CN104475701A - 一种钢包铜复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢包铜复合材料的制备方法，步骤包括：步骤1、选择钢或不锈钢材料、铜或铜合金材料；步骤2、将选择好的两种材料表面清洗干净分别烘干贴紧成为复合坯件，将该复合坯件装入石墨舟中放好，并在外层材料与石墨舟内壁之间充填刚玉砂，填埋捣实，在内层材料上面另外放置同型号的额外材料；步骤3、将装好复合坯件的石墨舟放入通高纯氩气保护的热处理炉中加热，使熔融的铜基合金液流与钢材充分接触，使铜和铁之间发生物化反应，形成固溶体或合金化合物，然后随炉冷却取出，即得到钢包铜复合材料的坯料；步骤4、热处理；步骤5、裁割加工，即成。本发明的方法，步骤简单，复合材料性能满足要求。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种钢包铜复合材料的制备方法。
背景技术
随着科技和高技术产业的飞速发展，对材料的性能提出了更高的要求。复合材料因其拥有单一材料无法达到的特殊性能及优良综合性能越来越受到青睐。铜具有优良的导电导热性能，但比较柔软，而钢材的导热性和导电性均比较差，但具有良好的强度，利用铜和钢制作的芯状复合材料在电子、机械、军工等工业领域具有广泛的市场需求。
钢包铜复合材料是以合金钢为外层铜基合金为内芯，它兼有铜的优异导电性、抗腐蚀性能和钢的高强度，在电缆、继电器、热管换热器等行业中可替代纯铜或碳钢。这样不仅可以减少铜资源的过渡消耗有利于降低成本，而且美观实用能满足工业应用的要求。
目前，金属复合材料的生产工艺大都采用固相结合法，即通过塑性变形使两种金属的结合面接近到原子间距离，形成大量的结合点，经过扩散热处理，最终形成牢固的结合界面。在固相结合法工艺中，一般需要坯料的预制成形、表面处理、预热等工序，而且所需设备也比较复杂。例如爆炸焊接，该工艺可以完成多种异质金属的复合，但是爆破场所选择困难、噪音大，爆炸复合的板型控制困难，不适于连续化生产，效率低并且还有环境污染问题，此外，还有浸涂法生产的产品界面结合强度高，产品长度不限，但工艺复杂，设备庞大，技术难度较大，生产效率较低。
为此，寻找一种性价比高、工艺相对简单的技术手段，来制备钢铜复合材料就很有必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢包铜复合材料的制备方法，解决了现有技术所制备的该类材料，存在性能稳定性差、制作成本高的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种钢包铜复合材料的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、根据所制复合材料的技术要求和规格，选择钢或不锈钢材料、铜或铜合金材料；
步骤2、将两种材料表面用砂纸或化学法清洗干净，再用无水乙醇清洗后用温度小于80℃的烘干机分别烘干，将两种材料贴紧成为一体的复合坯件，将该复合坯件装入石墨舟中放好，并在外层材料与石墨舟内壁之间充填刚玉砂，填埋捣实，在内层材料上面另外放置同型号的额外材料，相当于步骤1用料的10％-20％；
步骤3、将装好复合坯件的石墨舟放入通高纯氩气保护的热处理炉中加热，升温到1150℃～1200℃，使熔融的铜基合金液流与钢材充分接触，保温70～90min，氩气流量控制在10～15L/h，使铜和铁之间发生物化反应，形成固溶体或合金化合物，然后随炉冷却取出，得到钢包铜复合材料的坯料；
步骤4、将钢包铜复合材料的坯料于氮气气氛下加热到500℃～800℃温度，氮气流量控制在5～8L/h，保温1～3小时；
步骤5、裁割加工，将步骤4得到的钢包铜复合材料的坯料通过化学抛光并按所要求的具体尺寸机械加工，即成。
