專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及金屬材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種利用碳鋼或不銹鋼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)骨架增強(qiáng)的有色金屬鎂合金、鋁合金、銅合金復(fù)相型材，本發(fā)明還涉及這種雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材的制造方法。
背景技術(shù)：
：鋁合金、鎂合金以及鋁、鎂基復(fù)合材料，因其重量輕、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在航空航天、機(jī)械、電子、汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域得到了較大應(yīng)用。但因其強(qiáng)度較低等原因而使鋁、鎂合金及其復(fù)合材料的發(fā)展受到了限制。銅合金及其復(fù)合材料由于具有良好的塑韌性而在航空航天、機(jī)械、電子、汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但其強(qiáng)度與鋼鐵相比仍有局限。發(fā)明以有色金屬鋁、鎂、銅及其合金為基體相，以三維編織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度金屬骨架為增強(qiáng)相，制造增強(qiáng)相與基體互相貫穿和連通的新型有色金屬?gòu)?fù)合型材，可在航空航天、機(jī)械制造及汽車(chē)領(lǐng)域替代現(xiàn)有傳統(tǒng)材料，成為一種應(yīng)用前景可觀的高強(qiáng)復(fù)合型材。例如利用這種方法制造的鎂合金復(fù)合型材具有比傳統(tǒng)鎂合金高很多的強(qiáng)度，又具有鎂合金質(zhì)量輕的特點(diǎn)，可在不損失密度優(yōu)勢(shì)的情況下大幅度提高材料的強(qiáng)度。近年來(lái)，人們以陶瓷為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)相、以金屬為增韌相，制備出一系列網(wǎng)絡(luò)互穿的有色金屬基復(fù)合材料，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，在一定程度上取得了可喜進(jìn)展。由于增強(qiáng)體陶瓷材料的高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量和良好耐熱性，使有色金屬基復(fù)合材料在耐磨性和耐熱性等方面發(fā)揮了一定優(yōu)勢(shì)。但是，陶瓷材料的固有脆性，使金屬基復(fù)合材料的網(wǎng)絡(luò)骨架在后續(xù)的變形過(guò)程(擠壓、軋制、熱壓和鍛造等)中會(huì)脆斷，造成材料性能的下降，不適合作為形變結(jié)構(gòu)材料使用。利用三維編織的碳鋼如Q325和不銹鋼如302(lCrl8Ni9)、304(0Crl8Ni9)等鋼絲作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體，利用液態(tài)熔體浸滲法制備的有色金屬基復(fù)合材料，即網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)雙金屬?gòu)?fù)相型材，可進(jìn)行后序的冷熱擠壓、軋制、拉拔及鍛造等變形，利用碳鋼和不銹鋼等鋼絲比鎂合金強(qiáng)度高很多的優(yōu)勢(shì)，制備出一種碳鋼和不銹鋼等網(wǎng)絡(luò)骨架宏觀增強(qiáng)的以有色合金為基體的有色金屬與鋼網(wǎng)絡(luò)互穿的可以塑性變形的雙金屬?gòu)?fù)合材料，這種材料具有增強(qiáng)相與有色金屬基體相相互交叉，相互貫穿，相互滲透，相互纏結(jié)和盤(pán)繞的特點(diǎn)，經(jīng)后序變形后就像多股繩擰結(jié)在一起，能夠在最大程度上提高鎂合金的力學(xué)性能。有色金屬與鋼鐵互穿的雙金屬?gòu)?fù)相型材的研究，一方面大大提高了材料的力學(xué)性能(與有色合金基體比較)，另一方面又保持了有色合金基體的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，大大拓展了有色金屬基復(fù)合材料的使用范圍，成為一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型工程結(jié)構(gòu)材料。