精 密 成 形 工 程
第13卷 第6期 12 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING
2021年11月
收稿日期：2021-05-10
基金项目：国家自然科学基金（51974278）；国家重点研发计划（2018YFA0707303） 作者简介：季策（1990—），男，博士生，主要研究方向为层状金属复合材料成形工艺及装备。 通讯作者：许石民（1967—），男，博士，教授，主要研究方向为塑性成形工艺及装备。 金属包覆材料固-液铸轧复合技术研究进展
季策，许石民，黄华贵
（燕山大学 a. 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心；
b. 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004）
摘要：金属包覆材料属于典型层状金属复合材料，是航空航天、石油化工、电力电子等领域的关键材料，
其高效成形与性能控制技术一直是行业难点和国际研究热点。首先系统梳理了目前国内外金属包覆材料的典型制备工艺，并且根据初始时基体与覆层物理状态的不同将其分为3类，分别是固-固相复合法、固-液相复合法和液-液相复合法，对比分析了各种制备工艺的成形原理和主要特点。随后，从工艺原理、成形机理、复合机理、工艺优化等方面重点介绍了金属包覆材料固-液铸轧复合技术的最新研究进展。分析结果表明，以固-液铸轧复合技术为代表的融合塑性变形的固-液相复合工艺将成为行业未来一个重要发展方向，并且以固-液相复合法和液-液相复合法进行初态复合组坯，以固-固相复合法进行终态性能调控的一体化组合成形工艺具有良好发展前景。 关键词：金属包覆材料；铸轧复合；固-固相复合；固-液相复合；液-液相复合 DOI ：10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.002
中图分类号：TG306 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2021)06-0012-11
Research Progress of Solid-Liquid Cast-Rolling Bonding Technology
for Metal Cladding Materials
JI Ce , XU Shi-min , HUANG Hua-gui
(a. National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling; b. Sc
递归数列hool of
Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)
公司法第二十一条
k12教育教学网ABSTRACT: Metal cladding materials as typical laminated metal cladding materials are key materials in aerospace, petro-chemical engineering, power electronics, etc. Its efficient forming and performance control technology have always been an in-dustry difficulty and international research hotspot. Firstly, typical fabrication processes of metal cladding materials at home and abroad were systematically introduced. According to the difference in the physical state of the substrate and cladding at the ini-tial stage, the existing fabrication processes were divided into three categories: solid-solid bonding, solid-liquid bonding, and liquid-liquid bonding. The forming principles and main characteristics of preparation processes were comparatively analyzed. Then, the latest research progress of solid-liquid cast-rolling bonding technology for metal cladding materials was introduced emphatically