專利名稱：一種制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置和方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料加工技術領域，特別是涉及一種制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置和方法。
背景技術：
隨著近代新技術的發展，人們對材料本身及其加工成形方法不斷提出更高的要求，推動著材料向高比強度、高比剛度、高比韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等多方面發展。復合材料是由兩種或兩種以上材料通過一定的工藝加工而成的新型材料。由于在設計上綜合了各組元的優點，并盡力彌補了各自的不足，具有單一金屬或合金無法比擬的優良性能，成為發展高科技產業不可忽視的關鍵技術之一，因此，人們都非常重視復合材料加工技術的 研究與開發。異種金屬復合材料是將兩種或兩種以上的金屬材料利用其各自的性能優勢進行分層組合而形成的一類金屬材料。金屬復合材料的成形技術研究比較多，根據實現復合的兩種金屬的狀態，從總體上可以分為三大類固一固相復合法(也稱固相復合法)、固一液相復合法和液一液相復合法。每種工藝都有其不同的特點和應用范圍。因此，各種成形技術難以完全相互替代，一定時期內仍然是百花齊放、各種制備工藝并存的局面。目前每種工藝都存在其自身的不足(I)固相復合法對原材料有較高的要求，而且工序比較多，需要對原材料進行表面清理等工序，生產周期也很長，實現連續化生產比較困難，因此其生產效率比較低。(2)液一液相復合法的關鍵是復合澆注工藝。它要求必須掌握好兩種金屬的澆注溫度，選擇恰當的時間間隔，如果控制不好將出現兩種金屬互相混雜或復合不良現象。所以，該工藝過程復雜且難以控制。此外，該工藝在實際應用中也有很大的局限性。(3)固一液相復合法是將覆層金屬液澆注到已預制好的基體金屬上或將表面已處理好的基體金屬浸入覆層金屬液中而形成復合材料的工藝方法。相對于固相復合法來講，減少了覆層金屬的預制，工序簡單，生產效率比較高，減少了流程，節約了資源，降低了成本；相對于液一液相復合法，它的工藝過程相對簡單，易于控制，是生產中常用的方法。固一液相復合法中的鑄軋復合法由于具有能實現較高強度的復合，可以連續生產、流程短，效率高、成本低等優點，被認為是最有潛力的復合成形方法。但是固一液復合存在如下問題(1)復合成形速率低，由于液體金屬凝固時間長，成形速率低。(2)成形界面明顯，界面結合性能與基體差別大。
發明內容
為解決以上問題，本提供了一種制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置和方法，本裝置和方法采用半固態金屬替代液體金屬為原料，進行固態/半固態復合。本發明采用以下技術方案
一種制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置，包括進料靴、上工作輥和下工作輥，所述進料靴、上工作輥和下工作輥設在機架上；所述上工作輥包括冷卻水孔、冷卻水通道、空心軸、軸外進水通道、軸內出水通道和上工作輥凹槽，冷卻水孔通過冷卻水通道與空心軸連通；所述下工作輥上設有與上工作輥凹槽相配合的下工作輥凸臺；進料靴上設有進料靴上弧形面和帶有進料靴下弧形面環形凹槽的進料靴下弧形面，分別與上工作輥凹槽和下工作輥凸臺形成液態金屬和固態母板材的進料型腔。作為優選，所述進料靴上還設有進料靴冷卻水孔。作為優選，所述上工作輥凹槽和下工作輥凸臺均為環形。作為優選，所述進料靴上弧形面與上工作輥的包角為30-90°，進料靴下弧形面與下工作輥的包角范圍為30-90°。作為優選，上工作輥凹槽的寬度為100-2000mm，凹槽深度為5_40mm ;下工作輥凸臺的寬度為100-2000mm,凸臺高度為5_40mm。
一種制備固態/半固態鋁/銅復合板帶材的方法，包括如下步驟
第一步將鋁合金在熔煉爐里加熱，熔化精煉后控制熔體溫度在680-710°C ；
第二步對尺寸寬度為100-2000mm、厚度為2_15mm的銅板母材進行處理首先將銅板
進行脫脂處理，然后用清水沖洗，在鋼絲輪上進行除銹和打毛處理，最后再將經上述處理的銅板浸入60-100°C的自制熔劑水溶液中進行預處理3-5min后取出并烘干，在進行復合成形前再預熱至400°C ；