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材，該復(fù)相材料由強(qiáng)度高的鋼與有色金屬相互貫穿和交叉而成，既具有常規(guī)鋼鐵材料硬度大、強(qiáng)度高、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)高的特性，又具有有色金屬塑性好，密度低的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)材料的各種塑性變形加工，獲得所需要的各種形狀和尺寸。本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材的制造方法，該方法可以通過(guò)簡(jiǎn)單的步驟獲得上述復(fù)相材料。為解決上述第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材，成分由下述兩部分組成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體成分可以是碳素鋼、合金鋼包括不銹鋼或鈦合金等?；w合金成分為鑄造有色合金，如鋁合金、銅合金、鎂合金等。為解決上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材的制造方法，包括以下步驟，選取直徑為00.2-2的型材或稱(chēng)為線材，經(jīng)酸洗后在含有丙酮的超聲波清洗池中清洗5-10分鐘，在150200°C烘箱中烘干；將所述原料采用三維五向編織技術(shù)編織成空間三維網(wǎng)絡(luò)骨架，通孔率為100%，形狀和尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)要求制定，通過(guò)控制型材截面尺寸控制編織孔徑；將所述網(wǎng)絡(luò)骨架進(jìn)行超聲波清洗，并進(jìn)行干燥處理；將提前根據(jù)設(shè)計(jì)要求制造好的模具內(nèi)腔噴刷涂料(40%鈦白粉+20%石墨+40%水)，將所述網(wǎng)絡(luò)骨架放入模具中一起預(yù)熱，預(yù)熱溫度根據(jù)基體合金而定；將熔煉好的金屬溶液澆入到模型中，采用負(fù)壓浸滲技術(shù)制備雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿型材，澆注完成后保溫20分鐘，空冷；將所述型材進(jìn)行均勻化退火和去應(yīng)力退火，切除外表面氧化皮，使表面粗糙度達(dá)到12.5iim以上；將所述型材放入擠壓、軋制或拉拔模具中進(jìn)行塑性變形，分幾道次進(jìn)行，中間安排預(yù)熱和熱處理，最終獲得所需要的形狀和尺寸。采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明的有益效果是通過(guò)本發(fā)明所揭示的方法，可以制造出一種雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材，它與合金鑄造成型的工藝不同，是先采用三維五向編織技術(shù)制造網(wǎng)絡(luò)多孔骨架，再通過(guò)液態(tài)金屬熔體浸滲技術(shù)制造網(wǎng)絡(luò)互穿的雙金屬?gòu)?fù)合型材毛坯，然后再將毛坯進(jìn)行軋制、拉拔、擠壓以及鍛造等塑性變形，最后成為復(fù)合設(shè)計(jì)要求的各種尺寸和形狀的型材。具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，其不應(yīng)被理解成對(duì)本發(fā)明的限制。實(shí)施例11)材料選擇根據(jù)要求控制增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)為5-15%，選取不銹鋼絲304(0Crl8Ni9)作為增強(qiáng)體的成分，選取鎂合金AZ31作為基體合金；2)鋼絲氫退處理選取直徑為00.2-2的不銹鋼絲304(0Crl8Ni9)，進(jìn)行氫退處理，在連續(xù)全氫退火爐上進(jìn)行，退火溫度為1040°C，氫退的目的是降低硬度，提高塑性，為下一步的塑性變形做準(zhǔn)備。氫氣的密度為0.0899kg/m3，是氮?dú)獾?/14(氮?dú)饷芏葹?.251kg/m3)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.172W/(mk)，是氮?dú)獾?倍(氮?dú)鈱?dǎo)熱系數(shù)為0.024W/(mk))，氫氣的密度低，滲透能力強(qiáng)，可以深入鋼管內(nèi)部，充分發(fā)揮導(dǎo)熱系數(shù)大的特點(diǎn)，顯著提高傳熱效率，提高了退火和冷4卻能力；3)酸洗處理經(jīng)酸洗去掉鋼絲表面氧化皮與夾雜，酸洗采用工業(yè)鹽酸(HCI)，鹽酸濃度為120-180g/l，氯化亞鐵(FeC12)含量<220g/l，在室溫下進(jìn)行，鋼絲經(jīng)酸洗后表面為亮白色。