張 平 ，張?jiān)?，常慶明

（1.武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料工程系，湖北 十堰 442002）

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展?fàn)恳こ滩牧铣鴱?fù)合化、高性能化、功能化、結(jié)構(gòu)功能一體化和智能化方向發(fā)展，各行業(yè)對(duì)材料的性能提出了更高的要求。各種新技術(shù)、新材料的應(yīng)用越來越廣泛，單一的材料或合金已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)材料綜合性能的需求[1]。

目前國(guó)內(nèi)外的模具導(dǎo)向板都是用銅合金制造，由于導(dǎo)向過程中對(duì)導(dǎo)板的沖擊磨損，其導(dǎo)向、定位精度下降，導(dǎo)板失效且難以修復(fù)成為廢銅板，是一個(gè)極大的浪費(fèi)。雙金屬?gòu)?fù)合導(dǎo)板不僅能夠克服兩種金屬各自的缺點(diǎn)，而且能夠充分發(fā)揮兩種金屬各自的優(yōu)點(diǎn)，因此雙金屬?gòu)?fù)合導(dǎo)板不僅可同時(shí)擁有良好的力學(xué)性能和較高的使用壽命，而且適用面廣、成本低廉，所以越來越受到人們的重視。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)兩種金屬?gòu)?fù)合的狀態(tài)，雙金屬?gòu)?fù)合板的成型方法主要有固相成型法、液相成型法、固-液相成型法[2-3]。

1 固-固相復(fù)合法

1.1 爆炸焊接法

爆炸焊接法的基本原理為：利用炸藥爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)大脈沖應(yīng)力驅(qū)動(dòng)復(fù)板高速碰撞基板，碰撞點(diǎn)產(chǎn)生的瞬間高壓不僅破壞了金屬板表面的氧化薄膜，使其露出了新鮮潔凈的表面，而且在露出的新鮮金屬表面形成了一薄層具有塑性變形、熔化、擴(kuò)散以及波形特征的焊接過渡區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)固結(jié)合的一種金屬焊接的新工藝和新技術(shù)[4-5]。

爆炸焊接的作用時(shí)間短、材料的溫度低，不會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)。其優(yōu)點(diǎn)是復(fù)合界面上無明顯的擴(kuò)散過渡層，不會(huì)產(chǎn)生脆性的金屬間化合物，產(chǎn)品組織均勻、性能穩(wěn)定。目前，西北有色金屬研究院、太鋼、四川宜賓等很多生產(chǎn)廠家已采用此法生產(chǎn)出多種雙金屬?gòu)?fù)合板[6-7]。

爆炸焊接可以完成多種異質(zhì)金屬的復(fù)合，但是爆破場(chǎng)所選擇困難、噪音大，爆炸復(fù)合的板型控制困難，不適于連續(xù)化生產(chǎn)，產(chǎn)量低，效率低[8-9]。

1.2 軋制復(fù)合法

軋制復(fù)合法的基本原理為[10]：金屬基板在軋機(jī)強(qiáng)大壓力的作用下，兩層金屬的待復(fù)合表面發(fā)生塑性變形，使表層金屬破裂。潔凈而活化的金屬?gòu)钠屏训慕饘俦砻媛冻?，在?qiáng)大軋制力作用下，形成平面狀的冶金結(jié)合。在后續(xù)的熱處理過程中結(jié)合面繼續(xù)擴(kuò)大，形成穩(wěn)固結(jié)合。

熱軋復(fù)合法成形工藝簡(jiǎn)單、成本低，復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度高，所需軋制力小。目前，北京鋼鐵研究總院的劉江等人采用熱軋法制取了R系列熱雙金屬[10-11]。但是在熱軋過程中，基板加熱、保溫時(shí)容易在結(jié)合界面形成脆性的金屬間化合物，加熱保溫設(shè)施要求較高，復(fù)合板的厚度難以控制[12-13]。