本发明的有益效果是，与现有的钢包铜复合材料的制备方法相比，本发明采用氩气气氛保护下的液固扩散反应来制备钢包铜的复合材料，可以形成一个界面结合强度高、结构稳定的过渡复合面；两相界面接触良好，具有明显冶金结合状态，这样不仅能够延长工件的使用寿命，增加作为结构件的安全可靠性，而且整个制备工艺过程简单，操作方便，成本低廉，配合相应的轧制、拉丝设备，可以生产铜钢复合圆、方、扁、管、线等材料。通过采用液固相铜钢金属直接复合，既可以减少生产工序，缩短生产工艺流程，又可以获得无氧化复合界面，避免因坯料表面氧化膜的存在而影响复合材料的界面稳定性，为钢包铜复合材料制备技术的研究与开发提供了新的思路，可望成为复合材料制备技术研究开发的重要方向。
附图说明
图1是本发明方法实施例中使用的实心棒状结构示意图；
图2是本发明方法实施例中使用的圆筒或异型筒状结构示意图；
图3是本发明方法实施例中使用的层板状结构示意图；
图4是本发明方法实施例中使用的装配结构示意图；
图5是本发明对45钢-T2铜材料复合后的显微示意图；
图6是本发明对304不锈钢-T2铜材料复合后的显微示意图；
图7是本发明对304不锈钢-QAl9铝青铜材料复合后的显微示意图；
图8是本发明对45钢-QAl9铝青铜材料复合后的显微示意图。
图中，1.石墨舟，2.刚玉沙，3.外层材料，4.内层材料，5.内芯。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1、图2、图3，本发明方法的钢包铜复合材料为层板结构，包括三种结构，图1为实心棒状结构，内芯5为铜或铜合金(如铝青铜、黄铜等)，外层材料3为钢或不锈钢；图2为圆筒或异型筒状，内芯5为石墨芯棒，内层材料4为铜或铜合金，外层材料3为钢(如45钢)或不锈钢；图3为层板状结构，上层材料(相当于内层材料4)为铜或铜合金，下层材料(相当于外层材料3)为钢或不锈钢，两者层叠放置。上述的三种结构各材料层的厚度根据需要任意调整。
本发明的钢包铜复合材料的制备方法，采用氩气气氛保护下的液固扩散反应来制备钢包铜基的复合材料，按照以下步骤具体实施：
步骤1、根据所制复合材料的技术要求和规格，选择不同成分、不同尺寸的钢或不锈钢材料、铜或铜合金材料，必要时对所选材料机械加工成所需尺寸(比如筒状)；
步骤2、在石墨舟1中进行装配，根据产品规格将步骤1中选择好的两种材料表面用砂纸或化学法(质量浓度65％～70％的磷酸浸泡5～10分钟)清洗干净，再用无水乙醇清洗后用温度小于80℃的烘干机分别烘干，将外层材料3、内层材料4、或者还包括内芯5的石墨芯棒贴紧成为一体的复合坯件，将该复合坯件装入石墨舟1中放好，并按照如图4所示的装配结构，并在外层材料3与石墨舟1内壁之间充填刚玉砂2，填埋捣实，在内层材料4上面另外放置同型号的额外材料(相当于步骤1用料的10％-20％)；
图4中的石墨芯棒是当产品为管型时使用的，当产品为棒材或板材时则直接采用图1所示的内外层结构或图3所示的上下层结构，但都要把它们埋设在刚玉砂2中，并捣实；
步骤3、液固反应与扩散，将步骤2装好复合坯件的石墨舟1放入通高纯氩气保护的热处理炉中加热，升温到1150℃～1200℃，使熔融的铜基合金液流与钢材充分接触，保温70～90min，氩气流量控制在10～15L/h，在此温度下钢铜界面合金原子会发生一定的扩散和互溶，因接触时间相对较长，有充分条件使铜和铁之间发生物化反应，形成固溶体或合金化合物，然后随炉冷却取出，即得到钢包铜复合材料的坯料。
步骤4、热处理，将钢包铜复合材料的坯料于氮气气氛下加热到500℃～800℃温度，氮气流量控制在5～8L/h，保温1～3小时，以消除铜钢铸件两者之间的组织应力和界面张力。
步骤5、裁割加工，将步骤4得到的钢包铜复合材料的坯料通过化学抛光并按所要求的具体尺寸机械加工，即成。
