層狀金屬復合材料是利用材料復合技術使兩種或兩種以上物理、化學、力學性能不同的金屬在界面實現(xiàn)冶金結(jié)合的一種新型復合材料。以不銹鋼為覆層、碳鋼為基層的雙金屬復合材料兼有耐腐蝕性良好和力學性能優(yōu)異的特點，既可降低生產(chǎn)成本，又能滿足實際需求。與同規(guī)格純不銹鋼相比，明顯減少了不銹鋼占有比例，節(jié)約貴重金屬Cr、Ni等可達70%—80%。國外廣泛應用在石油、化工、能源、電力、環(huán)保等諸多領域。目前國內(nèi)外制造雙金屬復合管的方法有很多種，但大多對設備要求嚴格，生產(chǎn)工藝復雜，且不易控制復合管的性能，而一些簡單的機械復合方法又無法使兩種金屬間實現(xiàn)真正的冶金結(jié)合，嚴重限制了雙金屬復合管的應用和發(fā)展。因此，迫切需要研究、開發(fā)一種新的高效、節(jié)能、能夠?qū)?/span>現(xiàn)兩種金屬牢固結(jié)合，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的雙金屬復合管的制備工藝。
1.碳鋼/不銹鋼液固相擴散復合過程分析
碳鋼/不銹鋼液固相擴散復合過程，可用以下幾個階段進行描述。
(1)中間層熔化階段擴散復合開始時，母材和Cu中間層均為固態(tài)；當試樣溫度快速達到銅熔點時，中間層出現(xiàn)液化現(xiàn)象，液化的銅中間層通過毛細作用快速填滿碳鋼/不銹鋼之間間隙，并達到界面潤濕。隨著加熱溫度繼續(xù)升高到復合溫度，銅中間層繼續(xù)熔化直到中間層完全溶解時，中間層熔化階段結(jié)束。
(2)原子互擴散階段銅中間層熔化后，液一固態(tài)金屬之間存在著極大的濃度不平衡，在濃度梯度驅(qū)動力的作用下，發(fā)生母材向銅液的擴散(通常所說的溶解)和銅液向母材的擴散。由于固態(tài)金屬向液態(tài)金屬中擴散的激活能小于液態(tài)金屬向固態(tài)金屬中擴散的激活能，所以，固態(tài)母材向銅液中擴散(溶解)非常容易。而固相母材向液態(tài)銅相中的溶解過程是一個多相反應過程。首先，固相母材與液態(tài)銅接觸表面層發(fā)生溶解，這個反應發(fā)生在固一液兩相界面上，其實質(zhì)是：液態(tài)金屬與固態(tài)金屬接觸時，液態(tài)金屬對固態(tài)金屬的潤濕和原子在相界面處的交換，破壞了固體晶格內(nèi)的原子結(jié)合鍵，使得液態(tài)金屬原子與固態(tài)金屬原子形成新的鍵，從而發(fā)生溶解。也有人認為，液態(tài)金屬與固態(tài)金屬接觸時，液態(tài)的組分首先向固體表面擴散，在表層內(nèi)達到飽和溶解度，此時固體表面層不需耗費能量即可向液相溶解。然后，界面處被溶解的Fe、Cr、Ni原子從邊界擴散層向液態(tài)中間層遷移，即液相的均勻化。原子的這種遷移是依靠對流擴散來實現(xiàn)的。由于界面處的Fe、Cr、Ni原子濃度高于中間層中的原子濃度，成分的不均勻引起局部密度的變化，從而導致液體的流動，促使界面處的Fe、Cr、Ni原子向液態(tài)Cu中間層擴散，使得液態(tài)Cu中Fe、Cr、Ni原子的平均濃度不斷升高，當液相與熔化邊緣的固相成分達到平衡時，液相層達到了寬度，完成液相的均勻化。
(3)等溫凝固階段當液相層達到了寬度之后，由于液相和固相之間還存在元素Cu的正的濃度梯度，促使固液邊界處Cu原子繼續(xù)向母材擴散，當液固邊界處Cu原子濃度小于固相線濃度時，就發(fā)生等溫凝固，使液固界面向液相中推進。當液相完全消失時，等溫凝固階段結(jié)束。
(4)冷卻階段在本實驗擴散復合工藝中，在等溫凝固沒有充分進行就冷卻到室溫時發(fā)生降溫凝固；而在等溫凝固結(jié)束之后，連接過程已經(jīng)完成，由于固相中溶質(zhì)原子的擴散速度較慢，出爐冷卻并不發(fā)生明顯的原子擴散現(xiàn)象。
由上述分析可知，對于以銅箔為中間層碳鋼/不銹鋼液固相擴散復合過程來說，母材向中間層的擴散(溶解)和中間層向母材的擴散過程對于是否能獲得良好的結(jié)合性能起著重要的作用。
2.總結(jié)
(1)采用冷拔-液固相擴散復合方法可實現(xiàn)碳鋼與不銹鋼的冶金結(jié)合。
(2)在擴散復合的過程中，結(jié)合區(qū)發(fā)生了原子的互擴散，在碳鋼/銅界面有連續(xù)的島狀富鐵相生成，且島狀富鐵相向中間層中生長。
(3)結(jié)合區(qū)抗剪強度隨著擴散溫度的升高和時間的延長而增加。(圖/文www.n9955.com)