CN101125361B - 层状金属复合材料制造工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
一种层状金属复合材料制造工艺，属于金属复合材料制造工艺，使用该工艺制造层状金属复合材料时，生产工艺简单、生产效率高，生产成本低，设备简单投资小；该方法中是将液体金属直接浇注到外部装有感应加热器的结晶器内，所浇注的金属液在结晶器内受到电渣精练的同时与安装在结晶器内的金属芯棒实现复合，并达到冶金结合。复合层界面易于控制，产品无成分偏析，组织致密度高质量好，芯棒和复合层材料的选择范围宽，可以不受设备和工艺的限制，实现用小型设备制造大体积的层状及多层层状复合产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属复合材料生产工艺，特别是一种层状复合材料制造工艺及设备。
背景技术
层状金属复合材料是将不同的材料通过铸造、轧制、挤压、焊接、胶接以及浸渍等加工方法而形成一个整体的新材料，使材料的不同部位具有不同的性能，一满足不同的使用要求。
文献《特种铸造及有色合金》杂志(2001年第2期第17-19页)中报导了《高速钢/结构钢双金属复合材料界面研究》，报导中公开了一种双金属复合材料制造工艺，所述的常用工艺为砂型镶铸法，即将所需镶铸的芯材放入砂型内，将所需复合的液体金属浇入到砂型中，液态金属在充满型腔的同时，也将所需镶铸的芯材紧密覆住，包覆层在随后的液态降温、凝固和冷却过程中，释放出大量的热量，这些热量一部分被铸型吸收并通过铸型散热，另一部分被铸型的芯材吸收并使之温度升高，利用金属液的热量，在铸件凝固时，使外层复合材料和芯部材料结合在一起。该工艺的实质就相当于在铸件中放置一块冷铁，因此，要想实现两种材料间的冶金结合，只有在外层材料与芯部材料的体积比大于8.0的条件下，才有可能获得两种材料间的冶金结合。因此该工艺技术难度大，无法制造体积比小于8.0的薄壁形双金属复合材料及多层状复合材料。文献《铸造手册、特种铸造分册》一书(机械工业出版社2003年第二版)中的第7章(离心铸造)部分，论述了用离心铸造工艺制造双金属复合轧辊工艺，该工艺虽然具有设备投资小，生产效率高之特点。但该工艺存在生产工艺复杂，工艺控制难度大，当生产高合金外层复合材料时，易产生偏析，使组织和成分不均匀，且无法制造锻造芯部材料的复合产品等缺陷。
文献《中国材料工程大典》第五卷一书(化学工业出版社2006年第一版)中的第13篇第4章(制造层状复合材料)部分中介绍了日本所开发的包覆层连续铸造复合法制造复合轧辊的CPC生产工艺，该工艺是将需要复合的外层金属液体浇入到在其中心安装有芯棒材料的水冷结晶器内，芯棒材料通过在其上部安装的感应加热器进行预热，从而可以实现二种材料的复合，并实现二种材料之间的界面达到冶金结合.通过抽锭设备，将复合好的轧辊不断地从水冷结晶器中抽出，使生产连续进行，直到复合轧辊浇注完成.该工艺虽然克服了常规镶铸复合工艺所存在的无法制造复合比小于8.0的双金属复合产品和离心铸造工艺所存在的缺点.但是由于CPC法生产设备和生产工艺复杂，生产成本高，外层材料的洁净度和生产效率低，至今推广使用范围很小.该书中同时介绍了乌克兰所开发的一种电渣包覆铸造复合法.该工艺是将芯棒材料安装在导电结晶器的中心，导电水冷结晶器代替非自耗电极对电渣进行加热，使液渣保持在高温状态，将需复合的外层金属液以一定的速度和方式浇入导电水冷结晶器中，外层金属液在与已经被电渣预热的辊芯材料表面熔合的同时受到电渣的精练，并因水冷结晶器的冷却而凝固，形成复合层.高温液态电渣同时还起到对芯棒加热和表面清洗及隔离所浇入的金属液与空气的接触，从而对金属液进行保护.该工艺与CPC工艺相比，虽然设备简单，所生产的产品质量好，但是仍然存在生产效率低，导电结晶器结构复杂，技术难度大，设备的控制技术难度大等缺点.
