一种热喷涂预置钎料热轧制备复合板的方法

摘要

本发明属于金属材料加工领域，特别是涉及一种金属复合板的制造方法。其特征在于：首先将两块金属板的待复合表面清洗、粗化处理，然后在覆板或基板的二者结合处表面上均匀地喷涂一薄层钎料层，再叠合覆板与基板，以10～30%范围的轧制变形率进行轧制，获得压延复合板。本发明的目的在于解决复合板需要轧制的变形量大，在大气环境下加工复合板时出现的界面上基板和覆板的氧化问题而导致结合不良和质量不稳定的问题。

说明书

技术领域：

本发明属于金属材料加工领域，特别是涉及一种金属复合板的制造方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，许多领域对材料的品种和性能提出了更高的要求， 迫切需要具有优良综合性能的材料，例如，人们希望这些材料具有使用寿命长、 安全可靠，高的强度、韧性和更小的比重，有时还需要复合材料具有优良的耐 热性和耐腐蚀性，而且价格低，能够节约稀贵金属。然而，在单一的金属材料 上同时实现以上这些性能要求是不可能的；但是，通过几种物理性能相异材料 的相互复合，就可以实现这些功能。金属复合板是借助某种技术将两种或多种 不同材质或性能的材料复合在一起的层状材料。通过科学地选择材料组元，合 理的设计复层结构，可以满足不同工作场合的应用需要。由于金属复合板的优 异性能，它的应用和制造也越来越受到人们的重视。

对层压复合材料的研究始于20世纪30年代，主要采用轧制法、铸造法、 爆炸法、扩散焊法等方法生产铝、钛、钢等金属与合金的复合材料，尤其在冷 轧复合方面的研究比较深入。后来，美国人率先提出金属层压复合的三步工艺， 即：表面处理--轧制复合--退火强化处理，这项技术使双金属室温固相复合得到 了迅速的发展。目前，英、法、德等发达国家对复合材料的研究已达到较高水 平，并得到了广泛的应用。日本在复合材料方面的研究起步较晚，但其发展十 分迅速，近年来已成为从事金属复合研究最多的国家之一；特别是20世纪90 年代以后，对金属复合板的研究更是取得了多项成果和专利，尤其在阶梯式加 热复合及温轧复合方面取得了令人瞩目的研究成果。复合板的生产方式主要有 固-液相复合法和固相复合法。固-液复合法的工作环境比较恶劣，而且复合温度、 各层厚度等方面的控制难度较大。固相复合法具有生产效率高，生产成本低， 无污染，节约能源，成材率高的特点，因此，采用固相复合技术是我国现阶段 层状金属复合板生产的发展趋势。

我国对金属层状复合材料的研究起始于20世纪60年代初，主要生产方式 有爆炸复合法、爆炸+轧制(冷轧、热轧)复合法、包浇(固-液结合)+轧制复合法等。 其中热轧复合法由于界面结合较差，结合面抗剪强度较低以及复层金属厚度不 均等没有大面积的普及。现阶段我国双金属复合板的生产中，爆炸+轧制复合法 已经比较成熟。爆炸复合法投资少、成本低，不需要复杂的大型设备，只要有 爆炸场地即可生产。爆炸复合通过强大的爆破力作用实现不同金属原子的紧密 结合，通过金属键形成牢固的焊接界面，实现基层和复层牢固的冶金结合。但 是爆炸复合法工艺繁杂，生产效率低，难以实现大规模、连续化生产，而且工 作环境恶劣，噪音大，污染环境，是该方法的缺点。爆炸复合法主要适用于单 张面积较大、板材较厚的双层或多层复合板的生产。

轧制复合法是借助大的压下量轧制两层或多层金属和合金，依靠原子间金 属键的相互吸引力而使组元层结合起来的一种复合技术。根据轧制复合时是否 加热可以分为热轧复合和冷轧复合。这种方法一般包括三个步骤：表面处理、 轧制复合和扩散退火。轧制复合可以进行成卷连续生产，各金属组元层的厚度 均匀，产品尺寸精确，性能稳定，生产效率高、成本低，易于实现大规模工业 化生产。轧制复合法可以生产不同厚度和表面质量较高的层状复合板，但复合 板的宽度受到轧机能力的限制。

多层复合板除了在石油化工及食品工业领域得到广泛应用外，在人们日常 生活中，尤其在炊具制造领域也有极大的市场。就炊具材料而言，不锈钢、低 碳钢、钛、铝等金属间的相互组合制成的多层复合材料有其独特的优势。我国 现阶段制造的炊具基本上都是采用铝、铝合金、生铁、不锈钢等单一材料来制 作。由于材料固有的物理、化学特性的局限，由单一材料制作的炊具在内，在 品质和外观方面很难兼顾。而由于复合板制成的炊具可以在化学、物理性能上 互补弥补、组合，不仅可以改善了炊具外观形貌和使用性能，而且可以明显地 提高炊具产品的档次和市场竞争力。现在复合材料炊具制品发展十分迅速，正 在逐渐取代单一材料制品，成为目前世界炊具制造的趋势。所以开发出能够满 足炊具使用性能要求，符合安全、环保、健康、节能标准的多层金属复合材料 有着很迫切的需求。