第三步接通電源，啟動成形裝置，使上述處理后并預熱至400°C的銅板進入由下工作輥面和進料靴下弧形面組成的母材進料型腔內，同時將680-710°C的鋁合金熔體澆入到由上工作輥面和進料靴上弧形面組成的液體進料型腔形成了半固態金屬漿料，半固態金屬漿料與固態銅板母材在軋制入口匯合，直接進行固態/半固態軋制復合成形，軋制速度為2-15m/min。作為優選，所述銅板在氫氧化鈉溶液中進行脫脂處理，氫氧化鈉溶液濃度為10%。作為優選，所述自制熔劑水溶液組分及體積為濃硫酸1. 8 2，乙醇2.5 2.8，水5. 2-5. 7ο本發明與發明專利ZL200910187685. 4 一種多用途液態金屬的雙輥連續流變成形裝置的主要區別是(1)工作輥不同本發明的下工作輥是實心輥，不通水冷卻，而發明專利ZL200910187685. 4 一種多用途液態金屬的雙輥連續流變成形裝置下工作輥是通水冷卻的；(2)進料靴不同發明專利ZL200910187685. 4 一種多用途液態金屬的雙輥連續流變成形裝置進料靴上弧形面帶環形凹槽，下弧形面是光滑的，而本發明與之相反，進料靴上弧形面是光滑的，而下弧形面帶環形凹槽；(3)產品不同本發明用來生產雙層金屬復合材料，而發明專利ZL200910187685. 4 一種多用途液態金屬的雙輥連續流變成形裝置不能生產此類材料。本發明的有益效果為
本發明與現有技術相比較，具有以下顯著特點(I)采用半固態金屬為原料進行復合成形，半固態金屬凝固時間短，提高了復合成形效率；
(2)通過固態/半固態復合，改善了界面結合效果，采用本裝置和方法可以生產較高復合強度的板帶材；
(3 )與傳統復合方法和裝置相比，本裝置結構較簡單，便于操作；本方法工藝流程短，工藝條件易于控制，成本低，易于實現工業化生產；
(4)采用固態/半固態復合成形的方法，提高了復合成形的生產效率；
(5)有效細化了產品組織，產品性能高。液態金屬在上工作輥與進料靴之間的型腔內受到界面間的剪切搓動作用，固相晶粒得到充分細化，復合成形產品性能高；
(6)豐富了產品種類，采用一種設備可生產不同類型金屬和不同規格的復合板、帶材產
品O
圖I是本發明裝置用于板帶材半固態復合軋制的原理示意圖。圖2是本發明裝置上工作輥結構剖面圖。·
圖3是本發明裝置下工作輥結構剖面圖。圖4是本發明裝置進料靴結構圖。上述圖中1中間包、2進料靴、3上工作輥、4下工作輥、5進料靴上弧形面、6進料靴下弧形面、7固態母材、8復合板帶材、9冷卻水孔、10冷卻水通道、11空心軸、12軸外進水通道、13軸內出水通道、14上工作輥凹槽、15下工作輥凸臺、16進料靴冷卻水孔、17進料靴下弧形面環形凹槽。
具體實施例方式如圖I、圖2、圖3及圖4所示，本成形裝置主要由進料靴2、上工作輥3和下工作輥4組成，進料靴2、上工作輥3和下工作輥4設在機架上。進料靴2主要是為液態金屬提供預冷卻和與工作輥配合形成進料型腔，進料靴2靠近工作輥一側有多個進料靴冷卻水孔16，可對進料靴及金屬料提供強冷卻，加快金屬的凝固速度。進料靴2有上下兩個弧形面，進料靴上弧形面5為光滑的曲面，進料靴下弧形面6為帶有進料靴下弧形面環形凹槽17的光滑曲面，分別與上工作輥凹槽14和下工作輥凸臺15形成液態金屬和固態母板材的進料型腔，進料靴下弧形面環形凹槽17起到進料、預冷和限定板材形狀和尺寸的作用。進料靴上弧形面5的長度將影響冷卻效果，根據金屬材料本身性質，選擇進料靴上弧形面5與上工作輥3的包角為30-90°，進料靴下弧形面6與下工作輥4包角范圍為30-90°。上工作輥3包括冷卻水孔9、冷卻水通道10、空心軸11、軸外進水通道12、軸內出水通道13和上工作輥凹槽14，上工作輥凹槽14為環形凹槽。上工作輥3是具有空心軸11的水冷工作輥，輥面內側有冷卻水孔9并通過冷卻水通道10與空心軸11連通，可通冷卻水冷卻，而下工作輥4為實心輥，不通冷卻水。上工作輥3上有環形凹槽，下工作輥4上有下工作輥凸臺15，下工作輥凸，15為環形凸臺，上、下工作輥相互配合。兩輥間的輥縫尺寸即為產品厚度，凹槽寬度即為板帶材的寬度。通過調節環形凸臺15伸入環形凹槽的尺寸調節板帶厚度。本實施例中，上工作輥3表面具有環形凹槽，凹槽寬度為100-2000mm，凹槽深度為5-40mm,下工作棍4表面具有環形凸臺，凸臺寬度為100-2000mm,凸臺高度為5_40mm。