一种双金属复合方法
阅读说明：本技术 一种双金属复合方法 (Bimetal compounding method ) 是由 王致明 姜其智 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双金属复合方法,属于双金属复合铸造技术领域,本发明要解决的技术问题为双金属铸造复合过程中界面结合强度低、凝固时间控制难以及铸造界面缺陷多,技术方案为：该方法具体步骤如下：S1、将待复合固体金属表面进行表面处理；S2、将待复合固体金属安放于模具内,并将待复合固体固定在超声波振动工具头上,对待复合固体金属施加超声波振动；S3、开启超声波振动装置,使超声波振动工具头连同待复合固体金属产生超声波振动；S4、将待复合的另一种金属熔化至液相线以上10-100℃,再浇筑到步骤S2的模具中,熔融的金属溶体在超声波振动的作用下与固定金属复合；S5、金属溶体凝固后,关闭超声波振动装置,冷却到室温,获得双金属复合材料。(The invention discloses a bimetal compounding method, belonging to the technical field of bimetal compounding casting, aiming at solving the technical problems of low interface bonding strength, difficult control of solidification time and more defects of casting interfaces in the bimetal casting compounding process, and the technical scheme is as follows: the method comprises the following specific steps: s1, performing surface treatment on the surface of the solid metal to be compounded; s2, placing the solid metal to be compounded in a mould, fixing the solid to be compounded on an ultrasonic vibration tool head, and applying ultrasonic vibration to the solid metal to be compounded; s3, starting the ultrasonic vibration device to make the ultrasonic vibration tool head and the solid metal to be compounded generate ultrasonic vibration; s4, melting another metal to be compounded to 10-100 ℃ above the liquidus, pouring the molten metal into the die in the step S2, and compounding the molten metal solution with the fixed metal under the action of ultrasonic vibration; and S5, closing the ultrasonic vibration device after the metal solution is solidified, and cooling to room temperature to obtain the bimetal composite material.)
技术领域
本发明涉及双金属复合铸造技术领域，具体地说是一种双金属复合方法。
背景技术