冷軋復(fù)合法能從冷軋帶坯開始生產(chǎn)并成卷軋制，成形工藝比熱軋更簡(jiǎn)單，產(chǎn)品組織性能穩(wěn)定，零件尺寸精度高，可以實(shí)現(xiàn)多組元的結(jié)合。目前，日本的NKK公司采用低速高變形的軋制方法生產(chǎn)的復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度高，表面光潔性好。寶雞有色金屬加工廠、西北有色金屬研究院采用此法己能軋制出各類型雙金屬?gòu)?fù)合板。但是在冷軋過程中，變形率往往高達(dá)60%～70%，軋制負(fù)荷大，對(duì)軋機(jī)要求高，基板復(fù)合較熱軋困難，其應(yīng)用受到了一定程度的限制[14]。

1.3 爆炸焊接+軋制法

爆炸焊接+軋制法的基本原理為：將經(jīng)過爆炸焊合的復(fù)合板作為基材來進(jìn)行軋制，最終獲得較大尺寸面積的復(fù)合板、帶的方法。

爆炸+軋制是一種比較靈活可靠的工藝方法，它綜合了爆炸和軋制兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，既可以生產(chǎn)較大尺寸的復(fù)合板也可以生產(chǎn)很薄的板帶復(fù)合材料。目前，太鋼、重鋼五廠、上海浦鋼等均采用該法生產(chǎn)雙金屬?gòu)?fù)合板。南京寶色鈦業(yè)有限公司采用該法生產(chǎn)的有色金屬?gòu)?fù)合制品已被用于制造汽車、機(jī)械零部件。

雖然此工藝較爆炸焊接、軋制復(fù)合有所突破，但是生產(chǎn)率及成材率都比較低，爆炸場(chǎng)所選擇仍然受限。

1.4 粉末燒結(jié)法

粉末燒結(jié)法的基本原理為[15]：先將金屬粉末或預(yù)合金粉和增強(qiáng)相均勻混合，制得復(fù)合坯料，經(jīng)不同的固化技術(shù)制成錠塊，再通過擠壓、軋制、鍛造等二次加工制成型材。傳統(tǒng)的粉末成形技術(shù)的工藝流程是：制取粉末—混料—制模、壓形—燒結(jié)—后續(xù)處理[16]。

用傳統(tǒng)的粉末燒結(jié)法制取的金屬?gòu)?fù)合板組織性能均勻，界面結(jié)合穩(wěn)定。目前，東風(fēng)汽車有限公司、江浙一帶的很多廠家采用此法生產(chǎn)軸瓦、軸套等汽車零部件。昆明理工大學(xué)采用金屬粉末-板帶復(fù)合軋制法制備出復(fù)合金屬板帶。

但是粉末燒結(jié)成形的復(fù)合板孔隙率大、力學(xué)性能差，不適宜于載荷大、精密度高的工作環(huán)境，而且該成形工藝工序復(fù)雜、能耗大[17-18]。

2 液-液相復(fù)合法

2.1 電磁連鑄復(fù)合法

電磁連鑄復(fù)合法的基本原理為[19]：將兩種不同的液態(tài)金屬通過不同入口同時(shí)注入結(jié)晶器，由于在結(jié)晶器的底部安裝有水平磁場(chǎng)裝置，作用在液態(tài)金屬流上的洛侖磁力垂直穿過水平磁場(chǎng)，抑制了兩種液態(tài)金屬的對(duì)流混合，并且以水平磁場(chǎng)為分界線，依靠磁流體力的作用把結(jié)晶器熔池分為上、下兩部分，液態(tài)金屬冷卻凝固后，制得雙金屬?gòu)?fù)合板。

該工藝避免了結(jié)合層界面氧化問題，界面結(jié)合強(qiáng)度高，但是產(chǎn)品組織和性能稍差，且厚度不易控制[19-20]。該法目前尚處于研究階段。

2.2 雙結(jié)晶器連續(xù)鑄造法

雙結(jié)晶器連續(xù)鑄造法的基本原理為[21]：首先通過連鑄使得芯材在結(jié)晶器內(nèi)凝固成型，在隔離大氣的情況下，形成凝固坯殼的芯材直接進(jìn)入包覆層結(jié)晶器內(nèi)，連續(xù)澆注包覆層，制得雙金屬?gòu)?fù)合板。