本发明方法采用石墨舟1和砂型模使钢铜金属在一定条件下发生液固反应，界面实现冶金结合。砂型铸造是一种简单又可靠的成型方法，具有成型速度快、可任意控制产品的形状甚至在需要的时候可以随时停顿的优点，铸件产品的生产周期短、成本低。
实施例1
制备不锈钢(0Cr13Ni4)与铝青铜(QAl9)的内外双层合金。
步骤1、先车铣好外径105mm，高115mm，内径20mm，深110mm，底厚5mm的不锈钢(0Cr13Ni4)开口带底套筒，截取直径19.8毫米，长度120毫米的铝青铜(QAl9)棒材。
步骤2、在石墨舟1中进行装配，将步骤1中的不锈钢套筒和铝青铜用70％的磷酸溶液浸泡6分钟，待表面杂质清除干净后依次用280号、320号、400号纱布将两个材料的接触面打磨光滑，再用无水乙醇清洗后用温度小于80℃的烘干机烘干，把铝青铜棒放在不锈钢(0Cr13Ni4)带底套筒中一起装在石墨舟1里，周围用刚玉砂2填埋捣实，在铝青铜棒上面另外放置额外的铝青铜块(比理论用料多10％)。
步骤3、液固反应与扩散，将步骤2装好的石墨舟1放到高纯氩气保护气氛热处理炉中加热，流量控制在13L/h，升温到1170℃，使熔融的铝青铜(QAl9)融液流入模具(图4中箭头所指方向)并与外层的不锈钢(0Cr13Ni4)充分接触，保温70min。然后随炉冷却后取出，即得到外径105mm，高115mm，内径20mm，深110mm，底厚5mm的钢包铜复合材料的坯料，其形状如图1所示。
步骤4、热处理，将钢包铜复合材料的坯料于氮气气氛下加热到800℃温度下保温1小时，氮气流量控制在5L/h，以消除铜钢材料之间的组织应力和界面张力。
步骤5、裁割加工，将上述步骤4获得的钢包铜复合材料的坯料通过市售的化学抛光剂化学抛光。再经清水清洗干净，并用温度小于80℃的烘干机烘干后按所要求的尺寸裁割即得所要求的材料。
实施例2
制备套管，外层材料3用45钢，内层材料4用厚度小于3mm的H59黄铜。
步骤1、根据所指材料的规格准备事先车铣好的外径106mm，高155mm，内径86mm的45钢套管；截取内径78mm，厚度4mm，长度160mm的H59黄铜。
步骤2、在石墨舟1中进行装配。将步骤1中的45钢套管和H59黄铜用65％的磷酸溶液浸泡10分钟，待表面杂质清除干净后用280号、320号、400号纱布将两个材料的接触面依次打磨光滑，再用无水乙醇清洗后用温度小于80℃的烘干机烘干。装在石墨舟1里，同时在H59黄铜内腔中伸进石墨芯棒，并用刚玉砂2填埋捣实，在H59黄铜上面另外放置额外的H59黄铜块(比理论用料多15％)。
步骤3、液固反应与扩散，将步骤2装好的石墨舟1放到高纯氩气保护气氛热处理炉中加热，流量控制在15L/h，升温到1200℃，使熔融的铜液(H59)流入模具(图4中箭头所指方向)并与外层的45钢充分接触，保温90min，然后随炉冷却后取出，即得到外径106mm，高155mm，内径86mm的钢包铜复合材料的坯料，其形状如图2所示。
步骤4、热处理，将钢包铜复合材料的坯料于氮气气氛下加热到500℃温度下保温3小时，氮气流量控制在6L/h，以消除铜钢铸件两者之间的组织应力和界面张力。
步骤5、机械加工，将上述步骤4获得的钢包铜复合材料的坯料通过市售的化学抛光剂化学抛光，再经清水清洗干净，并用温度小于80℃的烘干机烘干后按所要求的尺寸裁割即得所要求的材料。
实施例3
制备块体双层金属材料，一层为H59黄铜，另一层为40Cr调质钢，两者材料的厚度均等。
步骤1、根据所指材料的规格准备好的尺寸为103mm×53mm×12mm的40Cr调质钢块体，截取同样规格的H59黄铜块体材料。
步骤2、在石墨舟1中进行装配，将步骤1中的40Cr调质钢块体和H59黄铜用68％的磷酸溶液浸泡8分钟，待表面杂质清除干净后用280号、320号、400号纱布将两个材料的接触面依次打磨光滑，再用无水乙醇清洗后用温度小于80℃的烘干机烘干。两者贴紧，钢块在下，铜块在上装在石墨舟1里，上面再另外放置质量为所加H59黄铜质量20％的铜块，并用刚玉砂2填埋捣实，在H59黄铜上面另外放置额外的H59黄铜块(比理论用料多20％)。