from the aspects of process principle, forming mechanism, bonding mechanism and process optimization. The analysis results show that the solid-liquid bonding method with plastic deformation represented by the solid-liquid cast-rolling bonding technology will become an important development direction of the industry in the future. Meanwhile, the integrated bonding forming process, in which solid-liquid and liquid-liquid bonding methods are used to prepare cladding billets i
n the ini-tial state and solid-solid bonding method is used to control the performance of the final state, has a good development prospect. KEY WORDS: metal cladding materials; cast-rolling bonding; solid-solid bonding; solid-liquid bonding; liquid-liquid bonding
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第13卷第6期季策等：金属包覆材料固-液铸轧复合技术研究进展13
铜是国民经济发展的重要原料，广泛应用于电力、电子、机械及冶金、交通等领域，在我国有金属材料的消费中仅次于铝。2020年国内市场虽然遭受疫情影响，但最终市场增长速度依然表现较好，根据国家统计局和中国有金属工业协会有关统计数据，2020年铜加工材综合产量为1897万t，比上年增长4.5%，其中管棒线材为1385万t，占比达73%。中国作为铜消费第一大国，铜资源自给率仅为20%左右，供给形势一直十分严峻[1]。因此，“以铝代铜、以铝节铜”等为代表的利用廉价金属代替贵重金属的理念已成为行业的共识，扩大高导电金属包覆材料的工业应用不但可以节约铜材，还能在一定程度上化解目前国内普碳钢、电解铝等基础材料产能过剩的问题，已经成为行业未来重要发展方向[2—5]。
近年来，国内外学者在制备新工艺研发方面开展了大量工作并取得了一定进展，成功制备了铜包钢[6]、铜/钛复合管[7]、黄铜包覆纯铜绞线[8]、铜包NbTi合金[9]、银包铝[10]、钛包钢[11]等产品，能够
服役于航空航天、电力电子、轨道交通等领域。面对巨大的市场需求，现有产品种类、尺寸规格、生产效率等亟待提高，在获得良好界面结合效果的同时，兼顾高效率、短流程、低能耗的工业化制备工艺已成为加快工业应用进程的重点。
金属包覆材料属于典型层状金属复合材料，高频、强电流、高温和疲劳载荷等恶劣服役环境要求其具有集高导电导热、耐腐蚀和可成形性等功能和结构为一体的综合性能，其高效成形与性能控制技术一直是行业难点和国际研究热点。文中旨在梳理现有金属包覆材料制备工艺类型和特点，重点介绍固-液铸轧复合技术的最新进展，为后续探讨金属包覆材料工业化进程中面临的重大问题奠定基础。
1 金属包覆材料制备技术
导电胶
1.1 固-固相复合法
固-固相复合法指初始时基体金属与覆层金属均为固态，在复合前二者需要进行预装配组坯，然后通过冷、热变形加工或特殊成形方法使其发生塑性变形，可以实现机械结合或冶金结合。该类方法最大的限制是大长径比时预装配组坯过程对组元尺寸精度、形状精度等要求较高，影响连续生产效率。
1.1.1 拉拔复合工艺
拉拔复合工艺是指将基体金属与覆层金属预装配组坯，然后利用锥模对复合坯料沿轴向进行缩径拉拔，
经塑性变形和弹性回复后，基体金属与覆层金属间形成紧密结合[12]。其特点是工艺简单，成形效率高，尤其适合生产小直径产品，但大长径比时预装配组坯较为困难，并且复合界面结合强度通常不高。
1.1.2 旋压复合工艺
旋压复合工艺是通过旋转使预制复合坯料受力由点到线、由线到面，同时旋轮沿轴向推进，使覆层金属产生塑性变形并与基体金属紧密结合。旋压复合工艺属于局部连续性的加工，瞬时变形区小，因此总成形力相对较小，生产效率高，并且可加工复杂形状产品。
1.1.3 挤压复合工艺
传统挤压复合工艺是通过挤压压头对装入挤压模具中的预制复合坯料施加外力，从而使其通过挤压模孔成形为目标产品。优点是在极高压力和高温作用下复合界面可以形成冶金结合，且挤压过程为三向压应力状态，可以发挥金属的最大塑性，适合批量化生产，但易受最大行程限制，操作连续性差，成形力较大，能耗较高[13—14]。
