CN113334874A - 一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料及其制备工艺，高强低熔点层状双金属互嵌复合材料包括H62黄铜层和Sn‑58Bi层，Cu、Zn与Sn可以实现较好的互溶效果，高强低熔点层状双金属互嵌复合材料具有好的机械结合与冶金结合。本发明还公开了层状双金属互复合材料的制备工艺，包括微孔阵列预制体的制备、固液法复合铸造。复合材料在机械嵌合的同时产生冶金结合，使得复合材料保留低熔点本体合金特性，利用高强度增强体来提高复合材料的整体强度，微孔阵列可以在低熔点合金熔化后保证结构的气体流通性。本发明设备要求简单、工艺条件宽泛易操作、复合界面结合较好、能充分发挥异种金属各自的物理特性，有利于规模化生产，具有工业应用价值。

Description

一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料及其制备工艺
技术领域
本发明属于层状双金属复合材料的制备领域，具体涉及一种利用固液法将微孔阵列预制体与低熔点合金复合进行固液复合制备层状互嵌式复合材料的方法。
背景技术
低熔点合金是指熔点在310℃以下，含有Bi、Pb、Sn、Cd、In、Ga、Zn、Sb等金属的二元，三元，四元等合金，常被用作电子封装材料、温感喷淋***以及高压易熔阀。通常情况下，低熔点合金的强度均不足100MPa，锡铋基合金的强度更是不足80MPa，很大程度上限制了其在强度较高的工况下的使用。
随着现代工业技术的不断发展，工业上对于材料的综合性能要求越来越高，在很多工况下，单一的金属材料已经很难满足技术要求。双金属复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学和力学性能不同的金属之间实现牢固冶金结合而得到的新型材料。其中的各层金属仍保持各自原有的特性。但其整体物理、化学和力学性能比单一金属有了很大的提高，因而可以满足特殊环境下对材料性能的要求。与单一金属材料相比，其主要有以下两个优点：(1)优良的物理、化学以及力学性能；(2)可设计性强，可以轻易地通过改变组分体积分数改变材料的整体性能。
双金属材料固液复合铸造技术是一种利用铸造技术获得两种或者两种以上金属材料在界面上实现冶金结合从而制备出新型材料的技术。该技术成本低、工艺简单、容易在产业上推广应用。同时，该技术界面结合良好、材料性能稳定。但是通常情况下缺少相应的机械结合，且低熔点合金强度不足无法适应强度较高的工况等问题。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料及其制备工艺，解决了低熔点合金强度不足无法适应强度较高的工况等问题，同时解决了两合金间界面结合的问题，本发明则利用增强体的微孔阵列使得两金属层间产生良好的机械互嵌，拥有良好的机械结合以及冶金结合，具有优良的力学性能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料，包括铜合金微孔阵列层和锡铋合金层，所述铜合金微孔阵列层采用商用H62黄铜，由以下组分按重量百分比组成：铜60.5％～63.5％和余量的锌；锡铋合金层采用商用Sn-58Bi合金，由以下组分按重量百分比组成：锡42％和余量的铋。
进一步地，所述铜合金微孔阵列层上设置有通孔阵列，所述锡铋合金层填充在铜合金微孔阵列层上的通孔中以及铜合金微孔阵列层两侧。
进一步地，相邻通孔之间的孔距为通孔孔径的2倍。
进一步地，所述通孔的孔径为1-2mm。
进一步地，所述铜合金微孔阵列层占高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的体积分数为50％。
一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的制备工艺，包括以下步骤：
(1)利用H62铜合金板材制备微孔阵列预制体；
(2)对微孔预制体进行表面处理，得到铜合金微孔阵列层；
(3)利用固液法进行双金属层状复合材料的铸造制备。
进一步地，步骤(1)具体为：使用钻床以及硬质合金钻头在铜合金板材上钻通孔，制备微孔阵列预制体。
进一步地，步骤(2)具体为：对微孔预制体进行丙酮浸泡超声超声清洁10min，然后依次经240目、320目、400目、600目SiC砂纸对通孔及板材表面打磨后，丙酮浸泡超声清洗10min。
进一步地，步骤(3)中固液法分为三个阶段：第一阶段为熔融阶段，将步骤(2)得到的铜合金微孔阵列层与锡铋合金共同置于熔炼炉内，熔融温度高于锡铋合金熔点以及可能形成的结合层的生成温度，同时要低于铜合金熔点，保温至锡铋合金熔化；第二阶段为保温阶段，保温温度与熔融温度相同，保温至两合金元素充分扩散形成结合层；第三阶段为冷却阶段，冷却方式采利用炉冷的方式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
与传统合金材料相比，本发明的高强低熔点层状双金属互嵌复合材料兼顾了增强体(铜合金)的高强度特性以及低熔点合金(锡铋合金)熔点低的物理特性，提高了锡铋合金的室温力学性能并且使得材料拥有较低的失效温度，使得高强低熔点层状双金属互嵌复合材料拥有较好的力学性能以及低的失效温度；本发明的复合材料的室温强度为130-160MPa，复合体的熔点为140-160℃，满足特定温度以上允许流体通过的需求，在170℃±30℃下保证气体可以通过预制孔阵列以及锡铋合金熔化后所留空余空间。