該工藝制取的復(fù)合板，組織性能好，界面結(jié)合強(qiáng)度高。但芯部坯的保護(hù)控制比較困難，仍需做進(jìn)一步的研究。

3 液-固相復(fù)合法

3.1 澆鑄復(fù)合法

澆鑄復(fù)合法的基本原理為[19]：將兩塊基體鋼板預(yù)熱之后疊合在一起，內(nèi)層涂上剝離劑，四周進(jìn)行焊合達(dá)密封狀態(tài)以防止在加熱過程中內(nèi)層氧化，然后放在盛有金屬液的鑄模中，待液態(tài)金屬凝固后立即進(jìn)行軋制，最后將焊合的密封邊緣部位整體切除，即得到復(fù)合板。

該工藝制取的產(chǎn)品組織性能好，結(jié)合強(qiáng)度高。但由于澆鑄溫度高，基體鋼板表面熔損大，雙金屬的板厚控制困難。

3.2 瞬間液相（TLP）擴(kuò)散連接

瞬間液相（TLP）擴(kuò)散連接的基本原理為[22-23]：在待焊金屬間預(yù)置低熔點(diǎn)合金中間層，通過中間層的溶解、等溫凝固、成分與組織的均勻化來實(shí)現(xiàn)連接。

瞬間液相擴(kuò)散連接綜合了釬焊連接方法與固相擴(kuò)散連接方法兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了兩者的不足之處。該工藝制取的雙金屬組織性能均勻，界面結(jié)合強(qiáng)度高。但是該工藝的中間層一般都是價(jià)格很高的鎳基非晶合金、銀基合金等，對(duì)于大面積的雙金屬?gòu)?fù)合應(yīng)用受到了一定程度的限制[24，25]。

3.3 鑄軋復(fù)合法

鑄軋復(fù)合法的基本原理為[19]：將鑄造法與軋制法結(jié)合起來，將固態(tài)金屬的熱浸鍍與液態(tài)金屬的鑄軋技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，將液態(tài)金屬連續(xù)澆鑄在固態(tài)基體金屬帶上，使液態(tài)金屬在半凝固狀態(tài)與固態(tài)基體金屬同時(shí)進(jìn)入軋機(jī)，利用液態(tài)金屬的高擴(kuò)散能力和軋制時(shí)的高壓使得兩種金屬材料之間形成冶金結(jié)合。

該方法主要適用于低熔點(diǎn)與高熔點(diǎn)金屬的復(fù)合，該工藝成型速度快、成型壓力小、冶金結(jié)合強(qiáng)度高、且節(jié)能減耗，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)、效率高、成本低。該工藝有著很好的發(fā)展和應(yīng)用前景[26-28]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合以上分析，各種制備方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在一段時(shí)間內(nèi)難以完全互相替代，在組合和生產(chǎn)效率等方面還有一系列問題亟待解決。某些制備方法盡管工藝流程短、成本低、具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，如電磁連鑄法、雙結(jié)晶器連續(xù)鑄造法，但工藝、設(shè)備等不夠完善，需要進(jìn)一步深入研究論證。某些方法盡管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，如爆炸軋制復(fù)合、粉末燒結(jié)、澆鑄復(fù)合，但在產(chǎn)品規(guī)格和生產(chǎn)成本等方面都具有很大的局限性。

隨著發(fā)展的需要，節(jié)能、環(huán)保的生產(chǎn)工藝是關(guān)鍵，低成本、高性能的復(fù)合板必然是未來的發(fā)展方向。固—液復(fù)合軋制成型速度快、成型壓力小、冶金結(jié)合強(qiáng)度高、且節(jié)能減耗，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)、效率高、成本低，因此該工藝有著很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。隨著工藝和設(shè)備的不斷完善，該生產(chǎn)工藝將會(huì)成為研究生產(chǎn)雙金屬?gòu)?fù)合導(dǎo)板的主流。

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