双金属复合材料研究现状及进展-汪黎

2014重庆市铸造年会论文集180双金属复合材料研究现状及进展汪黎1赵建华1,2王自红11.重庆大学材料科学与工程学院重庆4000442.重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆400044摘要：双金属复合材料以其良好的综合性能，越来越受到行业的重视。文中介绍了传统双金属复合材料研究动态、分类和工艺优缺点。着重提出了铸造领域中新的双金属复合材料制造的工艺特点和应用前景。关键词：双金属；复合铸造；冶金结合前言双金属(层状)复合材料是运用复合成型的方法使两种或两种以上的具有不同物理、化学乃至力学性能的材料在界面产生冶金结合制备而成的层状复合材料。该种复合方法在界面的两侧保持了原有的组分，而在界面处产生了过渡层的冶金结合，从而使得该种复合材料具有两种材料的“复合效应”。目前，单一材料的零件无法满足生产过程中多方面的要求。在实际生产中，这些零部件要求材料既有良好的韧性，以抵抗物料在工作中所受的冲击作用，防止部件发生断裂现象，同时又要求其具有高的强度及良好的耐磨性能，以保证部件的使用寿命和降低经济损失。但是一种材料同时具有高韧性和高硬度这两种性能在实际生产中是非常难以达到的。随着复合技术的发展，双金属复合材料在昀近几年中受到了广大学者的广泛关注。就目前的研究状况而言，双金属复合材料的研究主要着重在双金属复合材料的制备技术方面。1常用双金属复合材料复合方法传统的复合方法主要分为爆炸复合、轧制复合、扩散复合和挤压复合。爆炸复合法[1]的成型工艺是：将制备好的复板放置在基板之上，然后在复板上铺设一层炸药，利用炸药爆炸时产生的瞬时超高压和超高速冲击实现金属层间的固态冶金结合。爆炸复合法虽然工艺简单，生产灵活，但是技术要求高，难于精确控制，母材性能（韧性、冲击性能等）、炸药性能（爆速稳定、安全等）、初始参数（单位面积炸药量、基复板间距等）和动态参数（碰撞角、复板碰撞速度等）的选择与系统配合对复合板的成品率及质量有着直接的影响。复合界面由直接结合区、熔化层和漩涡组成。结合界面存在原子扩散，结合区发生了严重的塑性变形并伴有加工硬化。轧制复合法[2-3]主要用于双金属板及减震钢板、铝塑复合板的成形，是利用高温和轧制工艺，使金属产生塑性变形，从而实现界面之间的冶金结合。轧制复合时，按照坯料是否加热，可分为热轧复合、冷轧复合和温轧复合三种。轧制复合法的主要优点是生产成本较低，适合批量生产，且成品尺寸大。缺点是后续处理工艺交复杂，且工艺设备要求较高。扩散复合法[4]是在低于界面材料熔点温度下，施加一定的压力使界面材料之间紧密接触，利用高温下界面原子的相互扩散从而实现界面之间的复合。该方法制备的复合过渡层较薄，导致过渡层容易出现开裂及脱落。挤压复合法首先将基材和包覆金属清理干净，在将其放入挤压模中，并以合适的温度及合适的挤压比挤压成型，昀终获得金属间紧密结合的复合材料。该方法主要适用于生产型材，其缺点主要表现在连续化生产的可能性不大，且设备要求高。2新型双金属包覆铸造方法新型双金属包覆铸造是随着节能减排口号的推进，在传统材料固-液复合铸造的基础上，将不同的轻金属材料、铸造工艺、表面处理工艺或者温度压力条件相结合的一种新兴铸造方法。该2014重庆市铸造年会论文集181方法具有成品比强度高、界面结合强度好、制造成本低、适应大范围工业生产等优势。2.1“液-固”包覆铸造液固复合铸造有离心复合铸造、实型复合铸造、压力复合铸造、精密复合铸造、镶铸等，也有人又将液固双金属复合氛围包覆复合法[5]和镶铸复合法[6]。包覆铸造已经在部分机械行业得到了应用，宝马公司率先实施了镁铝材料高压、快速双金属包覆铸造工艺，并大量应用于曲轴箱生产[7]。该铝合金曲轴箱采用镁合金制造箱的外壳，而用薄的铝合金作内壳，生产工艺是，先铸铝合金内衬，而后在铝上铸造镁合金外壳。压铸模重60t，铝合金内壳铸造完后，关闭模，立即射注约700℃的镁熔体，射注时间仅1/600S，压力约1000bar。于是铝内壳与镁合金外壳在约4000t的外力作用下紧紧地熔接为一体。镁合金在10S左右时间内凝固完毕，再过20S由机器人取出铸件，随即交付热处理与机械加工。形成一种外镁包铝的复合箱体，集镁与铝的优点于一体，既有铝的高抗腐蚀性能又有镁的减重效果。1-头部；2-冒口；3-内浇道；4-直浇道；5-柄部图1锤头的铸造工艺图1为一种用包覆法生产复合锤头[5]的生产工艺示意图，采用消失模铸造，该方法的主要特点是浇注过程在电磁感应加热氛围中进行，即在浇注前，整个砂型都被放入电磁感应线圈内，对事先置于砂型中的锤柄进行电磁感应预热，预热到800℃时开始浇注，浇注过程中仍然保持加热状态，直到金属液充满整个砂型后，停止加热，冷却后开箱。