阅读说明：本技术 一种镶嵌复合金属结构板带材、冲压件及其制造方法 (Plate strip with embedded composite metal structure, stamping part and manufacturing method thereof ) 是由 徐卓辉 徐剑玮 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种镶嵌复合金属结构板带材、冲压件及其制造方法,板带材包括基材和嵌材,基材和嵌材为异质金属,嵌材的两外侧面及下端面镶嵌于所述基材中,在嵌材与基材的贴合界面处形成牢固的物理冶金键合,嵌材的横断面上具有下宽上窄的防脱结构；板带材经切割、冲压加工处理,制得冲压件；采用选择性局部包覆工艺将基材包覆在具有防脱结构的待嵌金属条材的下端面和两外侧面位置,制得待嵌金属条材与基材间具有初步结合的镶嵌复合带材；采用致密化工艺在嵌材和带材结合面间形成致密牢固结合的材料组织,制得致密结合的复合金属结构板带材。本发明根本性解决目前镶嵌复合材料基材与嵌材结合面剥离强度不稳定、不可靠的问题。(The invention discloses a plate strip with an embedded composite metal structure, a stamping part and a manufacturing method thereof, wherein the plate strip comprises a base material and an embedded material, the base material and the embedded material are heterogeneous metals, two outer side surfaces and a lower end surface of the embedded material are embedded in the base material, firm physical metallurgical bonding is formed at a joint interface of the embedded material and the base material, and an anti-falling structure with a wide lower part and a narrow upper part is arranged on the cross section of the embedded material; cutting and punching the plate and strip material to obtain a punched part; coating the base material on the lower end surface and two outer side surfaces of the metal strip to be embedded with the anti-drop structure by adopting a selective local coating process to prepare an embedded composite strip with preliminary combination between the metal strip to be embedded and the base material; and forming a compact and firmly-combined material structure between the combining surfaces of the embedded material and the strip material by adopting a densification process to prepare the compact-combined composite metal structure plate strip material. The invention fundamentally solves the problems of unstable and unreliable peeling strength of the joint surface of the base material of the inlaid composite material and the inlaid material at present.)

一种镶嵌复合金属结构板带材、冲压件及其制造方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种镶嵌复合金属结构板带材、冲压件及其制造方法，板带材经冲压等精密成型后所制得的金属零部件可广泛适用于电池、电器、电子、机械等应用领域。

背景技术

目前，在电池、电器、电子、机械等应用领域常采用一些由两种以上的异质金属所组成的镶嵌复合结构的金属零部件，例如方形电池负极盖板、家用电器开关跷板、钮扣电池焊脚、继电器的连接端子、引线框架、微型马达换向器及电刷聚合物等，它们大多选择铜(或铜合金)或铝(或铝合金)为基材，而嵌材则选择较基材更硬的材料(例如铜嵌入铝基材)以满足导电性、焊(连)接性、耐磨性、经济性等方面的综合优化方案要求。然而，对于一些高可靠应用要求(例如汽车行业)，上述镶嵌复合材料所制备的金属零部件往往因其各组元间的结合力(抗剥离强度)常存在不稳定或偏低的现象而使得其难以推广使用。其中造成结合力不稳定现象的最主要原因实际在于目前所采用的镶嵌轧制复合过程的固有工艺缺陷，参见图1：一方面，为了保证镶嵌轧制复合过程的工艺参数稳定，在轧制变形区加入润滑油必不可少；而另一方面，具有较低粘度特性润滑油的加入，使得待嵌材与基材之间在相接触的侧面间容易形成毛细管作用而容易渗入润滑油，此时在轧辊8轧制过程宽展本身就很小的特性下嵌材与基材特别是相接触的侧面间很难形成牢固的结合，因此采用这种制备方法所得到的镶嵌复合材料存在接触电阻不稳定甚至出现嵌材脱落的质量隐患。另外，目前这种镶嵌轧制复合工艺要求嵌入的条材大多为矩形，它可以通过对宽幅板带材进行简单方便的纵剪分条获得。而与嵌材相匹配的基材凹槽槽型是由槽成形过程的可行性以及镶嵌轧制复合本身工艺所决定的：一方面，对于金属带材的连续刨槽或连续铣槽工序而言，矩形(或者是上宽下窄且差异不大的倒梯形)的凹槽才有利于切削所产生的金属屑从槽内顺利排出槽外，否则不断堆积卡在槽内的金属屑将使得成槽过程无法持续进行；另一方面，只有矩形(或上宽下窄的倒梯型)的凹槽槽型才有可能使得嵌材顺利被压入槽内从而与基材充分接触。然而，矩形(或者是上下宽度差异不大的倒梯形)横截面的嵌材与基材所形成的复合接触面非常有限，再加上前述的接触侧面难以稳定结合的问题，这就决定了嵌材与基材的整体结合强度很难提高，因而更无法保障高可靠应用的要求。

