CN114082801B - 一种铜包钢复合材料连续半固态成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铜包钢复合材料连续半固态成形方法及装置，属于半固态成形技术领域。本发明所述连续半固态成形方法通过改变复合材料成形方法，结构为内钢外铜，在铜的半固态温度区间成形，使铜钢结合更为紧密，提高了铜包钢复合材料的结合强度，同时又具有外韧内硬的特性，降低了复合材料的生产成本，最终获得高品质，低成本的铜包钢复合材料，使生产效率得到提高。

Description

一种铜包钢复合材料连续半固态成形方法及装置

技术领域

本发明公开一种铜包钢复合材料连续半固态成形方法及装置，属于半固态成形技术领域。

背景技术

金属半固态成形技术最早是由美国麻省理工学院的Fleming教授提出的，金属的半固态成形是将金属加热到半固态温度区间，再进行近净成形的一种技术。它由于具有充型平稳、对模具的热冲击小、制件致密性高、成形力低等特点，在航空航天、轨道交通等领域有广阔应用前景。钢材强度，硬度，耐磨性较好，但韧性较差，对韧性要求较高的零件及工作环境难以达到使用要求，而铜虽然韧性较好，但是强度和硬度又相对较低。铜包钢复合材料兼有两种金属的特点，具有强度硬度高、韧性好、结构重量轻、能耗小和成本低等优点。

在铜包钢线的生产中，普遍采用机械包覆法和电镀法。机械包覆法的加工费用昂贵，铜带利用率低，且难以得到长尺寸的连续线材。电镀法难以获得厚镀层铜包钢线，特别是电镀液对环境有严重的污染。所以近年来铜钢复合材料发展迅速，如铜钢复合材料，钢包铜芯复合材料，一种铜/钢复合材料预置接头等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有包覆复合材料存在结合不紧密，硬度刚度较强而韧性较差，易脱落等问题，通过钢表面粗糙处理，铸态铜的半固态处理。

本发明的目的在于提出一种外韧内硬的铜包钢复合材料半固态成形方法，在铜包钢复合材料连续半固态成形过程中，铸态铜经过轧制，半固态等温处理，再流入具有保温作用的保温腔中，钢线材经过表面具有小滚花的两个轮毂后，表面进行了粗糙处理，经过保温腔的过程中，半固态铜浆料包覆在钢线材上，具体包括以下步骤：

（1）对铜合金铸态板材进行轧制，轧制后的铜合金铸态板材通过感应加热线圈加热，加热至890~980℃，进行保温5~30s，保温结束后半固态铜合金坯料流入保温腔中进行保温；感应加热能大幅缩短铜半固态处理时间，同时较大的变形能使半固态组织发生再结晶，表层铜晶粒得到细化，晶粒细化后使强度和塑性都有提高。

（2）钢线材开始送料，通过滚花轮毂时获得表面粗糙的钢线材，钢线材通过保温腔时半固态铜合金浆料包覆在钢线材表面，由于钢线材具有一定的线速度，同时钢线材与模具进料口的直径相同，保证了半固态铜合金浆料不会从进料口流出；铜钢包覆材料进入出料口时具有一定的倾斜角，铜合金半固态浆料在出料时也不会流出保温腔，最后铜钢包覆材料经过牵引轮，随后空冷至室温，获得铜包钢复合材料。

优选的，本发明步骤（1）中轧制的条件为: 冷轧，变形量为15%~20%。

优选的，本发明通过出料口对包覆材料外径进行限制，钢线材的直径为2~12mm，包覆以后铜包钢复合材料的直径为3~13mm。

优选的，本发明步骤（2）中牵引速度为2.5×10^-3m/s ~5×10^-3m/s。

本发明的另一目的在于提供所述铜包钢复合材料连续半固态成形方法所用装置，包括钢线材1、带滚花轮毂2、感应加热线圈3、轧制轮毂4、铜合金板材5、牵引轮毂6、保温腔外壳7，轧制轮毂4的正下方设有感应加热圈4，感应加热圈4的正下方为保温腔，保温腔外壳7的左侧设有带滚花轮毂2，另一侧设有牵引轮毂6。

优选的，本发明所述保温腔外壳7内部设有保温腔8，一侧设有多个进料口模具9,保温腔8顶部设有挡板10，挡板10中部设有出料口模具11，钢线材1从进料口模具9进入，从出料口模具11拉出，与水平方向呈30°~45°夹角。

本发明所述进料口与出料口距离为1m，与水平方向呈30°~45°夹角，倾斜设置的目的是防止保温腔的铜合金浆料从出料口模具流出，进料口模具与钢线材直径相同，只是存在正负公差配合关系，同时铜合金浆料为半固态，流动性相对于液态来说较低，所以钢线材以一定的进料速度从进料口模具进入保温腔时，防止了铜合金半固态浆料从进料口流出。

