雙金屬復(fù)合導(dǎo)板的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

張 平 ，張元好 ，常慶明

（1.武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料工程系，湖北 十堰 442002）

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展牽引著工程材料朝著復(fù)合化、高性能化、功能化、結(jié)構(gòu)功能一體化和智能化方向發(fā)展，各行業(yè)對材料的性能提出了更高的要求。各種新技術(shù)、新材料的應(yīng)用越來越廣泛，單一的材料或合金已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)對材料綜合性能的需求[1]。

目前國內(nèi)外的模具導(dǎo)向板都是用銅合金制造，由于導(dǎo)向過程中對導(dǎo)板的沖擊磨損，其導(dǎo)向、定位精度下降，導(dǎo)板失效且難以修復(fù)成為廢銅板，是一個極大的浪費。雙金屬復(fù)合導(dǎo)板不僅能夠克服兩種金屬各自的缺點，而且能夠充分發(fā)揮兩種金屬各自的優(yōu)點，因此雙金屬復(fù)合導(dǎo)板不僅可同時擁有良好的力學(xué)性能和較高的使用壽命，而且適用面廣、成本低廉，所以越來越受到人們的重視。

根據(jù)實現(xiàn)兩種金屬復(fù)合的狀態(tài)，雙金屬復(fù)合板的成型方法主要有固相成型法、液相成型法、固-液相成型法[2-3]。

1 固-固相復(fù)合法

1.1 爆炸焊接法

爆炸焊接法的基本原理為：利用炸藥爆炸產(chǎn)生的強大脈沖應(yīng)力驅(qū)動復(fù)板高速碰撞基板，碰撞點產(chǎn)生的瞬間高壓不僅破壞了金屬板表面的氧化薄膜，使其露出了新鮮潔凈的表面，而且在露出的新鮮金屬表面形成了一薄層具有塑性變形、熔化、擴散以及波形特征的焊接過渡區(qū)，從而實現(xiàn)強固結(jié)合的一種金屬焊接的新工藝和新技術(shù)[4-5]。

爆炸焊接的作用時間短、材料的溫度低，不會發(fā)生界面反應(yīng)。其優(yōu)點是復(fù)合界面上無明顯的擴散過渡層，不會產(chǎn)生脆性的金屬間化合物，產(chǎn)品組織均勻、性能穩(wěn)定。目前，西北有色金屬研究院、太鋼、四川宜賓等很多生產(chǎn)廠家已采用此法生產(chǎn)出多種雙金屬復(fù)合板[6-7]。

爆炸焊接可以完成多種異質(zhì)金屬的復(fù)合，但是爆破場所選擇困難、噪音大，爆炸復(fù)合的板型控制困難，不適于連續(xù)化生產(chǎn)，產(chǎn)量低，效率低[8-9]。

1.2 軋制復(fù)合法

軋制復(fù)合法的基本原理為[10]：金屬基板在軋機強大壓力的作用下，兩層金屬的待復(fù)合表面發(fā)生塑性變形，使表層金屬破裂。潔凈而活化的金屬從破裂的金屬表面露出，在強大軋制力作用下，形成平面狀的冶金結(jié)合。在后續(xù)的熱處理過程中結(jié)合面繼續(xù)擴大，形成穩(wěn)固結(jié)合。

熱軋復(fù)合法成形工藝簡單、成本低，復(fù)合界面結(jié)合強度高，所需軋制力小。目前，北京鋼鐵研究總院的劉江等人采用熱軋法制取了R系列熱雙金屬[10-11]。但是在熱軋過程中，基板加熱、保溫時容易在結(jié)合界面形成脆性的金屬間化合物，加熱保溫設(shè)施要求較高，復(fù)合板的厚度難以控制[12-13]。

冷軋復(fù)合法能從冷軋帶坯開始生產(chǎn)并成卷軋制，成形工藝比熱軋更簡單，產(chǎn)品組織性能穩(wěn)定，零件尺寸精度高，可以實現(xiàn)多組元的結(jié)合。目前，日本的NKK公司采用低速高變形的軋制方法生產(chǎn)的復(fù)合板結(jié)合強度高，表面光潔性好。寶雞有色金屬加工廠、西北有色金屬研究院采用此法己能軋制出各類型雙金屬復(fù)合板。但是在冷軋過程中，變形率往往高達60%～70%，軋制負荷大，對軋機要求高，基板復(fù)合較熱軋困難，其應(yīng)用受到了一定程度的限制[14]。

1.3 爆炸焊接+軋制法

爆炸焊接+軋制法的基本原理為：將經(jīng)過爆炸焊合的復(fù)合板作為基材來進行軋制，最終獲得較大尺寸面積的復(fù)合板、帶的方法。

爆炸+軋制是一種比較靈活可靠的工藝方法，它綜合了爆炸和軋制兩種工藝的優(yōu)點，既可以生產(chǎn)較大尺寸的復(fù)合板也可以生產(chǎn)很薄的板帶復(fù)合材料。目前，太鋼、重鋼五廠、上海浦鋼等均采用該法生產(chǎn)雙金屬復(fù)合板。南京寶色鈦業(yè)有限公司采用該法生產(chǎn)的有色金屬復(fù)合制品已被用于制造汽車、機械零部件。

雖然此工藝較爆炸焊接、軋制復(fù)合有所突破，但是生產(chǎn)率及成材率都比較低，爆炸場所選擇仍然受限。

1.4 粉末燒結(jié)法

粉末燒結(jié)法的基本原理為[15]：先將金屬粉末或預(yù)合金粉和增強相均勻混合，制得復(fù)合坯料，經(jīng)不同的固化技術(shù)制成錠塊，再通過擠壓、軋制、鍛造等二次加工制成型材。傳統(tǒng)的粉末成形技術(shù)的工藝流程是：制取粉末—混料—制模、壓形—燒結(jié)—后續(xù)處理[16]。

