快速电磁感应加热制备双金属复层材料的装置及方法
技术领域
本发明涉及双金属复层材料技术领域，特别是涉及一种快速电磁感应加热制备双金属复层材料的装置及方法。
背景技术
双金属复层材料是利用复合技术将两种具有不同性能的金属管材以层状方式在界面处实现牢固结合的新型材料，由于其先进的生产工艺并结合了两种金属各自的特点，在材料性能和优化方面突破了传统技术，具有单一金属所不能比拟的优异特性，已广泛应用于航空航天、军事兵器、交通运输、电子信息等多个领域。
目前制备金属复层材料的方法较多，按照其结合过程中界面处金属状态大致可分为以下两类：“固态—液态复合”和“固态—固态复合”。如果按照结合过程中的工艺属性等划分，“固态—液态复合”包括铸造复合法、热浸镀法、包覆铸造成型法等，而“固态—固态复合”又包括轧制复合法、挤压复合法、爆炸复合法等。
固/液复合方法适合于铸造合金复合或者较大双金属复合材料铸坯。然而在界面复合过程中，固态材料表面会存在或多或少的金属氧化物，不利于双金属全界面冶金复合，并且复层材料制备过程中液态金属凝固组织对其性能影响很大。
举例来说，发动机轴瓦是典型的双金属复合材料，是由钢背和铜基减摩层组成，充分利用了钢背的强度以及减摩铜合金的自润滑性和嵌藏性。目前，广泛使用的复合板材料是铜铅锡合金—碳素钢轴瓦材料，其主要制备方法有粉末冶金烧结轧制、复合静止浇注法、离心浇注法、颗粒感应离心浇注法等方法。但是其均存在自身的缺点，例如：
采用粉末冶金烧结轧制复合法得到轴瓦材料组织致密度低，界面结合较差；静止浇注法存在着铸造缺陷及Pb元素偏析等问题；离心浇注法和颗粒感应离心浇注法Pb元素偏析严重，质量稳定性较差。
申请号为200810150089.4的发明专利公开了一种连铸热复合装置及制备铜铅合金-钢轴瓦材料的方法，其加热装置为感应加热以及辐射加热，不存在保温加热装置，且加热区间较长，加热效率低，末端层凝固组织及富铅相的形貌分布易受到强冷却的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速电磁感应加热制备双金属复层材料的装置及方法，用于改善钢背-减摩铜合金复合材料品质。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种快速电磁感应加热制备双金属复层材料的装置，包括由前至后依次设置的结合装置、保温装置、自动测温及控制装置、冷却装置和牵引装置；所述结合装置包括密封箱体、充型装置、中频熔炼炉、高频感应加热线圈和氩气保护装置，所述密封箱体的纵向两端设有供钢板穿过的通槽；所述充型装置的下端位于所述密封箱体内；所述中频熔炼炉下端的熔体出口与所述充型装置的上端相连；所述高频感应加热线圈位于所述密封箱体内且位于所述充型装置前侧；所述氩气保护装置安装于所述密封箱体上，用于向所述密封箱体内充入氩气；钢板的横向两侧边缘向上弯曲形成凹槽，减摩铜合金熔体流入凹槽内。
优选地，所述结合装置还包括熔体流量控制装置，所述熔体流量控制装置位于所述中频熔炼炉内。
优选地，所述充型装置包括倾斜设置且相互连通的第一导向槽和第二导向槽，所述第一导向槽的槽底为矩形，所述第二导向槽的槽底为梯形，所述第一导向槽的下端与所述第二导向槽的上端连通，所述第二导向槽的槽底垂直固定有多个导流隔板，多个所述导流隔板的上端将所述第二导向槽的槽底上端等分，多个所述隔板的下端将所述第二导向槽的槽底下端等分。
优选地，所述高频感应加热线圈位于钢板下方的部分为下凸的弧形结构，使钢板下侧两条边缘与所述高频感应加热线圈的距离比钢板下侧中部与所述高频感应加热线圈的距离小。
优选地，所述冷却装置包括水冷装置和气冷装置，所述水冷装置位于钢板下方，用于对冷却钢板，所述气冷装置位于减摩铜合金熔体上方，用于冷却减摩铜合金熔体。
本发明还公开了一种快速电磁感应加热制备双金属复层材料的方法，使用上述的快速电磁感应加热制备双金属复层材料的装置，包括如下步骤：
