固態(tài)銅材固液復(fù)合及軋制組合制備雙金屬?gòu)?fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雙金屬?gòu)?fù)合材料的制備領(lǐng)域，具體是一種銅材固液復(fù)合鑄造及乳制組合制備雙金屬?gòu)?fù)合材料的方法，即一種通過固液復(fù)合鑄造后乳制組合工藝制備雙金屬?gòu)?fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料綜合性能的要求越來越高，在很多工況條件下，單一組元的金屬材料已經(jīng)很難滿足要求。因此，研究和制備新型復(fù)合材料成了材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。雙金屬?gòu)?fù)合材料是通過各種復(fù)合技術(shù)使兩種性能不同的金屬?gòu)?fù)合在一起而制備的一種新型復(fù)合材料。與單一組元的金屬材料相比，雙金屬?gòu)?fù)合材料可以綜合利用兩種金屬材料各自的物理化學(xué)特性，獲得單一組元金屬不能同時(shí)具有的綜合性能，可以較好地滿足工業(yè)與科技的快速發(fā)展對(duì)于材料越來越高的要求。相比于單一金屬材料，其優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:(I)優(yōu)良的綜合性能；(2)良好的經(jīng)濟(jì)效益；(3)廣泛的可設(shè)計(jì)性。銅材由于其優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，以及良好的力學(xué)性能，已經(jīng)被廣泛的開發(fā)和應(yīng)用于個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，銅材與其他材料之間復(fù)合制備的雙金屬材料同樣受到了越來越多的重視。如銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料綜合了銅合金的高導(dǎo)電性能、高導(dǎo)熱性能、低接觸電阻以及鋁的質(zhì)輕、耐蝕等優(yōu)點(diǎn)。銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料可以在減輕40%重量的前提下達(dá)到和銅材相差無幾的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱率，同時(shí)價(jià)格只有銅材的60%。銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料已廣泛應(yīng)用于電力、電子、電器、汽車、能源等領(lǐng)域。另外，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的銅產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó)也是最大的銅資源進(jìn)口國(guó)，每年需要進(jìn)口大量的銅資源，銅價(jià)格的不斷上升影響了國(guó)內(nèi)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。同類別雙金屬?gòu)?fù)合材料的使用可以很好優(yōu)化資源配置，提高經(jīng)濟(jì)效益，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]使用傳統(tǒng)焊接方法制備雙金屬?gòu)?fù)合材料時(shí)，由于銅合金和鋁合金之間物理性能如熔點(diǎn)、比熱容、線膨脹系數(shù)等相差很大，同時(shí)兩種金屬的導(dǎo)熱性都很好，所以焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)氧化夾渣、吸氣、熱裂、成分偏析等一系列的問題。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，除焊接方法外銅鋁間復(fù)合常見的方法按照材料狀態(tài)的不同可以分為固液復(fù)合、固固復(fù)合及液液復(fù)合。對(duì)于固固連接方法，如乳制，生產(chǎn)效率較高，不過由于銅和鋁在大氣環(huán)境下都非常容易氧化，尤其是高溫條件下，兩種金屬之間都會(huì)形成致密的氧化膜，氧化膜的存在會(huì)嚴(yán)重阻礙兩種金屬之間的相互作用，惡化連接質(zhì)量，不容易形成良好的冶金結(jié)合。對(duì)于液液連接則經(jīng)常受到設(shè)備的限制，對(duì)于材料的外形、尺寸都有非常嚴(yán)格的要求，這也在一定程度上限制了銅鋁雙金屬材料的推廣和應(yīng)用。固液復(fù)合受外形條件約束小、工藝設(shè)備要求簡(jiǎn)單，不過澆注溫度較高時(shí)容易在界面上生成較厚的中間化合物，影響銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度和物理性能。每一種方法都有其特有的優(yōu)勢(shì)，但又有一定的局限性。
[0004]進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)有技術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，研究人員開始通過兩種復(fù)合方法組合在一起制備銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料以克服單一方法的不足。中國(guó)專利CN101364459A公布了一種銅包鋁母線排的生產(chǎn)方法及設(shè)備。該技術(shù)利用擠壓和熱乳組合的方法制備銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料，不過由于是利用兩種固固連接方法，而且為了避免氧化膜的影響，在熱處理過程中引入了惰性氣體保護(hù)，對(duì)于設(shè)備及制備條件要求較高。中國(guó)專利CN101465171A公布了一種包覆焊接及乳制連續(xù)制作銅包鋁母線排的方法。