通過調節機架上的壓下控制裝置可以調節下輥凸臺15與進料靴下弧形面6間的尺寸以及下工作輥凸臺15伸入14上工作輥凹槽14的尺寸，進而改變固態母材厚度和復合板帶材的厚度。如圖I所示，本發明方法的主要原理是將中間包I中的熔體在適當溫度澆注到進料靴2上弧形面5和上工作輥3之間的型腔，同時將表面處理并且預熱后的固態母材7送入進料靴下弧形面6和下工作輥4之間的型腔，然后這兩種狀態的不同材料在上下工作輥的輥縫中復合軋制成形，制備出合金復合板帶材8。由圖1、2、3所示，當進料靴上弧形面5與上工作輥3配合好后，出現了由環形凹槽14形成的液體進料型腔，液態金屬由澆注口澆入進料型腔后，金屬料在進料靴上弧形面5與上工作輥3的冷卻/剪切搓動作用下，金屬組織得到細化。同時將固態母材送入由進料靴下弧形面環形凹槽17和下工作輥凸臺15之間配合形成的型腔，最后兩種材料到達兩工作輥之間進行軋制成形。實施例1 :
采用本發明的裝置制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置制備鋁/銅復合板帶材，方法如下
第一步將鋁合金在熔煉爐里加熱，熔化精煉后控制熔體溫度在710°C ；
第二步對尺寸寬度為100-2000mm、厚度為2_15mm的銅板母材進行處理。首先將銅板在氫氧化鈉溶液中進行脫脂處理，氫氧化鈉溶液濃度為10%,然后用清水沖洗,在鋼絲輪上進行除銹和打毛處理，最后再將經上述處理的銅板浸入100°C的自制熔劑水溶液中進行預處理5min后取出并烘干，在進行復合成形前再預熱至40(TC ;自制熔劑水溶液組分及體積比為濃硫酸乙醇:水為I. 8 :2. 5 5. 7 ；
第三步接通電源，啟動成形裝置，使上述處理后并預熱至400°C的銅板進入由下工作輥面和進料靴下弧形面組成的母材進料型腔內，同時將710°C的鋁合金熔體澆入到由上工作輥面和進料靴上弧形面組成的液體進料型腔，鋁合金熔體在液體進料型腔中受到冷卻作用和工作輥與進料靴界面間的搓動剪切作用，形成了半固態金屬漿料，半固態金屬漿料與固態銅板母材在軋制入口匯合，直接進行固態/半固態軋制復合成形，軋制速度為2-15m/min0實施例2
采用本發明的裝置制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置制備鋁/銅復合板帶材，方法如下
第一步將鋁合金在熔煉爐里加熱，熔化精煉后控制熔體溫度在680°C ；
第二步對尺寸寬度為100-2000mm、厚度為2_15mm的銅板母材進行處理首先將銅板在氫氧化鈉溶液中進行脫脂處理，氫氧化鈉溶液濃度為10%，然后用清水沖洗，在鋼絲輪上進行除銹和打毛處理，最后再將經上述處理的銅板浸入60°C的自制熔劑水溶液中進行預處理3min后取出并烘干，在進行復合成形前再預熱至400°C ；自制熔劑水溶液組分及體積比為:濃硫Ife :乙醇:水為2 2. 8 5. 2 ；
第三步接通電源，啟動成形裝置，使上述處理后并預熱至400°C的銅板進入由下工作輥面和進料靴下弧形面組成的母材進料型腔內，同時將680°C的鋁合金熔體澆入到由上工作輥面和進料靴上弧形面組成的液體進料型腔，鋁合金熔體在液體進料型腔中受到冷卻作用和工作輥與進料靴界面間的搓動剪切作用，形成了半固態金屬漿料，半固態金屬漿料與固態銅板母材在軋制入口匯合，直接進行固態/半固態軋制復合成形，軋制速度為2-15m/min0實施例3 采用本發明的裝置制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置制備鋁/銅復合板帶材，方法如下
第一步將鋁合金在熔煉爐里加熱，熔化精煉后控制熔體溫度在700°C ；
第二步對尺寸寬度為100-2000mm、厚度為2_15mm的銅板母材進行處理。首先將銅板在氫氧化鈉溶液中進行脫脂處理，氫氧化鈉溶液濃度為10%,然后用清水沖洗,在鋼絲輪上進行除銹和打毛處理，最后再將經上述處理的銅板浸入80°C的自制熔劑水溶液中進行預處理4min后取出并烘干，在進行復合成形前再預熱至400°C ;自制熔劑水溶液組分及體積比為濃硫酸乙醇:水為2 :2. 5 5. 5 ；