在半固态铜浆料保温腔上方增加一个轧制送料及半固态感应加热装置，缩短送料及出料的时间，减少半固态浆料在转移过程中的氧化，提高了复合材料的质量；铸态铜板材半固态处理之前， 经过两个轮毂的轧制，使铜板材具有较大的变形量，为半固态处理积累了较大的变形能。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述铜包钢复合材料半固态成形方法能通过铸态铜的轧制，半固态处理，使外层铜获得较细且均匀的组织，能较好改善铜包覆层的力学性能，提高钢材的韧性。

（2）本发明所述铜包钢复合材料半固态成形方法在钢表面进行粗糙处理，钢线材经过具有滚花的轮毂使其表面变得粗糙，铜钢结合界面呈锯齿状，界面处的锯齿状相互克制降低了铜钢金属间的相对滑移，增强了抗拉强度和剪切强度。同时锯齿状的界面使接触面积也增加，接触面积的增大导致界面应力值增大，对界面致密性、结合有效性等都起到积极作用，提高了界面许用结合强度，进一步增加接触面的结合强度解决了包覆材料易脱落的问题。通过在铜合金半固态温度区间包覆，可以促进铜钢之间的元素扩散，经过保温腔后复合层厚度增加，在铜合金的半固态温度区间时，原子的振动能较大，原子越过势垒迁移的几率较大；同时钢金属内部的空位浓度较高，按空位机制扩散的原子容易迁移，有利于固溶原子的扩散，提高了产品的力学性能。

（3）本发明所述铜包钢复合材料半固态成形方法，铜合金板材在半固态加热前具有较大的变形量，在保温阶段发生动态再结晶，细化铜合金包覆层的晶粒，提高了复合材料的强度和塑性。

（4）本发明所述铜包钢复合材料半固态成形方法能使用不同内径的钢线材，使用相同内径的进料口模具时，可以提高生产效率，使用不同内径的进料口模具时，可以生产不同外径要求的铜包钢复合材料，以满足生产需要。

（5）本发明所述铜包钢复合材料半固态成形方法结构合理，操作简单方便，可实现机械化和自动化控制，节约了成本，可实现连续批量生产，提高了效率。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明所述保温腔结构图。

图3是本发明所述装置的立体结构图。

图1中：1-钢线材；2-带滚花轮毂；3-感应加热线圈；4-轧制轮毂；5-铜合金板材；

6-牵引轮毂；7-保温腔外壳。

图2中：8-保温腔；9-进料口模具；10-挡板；11-出料口模具。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

本发明所述铜包钢复合材料半固态成形方法的过程：铸态铜板材经过两轮毂轧制后，通过感应加热设备，半固态铜浆料直接流入具有保温作用的保温腔中，钢线材经过表面具有滚花的两个轮毂后，表面进行了粗糙处理，经过保温腔的过程中，半固态铜合金浆料包覆在钢钢线材上；保温腔进料口，出料口分别有5个对应的模具安装口，可以安装具有不同内径的模具，从而满足不同直径钢线材产品的生产；出料时铜合金半固态浆料包覆在钢材上，保温腔出料口模具内径比进料口稍大，从而半固态铜浆料与钢线材能紧密结合。

本发明实施例所用装置包括钢线材1、带滚花轮毂2、感应加热线圈3、轧制轮毂4、铜合金板材5、牵引轮毂6、保温腔外壳7，轧制轮毂4的正下方设有感应加热圈4，感应加热圈4的正下方为保温腔，保温腔外壳7的左侧设有带滚花轮毂2，另一侧设有牵引轮毂6；保温腔外壳7内部设有保温腔8，一侧设有多个进料口模具9, 保温腔8顶部设有挡板10，挡板10中部设有出料口模具11，钢线材1从进料口模具9进入，从出料口模具11拉出，与水平方向呈30°~45°夹角

实施例1

本发明实施例所使用的保温腔，温度910℃，分别有五个对应的模具进料口和出料口，可以更换不同内径的模具以满足生产的需要；如图3所示。进料方向的轮毂带有滚花，以满足钢线材表面粗糙度的要求；具体成形步骤如下：

（1）本实施例钢线材料为45钢，直径为Φ2mm。铜合金铸态板材为ZcuSn10P1，宽120mm，高30mm；测得测得ZCuSn10P1铜合金固相线温度为877.1℃，液相线温度为1025.2℃，拉线速度为2.85×10^-3m/s。

（2）将保温腔进料口，出料口模具进行安装，进料口模具内径为2mm，正公差0.02，出料口模具内径为3mm，负公差0.01。

（3）将保温腔温度升至910℃时，铸态铜合金送入轧制轮毂中开始轧制，轧制后铜合金厚度为24.3mm，变形量为19%。

（4）对感应加热线圈通电，将轧制铜合金坯料加热至910℃并保温5s，保温结束后半固态铜合金坯料流入保温腔中进行保温。

（5）钢线材开始送料，通过滚花轮毂时获得表面粗糙的钢线材，通过保温腔时半固态铜合金浆料包覆在钢线材表面，通过出料口对包覆材料外径进行限制，为3mm，负公差0.01，随后空冷至室温，获得铜包钢复合材料。