随着现代工业的快速发展，各种零部件对金属材料的综合性能要求越来越高，单一金属材料已经逐渐不能满足复杂零件中不同部分的性能要求，例如：轧辊的内外表面、电机转子不同部位、发动机缸体的缸内外壁对材料均有不同材质的要求。为解决这些需求，双金属材料在工业制造领域中得到广泛应用，双金属复合材料是采用一定的复合工艺将两种物理、化学、力学性能不同金属材料在界面上实现牢固的冶金结合而制备的一种新型复合材料,主要采用的复合工艺有双金属复合铸造、异种金属焊接、铆接等。其中双金属复合铸造的方法有固/液复合、扩散连接、冷轧、挤压、爆炸焊、搅拌摩擦焊等。双金属固/液复合铸造法是一种简单有效的复合方法，具有良好的经济效益、可优化材料表面性质及广泛的可设计性等一系列优点。双金属材料的固/液复合铸造法制备通常是，首先将一种金属熔化，然后浇铸于放有待复合的另一种固体金属的模具内，高温的熔体与待复合的另一种固体金属在高温下相互作用，产生界面处的冶金结合，最后凝固产生双金属材料。固/液复合的界面结合主要有熔合结合和扩散结合两种形式。通过固/液复合所形成的复合界面，易出现裂纹、夹杂、孔隙等缺陷，界面的结合强度深受到熔体温度、预热保温时间、压力、表面预处理情况等工艺参数的影响。在固/液复合过程中，通常存在金属基体表面往往因为高温导致氧化，氧化膜阻碍了双金属复合界面的形成，无法实现界面完全的冶金结合的问题，为此大多双金属复合都要在复合前对待复合固体金属进行表面酸洗、碱洗、电镀、化学镀等去除氧化膜的预处理工序；液体金属凝固速度如果过慢，虽会促进冶金结合，但是会导致晶粒粗大；液体金属凝固速度过快，又会导致金属元素扩散程度低，造成界面结合强度较低，不能满足越来越高性能需求。
综上所述，现有固/液双金属复合铸造技术存在的问题主要有：
(1)、界面结合强度低：浇铸时因为金属基体表面的氧化膜，造成固/液双金属界面无法实现全部的冶金结合；
(2)、凝固时间控制难：为避免液体金属凝固速度过慢或者过快，需要控制金属的凝固时间，但实际过程中凝固速度很难控制，降低了双金属界面结合性能；
(3)、铸造界面缺陷多：铸造过程中易出现气体排出困难的现象，造成裂纹、夹杂、孔隙等缺陷。
发明内容
本发明的技术任务是提供一种双金属复合方法，来解决双金属铸造复合过程中界面结合强度低、凝固时间控制难以及铸造界面缺陷多的问题。
本发明的技术任务是按以下方式实现的，一种双金属复合方法，该方法具体步骤如下：
S1、将待复合固体金属表面进行表面处理；
S2、将待复合固体金属安放于模具内，并将待复合固体固定在超声波振动工具头上，对待复合固体金属施加超声波振动；
S3、开启超声波振动装置，使超声波振动工具头连同待复合固体金属产生超声波振动；
S4、将待复合的另一种金属熔化至液相线以上10-100℃，再浇筑到步骤S2的模具中，熔融的金属溶体在超声波振动的作用下与固定金属复合；
S5、金属溶体凝固后，关闭超声波振动装置，冷却到室温，获得双金属复合材料。
作为优选，所述步骤S1中的表面处理包括采用砂纸打磨金属表面、以盐酸溶液和氢氧化钠容易依次清洗金属表面氧化膜以及采用蒸馏水清洗金属表面并干燥。
作为优选，所述待复合固体金属采用机械固定的方式固定在超声变幅杆上，且待复合固体金属垂直悬空放置于模具中，使待复合固体金属材料的振动方向垂直于双金属的复合面；
其中，振动方向指的是待复合金属材料的振动方向。
更优地，机械固定方式包括螺栓连接、焊接连接及粘合剂连接。
作为优选，待复合固体金属为板材或棒材的规则形状时，以板材或棒材的规则形状的几何中心为起始振动位置。
作为优选，待复合固体金属为板材或棒材的规则形状时，待复合固体金属材料的振动方向垂直于结合面，效果最好；
结合面指的是双金属的复合面。
待复合固体金属为不规则形状时，软件comsol仿真确定待复合固体金属材料不规则结合面与振动方向的角度，确保结合面处的振动强度最大。
作为优选，超声波振动装置的功率为100-10000W，振动频率为20-800KHz。
作为优选，双金属为铝合金或铁合金的合金材料时，根据金属液冷却和凝固时释放的可用于使固体金属与金属液融合的最大热量为：
Q1＝ρ0(V0-VX)(Lm/3+Hl)；
其中，ρ0表示金属液密度，单位为kg/m3；V0表示模具体积，单位为m3；Vx表示固体金属体积，单位为m3；Hl表示过热热量，其值为Cm(Tj-Ti)；Tj表示金属液浇铸温度，单位为℃；Ti表示金属液液相线温度，单位为℃；Cm表示金属液比热，单位为J/kg·℃；Lm表示凝固潜热，单位为J/kg；
固体金属与金属液熔合所需的热量为：
Q2＝Vxρx[(Tg-Tk)Cx+Lx/5]；
其中，ρx表示固体金属密度，单位为kg/m3；Tg表示固体金属固相线温度，单位为℃；Tk表示固体金属初始温度，单位为℃；Cx表示固体金属比热，单位为J/kg·℃；Lx表示凝固潜热，单位为J/kg；