經(jīng)過(guò)酸洗的鋼絲在含有丙酮的超聲波清洗池中清洗5-10分鐘，在150200°C烘箱中烘干；3)編織骨架將所述原料采用三維五向編織技術(shù)編織成直徑為040的空間三維網(wǎng)絡(luò)骨架，三維五向編織是通過(guò)運(yùn)動(dòng)線錠攜帶絲線圍繞不動(dòng)線錠有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)絲線和不動(dòng)絲線在空間彼此相互交織而形成織物的過(guò)程。運(yùn)動(dòng)絲錠的運(yùn)動(dòng)步距不同所形成的結(jié)構(gòu)也就不同，三維五向編織法橫向編織角為28.36°，軸向編織角為28.36°，軸向鋼絲線數(shù)為444，徑向鋼絲線數(shù)為36。所編織成的三維網(wǎng)絡(luò)骨架的通孔率為100%，形狀和尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)要求制定，通過(guò)控制型材截面尺寸控制編織孔徑；4)模具預(yù)熱將所述網(wǎng)絡(luò)骨架進(jìn)行超聲波清洗，并進(jìn)行干燥處理，然后在模具底部放置一銅網(wǎng)，目數(shù)為200目，在模具底部連接一真空罐，真空度為10-2Pa;然后將骨架放入模具中，升溫，加熱到500°C，保溫。放入前在模具內(nèi)腔噴刷涂料(40%鈦白粉+20%石墨+40%水)，上面用耐火石棉覆蓋；5)基體熔體合金熔煉用工業(yè)純鋁、純鎂、純鋅配制合金，錳和鈹分別以Al-Mn和Al-Be中間合金的形式加入，AZ31合金的化學(xué)成分為:A12.50-3.31%,ZnO.9-1.2%,MnO.2%,FeO.05%,CuO.05%,Ni0.005%，BeO.2%，余量為Mg。6)浸滲將所述熔煉好的熔體合金澆入到準(zhǔn)備好的模具中，打開(kāi)截止閥，熔體在負(fù)壓作用下被吸入到三維網(wǎng)絡(luò)骨架中，浸滲溫度720-750°C，保溫半小時(shí)，在模具中冷卻到室溫。7)加工將所述雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材毛坯進(jìn)行均勻化退火，退火溫度400°C，保溫時(shí)間12小時(shí)，處理后空冷至室溫。經(jīng)均勻化退火的毛坯到車(chē)床進(jìn)行車(chē)削加工，外圓直徑060mm，表面粗糙度12.5iim;8)擠壓將所述毛坯放入臥式型材擠壓機(jī)上進(jìn)行正向擠壓變形，擠壓之前將坯料加熱至400°C并保溫3h，模具加熱到300°C，擠壓筒預(yù)熱至350°C，擠壓比為14-32，擠壓桿速度為4.6mm/s。潤(rùn)滑劑采用石墨、動(dòng)物油或植物油。在出口處對(duì)擠壓出的型材進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷。實(shí)施例2與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于網(wǎng)絡(luò)骨架成分不同，見(jiàn)表1；采用拉拔變形，工作溫度為150300°C，壓力為120250MPa，應(yīng)變速率0.51.5s-l，壓縮比為135。拉拔后復(fù)相材料的性能參數(shù)見(jiàn)表2。實(shí)施例3與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于網(wǎng)絡(luò)骨架成分不同，見(jiàn)表1；采用軋制變形，工作溫度為150300°C，壓力為120250MPa，應(yīng)變速率0.51.5s_l，25道次。軋制后復(fù)相材料的性能參數(shù)見(jiàn)表2。實(shí)施例4與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于網(wǎng)絡(luò)骨架成分不同，見(jiàn)表1；基體合金成分不同，見(jiàn)表1；所述浸滲溫度不同，見(jiàn)表1；所述潤(rùn)滑劑不同，見(jiàn)表1；采用擠壓變形，工作溫度為250400°C，壓力為160260MPa，擠壓比為525。擠壓后復(fù)相材料的性能參數(shù)見(jiàn)表2。實(shí)施例5與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于網(wǎng)絡(luò)骨架成分不同，見(jiàn)表1；基體合金成分不同，見(jiàn)表1；所述浸滲溫度不同，見(jiàn)表1；所述潤(rùn)滑劑不同，見(jiàn)表1；采用拉拔變形，工作溫度為250400°C，壓力為160250MPa，應(yīng)變速率0.10.5s_l，壓縮比為535。拉拔后復(fù)相材料的性能參數(shù)見(jiàn)表2。