进一步地，与普通的层状双金属复合材料相比，本发明在机械嵌合的同时产生冶金结合，使得复合材料保留低熔点本体合金特性，利用高强度增强体来提高复合材料的整体强度，层状双金属互嵌复合材料的微孔阵列的结构设计可以在低熔点合金熔化后保证结构的气体流通性。
本发明工艺设备要求简单、工艺条件宽泛易操作、复合界面结合较好、能充分发挥异种金属各自的物理特性，有利于规模化生产，具有工业应用价值，与单一液液复合方法相比，对设备要求较低，对于材料的外形、尺寸要求较低，可设计性强；与单一固固复合方法相比，解决了界面处冶金结合的问题，使得层状双金属互嵌复合材料的力学性能能达到较高水平。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是高强低熔点层状双金属互嵌复合材料制备工艺的流程示意图。
图2是实施例1制备的黄铜-锡铋层状双金属互嵌复合材料的界面金相组织扫描电镜图。
图3是图2中界面处几种主要元素分布图，其中(a)、(b)、(c)、(d)依次为Sn、Cu、Bi、Zn。
图4是共晶锡铋合金的应力应变曲线。
图5是实施例1与实施例2所制备高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的工程应力应变曲线。
具体实施方式
下面本发明的做进一步详细描述：
一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料，包括铜合金微孔阵列层和锡铋合金层，所述铜合金层为商用H62黄铜，由以下组分按重量百分比组成：铜60.5％～63.5％和余量的锌；锡铋合金层为商用Sn-58Bi合金，由以下组分按重量百分比组成：锡42％和余量的铋。
铜合金微孔阵列层中存在通孔阵列，孔距为孔径的两倍，孔径可以在合理尺寸范围内，比如1-2mm；锡铋合金在制备过程中完全填充进入了铜合金微孔阵列层的通孔中，铜合金占高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的体积分数约为50％。
一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的制备工艺，包括微孔阵列预制体的制备步骤、固液法复合铸造的步骤，如图1所示。
微孔阵列预制体的制备步骤具体包括：
机加工处理：使用钻床以及硬质合金钻头在增强体板材上按一定孔径与孔距(如孔径2mm，孔距4mm)钻通孔，制备微孔阵列预制体；
表面处理：对微孔预制体进行表面处理，使用丙酮浸泡超声清洁10min，以去除机加工带来的油污，然后经240目、320目、400目、600目SiC砂纸对通孔以及板材表面打磨后，丙酮浸泡超声清洗10min。
固液法复合铸造的步骤具体包括：
预置预制体：将处理好的预制体和锡铋合金放置在铸型型腔内；
铸造结合：将表面处理后的微孔预制体与锡铋合金共同在型腔内升温，保温，冷却，铸造形成层状双金属互嵌复合材料。所选择的增强体包括熔点高于所选低熔点合金(锡铋合金)的熔点的金属或合金。
铸造结合步骤中，主要分为三个阶段：第一阶段为熔融阶段，将表面处理后的微孔预制体与锡铋合金共同置于熔炼炉内，熔融温度高于锡铋合金熔点以及可能形成的结合层的生成温度，保温至锡铋合金熔化；第二阶段为保温阶段，保温温度与熔融温度相同，保温时间设置应使两合金元素可以充分扩散形成结合层；第三阶段为冷却阶段，冷却方式采利用炉冷的方式。
本发明选用的是共晶锡铋合金，各组分的质量分数分别为：锡42％、铋58％，显微维氏硬度约为20Hv，抗拉强度为58～62MPa，断后延伸率大于10％，熔点为138℃，是一种典型的低熔点合金。同时，锡铋合金还是一种绿色焊料，与多种金属材料都有着良好的润湿性，可以形成较好的冶金结合，可用来焊接多种金属材料。
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是实施例的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1
本实施例涉及一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的制备工艺，包括如下步骤：
步骤一：使用钻床以及硬质合金钻头在黄铜板材上按孔径2mm，孔距4mm钻通孔，制备微孔阵列预制体；
步骤二：对微孔预制体进行表面处理，使用丙酮浸泡超声清洁10min，以去除机加工带来的油污，然后经240目、320目、400目、600目SiC砂纸对通孔以及板材表面打磨后，丙酮浸泡超声清洗10min；
步骤三：将处理好的黄铜预制体和锡铋合金放置在铸型型腔内；
步骤四：将表面处理后的黄铜微孔预制体与锡铋合金共同在型腔内升温至450℃，使得锡铋合金充分熔化，保温90min，炉冷，铸造形成高强低熔点层状双金属互嵌复合材料。