由上可见，目前迫切需要开发出新的镶嵌复合结构及其制备方法以满足高可靠应用技术的场合。

发明内容

本发明为了根本性解决目前镶嵌复合材料基材与嵌材结合面剥离强度不稳定、不可靠的问题，提供了一种镶嵌复合金属结构板带材、冲压件及其制造方法。

本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种镶嵌复合金属结构板带材，方案如下：

一种镶嵌复合金属结构板带材，包括基材和嵌材，所述基材和嵌材为异质金属，所述嵌材的两外侧面及下端面镶嵌于所述基材中，在所述嵌材与所述基材的贴合界面处形成牢固的物理冶金键合，所述嵌材的横断面上具有下宽上窄的防脱结构。

所述嵌材的上端面与所述基材的上端面齐平。

沿所述基材的厚度方向上，所述防脱结构为所述嵌材的两外侧面所形成的向上逐渐收窄的结构。

所述防脱结构分布于所述嵌材的整个断面区域或者整个断面的局部区域。

所述嵌材横断面呈对称设置。

所述基材的厚度方向与所述嵌材的厚度方向保持一致。

所述嵌材的横断面为等腰梯形、倒T形、倒置喇叭形、工字形或两侧具有啮齿形结构中的一种。

所述防脱结构中具有的上部最小宽度尺寸与其下部最大宽度尺寸之比为1.1～1.9。

所述基材材质的硬度较所述嵌材材质硬度小。

还提供了一种镶嵌复合金属结构板的冲压件，将上述中的镶嵌复合金属结构板带材经切割、冲压加工处理，制得冲压件。

还提供了一种镶嵌复合金属结构板带材制造方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，制备具有异型断面的待嵌金属条材，使得待嵌金属条材的两外侧面具有下宽上窄的防脱结构；

步骤2，采用选择性局部包覆工艺将基材在一定温度下包覆在待嵌金属条材的下端面和两外侧面位置，制得待嵌金属条材与基材间具有初步结合的镶嵌复合带材；

步骤3，采用致密化工艺使步骤2中所得到的镶嵌复合带材的各组元金属初步结合面间形成致密牢固结合的材料组织，制得致密结合的复合金属结构板带材。

所述步骤1中，采用挤压、轧制和拉拔中的一种工艺或其中任意两种工艺的组合或三种工艺的组合，使成型后的待嵌金属条材的两外侧面处形成的防脱结构具有上部最小宽度尺寸与其下部最大宽度尺寸之比为1.1～1.9。

所述步骤2中的选择性局部包覆工艺为采用切向连续挤压或铸轧复合工艺，所采用的基材在局部包覆过程中具有很好的延展性或流动性，使包覆后的待嵌金属条材的变形量小于10％。