发明内容
本发明的目的是要提供一种：生产工艺简单、产品性能好、成本低的层状复合材料制造工艺及设备。
解决其技术问题的设备方案是：该设备有一工作台，在工作台上有一孔洞，在工作台的下面安装有一升降装置，在工作台的上面安装有水冷结晶器和电极把持器。水冷结晶器的外部安装有感应加热器，上面安装有保温盖和浇注漏斗，下面安装有底水箱，在水冷结晶器和底水箱的下部和上部分别连接有进出水管。金属芯棒通过水冷结晶器的中心穿过底水箱的中心孔衬套固定在升降装置上。
在电极把持器上安装有多根自耗或非自耗电极，电源K连接在电极把持器和底水箱上。在浇注漏斗的下面连接有浇注管。在芯棒上安装有超声波振动器。在底水箱的中心连接有衬套。水冷结晶器即可以是圆形，赤可以是矩形、长方形等几何形状和带有凹凸形槽形状的整体结构或双开合哈复式结构。
解决其技术问题采用的工艺技术方案是：首先将需要复合的金属芯棒材料进行表面处理后，在其表面涂覆一层含有硼砂等碱金属氧化物、氯化物、融盐所组成的防氧化涂料，经烘干后安装在水冷结晶器的中心并穿过底水箱的中心孔固定在升降装置上，在金属芯棒的上部安装超声波振动器。将所需复合的金属冶炼后到入金属浇注包内，打开水冷结晶器和底水箱的进出水管，启动安装在水冷结晶器外部的感应加热器对芯棒进行表面加热，将配制好的所需成分的电渣放入结晶器内，用非自耗电极或自耗电极进行起弧化渣或将在结晶器外所化好的液渣浇入结晶器内，用非自耗电极或自耗电极对电渣进行加热熔化成液态渣，在芯棒表面达到所预定的温度后，将浇注包内的金属液按照所预定的浇注程序浇入水冷结晶器内，同时将加热电渣的电极通过电极把持器向上逐步提升，启动超声波振动器对所浇入的金属液进行超声波处理，以细化和改善复合层金属凝固组织，金属液浇注完毕后，感应加热器和电极继续进行加热，待保温一定时间后停止加热，启动升降装置将所复合好的双金属产品以一定的速度从结晶器内抽出，或将结晶器连同复合好的产品一同下降至底部后打开结晶器，松开芯棒固定装置，将复合产品放入热处理设备内进行热处理。通过反复重复上述工艺即可实现多层层状复合材料的制造，改变抽出工艺赤可以制造大长度的层状复合材料。改变结晶器的形状即可以制造各种几何形状的层状复合材料产品。
水冷结晶器内的熔渣为一元或多元物质所组成的渣系，其物质为CaF2、Al2O3、CaO、MnO、TiO2、RE、RexOy、Na2B4O7、SiO2、Na2O、K2O、SiCa、Al等，所复合的金属材料为各种使用工况的黑色金属和各种有色金属及金属基复合材料。芯棒表面防氧化涂料的成分为Na2B4O7、SiO2、Na2O、K2O、Al2O3、CaO、B2O3、等。
有益效果：上述方案中，使用该发明生产层状复合材料时，生产工艺简单易于操作，生产效率高，电耗低，生产成本低，设备简单投资小；复合层金属的纯净度高，产品无成分偏析，组织致密度高，复合产品至下而上顺序凝固，有利于金属的补缩，结晶组织优良，所生产的产品质量易于控制，可以根据不同的使用要求自由的选择不同强度要求的芯棒材料和不同性能的复合层材料，且芯棒和复合层材料的选择范围宽，复合层界面易于控制界面质量好，可以实现良好的冶金结合，可以不受设备和工艺的限制，实现用小型设备制造大体积的层状复合产品及薄壁复合层产品.