該技術(shù)利用包覆焊接及乳制組合的方法制備了銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料，不過，同樣的利用兩種固固連接方法，而且為了避免氧化膜的影響，在熱處理過程中引入了惰性氣體保護(hù)，對(duì)于設(shè)備及制備條件要求較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種固態(tài)銅材固液復(fù)合及乳制組合制備雙金屬?gòu)?fù)合材料的方法，解決現(xiàn)有復(fù)合技術(shù)連接銅材和其它材料時(shí)經(jīng)常導(dǎo)致結(jié)合區(qū)域形成氧化夾渣、吸氣、熱裂、成分偏析的問題，同時(shí)解決氧化膜和中間化合物的存在嚴(yán)重影響兩種金屬之間的相互作用以及雙金屬?gòu)?fù)合材料的性能較低等一系列的問題，使兩種合金之間形成冶金結(jié)合，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明提供一種固態(tài)銅材固液復(fù)合及乳制組合制備雙金屬?gòu)?fù)合材料的方法，所述方法包括固液復(fù)合鑄造制備雙金屬乳制坯料的步驟、乳制所述坯料制備雙金屬?gòu)?fù)合材料的步驟。
[0008]優(yōu)選地，固液復(fù)合鑄造制備雙金屬乳制坯料的步驟具體包括:
[0009]處理預(yù)置:對(duì)待連接固態(tài)銅預(yù)置材料進(jìn)行表面處理，處理后預(yù)置在模具型腔內(nèi)；
[0010]鑄造結(jié)合:將液態(tài)待澆注材料澆注入所述模具型腔內(nèi)，鑄造形成雙金屬乳制坯料。
[0011]優(yōu)選地，所述預(yù)置固態(tài)銅材料包括銅或/銅合金，具體包括純銅、鑄造銅合金、變形銅合金;所述饒注材料包括恪點(diǎn)低于或等于固態(tài)銅材料的金屬或所述金屬的合金;所述金屬包括鋁、鎂、銅等。當(dāng)澆注材料為銅材時(shí)，因?yàn)殂~材的種類非常多，雖然都為銅材，但是可以選擇不同種類的銅材，同樣可以綜合不同銅材之間不同的性能優(yōu)勢(shì)從而得到具有優(yōu)良性能的雙金屬?gòu)?fù)合材料。
[0012]優(yōu)選地，所述鍍鋅保護(hù)層的實(shí)現(xiàn)方式包括電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍、熱噴涂、氣相沉積等;所述鋅保護(hù)層的厚度為0.1?50μπι。鋅層太薄在澆注前會(huì)氣化，表面繼而氧化，不能起到保護(hù)作用。過厚會(huì)造成鋅層不能完全溶入到澆注材料中去，導(dǎo)致不能形成冶金結(jié)合。或者形成冶金結(jié)合界面處有鋅聚集，鋅的聚集會(huì)影響雙金屬?gòu)?fù)合材料的性能。
[0013]優(yōu)選地，處理預(yù)置的步驟中，所述表面處理具體指鍍鋅保護(hù)層；
[0014]優(yōu)選地，所述鋅保護(hù)層的實(shí)現(xiàn)方式包括電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍、熱噴涂、氣相沉積等;所述鋅保護(hù)層的厚度為0.1?50μπι。鋅層太薄在澆注前會(huì)氣化，表面繼而氧化，不能起到保護(hù)作用。過厚會(huì)造成鋅層不能完全溶入到澆注材料中去，導(dǎo)致不能形成冶金結(jié)合?；蛘咝纬梢苯鸾Y(jié)合界面處有鋅聚集，鋅的聚集會(huì)影響雙金屬?gòu)?fù)合材料的性能。
[0015]優(yōu)選地，鑄造結(jié)合的步驟中，所述鑄造的方法包括砂型鑄造、金屬型鑄造、低壓鑄造、尚壓鑄造、真空鑄造、擠壓鑄造、尚心鑄造等。
[0016]優(yōu)選地，鑄造結(jié)合的步驟中，所述澆注溫度為450?1200°C ;澆注溫度低于450°C充型困難，同時(shí)很難熔化表面鋅層，不能形成冶金結(jié)合;高于1200°C可能會(huì)造成銅條的嚴(yán)重熔化，失去作為高性能預(yù)置材料的意義;進(jìn)一步優(yōu)選地，所述澆注溫度為650?1200°C;特別優(yōu)選地，所述澆注溫度為1150?1200 0C。
[0017]優(yōu)選地，乳制所述坯料制備雙金屬?gòu)?fù)合材料的步驟中，所述乳制的方式為雙層乳制或三層乳制;所述乳制為冷乳、溫乳或熱乳;所述乳制的溫度為-100?澆注材料熔點(diǎn)以下100°c ;所述乳制的壓下率為10?75%，乳制的速度為0.01?10m/s。乳制溫度低于-100°c時(shí)，成型性能很差，在乳制過程中會(huì)出現(xiàn)裂紋等缺陷。溫度高于上限時(shí)有可能達(dá)到澆注材料甚至銅材的熔點(diǎn)，導(dǎo)致材料熔化，不能形成所需雙金屬材料。壓下率低于10%時(shí)，基本沒有變形效果，對(duì)于中間化合物的破損效果很弱，得到的材料界面上會(huì)存在較厚的中間化合物，影響性能?？s徑比高于75%時(shí)，對(duì)于設(shè)備/材料的成型性能要求很高，而且很容易出現(xiàn)裂紋等缺陷?？s徑高于lOm/s，變形速度較快，很容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。而低于0.0lm/s，生產(chǎn)效率較低。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述乳制的溫度為-100?450 0C。
[0018]優(yōu)選地，所述乳制制備雙金屬?gòu)?fù)合材料的步驟還包括對(duì)所得雙金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行乳制后退火處理。
[0019]優(yōu)選的，所述乳制后退火處理的溫度為100?澆注材料熔點(diǎn)以下100°C，退火處理的時(shí)間為5?300min。溫度低于100°C或者時(shí)間少于5min時(shí)，不能起到去除應(yīng)力效果，并且兩種金屬之間作用較弱，很難發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致雙金屬?gòu)?fù)合材料的性能較差。溫度高于上限或者時(shí)間長(zhǎng)于300min時(shí)，兩種金屬之間劇烈反應(yīng)，中