所述步骤3中的致密化工艺为采用轧制工艺和/或扩散热处理工艺，使镶嵌复合带材的各组元金属初步结合面间的材料组织致密化。

本发明技术方案具有如下优点：

A.相较现有技术中的镶嵌结构复合材料的矩形结合断面，本发明所采用的异型待嵌金属条材的复杂断面具有明显的凸凹分支特征，因而在与现有技术的镶嵌结构具有镶嵌表面(外露)宽度和镶嵌总厚度相同的情况下，本发明所制得的镶嵌复合金属结构可使得嵌材与基材的接触面积显著增加，这也正是本发明较现有技术可显著提高结合力或抗剥离强度的根本原因之一；本发明所设计的复杂断面的嵌材的上下表面宽度存在显著的差异，是为了达到在后续镶嵌复合结构中嵌材与基材相接触结合底面宽度明显超过镶嵌表面外露宽度的技术效果，这种效果可在结构设计上极大程度地增加嵌材与基材沿整个镶嵌复合板带材厚度方向的抗破断剥离效果。

B.本发明采用选择性局部包覆工艺制备出具有初步结合的镶嵌复合带材，选择性局部包覆工艺采用挤压或铸轧复合方式，其中基材在局部包覆过程中具有很好的延展性或流动性而被包覆的条材则不变形或变形小于10％，嵌材与基材相接触结合的底面宽度明显超过外露的嵌材宽度；同时结合致密化工艺，选择轧制与扩散热处理工艺进行合理的组合，可使得基材与嵌材结合界面间的材料组织致密化效果倍增；本发明可根本性解决目前铜基或铝基镶嵌复合材料基材与嵌材结合面剥离强度不稳定、不可靠的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为目前工作辊润滑情况下的镶嵌复合金属的复合过程简图；

图2为本发明的具体实施例1的带材及其冲压件剖面示意图；

图3为本发明实施例1的S1步骤得到的待嵌入带材的示意图；

图4为本发明实施例1的S2步骤采用切向连续挤压方式进行选择性包覆的示意图；

图5为本发明实施例2的成品带材经横切后的结构示意图；

图6为本发明所提供的成品带材中倒置喇叭形嵌材的结构示意图；

图7为本发明所提供的成品带材中工字形嵌材的结构示意图；

图8为本发明所提供的成品带材中啮齿形嵌材的结构示意图。

附图标记说明：

1-基材；2-嵌材；3-待嵌铜条材；4-铝杆；5-进口模；6-挤压轮；7-出口模；8-靴座；9-轧辊；a-防脱结构。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明提供了一种镶嵌复合金属结构板带材，包括基材1和嵌材2，基材1和嵌材2为异质金属，嵌材2的两外侧面及下端面镶嵌于基材1中，在嵌材2与基材1的贴合界面处形成牢固的物理冶金键合，嵌材2的横断面上具有下宽上窄的防脱结构a。嵌材2的两侧待结合面上设置这样的防脱结构a，依靠防脱结构a可以使嵌材2更牢固的与基材1相结合，图中嵌材2与基材1相接触结合的底面宽度明显超过外露的嵌材2宽度。

本发明优选地，嵌材2的上端面与基材1的上端面齐平，位于基材1相结合，嵌材2的上端面暴露于空气中，当然还可以使嵌材2的上端面伸出基材1或低于基材1的上端面，这里不再赘述。

本发明中对于防脱结构a进行了限定，比如，嵌材2的横断面中的两外侧面形成向上逐渐收窄的结构，此种结构可以使得嵌材2难以从基材1中脱离出来。当然，嵌材2的横断面还可以呈等腰梯形、倒T形(图5所示)、倒喇叭形(图6所示)、工字形(图7所示)或啮齿(犬齿)形(图8所示)等，还可以采用其它异形断面结构，只要保证嵌材2横断面中的两外侧面包含有下宽上窄的防脱结构a，或者存在局部形成下宽上窄的结构，即可实现本发明目的，对于其它异形结构，这里不再赘述。对于这种防脱结构a的横断面，优选上部最小宽度尺寸与其下部最大宽度尺寸之比为1.1～1.9。当然对于嵌材2一些断面异形结构，也可以将嵌材2的上端面宽度与下端面宽度做成相等尺寸，比如图7所示的类似工字形结构，以及图8所示的啮齿形结构，嵌材2横断面的上端面和下端面的宽度保持一致。

