一种双金属层状复合线材拉拔成形方法
【专利摘要】一种双金属层状复合线材拉拔成形方法，属于双金属层状复合线材制备【技术领域】。其特征是，将金属管坯包套异种金属棒材、室温下单道次拉拔预复合、快速加热、控温拉拔冶金复合与室温精拉相结合，制备高质量双金属层状复合线材。本发明的优点是，双金属层状复合线材的复合界面结合强度高、扩散层薄、复层金属沿周向及纵向分布均匀、包覆比易于精确控制、无需拉拔中间退火、产品规格灵活、原材料组合自由度大、产品质量和性能优异以及易于制备直径1mm以下微细双金属层状复合线材等优点，尤其适合于复合界面易生成金属间化合物的双金属层状复合线材以及难加工的双金属层状复合线材的制备。
【专利说明】一种双金属层状复合线材拉拔成形方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于双金属层状复合线材制备【技术领域】，具体涉及一种双金属层状复合线材拉拔成形方法。
技术背景
[0003]双金属层状复合线材是由两组元金属材料通过特殊的制备加工方法，在基体金属线材表面复合一层复层金属材料而成的。与单一组元金属线材相比，经过合理设计复合成形的双金属层状复合线材结合了两组元金属材料各自的优点，不仅可以节约贵金属用量，而且可以获得单一组元金属材料所不具有的物理、化学、力学及可焊接等性能[黄伯云，李成功，石力开，邱冠周，左铁镛.中国材料工程大典(第5卷有色金属材料工程(下))[M].北京:化学工业出版社，2006]。近年来，随着科学技术的高速发展，双金属层状复合线材的研制、生产和应用越来越受到重视，成为各国竞相研制的高性能新金属材料之一。迄今为止，双金属层状复合线材已在航空、航天、石油、化工、冶金、机械、汽车、轮船、建筑、核能、电力、电子以及日常生活等领域得到了广泛应用[屠海令主编.有色金属进展(第七卷)[M].长沙:中南工业大学出版社，
[1995]。
[0004]双金属层状复合线材的传统生产方法主要包括轧制复合、挤压复合、铸造复合、热浸镀以及电镀等，都在一定程度上发挥了积极作用，在一些双金属层状复合线材的制备上得到了实际应用。但是，这些传统的双金属层状复合线材成形方法仍然存在着各自的缺点和不足，例如设备投入大、复合界面质量较差、包覆比难以精确控制、复合线材的质量和性能不稳定以及难以满足不断提高的使用要求等问题。
[0005]套管拉拔法是制备双金属层状复合线材的另一种传统方法，通过利用金属管坯包套相应尺寸的异种金属棒坯，制成包套复合坯料，经室温拉拔获得界面为机械结合的双金属层状复合线材，紧接着进行较长时间扩散退火处理后，获得复层金属沿周向及纵向均匀分布的双金属层状复合线材。但是，传统套管拉拔法也存在着扩散退火时间长、能源消耗大，复合界面的结合质量难以控制、界面扩散层较厚、界面易生成金属间化合物；由于是室温拉拔，两种金属之间加工硬化速率差别大、塑性变形协调困难，两种金属难以同步变形、拉拔易断线，成材率低，包覆比精确控制难度大，产品的质量和性能难以满足使用要求，以及不利于制备直径Imm以下微细双金属层状复合线材等问题。
[0006]因此，亟待开发一种获得包覆比精确控制和界面质量优异的高质量双金属层状复合线材的高效率、节能降耗、低成本生产方法。
【发明内容】