炊具领域需要的复合材料主要集中在厚度小于3mm的薄板范围。随着制备 技术的不断发展和相关理论研究的深入，轧制复合法在复合板的生产中逐渐成 为制造薄复合板的主流工艺。但是，直接轧制复合法还存在诸如在大气中轧制 后复合板由于界面氧化导致结合不良和质量不稳定的问题。此外，采用直接轧 制复合法需要获得至少60％以上的材料变形率，对于幅面较大的复合板，再结 晶温度较高，或者硬度较高的金属材料就必须具备更大吨位的轧机。

镁合金比强度高，在汽车、航空、电子通讯等许多领域都有很大的需求， 但是，镁合金的耐腐蚀性很差，极大地限制了镁合金的使用范围。为解决这些 问题，人们通过在镁合金表面覆盖耐蚀性好的锌或铝涂层的方法提高镁合金零 部件或设备的耐腐蚀性能。其中，镁/铝复合板是有效地解决方法之一。但是， 由于镁的塑性较差，在镁合金允许的变形范围内，使用常规的轧制方法很难获 得结合可靠的镁/铝复合板。所以寻求能够很好地解决上述问题的可行的复合 板制造方法是当今材料加工工程领域内的一个重要研究方向。

发明内容：

发明目的：

本发明提供一种热喷涂预置钎料热轧制备复合板的方法，其目的在于解决 复合板需要轧制的变形量大，在大气环境下加工复合板时出现的界面上基板和 覆板的氧化问题而导致结合不良和质量不稳定的问题。

技术方案：

一种热喷涂预置钎料热轧制备复合板的方法，其特征在于：首先将两块金属 板的待复合表面清洗、粗化处理，然后在覆板或基板的二者结合处表面上均匀 地喷涂一薄层钎料层，再叠合覆板与基板，以10～30％范围的轧制变形率进行 轧制，获得压延复合板。

热喷涂钎料层的厚度为20～30微米。

热喷涂钎料层的喷涂方法是电弧喷涂或氧乙炔火焰喷涂。

在覆板或基板的二者之一表面上均匀地喷涂一薄层钎料层。

热喷涂钎料层所使用的钎料是实芯材料或药芯包覆钎料丝，钎料的直径为 2～3mm的丝材。

热喷涂钎料层所使用的钎料是锌基钎料、铝基钎料，银基或铜基钎料中的 一种；银基钎料的润湿性与焊接性最好，但经济因素是其应用的限制性环节。

在预置钎料涂层表面涂刷少许钎剂用以改善界面润湿性。

电弧喷涂的工艺参数为：对于直径为2mm的锌基合金钎料丝材，电弧电压 29～31V，工作电流100～150A，喷枪与工件距离150～180mm，雾化空气压力 0.5～0.6Mpa；对于直径为2mm的铝基合金钎料丝材，电弧电压31～32V，工作 电流120～180A，喷枪与工件距离150～180mm，雾化空气压力0.5～0.6Mpa。 对于直径为2mm的铜基合金钎料丝材，电弧电压32～34V，工作电流150～ 220A，喷枪与工件距离150～180mm，雾化空气压力0.5～0.6Mpa。

加热轧制后的复合板再经过加热扩散处理，加热扩散的温度取决于复合板中 最低熔点的组元及钎料的种类。扩散保温时间取决于复合板的总厚度，厚度大， 保温时间长。例如，选用铝作为复合板的基板，使用锌基钎料焊接时，扩散温 度一般是450～550℃。

对扩散处理后的复合板进一步地做冷轧加工，冷轧加工的变形率小于等于 10％。

本发明的有益效果是：

与常规轧制方法比较，采用本发明的方法制备的金属复合板具有变形率小， 复合板界面结合强度高。尤其对于复合板两组元熔点差异较大的情况下，更有 优势。例如，在常规轧制法制造纯铝/不锈钢复合板过程中，由于轧制温度在不 锈钢的再结晶温度点以下，很大的变形量将导致不锈钢很大的加工硬化，强度 增加，塑性降低，从而造成后续的制造炊具制品过程中出现质量问题。采用本 发明的工艺，减小了轧制变形量的要求，就可以避免上述问题。