当Q1>Q2时，金属出现熔合，选用越高功率，所产生的声流搅拌和空化作用越强；功率计算公式如下：
P＝KQ1/Q2；
其中，K为常数，K∈(300，6000)；
功率选择时，根据实际所用金属液的流动性、实际生产条件和所需复合效果进行选择。
本发明的双金属复合方法具有以下优点：
(一)本发明超声波辅助双金属复合改良了传统的固/液复合技术，采用超声波振动促进了双金属界面的固/液复合，可在较低温度下实现双金属界面的冶金结合，避免高温复合产生的氧化和晶粒粗大等问题；
(二)在浇注过程中加入了超声波振动辅助，在固体金属和熔体界面处产生超声空化和声流搅拌作用，有助于界面处气体的排除，避免双金属界面处产生气孔；超声振动又能在金属熔体凝固时破碎枝晶，细化双金属界面处晶粒，提高了金属界面的结合强度；
(三)本发明利用超声波辅助双金属复合，能在双金属固/液复合时，提高金属液和固体金属基体的润湿性，促进了双金属固/液界面的冶金结合，提高了界面结合强度；
(四)在固/液双金属复合过程中，超声波能够破碎固体金属表面氧化膜，促进金属熔体与固体金属的熔合，省略了传统工艺中的固体金属表面预镀锌以促界面结合的复杂工艺。
故本发明具有设计合理、结构简单、易于加工、体积小、使用方便、一物多用等特点，因而，具有很好的推广使用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
附图1为双金属复合方法的结构示意图；
附图2为附图1中A部分的剖视图；
附图3为本发明实施例2制备的6061/AC4B铝合金双金属复合材料的界面金相组织图；
附图4为本发明实施例3制备的7075/A365铝合金双金属复合材料的界面金相组织图；
附图5为对比实施例制备的6061/AC4B铝合金双金属复合材料的界面金相组织图。
图中：1、超声波变幅杆，2、固体金属板材，3、金属熔体，4、铸型，5、超声波振动装置，6、螺母，7、螺栓。
具体实施方式
参照说明书附图和具体实施例对本发明的一种双金属复合方法作以下详细地说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述。而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如附图1和2所示，本发明的双金属复合方法，该方法具体步骤如下：
S1、将待复合固体金属表面进行表面处理；
S2、将待复合固体金属安放于模具内，并将待复合固体固定在超声波振动工具头上，对待复合固体金属施加超声波振动；
S3、开启超声波振动装置，使超声波振动工具头连同待复合固体金属产生超声波振动；
S4、将待复合的另一种金属熔化至液相线以上10-100℃，再浇筑到步骤S2的模具中，熔融的金属溶体在超声波振动的作用下与固定金属复合；
S5、金属溶体凝固后，关闭超声波振动装置，冷却到室温，获得双金属复合材料。
本实施例步骤S1中的表面处理包括采用砂纸打磨金属表面、以盐酸溶液和氢氧化钠容易依次清洗金属表面氧化膜以及采用蒸馏水清洗金属表面并干燥。
本实施例中的待复合固体金属采用机械固定的方式固定在超声变幅杆上，且待复合固体金属垂直悬空放置于模具中，使待复合固体金属材料的振动方向垂直于双金属的复合面；
其中，振动方向指的是待复合金属材料的振动方向。
更优地，机械固定方式包括螺栓连接、焊接连接及粘合剂连接。
本实施例中的待复合固体金属为板材或棒材的规则形状时，以板材或棒材的规则形状的几何中心为起始振动位置。
本实施例中的待复合固体金属为板材或棒材的规则形状时，待复合固体金属材料的振动方向垂直于结合面，效果最好；
结合面指的是双金属的复合面。
待复合固体金属为不规则形状时，软件comsol仿真确定待复合固体金属材料不规则结合面与振动方向的角度，确保结合面处的振动强度最大。
本实施例中的超声波振动装置的功率为100-10000W，振动频率为20-800KHz。
本实施例中的双金属为铝合金或铁合金的合金材料时，根据金属液冷却和凝固时释放的可用于使固体金属与金属液融合的最大热量为：
Q1＝ρ0(V0-VX)(Lm/3+Hl)；
其中，ρ0表示金属液密度，单位为kg/m3；V0表示模具体积，单位为m3；Vx表示固体金属体积，单位为m3；Hl表示过热热量，其值为Cm(Tj-Ti)；Tj表示金属液浇铸温度，单位为℃；Ti表示金属液液相线温度，单位为℃；Cm表示金属液比热，单位为J/kg·℃；Lm表示凝固潜热，单位为J/kg；