[0007]本发明是采用内表面经过处理的金属(以下简称“复层金属”)管坯包套表面经过处理的异种金属(以下简称“芯部金属”)棒材，在室温条件下进行单道次拉拔预复合(以下简称“套管复合预冷拉”)，获得预复合双金属层状复合线坯(以下简称“预复合线坯”)，然后对预复合线坯进行加热，使预复合线坯的温度达到后续拉拔所需的温度(以下简称“拉拔温度”)，接着使预复合线坯通过保温模具，进行一定温度下的单道次或多道次拉拔(以下简称“控温拉拔”)，在控温拉拔道次间可以进行单道次或多道次室温拉拔，然后进行室温精拉，可以根据需要进行后续热处理，制备得到高质量的双金属层状复合线材。在室温下对复层金属管坯的内表面和芯部金属棒材的表面进行清洗、打磨等处理，并采用复层金属管坯包套芯部金属棒材；然后，进行一定变形程度的室温单道次拉拔，使得复层金属和芯部金属的待复合界面实现紧密贴合，获得预复合线坯，有利于极大地降低后续控温拉拔前所需的加热温度、缩短加热时间，排除界面间的空气以便防止复合界面发生氧化；接着对预复合线坯进行在线或离线快速加热，使得预复合线坯快速升温至后续控温拉拔所需的拉拔温度，确保加热过程中预复合线坯发生软化的同时，其复合界面仅发生元素扩散获得所需厚度的扩散层而不生成金属间化合物；最后将预复合线坯穿过被加热且温度保持在拉拔温度的模具，保证被加热到拉拔温度的预复合线坯在进入模具时温度不会骤然下降，同时顺利进行单道次或多道次大变形量控温拉拔，确保进一步变形复合，促进复合界面处金属元素的原子发生扩散实现有效的冶金结合；在控温拉拔道次间适时增加室温拉拔道次是为了进行包覆比的精确调控；室温精拉有利于获得优异的表面质量和所需尺寸和性能，制备得到高质量的双金属层状复合线材；后续热处理是为了满足双金属层状复合线材的使用性能要求。在此基础上，通过解决套管复合预冷拉、控温拉拔、室温精拉之间的变形协调性以及控温拉拔时预复合线坯和模具的温度控制、全过程工艺参数的合理匹配以及包覆比的精确控制等问题，开发一种将金属管坯包套异种金属棒材、室温下单道次拉拔预复合、快速加热、单道次或多道次控温拉拔冶金复合及单道次或多道次室温精拉相结合的双金属层状复合线材的拉拔成形方法，改变传统轧制复合、挤压复合、铸造复合、热浸镀、电镀及套管拉拔等双金属层状复合线材制备方法存在的设备投入大、双金属间协调大塑性变形困难、复合界面质量较差、包覆比难以精确控制、复合线材的质量和性能不稳定、难以满足不断提高的使用要求，以及无法用于难加工或界面易生成金属间化合物金属的复合等不足，实现高效率、节能降耗、低成本生产高质量双金属层状复合线材等目的。
[0008]一种双金属层状复合线材拉拔成形方法，包括如下步骤:
(1)坯料表面处理:在室温下对表面清洁处理后的复层金属管坯的内表面和芯部金属棒材的表面进行打磨处理；
(2)包套复合:在室温下采用复层金属管坯包套芯部金属棒材，获得包套复合坯料；
(3)室温预冷拉:对包套复合坯料进行轧尖，随后进行室温单道次套管复合预冷拉，实现预复合，拉拔变形率为5%?30%，获得预复合线坯；
(4)预复合线坯轧尖:对预复合线坯进行轧尖、打磨；
(5)快速加热:将轧尖后的预复合线坯放入炉内温度已达到拉拔温度的离线电阻炉中加热并保温3?5min，或者采用离线或在线电流加热装置或感应加热装置在2?1s内将轧尖后的预复合线坯加热至拉拔温度，同时对模具也进行加热并保持其温度为拉拔温度；
(6)控温拉拔:紧接着将快速加热后的预复合线坯穿过加热并保温的模具，进行单道次或多道次控温拉拔，拉拔道次变形率为4%?60%，获得中间复合线坯；
(7 )室温精拉:继续对控温拉拔后的中间复合线坯进行单道次或多道次室温精拉，拉拔道次变形率为2%?40%，制备得到高质量的双金属层状复合线材。
[0009]所述金属可以是纯金属、合金或金属复合材料，均为退火态或铸态。
[0010]所述复层金属与所述芯部金属为异种金属。
[0011]所述芯部金属棒材的直径为所述复层金属管坯内径的0.5?0.99倍。