进一步优选地，嵌材2位于基材1宽度方向的中部位置。优选将基材1的厚度方向与嵌材2的厚度方向保持一致。

本发明还提供了制备上述镶嵌结构复合金属的制备方法，它主要包括以下步骤：

S1，制备具有异型断面的待嵌金属条材，使得待嵌金属条材的两外侧面具有下宽上窄的防脱结构a；

S2，采用选择性局部包覆工艺将基材1在一定温度下包覆在待嵌金属条材的下端面和两外侧面位置，制得待嵌金属条材与基材间具有初步结合的镶嵌复合带材；

S3，采用致密化工艺使步骤S2中所得到的镶嵌复合带材的各组元金属初步结合面间形成致密牢固结合的材料组织，制得致密结合的复合金属结构板带材。

在上述制造步骤中，步骤S1采用挤压、轧制、拉拔中的一种工艺或其中任意两种工艺的组合或三种工艺的组合制备出具有复杂断面的异型待嵌金属条材，异型待嵌金属条材的两外侧面可以整体作为防脱结构a，当然，也可以将其局部制成防脱结构a，图3中的异型待嵌金属条材的上下表面宽度存在明显差异。为了获得满足镶嵌复合工序的待嵌金属条材的断面复杂异型的精确尺寸控制要求，合理的工序组合、型材模具设计以及加工道次安排要求设计都是非常必要的。相较现有技术中的镶嵌结构复合材料的矩形结合断面，本发明所采用的异型待嵌金属条材的复杂断面具有明显的凸凹分支特征，因而，在与现有技术的镶嵌结构具有镶嵌表面(外露)宽度和镶嵌总厚度相同的情况下，本发明所制得的镶嵌复合金属结构可使得嵌材2与基材1的接触面积显著增加，这也正是本发明较现有技术可显著提高结合力或抗剥离强度的根本原因之一；另外值得一提的是，本发明所设计的复杂断面的嵌材2的上下表面宽度存在显著的差异，是为了达到在后续镶嵌复合结构中，嵌材2与基材1相接触结合底面宽度明显超过镶嵌表面外露宽度的技术效果，这种效果可在结构设计上极大程度地增加嵌材2与基材1沿整个镶嵌复合板带材厚度方向的抗破断剥离效果。

步骤S2中采用选择性局部包覆工艺制备出具有初步结合的镶嵌复合带材，选择性局部包覆工艺采用挤压或铸轧复合方式，其中基材在一定温度下进行局部包覆过程中具有很好的延展性或流动性，而被包覆的条材则不变形或变形小于10％，嵌材2与基材1相接触结合的底面宽度明显超过外露的嵌材2宽度。

采用挤压局部包覆工艺，需保证基材1具有很好的高温变形性，因而其挤压温度应根据基材1的高温变形特性选择其变形抗力显著降低的变形温度范围，同时应考虑避免挤压过程在嵌材2与基材1间因高温接触反应扩散而形成金属间化合物。

采用铸轧局部包覆工艺，基材1在铸轧变形区以液态方式流动包覆固态的嵌材2，因此，基材1应低于嵌材2的熔点，同时也要防止在此温度下嵌材2与基材1间形成有害的金属间化合物。嵌材2在选择性局部包覆过程中保持不变形或变形小于10％，是为了镶嵌(材)在基材1中各尺寸特别是外露表观宽度的准确控制。