用傳統(tǒng)的粉末燒結(jié)法制取的金屬復(fù)合板組織性能均勻，界面結(jié)合穩(wěn)定。目前，東風(fēng)汽車有限公司、江浙一帶的很多廠家采用此法生產(chǎn)軸瓦、軸套等汽車零部件。昆明理工大學(xué)采用金屬粉末-板帶復(fù)合軋制法制備出復(fù)合金屬板帶。

但是粉末燒結(jié)成形的復(fù)合板孔隙率大、力學(xué)性能差，不適宜于載荷大、精密度高的工作環(huán)境，而且該成形工藝工序復(fù)雜、能耗大[17-18]。

2 液-液相復(fù)合法

2.1 電磁連鑄復(fù)合法

電磁連鑄復(fù)合法的基本原理為[19]：將兩種不同的液態(tài)金屬通過不同入口同時注入結(jié)晶器，由于在結(jié)晶器的底部安裝有水平磁場裝置，作用在液態(tài)金屬流上的洛侖磁力垂直穿過水平磁場，抑制了兩種液態(tài)金屬的對流混合，并且以水平磁場為分界線，依靠磁流體力的作用把結(jié)晶器熔池分為上、下兩部分，液態(tài)金屬冷卻凝固后，制得雙金屬復(fù)合板。

該工藝避免了結(jié)合層界面氧化問題，界面結(jié)合強度高，但是產(chǎn)品組織和性能稍差，且厚度不易控制[19-20]。該法目前尚處于研究階段。

2.2 雙結(jié)晶器連續(xù)鑄造法

雙結(jié)晶器連續(xù)鑄造法的基本原理為[21]：首先通過連鑄使得芯材在結(jié)晶器內(nèi)凝固成型，在隔離大氣的情況下，形成凝固坯殼的芯材直接進入包覆層結(jié)晶器內(nèi)，連續(xù)澆注包覆層，制得雙金屬復(fù)合板。

該工藝制取的復(fù)合板，組織性能好，界面結(jié)合強度高。但芯部坯的保護控制比較困難，仍需做進一步的研究。

3 液-固相復(fù)合法

3.1 澆鑄復(fù)合法

澆鑄復(fù)合法的基本原理為[19]：將兩塊基體鋼板預(yù)熱之后疊合在一起，內(nèi)層涂上剝離劑，四周進行焊合達密封狀態(tài)以防止在加熱過程中內(nèi)層氧化，然后放在盛有金屬液的鑄模中，待液態(tài)金屬凝固后立即進行軋制，最后將焊合的密封邊緣部位整體切除，即得到復(fù)合板。

該工藝制取的產(chǎn)品組織性能好，結(jié)合強度高。但由于澆鑄溫度高，基體鋼板表面熔損大，雙金屬的板厚控制困難。

3.2 瞬間液相（TLP）擴散連接

瞬間液相（TLP）擴散連接的基本原理為[22-23]：在待焊金屬間預(yù)置低熔點合金中間層，通過中間層的溶解、等溫凝固、成分與組織的均勻化來實現(xiàn)連接。

瞬間液相擴散連接綜合了釬焊連接方法與固相擴散連接方法兩者的優(yōu)點，同時克服了兩者的不足之處。該工藝制取的雙金屬組織性能均勻，界面結(jié)合強度高。但是該工藝的中間層一般都是價格很高的鎳基非晶合金、銀基合金等，對于大面積的雙金屬復(fù)合應(yīng)用受到了一定程度的限制[24，25]。

3.3 鑄軋復(fù)合法

鑄軋復(fù)合法的基本原理為[19]：將鑄造法與軋制法結(jié)合起來，將固態(tài)金屬的熱浸鍍與液態(tài)金屬的鑄軋技術(shù)進行有機結(jié)合，將液態(tài)金屬連續(xù)澆鑄在固態(tài)基體金屬帶上，使液態(tài)金屬在半凝固狀態(tài)與固態(tài)基體金屬同時進入軋機，利用液態(tài)金屬的高擴散能力和軋制時的高壓使得兩種金屬材料之間形成冶金結(jié)合。

該方法主要適用于低熔點與高熔點金屬的復(fù)合，該工藝成型速度快、成型壓力小、冶金結(jié)合強度高、且節(jié)能減耗，可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)、效率高、成本低。該工藝有著很好的發(fā)展和應(yīng)用前景[26-28]。

4 結(jié)語

綜合以上分析，各種制備方法各有優(yōu)缺點，在一段時間內(nèi)難以完全互相替代，在組合和生產(chǎn)效率等方面還有一系列問題亟待解決。某些制備方法盡管工藝流程短、成本低、具有較強的競爭力，如電磁連鑄法、雙結(jié)晶器連續(xù)鑄造法，但工藝、設(shè)備等不夠完善，需要進一步深入研究論證。某些方法盡管已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn)，如爆炸軋制復(fù)合、粉末燒結(jié)、澆鑄復(fù)合，但在產(chǎn)品規(guī)格和生產(chǎn)成本等方面都具有很大的局限性。

隨著發(fā)展的需要，節(jié)能、環(huán)保的生產(chǎn)工藝是關(guān)鍵，低成本、高性能的復(fù)合板必然是未來的發(fā)展方向。固—液復(fù)合軋制成型速度快、成型壓力小、冶金結(jié)合強度高、且節(jié)能減耗，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)、效率高、成本低，因此該工藝有著很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。隨著工藝和設(shè)備的不斷完善，該生產(chǎn)工藝將會成為研究生產(chǎn)雙金屬復(fù)合導(dǎo)板的主流。

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