双金属复合导板的研究与发展现状

张 平 ，张元好 ，常庆明

（1.武汉科技大学材料与冶金学院，湖北 武汉 430081；2.湖北汽车工业学院材料工程系，湖北 十堰 442002）

现代科学技术的不断发展牵引着工程材料朝着复合化、高性能化、功能化、结构功能一体化和智能化方向发展，各行业对材料的性能提出了更高的要求。各种新技术、新材料的应用越来越广泛，单一的材料或合金已经很难满足现代化生产对材料综合性能的需求[1]。

目前国内外的模具导向板都是用铜合金制造，由于导向过程中对导板的冲击磨损，其导向、定位精度下降，导板失效且难以修复成为废铜板，是一个极大的浪费。双金属复合导板不仅能够克服两种金属各自的缺点，而且能够充分发挥两种金属各自的优点，因此双金属复合导板不仅可同时拥有良好的力学性能和较高的使用寿命，而且适用面广、成本低廉，所以越来越受到人们的重视。

根据实现两种金属复合的状态，双金属复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-固相复合法

1.1 爆炸焊接法

爆炸焊接法的基本原理为：利用炸药爆炸产生的强大脉冲应力驱动复板高速碰撞基板，碰撞点产生的瞬间高压不仅破坏了金属板表面的氧化薄膜，使其露出了新鲜洁净的表面，而且在露出的新鲜金属表面形成了一薄层具有塑性变形、熔化、扩散以及波形特征的焊接过渡区，从而实现强固结合的一种金属焊接的新工艺和新技术[4-5]。

爆炸焊接的作用时间短、材料的温度低，不会发生界面反应。其优点是复合界面上无明显的扩散过渡层，不会产生脆性的金属间化合物，产品组织均匀、性能稳定。目前，西北有色金属研究院、太钢、四川宜宾等很多生产厂家已采用此法生产出多种双金属复合板[6-7]。

爆炸焊接可以完成多种异质金属的复合，但是爆破场所选择困难、噪音大，爆炸复合的板型控制困难，不适于连续化生产，产量低，效率低[8-9]。

1.2 轧制复合法

轧制复合法的基本原理为[10]：金属基板在轧机强大压力的作用下，两层金属的待复合表面发生塑性变形，使表层金属破裂。洁净而活化的金属从破裂的金属表面露出，在强大轧制力作用下，形成平面状的冶金结合。在后续的热处理过程中结合面继续扩大，形成稳固结合。

热轧复合法成形工艺简单、成本低，复合界面结合强度高，所需轧制力小。目前，北京钢铁研究总院的刘江等人采用热轧法制取了R系列热双金属[10-11]。但是在热轧过程中，基板加热、保温时容易在结合界面形成脆性的金属间化合物，加热保温设施要求较高，复合板的厚度难以控制[12-13]。

冷轧复合法能从冷轧带坯开始生产并成卷轧制，成形工艺比热轧更简单，产品组织性能稳定，零件尺寸精度高，可以实现多组元的结合。目前，日本的NKK公司采用低速高变形的轧制方法生产的复合板结合强度高，表面光洁性好。宝鸡有色金属加工厂、西北有色金属研究院采用此法己能轧制出各类型双金属复合板。但是在冷轧过程中，变形率往往高达60%～70%，轧制负荷大，对轧机要求高，基板复合较热轧困难，其应用受到了一定程度的限制[14]。

1.3 爆炸焊接+轧制法

爆炸焊接+轧制法的基本原理为：将经过爆炸焊合的复合板作为基材来进行轧制，最终获得较大尺寸面积的复合板、带的方法。

爆炸+轧制是一种比较灵活可靠的工艺方法，它综合了爆炸和轧制两种工艺的优点，既可以生产较大尺寸的复合板也可以生产很薄的板带复合材料。目前，太钢、重钢五厂、上海浦钢等均采用该法生产双金属复合板。南京宝色钛业有限公司采用该法生产的有色金属复合制品已被用于制造汽车、机械零部件。

虽然此工艺较爆炸焊接、轧制复合有所突破，但是生产率及成材率都比较低，爆炸场所选择仍然受限。

1.4 粉末烧结法

粉末烧结法的基本原理为[15]：先将金属粉末或预合金粉和增强相均匀混合，制得复合坯料，经不同的固化技术制成锭块，再通过挤压、轧制、锻造等二次加工制成型材。传统的粉末成形技术的工艺流程是：制取粉末—混料—制模、压形—烧结—后续处理[16]。