步骤S3中采用致密化工艺可使得步骤S2所得到的镶嵌复合材料的各组元金属初结合面间形成致密牢固结合的材料组织，此时嵌材2与基材1各接触面达到物理冶金结合程度，因而结合力或抗剥离强度较致密化前显著提高。本发明中所采用的致密化工艺为轧制、扩散热处理中的至少一种。一般而言，步骤S2属于热变形过程，因而所得到的板带材整体尺寸精度有待改善。步骤S3实质上是在致密化的同时可获得满足成品尺寸(包括镶嵌定位)的镶嵌复合金属板带材。选择轧制与扩散热处理至少一种工艺来进行致密化的原理在于：相互接触而初步结合的组元金属通过轧制塑性变形过程使得新生的异质金属间相接触面积迅速增长，扩散热处理除了因两相接触的异质金属界面通过原子互扩散增加结合强度外，还可使得原有可能存在的异质金属间初步结合界面中的孔隙或微裂纹通过烧结扩散得到愈合，而轧制与扩散热处理进行合理的组合可使得结合界面间的材料组织致密化效果倍增。

在上述步骤基础上经过后续加工和冲压，可得到冲压件，即该冲压件的基材1中设置有复杂异型断面的异质金属嵌材2，该异质金属嵌材2除外露的镶嵌表面外，其它面均与基材1形成牢固的物理冶金键合，其中嵌材2与基材1相接触结合的底面宽度明显超过外露的嵌材宽度。

本发明中为了方便制作，选用的嵌材2材质硬度要大于基材1材质的硬度，即基材1与嵌材2之间一般是软材和硬材的配合关系，即嵌材2为硬，基材1为软，且保证基材1一定温度下(注：一般在该材料的热加工温度范围)下具有很好的延展性或流动性(注：超过熔点时)，以便紧密包覆嵌材2。因此，除了嵌材2是铜，基材为1铝这种组合外，其它的类似组合还有很多，只需满足嵌材2硬和基材1软配对即可。比如：基材1如果是铜，而嵌材2比铜硬的材料包括不锈钢、镍等。通过连续挤压法所选用的金属有铜、铝、银、铅、锡、镁等较软的材料适合作为基材1，相应的嵌材2只需找比该基材1相应较硬的材料。

实施例1

参照图2的冲压件剖面示意图，用于动力方形电池负极盖板，它是由复合金属结构板带材基础上冲压而成，该带材为铝(牌号A1060)基镶嵌纯铜(C1100)，复合金属结构板带材的总宽为50mm,总厚3.0mm，铝基材1位铝，达到H18状态，而嵌材2为纯铜，为Y2(半硬态)。其中，对中对称镶嵌的纯铜嵌材2其断面呈近似等腰梯形，外露的纯铜嵌材2宽为10mm，而与相应铝基材1相结合的纯铜嵌材2(下)底面宽16mm，纯铜嵌材2厚度(即断面梯形高)为1.0mm。该复合带材的制备步骤为：

S1、采用连续挤压和拉拔方式制备出如图2所示的待嵌材。所用设备为LJ250型单轮单槽的连续挤压机(其为现有技术)，原料用Ф11mm的上引纯铜(C1100)杆，连续挤压的模腔温度约为500℃～550℃，挤压速度为5m/min，挤压出口为断面呈等腰梯形(梯形的上端面宽度为10.2mm、下端面宽为16.3mm，厚度为2.7mm)的纯铜条材,该纯铜条材经过出口的水封冷却、矫直后收卷。收卷完毕的纯铜条材马上进入10吨直线拉拔机，通过拉拔模进行精密尺寸的拉拔，得到的用于下道工序包覆用的待嵌铜材，其呈等腰梯形的断面具体尺寸为：上(表面)宽为10.1mm，下(底面)宽为16.1mm,总高(即厚度)为2.5mm。