连续挤压包覆法是通过挤压轮的连续转动对模腔内的覆层金属进行连续挤压，同时在型腔中连续喂入基体金属，使覆层金属与基体金属同时从挤压模孔中挤出，实现二者的连续挤压复合成形[15—17]。
挤压过程同样为三向压应力状态，不受最大行程限制，能够实现连续生产，按其挤压模具安装位置可以分为径向式和切向式，但由于该方法利用摩擦力作为驱动力，因此模具磨损较为严重。
1.1.4 轧制复合法
轧制复合工艺是指异质金属在强大的轧制压力作用下发生显著塑性变形和延伸，金属表层破裂后裸露出洁净且活化的新鲜金属，从而使复合界面形成冶金结合。目标产品截面形状决定着轧辊类型，例如扁排类产品通常采用平辊轧制[18]，长轴类产品通常采用孔型轧制[19—22]。该工艺特点是生产效率高，产量大，适合规模化生产。曲靖师范学院教务网络管理系统
1.1.5 旋锻复合工艺
旋锻复合工艺如图1a所示，锻模环绕预制复合坯料的轴线高速旋转，同时对其进行高频锻打，从而使预制复合坯料发生显著塑性变形，实现基体和覆层结合。按照锻模径向锻打方式和坯料轴向进给运动，可将其分为进料式和凹进式[23]，如图1b和c所示。该工艺具有加工范围广、材料利用率高、自动化程度高、生产效率高等优点，但旋锻温度过低时覆层金属易破裂，因此临界单道次变形量小，当旋锻温度过高时，会因变形抗力下降严重导致无法旋入，或因界面氧化严重而降低复合界面结合强度[24]。
1.1.6 爆炸复合工艺
爆炸复合工艺常规装配方式如图2a所示，是利用爆炸瞬间产生的冲击波和高温高能，使覆层金
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图1 旋锻复合工艺示意[23—
24]
Fig.1 Schematic diagram of rotary swaging bonding process
属与基体金属沿爆轰方向撞击产生塑性变形，从而形成良好的冶金结合[25—26]。为了改善因边界效应导致的爆轰末端复合棒直径明显缩小现象，改进的将缩径区引出装配方式如图2b 所示[27]。主要特点是工艺简单，一次性瞬间成形，结合强度高，适用材料范围广，但比较危险，且存在化学和噪声污染。 1.1.7 包覆焊接工艺
包覆焊接工艺是指利用覆层薄带包覆基体金属的同时，高频焊接薄带的纵缝制备复合坯料，后续通
常还需要进行多道次拉拔和热处理来提高界面结合强度以达到产品尺寸要求[28]。该工艺所用设备结构简单、生产效率高，产线典型布置如图3所示，目前已经基本实现了生产过程的连续化、自动化和智能化[29]，但产品焊缝处为薄弱位置。
1.2 固-液相复合法
route命令
固-液相复合法指初始时基体金属为固态而覆层金属为液态，通过特殊的浇铸/成形方法使液态覆层金属均匀包覆在基体金属的内层或外层。其优点是避
图2 爆炸复合工艺示意[27]
Fig.2 Schematic diagram of explosive bonding process
图3 包覆焊接工艺示意[28]
Fig.3 Schematic diagram of coated welding bonding process
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第13卷 第6期 季策等：金属包覆材料固-液铸轧复合技术研究进展
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免了预装配组坯过程从而缩短了工艺流程，并且通过固-液柔性包覆可以实现连续生产，但当制备过程无成形力作用时，易出现缩孔或疏松等缺陷。 1.2.1 反向凝固工艺
反向凝固工艺是指经预处理和预热的高熔点基体金属穿过凝固器中低熔点液态覆层金属，低熔点覆层金属在高熔点基体金属的表面凝固生长，即凝固生长方向从内到外，与普通凝固生长方向相反。该工艺具有低成本、低能耗、连续自动化的优点，适合制备复合薄带或小直径复合线材[30—31]。
热浸镀工艺与反向凝固工艺原理相似，只是通常
覆层金属厚度更薄，目前已经广泛用于生产镀层钢铁产品（镀锌、镀铝、镀锡）、无氧铜杆、铜包钢等，热浸镀工艺生产无氧铜杆的生产流程如图4所示[32—33]。 1.2.2 电镀复合工艺
电镀复合工艺是利用电解原理在基体金属表面镀上薄层覆层金属的过程，电镀过程中，覆层金属做阳极，基体金属做阴极，覆层金属的阳离子在基体金属表面被还原形成镀层。该工艺广泛用于金属表面改性，例如防止金属氧化（如锈蚀），提高耐磨性、导电性、反光性、抗腐蚀性等作用，但覆层与基体之间属于电沉积结合，结合力较弱[34]。
图4 热浸镀工艺生产无氧铜杆生产流程示意[32—33]
Fig.4 Schematic diagram of fabricating oxygen free copper rod by hot dip coating
1.2.3 热喷涂复合工艺
热喷涂复合工艺是指将液态覆层金属雾化后喷射到基体金属表面，赋予基体金属没有但服役环境所