附图说明
图1为本发明第一实施例的结构图。
图2为本发明第二实施例的结构图。
图3为本发明第三实施例的结构图。
图4为本发明第四实施例的结构图。
图5为本发明第五实施例的结构图。
图6为本发明第六实施例的结构图。
图7为本发明第七实施例的结构图。
具体实施方式
实施例1：在图1中，该设备有一工作台，在工作台上有一孔洞，在工作台的下面安装有一升降装置20，在工作台的上面安装有水冷结晶器16和电极把持器9。水冷结晶器16的外部安装有感应加热器3，在水冷结晶器16的上面安装有保温盖5和浇注漏斗6，在水冷结晶器16的下面安装有底水箱1，在水冷结晶器16的下部和上部分别连接有进水管17和出水管4，在底水箱1的下部和上部分别连接有进水管18和出水管2。金属芯棒19通过水冷结晶器16的中心穿过底水箱1的中心孔衬套21固定在升降装置19上。水冷结晶器的结构为整体式或双开合哈复式。在芯棒19上面安装有超声波振动器11，在电极把持器9的上面连接有非自耗电极或自耗电极10，电源K与非自耗电极或自耗电极10和底水箱1相连接，在浇注漏斗6的下面连接有浇注管13。
工作开始时，将需要复合的金属芯棒19进行表面处理后安装在水冷结晶器16的中心并穿过底水箱1的中心孔衬套21固定在升降装置20上，超声波振动器11安装在金属芯棒19的上部。将所需复合的金属冶炼后到入金属浇注包7内，打开水冷结晶器16的进出水管17和4和底水箱1的进出水管18和2，启动安装在水冷结晶器16外部的感应加热器3对金属芯棒19进行表面加热，将配制好的所需成分的电渣放入结晶器内，用非自耗电极或自耗电极10进行起弧化渣或将在结晶器外所化好的液渣浇入结晶器16内，用非自耗电极或自耗电极10对电渣进行加热熔化成液态电渣14，在芯棒19表面达到所预定的温度后，将浇注包7内的金属液8按照所预定的浇注程序浇入水冷结晶器16内，同时将加热液态电渣14的电极10通过电极把持器9向上逐步提升，启动超声波振动器11对所浇入的金属液8进行超声波处理，以细化和改善复合层金属15的凝固组织，金属液浇注完毕后，感应加热器3和电极10继续进行加热，待保温一定时间后停止加热，启动升降装置20将所复合好的双金属产品15以一定的速度从结晶器16内抽出，或将结晶器16连同复合好的产品15一同下降至底部后打开结晶器16，松开芯棒固定装置，将复合好的产品15放入热处理设备内进行热处理。改变抽出工艺赤可以制造大长度的层状复合材料产品15。
实施例2：在图2中，与图1的不同点为在结晶器16的外部不安装感应加热器3，工作开始后，直接启动电源K熔化电渣14，通过液态电渣14对金属芯棒19直接进行加热。其它过程及设备与实施例1同，略。
实施例3：在图3中，与图1的不同点为在结晶器16的上部没有电极把持器9和电极10及电源K设备，工作开始后，将需要复合的金属芯棒19进行表面处理后，在其表面涂覆一层含有硼砂等低熔点类融盐或氧化物的防氧化涂料23，经烘干后安装在水冷结晶器16的中心并穿过底水箱1的中心孔衬套21固定在升降装置20上，超声波振动器11安装在金属芯棒19的上部。将所需复合的金属冶炼后到入金属浇注包7内，将低熔点的防氧化渣料26放入水冷结晶器16内，打开水冷结晶器16的进出水管17和4和底水箱1的进出水管18和2，启动安装在水冷结晶器16外部的感应加热器3对金属芯棒19进行表面加热，在芯棒19表面达到所预定的温度后，将浇注包7内的金属液8按照所预定的浇注程序浇入水冷结晶器16内。其它过程及设备与实施例1同，略。