第三步接通電源，啟動成形裝置，使上述處理后并預熱至400°C的銅板進入由下工作輥面和進料靴下弧形面組成的母材進料型腔內，同時將700°C的鋁合金熔體澆入到由上工作輥面和進料靴上弧形面組成的液體進料型腔，鋁合金熔體在液體進料型腔中受到冷卻作 用和工作輥與進料靴界面間的搓動剪切作用，形成了半固態金屬漿料，半固態金屬漿料與固態銅板母材在軋制入口匯合，直接進行固態/半固態軋制復合成形，軋制速度為2-15m/min0最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本發明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置，其特征在于包括進料靴、上工作輥和下工作輥，所述進料靴、上工作輥和下工作輥設在機架上；所述上工作輥包括冷卻水孔、冷卻水通道、空心軸、軸外進水通道、軸內出水通道和上工作輥凹槽，冷卻水孔通過冷卻水通道與空心軸連通；所述下工作輥上設有與上工作輥凹槽相配合的下工作輥凸臺；進料靴上設有進料靴上弧形面和帶有進料靴下弧形面環形凹槽的進料靴下弧形面，分別與上工作輥凹槽和下工作輥凸臺形成液態金屬和固態母板材的進料型腔。
2.根據權利要求I所述的一種制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置，其特征在于所述進料靴上還設有進料靴冷卻水孔。
3.根據權利要求I或2所述的一種制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置，其特征在于所述上工作輥凹槽和下工作輥凸臺均為環形。
4.根據權利要求3所述的一種制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置，其特征在于所述進料靴上弧形面與上工作輥的包角為30-90°，進料靴下弧形面與下工作輥的包角范圍為30-90°。
5.根據權利要求4所述的一種制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置，其特征在于上工作輥凹槽的寬度為100-2000mm，凹槽深度為5_40mm ;下工作輥凸臺的寬度為100-2000mm,凸臺高度為5_40mm。
6.根據權利要求I所述的一種制備固態/半固態鋁/銅復合板帶材的方法，其特征在于包括如下步驟 第一步將鋁合金在熔煉爐里加熱，熔化精煉后控制熔體溫度在680-710°C ； 第二步對尺寸寬度為100-2000mm、厚度為2_15mm的銅板母材進行處理首先將銅板進行脫脂處理，然后用清水沖洗，在鋼絲輪上進行除銹和打毛處理，最后再將經上述處理的銅板浸入60-100°C的自制熔劑水溶液中進行預處理3 — 5min后取出并烘干，在進行復合成形前再預熱至400°C ； 第三步接通電源，啟動成形裝置，使上述處理后并預熱至400°C的銅板進入由下工作輥面和進料靴下弧形面組成的母材進料型腔內，同時將680-710°C的鋁合金熔體澆入到由上工作輥面和進料靴上弧形面組成的液體進料型腔形成了半固態金屬漿料，半固態金屬漿料與固態銅板母材在軋制入口匯合，直接進行固態/半固態軋制復合成形，軋制速度為2-15m/min。
7.根據權利要求6所述的一種制備固態/半固態鋁/銅復合板帶材的方法，其特征在于所述銅板在氫氧化鈉溶液中進行脫脂處理，氫氧化鈉溶液濃度為10%。
8.根據權利要求6所述的一種制備固態/半固態鋁/銅復合板帶材的方法，其特征在于所述自制熔劑水溶液組分及體積為濃硫酸1. 8^2,乙醇2. 5^2. 8，水5. 2-5. 7。
全文摘要
本發明涉及一種制備金屬復合板帶材的固態/半固態復合成形裝置和方法，包括進料靴、上工作輥和下工作輥，所述進料靴、上工作輥和下工作輥設在機架上；所述上工作輥包括冷卻水孔、冷卻水通道、空心軸、軸外進水通道、軸內出水通道和上工作輥凹槽，冷卻水孔通過冷卻水通道與空心軸連通；所述下工作輥上設有與上工作輥凹槽相配合的下工作輥凸臺；進料靴上設有進料靴上弧形面和帶有進料靴下弧形面環形凹槽的進料靴下弧形面，分別與上工作輥凹槽和下工作輥凸臺形成液態金屬和固態母板材的進料型腔。本裝置結構較簡單，便于操作；本方法工藝流程短，工藝條件易于控制，成本低，易于實現工業化生產。
文檔編號B21B3/00GK102873096SQ201210409350
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月24日 優先權日2012年10月24日
發明者管仁國, 劉春明, 趙紅亮, 李洋, 鈔潤澤, 連超, 王祥 申請人:東北大學