S2、采用如图4所示的切向式连续挤压机对步骤S1所获得的待嵌铜条材3进行选择性包覆。所用包覆挤压的设备为LJ400型连续挤压机，其中包覆的原料采用Ф9.5mm的纯铝1060杆4。待嵌铜条材3(其断面为上窄下宽)横穿进口模5，铝杆4坯料则在挤压轮6的作用下进入模腔(进口模5、出口模7、靴座8等构成的空间)，金属铝在挤压流动过程中与待嵌铜条材3在模腔内形成选择性包覆复合(待嵌铜条材的上表面定位于与模具的顶面同高)。该模腔变形区最高温度达到450℃，此时铝延展性非常好；而所嵌入的铜条材在此温度和铝包覆变形加压条件下，除了其两腰(侧面)发生了少许塑性变形外(不到5％)，其它尺寸不变。包覆后经出口模流出，形成初步结合的铝基镶嵌(等腰梯形)铜复合带材，其总宽为51mm,厚度为6.5mm.

S3、将步骤S2得到的铝基镶嵌铜复合带材进行轧制和成品前退火所组合而成的致密化工艺，即从厚度6.5mm的带材经过4个道次冷压延至4.0mm，然后进行退火热处理(设置均温区温度500℃、退火走速为2m/分的工艺)，热处理后经反复弯曲检验，判定嵌入的铜材与基材铝之间各相邻接触面均已达到致密一体化程度。

随后，该复合材料通过2道次轧至成品3.0mm厚度，此时带材的硬度状态完全符合用户的要求。接着，带材去油清洗后进行精密纵剪分条，以满足用户冲压对带材总体宽度及铜定位宽度的精度要求。最后进行冲压得到用户所需的冲压件零件。

对制得的复合成品带材随机取样100件经过剥离强度测试，其铜铝间的平均结合力已超过800N/mm,而且撕裂均发生在铝基材部位，而离铜铝结合面处尚有10～12mm距离。结果表明，通过本发明所制得的镶嵌结构的复合金属带材及其冲压件完全满足汽车应用领域对高可靠动力电池配件的要求。

实施例2

一种用于5G的散热装置片，它是在图5所示的镶嵌复合结构板带材基础上进行冲压而获得的，该镶嵌复合结构板带材要求：基材铝(牌号A1060)呈上宽下窄的翼展式T型，而镶嵌在铝基材里的纯铜(C1100)其横截面则呈上窄下宽的倒“T”型(即铜与铝相结合的底面宽度较外露的铜更宽)。整体复合异型板材的翼展(总宽)为60mm(下底铝宽30mm),板材最厚达到5.0mm(该区域宽约为30mm，位于中心轴往两侧对称延伸部分)，而最薄处为铜1mm(该区域总宽约为20mm，分别位于两边沿对称位置)；对中对称镶嵌的纯铜材其断面呈近似倒”T”型，其中外露的铜嵌材宽为15mm，而铜与铝相接触的下底面宽为20mm，铜嵌材最厚处(即断面高)为2.5mm，两边缘翼厚度约为1.2mm。该复合板材中的铝达到H18状态而铜为Y2(半硬态)。

该复合板材的制作步骤S1、S2与实施例1大致相同，仅在具体原材料(铜杆和铝杆)尺寸、挤压与拉拔模具设计方面存在差异和调整。由于最终成品为异型材，本实施例加大步骤了S2的挤压比(达到了5.2，嵌材变形达到了10％)，并提高了挤压温度(模腔变形区最高温度达到520℃)，使得步骤S2所得到的铜铝间的结合强度得到最佳效果，这样也在可极大地减小步骤S3致密化工艺的难度，步骤S3致密化工艺采取进一步少量的单道次轧制(变形率仅10％)即可获得成品板材厚度尺寸及其硬度状态要求，随后进行去应力退火(消除前面工序步骤所形成的残余应力)，最后进行冲压制得，本发明可根本性解决目前铜基或铝基镶嵌复合材料基材与嵌材结合面剥离强度不稳定、不可靠的问题。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。