用传统的粉末烧结法制取的金属复合板组织性能均匀，界面结合稳定。目前，东风汽车有限公司、江浙一带的很多厂家采用此法生产轴瓦、轴套等汽车零部件。昆明理工大学采用金属粉末-板带复合轧制法制备出复合金属板带。

但是粉末烧结成形的复合板孔隙率大、力学性能差，不适宜于载荷大、精密度高的工作环境，而且该成形工艺工序复杂、能耗大[17-18]。

2 液-液相复合法

2.1 电磁连铸复合法

电磁连铸复合法的基本原理为[19]：将两种不同的液态金属通过不同入口同时注入结晶器，由于在结晶器的底部安装有水平磁场装置，作用在液态金属流上的洛仑磁力垂直穿过水平磁场，抑制了两种液态金属的对流混合，并且以水平磁场为分界线，依靠磁流体力的作用把结晶器熔池分为上、下两部分，液态金属冷却凝固后，制得双金属复合板。

该工艺避免了结合层界面氧化问题，界面结合强度高，但是产品组织和性能稍差，且厚度不易控制[19-20]。该法目前尚处于研究阶段。

2.2 双结晶器连续铸造法

双结晶器连续铸造法的基本原理为[21]：首先通过连铸使得芯材在结晶器内凝固成型，在隔离大气的情况下，形成凝固坯壳的芯材直接进入包覆层结晶器内，连续浇注包覆层，制得双金属复合板。

该工艺制取的复合板，组织性能好，界面结合强度高。但芯部坯的保护控制比较困难，仍需做进一步的研究。

3 液-固相复合法

3.1 浇铸复合法

浇铸复合法的基本原理为[19]：将两块基体钢板预热之后叠合在一起，内层涂上剥离剂，四周进行焊合达密封状态以防止在加热过程中内层氧化，然后放在盛有金属液的铸模中，待液态金属凝固后立即进行轧制，最后将焊合的密封边缘部位整体切除，即得到复合板。

该工艺制取的产品组织性能好，结合强度高。但由于浇铸温度高，基体钢板表面熔损大，双金属的板厚控制困难。

3.2 瞬间液相（TLP）扩散连接

瞬间液相（TLP）扩散连接的基本原理为[22-23]：在待焊金属间预置低熔点合金中间层，通过中间层的溶解、等温凝固、成分与组织的均匀化来实现连接。

瞬间液相扩散连接综合了钎焊连接方法与固相扩散连接方法两者的优点，同时克服了两者的不足之处。该工艺制取的双金属组织性能均匀，界面结合强度高。但是该工艺的中间层一般都是价格很高的镍基非晶合金、银基合金等，对于大面积的双金属复合应用受到了一定程度的限制[24，25]。

3.3 铸轧复合法

铸轧复合法的基本原理为[19]：将铸造法与轧制法结合起来，将固态金属的热浸镀与液态金属的铸轧技术进行有机结合，将液态金属连续浇铸在固态基体金属带上，使液态金属在半凝固状态与固态基体金属同时进入轧机，利用液态金属的高扩散能力和轧制时的高压使得两种金属材料之间形成冶金结合。

该方法主要适用于低熔点与高熔点金属的复合，该工艺成型速度快、成型压力小、冶金结合强度高、且节能减耗，可实现连续生产、效率高、成本低。该工艺有着很好的发展和应用前景[26-28]。

4 结语

综合以上分析，各种制备方法各有优缺点，在一段时间内难以完全互相替代，在组合和生产效率等方面还有一系列问题亟待解决。某些制备方法尽管工艺流程短、成本低、具有较强的竞争力，如电磁连铸法、双结晶器连续铸造法，但工艺、设备等不够完善，需要进一步深入研究论证。某些方法尽管已经实现批量生产，如爆炸轧制复合、粉末烧结、浇铸复合，但在产品规格和生产成本等方面都具有很大的局限性。

随着发展的需要，节能、环保的生产工艺是关键，低成本、高性能的复合板必然是未来的发展方向。固—液复合轧制成型速度快、成型压力小、冶金结合强度高、且节能减耗，能够实现连续生产、效率高、成本低，因此该工艺有着很好的发展和应用前景。随着工艺和设备的不断完善，该生产工艺将会成为研究生产双金属复合导板的主流。

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