步骤3、液固反应与扩散，将步骤2装好的石墨舟1放到高纯氩气保护气氛热处理炉中加热，流量控制在11L/h，升温到1150℃，使熔融的铜液(H59)液流入模具(图4中箭头所指方向)并与另一边的40Cr调质钢充分接触，保温80min，然后随炉冷却后取出，即得尺寸为206mm×106mm×22mm的块体双金属材料的坯料，其形状如图3所示。
步骤4、热处理，将钢包铜复合材料的坯料于氮气气氛下加热到700℃温度下保温2小时，氮气流量控制在8L/h，以消除铜钢铸件两者之间的组织应力和界面张力。
步骤5、机械加工，将上述步骤3获得的钢包铜复合材料的坯料通过市售的化学抛光剂化学抛光。再经清水清洗干净，并用温度小于80℃的烘干机烘干后按所要求的尺寸裁割即得所要求的材料。
表1，试验中所制钢铜复合材料的性能数据对比
| 材料 | 拉伸强度/MPa | 剪切强度/MPa |
| 45钢-T2铜 | 280 | 200 |
| 304不锈钢-T2铜 | 263 | 210 |
| 45钢-QAl9铝青铜 | 548 | 360 |
| 304不锈钢-QAl9铝青铜 | 360 | 255 |
另外，四种试验状态下，所制钢包铜复合材料的组织与性能如表1所示，参照图5、图6、图7、图8，是表1试验所制钢包铜复合材料的显微组织，可见它们的结合界面呈犬牙交错的冶金结合，有一定宽度的过渡区，强度介于钢与铜之间，满足工况要求。
本发明的方法能够制备各种内芯为富铜相(铜合金)，外层为富铁相(不锈钢)的钢包铜复合材料，产品的性能稳定、质量高、成本低，整个制备过程操作简单，成品率高。采用高温和高纯氩气保护气氛热处理制备的钢包铜的复合材料，界面结合强度高、具有结构稳定的过渡区。其两相结合紧密，电阻率近于纯铜，抗腐蚀性能好，其抗拉强度超过铜的而接近钢的强度。能够延长工件使用寿命。
Claims (5)
1.一种钢包铜复合材料的制备方法，其特点在于，按照以下步骤实施：
步骤1、根据所制复合材料的技术要求和规格，选择钢或不锈钢材料、铜或铜合金材料；
步骤2、将两种材料表面清洗干净，再用无水乙醇清洗后分别烘干，将两种材料贴紧成为一体的复合坯件，将该复合坯件装入石墨舟中放好，并在外层材料与石墨舟内壁之间充填刚玉砂，填埋捣实，在内层材料上面另外放置同型号的额外材料；
步骤3、将装好复合坯件的石墨舟放入通高纯氩气保护的热处理炉中加热，升温到1150℃～1200℃，使熔融的铜基合金液流与钢材充分接触，保温70～90min，氩气流量控制在10～15L/h，使铜和铁之间发生物化反应，形成固溶体或合金化合物，然后随炉冷却取出，得到钢包铜复合材料的坯料；
步骤4、将钢包铜复合材料的坯料于氮气气氛下加热；
步骤5、裁割加工，即成。
2.根据权利要求1所述的钢包铜复合材料的制备方法，其特点在于：所述的步骤2中，清洗采用砂纸或化学法，化学法是指采用质量浓度65％～70％的磷酸浸泡5～10分钟。
3.根据权利要求1所述的钢包铜复合材料的制备方法，其特点在于：所述的步骤2中，当产品为棒材或板材时直接采用内外层结构或上下层结构，当产品为管型时使用石墨芯棒充填内腔。
4.根据权利要求1所述的钢包铜复合材料的制备方法，其特点在于：所述的步骤2中，所述的额外材料，相当于步骤1用料的10％-20％。
5.根据权利要求1所述的钢包铜复合材料的制备方法，其特点在于：所述的步骤4中，所述的氮气气氛下加热到500℃～800℃温度，氮气流量控制在5～8L/h，保温1～3小时。
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