固体金属与金属液熔合所需的热量为：
Q2＝Vxρx[(Tg-Tk)Cx+Lx/5]；
其中，ρx表示固体金属密度，单位为kg/m3；Tg表示固体金属固相线温度，单位为℃；Tk表示固体金属初始温度，单位为℃；Cx表示固体金属比热，单位为J/kg·℃；Lx表示凝固潜热，单位为J/kg；
当Q1>Q2时，金属出现熔合，选用越高功率，所产生的声流搅拌和空化作用越强；功率计算公式如下：
P＝KQ1/Q2；
其中，K为常数，K∈(300，6000)；
功率选择时，根据实际所用金属液的流动性、实际生产条件和所需复合效果进行选择。
实施例2：
本实施例采用6061铝合金作为固体金属基体材质，尺寸为60×50×2mm，具体如下：
(1)、将铝合金基体板材2打孔，在400#砂纸上进行打磨；
(2)、以10％盐酸溶液和10％氢氧化钠溶液依次清洗铝合金基体板材2表面氧化膜，再采用蒸馏水清洗并干燥备用；
(3)、将铸型4加热至200℃保温30分钟；
(4)、将清洗好的铝合金基体板材2采用螺母6和螺栓7紧固的方式固定在超声变幅杆1上，垂直悬空放置于铸型4中，振动方向选择垂直于结合面振动；
(5)、将超声波功率设置为960W，振动频率24KHz，开启超声波振动装置5，对铝合金基体板材2施加超声波振动，再将710℃的液态AC4B铝合金3浇铸上述铸型4中，液态AC4B铝合金3与铝合金基体板材2在超声波振动作用下复合，当热电偶测量温度降低至500℃时，关闭超声振动装置，冷却到室温。
对本实施例制得的6061/AC4B铝合金双金属复合材料进行检测表征：
如附图3所示，本实施例制备的6061/AC4B铝合金双金属复合材料的界面金相组织图，从附图3中可以清晰看出，复合材料界面处无缺陷，结合良好；强度与传统工艺相比，本实施例制备的6061/AC4B铝合金双金属复合材料的界面抗拉强度提高了140％。
实施例3:
本实施例采用7075铝合金作为固体金属基体材质，尺寸为60×50×2mm，具体如下：
(1)、将7075铝合金基体板材2打孔，在400#砂纸上进行打磨；
(2)、以10％盐酸溶液和10％氢氧化钠溶液依次清洗铝合金基体板材2表面氧化膜，再采用蒸馏水清洗并干燥备用；
(3)、将铸型4加热至200℃保温30分钟；
(4)、将清洗好的铝合金基体板材2采用螺母6和螺栓7紧固的方式固定在超声变幅杆1上，垂直悬空放置于铸型4中，振动方向选择垂直于结合面振动；
(6)、将超声波功率设置为3000W，振动频率20KHz，开启超声波振动装置5，对7075铝合金基体板材2施加超声波振动，然后将730℃的液态A356铝合金3浇铸上述铸型4中，液态A356铝合金3与7075铝合金基体板材2在超声波振动作用下复合，当热电偶测量温度降低至500℃时，关闭超声振动装置，冷却到室温。
对本实施例制得的7075/A356铝合金双金属复合材料进行检测表征：
如附图4所示，本实施例制备的7075/A356铝合金双金属复合材料的界面金相组织图，从附图4中可以清晰看出，复合材料界面处无缺陷，结合良好。强度与传统工艺比较，本实施例界面抗拉强度提高了180％。
对比实施例：
本实施例采用6061铝合金作为固体金属基体材质，尺寸为60×50×2mm，具体如下：
①、将铝合金基体板材2打孔，在400#砂纸上进行打磨；
②、以10％盐酸溶液和10％氢氧化钠溶液依次清洗铝合金基体板材2表面氧化膜，再采用蒸馏水清洗并干燥备用；
③、将铸型4加热至200℃保温30分钟；
④、将清洗好的铝合金基体板材2采用螺母6和螺栓7紧固的方式固定在超声变幅杆1上，垂直悬空放置于铸型4中，振动方向选择垂直于结合面振动；
⑤、将710℃的液态AC4B铝合金3浇铸上述铸型4中，直接凝固获得6061/AC4B铝合金双金属复合材料。
对本实施例制得的6061/AC4B铝合金双金属复合材料进行检测表征：
如附图5所示，本实施例制备的6061/AC4B铝合金双金属复合材料的金相界面图。从附图5中可以清晰看出，复合材料界面处缺陷明显，结合效果差，经测量，缝隙宽度约为8μm。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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