1)称量原材料阴极铜、纯铅、纯锡，配成成分为Cu-24wt.％Pb-2wt.％Sn；
2)通过中频熔炼炉熔炼出成分均匀的减摩铜合金熔体；
3)对钢板进行清洗处理，采用在线打磨方式初步获得清洁表面；
4)在氩气保护装置作用下，通过高频感应线圈将钢板在2-3s内加热至600-1200℃；
5)打开熔体流量控制装置，减摩铜合金熔体流经充型装置均匀流到钢板上；
6)钢板及减摩铜合金熔体在牵引装置的作用下匀速向前牵引，牵引速度为0.5-4m/min；
7)开启保温装置的电源，在自动测温及控制装置的帮助下，减摩铜合金熔体表面温度维持在1000-1150℃；
8)当钢板及减摩铜合金熔体经过冷却装置时，开启冷却装置，冷却钢背-减摩铜合金复合材料。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明利用快速电磁感应加热制备高品质双金属复合材料，一方面减少钢板在高温区停留时间，减少钢板氧化，另一方面，对于已经形成的氧化铁来说，利用钢板与氧化物之间的热膨胀系数的差别，使氧化物在快速加热过程中承受拉应力，当拉应力超过氧化铁的断裂强度以及与钢背的分离应力后，便会发生脱落。新鲜的钢背基体便与高温铜合金溶体直接接触，发生Cu与Fe元素的互扩散，从而形成钢背-减摩铜合金复合材料的界面冶金结合。
2、本发明利用快速感应加热可使钢背在高温区停留时间缩短，减少或抑制钢背材料高温奥氏体晶粒长大及粗化，抑制在冷却过程中形成的有害魏氏体组织；本发明通过设置保温装置，适当延长或增加中温阶段时间，以此促进有益铁素体的形核及生长；本发明通过设置冷却装置，在低温阶段，促进贝氏体的形成并适当控制其含量，有效避免马氏体的产生。通过以上有效精准调控，使得钢背材料形成最适比例且兼具最优性能匹配的铁素体和贝氏体微观组织。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例快速电磁感应加热制备双金属复层材料的装置的结构示意图；
图2为图1中充型装置的结构示意图；
附图标记说明：1.氩气保护装置；2.高频感应加热线圈；3.充型装置；4.密封箱体；5.钢板；6.钢背-减摩铜合金复合材料；7.减摩铜合金熔体；8.熔体流量控制装置；9.中频熔炼炉；10.保温装置；11.冷却装置；12.自动测温及控制装置；13.牵引装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种快速电磁感应加热制备双金属复层材料的装置及方法，用于改善钢背-减摩铜合金复合材料品质。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-2所示，本实施例提供一种快速电磁感应加热制备双金属复层材料的装置，包括由前至后依次设置的结合装置、保温装置10、自动测温及控制装置12、冷却装置11和牵引装置13。
其中，结合装置包括密封箱体4、充型装置3、中频熔炼炉9、高频感应加热线圈2和氩气保护装置1，密封箱体4的纵向两端设有供钢板5穿过的通槽。中频熔炼炉9下端的熔体出口与充型装置3的上端相连，充型装置3的下端位于密封箱体4内，中频熔炼炉9下端流出的减摩铜合金熔体7流经充型装置3并均匀铺在钢板5上。高频感应加热线圈2位于密封箱体4内且位于充型装置3前侧。氩气保护装置1安装于密封箱体4上，用于向密封箱体4内充入氩气。钢板5的横向两侧边缘向上弯曲形成凹槽，减摩铜合金熔体7流入凹槽内。理论上减摩铜合金熔体7充满凹槽，凹槽深度即减摩铜合金熔体7的厚度。
钢板5在牵引装置13的牵引下，依次经过结合装置、保温装置10、自动测温及控制装置12、冷却装置11和牵引装置13。自动测温控制装置测得减摩铜合金熔体7的温度后，用于辅助调节保温装置10，调整保温温度。
为了便于对减摩铜合金熔体7的流量进行控制，本实施例的结合装置还包括熔体流量控制装置8，熔体流量控制装置8位于中频熔炼炉9内。