[0012]所述拉拔温度为所述复层金属和所述芯部金属中熔点最低金属的熔点(单位是K)的0.2?0.9倍。
[0013]在所述控温拉拔的部分道次之间，根据包覆比调控的需要，可以增加单道次或多道次的室温拉拔，室温拉拔道次变形率为4%?40%。
[0014]可以根据需要对所述双金属层状复合线材进行后续热处理，热处理温度为所述复层金属和所述芯部金属中熔点最低金属的熔点(单位是K)的0.2?0.9倍，热处理时间为I?1min0
[0015]与现有的双金属层状复合线材制备方法相比，本发明将金属管坯包套异种金属棒材、室温下单道次拉拔预复合、快速加热、单道次或多道次控温拉拔冶金复合与单道次或多道次室温精拉相结合，实现复层金属和芯部金属的协调大塑性变形，制备高质量双金属层状复合线材，具有复合界面结合强度高、扩散层薄、复层金属沿周向及纵向分布均匀、界面不易生成金属间化合物、包覆比易于精确控制、无需拉拔中间退火、制备工序简单、节约能源、无安全隐患、产品尺寸精度高、规格灵活、原材料组合自由度大、变形协调性好、塑性变形量大、成材率高、所需设备少、投资低、生产成本不高、产品质量和性能优异以及易于制备直径Imm以下微细双金属层状复合线材等优点，尤其适合于复合界面易生成金属间化合物的双金属层状复合线材以及难加工的双金属层状复合线材的制备。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的双金属层状复合线材制备工艺流程图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
[0018]实施例1:直径Φ4.0mm、包覆比35%的铜包白铜层状复合线材制备
在室温下对表面清洁处理后的退火态复层T2纯铜管坯(尺寸Φ 8 X Imm)的内表面和退火态芯部CuNi44Mnl白铜棒材(直径Φ6ι?πι)的表面进行砂轮打磨处理；在室温下采用复层Τ2纯铜管坯包套芯部CuNi44Mnl白铜棒材，获得包套复合坯料；对包套复合坯料进行轧尖，随后进行单道次套管复合预冷拉实现预复合，拉拔变形率为12%，获得预复合线坯；对预复合线坯进行轧尖；然后将预复合线坯放入炉内温度为400°C的离线电阻炉中加热并保温5min，使其温度快速达到拉拔温度400°C，同时对模具也进行加热并保持其温度为拉拔温度400°C;紧接着将快速加热后的预复合线坯穿过加热并保温的模具，进行4道次控温拉拔，拉拔道次变形率为16%?26.5% ;在此基础上进行I道次室温精拉，拉拔变形率为17.3% ;制备得到直径Φ4.0mm、包覆比精确控制为35%、界面质量优异的高质量铜包白铜层状复合线材。
[0019]实施例2:直径Φ0.3mm、包覆比29%的铜包白铜层状复合线材制备
在室温下对表面清洁处理后的退火态复层T2纯铜管坯(尺寸Φ 8 X Imm)的内表面和退火态芯部CuNi44Mnl白铜棒材(直径Φ6ι?πι)的表面进行砂轮打磨处理；在室温下采用复层Τ2纯铜管坯包套芯部CuNi44Mnl白铜棒材，获得包套复合坯料；对包套复合坯料进行轧尖，随后进行单道次套管复合预冷拉实现预复合，拉拔变形率为12%，获得预复合线坯；对预复合线坯进行轧尖；然后将预复合线坯放入炉内温度为300°C的离线电阻炉中加热并保温3min，使其温度快速达到拉拔温度300°C，同时对模具也进行加热并保持其温度为拉拔温度3000C ;紧接着将快速加热后的预复合线坯穿过加热并保温的模具，进行5道次控温拉拔，拉拔道次变形率为16%?27% ;在此基础上进行24道次室温精拉，拉拔道次变形率为2%?18% ;制备得到直径Φ0.3mm、包覆比精确控制为29%、界面质量优异的高质量铜包白铜层状复合线材；后续进行850°C X3min的热处理。