具体实施方式：

本发明提供了一种结合热喷涂技术的轧制金属复合板制造工艺。该技术可 用于制造钛、铝、低碳钢、不锈钢等金属组合的多层复合板制造。本发明的热 喷涂预置钎料热轧制备复合板技术是利用电弧喷涂或火焰喷涂方法，预先在覆 板或基板的待结合面上均匀地喷涂一层很薄的钎料，然后通过加热轧制；钎料 层熔化，在相对较小的变形量条件下，使复合板的覆板与基板可靠地结合在一 起。钎料不但作为两个异种材料连接的可靠过渡层，还可以在加热过程中对覆 板或基板给予有效的氧化防护。采用本发明制作金属复合板的组元金属有多种 材料，例如，纯钛、低碳钢、不锈钢、铝、铜等。其中选用的覆板厚度可以在 很宽范围，从几百微米到数毫米，基板的厚度可以更厚一些。

本发明涉及的具体工艺步骤如下：

1、在本发明的方法中，通常选择在厚度较大或者熔点较高的金属组元一侧 预置钎料层，对不需要预置钎料的组元金属的轧制前准备步骤与常规轧制复合 方法基本相同，包括：除油、钢丝刷打磨去除表面氧化物和污物。

2、对于需要预置钎料层的组元金属表面在除油处理后，经过砂轮或砂带打 磨处理或使用化学刻蚀方法粗化与清理待复合的组元金属表面。

3、经过表面处理后，应尽快在待复合组元表面喷涂一薄层的钎料。钎料可 选择锌基钎料、铝基钎料或铜基钎料中的一种。预置钎料喷涂方法既可以是电 弧喷涂，也可以选择氧乙炔火焰喷涂方法。根据复合板两个组元的性质，可选 择不同的钎料种类。其中，纯钛/铝或不锈钢/铝组合可以选择熔点在400～550 ℃间的锌基或铝基钎料。例如，熔点在400～500℃间的锌-铝-铜或锌-铝-镍三元 合金钎料，以及熔点更高一些的铝-硅-铜-锌四元合金钎料。对于不锈钢、低碳 钢和钛的组合可以选择熔点在600～900℃间的银基或铜基钎料。

电弧喷涂使用的钎料形式是直径为2～3mm的丝材。电弧喷涂的工艺参数选 择取决于使用丝材的种类和直径。例如，对于直径为2mm的锌基合金钎料丝材， 电弧喷涂的工艺参数为：电弧电压29～31V，工作电流100～150A，喷枪与工 件距离150～180mm，雾化空气压力0.5～0.6Mpa。对于直径为2mm的铜基合 金钎料丝材，电弧喷涂的工艺参数为：电弧电压32～34V，工作电流150～220A， 喷枪与工件距离150～180mm，雾化空气压力0.5～0.6Mpa。预置钎料层的厚度 一般在20～30μm，均匀喷涂。在轧制温度下，预置的钎料发生熔化、流淌、 润湿，并且在轧制压力下扩大其覆盖表面，所以并不需要预置钎料完全覆盖组 元金属的表面。

4、对于较难去除氧化膜的组元金属，可以在预置钎料层后，喷涂或涂刷溶 于乙醇或其它可挥发溶剂中的钎剂。钎剂的选择原则是：与钎料匹配，腐蚀性 小，施加量少。例如，锌基或铝基钎料可以使用氯化物和氟化物，银基或铜基 钎料可以使用硼化物。

5、将已经预置钎料的组元金属与另一待复合的金属组元表面相对叠合在一 起，使用氩弧焊或机械固定的方法固定连接两金属组元的边缘。

6、根据复合金属组元中具有最低熔点的金属，选择加热处理的温度范围。 例如，纯铝/纯钛复合时，选择的热处理温度在480～550℃之间。纯钛/低碳钢 的加热温度范围在820～920℃之间。加热保温时间确定依据复合板最厚组元的 厚度。

7、把加热的复合板坯在两棍轧机或四辊轧机上，以10～30％范围的轧制变 形率进行轧制，获得压延复合板。

8、加热轧制后的复合板再经过加热扩散处理，加热扩散的温度取决于复合 板中最低熔点的组元。例如，纯铝/纯钛复合时，选择的加热扩散温度为450～ 550℃之间。纯钛/低碳钢的加热温度范围在750～850℃之间。扩散加热的保温 时间确定依据复合板的厚度。

9、根据需要，对扩散处理后的复合板还可以进一步地做冷轧加工，冷轧加 工的变形率通常≤10％。冷轧加工后通常还要经过去应力处理。

实施例1：

1、选用300X 200mm，厚度为0.3mm的纯钛板作为覆板。钛板表面先经过丙 酮去脂处理，再经过酸洗去除表面氧化膜。酸洗溶液配制：10-20％(150-300g/L) 硝酸(70％)+1-2％(12-24g/L)氢氟酸(60％)+水，使用温度48-52℃，然后 清水冲洗、吹干。