實(shí)施例6與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于網(wǎng)絡(luò)骨架成分不同，見(jiàn)表1；基體合金成分不同，見(jiàn)表1；所述浸滲溫度不同，見(jiàn)表1；所述潤(rùn)滑劑不同，見(jiàn)表1；采用軋制變形，工作溫度為250400°C，壓力為160250MPa，應(yīng)變速率0.10.5s_l，37道次。軋制后復(fù)相材料的性能參數(shù)見(jiàn)表2。實(shí)施例7與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于網(wǎng)絡(luò)骨架成分不同，見(jiàn)表1；基體合金成分不同，見(jiàn)表1；所述浸滲溫度不同，見(jiàn)表1；所述潤(rùn)滑劑不同，見(jiàn)表1；采用擠壓變形，工作溫度為200-400°C，壓力為120200MPa，擠壓比為145。擠壓后復(fù)相材料的性能參數(shù)見(jiàn)表2。實(shí)施例8與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于網(wǎng)絡(luò)骨架成分不同，見(jiàn)表1；基體合金成分不同，見(jiàn)表1；所述浸滲溫度不同，見(jiàn)表1；所述潤(rùn)滑劑不同，見(jiàn)表1；采用拉拔變形，工作溫度為200400°C，壓力為120200MPa，應(yīng)變速率0.54s-l，壓縮比為265。拉拔后復(fù)相材料的性能參數(shù)見(jiàn)表2。實(shí)施例9與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于網(wǎng)絡(luò)骨架成分不同，見(jiàn)表1；基體合金成分不同，見(jiàn)表1；所述浸滲溫度不同，見(jiàn)表1；所述潤(rùn)滑劑不同，見(jiàn)表1；采用軋制變形，工作溫度為200400°C，壓力為120200MPa，應(yīng)變速率0.54s-l，29道次。軋制后復(fù)相材料的性能參數(shù)見(jiàn)表2。表1是各個(gè)實(shí)施例原料的配比。表2是各個(gè)實(shí)施例所獲得的復(fù)相陶瓷材料與K418的綜合性能參數(shù)對(duì)照表。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>綜上所述，通過(guò)本發(fā)明所揭示的制造方法制造出的雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材，性能優(yōu)良、工藝合理，價(jià)格適中，強(qiáng)度高，韌性好，可替代現(xiàn)有有色金屬型材，可大幅度地提高材料的性能，拓展使用范圍，滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。采用的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便，投資少，有利于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。權(quán)利要求一種雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材，其特征在于該復(fù)相型材由兩種金屬材料組成，一種是已成型的型材，截面形狀可為圓形、橢圓形或其他形狀，成分可以是碳素鋼、合金鋼包括不銹鋼或鈦合金等；另一種是鑄造有色合金，成分可以是鋁合金、銅合金、鎂合金等。兩種金屬相即增強(qiáng)相與基體相相互交叉，相互貫穿，相互滲透，相互纏結(jié)和相互盤(pán)繞，經(jīng)后序變形后就像多股繩擰結(jié)在一起，能夠在最大程度上提高基體合金的力學(xué)性能。2.權(quán)利要求1所述的雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材的制造方法，其特征在于包括以下步驟，選取直徑為Φ0.2-2的型材或稱(chēng)為線材，經(jīng)酸洗后在含有丙酮的超聲波清洗池中清洗5-10分鐘，在150200°C烘箱中烘干；將所述原料采用三維五向編織技術(shù)編織成空間三維網(wǎng)絡(luò)骨架，編織角為28.36°，5-12芯，通孔率為100%，形狀和尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)要求制定(一般將直徑范圍控制在Φ40-100πιπι)，通過(guò)控制型材截面尺寸控制編織孔徑；將所述網(wǎng)絡(luò)骨架進(jìn)行超聲波清洗，并進(jìn)行干燥處理；將提前根據(jù)設(shè)計(jì)要求制造好的模具內(nèi)腔噴刷涂料(40%鈦白粉+20%石墨+40%水)，將所述網(wǎng)絡(luò)骨架放入模具中一起預(yù)熱，預(yù)熱溫度根據(jù)基體合金而定；將熔煉好的金屬溶液澆入到模型中，澆注時(shí)的溫度為鋁合金720780°C，銅合金9501090°C，鎂合金680720°C。