实验结果表明，在砂型复合铸造条件下，外材高铬铸铁的浇注温度、液固体积比以及芯材的预热温度均是影响双金属复合材料的界面结合强度的关键因素。阎士标等研究镶铸指出浇注前，在铸型里提前放入加工好的其他材质的零件，铸造合金液在凝固时将零件包紧，使其和铸造合金成为一体，达到提高铸件局部性能的目的[6]。如图所示，为镶铸零件模型：1、镶嵌件定位座2、定模3、动模4、镶嵌件图2镶铸零件模型2.2“液-液”复合铸造该类型复合铸造的一种新形式是连续铸造复合法，其实质是运用连续铸造的方法，其原理是将两种液态的金属液一起浇进模具中进而成型的一种复合方法。这种方法的典型代表是双流浇注连续铸造法和电磁控制双金属连续铸造法。双流浇注连续铸造[8]主要工艺原理如图31-热电偶2-内层金属3-外层金属4-内导管5-控流阀门6-石墨结晶器图3双流浇注连续铸造制备梯度材料原理图在传统的连续铸造基础上增加一个内浇包及其导流系统，内、外浇包分别容纳不同成分的两种熔体，外交包的金属液流经出水口后进入结晶器中，受激冷作用凝固成具有一定厚度的薄2014重庆市铸造年会论文集182壳，内浇包的金属液流出内导管管口时，被凝固薄壳和残余外部金属液包围。通过调整铸造时的工艺参数，可以控制内、外浇包中两种液体的凝固时间差，促进结晶器内熔体由外向内顺序凝固，实现两种液体部分混合[8]。电磁控制双流连续铸造法的具体过程是在铸造工艺中利用电磁制动技术，使结晶器宽度方向上存在水平磁场，通过水平磁场对流动的金属粒子产生洛伦兹力的作用，是两种金属液不至于混合，形成具有清楚界面的双金属复合材料[9]。其具体的操作过程是在结晶器的下部安装线圈形成水平方向的磁场，使不同成分的金属液通过不同的水口，即长型和短型侵入式水口，进入结晶器内时，形成两个上下不同的区域。在外加磁场的作用下，使上层金属液产生的洛伦兹力与其重力相互平衡，从而实现两个区域的金属液不致混合。在生产过程中上层的金属液凝固形成外层金属，而下层的金属液凝固形成内部金属，从而形成双金属复合材料。该方法通过利用水平磁场的作用使结晶器上下部分的金属不致混熔，并通过控制金属液的浇注速度，水平磁场的强度及结晶器下降的速度，保证外层金属层的厚度及组织性能稳定，是一种非常先进的双金属复合材料生产方法。近年来，电磁场正在不断地被应用于金属连续铸造过程的方方面面，特别是在铝加工、制钢中取得了突破性进展。目前，铝合金的电磁铸造每年的产量已达到几百万吨，大有全面替代DC法的势头，而在制钢的每一个环节，如熔化、精炼、铸造、轧制等几乎都应用了电磁场。国内外学者对液-液双金属铸造的工艺进行了大量的探索，在实验室阶段也取得了相当大的进展，但是在国内的实际生产中并没有得到广泛的应用。在国外液-液复合也主要应用于连铸生产工艺中。3结语目前，随着环境保护、节约能源口号的提出，对新型双金属复合材料生产工艺的研究，特别是发展昀为悠久、工艺昀为简单、成本昀为低廉的铸造工艺要求不断提高。由于目前制作工艺复杂、产品稳定性较差、寿命问题以及制造成本较高等因素，双金属复合铸造应用的还比较少。然而，该工艺的优越性、有人的发展前景和巨大的应用潜力已展现在我们眼前。对于从事铸造行业的工作者来说，要充分发挥自身优势，积极将铸造工艺与各种材料加工处理工艺结合起来，发挥自身的想象力，敢于探索、试验，以降低制造成本、简化生产工艺、节约能源，不断推动双金属复合铸造行业的发展。参考文献[1]郑远谋,黄荣光.爆炸焊接和金属复合材料[J].上海有色金属,1998,19（3）:121-124[2]Gow-YiTzou,MinNanHuang.Analyticalmodifiedmodelofthecoldbondrollingofunboundeddouble-layerssheetconsideringhybridfriction[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003,140:625-627[3]双金属轧制复合技术及其研究进展[J].云南冶金,1998,27（6）:32-36[4]邱惠中.扩散焊接及其在航空航天领域的应用[J].航宇材料工艺,1997,（4）：30[5]李鹏志,邢书明.破碎机垂头双金属复合铸造工艺研究进展[J].金属矿山.2008,(5):96-99[6]阎士标,武立社.镶铸法在铝铸件生产中的应用[J].金属加工.2011,（17）:68-69[7]王祝堂.宝马公司开镁-铝复合曲轴箱在汽车上应用之先河[J].金属世界.2004，（4）[8]张卫文,李元元,等.半连续铸造法制备AlCu/Al梯度材料[J].中国有色金属学报,2002,5（12）:188-190[9]李玉亭,李廷举,赵勇慧,金俊泽.电磁场下复层材料连续铸造研究[J].稀有金属材料与工程,2003,32（5）:357-360