[0020]实施例3:直径Φ0.05mm、包覆比30%的铜包白铜层状复合线材制备
在室温下对表面清洁处理后的退火态复层T2纯铜管坯(尺寸Φ 8 X Imm)的内表面和退火态芯部CuNi44Mnl白铜棒材(直径Φ6πιπι)的表面进行高速旋转钢刷打磨处理；在室温下采用复层Τ2纯铜管坯包套芯部CuNi44Mnl白铜棒材，获得包套复合坯料；对包套复合坯料进行轧尖，随后进行单道次套管复合预冷拉实现预复合，拉拔变形率为12%，获得预复合线坯；对预复合线坯进行轧尖；然后将预复合线坯采用在线感应加热装置在5s内快速加热至拉拔温度600°C，同时对模具也进行加热并保持其温度为拉拔温度600°C ;紧接着将快速加热后的预复合线坯穿过加热并保温的模具，进行12道次控温拉拔，控温拉拔道次变形率为4%?33%,同时在第一道次和第二道次、第八道次和第九道次、第十道次和第i^一道次的控温拉拔之间分别进行了 2道次的室温拉拔，室温拉拔道次变形率为4%和19% ;在此基础上进行23道次室温精拉，拉拔道次变形率为11%?36% ;制备得到直径Φ0.05mm、包覆比精确控制为30%、界面质量优异的高质量铜包白铜层状复合线材。
[0021]实施例4:直径Φ2.7mm、包覆比28%的铜包铝层状复合线材制备
在室温下对表面清洁处理后的退火态复层T2纯铜管坯(尺寸Φ6Χ0.5mm)的内表面和退火态芯部1050纯铝棒材(直径Φ5πιπι)的表面进行钢刷打磨处理；在室温下采用复层Τ2纯铜管坯包套芯部1050纯铝棒材，获得包套复合坯料；对包套复合坯料进行轧尖，随后进行单道次套管复合预冷拉实现预复合，拉拔变形率为16%，获得预复合线坯；对预复合线坯进行轧尖；然后将预复合线坯放入炉内温度为350°C的离线电阻炉中加热并保温5min，使其快速达到拉拔温度350°C，同时对模具也进行加热并保持其温度为拉拔温度350°C ;紧接着将快速加热后的预复合线坯穿过加热并保温的模具，进行3道次控温拉拔，拉拔道次变形率为23%?25% ;在此基础上进行3道次室温精拉，拉拔道次变形率为9.5%?30.2% ；制备得到直径Φ2.7mm、包覆比精确控制为28%、界面质量优异的高质量铜包铝层状复合线材。
[0022]实施例5:直径Φ 1.0mm、包覆比25%的铜包304不锈钢层状复合线材制备在室温下对表面清洁处理后的退火态复层T2纯铜管坯(尺寸Φ 8 X Imm)的内表面和退火态芯部304不锈钢棒材(直径Φ6πιπι)的表面进行钢刷打磨处理；在室温下采用复层Τ2纯铜管坯包套芯部304不锈钢棒材，获得包套复合坯料；对包套复合坯料进行轧尖，随后进行单道次套管复合预冷拉实现预复合，拉拔变形率为12%，获得预复合线坯；对预复合线坯进行轧尖；然后将预复合线坯放入炉内温度为800°C的离线电阻炉中加热并保温5min，使其快速达到拉拔温度800°C，同时对模具也进行加热并保持其温度为拉拔温度800°C ;紧接着将快速加热后的预复合线坯穿过加热并保温的模具，进行9道次控温拉拔，拉拔道次变形率为17.3%?30.6%，同时在第六道次和第七道次的控温拉拔之间进行了 3道次的室温拉拔，室温拉拔道次变形率为12.4%?25.7% ;在此基础上进行6道次室温精拉，拉拔道次变形率为12.1%?17.4% ;制备得到直径Φ 1.0mm、包覆比精确控制为25%、界面质量优异的高质量铜包304不锈钢层状复合线材。
[0023]实施例6:直径Φ2.05mm、包覆比30%的铜包45#碳钢层状复合线材制备