所制备高强低熔点层状复合材料界面处金相组织照片见图2，黄铜与锡铋间出现了较为明显的结合层，衬度明显异于两合金。界面处各元素分布见图3，证明在结合层处出现了较好的冶金结合。所制备合金的应力应变曲线见图5实施例1曲线，与图4锡铋共晶合金的应力应变曲线相比强度提升显著，由57MPa提升至160MPa。
实施例2
本实施例涉及一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的制备工艺，包括如下步骤：
步骤一：使用钻床以及硬质合金钻头在黄铜板材上按孔径2mm，孔距4mm钻通孔，制备微孔阵列预制体；
步骤二：对微孔预制体进行表面处理，使用丙酮浸泡超声清洁10min，以去除机加工带来的油污，然后经240目、320目、400目、600目SiC砂纸对通孔以及板材表面打磨后，丙酮浸泡超声清洗10min；
步骤三：将处理好的黄铜预制体和锡铋合金放置在铸型型腔内；
步骤四：将表面处理后的黄铜微孔预制体与锡铋合金共同在型腔内升温至260℃，使得锡铋合金充分熔化，保温90min，炉冷，铸造形成高强低熔点层状双金属互嵌复合材料。
所制备高强低熔点层状复合材料界面处有连续分布的金属间化合物，说明两合金间形成了冶金结合。所制备合金的应力应变曲线见图5实施例2曲线，与图4锡铋共晶合金的应力应变曲线相比强度提升显著，由57MPa提升至130MPa。
实施例3
本实施例涉及一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的制备工艺，包括如下步骤：
步骤一：使用钻床以及硬质合金钻头在黄铜板材上按孔径1mm，孔距2mm钻通孔，制备微孔阵列预制体；
步骤二：对微孔预制体进行表面处理，使用丙酮浸泡超声清洁10min，以去除机加工带来的油污，然后经240目、320目、400目、600目SiC砂纸对通孔以及板材表面打磨后，丙酮浸泡超声清洗10min；
步骤三：将处理好的黄铜预制体和锡铋合金放置在铸型型腔内；
步骤四：将表面处理后的黄铜微孔预制体与锡铋合金共同在型腔内升温至280℃，使得锡铋合金充分熔化，保温90min，炉冷，铸造形成高强低熔点层状双金属互嵌复合材料。
以上所述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料，其特征在于，包括铜合金微孔阵列层和锡铋合金层，所述铜合金微孔阵列层采用商用H62黄铜，由以下组分按重量百分比组成：铜60.5％～63.5％和余量的锌；锡铋合金层采用商用Sn-58Bi合金，由以下组分按重量百分比组成：锡42％和余量的铋。
2.根据权利要求1所述的一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料，其特征在于，所述铜合金微孔阵列层上设置有通孔阵列，所述锡铋合金层填充在铜合金微孔阵列层上的通孔中以及铜合金微孔阵列层两侧。
3.根据权利要求2所述的一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料，其特征在于，相邻通孔之间的孔距为通孔孔径的2倍。
4.根据权利要求2所述的一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料，其特征在于，所述通孔的孔径为1-2mm。
5.根据权利要求1所述的一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料，其特征在于，所述铜合金微孔阵列层占高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的体积分数为50％。
6.一种权利要求1-5任一项所述的高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用H62铜合金板材制备微孔阵列预制体；
(2)对微孔预制体进行表面处理，得到铜合金微孔阵列层；
(3)利用固液法进行双金属层状复合材料的铸造制备。
7.根据权利要求6所述的一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的制备工艺，其特征在于，步骤(1)具体为：使用钻床以及硬质合金钻头在铜合金板材上钻通孔，制备微孔阵列预制体。
8.根据权利要求6所述的一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的制备工艺，其特征在于，步骤(2)具体为：对微孔预制体进行丙酮浸泡超声超声清洁10min，然后依次经240目、320目、400目、600目SiC砂纸对通孔及板材表面打磨后，丙酮浸泡超声清洗10min。
9.根据权利要求6所述的一种高强低熔点层状双金属互嵌复合材料的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中固液法分为三个阶段：第一阶段为熔融阶段，将步骤(2)得到的铜合金微孔阵列层与锡铋合金共同置于熔炼炉内，熔融温度高于锡铋合金熔点以及可能形成的结合层的生成温度，同时要低于铜合金熔点，保温至锡铋合金熔化；第二阶段为保温阶段，保温温度与熔融温度相同，保温至两合金元素充分扩散形成结合层；第三阶段为冷却阶段，冷却方式采利用炉冷的方式。
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