种钎焊组合件，它包含至少一个是根据权利要求1-18中任一项的冶金产品的组件。
全文摘要
一种冶金产品,例如钎焊片材,包括一个核心,至少在所述核心的一边上有一中间层与之结合,而且还有一金属覆层与所述中间层结合一起。所述核心与中间层是一种在二者共同的界面处存在一结合作用的复合铸造材料,所述结合作用是在铸造过程中,当所述核心与中间层各自的熔体接触时发生同时凝固而形成的。这就提供了一种简化的且能获得良好结合性能的方法。然后,进行金属覆层的包覆处理并将所述复合材料轧制成片材或板材产品。
文档编号B22D19/08GK1244148SQ97181268
公开日2000年2月9日 申请日期1997年12月1日 优先权日1996年12月3日
发明者A·J·P·哈斯勒, D·F·布兰德尔 申请人:荷高文斯铝轧制品有限公司