2、选用300X 200mm，厚度为3mm的纯铝板作为基板。纯铝板的前处理方 式为：首先用钢丝刷打磨，然后选用碳酸钠50份，铬酸钾15份，氢氧化钠25 份，水1000份配制清理溶液。在80℃温度下处理25～30分钟，取出用热水冲洗， 吹干。

3、铝板经前处理后立即进行电弧喷涂直径为3mm的锌-铜-铝钎料层。钎料 的化学成分为：6％Al，3.5％Cu，Zn余量，钎料熔点为400℃。

4、电弧喷涂锌-铜-铝钎料层的工艺参数为：电弧电压30V，工作电流150A， 喷枪与工件距离160mm，雾化空气压力0.6Mpa。喷涂时快速地移动喷涂枪，预 置钎料层均匀地覆盖在铝基板的待复合表面上，覆盖面积50％左右，厚度大约 20～30μm。

5、将已经预置钎料的铝板表面与待复合的纯钛表面相对叠合在一起，使用 铆钉固定的方法固定住叠合板的四个角。

6、在500℃的热处理温度下，加热保温时间20分钟后，取出，立即轧制。

7、把加热的复合板坯在两棍轧机上，以15％的轧制变形率进行轧制，获得 钛/铝压延复合板。

8、加热轧制后的复合板再经过加热扩散处理，加热扩散温度为450℃，保 温时间120分钟。

9、对扩散处理后的复合板再做冷轧加工，冷轧加工的变形率通常5％左右。 冷轧加工后在450℃做去应力处理，即得到钛/铝压延复合板。

实施例2：

1、选用300X 200mm，厚度为4mm的AZ91镁合金板作为基板。镁合金板表 面先经过丙酮去脂处理，然后清水冲洗、吹干，再用钢丝刷打磨去除表面氧化 膜和粗化处理。

2、选用300X 200mm，厚度为1mm的纯铝板作为覆板。纯铝板的前处理方 式为：先经去脂处理，再用钢丝刷打磨去除表面氧化膜和粗化处理。

3、将经预处理后的镁合金板及铝板复合面立即电弧喷涂锌-铜-铝钎料层。钎 料的化学成分为：6％Al，3.5％Cu，Zn余量，钎料熔点约为400℃。钎料为直 径3mm的丝状形式。

4、电弧喷涂铝-铜-锌三元合金钎料层的工艺参数为：电弧电压30V，工作电 流120A，喷枪与工件距离160mm，雾化空气压力0.6Mpa。喷涂时快速地移动 喷涂枪，分别预置钎料层均匀地覆盖在铝覆板和镁合金基板的待复合表面上， 覆盖厚度大约20～30μm。

5、将已经预置钎料的铝板表面与待复合的低碳钢表面相对叠合在一起，使 用铆钉固定的方法固定住叠合板的轧制送入端的两个角，并用细铁丝固定住叠 合板的尾部。

6、在450℃的热处理温度下，加热保温时间15分钟后，取出，立即轧制。

7、把加热的复合板坯在两棍轧机上，以10％的轧制变形率进行轧制，获得 铝/镁合金压延复合板。

8、加热轧制后的复合板再经过加热扩散处理，加热扩散温度为450℃，保 温时间60分钟。

对扩散处理后的复合板可以再做成形加工或直接使用。对一些在特殊环境 下、需要特殊的复合板材才进行加热扩散处理和去应力处理，一般通过热轧制 后即可得到合格的复合板材。

在实施的过程中，如果复合板的两个组元在加热过程中都有生严重氧化倾 向，则需要在覆板和基板的待复合上都可喷涂一薄层钎料层。如果只是一侧氧 化严重，为节省成本，可以只选择在这一侧喷涂钎料层。钎料是实芯材料或药 芯包覆钎料丝，钎料的直径为2～3mm的丝材。钎料可选择锌基钎料、铝基钎 料或铜基钎料中的一种。至于其他钎料如银基钎料、锡铅钎料、镍基钎料都可 以根据复合板的性质组合选用。

热喷涂钎料层的厚度为20～30微米为效果最佳，超过这一范围只能增加生 产成本，没有其它益处。因为在轧制变形过程中，多余的熔化钎料被挤出复合 面。在随后的加热扩散处理过程中，复合界面处低熔点钎料中的合金元素将与 两侧组元金属发生互扩散，其结果是界面熔点提高，结合面更加可靠。

采用喷涂钎料层，在以10～30％的总变形率进行轧制，即可获得结合良好的 压延复合板；相比之下，常规压延复合方法至少需要60％以上的总变形率。力学 性能测试结果表明，采用本发明技术制备的钛/铝复合板和低碳钢/铝都具有很好 的界面结合强度高，经过90度弯曲试验，结合层结合良好，无明显分离现象。