为了提高减摩铜合金熔体7在钢板5上分布的均匀性，本实施例的充型装置3包括倾斜设置且相互连通的第一导向槽和第二导向槽。第一导向槽的槽底为矩形，第二导向槽的槽底为梯形，第一导向槽的下端与第二导向槽的上端连通。第二导向槽的槽底垂直固定有多个导流隔板，多个导流隔板的上端将第二导向槽的槽底上端等分，多个隔板的下端将第二导向槽的槽底下端等分。导流隔板将第二导向槽分为多个流道，由于多个导流隔板的上端将第二导向槽的槽底上端等分，则流入多个流道的减摩铜合金熔体7的流量相同。又由于多个隔板的下端将第二导向槽的槽底下端等分，则多个流道下端流出的减摩铜合金熔体7厚度相同，实现在钢板5上的均匀分布。
为了提高钢板5边缘部位的加热效果，本实施例中高频感应加热线圈2位于钢板5下方的部分为下凸的弧形结构，使钢板5下侧两条边缘与高频感应加热线圈2的距离比钢板5下侧中部与高频感应加热线圈2的距离小。
本实施例中，冷却装置11包括水冷装置和气冷装置。水冷装置位于钢板5下方，用于对冷却钢板5。气冷装置位于减摩铜合金熔体7上方，用于冷却减摩铜合金熔体7。
本实施例还提供一种快速电磁感应加热制备双金属复层材料的方法，使用上述的快速电磁感应加热制备双金属复层材料的装置，包括如下步骤：
1)称量原材料阴极铜(纯度99.97wt.％)、纯铅(纯度99.97wt.％)、纯锡(纯度99.97wt.％)，配成成分为Cu-24wt.％Pb-2wt.％Sn。
2)通过中频熔炼炉9熔炼出成分均匀的减摩铜合金熔体7。
3)对钢板5进行清洗处理，采用在线打磨方式初步获得清洁表面，以利于后期复合。本实施例中，钢板5采用JAE1010碳素钢板5，其宽度为100-300mm。
4)在氩气保护装置1充入的氩气保护下，通过高频感应线圈将密封箱体4内的钢板5在2-3s内加热至600-1200℃。钢板5下侧边缘处离钢板5比较近，从而可以使钢板5下侧边缘位置加热温度比钢板5下侧中部加热温度高50-100K，保证在钢板5边缘部位都可使其与铜合金发生良好的冶金结合。
5)打开熔体流量控制装置8，减摩铜合金熔体7流经充型装置3均匀流到钢板5上。减摩铜合金熔体7在钢板5上铺展厚度可以控制为3-6mm，单位时间内熔体流量0.2-0.3m3/h。
由于钢板5在高温加热过程中会不同程度的发生氧化现象，在快速加热过程中氧化物与钢板5基体由于热膨胀系数的差别也会同时发生开裂。在高温加热时，氧化物会生长，其厚度与时间t成线性关系，可以表示为：
X＝kt
式中，X为氧化物厚度，k为线性氧化系数。
在高温时，钢板5以及氧化物存在热膨胀系数的差异，例如在合金温度为1000℃时，钢背与氧化物(Fe2O3)的线性热膨胀系数差别约3×10-6，因此二者之间产生的应变差为0.36％。
在Fe/Fe2O3界面约束情况下，界面应力超过氧化膜的断裂强度时，氧化物便会发生裂纹，快速电磁感应加热条件下钢板5表面氧化物剥落。此外铜合金熔体在流动过程中可以进一步将开裂的氧化铁带入到铜合金内部，在铜合金表面处发现富铁氧化物，可以断定其来源是界面处的富铁氧化物在高温下的开裂剥离导致的，并被带入到合金熔体。
6)钢板5及减摩铜合金熔体7在牵引装置13的作用下匀速向前牵引，牵引速度为0.5-4m/min。
7)开启保温装置10的电源，在自动测温及控制装置12的帮助下，减摩铜合金熔体7表面温度维持在1000-1150℃。本实施例中，保温装置10为电磁感应线圈，其频率为15-30kHz，功率为20-60kW。在自动测温及控制装置12的帮助下，铜合金熔体表面温度维持在1000-1150℃。
8)当钢板5及减摩铜合金熔体7经过冷却装置11时，开启冷却装置11，冷却钢背-减摩铜合金复合材料6。水冷装置的循环恒温冷却水温度及流量分别为15度和0.8-1.2m3/h，气冷装置的冷却气体流量为0.6-0.8m3/h。
经过后续精加工后的双金属复合板界面结合良好，180度弯折实验过程中不发生减摩铜合金层脱落。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