实施例2

本发明实施例所使用的保温腔，温度920℃，分别有五个对应的模具进料口和出料口，可以更换不同内径的模具以满足生产的需要；如图2所示。进料方向的轮毂带有滚花，以满足钢线材表面粗糙度的要求；具体成形步骤如下：

（1）本实施例钢线材料为Q235，直径为Φ4mm。铜合金铸态板材为ZcuSn10P1，宽120mm,高30mm。测得测得ZCuSn10P1铜合金固相线温度为877.1℃，液相线温度为1025.2℃，拉线速度为2.85×10^-3m/s。

（2）将保温腔进料口，出料口模具进行安装，进料口模具内径为4mm，正公差0.02，出料口模具内径为5mm，负公差0.01。

（3）将保温腔温度升至920℃时，铸态铜合金送入轧制轮毂中开始轧制，轧制后铜合金高度为24.0mm，变形量为20%。

（4）对感应加热线圈通电，将轧制铜合金坯料加热至920℃并保温10s，保温结束后半固态铜合金坯料流入保温腔中进行保温。

（5）钢线材开始送料，通过滚花轮毂时获得表面粗糙的钢线材，通过保温腔时半固态铜合金浆料包覆在钢线材表面，通过出料口对包覆材料外径进行限制，为5mm，负公差0.01，随后空冷至室温，获得铜包钢复合材料。

实施例3

本发明实施例所使用的保温腔，温度950℃，分别有五个对应的模具进料口和出料口，可以更换不同内径的模具以满足生产的需要；如图3所示；进料方向的轮毂带有滚花，以满足钢线材表面粗糙度的要求；具体成形步骤如下：

（1）本实施例钢线材料为16Mn钢，直径为Φ10mm；铜合金铸态板材为ZcuSn10P1，宽120mm,高30mm。测得测得ZCuSn10P1铜合金固相线温度为877.1℃，液相线温度为1025.2℃，拉线速度为2.85×10^-3m/s。

（2）将保温腔进料口，出料口模具进行安装，进料口模具内径为10mm，正公差0.02，出料口模具内径为11mm，负公差0.01。

（3）将保温腔温度升至950℃时，铸态铜合金送入轧制轮毂中开始轧制，轧制后铜合金高度为25.2mm，变形量为16%。

（4）对感应加热线圈通电，将轧制铜合金坯料加热至950℃并保温12s，保温结束后半固态铜合金坯料流入保温腔中进行保温。

（5）钢线材开始送料，通过滚花轮毂时获得表面粗糙的钢线材，通过保温腔时半固态铜合金浆料包覆在钢线材表面，通过出料口对包覆材料外径进行限制，为11mm，负公差0.01，随后空冷至室温，获得铜包钢复合材料。

通过测试发现，本发明实施例1~3制备得到的铜包钢复合材料表面韧性比普通的钢材表面韧性好，整体强度比普通铜合金要高，铜钢界面结合紧密，强度好，说明本发明铜包钢复合材料确实能在一定层度上提高过渡界面组织的致密性，使其达到外韧内硬，拓宽了合金材料的适用范围，降低了复合材料的生产成本，提高了生产效率。

Claims (4)

1.一种铜包钢复合材料连续半固态成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对铜合金铸态板材进行轧制，轧制后的铜合金铸态板材通过感应加热线圈加热，加热至890~980℃，进行保温5~30s，保温结束后半固态铜合金坯料流入保温腔中进行保温；

（2）钢线材开始送料，通过带滚花轮毂时获得表面粗糙的钢线材，钢线材通过保温腔时半固态铜合金浆料包覆在钢线材表面，随后空冷至室温，获得铜包钢复合材料；

步骤（1）中轧制的条件为：冷轧，变形量为15%~20%；通过出料口模具对包覆材料外径进行限制，钢线材的直径为2~12mm，包覆以后铜包钢复合材料的直径为3~13mm。

2.根据权利要求1所述铜包钢复合材料连续半固态成形方法，其特征在于：步骤（2）中牵引速度为2.5×10-3m/s~5×10-3m/s。

3.权利要求1所述铜包钢复合材料连续半固态成形方法所用装置，其特征在于：装置包括带滚花轮毂（2）、感应加热线圈（3）、轧制轮毂（4）、牵引轮毂（6）、保温腔外壳（7），原材料包括钢线材（1）和铜合金铸态板材（5），轧制轮毂（4）的正下方设有感应加热线圈（3），感应加热线圈（3）的正下方为保温腔外壳（7），保温腔外壳（7）的左侧设有带滚花轮毂（2），右侧设有牵引轮毂（6）。

4.根据权利要求3所述装置，其特征在于：保温腔外壳（7）内部设有保温腔（8），一侧设有多个进料口模具（9），保温腔（8）顶部设有挡板（10），挡板（10）中部设有出料口模具（11），钢线材（1）从进料口模具（9）进入，从出料口模具（11）拉出，与水平方向呈30°~45°夹角。