采用負(fù)壓浸滲技術(shù)制備雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿型材，澆注完成后保溫20分鐘，空冷；將所述型材進(jìn)行均勻化退火和去應(yīng)力退火，切除外表面氧化皮，使表面粗糙度達(dá)到12.5μπι以上；將所述型材放入擠壓、軋制或拉拔模具中進(jìn)行塑性變形，分幾道次進(jìn)行，中間安排預(yù)熱和熱處理，最終獲得所需要的形狀和尺寸。3.如權(quán)利要求1、2所述的雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材可以經(jīng)過(guò)擠壓、軋制和拉拔等形變工藝進(jìn)行強(qiáng)化處理，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求獲得實(shí)際生產(chǎn)所需要的各種形狀和尺寸。其特征在于在所述的塑性變形步驟中，所述的潤(rùn)滑劑為天然超細(xì)石墨加多種添加劑。4.如權(quán)利要求3所述的雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿鋁合金復(fù)相型材的制造方法，其特征在于在所述的擠壓變形步驟中，工作溫度為150-300°C，壓力為160250MPa，擠壓比為135；在所述的拉拔變形步驟中，工作溫度為150300°C，壓力為120250MPa，應(yīng)變速率0.51.5s-l，壓縮比為135；在所述的軋制變形步驟中，工作溫度為150300°C，壓力為120250MPa，應(yīng)變速率0.51.5s_l，25道次。5.如權(quán)利要求3所述的雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿鎂合金復(fù)相型材的制造方法，其特征在于在所述的擠壓變形步驟中，工作溫度為250400°C，壓力為160260MPa，擠壓比為525；在所述的拉拔變形步驟中，工作溫度為250400°C，壓力為160250MPa，應(yīng)變速率0.10.5s-l，壓縮比為535；在所述的軋制變形步驟中，工作溫度為250400°C，壓力為160250MPa，應(yīng)變速率0.10.5s_l，37道次。6.如權(quán)利要求3所述的雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿銅合金復(fù)相型材的制造方法，其特征在于在所述的擠壓變形步驟中，工作溫度為200-400°C，壓力為120200MPa，擠壓比為145；在所述的拉拔變形步驟中，工作溫度為200400°C，壓力為120200MPa，應(yīng)變速率0.54s-l，壓縮比為265；在所述的軋制變形步驟中，工作溫度為200400°C，壓力為120200MPa，應(yīng)變速率0.54s_l，29道次。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種雙金屬網(wǎng)絡(luò)互穿復(fù)相型材，由高強(qiáng)度的鋼與有色合金組成，兩種金屬相相互交叉，相互貫穿，相互滲透，相互纏結(jié)和相互盤(pán)繞，經(jīng)后序變形后就像多股繩擰結(jié)在一起，能夠在最大程度上提高基體合金的力學(xué)性能；本發(fā)明還公開(kāi)了該復(fù)相型材的制造方法，步驟如下，首先采用三維五向編織技術(shù)將型材制造成網(wǎng)絡(luò)多孔骨架，再通過(guò)液態(tài)金屬熔體浸滲技術(shù)制造網(wǎng)絡(luò)互穿的雙金屬?gòu)?fù)合型材毛坯，然后對(duì)毛坯進(jìn)行擠壓變形處理，獲得所需要的各種形狀和尺寸，最后對(duì)毛坯進(jìn)行相應(yīng)的熱處理得到所述復(fù)相材料。利用本發(fā)明制造的復(fù)相型材既具有常規(guī)鋼鐵材料硬度大、強(qiáng)度高、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)高的特性，又具有有色金屬塑性好，密度低的優(yōu)勢(shì)，并能實(shí)現(xiàn)材料的各種塑性變形加工，獲得所需要的各種形狀和尺寸，可用于飛機(jī)制造，航空航天，汽車(chē)領(lǐng)域以及機(jī)械制造業(yè)。文檔編號(hào)F16S5/00GK101825218SQ20101015718公開(kāi)日2010年9月8日申請(qǐng)日期2010年4月27日優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日發(fā)明者崔敏,王勇,王守仁,馬茹申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)