在室温下对表面清洁处理后的退火态复层T2纯铜管坯(尺寸Φ 8 X Imm)的内表面和退火态芯部45#碳钢棒材(直径Φ6πιπι)的表面进行钢刷打磨处理；在室温下采用复层Τ2纯铜管坯包套芯部45#碳钢棒材，获得包套复合坯料；对包套复合坯料进行轧尖，随后进行单道次套管复合预冷拉实现预复合，拉拔变形率为12%，获得预复合线坯；对预复合线坯进行轧尖；然后将预复合线坯采用高频感应加热装置在5s内快速加热至拉拔温度850°C，同时对模具也进行加热并保持其温度为拉拔温度850°C ;紧接着将快速加热后的预复合线坯穿过加热并保温的模具，进行7道次控温拉拔，拉拔道次变形率为6.8%?29.5%，同时在第五道次和第六道次的控温拉拔之间进行了 2道次的室温拉拔，室温拉拔道次变形率为17.3%和23.5% ;在此基础上进行3道次室温精拉，拉拔道次变形率为13.3%?32.8% ;制备得到直径Φ2.05mm、包覆比精确控制为30%、界面质量优异的高质量铜包45#碳钢层状复合线材。
【权利要求】
1.一种双金属层状复合线材拉拔成形方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)坯料表面处理:在室温下对表面清洁处理后的复层金属管坯的内表面和芯部金属棒材的表面进行打磨处理； (2)包套复合:在室温下采用复层金属管坯包套芯部金属棒材，获得包套复合坯料； (3)室温预冷拉:对包套复合坯料进行轧尖，随后进行室温单道次套管复合预冷拉，实现预复合，拉拔变形率为5%?30%，获得预复合线坯； (4)预复合线坯轧尖:对预复合线坯进行轧尖、打磨； (5)快速加热:将轧尖后的预复合线坯放入炉内温度已达到拉拔温度的离线电阻炉中加热并保温3?5min，或者采用离线或在线电流加热装置或感应加热装置在2?1s内将轧尖后的预复合线坯加热至拉拔温度，同时对模具也进行加热并保持其温度为拉拔温度； (6)控温拉拔:紧接着将快速加热后的预复合线坯穿过加热并保温的模具，进行单道次或多道次控温拉拔，拉拔道次变形率为4%?60%，获得中间复合线坯； (7 )室温精拉:继续对控温拉拔后的中间复合线坯进行单道次或多道次室温精拉，拉拔道次变形率为2%?40%，制备得到高质量的双金属层状复合线材。
2.如权利要求1所述一种双金属层状复合线材拉拔成形方法，其特征在于所述金属是纯金属、合金或金属复合材料，均为退火态或铸态。
3.如权利要求1所述一种双金属层状复合线材拉拔成形方法，其特征在于所述复层金属与所述芯部金属为异种金属。
4.如权利要求1所述一种双金属层状复合线材拉拔成形方法，其特征在于所述芯部金属棒材的直径为所述复层金属管还内径的0.5?0.99倍。
5.如权利要求1所述一种双金属层状复合线材拉拔成形方法，其特征在于所述拉拔温度为所述复层金属和所述芯部金属中熔点最低金属的熔点(单位是K)的0.2?0.9倍。
6.如权利要求1所述一种双金属层状复合线材拉拔成形方法，其特征在于在所述控温拉拔的部分道次之间，增加单道次或多道次的室温拉拔，室温拉拔道次变形率为4%?40%。
7.如权利要求1所述一种双金属层状复合线材拉拔成形方法，其特征在于对所述双金属层状复合线材进行后续热处理，热处理温度为所述复层金属和所述芯部金属中熔点最低金属的熔点(单位是K)的0.2?0.9倍，热处理时间为I?lOmin。
【文档编号】B21C37/04GK104138923SQ201410314512
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】刘雪峰, 袁学津, 颜阳, 谢建新 申请人:北京科技大学