[發明專利]基于電沉積中間層的鋁/鋼雙金屬復合材料鑄造方法

在審

• 申請號: 202211243846.9
• 申請日: 2022-10-12
• 公開（公告）號: CN115635066A
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 張丹;徐宏;張國偉;于歡;呂偉澤;溫凱;任曉燕;王聰;宋和謙
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: B22D19/16
• 分類號: B22D19/16;C23C2/12;C25D3/04
• 代理公司: 太原華弈知識產權代理事務所 14108
• 代理人: 李毅

本發明涉及一種基于電沉積鉻中間層的鋁/鋼雙金屬液?固復合鑄造方法，是在預處理的鋼基體表面電沉積一層純鉻中間層，預熱后浸沒在鋁合金熔體中進行熱浸處理，最后采用液?固復合工藝澆注鋁合金熔體，凝固得到鋁/鋼雙金屬復合材料。在鋁/鋼界面引入鉻中間層可以提高液態鋁合金熔體與固態鋼基體間的潤濕性，且以鉻中間層作為屏障，避免鋼基體與鋁合金熔體間的直接接觸，顯著抑制了界面處鋁?鐵脆性相的形成，提高了鋁/鋼雙金屬界面的結合強度。

技術領域

本發明屬于雙金屬液-固復合鑄造技術領域，涉及一種鋁/鋼雙金屬復合材料的鑄造方法，特別是涉及一種能夠顯著抑制鋁/鋼雙金屬界面鋁-鐵脆性金屬間化合物形成的鋁/鋼雙金屬復合材料的液-固成形方法。

背景技術

鋁/鋼雙金屬復合材料融合了鋁的輕質、高熱導率、高韌性、耐腐蝕性和鋼的高強度、高耐磨、高耐沖擊性等優點，成為目前汽車發動機輕量化設計的極佳材料。

鋁/鋼雙金屬復合材料的制備主要包括機械連接、異質金屬焊接、液-固復合鑄造等方法。其中，將液態鋁熔體澆注至固態鋼表面形成雙金屬的液-固復合鑄造方法，在獲得冶金結合界面的同時，具有更高的工藝便捷性，能夠實現復雜結合面零部件的批量生產，因而在制備異形結構件方面呈現出顯著的優勢。

但是對于大功率發動機高溫、高壓和高承載的服役工況而言，復合鑄造制備的鋁/鋼雙金屬復合材料的界面結合強度明顯不足。這主要由于：一是鋁、鋼的熱物屬性差異大，界面易存在較大的熱應力，導致微裂紋的形成；二是鋁、鐵之間極易發生反應，使界面處形成大量硬而脆的鋁-鐵金屬間化合物，導致雙金屬受力時界面處成為薄弱區域。

為了攻克上述難題，當前普遍采用鋼表面熱浸鍍鋁或熱浸鍍鋅的方式，以提高固態鋼和液態鋁之間的潤濕性。然而，由于熱浸鍍層很薄且熱浸層成分單一，熱浸層會被鋁合金熔體快速溶解，界面反應層仍以鋁-鐵脆性相為主，從而使得熱浸層對鋁/鋼雙金屬界面結合性能的提升程度有限。

因此，如何有效抑制界面鋁-鐵脆性相的大量形成，是大幅提高鋁/鋼雙金屬復合材料界面結合強度的關鍵。

隨著材料制備技術間的交叉融合，在液-固成形前期，利用電沉積技術使鋼材表面預先形成一層中間層，在復合鑄造過程中，借助中間層材料特性，在改善液-固界面潤濕性的同時，阻礙鋁、鐵原子間的相互擴散，不僅能夠有效抑制鋁-鐵脆性相的形成，并且對于大幅提高雙金屬的界面結合強度具有極高的可行性。

例如，王強等(鋁/鋼雙金屬鑄造工藝及其界面微觀結構研究[D]. 哈爾濱工程大學, 2019.)提出，在鋼表面電鍍鎳處理后進行鋁/鋼雙金屬的液-固復合，鎳層在一定程度上阻止了反應層的生長，雙金屬剪切強度達到13.4MPa；Salimi等(Microstructurecharacteristics and mechanical properties of the interface layer of coatedsteel insert-aluminum bimetals. Journal of Materials Research, 2017, 32(4):874-882.)報道鋼表面電沉積銅層作為中間層，能夠得到剪切強度為31MPa的鋁/鋼雙金屬；Tavakoli等(Influences of coating type on microstructure and strength ofaluminum-steel bimetal composite interface. International Journal of Metalcasting, 2022, 16(2): 689-698.)指出，鋼表面電鍍一層鋅后進行復合鑄造，能夠得到剪切強度高達45.1MPa的鋁/鋼雙金屬。

由此可見，將電沉積技術與復合鑄造工藝相結合，對于獲得高界面結合強度的鋁/鋼雙金屬具有重要工程意義。

發明內容