必须的表面性能的方法[35]。
该工艺作为重要的表面工程技术之一，形成了系列化制备方法，例如激光熔覆、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、普通火焰喷涂等，适合制备极薄覆层，目前已经成功应用在众多产业领域。 1.2.4 铸造复合工艺
铸造复合工艺是指在固态基体金属表面浇铸液态覆层金属，通过液相凝固、元素扩散、局部重熔等实现界面冶金结合。该工艺特点是工艺类型丰富，包括离心铸造、电渣重熔、电磁连续浇注等，材料适用范围广，并且适用于形状复杂的产品，既适合大型件按需定制，又适合小型件批量生产，是生产复合材料最常用的方法[36]。
1.3 液-液相复合法
液-液相复合工艺指初始时基体金属和覆层金属均为液态，通过控制基体金属和覆层金属的凝固顺序，利用高温下的界面扩散或局部熔合现象，使基体金属与覆层金属间形成冶金结合。其特点是工艺流程更短，可以实现连续生产，但因基体金属和覆层金属
均需凝固，为保证铸造质量，较长的冷却过程将导致生产效率降低。
1.3.1 半连续铸造复合工艺
半连续铸造复合工艺如图5所示，是指率先浇注液态基体金属并使之控温凝固，然后再浇注液态覆层金属使之与基体金属实现铸造复合[37]。相比铸造复合工艺，流程更短、能耗更低，但因该工艺基体金属为浇注成形，因此芯部易出现铸造缺陷。 1.3.2 连续铸造复合工艺
充芯连续铸造复合工艺原理如图6所示，是指同时且分别浇注液态的基体金属和覆层金属，通过控温
技术使基体金属先凝固，覆层金属后凝固，二者实现冶金结合后由牵引装置持续拉坯，实现连续生产。该工艺根据牵引方向可以分为水平式和垂直式，目前已广泛应用于有金属复合棒材、管材的生产[38—41]。
2 固-液铸轧复合技术研究进展
分析技术整体发展趋势可知，固-固相复合法虽然通常情况下流程较长，但成形原理相对简单且生产效率相对较高，而液-液相复合法通常情况下流程较短，但成形原理相对复杂且生产效率相对较低。固-液相复合法处于固-固相复合法与液-液相复合法之
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精 密 成 形 工 程 2021年11月
图5 半连续铸造复合工艺示意[37]
Fig.5 Schematic diagram of semi-continuous casting bonding process
图6 连续铸造复合工艺示意[38—41]
Fig.6 Schematic diagram of continuous casting
bonding process
间，通常兼具短流程与高效率优势，现有技术水平有望能够扬长避短，实现柔性包覆和连续成形。对于固-液相复合法，成形过程不仅决定着复合界面，还决定着覆层金属性能。当成形过程无塑性变形时，覆层金属易出现疏松、缩孔等现象，而成形过程有塑性变形时则可实现致密化变形，提升覆层金属性能。
双辊铸轧技术是集快速凝固和热轧变形为一体的近终态成形技术，其特点是能在较短时间内完成从铸造到轧制的冷却-凝固-成形全过程，被誉为21世纪冶金工业最具革命性的技术，而在其基础上发展的固-液铸轧复合技术广泛用于制备层状金属复合板带，但无法直接用于制备具有圆形截面特征的金属包覆材料。孔型轧制技术已经成功用于管材和棒材生产，但均为固相成形，并且常为多机架连轧，孔型形状主要有圆孔型、椭圆孔型以及多弧边孔型等，侧壁处一般
利用圆角或直线过渡，辊系间孔型未完全贴合，因此，开发用于制备金属包覆材料的固-液铸轧复合技
术仍具有一定挑战性。
2.1 工艺原理及核心结构
基于层状金属复合板带固-液铸轧复合技术和孔型轧制技术领域的实践经验，率先提出了双辊布置模式的金属包覆材料固-液铸轧复合工艺，如图7a 所示，铸轧辊表面开设圆形孔型，为了避免孔型侧壁处产生金属液侧漏现象，采用无过渡的正圆孔型[42]。孔型铸轧辊、仿形侧封和基体金属共同构成近似环形熔池，基体金属经由导位装置导入铸轧辊孔型中，并利用特殊的环形布流装置将液态覆层金属连续且均匀地向熔池浇注，在较高的温度和轧制压力共同作用下实现界面结合。
固-液铸轧复合工艺中的布流至关重要，为了解决覆层金属周向均匀分布的问题，借鉴传统板带铸轧技术中布流器多级分流思想，设计了特殊的环形布流器，并且和仿形侧封配合形成模块化装配，如图7b 所示。环形布流器采用单侧浇铸，经三级环形阶梯分流，最终分为周向均匀的8个出口，随后经锥形缓冲区汇流，最终在布流器出口处实现环形均匀布流。该方案中基体金属和覆层金属仅在铸轧区内接触传热，因此可以控制铸轧区入口处的基体金属温度。
2.2 截面演变及成形机理
通过急停轧卡和快速水冷的方式获得的固-液铸轧区纵截面宏观形貌如图8a 所示，液态覆层金属由环形布流器浇注到铸轧区后，与铸轧辊、仿形侧封和基体金属进行固-液接触换热并逐渐冷凝形成坯壳，
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