实施例4：在图4中，与图3的不同点为在金属芯棒19的表面包覆一层铝板24，工作开始后，所浇入的高温金属液将包覆层铝板24熔化，熔化后的铝板24在金属芯棒19和复合金属液8之间形成一层具有良好韧性的Al-Fe固溶体和Al-Fe共晶体28，从而降低了凝固温度，平衡了铁水凝固产生的收缩应力，使复合层金属液在凝固收缩时不易产生裂。其它过程及设备与实施例1同，略。
实施例5：在图5中，与图1的不同点为水冷结晶器是带有凹凸形槽形状的双开合哈复式结构25。重复实施例1的工艺过程，所制造的制品表面为带有凹槽形状的复合材料产品28。其它过程及设备与实施例1同，略。
实施例6：在图6中，与图1的不同点为将施例1所制备的双金属复合材料用做金属芯棒19，经表面处理后，重复实施例1的工艺过程，即可制备出多层层状的复合材料制品。其它过程及设备与实施例1同，略。
实施例7：在图7中，与图3的不同点为将施例3所制备的双金属复合材料用做金属芯棒19，经表面处理后，重复实施例3的工艺过程，即可制备出多层层状的复合材料制品。其它过程及设备与实施例3同，略。
Claims (3)
1.一种层状金属复合材料制造工艺，其特征是：首先将需要复合的金属芯棒材料进行表面处理后，在其表面涂覆一层含有碱金属氧化物、氯化物和融盐所组成的防氧化涂料，经烘干后安装在水冷结晶器的中心并穿过底水箱的中心孔固定在升降装置上，在金属芯棒的上部安装超声波振动器；将所需复合的金属冶炼后倒入金属浇注包内，打开水冷结晶器和底水箱的进出水管，启动安装在水冷结晶器外部的感应加热器对芯棒进行表面加热，将配制好的所需成分的电渣放入结晶器内；用非自耗电极或自耗电极进行起弧化渣或将在结晶器外所化好的液渣浇入结晶器内，用非自耗电极或自耗电极对电渣进行加热熔化成液态渣，在芯棒表面达到所预定的温度后，将浇注包内的金属液按照所预定的浇注程序浇入水冷结晶器内，同时将加热电渣的电极通过电极把持器向上逐步提升，启动超声波振动器对所浇入的金属液进行超声波处理，以细化和改善复合层金属凝固组织，金属液浇注完毕后，感应加热器和电极继续进行加热，待保温一定时间后停止加热，启动升降装置将所复合好的双金属产品以一定的速度从结晶器内抽出，或将结晶器连同复合好的双金属产品一同下降至底部后打开结晶器，松开芯棒固定装置，将复合好的双金属产品放入热处理设备内进行热处理；通过反复重复上述工艺即可实现多层层状复合材料的制造，改变抽出工艺亦可以制造大长度的层状复合材料；改变结晶器的形状即可以制造各种几何形状的层状复合材料产品。
2.一种实现层状金属复合材料制造工艺的设备，其特征是：该设备有一工作台，在工作台上有一孔洞，在工作台的下面安装有一升降装置，在工作台的上面安装有水冷结晶器和电极把持器；水冷结晶器的外部安装有感应加热器，上面安装有保温盖和浇注漏斗，下面安装有底水箱，在水冷结晶器和底水箱的下部和上部分别连接有进出水管；金属芯棒通过水冷结晶器的中心穿过底水箱的中心孔衬套固定在升降装置上；水冷结晶器的结构为整体式或双开合哈复式结构。
3.根据权利要求2所述的层状金属复合材料制造工艺的设备，其特征是：在电极把持器上安装有多根自耗或非自耗电极，电源连接在电极把持器和底水箱上；在浇注漏斗的下面连接有浇注管；在金属芯棒上安装有超声波振动器；在底水箱的中心连接有衬套；水冷结晶器是圆形，或者是矩形和带有凹凸形槽形状的整体结构或双开合哈复式结构。
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